锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成因初探.pdf

第 27 卷 增 1 岩石力学与工程学报 Vol.27 Supp.1 2008 年 6 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June， 2008 收稿日期收稿日期2006–11–07；修回日期修回日期2007–01–22 基金项目基金项目中国博士后基金资助研究项目20060400434 作者简介作者简介荣 冠1971–，男，博士，1992 年毕业于长春地质学院地质系矿产勘查专业，现为助理研究员，主要从事裂隙岩体渗流及稳定性评 价方面的研究工作。E-mailrg_mail 锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成因初探锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成因初探 荣 冠 1，2，朱焕春3，王思敬1 1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2. 武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072； 3. ITASCA武汉咨询有限公司，湖北 武汉 430074 摘要摘要对锦屏一级水电站边坡工程地质条件、坝址区实测地应力分布及左岸深部裂缝发育规律进行全面分析，采 用UDEC和3DEC离散元程序模拟锦屏一级水电站河谷的演化发展，对河谷边坡不同演化阶段应力场的变化规律及 变形与卸荷分带规律进行深入分析。根据数值模拟结果并结合河谷边坡变形及地应力现状特征，认为锦屏一级水 电站左岸发育的深部裂缝是在河谷地质结构上软下硬、地层反倾、上部开阔下部狭窄、下蚀迅速和区域高应力背 景的特定条件下，在河谷下切至1 830～1 730 m高程阶段造成边坡1 700～1 850 m高程范围的局部应力集中到超过 岩体强度而产生岩体屈服破坏的结果。从工程地质定性的角度分析，目前左岸发育的深部裂缝对边坡稳定性的影 响有别于区域构造断层，其对工程边坡的影响是有限的、局部的，工程中切实保护河谷1 680 m高程以下岩体是控 制深部裂缝进一步发展及保证边坡稳定的基本原则。 关键词关键词边坡工程；锦屏一级水电站；深部裂缝；离散元 中图分类号中图分类号P 642 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–69152008增 1–2855–09 PRIMARY RESEARCH ON MECHANISM OF DEEP FRACTURES ATION IN LEFT BANK OF JINPING FIRST STAGE HYDROPOWER STATION RONG Guan1 ，2，ZHU Huanchun3，WANG Sijing1 1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China； 2. School of Water Resource and Hydropower，Wuhan University，Wuhan，Hubei 430072，China； 3. Itasca Consulting China Ltd.，Wuhan，Hubei 430074，China AbstractAt first，the slope geological conditions as well as dam site geostress and deep fractures in the left bank of Jinping first stage hydropower station have been investigated. Then the evolvement and development of Jinping first stage hydropower station valley are simulated by using distinct element codes UDEC and 3DEC；and stress field，deation and unloading zone distribution of valley are comprehensively analysed. Based on the simulation results and the deation of present slope，it is considered that the deep fractures at elevation 1 700– 1 850 m at the left bank of Jinping first stage hydropower station are the yield results due to valley erosion to elevation 1 830–1 730 m at the special geological structures，such as soft upside rock and hard underside rock， the dip direction of rock reverse against slope，wide upside and strait underside of valley and the high regional tectonic stress of Jinping first stage hydropower station valley. From the view of engineering geology， the effect of deep fractures at the left bank on the slope stability is different from tectonic faults， and its influence is limited and local. Be sure not to disturb rock masses under elevation 1 680 m is the best way to keep engineering slope safe and to prevent the deep fractures from developing. Key wordsslope engineering；Jinping first stage hydropower station；deep fractures；distinct elements 2856 岩石力学与工程学报 2008年 1 引引 言言 建设中的锦屏一级水电站位于雅砻江中游锦屏 大河湾西侧普斯罗沟峡谷河段， 设计坝高305 m， 为 目前在建的世界第一高坝。坝址河谷深切、边坡高 陡、高地应力及深部裂缝发育等工程地质条件对建 设中的拱坝及工程岩体稳定性具有重要影响，特别 是左岸II～A勘探线间高程1 700～1 900 m区间距岸 坡水平深50～330 m范围内发育有深部裂缝。锦屏一 级水电站左岸发育的裂缝深度较一般河谷的卸荷范 围深，有关这些裂缝的地质成因及其对工程的影响 已成为工程建设特别关心的问题。 国内关于锦屏一级水电站坝址区河谷复杂地应 力的特征及与此相关的左岸深部裂缝问题已有一些 研究[1 ～7]，如祁生文等[3]主要从工程地质分析的角度 指出锦屏一级水电站左岸深部裂缝是区域强地壳活 动及构造应力场与特定的岩体结构及岩性组合的结 果，但未明确指出深部裂缝的力学成因。由于问题 的复杂性，锦屏一级水电站坝址区特殊条件下发育 的深部裂缝的成因及其对工程影响仍值得进一步深 入研究。 本文根据现场调查并利用前人研究成果，在分 析坝址区工程地质条件的基础上，采用离散单元数 值方法模拟河谷演化发展，对照目前河谷边坡岩体 变形、深部裂缝特征及实测地应力规律，研究河谷 不同发展阶段地应力的变化规律，探讨锦屏一级水 电站坝址区深部裂缝发育的地质力学机制，并在此 基础上分析其对边坡岩体稳定性的影响。 2 基本地质情况基本地质情况 锦屏一级水电站坝址区位于青藏高原东部边缘 构造带的川滇菱形断块中段东部的锦屏山断裂东 侧。左岸属印支期三滩紧闭向斜，向斜轴向总体为 NNE，平面上呈舒缓S形展布。坝区发育的结构面 主要有NE～NNE，NW～NWW和NEE～EW三个优 势方向，主要结构面有f5，f8，f2及层间挤压带、煌 斑岩脉X、缷荷裂隙、深部裂缝及构造节理等。 坝区河流流向NE25 ，河道顺直狭窄。两岸山 体雄厚，岸坡陡峻，基岩裸露，相对高差在1 000 m 以上，为典型的深切V型河谷。左岸地层总体产状 为N15 ～30 E，NW∠30 ～55 ，为反向坡，岸坡 下陡上缓。由坝址从上游往下游1 850～1 900 m高程 线以下为三叠系杂谷脑组段大理岩出露坡段，坡度 为55 ～70 ；1 900 m高程以上为变质砂岩、粉砂质 板岩出露坡段，坡度为40 ～50 ；左岸工程边坡范 围内地层强度总体上具有上软下硬的特征。 在区域高地应力背景条件下，雅砻江迅速下切 过程形成的高陡河谷边坡卸荷作用十分明显，造成 目前河谷一定深度范围内卸荷裂隙发育。根据平 硐地质调查，卸荷裂隙优势产状为0 ～30 ， SE∠60 ～80 和 50 ～70 ，SE∠50 ～70 。结合 卸荷裂隙发育密度、张开情况及声波波速等方面的 特征，边坡岩体存在强卸荷带、弱卸荷带和深卸荷 带发育有深部裂缝，见图 1。 图 1 锦屏一级水电站坝址区IV–IV剖面地质结构 Fig.1 Geological structure of section IV–IV in dam site of Jinping first stage hydropower station 第 27 卷 增 1 荣 冠，等. 锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成因初探 2857 3 河谷地应力及深部裂缝特征河谷地应力及深部裂缝特征 3.1 坝址区地应力坝址区地应力 坝址区受青藏高原的快速隆起并向东部扩展推 移影响，现今构造应力场为与河流基本垂直的 NW～NWW向主压应力场。 根据孔径法空间地应力测试，左岸1 650～ 1 830 m高程、水平深度200 m范围内地应力分布的 基本规律为水平深度200 m以外最大主应力值波动 较大，量值普遍较低；200 m附近应力集中明显，量 值为20～40 MPa；随岸坡高程增加，岩体应力降低。 表1为部分测点最大主应力测试成果[1]。 表 1 左岸边坡部分测点最大主应力测试成果[1] Table 1 Measured results of the maximum principal stress at the left bank[1] 测点 编号 平硐 编号 高程 /m 水平深 度/m σ1 /MPa α / β / σ02–1 PD02 1 646 196 40.40 304.00 3.00 σ50–1 PD50 1 670 222 34.14 292.60 63.50 σ14–2 PD14 1 783 190 27.23 309.40 57.10 σ54–1 PD54 1 825 161 21.49 356.90 29.70 注α 和β 分别为主应力倾伏向和倾伏角。 根据水压致裂法平面地应力测试，河床谷底地 应力测试结果为基岩面以下40 m范围内最大水平 主应力一般小于15 MPa；基岩面以下50～80 m出现 明显的应力集中，一般为20～36 MPa。孔深130 m 以下为应力平稳区，最大水平主应力值为25 MPa左 右。 根据钻探结果，河床坝基第一块饼状岩芯出现 深度一般在基岩面以下20～40 m高程1 580～1 560 m 之间，最深的在基岩面以下105 m高程1 495 m附 近。坝区两岸不同方向的平硐中多处发现片帮或弯 折内鼓现象。左岸的片帮现象主要在1 720 m高程以 下平硐水平深度150 m以内， 片帮发育段岩性主要为 厚层块状大理岩。坝址区现场大理岩声波速度测试 平均值为5 800 m/s，弹性模量测试平均值为35 GPa， 此结果均高于室内岩块的测量值。 上述地应力实测结果、钻孔岩芯饼裂、硐壁片 帮、弯折内鼓及现场岩体高波速等现象均表明坝址 区为高地应力区。同时，由于坝区谷坡高陡、河流 快速下切，造成谷坡一定范围内地应力释放及卸荷 带内岩体松弛拉裂，坡面附近范围岩体又以自重应 力为主。 3.2 左岸深部裂缝发育特征左岸深部裂缝发育特征 锦屏一级水电站坝址普斯罗沟深部裂缝主要发 育在左岸II～A 勘探线高程1 700～1 900 m间，一般 水平深度在200 m左右。1 700 m高程以下，除常规 卸荷裂隙外未发育有深部裂缝见图1 和 2。 图 2 锦屏一级水电站深部裂缝分布平面示意图 Fig.2 Plan sketch of deep fractures distribution of Jinping first stage hydropower station 左岸深部裂缝发育程度顺河流方向表现出明显 的差异性，按深部裂缝发育密度、规模、水平深度 等自上游向下游可以划分为坝轴线、坝顶以上和坝 下游3个区。从岩性上看，深部裂缝多发育在坚硬 的变质砂岩和大理岩中，岩质相对软弱的板岩中少 见。从空间分布看，具有从1 700 m高程向谷坡上部 深部裂缝发育水平深度逐渐加大，从河流上游向下 游由弱变强的趋势。 深部裂缝一般由若干条裂缝组成，其宽度差别 较大，从数厘米至数米不等，延伸长度从几米到百 米以上。延伸方向与岸坡呈30 左右角度相交，其 优势产状为55 ，SE∠62 和15 ，SE∠53 ，裂缝发 育带总体展布方向与河流近于平行，且与整个坝址 的断裂、节理优势方向基本一致。 4 河谷演化的数值模拟河谷演化的数值模拟 4.1 数值模拟程序简介数值模拟程序简介 本次数值模拟采用美国Itasca咨询有限公司的 UDECV4.0和3DECV3.0程序进行。UDEC和 3DEC主要是针对节理岩体开发的非连续介质离散 元数值模拟程序，它们可以较方便地考虑岩块、节 理及其之间的复杂变形，在裂隙岩体的工程性状评 价方面较连续介质数值方法有较大的优势。目前 UDEC和3DEC在欧美国家已广泛运用于矿山、能 源及环保等行业的咨询研究中，近年来国内已陆续 N 2858 岩石力学与工程学报 2008年 在水电和矿山等行业有成功应用的项目[8 ～12]。 4.2 河谷地应力场模拟基本方法河谷地应力场模拟基本方法 河谷高边坡地应力场演化的模拟是较复杂的， 合理模拟取决于对原始地应力场、河谷发育过程、 岩体力学特征及变化规律的深入掌握。 数值模型假设河谷形成前为地表相对平坦的地 质体，原始地应力场采用与河谷垂直方向应力、与 河谷平行方向应力及竖直应力3个分量等效确定， 大小随深度呈线性分布，分布参数及梯度根据统计 规律并与应力实测结果对照综合确定。 河谷发育过程中的基本形态对现今河谷地应力 具有重要影响，考虑锦屏大河湾地区第四纪以来地 壳急剧上升，现今河谷区发育的多级侵蚀基座阶地 的地质特征，同时考虑目前锦屏一级水电站河谷的 不对称性，把其演化过程概化为图3所示的5个阶 段剥蚀过程。 图 3 IV–IV剖面UDEC模型 Fig.3 UDEC model of section IV–IV 在选择合适原始地应力、河谷发育阶段及岩体 力学特征的基础上，通过模拟结果与现今边坡岩体 的工程地质现象及其有关测试成果对照，并不断修 正，从而就有望对河谷演化及地应力分布进行合理 解释。 4.3 计算模型计算模型 计算主要考虑VI～A山梁深部裂隙最发育区， 模型包括左、右岸河谷，总体范围为上部边界取 至高程2 350 m，下部边界取至高程1 000 m，横河 向长3 500 m，顺河向长950 m。模型中未考虑 节理，但考虑了岩层层面及主要断层和岩脉，地层 分砂板岩、粉砂质板岩和大理岩3种。IV–IV剖面 UDEC模型见图3，3DEC模型见图4，其中3DEC 模型采用左手法则的坐标系，x 轴正向向东，y 轴正 向向上，z 轴正向向北。三维计算模型的规模为 可变形块体数4 145，四面体单元数684 962，接触 数58 855。 图 4 IV–VI剖面3DEC模型开挖后 Fig.4 3DEC model of section IV–VIafter excavated 4.4 本构关系及力学参数本构关系及力学参数 计算中认为，河谷浅部边坡岩体力学特性在历 史上与现今边坡深部岩体相当，故模型中没有区分 新鲜岩体与卸荷岩体。由于河谷的不断下切侵蚀， 岩体中应力状态及变形特征不断变化，其引起的岩 体强度变化规律将通过合适的本构模型来反映[10]。 实际计算中采用Mohr-Coulomb塑性双线性应变软化 遍布节理模型bilinear strain-softening ubiquitous joint model[13]来反映边坡岩体的力学性状及演化规律。 通过典型平硐的岩体RMR统计及勘测单位相 应岩石力学试验资料来确定各岩层的GSI指标，采 用Hoek-Brown经验方法确定岩体力学参数基本值， 根据计算结果与边坡现今实际应力和变形情况的对 比再进行适当调整，由此确定的岩体力学参数和结 构面参数分别见表2和3。 表 2 岩体力学参数 Table 2 Mechanical parameters of rock masses 体积模量/GPa 黏聚力/MPa 内摩擦角/ 抗拉强度/MPa 岩体类型 峰值峰后峰值 峰后 峰值 峰后 峰值峰后 大理岩 15.4310.804.53.6 38.0 33.5 0.800.00 砂板岩 5.563.893.12.4 33.0 27.5 0.250.00 粉砂质板岩3.532.441.81.1 27.0 25.5 0.150.00 表 3 结构面强度参数 Table 3 Strength parameters of structural planes 结构面 类型 Kn /GPam －1 Ks /GPam －1 内摩擦 角/ 黏聚力 /MPa 抗拉强 度/MPa 剪胀 角/ 层面 10.00 10.00 39.0 0.30 0.0 0.0 断层 1.00 1.00 25.0 0.00 0.0 0.0 煌斑岩脉2.00 2.00 35.0 0.15 0.0 0.0 f 大理岩 粉砂质板岩 砂板岩 f2 1 2 3 4 5 砂板岩 大理岩 雅砻江 IV 号山梁 第 27 卷 增 1 荣 冠，等. 锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成因初探 2859 4.5 初始条件及边界条件初始条件及边界条件 模型东西、南北及底部均采用速度约束条件， 对所有可变形块体及结构面给定线性变化的初应力 条件。根据部分应力实测资料及锦屏河谷实际条件， 计算中采用初始地应力条件如下 ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ −− −− −− H H H zz yy xx 015. 00 . 2 027. 00 . 4 021. 00 . 3 σ σ σ 1 式中H为埋深m。 4.6 计算成果分析计算成果分析 4.6.1 二维模型结果分析 IV–IV剖面二维离散元计算的河谷地应力分 布规律见图5。下面对其应力分布情况与实测地应 力及边坡卸荷变形现状进行分析。 图 5 IV–IV剖面二维主应力矢量图单位MPa Fig.5 Vector diagram of 2D principal stresses of section IV–IVunitMPa 图5中的点1～3是左岸几个地应力测试点的位 置，其分别对应测点σ50–1，σ14–2，σ54–1，实测结果 见表1。计算表明点1处于河床应力集中区的边 缘地带，最大主应力在30 MPa左右；高程1 780 m 附近的点2最大主应力值在25 MPa左右，基本上 不受河床应力集中区的影响，点3则主要受自重和 构造应力场的影响，最大主应力在18 MPa左右。 河床底部应力集中区高应力包的范围与勘探中确 定的河床钻孔岩芯饼化主要发育于1 500～1 580 m 高程之间的现象十分吻合。 计算反映从河床底部应力集中区到点1及2的 区域是应力较高及应力变化较大的地方，该范围的 某些部位由于显著的应力增高常见有片帮现象。勘 探中确定的左岸1 720 m高程以下平硐水平深度 150 m以内存在的片帮现象位置与此相符。 图6所示是谷坡岩体屈服破坏分布情况。坡面 浅层的屈服现象是河谷岸坡受卸荷直接破坏的结 果，其与现今岸坡强卸荷发育带具有一定的可比性。 深部裂缝发育的实际位置与计算的深部屈服现象也 具有总体上的一致性。在一定的围压条件下，岩体 的屈服就意味着存在破裂，它是形成深部裂缝初始 破坏的起因。模拟结果同时清楚地反映了谷坡中上 部由卸荷引起的应力松弛区现象，与现场地质研究 划分出的强、弱卸荷带的范围规律吻合见图1。 由以上对比可知，数值模拟结果与实测地应力结果 及地质调查确定的河谷区卸荷变形规律具有良好的 一致性。 图 6 IV–IV剖面屈服范围分布图 Fig.6 Distribution of yield zone of section IV–IV 从岩石力学的角度分析，河谷边坡岩体破坏一 般存在卸荷破坏和高应力破坏两种机制[9]。卸荷破 坏是指河谷侵蚀直接导致岩体中的应力降低，直至 产生以张拉为主的破坏形式。在河谷发育过程中， 卸荷机制控制的应力松弛区在谷坡中上部表现突 出，该条件下形成的卸荷破坏的水平深度往往是有 限的。根据锦屏一级水电站的实际情况，左岸发育 f 9 f 2 深部裂缝发育区 X 雅砻江 f 9 f 2 X 1 2 3 深部裂缝发育区 河谷应力包 雅砻江 p Principal stresses color code - s1 magnitude -4.588E01 - 9.369E-02 0.000E00 5.000E00 -5.000E00 0.000E00 -1.000E01 -5.000E00 -1.500E01 -1.000E01 -2.000E01 -1.500E01 -2.500E01 -2.000E01 -3.000E01 -2.500E01 -3.500E01 -3.000E01 -4.000E01 -3.500E01 -4.500E01 -4.000E01 -5.000E01 -4.500E01 02E 2 2860 岩石力学与工程学报 2008年 的水平深度较大的裂缝用河谷下切导致卸荷松弛拉 裂而成的解释显然不太合适。实测资料及模拟计算 均表明，目前深裂缝发育区是一个地应力较高的区 域，从河谷模拟演化的结果分析，目前的深部裂缝 区域是一个由于河谷下切导致地应力特高并部分达 到或接近强度极限的区域三维计算结果能更清楚 反映，见图7。由此，有理由认为深部裂缝是河谷 边坡演化过程中导致局部高应力集中，岩体产生屈 服破坏的结果。 图 7 三维模型模拟的VI–VI剖面现今河谷边坡最大 和最小主应力分布单位MPa Fig.7 Present distribution of the maximum and the minimum principal stresses of section VI–VI by 3D modelunitMPa 4.6.2 三维模型结果分析 图7为三维模型VI–VI剖面现今河谷边坡最 大和最小主应力分布。与上面二维成果比较，三维 结果更好地揭示了河谷地应力的集中规律。分别代 表现今河谷谷底、边坡深部和浅部的点1～3在河 谷各剥蚀阶段的应力路径变化规律见图8。 由于点1～3的位置均在高程1 830 m之下， 河 谷的一期剥蚀对应河床高程2 120 m对下部较深 的位置点1～3基本上只反映为卸荷减载，此阶段 3个监测点基本没有应力集中现象，均表现为应力 值绝对下降。 现今河谷底部的点1在随后的剥蚀阶段均反映 应力呈螺旋式升高的规律，该部位一直处于高围压 应力环境下，但其应力路径仍在Mohr-Coulomb强 度包络线之下。 a 点 1 b 点 2 c 点 3 图 8 河谷发育过程典型位置主应力变化路径图 Fig. 8 Changing path of principal stresses at typical positions during course of valley development 在未受外部施工影响时如地下开挖或钻探取芯， 其岩石力学特性仍处于弹性状态。 边坡深部的点2在模拟剥蚀二期至三期均表现 为围压持续降低、最大主应力缓慢上升，这种应力 变化也意味着点2靠外的部位深部裂缝的发育区 将存在岩体破坏的趋势。河谷剥蚀四期河床高程 1 730 m该部位的最大主应力由缓慢变化到显著增 大，从而使该部位岩体已接近强度极限，再后的河 谷发育过程中地应力变为缓慢降低。 1 2 3 σ3/MPa σ1/MPa σ3/MPa σ1/MPa σ3/MPa σ1/MPa 第 27 卷 增 1 荣 冠，等. 锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成因初探 2861 现今河谷卸荷范围的点3在剥蚀三期同样经历 了显著应力集中过程，但此时岩体并未达到破坏状 态。河谷剥蚀四期该部位应力持续松弛下降，导致 岩体发生较低围压条件下的屈服破坏，点3的河谷 剥蚀四期应力路径后段倾斜直线段实际上就是岩体 的强度包络线。该点的应力变化规律反映岸坡卸荷 带岩体在河谷演化过程中并非为简单的应力持续松 弛过程，相反，其可以经历典型的应力集中阶段， 实际上这也较好地解释了河谷卸荷裂隙中常存在非 张性破裂擦痕的力学原因。 下面再对VI–VI剖面河谷不同剥蚀阶段边坡 1 740 m高程由表至里的点A，B，C三个位置应力 条件及变化进行简要分析。 图9反映出河谷下切侵蚀至1 990 m高程时，3 个部位均受河谷下蚀影响，应力升高至32～40 MPa。至1 830 m高程时，点B应力进一步升高至 40～48 MPa，其应力状态接近岩体强度，岩体已临 近屈服状态。而深处的点C最大主应力则变化不明 显。靠坡外的点A与B类似，应力同样升高，但较 点B要低些。河床继续下切至1 730 m高程时，点 A，B，C处岩体应力水平均表现为下降。其中点A 处岩体发生显著的应力松弛，其变形规律为典型的 低应力条件下边坡浅部松弛破坏。点B处深部裂缝 发育区在河谷上阶段剥蚀造成的临界屈服状态下， 本阶段表现为部分岩体产生屈服破坏，总体应力有 所下降，但应力分布离散性较大。此特点也表明 深部裂缝发育区岩体应力条件复杂、变化大，在外 部因素诱导下可能进一步向下部高应力区发展。点 C及其以内范围岩体由于部位较深，应力表现为较 平稳的小幅下降，该部位一般不存在进一步发生岩 体破裂的应力条件。 上述关于河谷不同演化阶段的边坡应力分析反 映高地应力条件下由于河谷强剥蚀导致的应力集中 岩体产生屈服破坏的范围是特定和有限的，这与锦 屏一级水电站左岸坡面附近出现的是卸荷裂隙及深 部裂缝存在于200 m水平深度附近的规律是一致 的。 5 深部裂缝成因初探深部裂缝成因初探 5.1 深部裂缝成因探讨深部裂缝成因探讨 根据上面关于河谷边坡演化的二维及三维计算 应力规律分析，并紧密结合深部裂缝地质特征和目 前边坡岩体变形情况，对其成因分析如下。 目前存在的深部裂缝与地质构造、地应力、动力地 质、岩性及其组合等条件均有关，但河谷发育历史 及地应力条件是最直接的。 从已经查明的I，II类深部裂缝空间分布形式上 看，它是一种局部现象。尽管一些深部裂缝发育带 岩体表现出相对较强、甚至很强的构造型断裂特征， 但其与构造作用形成的断裂规模相差很大。 一般的河谷剥蚀几乎不可能在谷坡深部形成一 个发育的卸荷松弛带。锦屏一级水电站左岸深部裂 缝处于河谷边坡的中下部，该部位的应力松弛现 a 1 990 m高程 b 1 830 m高程 c 1 730 m高程 图 9 VI–VI剖面河谷剥蚀过程主应力变化图单位MPa Fig.9 Change of principal stresses of section IV–IV during course of valley erosionunitMPa 河床 1 830 高程 AB C AB C AB C 河床 1 990 高程 河床 1 730 高程 2862 岩石力学与工程学报 2008年 象并不典型，其实测最大主应力可保持在20～30 MPa的水平。许多深部裂缝部位的强烈定向和擦痕 并未显示岩体具有张拉破坏规律，完全用卸荷导致 的松弛机制解释显然不适合。 任何岩体的屈服破坏都是应力达到强度的结 果。显然，对于河谷边坡岩体，只有其下切到一定 深度以后， 岩体中的应力集中水平达到一定程度通 常表现为最大主应力与最小主应力差达到强度极限 才能导致岩体产生屈服或破坏。根据上面的二维及 三维计算， 锦屏一级水电站VI～A勘探线间左岸边 坡在较高地应力背景条件下迅速下切的过程中，边 坡的中下部局部产生了高应力集中，其集中的特定 范围达到了产生岩体屈服破坏的条件，作者认为锦 屏一级水电站左岸深部裂缝主要就是源于上述局部 高应力集中所致的屈服破坏而产生的。同时需要指 出的是，产生深部裂缝的局部高应力集中区是河谷 演化历史阶段的产物，而现今河谷阶段深部裂缝位 置的应力水平一般是不能使岩体达到屈服状态的。 5.2 深部裂缝对边坡稳定性的影响深部裂缝对边坡稳定性的影响 基于对深部裂缝成因的初步理解，其对边坡稳 定性的影响有如下基本认识。 深部裂缝是历史上河谷高应力场作用的结果， 其发育区域是局部的，发育规模也相对有限。因此， 其对工程岩体的影响不可能像构造型断裂的影响那 样巨大。另外，深部裂缝的存在与锦屏一级水电站 河谷边坡整体变形之间不存在直接的因果关系，深 部裂缝的形成是河谷演变过程中导致的局部高应力 作用的结果，而非目前河谷边坡卸荷变形的结果。 所以，它的存在不是边坡大范围变形和失稳的先 兆，但反过来河谷边坡的变形可以导致深部裂缝的 变化。 从深部裂缝所在范围的受力条件和河谷演化过 程中的变形特征看，它目前并未表现为直接构成边 坡滑动破坏的边界条件。但其对应力场的变化比较 敏感，可以在一定条件下变化为影响边坡稳定的重 要因素。目前工程设计和施工中，不扰动边坡中下 部岩体、特别是1 680 m高程以下岩体的应力状态 应该是保证边坡稳定的基本原则。 由于深部裂缝的存在，左岸坝肩及下游边坡岩 体的水文地质条件将变得复杂是客观存在的，对左 岸裂隙岩体水力学特征及其对工程的影响进行专题 研究显然是必要的，在工程处理中采用灌浆技术对 防渗和改善岩体工程性状方面显然会起到十分重要 的作用。 6 结结 论论 1 在对锦屏一级水电站左岸边坡地质条件深 入分析的基础上，采用离散元数值模拟了锦屏一级 水电站河谷演化发展过程。现今阶段河谷边坡的实 测应力对比点、高应力包范围、应力松弛带等地应 力场模拟结果与地质勘测结果吻合良好，表明基于 本文的数值模拟方法来进行河谷演化模拟，并在此 基础上进行河谷不同发育阶段应力变化和变形规律 的分析是可行的。 2 基于对河谷演化模拟不同阶段二维及三维 结果的详细分析，作者认为锦屏一级水电站左岸发 育的深部裂缝是在河谷地质结构上软下硬、地层反 倾、上部开阔下部狭窄、下蚀迅速和区域高应力背 景的特定条件下，在河谷下切至1 830～1 730 m高 程阶段造成边坡1 700～1 850 m高程范围的局部应 力集中到超过岩体强度而产生的岩体屈服破坏的结 果。 3 目前左岸发育的深部裂缝对边坡稳定性的 影响有别于区域性的构造断层，其影响是有限的、 局部的，工程中切实保护河谷1 680 m高程以下岩体 是控制深部裂缝进一步变化的基本原则。 以上关于锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成 因分析的基本观点和结论可供工程参考，但对此复 杂问题分析本文仅是一个初步的认识，对锦屏一级 水电站及国内其他工程边坡存在的深部裂缝问题的 全面认识还有待深入研究。 参考文献参考文献References [1] 国家电力公司成都勘测设计研究院. 雅砻江锦屏一级水电站可行 性研究报告工程地质[R]. 成都 国家电力公司成都勘测设计研究 院，2003.Chengdu Hydroelectric Investigation and Design Institute， State Power Corporation. Study report on feasibility of Jinping first stage hydropower station on Yanglong Riverengineering geology[R]. ChengduChengdu Hydroelectric Investigation and Design Institute， State Power Corporation，2003.in Chinese [2] 祁生文，伍法权，兰恒星. 锦屏一级水电站普斯罗沟左岸深部裂缝 成因的工程地质分析[J]. 岩土工程学报， 2002， 245 596–599.QI Shengwen，WU Faquan，LAN Hengxing. Study on the mechanism of 第 27 卷 增 1 荣 冠，等. 锦屏一级水电站左岸边坡深部裂缝成因初探 2863 the deep fractures of the left abutment slope at the Jinping first stage hydropower station[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2002，245596–599.in Chinese [3] 祁生文，伍法权，丁振明，等. 从工程地质类比的角度看锦屏一级水 电站左岸深部裂缝的形成[J]. 岩石力学与工程学报，2004，238 1 380–1 384.QI Shengwen，WU Faquan，DING Zhenmin