1 引 言

 

  堆積體是第四系堆積作用形成的地質(zhì)體, 一般是由作為骨料的碎石或者塊石和作為充填成分的黏土或砂土組成, 屬于斜坡變形破壞后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)階段的產(chǎn)物。堆積體在我國(guó)乃至世界均有廣泛分布,并且在大型水利水電工程中, 經(jīng)常會(huì)遇到一些大型的堆積體邊坡。隨著我國(guó)水電工程的不斷往西南發(fā)展, 尤其在近藏一帶高山峽谷地區(qū), 堆積體邊坡的穩(wěn)定性問題對(duì)工程建設(shè)的影響顯得格外重要。堆積體的成因一般較為復(fù)雜, 主要有坡積成因的、崩積成因的、沖洪積成因的、冰積成因的及人工堆積的等等,并且具有物質(zhì)成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分布極其不規(guī)則、地域性等特性, 力學(xué)性質(zhì)介于土與巖體之間[ 2] ;另外, 堆積體形成的一個(gè)主要原因就是河谷發(fā)育史中曾出現(xiàn)過的強(qiáng)烈下切期,即斜坡變形破壞的活躍期, 這一時(shí)期對(duì)堆積體邊坡的形成起到至關(guān)重要的作用;再者, 在全球地質(zhì)歷史演化過程中, 受到巖體卸荷、雨水冰水對(duì)巖體的侵蝕和攜帶作用、風(fēng)化作用、地震和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響, 這些都是形成堆積體的重要因素。

 

  對(duì)于小型堆積體邊坡來說, 其工程效應(yīng)比較容易把握, 一般認(rèn)為其成因和巖土體性狀明確, 工程處置也相對(duì)簡(jiǎn)單[ 3] ;但對(duì)大型堆積體邊坡, 其成因和力學(xué)特性的把握要困難很多。堆積體的存在會(huì)給工程帶來極大的影響, 如對(duì)于壩體的穩(wěn)定、蓄水后邊坡的穩(wěn)定性以及洞室開挖時(shí)洞口穩(wěn)定不利, 經(jīng)常會(huì)引起滑坡, 甚至泥石流等災(zāi)害現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者關(guān)于堆積體邊坡相關(guān)問題進(jìn)行了比較深入的研究,主要集中于斜坡堆積體形成過程及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)[ 4, 5] 、堆積體力學(xué)參數(shù)研究和堆積體穩(wěn)定性分析等方面,文獻(xiàn)[ 6]以堆積體邊坡的空間工程效應(yīng)為切入點(diǎn),運(yùn)用地質(zhì)工程分析、數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)等多種手段, 通過對(duì)兩個(gè)大型堆積體邊坡的實(shí)例對(duì)比研究, 提出了堆積體變形失穩(wěn)的空間特征, 堆積體變形失穩(wěn)控制途徑。但由于堆積體的力學(xué)特性比較復(fù)雜, 因此現(xiàn)在還沒有比較成熟的方法能夠很好的解決堆積體相關(guān)方面的問題。

 

  本文在現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件調(diào)查基礎(chǔ)上, 對(duì)古水水電站工程區(qū)域內(nèi)冰水堆積體邊坡歷史演化和形成過程進(jìn)行了有關(guān)分析。在對(duì)冰水堆積體物理力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上, 結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果, 對(duì)堆積體邊坡的變形破壞模式進(jìn)行了分析。

 

  2 區(qū)域工程地質(zhì)條件

 

  2.1 工程概況

 

  瀾滄江上游河段河谷總體呈NNW向展布, 江水由北向南流, 河谷深切, 兩岸岸坡自然坡度一般為20°～ 45°, 局部為懸崖峭壁, 部分河段河谷較寬闊,階地發(fā)育。古水水電站為《瀾滄江古水—苗尾河段水電規(guī)劃報(bào)告》中一庫(kù)七級(jí)開發(fā)方案中的第一梯級(jí)。古水水電站壩址位于青藏和川西高原區(qū), 山頂面高程4000 ～ 6000m, 河流深切呈“ V”字型, 屬典型的高山峽谷區(qū)。區(qū)內(nèi)沿瀾滄江一些地段發(fā)育5 ～ 6級(jí)階地。

 

  古水水電站壩址位于云南省德欽縣北西方向佛山鄉(xiāng)溜筒江行政村瀾滄江上游河段上, 是云南省境內(nèi)瀾滄江上游水電規(guī)劃梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí), 屬龍頭水庫(kù), 上游與位于西藏昌都地區(qū)芒康縣鹽井鄉(xiāng)境內(nèi)的古學(xué)梯級(jí)水電站銜接, 下游為“三江并流”自然遺產(chǎn)地梅里雪山景區(qū)的42km天然河道。地理位置處于以“世界屋脊”著稱的青藏高原南東緣, 屬滇西縱谷山原區(qū)地貌單元。地勢(shì)北高南低, 山脈總體呈NNW或近SN向展布。區(qū)內(nèi)最高處為梅里雪山的卡瓦格博峰, 高程為6740m。

 

  根據(jù)地形地質(zhì)條件初擬了3個(gè)壩址:古水壩址(簡(jiǎn)稱上壩址)、木水壩址(簡(jiǎn)稱中壩址)、溜筒江壩址(簡(jiǎn)稱下壩址)。其中中壩址由于地形條件差, 地質(zhì)條件復(fù)雜, 特別是右岸下游緊鄰壩址分布一大型堆積體(根達(dá)坎堆積體), 經(jīng)過地表地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前堆積體正處于緩慢蠕滑變形狀態(tài), 對(duì)工程布置存在重大影響。并且通過對(duì)上、下壩址的地形地質(zhì)條件進(jìn)行比選, 由于上壩址河谷峽窄, 壩基巖體以硬質(zhì)巖為主, 地下洞室圍巖穩(wěn)定條件較下壩址好, 上壩址工程地質(zhì)條件優(yōu)于下壩址, 基本確定為上壩址方案。

 

  2.2 水文地質(zhì)條件

 

  區(qū)域內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源主要是冰雪融化水及大氣降水, 以雪水補(bǔ)給為主, 其次為大氣降水。

 

  (1)冰雪融化水:庫(kù)區(qū)內(nèi)高程在3000 ～ 3500m年積雪為5 ～ 6mon, 高程在4000 ～ 5000m年積雪6～ 7mon, 5000m以上為終年積雪, 冬季雪線下降至2500m左右, 冰雪融化, 是該區(qū)最主要的水源, 且儲(chǔ)水量相當(dāng)豐富;(2)大氣降水:瀾滄江屬高山峽谷地帶, 地處亞熱帶邊緣氣候區(qū), 受高程、地形的影響, 大氣降水變化較大, 隨高程變化明顯, 河谷地帶, 年降雨較少, 地表植被較少或無植被, 降水量小, 而隨地勢(shì)升高, 氣溫逐漸下降, 降雨集中在高山地帶。

 

  從該區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)條件可以看出, 該區(qū)域內(nèi)的年平均降雨量不是很高, 主要以冰川融化水為主。

 

  2.3 區(qū)域地震條件

 

  樞紐區(qū)位于青藏地震區(qū), 地震活動(dòng)強(qiáng)烈, 歷史記載曾多次發(fā)生破壞性地震, 最大地震為1870年四川巴塘7級(jí)地震。歷史地震記載M ≥4.7級(jí)地震68次, 其中6 ～ 6.9級(jí)地震11次、7 ～ 7.9級(jí)地震1次。

 

  記錄到最早的地震是公元1128年前發(fā)生在西藏芒康>5級(jí)地震, 最大地震為1870年四川巴塘7級(jí)地震, 位于區(qū)域的北部;1970 年以來共記載ML2.0 ～4.9級(jí)地震2134次, 其中2≤ ML <3 級(jí)地震1740次;3≤ ML <4級(jí)地震359次;4≤ ML <5級(jí)地震35次。區(qū)內(nèi)地震基本烈度為Ⅶ 度, 但處于地震活動(dòng)相對(duì)較弱的地帶。

 

  古水水電站壩址區(qū)50a超越概率63%、10%、5%、2%及100a超越概率2%的基巖地震動(dòng)峰值加速度值見表1所示。

 

  對(duì)于邊坡地震力峰值加速度的取值來說, 以對(duì)水工建筑物的危害程度來劃分, 危害越大, 等級(jí)越高, 采用峰值加速度也越大。對(duì)水工建筑物的危害程度屬于嚴(yán)重級(jí)別的為一級(jí)邊坡, 地震設(shè)防烈度為Ⅶ 度, 動(dòng)力水平向峰值加速度采用50a超越概率2%的峰值加速度0.230。

 

  3 工程地質(zhì)演化歷史分析

 

  壩址區(qū)域兩岸出露地層巖性主要為侏羅系、三疊系的碎屑巖及二疊系的輕度變質(zhì)巖。河谷發(fā)育受構(gòu)造控制明顯, 水庫(kù)岸坡多為順向谷及斜向谷。區(qū)內(nèi)沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖三大巖類皆有出露。上壩址區(qū)域分布范圍比較廣的巖體為板狀巖體, 近垂直分布, 屬于沉積建造巖。對(duì)于壩址區(qū)域內(nèi)的板狀巖體形成過程不作詳細(xì)分析, 本文主要分析冰水堆積體和板狀巖體傾倒變形的歷史演化過程。

 

  區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)晚期以強(qiáng)烈抬升為主, 第四紀(jì)地層分布少, 它們主要堆積在河流、沖溝兩側(cè), 堆積類型以河流相為主, 湖相堆積很少。在廣泛的山區(qū)地帶有山麓相洪積堆積、冰川(冰水)堆積和殘坡積等堆積物。由于高程達(dá)6740m的梅里雪山位于近場(chǎng)區(qū)西南部, 白馬雪山位于近場(chǎng)區(qū)的東南邊緣, 區(qū)內(nèi)高程4000m以上的地區(qū)約占1 /2 ～ 1 /3, 所以, 近代及現(xiàn)代冰川堆積在區(qū)內(nèi)較為發(fā)育。近代冰川堆積物主要分布在高程4000m以上地區(qū), 5000m以上則發(fā)育現(xiàn)代冰川。高程3000 ～ 4000m的區(qū)域, 可見多次冰川活動(dòng)時(shí)冰川后退留下的多道冰磧堆積。高程3000m以下區(qū)域, 由于冰川后退融化的雪水將覆蓋層(冰積層)大量帶向岸坡部位形成了冰水堆積層,主要為松散的砂礫石堆積。堆積體物質(zhì)組成由表及里具有以下特點(diǎn):其中冰水堆積層厚度較大, 以礫巖為主, 呈棱角狀, 分選性差, 粒徑一般<10cm, 少量10 ～ 40cm的巨礫, 偶見150 ～ 200cm以上的塊石。

 

  冰水堆積層中夾有多層碎石、塊石層, 具明顯的韻律結(jié)構(gòu)(圖4)。圖4為壩址區(qū)域內(nèi)所揭露的某冰水堆積體斷面的基本形態(tài), 可以看出, 冰水堆積體的歷史演變過程經(jīng)歷了很多階段, 具有比較明顯的層狀效應(yīng), 并且含粗顆粒比較多的堆積體和含細(xì)顆粒比較多的堆積體互層分布。

 

  圖5為平硐PD33 中所揭露的冰水堆積體情況, 可以看出, 冰水堆積體顆粒粒徑分布并不是均勻的, 在某一歷史沉積階段, 堆積體可能以小顆粒為主, 而在另一歷史沉積階段, 堆積體可能以大顆粒為主, 這主要取決于冰川融化后產(chǎn)生的冰水或者是雨水的攜帶能力。

 

  從圖5可以看出, 圖5b中的粗顆粒平均粒徑大約為圖5a中細(xì)顆粒平均粒徑的5 ～ 10倍。在壩址區(qū)域內(nèi), 邊坡板狀巖體的傾倒變形現(xiàn)象比較普遍, 空間分布特征為:在垂直剖面方向上巖層層理面不再是一個(gè)連續(xù)面, 出現(xiàn)明顯的彎折現(xiàn)象;在水平方向上傾倒變形范圍內(nèi)巖體的折斷是以不同的間距平行成帶分布, 并且多伴有剪切錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象(圖6), 圖6為平硐PD15中所揭露的傾倒變形現(xiàn)象, 從圖6可以看出, 板巖經(jīng)歷了多次折斷演化歷史過程。根據(jù)傾倒巖體的傾角與正常巖層產(chǎn)狀的對(duì)比及巖塊互相間咬合狀態(tài)、折斷面狀態(tài)等因素可以將傾倒變形巖體劃分為強(qiáng)傾倒巖體和弱傾倒巖體。

 

  從工程地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果來看, 傾倒變形破壞主要為板狀巖層經(jīng)過長(zhǎng)期蠕變變形, 巖層逐漸變形彎曲,最后在彎曲部位巖層脫空、彎折、拉裂, 而發(fā)生岸坡的潰屈破壞。這類傾倒變形除自身層狀結(jié)構(gòu)控制外, 頂上厚層覆蓋體的重力推動(dòng), 坡腳良好的臨空條件也是一個(gè)很重要的因素。左岸壩前層狀板巖的傾倒變形是自身長(zhǎng)期蠕變變形和上覆堆積體的重力拖曳共同作用的結(jié)果。巖性主要為變質(zhì)砂巖、板巖、泥巖、灰?guī)r等, 正常巖層產(chǎn)狀為N25°～ 35°W, SW(NE)∠75°～ 90°, 傾倒變形體地表巖層產(chǎn)狀為N20°～30°W, NE∠25°～ 40°。傾倒巖帶中可見多處折斷面或折斷帶, 部分伴有明顯的錯(cuò)落變形現(xiàn)象。從目前的發(fā)育狀況看, 這類傾倒變形整體上屬于一種穩(wěn)定的變形破裂結(jié)構(gòu)。

 

  板狀巖體傾倒變形破壞的演化歷史過程受到很多因素的影響, 主要包括:(1)河谷下切;(2)巖體卸荷;(3)上覆冰水堆積體重量的不斷增加;(4)構(gòu)造運(yùn)動(dòng);(5)地震作用;(6)冰水對(duì)板巖的侵蝕;(7)風(fēng)化作用等(圖7)。

 

  圖7中所示的地質(zhì)歷史演化過程基于現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)條件勘測(cè)結(jié)果和相關(guān)的地質(zhì)力學(xué)分析。該工程區(qū)域在冰河時(shí)代, 板狀巖體上面覆蓋非常厚的冰川, 其中板狀巖體近垂直分布(圖7a);隨著全球氣候的變化, 加之降雨、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等影響, 河谷逐漸下切, 在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化歷史過程中, 巖體的卸荷作用對(duì)板狀巖體的影響也非常大, 可能造成板狀巖體的傾倒變形, 但板狀巖體的折斷破壞另外一個(gè)主要原因還是由于上覆冰水堆積體重量的不斷增加而造成的。在此過程中, 該區(qū)域淺表層的沉積物由于冰川融化之后產(chǎn)生的冰水沖刷侵蝕作用, 冰水的運(yùn)動(dòng)過程攜帶大量的沉積物向河谷遷移, 導(dǎo)致邊坡中下部堆積物不斷增加(圖7b)。在此歷史演化過程中, 邊坡上部的冰水堆積物分不同階段逐漸增加, 從而造成了堆積體的層狀效應(yīng), 并且逐漸往下遷移, 遷移的最重要因素是由于冰水的作用, 雖然降雨也起到了一定的推動(dòng)作用, 但作用比較小, 另外地震對(duì)堆積體的遷移也有一定的貢獻(xiàn);冰水堆積體下覆板狀巖體由于河谷下切, 上部的板狀巖體處于強(qiáng)卸荷或弱卸荷狀態(tài), 加之冰水的侵蝕, 其巖體力學(xué)參數(shù)一定程度上有所降低, 加之上部堆積體重量的不斷增加, 從而發(fā)生折斷變形, 折斷變形也分不同時(shí)期。

 

  4 堆積體邊坡變形破壞機(jī)制分析

 

  堆積體現(xiàn)在出現(xiàn)緩慢蠕滑變形, 主要原因是堆積體規(guī)模較大, 在重力作用下, 對(duì)堆積體與基巖界面剪切破壞造成。由于不存在高速滑坡的滑動(dòng)界面,因此不會(huì)產(chǎn)生快速破壞。

 

  堆積體邊坡的主要工程地質(zhì)問題為冰水堆積體的穩(wěn)定性問題, 冰水堆積物的主要物理力學(xué)特性如下:

 

  (1)冰水堆積體固相可簡(jiǎn)單地看做由“二元介質(zhì)”組成, 即軟弱的粘質(zhì)土和堅(jiān)硬的礫石, 粘質(zhì)土為基質(zhì), 礫石為填充物, 而礫石級(jí)配較為寬闊;(2)不同粒徑的礫石, 無分選隨機(jī)地分布在粘土基質(zhì)中, 即礫石分布具有強(qiáng)烈的不均勻性和隨機(jī)性。在沉積過程中, 受坡形、運(yùn)移能力等沉積環(huán)境的影響, 礫石含量在局部地段可能相對(duì)集中, 呈“聚團(tuán)”狀產(chǎn)出, 固結(jié)成層, 而多見的是礫石呈“骨料”狀散布在粘土中;(3)礫石與粘土間的膠結(jié)程度取決于含水量和產(chǎn)出部位, 一般較弱, 特別是裸露在坡面的冰水堆積體, 由于暴雨沖刷、風(fēng)化卸荷和人工擾動(dòng)影響, 多失粘結(jié), 很多地段坍塌在平臺(tái)上。

 

  這種“二元介質(zhì)”冰水堆積體的物理力學(xué)性質(zhì)是隨著粘土和礫石的含量而變化的, 可視為一種復(fù)合地質(zhì)材料。作為一種邊坡工程材料, 其在各種內(nèi)外靜動(dòng)力下的力學(xué)性能均有獨(dú)特的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段的直接試驗(yàn)方法, 包括室內(nèi)試驗(yàn)(直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)等)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn), 但由于堆積體比較松散, 因此并不能采取真實(shí)反映冰水堆積體的原始組成和結(jié)構(gòu)的試樣, 只能限制于試驗(yàn)條件而“棄粗求細(xì)”, “揚(yáng)弱避強(qiáng)”, 試驗(yàn)結(jié)果也可能是失真的、或不完全表現(xiàn)礫石貢獻(xiàn)和結(jié)構(gòu)特征的強(qiáng)度值。因此采用數(shù)值方法模擬冰水堆積體的物理結(jié)構(gòu)特征, 利用大尺度的數(shù)值試驗(yàn)獲得冰水堆積體的變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù), 能夠較好的反映冰水堆積體的力學(xué)性質(zhì)。

 

  通過工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果以及堆積體的物理力學(xué)特性, 可以揭示古水水電站工程區(qū)域內(nèi)堆積體邊坡的變形破壞模式, 表現(xiàn)為堆積體順軟弱面整體滑動(dòng)破壞和堆積體局部的圓弧型滑動(dòng), 其破壞模式包括局部圓弧型滑動(dòng)和順層整體滑動(dòng):

 

  (1)局部圓弧型滑動(dòng):主要分布于堆積體的下部, 由于下部存在比較大的臨空面, 加之上部堆積體重力的影響, 堆積體下部容易發(fā)生局部圓弧形滑動(dòng)破壞, 其破壞模式類似于左岸214國(guó)道壩前堆積體的圓弧型滑動(dòng)破壞。

 

  (2)順層整體滑動(dòng):主要表現(xiàn)為堆積體整體由于受到自身重力的作用下, 并且由于堆積體的規(guī)模比較大, 而在堆積體的底部巖體材料力學(xué)參數(shù)比較弱, 容易產(chǎn)生剪切滑動(dòng), 但由于滑動(dòng)通道并未完全形成和貫通, 產(chǎn)生整體快速滑動(dòng)的概率相對(duì)局部滑動(dòng)要小。

 

  5 結(jié) 語

 

  (1)古水水電站壩址區(qū)域內(nèi)地下水的補(bǔ)給來源主要是冰雪融化水及大氣降水, 以雪水補(bǔ)給為主, 其次為大氣降水, 因此在工程地質(zhì)分析過程中主要考慮到冰川融化作用對(duì)該區(qū)域工程地質(zhì)條件的影響;(2)壩址邊坡上覆為冰水堆積體等, 堆積體下部為板狀巖體。板狀巖體近垂直分布, 在整個(gè)地質(zhì)歷史演化過程中, 板狀巖體受河谷下切、巖體卸荷和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響, 可能造成板狀巖體發(fā)生折斷現(xiàn)象, 從而發(fā)生傾倒變形;板狀巖體的折斷破壞另外一個(gè)主要原因還是由于上覆冰水堆積體重量的不斷增加而造成的?？偟膩碚f, 壩址區(qū)域內(nèi)的典型工程地質(zhì)條件受到以下因素的影響:①河谷下切;②巖體卸荷;③上覆冰水堆積體重量的不斷增加;④構(gòu)造運(yùn)動(dòng);⑤地震作用;⑥冰水對(duì)板巖的侵蝕;⑦風(fēng)化作用等;(3)對(duì)于古水水電站工程區(qū)域內(nèi)的堆積體邊坡來說, 通過工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果以及堆積體的物理力學(xué)特性, 可以揭示其變形破壞模式, 表現(xiàn)為堆積體順軟弱面整體滑動(dòng)破壞和堆積體局部的圓弧型滑動(dòng)。