1、某水电站碎裂松动岩体形成机制及稳定性分析 苟晓峰 邓辉 邹俊 成都理工大学地质灾害防治与地质灾害保护国家重点实验室 摘 要： 碎裂松动岩体是指一系列具有碎裂结构且各向结构面均有张开的岩体, 其碎裂特性和松动特性对工程建筑长期稳定性有着巨大影响。采用现场地质调查为主要手段对研究区碎裂松动岩体赋存地质条件和变形破坏迹象进行了研究, 并从卸荷、冻融和地震三方面分析了其成因机制。运用二维离散元 UDEC 模拟碎裂松动岩体在各工况下的稳定性, 发现地震作用对碎裂松动岩体稳定性影响明显大于暴雨作用, 且其变形过程由暴雨工况下的由下至上逐层次破坏转化为岩体先解体, 再发生整体滑动。关键词： 碎裂松动岩体;
2、变形过程; 成因机制; 离散元 UDEC; 作者简介：苟晓峰 (1993-) , 男, 四川苍溪人。硕士研究生, 从事岩土体稳定性研究工作。E-mail:。收稿日期：2016-12-24Analysis on Formation Mechanism and Stability of Cataclastic Loose Rock Mass in a Hydropower StationGOU Xiaofeng DENG Hui ZOU Jun State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection
3、( CDUT) ; Abstract： The cataclastic loose rock mass is defined as having a cataclastic structure and each structure surfaces are open, the cataclastic and loose features of which have great effects on the long-term stability of engineering construction. Through the detailed field geological survey,
4、the hosting geological conditions and signs of deformation and failure of the cataclastic loose rock mass are studied, and the formation mechanism is analyzed in three aspects: unloading, freeze-thaw cycle and earthquake. By simulating the stability of the cataclastic loose rock mass under various o
5、perating conditions by universal distinct element code, it is found that the seismic action has an greater influence on the stability of the cataclastic loose rock mass than heavy rain, and in heavy rain conditions, the damage of rock mass is from down to top, while in the condition of earthquake, r
6、ock mass collapse first, then integral slide occurs.Keyword： cataclastic loose rock mass; deformation process; formation mechanism; UDEC; Received： 2016-12-240 引言碎裂岩体是指工程地质中碎裂结构岩体, 是岩体类型中仅次于散体结构的类型。不少学者对其做了深入研究:石长青等1以碎裂结构岩体质量分级从两方面研究了碎裂岩体;廖美春等2则以石膏粉作为基本原料, 通过模型试验研究深部岩体中的分区破裂化问题。松动岩体是指晚近时期在内外动力地质作用下发
7、生了卸荷导致应力释放、结构面张开、密度显著降低的岩体 (由曹东盛等3通过调查黄河黑山峡大柳树坝址松动岩体后定义) 。周立新4、席先武5、陈庆发等6也分别从松动岩体变形破坏模式、松动岩体高边坡稳定性问题、结构面产状发育规律等方面对松动岩体进行了深入研究。从现有文献来看, 大多工程类岩体往往只含有其中一种特点, 即碎裂岩体与松动岩体。而在地震多发, 地应力高, 河流深切、卸荷强烈, 高寒冻融及风化强烈的某水电站坝址形成了一系列具有碎裂结构且各向结构面均有张开的岩体, 称之为碎裂松动岩体。本文通过现场地质调查, 结合无人机对碎裂松动岩体发育范围进行圈定, 采用传递系数法和离散元 UDEC 数值模拟分
8、析其在天然、暴雨和地震工况下的整体稳定性。1 工程概况1.1 工程简介该水电站初步规划的挡水建筑物为心墙堆石坝, 最大坝高达 315 m, 坝址处控制流域面积 7.34 万 km, 多年平均流量为 652 m/s。正常蓄水位 2 895 m, 正常蓄水位以下库容为 35.0 亿 m, 调节库容为 23.5 亿 m, 调节性能为年调节。1.2 工程地质条件水电站坝址区为峡谷地带, 位于藏东南横断山脉北段, 走向由东西逐渐转为南北。区内北部高程约 5 200 m, 山顶相对平缓;南部高程大多约 4 000 m, 山势险峻, 为高山深切割区。区内冲沟发育, 冲沟多沿坡面垂直河流向发育, 坡降较陡,
9、多在 40%以上, 各冲沟均为干沟, 仅雨季偶见地表径流。其地形地貌, 见图 1。图 1 坝址区河谷地形地貌 (上游下视) 下载原图研究区无规模较大的断裂构造, 中小型断层和节理裂隙较为发育, 出露地层为三叠系中统竹卡组 (T 2z) 英安岩, 主要为斑状结构, 斑晶以石英、长石为主, 基质主体为由长英质组成的霏细结构, 部分为长石、石英构成的显微镶嵌结构、显微文象结构等, 英安岩蚀变较强, 见后期绿泥石化、碳酸盐化、弱硅化、钾化及铁质浸染等, 蚀变矿物含量 15%35%。构造节理较为发育, 以平直、规则、排列成组为特征 (主要为剪节理) , 将岩石切割为规则的似层状、块体状等几何形体, 节理
10、面上常有明显擦痕。1.3 水文地质条件坝址区属青藏高原地区, 气候干燥, 植被稀少, 蒸发量远大于降水量, 此外, 斜坡效应明显, 降雨入渗量相对较少。地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系孔隙水, 孔隙水主要赋存于第四系松散堆积层中, 基岩裂隙水主要赋存于基岩裂隙或构造破碎带中。地下水接受大气降水或高山地区冰雪融水补给, 向就近沟谷或河床排泄。1.4 地震条件根据地震统计, 区内历史强震对场地的影响都不大, 坝址区附近地表无建筑物破坏, 河谷岸坡仅出现地表滚石等现象。根据场地地震危险性计算结果, 该水电站工程场地 50 年超越概率 10%的基岩地震动峰值加速度为 0.103 g, 地震基本烈度为
11、度。2 碎裂松动岩体变形破坏特征2.1 整体特征7碎裂松动岩体发育高程约 2 6503 040 m, 自然坡角 3050, 沿山脊呈长条状分布, 块径一般为 0.21.0 m, 局部块径 3.0 m 以上, 呈孤石状, 岩体呈碎裂状、镶嵌状、局部散体状结构, 结构面受错动等影响, 各项均张开, 且张开度较大, 已经发生错动变形, 整体平均地震波波速为 2 196 m/s, 波速比 0.37 (新鲜岩地震波波速按 6 000 m/s 取值进行波速比换算) ;部分地段表层弯折倾倒明显;表层见近期塌滑现象。碎裂松动岩体全貌, 见图 2。阴影部分即为碎裂松动岩体区域。图 2 碎裂松动岩体全貌 下载原图
12、2.2 坡表强风化破碎松散堆积坡表一定深度范围内岩体风化强烈, 破碎程度高, 呈碎块状, 块体大小不一, 最大块径达数米, 节理裂隙发育, 受爆破影响, 极易发生块体崩落等破坏。强风化碎裂松动岩体, 见图 3。图 3 强风化碎裂松动岩体 下载原图2.3 局部倾倒-张拉该区主要发育两组陡倾结构面, 其中一组走向与河谷大致相同的将岩体切割成似层状, 产状为:N15W/SW72, 另外一组为与该组大致垂直发育, 产状为EW/N82, 两组切割面共同组合将岩体切割成长条柱状, 岩体易发生向坡外倾倒、张拉、折断, 折断面为齿状, 上部还有倾倒张拉形成的阶梯型裂纹。碎裂松动岩体局部张拉, 见图 4。图 4
13、 碎裂松动岩体局部张拉 下载原图3 碎裂松动岩体成因机制3.1 卸荷作用在河谷下切过程中, 边坡发生卸荷回弹, 边坡内应力场重新分布, 此时边坡从坡表至坡体深部应力依次为应力降低区、应力增高区和原岩应力区。应力降低区最为显著的特征是岩体的应力状态发生了不利于边坡稳定性的变化, 即最小主应力发生向垂直坡面方向偏转, 在距坡面一定深度的范围降低为拉应力区, 在边坡一定深度范围内易形成大量张开度较大的拉张卸荷裂隙。卸荷作用产生卸荷裂隙是造成碎裂松动岩体的直接原因, 随后风化营力进入, 主要有化学风化和物理风化:化学分化表现为水等液体通过裂隙进入岩体, 导致岩体发生一系列变化, 从而力学性质降低;物理
14、风化表现为岩石结构破坏, 形成新裂缝等造成坡表岩体呈现碎裂松动状态。3.2 冻融作用坝址区早晚温差较大, 白天气温最高达到 10以上, 夜晚最低气温达到零下20。岩石反复冻融情况严重。冻融作用属于物理风化的一种, 目前国内外有许多专家、学者研究岩体冻融损伤, 大多得出冻融循环作用下, 岩体质量损失, 强度降低, 且从文献资料得出软岩的质量损失及强度降低更厉害, 而硬岩则变化较小。但随着冻融次数增加, 其微观裂隙表现为一定颗粒脱落以及裂隙有增大趋势。由于前期浅表生改造产生卸荷裂隙, 水进入裂隙, 在低温下, 水形成冰体积增大, 使得裂隙进一步加大。因此, 冻融作用也是碎裂松动岩体形成原因之一。3
15、.3 地震作用地震发生时, 地震波在坡体中传播, 使边坡发生强烈的振动, 同时地震强大的水平推力导致原有裂隙进一步扩大, 新裂隙拉开, 也是造成碎裂松动岩体的原因之一。4 碎裂松动岩体稳定性分析通过对平硐 PD16 和平硐 PDC02 的详细调查, 得出坡体破坏模式主要为滑移拉裂型破坏, 潜在滑移破坏块体主要以极强卸荷带底界作为底滑面, 以 f 6, f 11和碎裂松动岩体后缘边界作为后缘拉裂面。碎裂松动岩体工程地质剖面, 见图5。图 5 碎裂松动岩体工程地质剖面 下载原图4.1 传递系数法稳定性计算采用传递系数法对边坡在天然、暴雨、地震三种工况下的稳定性作了计算, 该水电站工程场地 50 年
16、超越概率 10%场地基岩地震动峰值加速度值 101gal (0.103 g) , 相应地震基本烈度为度。根据水电水利工程边坡设计规范 (DL/T 53532006) , 结合坝肩边坡所处位置与枢纽工程等级、建筑物级别、边坡重要性和失事后的危害程度, 将该坝肩边坡归为 A 类水库边坡, 按 I 级处理。稳定性评价参考滑坡防治工程勘察规范 (DZ/T02182006) 中相关规定进行。综合确定坝肩边坡的稳定安全系数标准, 见表 1。碎裂松动岩体稳定性计算结果, 见表 2。表 1 坝肩边坡设计安全系数 下载原表 表 2 碎裂松动岩体稳定性计算结果 下载原表 从表 2 可知:以 f6 作为后缘拉裂面,
17、 坡体处于稳定状态;以 f 11 作为后缘拉裂面, 坡体处于欠稳定状态;以碎裂松动岩体边界作为后缘拉裂面, 坡体处于欠稳定或不稳定状态。4.2 离散元 UDEC 数值模拟碎裂松动岩体具有碎裂特性和松动特性, 完整性较差, 虽不具备较完整岩体的强度和特性, 但又不同于处于散体结构的土体, 为研究其破坏规律, 进行了UDEC 二维离散元数值模拟。4.2.1 假设条件离散元是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。其将节理岩体视为由离散的岩块和岩块间的节理面组成, 允许岩块平移、转动和变形, 而节理面可以被分离、压缩和滑动, 因此, 岩体被看成为一种不连续的离散介质。4.2.2 计算参数计算选取的
18、边坡岩体和结构面力学参数, 见表 3。表 3 模型参数取值 下载原表 4.2.3 建立计算模型及边界条件计算模型以边坡左下角为坐标原点, 模型 X 方向长约 800 m, Y 方向长约 600 m, 边坡整体计算模型, 见图 6。图 6 简化后的整体计算模型 下载原图图 6 中, 岩体材料简化为主要按卸荷线分为 4 种。结构面主要考虑流层面及 f 6 和 f 11 断层, 由于主要模拟碎裂松动岩体的失稳过程, 加之断层宽度相对整个模型较小, 因此, 也将其以裂隙处理, 松动岩体则考虑为整体发育随机节理。数值模拟中, 采用理想弹塑性岩体材料, 屈服准则采用 Mohr-Coulomb 准则。裂隙采
19、用库仑滑动准则。对模型的两侧及底边加约束, 坡面为自由面。4.2.4 计算工况根据现场工程地质条件设计 3 种计算工况:(1) 天然工况。(2) 暴雨工况, 参考其他工程设计将暴雨工况下容重增加 1 g/cm, c, f 折减20%。(3) 地震工况, 为使结果偏于安全, 选取庐山地震发生时的某次余震实测的加速度时程的离散化数据, 其峰值加速度值为 118 gal (0.120 g) , 其 X, Y 方向加速度时程曲线, 见图 7、图 8。图 7 X 方向地震波加速度时程曲线 下载原图图 8 Y 方向地震波加速度时程曲线 下载原图4.2.5 计算结果分析(1) 天然工况下边坡计算结果分析:通
20、过计算迭代 50 000 步时最大不平衡力降到接近零, 见图 9, 表明边坡趋于稳定状况。图 9 最大不平衡力随迭代次数变化关系曲线 下载原图(2) 暴雨工况下边坡计算结果分析:计算迭代 50 000 步时, 松动岩体区域下部裂隙开始张开, 随迭代次数的增加, 裂隙逐渐扩展延伸, 当计算迭代 500 000步时, 松动岩体整体已经产生较大位移, 底部区域岩体已经失稳, 坡体呈现出由下至上的拉裂、垮塌, 见图 10。图 1 0 暴雨条件下碎裂松动岩体失稳过程 下载原图(3) 地震工况下边坡计算结果分析:计算迭代 30 000 步时, 松动岩体裂隙开始发生明显错动、张拉、剪切变形, 裂隙有进一步贯
21、通趋势, 而当计算迭代 100 000 步时, 碎裂松动岩体区已经在地震作用下发生明显松动、解体, 见图 11, 并发现, 在地震力作用下, 碎裂松动岩体散体化, 再呈碎屑流整体失稳。图 1 1 地震条件下碎裂松动岩体失稳过程 下载原图(4) 计算结果综合分析:暴雨条件下, 碎裂松动岩体首先从下部开始垮塌, 再逐步向上扩展, 形成逐层次破坏。主要是因为雨水渗入岩体, 软化结构面, 使得结构面力学性能降低, 从工程地质剖面图可以看出, 碎裂松动岩体底界中上部较陡, 下部突然变缓, 对于中上部岩体来说, 结构面大多张开, 且连通性较好, 雨水易排除, 其软化深度和程度一般不大, 而下部排水受阻,
22、雨水下渗深度较大, 结构面软化剧烈, 或形成静水压力, 使下部岩体局部失稳脱落, 为上部岩体提供空间, 从而发生逐层次破坏。地震作用下, 岩体突然受到地震瞬时动力作用, 结构面随即张开、贯通, 逐渐散体化, 在动力扰动下, 整体呈碎屑流状失稳破坏。另外, 通过坡体出现变形破坏迹象的迭代次数可以看出, 地震作用对碎裂松动岩体的整体稳定性有较大的影响, 其失稳规模一般较大, 且具有较高的爆发性, 而暴雨条件下, 碎裂松动岩体下部先局部失稳、脱落, 由下而上分层次、分阶段失稳, 规模较小。5 结语通过对碎裂松动岩体的稳定性分析, 可以得到以下结论:(1) 碎裂松动岩体是指一系列具有碎裂结构且各向结构
23、面均有张开的岩体, 是河流快速下切引起的强烈卸荷、风化作用、地震频发、高寒山区冻融循环的地质环境综合作用的产物。(2) 通过传递系数法稳定性计算, 碎裂松动岩体以 f6 作为后缘拉裂面处于稳定状态;以 f 11 或碎裂松动岩体边界作为后缘拉裂面, 坡体处于欠稳定状态。(3) UDEC 离散元数值模拟显示:碎裂松动岩体在天然工况下处于稳定状态;在暴雨工况下, 碎裂松动岩体区岩体是从下部开始垮塌破坏, 进一步为上部岩体提供空间, 从而发生逐层次破坏;在地震工况下, 碎裂松动岩体区裂隙逐渐拉开, 贯通, 岩体逐渐被解体, 在整个碎裂松动岩体区岩体整体解体破坏后, 呈碎屑流失稳, 规模较大。参考文献1
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