水电站工程中板状反倾岩体的倒塌变形模式及形成机制

水电站工程中板状反倾岩体的倒塌变形模式及形成机制

中国西南部水电工程建设项目中板状反倾斜岩体的倾斜变形是一个极其重要的项目地质问题。这类变形破坏现象的发育规模,通常受特殊的工程地质—岩体力学环境控制,表现出很大的差异性,对工程的影响程度也不尽相同。所以对其变形模式及形成机制的研究具有重要的实际意义,它不仅关系到倾滑体的稳定性评价还将影响对坝址区地质环境的认识与评价。1工程地质和地质结构该水电站位于澜沧江上游河段,拟建坝型初拟为堆石坝,最大坝高141.8m,坝顶高程1416.8m,正常蓄水位1410m,库容6.95×108m3,总装机容量1300MW。坝址区河段为纵向谷,岸坡岩体为侏罗系千枚状绢云板岩、变质石英砂岩构成的反倾板状地质结构。地层走向N5°～20°W,倾向E,倾角∠60°以上,层内挤压夹层(岩屑夹泥型)较为发育。两岸斜坡岩体倾倒变形较为强烈。右岸倾倒变形岩体的总体产状为N5°～20°W,SW∠35°～75°,左岸为N5°～20°W,NE∠30°～85°。变形影响范围较大,水平影响深度一般大于50m,且有随高程的增加而逐渐加深的趋势,对工程边坡稳定性及建基面选择影响较大。2岸坡岩体复杂的倾斜变形模式坝区岩体倾倒破裂现象极为复杂,为查明这些错综复杂的变形破裂问题,在工程地质条件和岩体结构特征的地质研究基础上,对坝址区现有勘探平硐所揭露的倾倒变形破裂现象的发育情况,进行了系统的地质编录与调查分析。研究成果表明,坝址区岸坡岩体复杂的倾倒变形可归纳为倾倒变形、倾倒—弯曲及倾倒—折断等3种基本类型。各类型的基本特征详见表1及如下论述。2.1之间相互错动的部位岸坡陡倾薄层岩体在重力弯矩作用下,坡体前缘向临空方向发生重力倾倒,并逐渐向坡内连续发展,薄层岩体内部沿早期构造成因的层内错动带发生薄层之间的相互错动。由于这类倾倒受控于薄层间的相互错动变形,故表现为岩层倾角依次连续倾倒变化,无倾角突变现象发生,其力学性质应属塑性连续变形类型。这种倾倒类型主要发生在地形临空条件较为单一、坡度变化相对较小的下坝址右岸,由此可见,从坡内向坡体前缘临空方向,层内错动带密集发育的岩层连续倾倒,岩层倾角依次逐渐减小。2.2连续变形变形岸坡陡倾薄层岩体在自重弯矩作用下,向临空方向发生悬臂梁式弯曲,岩体内部薄层之间的相互错动亦随之进一步发展。这类变形通常发生在以板岩、千枚岩为主的软质岩部位和不同变形区的分界带附近。岩层倾角虽变化较大,却未出现不连续性破裂现象,其力学性质仍属塑性连续变形范畴。这种倾倒类型主要发生在左岸回槽子沟北侧倾倒变形的底部,左岸某平硐揭露的现象最为典型。2.3不连续破裂破碎带在较大的重力弯矩作用下,弯曲部位出现拉张破裂并产生横切弯曲“梁板”的悬臂梁式折断破裂,形成倾向坡外、断续延展的张性或张剪性折断带,岩层倾角发生突变,其力学属性应为不连续脆性破裂。这类破裂主要发生在地形三面临空坡度变化较大的下坝址左岸回石山梁。折断破裂主要发生在倾倒变形岩体的底部,不同变形区分界处附近局部地段亦有所发育。3破裂变形之间相互关系分析研究工作在岩体倾倒破裂现象调查和破裂类型研究的基础上,通过对各类破裂变形之间相互关系的进一步分析。可以较明确地判断,岸坡岩体倾倒变形的形成与演变经历了四个基本发展阶段,各阶段变形有着不同的破裂力学机制和特征变形现象。3.1岩体离散元模型根据坝址区特定的岸坡地质结构类型,建立典型边坡的岩体离散元数值模型(图1左)。通过对岩体倾倒变形—破裂全过程的反演模拟,较为清楚地展现了倾倒变形发展的四个基本阶段。3.1.1初始向临空方向倾覆变形在岸坡形成的初期,陡立板状岩体的前缘开始向临空方向倾倒变形(图1右)。坡体前部变形具有卸荷回弹性质,后缘发展拉裂变形,内部岩板之间发生相互错动蠕滑变形。3.1.2板状岩体变形随着岩体倾倒变形的进一步发展,已经发生倾倒变形的板状岩体在重力弯矩的作用下,岩板的根部发生强烈的悬臂梁式弯曲变形,坡体前缘表层崩落掉块、后缘拉裂,内部岩板间的蠕变错动进一步持续发展(图2)。3.1.3最大弯折带内断裂面的形成由于弯曲变形的持续发展,必将导致作用于岩板的力矩随之增大。当作用于岩板根部的力矩超过该部位的抗弯折强度时,沿最大弯折带形成倾向坡外断续的破裂面(图3)。实质上就力学机理而言,这类破裂面具有拉张和剪切性质,即沿该破裂面已经开始发展成为控制坡体稳定的张—剪应力集中带,并有向坡体后缘拉应力集中区发展的趋势。3.1.4张剪性破坏阶段经过弯曲—折断破裂发展阶段后,岩板根部的折断破裂面将持续发展并与后缘拉裂贯通(图4左),形成统一的张剪性破坏面。此阶段,受这类倾向坡外的破裂面控制的持续倾倒变形,实际上已转为滑移—拉裂型变形—破坏(或崩溃)。对于该水电站坝区特殊的岸坡岩体结构,倾倒变形的最终发展阶段具有双重破裂面特征(图4右),将分别发展为浅表层滑塌和深部张剪滑移破坏。3.2在倾斜变形和破坏过程中，岩体的变形和破坏机制上述四个发展阶段中,伴随着倾倒变形强烈程度的不同,岩体内部表现出不同的破裂形式、力学机制和特征变形现象。3.2.1抗剪性能好的岩体内部错动带和抗剪强度过大构造变形在河谷下切、岩体卸荷—倾倒变形发展的初期,近直立的薄层或板状岩体在自重弯矩的作用下,开始向临空方向发生悬臂梁式倾倒,并由坡体浅表部逐渐向深部发展。由于岩体内成因与构造变形的层内错动带极为发育(这类结构面是地壳岩体强烈褶皱变形的产物,均有一定的厚度和明显的泥化现象,且抗剪强度一般较低),极易沿其发生倾向剪切滑移。由于此阶段尚属倾倒变形的初期,由倾倒层面倾滑错动派生的层内岩板拉张效应较弱,不具备产生层间拉张变形的基本应力条件,故通常不发生宏观拉张破裂。3.2.2拉张应力的影响随着岩体倾倒变形的进一步发展,沿层内错动带及千枚岩等软弱岩带的剪切作用逐渐加剧,导致层内拉张效应渐趋强烈,错动带之间的岩板承受越来越大的拉张应力。当逐步累积增加的拉张应力达到或超过岩板的抗拉强度时,伴随岩板间的进一步相互错动,层内岩板产生拉张破裂或沿已有结构面发生拉张变形。3.2.3剪切作用的增强由于岩体倾倒持续强烈发展,作用于岩板的倾倒弯矩也随之增大,沿层内错动带及千枚岩等软弱岩带的剪切作用变得十分强烈。层间岩板除继续承受拉张应力外,剪切效应逐渐增强。破裂形式转变为沿已有的缓倾角节理发生显著的张剪破裂或倾滑剪切位移,持续发展必然切层。3.2.4岩板抗弯折强度当倾倒变形发展极为强烈时,由于岩层弯曲变形角度很大,作用于岩板的倾倒弯矩进一步积累增大,一旦达到岩板的抗弯折强度,岩体发生横切岩板、倾向坡外的折断破裂。岩体内由此而形成的折断带具有双重控制特征,分别构成表层塌滑坠覆和深部倾滑变形控制结构。4边坡岩体结构运动规律坝址区岸坡岩体复杂的倾倒变形可归纳为倾倒变形、倾倒—弯曲及倾倒—折断等3种基本类型。在此基础上,本文用离散元的方法模拟了岩体倾倒变形—破裂全过程(初期倾倒变形→倾倒—弯曲变形→弯曲—折断破裂→折断面贯通、坡体失稳破坏),进而分析其变形破坏机制(初期弱倾倒