第五章 坝基稳定性的工程地质研究

1、 在江河上修建的水工建筑物大多要综合考虑防洪、在江河上修建的水工建筑物大多要综合考虑防洪、发电、灌溉、供水、航运、渔业、卫生等多方面的要求。发电、灌溉、供水、航运、渔业、卫生等多方面的要求。 要修建多种水工建筑物组成一个要修建多种水工建筑物组成一个水利枢纽，坝是其水利枢纽，坝是其中最重要的水工建筑物，它拦蓄水流，抬高水位，承受中最重要的水工建筑物，它拦蓄水流，抬高水位，承受着巨大的水压力和其他各种荷载。着巨大的水压力和其他各种荷载。为了维持平衡稳定，为了维持平衡稳定，坝体又将水压力和其他荷载以及本身的重量传递到地基坝体又将水压力和其他荷载以及本身的重量传递到地基或两岸的岩体上，因而岩体所承受的

2、压力是很大的。或两岸的岩体上，因而岩体所承受的压力是很大的。 另外，水还可渗入岩体，使某些岩层软化、泥化、另外，水还可渗入岩体，使某些岩层软化、泥化、溶解以及产生不利于稳定的扬压力。溶解以及产生不利于稳定的扬压力。因此，大坝建筑对因此，大坝建筑对地基岩体的稳定条件有着很高的要求。岩体的稳定常是地基岩体的稳定条件有着很高的要求。岩体的稳定常是坝体稳定的关键因素。坝体稳定的关键因素。 在大坝发生毁坏的事故中，因地质问题而引起的最在大坝发生毁坏的事故中，因地质问题而引起的最多，多，因此在大坝的设计和施工中，对坝基或坝肩的岩体因此在大坝的设计和施工中，对坝基或坝肩的岩体进行工程地质条件的分析研究是非常

3、重要的。进行工程地质条件的分析研究是非常重要的。各种坝失事百分率统计各种坝失事百分率统计 土石坝土石坝是由粘土、黄土、砂土、砾石、碎石、块是由粘土、黄土、砂土、砾石、碎石、块石料散体堆积而成的，上下游边坡与堆筑材料的稳定石料散体堆积而成的，上下游边坡与堆筑材料的稳定坡角应相适应，以保持坝坡的稳定。坡角应相适应，以保持坝坡的稳定。 当坝体材料以土和砂砾为主时，称当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝土坝；以石；以石渣、卵石、爆破石料为主时，称渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝堆石坝；当两类当；当两类当地材料均占相当比例时，称地材料均占相当比例时，称土石混合坝土石混合坝。 土石坝是历史最为悠久的一种坝

4、型。近代的土土石坝是历史最为悠久的一种坝型。近代的土石坝筑坝技术自世纪年以后得到发展，并石坝筑坝技术自世纪年以后得到发展，并促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界坝工促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。 土石坝的特点土石坝的特点: :土石坝基本适应于各种地形条件。土石坝基本适应于各种地形条件。 优点：优点：这类坝坝坡平缓，体积庞大，底宽较大，对地这类坝坝坡平缓，体积庞大，底宽较大，对地基底压应力较小。同时坝体堆筑材料之间没有胶结材料，基底压应力较小。同时坝体堆筑材料之间没有胶结材料，坝体是柔性的，允许产生

5、较大的变形，故与混凝土坝相坝体是柔性的，允许产生较大的变形，故与混凝土坝相比，它对坝基工程地质的要求较低，可以在软基和工程比，它对坝基工程地质的要求较低，可以在软基和工程地质条件复杂的地基上兴建。地质条件复杂的地基上兴建。缺点：缺点：是不许坝端宣泄洪水，所以，坝址附近在地形上是不许坝端宣泄洪水，所以，坝址附近在地形上最好有天然垭口以便布置溢洪道，或是有利于布置侧槽最好有天然垭口以便布置溢洪道，或是有利于布置侧槽式溢洪道、溢洪洞的地形地质条件。土石坝是当地材料式溢洪道、溢洪洞的地形地质条件。土石坝是当地材料坝，坝区附近有足够数量的、合乎质量标准又易于开采坝，坝区附近有足够数量的、合乎质量标准又易

6、于开采运输的粘土、砂砾石或堆石料，是修建土石坝的运输的粘土、砂砾石或堆石料，是修建土石坝的必要条必要条件。件。 重力坝包括混凝土重力坝，浆砌石重力坝，宽重力坝包括混凝土重力坝，浆砌石重力坝，宽缝重力坝、腹孔重力坝、梯形坝、硬壳坝等，这些坝缝重力坝、腹孔重力坝、梯形坝、硬壳坝等，这些坝主要依掌坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保主要依掌坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保持其稳定。持其稳定。 重力坝重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积挡水建筑是由砼或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。组成。重力坝的工作原理重力坝

7、的工作原理重力坝在水压力及其它荷载作用下必需满足：重力坝在水压力及其它荷载作用下必需满足：A A、稳定要求：、稳定要求：主要依依靠坝体自重产生的抗滑力主要依依靠坝体自重产生的抗滑力来满足。来满足。B B、强度要求：、强度要求：依靠坝体自重产生的压应力来抵消依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力来满足。由于水压力所引起的拉应力来满足。重力坝的类型重力坝的类型1.1.按按构造构造不同分为不同分为: :实体重力坝实体重力坝, ,宽缝重力坝宽缝重力坝, ,空空腹重力坝腹重力坝。2.2.按按作用作用不同分为不同分为: :溢流重力坝溢流重力坝, ,非溢流重力坝非溢流重力坝。3.3.按按筑坝

8、材料筑坝材料的不同分为的不同分为: :混凝土重力坝和浆砌混凝土重力坝和浆砌石重力坝石重力坝。世界最大的重力坝世界最大的重力坝- -中国三峡水利枢纽工程中国三峡水利枢纽工程. .重力坝对地质、地形条件的要求：重力坝对地质、地形条件的要求： 1 1、具有足够的抗滑能力具有足够的抗滑能力，能满足抗滑稳定要求。，能满足抗滑稳定要求。 2 2、坝基应有足够的抗压强度坝基应有足够的抗压强度和与坝体混凝土相适和与坝体混凝土相适应的弹性模量，其均匀性和完整性也应较好，能承受应的弹性模量，其均匀性和完整性也应较好，能承受坝体传来的巨大压力，不致产生过大的变形或不均匀坝体传来的巨大压力，不致产生过大的变形或不均匀

9、变形，否则坝体内会产生较大的拉应力，使坝体裂开，变形，否则坝体内会产生较大的拉应力，使坝体裂开，甚至毁坏。甚至毁坏。 3 3、坝基坝基( (肩肩) )应有良好的抗渗性应有良好的抗渗性，在库水上下游水，在库水上下游水头差作用下不发生大量渗漏，不产生过大的扬压力，头差作用下不发生大量渗漏，不产生过大的扬压力，也不会产生岩体的软化、泥化和软弱夹层、断层破碎也不会产生岩体的软化、泥化和软弱夹层、断层破碎带的渗透变形。带的渗透变形。 4 4、重力坝对地形适应性好，但、重力坝对地形适应性好，但两岸山坡岩体必两岸山坡岩体必须稳定须稳定，没有难以处理的滑坡体和潜在的不稳定的，没有难以处理的滑坡体和潜在的不稳定

10、的滑移体。滑移体。 5 5、重力坝可以从坝顶宣泄大量洪水，、重力坝可以从坝顶宣泄大量洪水，下游河床下游河床岩体应具有对高速水流的抗冲能力，岩体应具有对高速水流的抗冲能力，以免冲刷坑向以免冲刷坑向上游扩展，威胁大坝安全。上游扩展，威胁大坝安全。 6 6、坝区附近应有足够的、合乎要求的混凝土骨坝区附近应有足够的、合乎要求的混凝土骨料或石料料或石料。而不像重力坝主要靠自重维持。一般地讲，拱的作用而不像重力坝主要靠自重维持。一般地讲，拱的作用越强，坝身体积也就越小。与重力坝比较，拱坝对两越强，坝身体积也就越小。与重力坝比较，拱坝对两岸岩体的要求较高，而对河床坝基岩体的要求相对来岸岩体的要求较高，而对河

11、床坝基岩体的要求相对来说要低一些。说要低一些。滑坡体、强风化岩体、断层破碎带、具软弱夹层的易滑坡体、强风化岩体、断层破碎带、具软弱夹层的易产生塑性变形和滑动的岩体均不宜作为两端的拱座。产生塑性变形和滑动的岩体均不宜作为两端的拱座。 修建拱坝比较理想的河谷断面形状应是比较狭窄修建拱坝比较理想的河谷断面形状应是比较狭窄的、两岸对称的的、两岸对称的“V V”字形河谷，其次是字形河谷，其次是“U U”形和梯形。形和梯形。河谷的宽高比值在河谷的宽高比值在1.5-21.5-2比较理想，最好不超过比较理想，最好不超过3.53.5。 东江湖大坝东江湖大坝位于郴州资兴市位于郴州资兴市境内，大坝底宽境内，大坝底宽

12、3535米，顶宽米，米，顶宽米，坝顶中心弧长坝顶中心弧长438438米，坝高米，坝高157157米。是我国自行米。是我国自行设计的第一座双设计的第一座双曲薄壳高拱坝，曲薄壳高拱坝，名列同类型大坝名列同类型大坝世界第二、亚洲世界第二、亚洲第一。巍峨东江第一。巍峨东江湖大坝成为东江湖大坝成为东江湖风景区一道亮湖风景区一道亮丽景观。丽景观。 由一系列倾斜的面板和支承面板的支墩由一系列倾斜的面板和支承面板的支墩( (扶壁扶壁) )组组成的坝。面板直接承受上游水压力和泥沙压力等荷载，成的坝。面板直接承受上游水压力和泥沙压力等荷载，通过支墩将荷载传给地基。面板和支墩连成整体，或通过支墩将荷载传给地基。面板

13、和支墩连成整体，或用缝分开。用缝分开。 16 16世纪西班牙修建的埃尔切砌石连拱坝，坝高世纪西班牙修建的埃尔切砌石连拱坝，坝高23m,23m,是世界上第一座支墩坝。中国自是世界上第一座支墩坝。中国自19491949年以来也建年以来也建造了很多高支墩坝。造了很多高支墩坝。19561956年建成的梅山连拱坝年建成的梅山连拱坝, ,坝高坝高88.24m88.24m。19581958年建成的金江平板坝年建成的金江平板坝, ,坝高坝高54m54m。19601960年年建成的新丰江大头坝，坝高建成的新丰江大头坝，坝高105m105m。19801980年建成的湖南年建成的湖南镇梯形坝，坝高镇梯形坝，坝高12

14、9m129m，是中国最高的支墩坝，是中国最高的支墩坝。 新丰江水库大坝距河源市区新丰江水库大坝距河源市区6 6公里，为混凝土结构，高公里，为混凝土结构，高程程1 10505米，顶宽为米，顶宽为5 5米，长度米，长度440440米，是世界上第一座经受六米，是世界上第一座经受六级地震考验的超百米高混凝土大头坝。溢洪段设有级地震考验的超百米高混凝土大头坝。溢洪段设有3 3孔。公孔。公元元19971997年年7 7月月1111日至日至1414日、日、8 8月月9 9日至日至1616日，大坝两次开闸泄日，大坝两次开闸泄洪。泄洪时，湖水从闸奔泻而出，伴随着雷鸣般的呼啸声，洪。泄洪时，湖水从闸奔泻而出，伴随

15、着雷鸣般的呼啸声，卷起千堆雪，仿似一幅蛟龙闹海图，十分壮观。卷起千堆雪，仿似一幅蛟龙闹海图，十分壮观。类型类型 根据面板的形式，支墩坝可分为根据面板的形式，支墩坝可分为三种类型：三种类型： 平板坝：平板坝：面板为平板面板为平板, ,通常简支于支墩的托肩（牛腿）上，面板通常简支于支墩的托肩（牛腿）上，面板和支墩为钢筋混凝土结构；和支墩为钢筋混凝土结构； 连拱坝连拱坝: :上游为拱形面板，常采用圆拱上游为拱形面板，常采用圆拱, ,与支墩连成整体与支墩连成整体, ,一般为一般为钢筋混凝土结构；钢筋混凝土结构；大头坝大头坝: :面板由支墩上游部分扩宽形成，称为头部。相邻支墩的面板由支墩上游部分扩宽形成

16、，称为头部。相邻支墩的头部用伸缩缝分开，为大体积混凝土结构。对于高度不大的支墩头部用伸缩缝分开，为大体积混凝土结构。对于高度不大的支墩坝，除平板坝的面板外，也可用浆砌石建造。坝，除平板坝的面板外，也可用浆砌石建造。 支墩坝支墩坝是一种轻型坝，可较重力坝节省是一种轻型坝，可较重力坝节省20206060的混凝土，宜于修建在的混凝土，宜于修建在气候温和、河谷较宽、气候温和、河谷较宽、地质条件较好、运输条件差、天然建筑材料缺乏的地质条件较好、运输条件差、天然建筑材料缺乏的地区地区。 平板坝适用于中、低坝，连拱坝和大头坝适用平板坝适用于中、低坝，连拱坝和大头坝适用于中、高坝。于中、高坝。坝轴线坝轴线下游

17、下游vw 21221HHLLHuw 2122112121LaabaabHLHuww WFCKQZH 0210_65. 0HCKPwZH WPu2 2、深层滑动：、深层滑动：单滑面单滑面：l倾向下游：倾向下游：l倾向上游：倾向上游： cossinsincosPGWfuPGWK cossinsincosPGWfuPGWK被动抗力被动抗力R R与水平面的夹角与水平面的夹角变化于变化于0 0之间，之间，当滑面倾角当滑面倾角3030时，时，=0 0 ； 时，时，= = 。类比法类比法经验法经验法平均值的求取方法平均值的求取方法5 5.4 .4 坝基岩体质量分类坝基岩体质量分类1 1、渗透压力：、渗透压力

18、：渗透水流作用于岩土上的力，称为渗透水流作用于岩土上的力，称为渗透压力，又称为动水压力。渗透压力，又称为动水压力。2 2、渗透变形（渗透破坏）：、渗透变形（渗透破坏）：当渗透压力达到一定当渗透压力达到一定值时，岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而值时，岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流带走，从而引起岩土的结构变松，强度降被渗流带走，从而引起岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏，这种现象称为渗透破坏。低，甚至整体发生破坏，这种现象称为渗透破坏。三、坝基的渗透稳定性分析三、坝基的渗透稳定性分析3 3、渗透变形、渗透变形一般发生在砂土和粉土中，在河流两一般发生在砂土和粉土中，在河流两岸

19、及大坝建设中引人关注。岸及大坝建设中引人关注。（一）、基本概念（一）、基本概念1 1、潜蚀、潜蚀2 2、管涌、管涌3 3、流土（、流土（砂砂）（二）、渗透变形的类型（二）、渗透变形的类型1 1、水动力条件：、水动力条件： 临界水力坡度：临界水力坡度：JcrJcr=Gs-1/1+e=Gs-1/1+e2 2、土的颗粒成分和结构特征：、土的颗粒成分和结构特征：3 3、渗流出口条件、渗流出口条件（三）、渗透变形产生的条件（三）、渗透变形产生的条件（四）、渗透变形的判别方法（四）、渗透变形的判别方法目的目的1 1、清基、清基：普遍采用：普遍采用高坝：微风化、新鲜岩体；高坝：微风化、新鲜岩体；依据：风化、

20、卸荷分带依据：风化、卸荷分带 中坝：弱风化下部岩体；中坝：弱风化下部岩体；低坝：弱风化上部岩体。低坝：弱风化上部岩体。方法：风镐、钻爆。方法：风镐、钻爆。应注意爆破对建基面的影响以及易风化岩的保护。应注意爆破对建基面的影响以及易风化岩的保护。建基面的形状：建基面的形状：锯齿状，略向上游倾斜或向下游抬高的倒坡，锯齿状，略向上游倾斜或向下游抬高的倒坡，或台阶状，但高差不宜过大。或台阶状，但高差不宜过大。v作用：提高坝基的整体性、弹性模量和承载力，降低透作用：提高坝基的整体性、弹性模量和承载力，降低透水性、减少渗漏量。水性、减少渗漏量。v类型：类型：1 1）按材料分：）按材料分：水泥灌浆；水泥灌浆；

21、粘土灌浆；粘土灌浆；化学灌浆。化学灌浆。2 2）按作用分：）按作用分： 固结灌浆：按平面布置，利用钻孔进行低压固结灌浆：按平面布置，利用钻孔进行低压浅层灌浆；浅层灌浆； 帷幕灌浆：按剖面布置，利用钻孔进行高压帷幕灌浆：按剖面布置，利用钻孔进行高压深层灌浆；深层灌浆；接触灌浆：按平面布置，利用预埋钻孔进行接触灌浆：按平面布置，利用预埋钻孔进行高压浅层灌浆。高压浅层灌浆。v固结灌浆固结灌浆1 1）含义）含义: :通过基岩上的钻孔，将具有粘结性的浆液压入裂通过基岩上的钻孔，将具有粘结性的浆液压入裂隙或空隙中，从而提高破碎岩体的完整性和强度。隙或空隙中，从而提高破碎岩体的完整性和强度。2 2）方案设计

22、：）方案设计：o根据岩体破碎情况、坝型和坝基应力等确定。根据岩体破碎情况、坝型和坝基应力等确定。3 3）灌浆孔的布置：）灌浆孔的布置：o大面积灌浆，重点地段加强；大面积灌浆，重点地段加强；o按梅花型、六角形或方格状布置；按梅花型、六角形或方格状布置；o按序次逐渐加密（孔距从按序次逐渐加密（孔距从1010m m 2020m m开始，最终孔距开始，最终孔距为为2 2m m 4m4m）；）；o孔深一般为孔深一般为5 5m m 15m15m，高坝可大于高坝可大于20m20m；o灌浆压力为灌浆压力为0.20.2MPa MPa 2020MPaMPa；o一般为垂直孔，但断层破碎带、裂隙密集带、软弱夹一般为垂

23、直孔，但断层破碎带、裂隙密集带、软弱夹层等应按产状布置斜孔。层等应按产状布置斜孔。v接触灌浆接触灌浆1 1）目的：提高坝体与坝基的胶结强度。）目的：提高坝体与坝基的胶结强度。2 2）方法：）方法：o在坝体浇筑至一定高程（形成有效压重）后，在预在坝体浇筑至一定高程（形成有效压重）后，在预埋的管、孔中进行灌浆；埋的管、孔中进行灌浆；o大面积布置，采用高压灌浆，与固结灌浆合二为一。大面积布置，采用高压灌浆，与固结灌浆合二为一。v帷幕灌浆帷幕灌浆1 1）方案设计：）方案设计：以岩体透水性分带为依据，根据水文地质条件、防渗要求由灌浆试以岩体透水性分带为依据，根据水文地质条件、防渗要求由灌浆试验确定灌浆孔深度、厚度、孔距、排距及灌浆压力、材料、水灰比验确定灌浆孔深度、厚度、孔距、排距及灌浆压力、材料、水灰比等。等。v防渗要求：防渗要求： o高坝：高坝：q q1Lu1Lu； o中坝：中坝：q q=1=13Lu3Lu； o低坝：低坝：q q=3=35Lu5Lu2 2）灌浆孔的布置：）灌浆孔的布置：o按剖面布置，在靠