水坝、水库工程地质研究

,水坝、水库工程地质研究,小组成员：,小组分工,第一小组,第二小组,世界著名水坝,葛兰峡谷大坝-美国,世界著名水坝,Identity,阿斯旺大坝-埃及开罗,世界著名水坝,ext,蒙地赛罗水坝-美国,世界著名水坝,Products,Market,世界著名水坝,57%,Descrip三峡大坝tionofthecontents,三峡大坝,主要内容,一、水坝的分类二、坝区渗漏及对坝基稳定性的影响三、坝基（肩）稳定性问题四、坝址选择工程地质论证,一、水坝的分类,1、按筑坝材料分土坝、堆石坝、干砌石坝、混凝土坝等2、按坝体结构分重力坝、拱坝、支墩坝3、按坝高分低坝（H70m),土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝；以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝坝对地质地形条件的要求主要有：（1）坝基要有一定的强度；（2）坝基透水性要小；（3）就近足量且刚度和强度且满足质量要求的天然建筑材料；（4）要有修建溢洪道的有利地形、地质条件。土石坝对地质地形条件要求低，从岩石地基到土质地基，都可修建土石坝。岩石地基对任何坝型一般都适应。但对于强烈喀斯特岩体、大的断层破碎带、强透水或抗剪强度低的软弱夹层、泥化夹层的岩体、基岩面起伏太大的岩体，宜避开或加强处理。土质地基，程度不同的会存在沉陷、变形、滑动、渗漏和渗透变形、振动液化等问题。,几种常见的水坝,（一）、土石坝,中国最大的土石坝黄河小浪底大坝,重力坝是由混凝土或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，重力坝主要依靠坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保持稳定，故重力坝对地基要求比土石坝高，一般修建在基岩上。低坝也可修在较好的土质地基上。重力坝对地质地形条件的要求主要有：具有足够的抗滑能力，满足抗滑稳定的要求；坝基应有足够的抗压强度和与坝体混凝土相适应的弹性模量，有较好的均匀性和完整性；坝基、坝肩应具有良好的抗渗性；两岸山体必须稳定，没有难处理的滑坡体和和潜在的不稳定滑移体；下游河床岩体应具有对高速水流抗冲能力；坝区附近有足够的、合乎要求的混凝土骨料。,(二）、混凝土重力坝,三峡大坝,世界上最高的重力坝瑞士的大狄克逊大坝（285m）,拱坝在平面上呈拱形，并在结构上起拱的作用的坝，拱脚支承于两岸基岩上。拱坝是一个整体的空间壳体结构。从水平切面上看，它是由许多上下等厚或变厚的拱圈叠成，大部分荷载由拱的作用传递到两岸山体上。在铅直断面上，则是由许多弯曲的悬壁梁组成，少部分荷载依靠梁的作用传递给坝基。,由于拱是推力结构，只要充分的利用它的作用，即可发挥材料强度。典型的薄拱坝，比起相同高度的重力坝可节省混凝土80%，如法国的托拉拱坝高85m，其最大厚度才2.4m，因而拱坝是一种经济合理的坝型，但它的施工技术要求很高。,（三）、拱坝,拱坝具有较强的抗震性能和超载性能。基于上述特点，它对工程地质的要求除了与重力坝相同的要求外，还应注意如下：（1）坝址应为左右岸为对称的峡谷地形。河谷高宽比（H/L）愈大的“V”字形峡谷，愈有利于发挥拱坝的推力作用。若地形不对称，就需开挖或采取结构措施使之对称。（2）由于拱坝应力集中，要求岩体有更高的承载力，两岸及河床岩体要新鲜（或微风化）完整。岩体的弹性模量均一，且岩体与混凝土的变形模量也要相近。（3）对坝基中存在的断层破碎带等软弱岩体必须进行慎重的处理，以提高岩体的均一性，防止变形过大造成拱坝拉裂。（4）两岸坝肩要有足够的稳定性，拱端要有比较雄厚的稳定岩体。对两岸发育的与河流大致平行的中、高倾角断层、节理、层面、卸荷裂隙等要特别重视，仔细研究其特征，及有否与缓倾角软弱结构面组合，从而构成滑动块体。,石门拱坝,图片名称：石门水库电站地点：陕西汉中所在河流：褒河所在水系：黄河水系主要坝型：混凝土拱坝坝顶高程：620.0米最大坝高：88米,我国水库垮坝大事记1963年，河北刘家台土坝水库垮坝，死亡943人。1979年，甘肃党河水库因垮坝失事，造成4人死亡。1978-1979年间，山西东榆林水库副坝下游排水沟多次出现流泥现象，但没有采取任何措施。1979年5月，水库晴天垮坝，垮坝后1个多小时竟无人知晓。1995年青海沟后水库垮坝后,管理人员骑着摩托车到有关部门报告,耽误了下游人员转移时间,造成重大人员伤亡。2001年，四川会理县大路沟水库垮坝，导致16人死亡，失踪10人，洪水冲毁770亩良田。2004年5月27日下午5时49分左右，位于鄂西恩施市城郊的湖北清江大龙潭水电站上游围堰，被清江上游下来的并不大的洪峰冲垮，14人死亡、4人失踪。,二、坝区渗漏及对坝基稳定性的影响,(一）、渗漏条件分析坝基渗漏：坝底下的渗漏为坝基渗漏；绕坝渗漏：坝肩部位的渗漏为绕坝渗漏。坝区渗漏是诸多水利工程中一种普遍的地质现象，一旦渗漏量过大，就会影响水库的效益，或者渗透水流作用危及坝体安全，此时，坝区渗漏成为必须防治的工程地质问题。坝区渗漏量大小取决于库水位高度及渗漏通道存在情况（包括通道的渗透性、连通性、渗径长短等）。下面分第四系松散土石体透水介质与裂隙岩体透水介质两种情况，讨论坝区渗漏条件。,（1）第四系松散土石体坝区渗漏决定因素：第四系土石体透水性取决于其粒度成分、密实度、分选性和土层结构，这些又与其成因、形成时间有关。渗漏条件分析等粒土石体的渗透系数随粒径增大，渗透系数可以成倍增大；从成因类型看：冲积物分选好，细粒含量少，透水性较好；洪、坡积物总的来说大小混杂，分选性差，透水性较差；而冰碛物分选性更差，透水性极弱。同一成因的沉积物，随着沉积时代由新到老，透水性一般会变小。按渗透系数和渗透率大小，可将土石体分为几个不同透水性等级。,第四系沉积物渗漏条件分析，应从第四系地貌和成因类型分析入手，注意查明粗粒物质和细粒物质的分布和结构组合状况，能否产生坝基渗漏不仅与透水层渗透性有关，往往还与相对隔水层的分布有关。,（2）裂隙岩体坝区渗漏裂隙岩体渗漏通道主要是各种结构面和溶蚀空隙（洞）及其开启性、充填情况、连通情况。河谷形态特征即是决定透水性强弱和入渗、排泄条件的重要因素。渗漏通道的形成：在坝区发育的顺河断裂、裂隙密集带、岸坡卸荷裂隙带、纵谷陡倾和横谷向上游缓倾的各种原生结构面，都可以构成强烈的渗漏通道。,（二）渗透水流对坝基稳定性的影响流经坝基岩土体的渗透水流，由于库水与下游河道水位差引起很大的渗透压力，同时，浸泡在水下的岩土体及部分坝体受到向上作用的浮托力，这些都在一定程度上影响坝基稳定性，从而可能导致坝体失稳。扬压力：工程地质主要从坝基岩体抗滑稳定性角度上去分析坝底面及深部岩体某滑移面上的水压力情况，把作用于这些面上的渗透压力及浮托力总称为扬压力。扬压力是对坝基稳定性极不利的因素，过高的扬压力可以直接导致坝体失稳，这在坝工建筑中不乏其例。,（三）、裂隙岩体防渗减压措施防渗措施原理上采取截断水流或延长渗径的办法，减压可通过防渗来实现，也可采用排水等其它措施。前面渗透变形工程地质研究中已介绍了松散土体坝基防治渗漏和渗透变形的措施，这里只介绍关于坝基岩体的防渗减压措施。裂隙岩体采用最普遍的防渗减压措施是灌浆帷幕和钻孔排水，在特殊地质条件下可使用防渗井。（1）灌浆帷幕（2）钻孔排水（3）断层带的防渗措施（4）斜墙铺盖,（1）灌浆帷幕：设置方法是距坝踵一定距离外，沿坝轴线方向布置一排或几排钻孔，向孔内灌入水泥浆液或其他化学浆液，共同构成一个完整的隔水墙，即所谓灌浆帷幕。（图16-12）按规定，大型工程岩体的渗透率q1Lu，中小型工程渗透率q35Lu，才予设置灌浆帷幕。当坝下隔水层埋深较小时，便可将帷幕深入到隔水层内35m，构成全封闭式帷幕；反可设置悬挂式帷幕，一般深度0.30.7倍坝高。帷幕长度按坝基和坝肩防渗带总长度来确定；帷幕厚度受灌浆的孔距及排距控制，具体设计要求，有专门规程可循。,（2）钻孔排水：图16-12，在灌浆帷幕下游一定距离，设置一排或几排排水孔，将排走部分（或全部）渗压水流，起到降低扬压力的良好效果。排水孔常与帷幕配合使用，也可以单独使用。主排水孔的深度为防渗帷幕深度的0.40.6倍，并不小于10m，孔距一般23m，孔径不宜过小。对于高坝，一般要求设置一排主排水孔，23排辅助排水孔；中低坝可以视情况设置12排孔即可。排水孔距坝踵距离一般取0.10.15倍水头差。排水孔与帷幕配合使用，也可以单独使用。（3）断层带的防渗措施：坝基中较大的顺河断层破碎带，除应专门加固处理外，还要进行防渗处理。当断层由角砾岩、碎块岩组成时，其与帷幕相交的部位应全部处理，当断层带由断层泥、糜棱岩组成时，因含泥质较多，可灌性差，需采用防渗井措施，即沿断层带延伸方向挖除，回填混凝土，并在两侧的影响带范围进行固结灌浆。（4）斜墙铺盖：坝肩部位贯通上下游的集中渗漏通道，并在上游渗漏通道出露处设置粘土斜墙或铺盖，以隔断库水与渗漏通道的联系。,三、坝基（肩）稳定性问题,图3-5坝基滑动破坏的形式(a)表层滑动(b)浅层滑动（C）深层滑动,1、表层滑动指坝体沿坝底与基岩的接触面发生剪切破坏所造成的滑动。滑动面大致是平面。坝基岩体坚硬，地基岩面处理不好或混凝土浇注不好。主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面的条件下。此时，混凝土基础与基岩接触面常称为薄弱且可能滑动的面，接触面的摩擦系数值，是控制重力坝设计的主要指标。坝体必须具有足够的重量，以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力。,（一）、坝基岩体抗滑动破坏的类型,2、浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时，剪切破坏往往发生在浅部岩体之内，造成浅层滑动。滑动面常参差不齐。坝基岩体软弱，或岩体虽坚硬但表面部风化破碎层没有挖除干净。,（一）、坝基岩体抗滑动破坏的类型,3、深层滑动在坝基岩体的较深部位，沿软弱结构面发生剪切破坏。滑动面由两三组或更多的软弱结构面组合而成，只有当地基岩体内存在有软弱结构面，且按一定组合能构成危险滑移体时，才有发生深层滑动的可能。它是高坝主要破坏形式。,4、三种破坏形式的比较坝基岩体表层滑动边界条件比较简单，主要取决于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪强度。浅层滑动近似一平面，抗滑稳定性取决于浅部岩体的抗剪强度。深层滑动比较复杂，它必须有滑动面、切割面和临空面。,（二）拱坝坝肩抗滑稳定性不同的坝型对坝肩稳定性要求不同。土石坝和重力坝只要求将坝肩嵌入到岩体内一定深度，以满足防渗要求和一定的连结能力，不要求核算坝肩的抗滑稳定性。拱坝的工作条件与土石坝、重力坝有本质的区别，在库水推力作用下，坝体内将产生复杂的空间应力分布，而且主要以轴向压力的方式将荷截传递到河谷两岸的岩体上。拱端对坝肩岩体将产生轴向推力（pH）、径向剪力（pV）和力矩（M）(图1621)。,当拱端岩体具有足够的强度和剐度时，则给拱圈以相应的反力来保持坝体稳定。若拱端岩体软弱破碎，尤其当存在与拱端推力方向一致的软弱结构面时，将对拱坝的稳定性带来威胁。因此，拱坝需进行坝肩岩体抗滑稳定分析。,滑移边界条件及结构体形态与坝基一样，坝肩滑移边界条件也是由滑移面、切割面和临空面组成（图16-22），只是由于坝肩滑移发生在陡立岸坡为特征的坝肩部位，滑移边界条件在构成上有所区别，这些边界面具有如下特点：,（1）滑移面：一般为倾向下游河床方向的平缓或倾斜的软弱结构面，有时倾向上游的缓倾角结构面也可构成滑移面。滑面形态可以是单平面、多平面或空间曲面。滑动方向受到轴向推力与切向推力作用方向的限制。（2）切割面：凡与工程作用力方向近平行、陡立者均可成为侧向切割面；与工程作用力方向近垂直，且位于滑移体后缘者可成为横向切割面。（3）临空面：可以分为纵向与横向两类。河谷岸坡为纵向临空面；河弯突出部位、河沟、断层（或软弱）带、溶洞等为横向临空面。图16-23,常见的滑移结构体归纳为几类：楔形体、锥形体、棱形体（包括板状体）。图16-24,（三）提高坝基（肩）岩体稳定性的工程措施当坝基(肩)岩体中存在不利于抗滑稳定性的地质因素时，可以考虑适当改变建筑物结构，如增大坝底面积；设置阻滑齿槽和抗力体；设置传力墙；改变坝形等等。当采取可能的技术设计仍不满足稳定性要求的情况下，则应考虑岩体加固处理措施，其常用的处理措施是：固结灌浆开挖回填锚固,1、固结灌浆它是提高裂隙岩体整体强度的有效措施。固结灌浆是利用钻孔将高标号的水泥浆液或化学浆液压入岩体中，使之封闭裂隙，加强基岩的完整性，达到提高岩体强度和刚度的目的。常规的灌浆是在整个基础大面积内进行，此时应分批逐步完成整个灌浆工程，应根据坝基压力，地质条件等合理设计灌浆孔深、孔距、灌浆压力和浆液稠度，即先进行灌浆试验。有时为了处理断层、软弱夹层和溶洞等，须进行特殊的灌浆方法。,2、开挖回填对于断层破碎带、风化带、软弱破碎带等，可以通过坑探工程将其清除掉，然后回填混凝土，以增强地基的强度。应根据对象不同，开挖回填后形成不同的结构形式，图16-26为处理断层带及软弱夹层时常用的几种方法。,3、锚固主要用于处理块体沿弱面的滑移变形。它按一定的方向用钻孔穿透弱面深入到完整岩体内，插入预应力锚索（钢筋），然后用水泥将孔固结起来，形成具有一定抗拉能力的结构。此外，对拱坝坝肩不稳定岩体的处理，还可以采用其他支挡办法，如抗滑桩、支撑柱等。还应特别强调，地下水往往是导致基础失去稳定的主要因素，在设置工程处理措施时，应充分考虑到防渗排水的作用，一项