内蒙古东部某河流河网地区古近系河流特征及降水溶蚀槽成因

内蒙古东部某河流河网地区古近系河流特征及降水溶蚀槽成因

1坝—地质环境右岸山脉位于蒙古国西部，是一个倾斜的方向，在磺路的倾斜方向上向东倾斜，然后在东翼附近倾斜。nw倾斜，轴向倾斜，nw320340。断层、裂隙发育。出露奥陶系浅变质火山碎屑岩及灰岩,岩性有凝灰熔岩、凝灰质角砾岩、凝灰岩、灰岩层厚10～58m不等。河流走向呈NWW向,岸坡陡峻高耸,高差440m,冲沟发育,间距20～50m,切割深度不一,有几米到几十米,长100～300m,多呈悬谷。较大的冲沟有2条,位于坝线上下游各100m处,近垂直河流,切割深度5～20m,上游冲沟沟脑为一巨大“簸箕”状地形,高程为2030～2170m。峡谷两岸广泛分布有“簸箕”状冰斗地形,许多冲沟是冰斗基础上发育而成。2岩体结构特征2.1由于排砂洞塌方及竖井平台开挖,塌方严重段岸坡,顶部以第三层厚层灰岩为界,底部至竖井平台范围浅表层出现12条裂缝,其延伸长度15～60m,宽3～15cm,走向与岸坡一致,倾角75°～87°,大部分在坡积层中通过,局部沿岩层面裂隙发展。2.2坡脚附近Ⅱ级结构面发育坡脚1975～2090m高程间发育有5条Ⅱ级结构面(结构面特征见表1),断层带面积约占20%,破碎带宽度随深度的增加而逐渐减小的上宽下窄现象。2.3张裂缝发育钻孔及平硐揭示,1975～2080m高程间①水平深度0～33m范围,顺层面张裂缝发育,缝宽0.05～0.2m充填少量泥质物及块碎石,结构疏松,局部具架空现象,架空空隙最大宽度达0.2m,深3.5m。②铅直岩坡0～35m内基岩段,裂隙内充填有雨水淋滤泥沙,有溶蚀槽,而地下水位低于该位置,说明是大气降水溶蚀。③941平硐33m以前,硐内裂隙发育,裂隙与地表连通性较好。2.4岩体透水性强、钻孔岩心获得率低、风化强烈据右岸钻孔资料分析,一般铅直25～35m深度内基岩,岩体破碎,有掉块、卡钻现象,岩芯平均获得率16%～29%,压水试验由于漏水量大(60～125L/min),不起压而无法进行,属极严重透水带。岩体属强～弱风化,35m以下一般无掉块、卡钻现象,岩性平均获得率>50%,透水性属强～弱透水,单位透水率10～30Lu,岩体属弱～微风化。2.5岩层弯曲、扭折、倾倒变形相向坡段均产生岩层顶端“挠曲”——地表岩层倾角明显缓于深部。岩层被近垂直层面受层理限制倾岸外(SW∠25°～35°)缓倾角裂隙折断,部分已发生倾倒破坏。“挠曲”轴面向河床倾斜,与背斜轴面倾向相反,为自重应力作用下岩体蠕变而产生。2.6岩体结构右岸1990高程以上开挖的5个平硐中,一般0～15m段,岩石破碎,节理裂隙密集,层序模糊,岩层倾倒折断。近垂直层面的张裂隙发育。岩块块径0.05～0.2m。岩体结构为散体状。15～33m,断层裂隙发育,裂隙线密度为5条/m,层序清晰,岩块块径一般0.2～1.5m,岩体纵波速Vp=1910～2524m/s,加权平均值2383m/s,岩体完整系数Kv=0.13～0.23,加权平均值0.22,岩体结构为层状碎裂结构。33m以后Vp=3500m/s,Kv=0.5,岩体结构为层状结构。2.7倾倒体、危石群,坍滑体发育在2000～2080m高程范围内发育10余处危石群、4块坍滑体、3片倾倒体,其估算方量分别为150～2535m3、20～200m3、1400～3600m3,这些不良地质现象均在F121、F268、F269、F340断层破碎带及岸坡深大冲沟两侧呈长条状分布。3抗滑变形作用3.1层理、裂隙、断层走向大部分与岩坡走向夹角<25°,且属相向坡,在顺坡向应力作用下便于岩层倾倒变形。3.2地形、地貌影响由于昌马河强烈下切,右岩相对高差达1050m。地形坡度陡,在2000～2100m高程范围水平自重应力达9.3～8.4MPa,顺坡向自重应力达18.3～20.4MPa;岸坡冲沟发育,使得冲沟之间岩体三面临空,便于应力释放。3.3地质构造影响本区靠近硫磺沟倾覆倒转背斜轴部,以引张变形为主,构造应力较为集中,随着河谷下切,上覆岩体逐渐剥蚀,原下伏岩体释放压力而卸荷变形。2100m高程以上岩层顺坡,2175～2300m高程又有NW353°SW∠36°,破碎带宽0.8m充填断层泥、角砾岩、岩屑无胶结的F305缓倾角断层存在,造成2100～2300m高程以上岩体的相对滑移,2100m高程以下岩体的抗滑变形产生——倾倒变形“顶端挠曲”、断层破碎带产生塑性挤出效应造成破碎带上宽下窄现象。3.4陡倾角岩层便于卸荷对于岸坡坡度为α,岩层倾角为β的某一岩层顶端M点来说,如图1应力分析,可得到:作用于该点垂直层面的应力F=λ·γ·H·sinβ(λ为水平应力系数;γ为容重;μ为泊松比,取0.28),说明β角越大作用越大,易沿平行岸坡走向的原生结构面卸荷变形,本岸正常岩层倾角>52°,因此便于倾倒变形。3.5在坡脚由于F121、F268、F269断层破碎带、影响带较宽,层理发育,岩体结构相对疏松,对其上覆岩体相对造成临空面,失去或减小对上覆岩体向河床方向发生位移的约束力,创造了岩体变形的相对有利空间。3.6岩层顶端在山岩压力作用下,受到向上的拉应力T=λ·γ·H·cosβ以及上覆岩层和下伏岩层对它的摩擦力f=2λ·γ·H·sinβ·tgφ(φ为摩擦系数);当岩层倾伏到一定角度时,T=2f(图2);得tgβ=1/2;对于岩层面摩擦系数tgφ≤0.7的岩层来说β≤36°,即岩层倾角<36°时,岩层顶端将有拉应力产生。当下层面相对临空时,沿层面方向的拉应力T=λ·γ·H·cosβ-λ·γ·H·sinβ·tgφ=(0.26/(1-0.26))·2.7·10-3·900·100/10.2·(cos36°-0.7sin36°)=3.33MPa对凝灰质砂岩来说,岩层倾角39°～41°抗拉强度3.4MPa,接近该值,岩层易被拉断,这与其表层破碎相符。对于其它岩石抗拉强度在7.2～9.4MPa之间,不易被拉断,在其山岩压力作用下岩层沿原生结构面剪切,并围绕卸荷深度最大的点发生旋转产生倾倒变形破坏,且变形量达到一定时,脆性岩石在力矩作用下将岩层折断。3.7本区古冰斗发育,冰川活动时的拖曳作用,岩层顶端产生弯矩,促使岩体沿原生结构面倾倒变形。3.8冰劈作用:本区气候寒冷,层面裂隙发育,裂隙中的水结冰时体积膨胀,产生挤压力,促使裂隙扩大而岩层倾倒。4斜变形岩体的发育深度和稳定性4.1上覆“挠曲”变形特征构成边坡岩体岩性主要为凝灰熔岩、灰质凝灰砂岩夹灰岩、以及破碎带构造岩等,构成了软硬相间多层结构,但岸坡的三层中厚层灰岩为岸坡岩体骨架,对阻止岩体倾倒变形较为有利。产生倾倒变形的岩层为凝灰质砂岩、灰质砂岩、凝灰质角砾岩以及破碎带构造岩,由于上述3.6条的原因,除凝灰质角砾岩外,其余岩石抗拉强度较低,易折断,仅有凝灰质角砾岩产生旋转破坏的深度最大。材料力学中梁的转角微分方程Q=q·L3/24·E·j应用中,材料必须满足:连续、均匀、各向同性、小变形条件。对于岩体中某一单层岩石来说,在上覆岩体自重应力作用下缓慢的向临空方向旋转而发生“挠曲”变形,基本能满足上述条件。临空面:坡脚由于F121、F268、F269逆断层发育,其破碎带。影响带较宽,为上覆岩层旋转“挠曲”创造了相对临空面。凝灰质角砾岩单层平均厚度0.25m,正常岩层倾角52°～60°,挠曲后倾角39°～41°,岩体平均弹性模量4.1×104MPa,岸坡坡度40°～60°,岸坡冲沟与断层(近平行冲沟断层)将岸坡切割成17.5m宽条块。如图3(a)ΔAOB为岸坡某一截面,AB为地形线,OC代表某一旋转破坏长度为L的岩层,α为岩层倾角,β为地形坡度。α=(52+60)/2=56°;β=(40+60)/2=50°图3(b)中17.5m为顺岸坡岩层切割宽度,0.24m为岩层平均厚度,惯矩j=b·h3/12=0.023mΔAOC中AO=L·sin(α+β)cosβ0点铅直自重应力q=γ·AO=γ·L·sin(α+β)/cosβ垂直层面OC的铅直应力分量:q0=q·cosα=γ·Lsin(α+β)cosα/cosβ据以上知:α=56°,β=50°,θ=56°-40°=16°,j=0.023,E=4.1×104MPa,γ=2.7×10-3kg/cm3岩层倾倒蠕动变形是一缓慢发展逐渐累计的,经量测凝灰质角砾岩倾倒最大倾角为θmax=16°,假设发生16次,每次倾倒变形倾角θ≤1°,16tg1°=0.28。当θmin=5°时,同理得:L=17.3m,H=25.72m,据此可知倾倒蠕动变形的最大铅直深度为21.734.6m4.2f21断层局部处理研究经水科院所选四个剖面在8°地震和模拟雨季不利条件下安全系数均>1.2,说明平面滑动不是右岸山体主要失稳模式。根据地质构造和结构面形式分析,倾倒破坏仍是右岸山体的主要失稳模式。倾倒破坏分析表明,竖井平台和坝线附近三条剖面在F121断层破碎带以上安全系数均在1.0m左右,安全系数偏低,说明F121断层对边坡稳定影响较大,建议对F121断层顶部在坝址附近作局部处理。有限元计算分析同样表明导流排砂洞塌方造成右岸山体内出现大量的剪切拉张