葉巴灘水電站壩區深部變形破裂特征及成因分析

劉云鵬,李　華,李崇標,李　輝

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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葉巴灘水電站壩區深部變形破裂特征及成因分析

劉云鵬,李華,李崇標,李輝

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都610072)

巖體基本質量是決定水電工程巖體可利用性的主要因素，而一般非常見的、由于卸荷作用所導致的岸坡深部變形破裂對壩區巖體基本質量劃分與區域范圍的界定則有重要影響，直接影響周圍巖體的工程地質特性及其評價。本文在葉巴灘水電站壩區岸坡巖體內的深部變形破裂詳細調查的基礎上，分析了影響巖體工程地質性質的深部變形破裂的主要特征，包括分布和優勢方向、巖體緊密程度與完整性、破裂面張開寬度、風化狀態、地下水狀態、波速比、KV、RQD等指標，并分為輕微松弛、中等松弛和強烈松弛三種主要類型。通過分析形成深部變形破裂的地質環境，結合壩區的構造演化、河谷演化與地應力演化特征，揭示了葉巴灘水電站壩區深部變形破裂的成因機制：這是一種在河谷地貌形成演化過程中，伴隨區域性剝蝕和河谷下切過程，早期岸坡巖體應力狀態不斷變化和調整，從而引起局部岸坡巖體內部儲存的集中應變能強烈釋放，導致邊坡巖體向臨空方向產生差異回彈而形成的張性破裂，局部具有剪脹特征。

水電工程；深部變形破裂；卸荷松弛；巖體質量；成因機制

0　前　　言

在葉巴灘水電站壩區兩岸岸坡弱卸荷巖體以里的較深范圍內，穿過一段相對完整的緊密巖帶后(一般為數十米)，又發育有一系列規模不等的張開裂隙(縫)松弛巖帶，這些深部變形破裂在壩基、防滲帷幕及抗力體、各建筑物和左右岸泄洪霧化區自然邊坡均有分布[1]，發育水平埋深為低高程65～90 m、中高程75～110 m、高高程100～160 m，基本具有隨高程增加水平埋深逐漸增大的趨勢。由于發育的深部變形破裂直接關系到壩區巖體質量分類及工程地質評價[2-3]，在拱壩建基面選擇的論證中必須考慮其影響。因此，有必要開展壩區巖體深部變形破裂發育特征及成因機制的分析研究，為壩區巖體結構特征及其工程適宜性研究提供依據。

本文根據調查結果，首先對壩區岸坡巖體內的深部變形破裂類型進行劃分；然后基于深部變形破裂的空間分布、優勢方向及變形破裂特征，分析了影響深部變形破裂的控制因素及與之有關的相應規律；同時，結合壩區岸坡巖體特性和深切河谷演化引起的應力場環境變化過程，分析了葉巴灘水電站壩區岸坡深部變形破裂的地質力學模式，探討了其成因機制。

1　深部變形破裂基本特征

根據對壩區分布有深部變形破裂平洞的調查結果，發現深部變形破裂主要表現為：一段密集發育成微張狀態的張開裂隙，或為充填砂糖狀巖屑的破碎帶，或為間隔發育的單條張開寬度較大的張性空縫，空縫之間形成相對完整的“板梁”巖體。由此可見，深部變形破裂并非由單獨裂隙(縫)構成，而是由多條裂隙(縫)共同組成的一個松弛巖帶，分布于緊密巖帶和微新未卸荷巖體之間，個別裂隙(縫)長度不大，甚至被其他結構面所限制，受控于斷層、長大裂隙或緩傾角錯動帶[1，4]。調查顯示，這種變形破裂僅產生于岸坡一定深度的巖體內部，并未在地表出露；同時，據壩區平洞洞間CT測試結果，壩區岸坡巖體內的深部變形破裂帶具有一定的連貫性，說明這種變形破裂的出現并非偶然，而是某段地質歷史時期該河谷區域內普遍發育的一種淺表生改造現象。

1.1主要分類

通過目前統計分析，壩區深部變形破裂的松弛程度隨高程和上下游的變化規律并不明顯，甚至相鄰平洞內的深部變形破裂也會出現顯著差異，分析認為這與岸坡內部巖石本身的不均一性、結構面分布的隨機性、應力集中范圍與大小、淺表生改造程度密切相關。

根據勘探平洞中深部變形破裂面主要發育洞段調查情況，主要考慮裂隙(縫)規模、密集程度、破碎帶物質、次生充填、巖體完整性及巖體松弛特性、風化狀態、地下水狀態等，采用破裂面張開寬度、波速比、KV、RQD等指標[1、4]，將壩區深部變形破裂劃分為三個類型，分別為輕微松弛、中等松弛和強烈松弛(見表1)。

表1　深部變形破裂類型

1.2分布特征

根據對壩區左右兩岸不同高程勘探平洞的現場調查，共計33個平洞發育深部變形破裂(見圖1)，其中左岸16個，右岸17個，分布平洞數量兩岸基本相當；但左右岸不同高程的調查分布情況并不相同(見圖2)。這里的不同高程是指：底高程2 733～2 756 m、中高程2 800～2 843 m、高高程2 888～2 908 m，另外壩址枯水期河水位高程為2 721 m。

圖1　壩區勘探平洞揭露的深部變形破裂

圖2　深部變形破裂不同高程分布

壩區以輕微松弛型為主，共計19個平洞發育(左岸9個、右岸10個)，約占整個壩區總數的58%，在各個高程均有分布，除右岸中高程明顯偏低以外，左右岸輕微松弛型的分布比例都可以達到所在高程分布總數的50%以上(見圖3、4)，發育深度一般為90～110 m，高高程略深，可以達到130～160 m。

其次為中等松弛型，在兩岸10個平洞可見(左岸6個、右岸5個)，約占整個壩區總數的30%，除右岸高高程以外，兩岸其他高程平洞中均有發育，發育深度一般為80～120 m，個別平洞可以達到161～177 m。

在已有勘探平洞中，強烈松弛型僅有4個(左岸1個、右岸3個)，左岸僅在底高程分布，右岸低、中、高都有分布，發育深度既有80～105 m，也有120～140 m；盡管分布數量最少，僅占整個壩區總數的12%，但其松弛張開程度最強，對巖體質量的影響最大；其分布在整個壩區較為分散，通過豎向或橫向相鄰平洞的調查，沒有發現同為強烈松弛型深部變形破裂的相鄰平洞，說明其分布并不連續。

對比不同高程深部變形破裂水平埋深發現，總體而言，右岸深部變形破裂水平埋深底高程小于中高程，中高程又小于高高程；而左岸底高程與中高程基本相當，但淺于高高程,這說明深部變形破裂的水平埋深基本具有隨高程增加逐漸增大的總體趨勢。另外，對比左右岸深部變形破裂水平埋深，左岸中低高程比右岸深，高高程兩岸基本相當，這應該與左右岸中低高程以下的地貌特征有關(左岸坡度一般45°～55°，局部為陡崖地貌，而右岸坡度一般40°～45°，比左岸稍緩)。

圖3左岸不同類型深部變形破裂分布圖4右岸不同類型深部變形破裂分布

1.3優勢方向

統計表明，壩區深部變形破裂優勢方向可分為四組：①N50°～70°E/NW∠75°～80°，②NNE/NW(SE)∠50°～60°，③N25°～55°W/NE∠50°～80°，④N80°W/SW∠55°～60°。破裂面傾角以中～陡傾為主，特別是強烈松弛型的走向與壩區NE向斷層或邊坡走向近于平行。左右岸不同、深部變形破裂類型不同，其具體優勢方向又表現出不同的特點(見表2)。

表2　壩區深部變形破裂優勢方向統計

1.4破裂特征

宏觀整體而言，深部變形破裂松弛段與相對完整段相間出現，成帶發育。深部變形破裂面一般為張性空縫，張開寬度幾毫米到幾十厘米不等，大多無充填，部分可見充填砂糖狀巖屑，少數夾泥。局部與其他長大結構面交切部位，可見明顯地下水活動痕跡，部分深部破裂出現輕度銹染現象。地下水狀態通常表現為潮濕狀態，局部滲水～滴水，僅在相對完整段干燥無水。一般微風化，在后期地下水作用下局部風化較強。

輕微松弛型深部變形破裂面：稀疏發育，破裂面結合緊密，張開寬度較小，張開寬度一般小于10 mm，結構面多無充填，結構面兩側1 m范圍內多呈現輕度～重度銹染，沿長大結構面普遍張開；巖體較完整，集中松弛，呈弱下～弱上風化狀態。帶寬一般為3～22 m，平均10.6 m。

中等松弛型深部變形破碎帶：以砂糖狀碎粒巖(巖屑)、泥質條帶為主，砂糖狀碎粒巖斷續或連續分布，于錯動程度較劇烈處團塊狀富集，結合程度較松散，寬度一般為5～20 cm不等，極少部分寬度大于20 cm，有些表現為張開寬度大于1 cm的張性空縫，破碎帶兩側巖體較破碎，表現為部分松弛、局部板裂化，呈弱下～微風化狀態。帶寬一般為9～24 m，平均16.4 m。

強烈松弛型深部變形破裂面：沿原有結構面局部張開或整體松弛，張開寬度1～10 cm，少數大于10 cm，兩側巖體基本未見有明顯錯位現象，主要表現出簡單向河谷臨空方向的張開特征。巖體呈體積式破壞，影響帶寬達數米，部分張開裂面之間形成相對完整的巖體“板梁”，巖體較破碎～破碎、整體松弛，呈弱下～微風化狀態。帶寬一般為15～28 m，平均18.8 m。

2　深部變形破裂形成的地質環境分析

深部變形破裂形成的基本條件包括內在和外在兩部分，其中內在條件也可以說物質基礎，包括深部變形破裂所發育的巖性、巖體結構，而外在條件則主要由所賦存的高地應力環境、特殊的卸荷方式構成[5-11]。

2.1岸坡組成

巖體的破裂體系及破裂方式與巖體結構相關，特別是作為結構體的巖石，其軟硬程度直接決定了結構塑性效應后的彈性變形。壩區共完成68組微新巖石物理力學性質試驗(見表3)，彈性模量為38.5～48.8 GPa，泊松比0.21～0.23，濕抗壓強度為80.3～113.7 MPa，屬堅硬巖。由這類巖石組成的巖體更加接近于彈性巖體，儲能能力強，這是應變能釋放的根本前提。

在河谷早期下切卸荷的過程中，岸坡巖體變形破裂方式、程度及破裂體系將因所處的地質環境狀態不同、巖體結構類型的差異而有所不同。這些變形破裂面多追蹤甚至繼承先成有利結構面而發生，尤其是當巖體中含有各種長大斷層和各種原生或構造節理的岸坡[9-10]。一般會追蹤與卸荷方向近于一致的結構面發生差異回彈變形(錯動)，或追蹤與卸荷方向近于垂直的結構面發生離面卸荷回彈。

表3　壩區微新巖石物理力學試驗成果統計

2.2地質構造

壩區的主要構造類型以中陡傾角斷層和隨機分布的節理、裂隙為主，特別是陡傾斜的構造節理最為發育，其中走向近EW和走向NE、NW的陡傾節理尤其明顯，其次為走向SN的陡傾節理。調查中發現，岸坡內部存在的部分大角度傾向河谷、近平行于岸坡的張開裂縫主要表現為沿構造節理發育的特點，這說明與岸坡基本平行或小角度斜交的、陡傾坡外的結構面在河谷下切過程中最有利于岸坡的卸荷和應力釋放。

2.3高地應力

壩區地處青藏高原的東南部侵蝕高山山原區，位于金沙江斷裂帶內，一方面隨著青藏高原的快速隆升并向東部擴展推移，使得壩區現今構造應力場為NWW-EW向主壓應力場，另一方面壩區谷坡高陡，相對高差大于1 000 m，自重應力量值高，上述兩種應力疊加造成壩區天然狀態下初始地應力較高，這也必然導致在壩區會形成局部應力集中。壩區兩岸低高程鉆孔及河床共28個鉆孔中出現的巖芯餅裂現象和平洞內(廠房勘探PD08)的片幫剝離現象就是充分證明。

根據壩區不同方法地應力實測資料分析[1](壩區兩岸測點水平埋深40～360 m)，壩區地應力具有以下特征：壩區應力量級高，水平埋深150 m以里σ1大于15 MPa，水平埋深200 m以里則介于23.3～37.6 MPa，屬高地應力區，河谷下切釋放前應該更高；最大主應力方向較穩定，右岸介于262°～306°之間，平均為285°(N75°W)，左岸介于89°～126°之間，平均107°(S73°E)，與河流走向近于正交。由此可見，在河谷快速下切演化，高地應力作為廣義“荷載”被卸載過程中，其差異回彈作用必然會更為強烈。

2.4河谷演化

葉巴灘水電站壩區河谷的形成演化主要經歷了三次夷平作用和七次集中下切[4]。河谷初期應力場基本形成于第三次夷平剝蝕結束后；隨后地殼上升河流快速下切，河谷初步形成，此時的寬谷形態處于Q1時期，河流的平均下切速率約為0.5 mm/a。Q2末到Q3早期，河流繼續下切，河谷由寬谷向峽谷過渡；Q3早期至Q3末期，地殼上升速率較前期更快，河流下切形成兩岸陡峻的石英閃長基巖岸坡；Q3末至Q4以來地殼短暫停留后抬升速率再次加快，河流在Ⅲ級階地上快速下切至谷底，河谷平均下切速率為2.3 mm/a，最大下切速率達4.5 mm/a。

河谷的快速下切直接導致岸坡巖體應力集中所儲存的應變能強烈釋放，驅動岸坡巖體向臨空方向發生卸荷回彈，此為形成深部變形破裂的基礎。

2.5地貌特征

壩區微地貌特征對岸坡的巖體卸荷程度有一定影響，間接決定了深部變形破裂在空間的分布格局[4]。壩區左右岸微地貌差異表現在：左岸由上游至下游分布有3條大沖溝(分別位于勘Ⅶ線、勘Ⅷ線、勘Ⅴ線下游)及多條小沖溝，其中勘Ⅶ線與勘Ⅷ線沖溝的切割造成左岸壩肩部位岸坡三面臨空，形成突出山脊，其結果是應力調整更容易在深部發生，而左岸的大部分勘探平洞位于該山脊部位。相對于左岸，右岸坡面較為平順，僅發育1條與左岸類似的大沖溝(勘Ⅴ線)，另外發育多條小規模沖溝，切割深度均較淺，應力調整的范圍也會相對于左岸淺。前述特征中，右岸中低高程深部變形破裂水平埋深比左岸淺，應是與左右岸微地貌差異關聯性的具體體現。

3　深部變形破裂成因機制

下面根據深部變形破裂的基本特征，結合壩區岸坡巖體特性及河谷演化引起的應力場環境變化，進一步分析并探討葉巴灘水電站壩區深部變形破裂的地質力學模式和成因機制。

3.1巖性結構

壩區岸坡巖體在經歷了一系列的構造演化后，形成了一組EW/S和一對NE/NW或NE/SE共軛的結構面。對比構造節理與深部變形破裂產狀優勢方向(①N50°～70°E/NW∠75°～80°;②NNE/NW(SE)∠50°～60°;③N25°～55°W/NE∠50°～80°;④N80°W/SW∠55°～60°)。不難發現，深部變形破裂與構造結構面優勢方向基本一致，破裂具有繼承性。根據現場調查及已有工程實例中對岸坡淺表生改造力學機制的判斷，應以張性為主、張剪性次之。

3.2卸荷方式

壩區河段為總體走向近于SN向的順直河道，最大主應力方向約為N70°～80°W，與邊坡走向近于正交，結合地應力測試結果及巖芯餅裂與片幫現象，壩區淺表岸坡地應力屬中等以上，局部存在高地應力區(河谷下切釋放前，整體應該屬于高地應力以上)，這為深部變形破裂的形成提供了有利的儲能條件。

在NWW向最大主應力以及河谷下切岸坡巖體卸荷回彈變形的共同作用下，原局部高地應力區巖體能量劇烈釋放，除此之外，左右兩岸所發育的沖溝也為應力釋放提供了良好的卸荷空間，這種特殊的卸荷方式是深部變形破裂形成的驅動力[5]。在該種驅動力作用下，若存在有利于破裂追蹤、擴展、錯動的結構，如長大優勢斷層和節理裂隙等，其附近以及挾持部位巖體也將產生變形破裂和錯動，就會形成一系列深部變形破裂。

3.3后期改造

水動力場的重大變化和強烈的地震，可以使具有殘余應變能的岸坡卸荷巖體因能量的進一步釋放或改變而產生新的變形與破裂。另外，在邊坡形成演化過程中，若深部變形破裂進一步受后期改造作用，特別是地下水的溶蝕和潛蝕作用，將產生明顯的風化加強現象。

3.4演化過程

由上述分析，可將深部變形破裂演化過程的理論基礎闡述為：

(1)壩區堅硬的石英閃長巖為應變能存儲提供了重要載體，河谷下切前的區域構造運動則提供了強大的構造應力，這兩個條件是壩區巖體存儲高應變能的根本前提；另外，其構造改造過程中形成的一系列構造節理系則為后期破裂提供了主要結構基礎。在河谷下切形成臨空面過程中，岸坡局部高應力環境下的巖體必然會通過能量釋放的形式達到新的應力平衡，這是物質自適應的一種表現形式。

(2)挽近期以來，特別是Q2晚期至Q3晚期，伴隨地殼快速抬升、河流快速下切，河谷進入峽谷期；由于岸坡側向卸荷導致邊坡巖體內存儲的應變能強烈釋放，并驅動巖體向臨空方向產生差異回彈變形，加之河流走向與最大主應力方向近于正交，卸荷響應的程度會更加明顯。在有利的組合結構(如斷層、長大節理)附近以及挾持部位，巖體更易產生變形破裂甚至錯動，從而形成一系列深部變形破裂。

(3)岸坡巖體內部的深部變形破裂是通過能量積累～釋放而產生的，當巖體內部存儲的殘余應變能不足以達到破裂進一步擴展的閥值時，破裂發展將會停止，深部變形破裂處于相對穩定狀態；只有經歷一段能量的再積聚和累加，造成應力轉移，才可能使其進一步發展。同時，伴隨河谷地貌特征的改變，當岸坡一定高程和深度的應力約束被釋放后，則會形成新的或更深部的巖體破裂。

(4)岸坡巖體內部的深部變形破裂出現以后主要受后期改造作用影響，特別是貫通性較好的深部變形破裂受到后期地下水作用時，風化加強特征會尤為顯著；同時，隨著岸坡應力場的進一步調整，變形破裂發育部位的應力環境則會由構造應力場逐漸轉變為構造應力場和自重應力場相互疊加的復合應力場，破裂的發展變化更多取決于外力作用，如地震和水庫蓄水等。

4　結　　論

通過以上分析可以得出：葉巴灘水電站岸坡深部變形破裂是在河谷地貌演化形成過程中，伴隨區域性剝蝕和河谷下切過程，早期岸坡巖體應力狀態不斷變化，出現應力分異，從而引起巖體內部儲存的

應變能在最短能量耗散路徑下強烈釋放，邊坡巖體向臨空方向產生差異回彈而形成的張性破裂，局部具有剪脹特征；若存在有利于破裂追蹤、擴展、錯動的結構，如長大優勢斷層和節理裂隙等，其附近以及所挾持部位的巖體也將產生明顯變形破裂和錯動，形成一系列深部變形破裂。這是一種高應力環境下早期岸坡巖體內部所發育的地質現象，就其經歷的地質歷史而言，是岸坡淺表生改造過程的具體體現。

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2016-03-07

劉云鵬(1982-)，男，內蒙古通遼人，高級工程師，從事水電勘察設計工作。

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1003-9805(2016)03-0011-05