某水電站工程邊坡深大裂縫成因分析與防治

某水電站工程邊坡深大裂縫成因分析與防治

0岸坡深裂縫的形成根據(jù)雅庫江水庫普斯羅溝遺址帶的勘探和研究，發(fā)現(xiàn)了大量深度裂縫，尤其是左岸的海岸。它們出現(xiàn)在海岸的正常深帶中，通常是完整的巖石。通過大量的野外調研得出了深裂縫形成的一些初步結論,為了進一步驗證深裂縫的形成機理及其形成的力學機理,進行了該項模擬試驗。1深層裂縫機械模型介紹1.1與深裂發(fā)育密切相關的地質背景1.1.1腦組三種砂板巖壩址區(qū)出露地層(表1)主要為中上三疊統(tǒng)雜谷腦組二段(T22-3Z)大理巖,厚度約600m,按巖性組合細分為8層。雜谷腦組三段(T33-2Z)砂板巖,出露于左岸1900～2300m高程間,厚度約400m。2300～2500m高程間又為雜谷腦組二段(T22-3Z)之大理巖。第三段(T32-3z)為砂板巖,其中1～5層中均夾有薄和極薄層的粉砂質板巖和粉細砂巖,第二段(T22-3z)總體為大理巖,6～8層中夾有薄層或者透鏡體狀綠片巖,第4、5層為厚層和巨厚層狀的大理巖。1.1.2對向斜的穩(wěn)定應力場深裂縫主要發(fā)育在三灘向斜的核部(圖1),三灘倒轉向斜,從三灘壩址,經(jīng)解放溝至普斯羅溝壩址,構成整個壩段左岸巖體結構中的重要組成部分。壩址區(qū)三灘向斜是一個以第三段六層(T3(6)2-3z)的變質砂巖為核心的向斜,試驗證明該厚層狀至巨厚層狀砂巖的強度和變形模量都很高,與其下部第二段中的大理巖相當。第三段中第1～5層中的砂巖也有很高的強度,因而三灘向斜是一個由變形模量較高的大理巖和砂巖骨干層構成的可儲備較大應變能的褶皺體?，F(xiàn)今應力場大體與向斜軸面正交,又賦予向斜更高的應變能。向斜各骨干層中又夾有強度相對偏低的薄層至極薄層綠片巖和板巖,在構造改造中第二段中的6～8和第三段中的1～5層層間錯動發(fā)育,使較弱夾層與骨干層間的抗剪強度降低,有利于層間滑脫的發(fā)生。壩區(qū)向斜中已發(fā)育了一套與層面近于正交的節(jié)理裂隙面,傾向坡外,大體與岸坡坡角相同。向斜的滑脫最容易發(fā)生變形破裂的正是這一套NE向傾SE的裂隙面。其次與向斜軸近于正交的NW和EW向裂隙,在現(xiàn)今應力場作用下繼承了早期橫向節(jié)理,發(fā)生壓裂;而部分NE向的裂隙發(fā)生剪裂。1.1.3寬谷帶的形成歷史壩址區(qū)3000m夷平面至2000m左右高程范圍內為一寬谷帶,右岸順層滑動發(fā)育,坡面上殘留泥鈣質膠結。寬谷以下為峽谷段可見六級階地。由此可推測該區(qū)河谷的形成演化歷史。也為深裂縫的形成演化提供了分階段形成的時間依據(jù)。1.1.4西55555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555壩區(qū)最大主應力σ1N36～67°W,平均N51°W,傾3°～57°。在PD2硐(高程1649m)224～236m處,σ1為40.4MPa,而PD14(1783m)120～128m處,介于兩深裂縫之間,僅為5.84MPa。1.2深裂縫在精確定位中的作用本文按王蘭生教授提出的滑脫擴容機制以介紹,并進行了物理模擬試驗加以驗證?；?圖2)引起的層間錯動,可引起下伏巖層順著傾外的NE向節(jié)理裂隙拉裂(撕裂),形成在層間錯動面附近開度由上向下減小的撕裂;又可引起滑脫層上覆巖體造成載馱式拉裂,這是左岸深裂縫形成的主要力學機理;深裂縫較集中發(fā)育在第二段中6～8層和第三段中的1～5層中,這是因為這些層中既含有堅脆的大理巖,又有薄層和極薄的較弱夾層,有利于產(chǎn)生滑脫。第二段中的第5層為巨厚層塊狀大理巖,不利于產(chǎn)生上述破裂,第三段的第6層為厚至巨厚的變質砂巖,作為向斜的核心為儲能體,它在滑脫變形中以體積擴容為主要方式;深裂縫呈帶狀分布,這與滑脫機理密切關系。顯然在河流下切過程中向斜巖層滑脫必然有一個應變能的積聚過程,只有積聚的釋放能量能達到克服層間的抗剪阻力,才得以滑脫,因而滑脫具有脈動特征。一次滑脫造成破裂后,只有經(jīng)歷一段能量的再積聚過程才能使更深部的巖體發(fā)生滑脫拉裂,因此造成拉裂帶呈帶狀分布,并且在兩帶之間可以保留一相對完整的板梁;在順河方向上,深裂縫發(fā)育狀況從三灘經(jīng)解放溝至壩區(qū),壩區(qū)上游段與下游段的差別,可能與向斜巖層結構的差異有關。在三灘和解放溝,向斜的核部為第三段第5層或第4層,缺失第6層。缺少了一個重要的儲能核心,減少了產(chǎn)生滑脫的能量,因而深裂縫不發(fā)育。值得注意的是在壩址區(qū)左岸向斜核部的三段6層出現(xiàn)在Ⅱ線上游300m左右處,向下游逐漸展寬增厚,至A線下游向河流偏轉,在手爬溝下游約700m處(沙溝)跨江向右岸延展,這一事實也許與深裂縫發(fā)育程度上、下游的差別有關;深裂縫發(fā)育隨高程的變化也是顯而易見的,受壩區(qū)勘探高程所限,高便道平硐(PD44)揭露的最新的巖層為三段第4層,仍然可見到深裂縫的現(xiàn)象。按現(xiàn)有勘探,滑脫引起拉裂涉及的最深處高程為1652m,高出谷底70余米(PD56);拉裂縫縫內部極少見有次生夾泥,可見鈣膜、鈣華及方解石結晶體,在大理巖層中還可見石幔等類似地下巖溶景觀。這些特征說明裂隙未直接穿出地表。由于滑脫拉裂產(chǎn)生的拉裂縫是起始于上覆巖層的錯動(滑脫)面,因而受阻而不直接穿出地表,地表水通過多層破裂巖層經(jīng)過過濾而進入裂隙;時效特征的形成與向斜隨河谷下切,滑脫擴容逐步向深部轉移,并牽動上覆載體有關;兩岸的差別與兩岸巖體結構特征相適應,右岸在現(xiàn)今地應力場的作用下可造成與主應力方向近于平行的陡裂隙壓裂和NE向裂隙剪裂,同時在近于表部的巖層引起層面微張,這可能是PD51中126m深處不同段中第二段第層中層間綠片巖風化拉裂,有的可見滲水現(xiàn)象。2在深度裂縫形成機制的物理模擬試驗中2.1選擇試驗條件的基本原則2.1.1底作用力代替重力場本試驗選擇底摩擦儀作為試驗設備(圖3),該儀器主要原理是用底摩擦力代替重力場,也就是為了便于模擬試驗,將重力場放置水平。具有操作簡單,效果明顯的特點。2.1.2材料和儲集巖的組成為了模擬上述巖性中的骨干巖層,本試驗選用有一定彈性并具有一定摩擦系數(shù)的橡膠夾塑料代替地質原型中的雜谷腦組地層的第三段中具有較高強度和變形模量的巨厚層的砂巖和第二段的大理巖。在向斜轉折端采用兩層橡膠中間夾塑料,使之具備一定的彈性能。兩翼為雙層橡膠。單層橡膠厚度為6mm,橡膠寬度4cm左右。向斜各骨干層中夾的強度相對偏低的薄層及極薄層綠片巖和板巖采用混合土代替?；旌贤劣芍鼐?80%)+膨潤土(18%)+石蠟油(2%)組成。將混合土置于骨干層間經(jīng)過一定的壓密作用替代綠片巖和板巖。本試驗中重點就是要做出具備一定儲能向斜和軟硬相間的巖層。選用以上材料具有較好的相似性。2.2試驗過程2.2.1斜的產(chǎn)狀.將做好的“骨架”層先置于底摩擦儀上,先按三灘向斜的產(chǎn)狀擺放,并注意將向斜根部壓緊,將混合土置于其間,壓密。制成80×56長方體樣。面上為了便于觀察裂縫,撒上膨潤土粉末,并抹平(圖4)。2.2.2模擬河谷開挖啟動底摩擦儀,速度控制在1.0左右,經(jīng)過一定時間(約10min)后,將試樣表面由于試樣局部差異產(chǎn)生的裂縫抹平。再過2分鐘開始進行模擬河谷開挖(圖5),慢慢形成雅礱江河谷。保持儀器一直工作,直至裂縫出現(xiàn)。2.3裂縫發(fā)育的部位、發(fā)育經(jīng)過上述過程,可以看到(圖6):(1)裂縫沿骨架層邊緣開始生長,近處寬遠處窄;(2)裂縫出現(xiàn)的位置距開挖線平距約為1,3,6cm左右;(3)裂縫發(fā)育的規(guī)模沿河谷高程不同位置也明顯不同,在中高高程位置裂縫發(fā)育相對集中,裂縫延伸也較大約4～6cm左右,在較低高程裂縫發(fā)育在較淺部位,延伸較小約2cm左右;(4)裂縫呈臺階狀,不貫通。3輔助驗證