內(nèi)蒙古東部某河流河網(wǎng)地區(qū)古近系河流特征及降水溶蝕槽成因

內(nèi)蒙古東部某河流河網(wǎng)地區(qū)古近系河流特征及降水溶蝕槽成因

1壩—地質(zhì)環(huán)境右岸山脈位于蒙古國(guó)西部，是一個(gè)傾斜的方向，在磺路的傾斜方向上向東傾斜，然后在東翼附近傾斜。nw傾斜，軸向傾斜，nw320340。斷層、裂隙發(fā)育。出露奧陶系淺變質(zhì)火山碎屑巖及灰?guī)r,巖性有凝灰熔巖、凝灰質(zhì)角礫巖、凝灰?guī)r、灰?guī)r層厚10～58m不等。河流走向呈NWW向,岸坡陡峻高聳,高差440m,沖溝發(fā)育,間距20～50m,切割深度不一,有幾米到幾十米,長(zhǎng)100～300m,多呈懸谷。較大的沖溝有2條,位于壩線上下游各100m處,近垂直河流,切割深度5～20m,上游沖溝溝腦為一巨大“簸箕”狀地形,高程為2030～2170m。峽谷兩岸廣泛分布有“簸箕”狀冰斗地形,許多沖溝是冰斗基礎(chǔ)上發(fā)育而成。2巖體結(jié)構(gòu)特征2.1由于排砂洞塌方及豎井平臺(tái)開(kāi)挖,塌方嚴(yán)重段岸坡,頂部以第三層厚層灰?guī)r為界,底部至豎井平臺(tái)范圍淺表層出現(xiàn)12條裂縫,其延伸長(zhǎng)度15～60m,寬3～15cm,走向與岸坡一致,傾角75°～87°,大部分在坡積層中通過(guò),局部沿巖層面裂隙發(fā)展。2.2坡腳附近Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面發(fā)育坡腳1975～2090m高程間發(fā)育有5條Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面(結(jié)構(gòu)面特征見(jiàn)表1),斷層帶面積約占20%,破碎帶寬度隨深度的增加而逐漸減小的上寬下窄現(xiàn)象。2.3張裂縫發(fā)育鉆孔及平硐揭示,1975～2080m高程間①水平深度0～33m范圍,順層面張裂縫發(fā)育,縫寬0.05～0.2m充填少量泥質(zhì)物及塊碎石,結(jié)構(gòu)疏松,局部具架空現(xiàn)象,架空空隙最大寬度達(dá)0.2m,深3.5m。②鉛直巖坡0～35m內(nèi)基巖段,裂隙內(nèi)充填有雨水淋濾泥沙,有溶蝕槽,而地下水位低于該位置,說(shuō)明是大氣降水溶蝕。③941平硐33m以前,硐內(nèi)裂隙發(fā)育,裂隙與地表連通性較好。2.4巖體透水性強(qiáng)、鉆孔巖心獲得率低、風(fēng)化強(qiáng)烈據(jù)右岸鉆孔資料分析,一般鉛直25～35m深度內(nèi)基巖,巖體破碎,有掉塊、卡鉆現(xiàn)象,巖芯平均獲得率16%～29%,壓水試驗(yàn)由于漏水量大(60～125L/min),不起壓而無(wú)法進(jìn)行,屬極嚴(yán)重透水帶。巖體屬?gòu)?qiáng)～弱風(fēng)化,35m以下一般無(wú)掉塊、卡鉆現(xiàn)象,巖性平均獲得率>50%,透水性屬?gòu)?qiáng)～弱透水,單位透水率10～30Lu,巖體屬弱～微風(fēng)化。2.5巖層彎曲、扭折、傾倒變形相向坡段均產(chǎn)生巖層頂端“撓曲”——地表巖層傾角明顯緩于深部。巖層被近垂直層面受層理限制傾岸外(SW∠25°～35°)緩傾角裂隙折斷,部分已發(fā)生傾倒破壞?！皳锨陛S面向河床傾斜,與背斜軸面傾向相反,為自重應(yīng)力作用下巖體蠕變而產(chǎn)生。2.6巖體結(jié)構(gòu)右岸1990高程以上開(kāi)挖的5個(gè)平硐中,一般0～15m段,巖石破碎,節(jié)理裂隙密集,層序模糊,巖層傾倒折斷。近垂直層面的張裂隙發(fā)育。巖塊塊徑0.05～0.2m。巖體結(jié)構(gòu)為散體狀。15～33m,斷層裂隙發(fā)育,裂隙線密度為5條/m,層序清晰,巖塊塊徑一般0.2～1.5m,巖體縱波速Vp=1910～2524m/s,加權(quán)平均值2383m/s,巖體完整系數(shù)Kv=0.13～0.23,加權(quán)平均值0.22,巖體結(jié)構(gòu)為層狀碎裂結(jié)構(gòu)。33m以后Vp=3500m/s,Kv=0.5,巖體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)。2.7傾倒體、危石群,坍滑體發(fā)育在2000～2080m高程范圍內(nèi)發(fā)育10余處危石群、4塊坍滑體、3片傾倒體,其估算方量分別為150～2535m3、20～200m3、1400～3600m3,這些不良地質(zhì)現(xiàn)象均在F121、F268、F269、F340斷層破碎帶及岸坡深大沖溝兩側(cè)呈長(zhǎng)條狀分布。3抗滑變形作用3.1層理、裂隙、斷層走向大部分與巖坡走向夾角<25°,且屬相向坡,在順坡向應(yīng)力作用下便于巖層傾倒變形。3.2地形、地貌影響由于昌馬河強(qiáng)烈下切,右?guī)r相對(duì)高差達(dá)1050m。地形坡度陡,在2000～2100m高程范圍水平自重應(yīng)力達(dá)9.3～8.4MPa,順坡向自重應(yīng)力達(dá)18.3～20.4MPa;岸坡沖溝發(fā)育,使得沖溝之間巖體三面臨空,便于應(yīng)力釋放。3.3地質(zhì)構(gòu)造影響本區(qū)靠近硫磺溝傾覆倒轉(zhuǎn)背斜軸部,以引張變形為主,構(gòu)造應(yīng)力較為集中,隨著河谷下切,上覆巖體逐漸剝蝕,原下伏巖體釋放壓力而卸荷變形。2100m高程以上巖層順坡,2175～2300m高程又有NW353°SW∠36°,破碎帶寬0.8m充填斷層泥、角礫巖、巖屑無(wú)膠結(jié)的F305緩傾角斷層存在,造成2100～2300m高程以上巖體的相對(duì)滑移,2100m高程以下巖體的抗滑變形產(chǎn)生——傾倒變形“頂端撓曲”、斷層破碎帶產(chǎn)生塑性擠出效應(yīng)造成破碎帶上寬下窄現(xiàn)象。3.4陡傾角巖層便于卸荷對(duì)于岸坡坡度為α,巖層傾角為β的某一巖層頂端M點(diǎn)來(lái)說(shuō),如圖1應(yīng)力分析,可得到:作用于該點(diǎn)垂直層面的應(yīng)力F=λ·γ·H·sinβ(λ為水平應(yīng)力系數(shù);γ為容重;μ為泊松比,取0.28),說(shuō)明β角越大作用越大,易沿平行岸坡走向的原生結(jié)構(gòu)面卸荷變形,本岸正常巖層傾角>52°,因此便于傾倒變形。3.5在坡腳由于F121、F268、F269斷層破碎帶、影響帶較寬,層理發(fā)育,巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松,對(duì)其上覆巖體相對(duì)造成臨空面,失去或減小對(duì)上覆巖體向河床方向發(fā)生位移的約束力,創(chuàng)造了巖體變形的相對(duì)有利空間。3.6巖層頂端在山巖壓力作用下,受到向上的拉應(yīng)力T=λ·γ·H·cosβ以及上覆巖層和下伏巖層對(duì)它的摩擦力f=2λ·γ·H·sinβ·tgφ(φ為摩擦系數(shù));當(dāng)巖層傾伏到一定角度時(shí),T=2f(圖2);得tgβ=1/2;對(duì)于巖層面摩擦系數(shù)tgφ≤0.7的巖層來(lái)說(shuō)β≤36°,即巖層傾角<36°時(shí),巖層頂端將有拉應(yīng)力產(chǎn)生。當(dāng)下層面相對(duì)臨空時(shí),沿層面方向的拉應(yīng)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對(duì)凝灰質(zhì)砂巖來(lái)說(shuō),巖層傾角39°～41°抗拉強(qiáng)度3.4MPa,接近該值,巖層易被拉斷,這與其表層破碎相符。對(duì)于其它巖石抗拉強(qiáng)度在7.2～9.4MPa之間,不易被拉斷,在其山巖壓力作用下巖層沿原生結(jié)構(gòu)面剪切,并圍繞卸荷深度最大的點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生傾倒變形破壞,且變形量達(dá)到一定時(shí),脆性巖石在力矩作用下將巖層折斷。3.7本區(qū)古冰斗發(fā)育,冰川活動(dòng)時(shí)的拖曳作用,巖層頂端產(chǎn)生彎矩,促使巖體沿原生結(jié)構(gòu)面傾倒變形。3.8冰劈作用:本區(qū)氣候寒冷,層面裂隙發(fā)育,裂隙中的水結(jié)冰時(shí)體積膨脹,產(chǎn)生擠壓力,促使裂隙擴(kuò)大而巖層傾倒。4斜變形巖體的發(fā)育深度和穩(wěn)定性4.1上覆“撓曲”變形特征構(gòu)成邊坡巖體巖性主要為凝灰熔巖、灰質(zhì)凝灰砂巖夾灰?guī)r、以及破碎帶構(gòu)造巖等,構(gòu)成了軟硬相間多層結(jié)構(gòu),但岸坡的三層中厚層灰?guī)r為岸坡巖體骨架,對(duì)阻止巖體傾倒變形較為有利。產(chǎn)生傾倒變形的巖層為凝灰質(zhì)砂巖、灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)角礫巖以及破碎帶構(gòu)造巖,由于上述3.6條的原因,除凝灰質(zhì)角礫巖外,其余巖石抗拉強(qiáng)度較低,易折斷,僅有凝灰質(zhì)角礫巖產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)破壞的深度最大。材料力學(xué)中梁的轉(zhuǎn)角微分方程Q=q·L3/24·E·j應(yīng)用中,材料必須滿足:連續(xù)、均勻、各向同性、小變形條件。對(duì)于巖體中某一單層巖石來(lái)說(shuō),在上覆巖體自重應(yīng)力作用下緩慢的向臨空方向旋轉(zhuǎn)而發(fā)生“撓曲”變形,基本能滿足上述條件。臨空面:坡腳由于F121、F268、F269逆斷層發(fā)育,其破碎帶。影響帶較寬,為上覆巖層旋轉(zhuǎn)“撓曲”創(chuàng)造了相對(duì)臨空面。凝灰質(zhì)角礫巖單層平均厚度0.25m,正常巖層傾角52°～60°,撓曲后傾角39°～41°,巖體平均彈性模量4.1×104MPa,岸坡坡度40°～60°,岸坡沖溝與斷層(近平行沖溝斷層)將岸坡切割成17.5m寬條塊。如圖3(a)ΔAOB為岸坡某一截面,AB為地形線,OC代表某一旋轉(zhuǎn)破壞長(zhǎng)度為L(zhǎng)的巖層,α為巖層傾角,β為地形坡度。α=(52+60)/2=56°;β=(40+60)/2=50°圖3(b)中17.5m為順岸坡巖層切割寬度,0.24m為巖層平均厚度,慣矩j=b·h3/12=0.023mΔAOC中AO=L·sin(α+β)cosβ0點(diǎn)鉛直自重應(yīng)力q=γ·AO=γ·L·sin(α+β)/cosβ垂直層面OC的鉛直應(yīng)力分量:q0=q·cosα=γ·Lsin(α+β)cosα/cosβ?lián)陨现?α=56°,β=50°,θ=56°-40°=16°,j=0.023,E=4.1×104MPa,γ=2.7×10-3kg/cm3巖層傾倒蠕動(dòng)變形是一緩慢發(fā)展逐漸累計(jì)的,經(jīng)量測(cè)凝灰質(zhì)角礫巖傾倒最大傾角為θmax=16°,假設(shè)發(fā)生16次,每次傾倒變形傾角θ≤1°,16tg1°=0.28。當(dāng)θmin=5°時(shí),同理得:L=17.3m,H=25.72m,據(jù)此可知傾倒蠕動(dòng)變形的最大鉛直深度為21.734.6m4.2f21斷層局部處理研究經(jīng)水科院所選四個(gè)剖面在8°地震和模擬雨季不利條件下安全系數(shù)均>1.2,說(shuō)明平面滑動(dòng)不是右岸山體主要失穩(wěn)模式。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)面形式分析,傾倒破壞仍是右岸山體的主要失穩(wěn)模式。傾倒破壞分析表明,豎井平臺(tái)和壩線附近三條剖面在F121斷層破碎帶以上安全系數(shù)均在1.0m左右,安全系數(shù)偏低,說(shuō)明F121斷層對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大,建議對(duì)F121斷層頂部在壩址附近作局部處理。有限元計(jì)算分析同樣表明導(dǎo)流排砂洞塌方造成右岸山體內(nèi)出現(xiàn)大量的剪切拉張