第2章变形体变形规律

1、1变形与沉陷工程学变形与沉陷工程学环境与测绘学院环境与测绘学院 郭广礼郭广礼电话：电话：1535163203815351632038邮箱：邮箱：GUOGL65126.COMGUOGL65126.COM2.1 2.1 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质2.2 2.2 建筑物变形规律及影响因素建筑物变形规律及影响因素2.3 2.3 大坝变形规律及影响因素大坝变形规律及影响因素2.4 2.4 抽水引起的地表变形规律及影响因素抽水引起的地表变形规律及影响因素22 2 变形体的变形规律变形体的变形规律 变形是自然界的普遍现象，是指变形是自然界的普遍现象，是指变形体在各种荷载变形体在各种荷载作用下，形状

2、、大小及位置在时空域中的变化作用下，形状、大小及位置在时空域中的变化。变形体的变形变形体的变形：与与变形体自身特征及外部载荷情况密切相关变形体自身特征及外部载荷情况密切相关；不同的变形体、不同的载荷所产生的变形在大小、性不同的变形体、不同的载荷所产生的变形在大小、性质、分布等方面均有很大的差别。质、分布等方面均有很大的差别。工业与民用建筑物变形工业与民用建筑物变形，大坝变形大坝变形，抽抽水水地表地表变形变形矿区开采沉陷矿区开采沉陷32 2 变形体的变形规律变形体的变形规律2.1.1 2.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质2.1.2 2.1.2 岩石的力学性质岩石的力学性质42.1 岩石的物理

3、力学性质岩石的物理力学性质一、岩石的质量指标一、岩石的质量指标（1 1）岩石的密度）岩石的密度52.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质（2 2）岩石的比重）岩石的比重 岩石比重取决于岩石比重取决于：组成岩石的矿物比重及其在岩石中组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量，而与岩石的空隙性和吸水性无关。的相对含量，而与岩石的空隙性和吸水性无关。 岩石的比重一般为岩石的比重一般为：2.53.3。62.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质二、岩石的体积指标二、岩石的体积指标（1 1）岩石的空隙性）岩石的空隙性 岩石的空隙性岩石的空隙性：岩石中孔隙性和裂隙等的统称。岩石中孔隙性和裂隙等的统称。 岩石中

4、空隙的发育程度用空隙率表示。岩石的空隙率岩石中空隙的发育程度用空隙率表示。岩石的空隙率n是指岩石的是指岩石的空隙体积空隙体积Vv与岩石总体积与岩石总体积V之比，以百分率表示，即之比，以百分率表示，即： 岩石空隙性对岩石的性质有显著影响。岩石空隙性对岩石的性质有显著影响。 一般说来，空隙率大的岩体，整体性较差，岩石的质量密度较小，一般说来，空隙率大的岩体，整体性较差，岩石的质量密度较小，强度较低，而透水性较好，风化速度较快，反之亦然强度较低，而透水性较好，风化速度较快，反之亦然。72.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质煤矿中常见岩石的空隙率见煤矿中常见岩石的空隙率见下下表表:82.1.1 岩石

5、的物理性质岩石的物理性质岩石名称岩石名称空隙率空隙率% %岩石名称岩石名称空隙率空隙率% %砾岩砾岩0.80.810.010.0石灰岩石灰岩0.50.527.027.0砂岩砂岩1.61.628.028.0石英岩石英岩8.7泥岩泥岩3.03.07.07.0石英片岩石英片岩3.0页岩页岩0.40.410.010.0板岩板岩50.45泥灰岩泥灰岩1.01.010.010.0 （2 2）岩石的碎胀性及碎胀系数）岩石的碎胀性及碎胀系数 从岩体中采掘或崩落下来的碎石，其整个体积大于它在岩体内从岩体中采掘或崩落下来的碎石，其整个体积大于它在岩体内的体积。

6、这种体积增大的性质，叫做的体积。这种体积增大的性质，叫做岩石的碎胀性岩石的碎胀性。 通常用碎胀系数通常用碎胀系数KpKp来表示，即来表示，即 式中，式中， V为岩石破碎成块后处于松散状态下的体积；为岩石破碎成块后处于松散状态下的体积；V为岩石为岩石在整体情况下的体积。在整体情况下的体积。 岩石的碎胀系数恒大于岩石的碎胀系数恒大于1，其值取决于岩石的性质以及破碎后的，其值取决于岩石的性质以及破碎后的岩块形状和大小等因素。岩块形状和大小等因素。 一般是致密而坚硬的岩石，其碎胀系数愈大。一般是致密而坚硬的岩石，其碎胀系数愈大。 92.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质102.1.1 岩石的物理性质

7、岩石的物理性质 煤矿中常见的几种岩石的（残余）碎胀系数表煤矿中常见的几种岩石的（残余）碎胀系数表岩石名称岩石名称碎胀系数碎胀系数Kp残余碎胀系数残余碎胀系数Kp砂砂1.051.011.03粘粘 士士1.201.20以下以下1.031.07碎碎 煤煤1.201.20以下以下1.05泥质页岩泥质页岩1.401.401.10砂质页岩砂质页岩1.601.601.801.801.101.15硬硬 砂砂 岩岩1.501.501.801.80/112.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质三、岩石的水理性质三、岩石的水理性质（1 1）岩石的含水性）岩石的含水性 岩石的含水性一般用湿度或

8、含水率表示。岩石的含水性一般用湿度或含水率表示。 岩石的含水率岩石的含水率是指岩石中水的重量是指岩石中水的重量 与岩石的烘干重量与岩石的烘干重量 之比，以百分率表示，即之比，以百分率表示，即 岩石含水的多少取决于岩石中空隙的大小和数量。岩石的含水岩石含水的多少取决于岩石中空隙的大小和数量。岩石的含水性对岩石的强度有影响，空隙大的岩石，水浸后其抗压强度降低性对岩石的强度有影响，空隙大的岩石，水浸后其抗压强度降低25%25%45%45%，一般也要降低，一般也要降低15%15%20%20%。致密的岩浆岩，由于空隙度。致密的岩浆岩，由于空隙度小，所以其强度降低最少。小，所以其强度降低最少。122.1.

9、1 岩石的物理性质岩石的物理性质（2 2）岩石的吸水性）岩石的吸水性 岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。它取岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。它取决于岩石中空隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。决于岩石中空隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。 吸水性通常以吸水率表示。吸水性通常以吸水率表示。 岩石的吸水率是指岩石试件在常温常压下吸入水分的重量与岩石的吸水率是指岩石试件在常温常压下吸入水分的重量与岩石的烘干重量的比值，以百分率表示，即岩石的烘干重量的比值，以百分率表示，即： 岩石吸水率的大小，取决于岩石所含空隙的数量和大小，开闭岩石吸水率的大小，取决于岩石所含空隙的数

10、量和大小，开闭程度及其分布情况。岩石的吸水率愈大，表明岩石中的空隙大，程度及其分布情况。岩石的吸水率愈大，表明岩石中的空隙大，数量多，并目连通性好，岩石的力学性质差。数量多，并目连通性好，岩石的力学性质差。132.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质（3 3）岩石的透水性）岩石的透水性 岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性。岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性。 水只能沿连通的空隙渗透，而大多数岩石中的空隙是连通水只能沿连通的空隙渗透，而大多数岩石中的空隙是连通的，在一定压力作用下，水可以在岩石中通过（渗透）。的，在一定压力作用下，水可以在岩石中通过（渗透）。 岩石透水性的强弱可用岩石透水性的

11、强弱可用渗透系数渗透系数来衡量，其值取决于岩石来衡量，其值取决于岩石空隙的大小、数量、方向及其连通程度。空隙的大小、数量、方向及其连通程度。 渗透系数渗透系数K K是指水在岩石中流动时，在单位流动途径上水是指水在岩石中流动时，在单位流动途径上水力坡度力坡度i为为1 1的条件下，单位时间内通过流线法向单位面积的条件下，单位时间内通过流线法向单位面积A A的的流量流量Q Q。其计算公式如下：。其计算公式如下：142.1.1 岩石的物理性质岩石的物理性质 渗透系数是一个重要的水文地质参数，它不仅是衡量岩石透渗透系数是一个重要的水文地质参数，它不仅是衡量岩石透水性能的指标，而且是评价地下水资源和计算涌

12、水量的重要参水性能的指标，而且是评价地下水资源和计算涌水量的重要参数。数。 通常是通过测定涌水量反算渗透系数。通常是通过测定涌水量反算渗透系数。 渗透系数可以在很大的范围内变化，按其数值大小将渗透程渗透系数可以在很大的范围内变化，按其数值大小将渗透程度划分为五级。度划分为五级。 几种常见岩石透水性几种常见岩石透水性岩石类型岩石类型砾岩砾岩粗砂岩粗砂岩中砂岩中砂岩细砂岩细砂岩亚粘土亚粘土粘土粘土K K（m/dm/d）5050202050505 520201 15 010.0010.001 三向非等压抗压强度三向非等压抗压强度 双向抗压强度双向抗压强度 单向单向抗压强度抗压强度

13、 单向抗剪强度单向抗剪强度 单向抗弯强度单向抗弯强度 单向抗拉强度。单向抗拉强度。 岩石各强度间存在下列关系：岩石各强度间存在下列关系：342.1.2 岩石的岩石的力学力学性质性质三、岩石的分类三、岩石的分类 岩石分类常用的方法岩石分类常用的方法：由由前前苏联普洛多吉亚柯诺夫于苏联普洛多吉亚柯诺夫于19261926年年所提出，简称为普氏分类法。所提出，简称为普氏分类法。 分类指标分类指标 f：称为普氏系数（又称岩石硬度系数或岩石坚固称为普氏系数（又称岩石硬度系数或岩石坚固性系数）。采用岩石的单向抗压强度确定。性系数）。采用岩石的单向抗压强度确定。 把单向抗压强度为把单向抗压强度为10MPa10

14、MPa的粘土硬度系数的粘土硬度系数 f 定为定为1 1，其它岩石，其它岩石的硬度系数的硬度系数 f 以其单向抗压强度为粘土抗压强度的倍数表示。以其单向抗压强度为粘土抗压强度的倍数表示。 在矿山工程中，为了使用上的方便，常常粗略地将岩石按硬在矿山工程中，为了使用上的方便，常常粗略地将岩石按硬度系数归纳为三类：度系数归纳为三类：坚硬岩石坚硬岩石：f8 8；中硬岩石；中硬岩石：3 3f8 8；软岩石；软岩石：f3 3352.1.2 岩石的岩石的力学力学性质性质级别级别软硬程度软硬程度岩岩 石石硬度系数硬度系数f极硬岩石极硬岩石最硬、最致密、胶结性最大的石英岩和玄武岩，其他特别硬的岩石最硬、最致密、胶

15、结性最大的石英岩和玄武岩，其他特别硬的岩石20很硬岩石很硬岩石很硬的花岗岩类，石英斑岩，很硬的花岗岩、砂质页岩，比上项很硬的花岗岩类，石英斑岩，很硬的花岗岩、砂质页岩，比上项硬度较小的石英岩，最硬的砂岩和石灰岩硬度较小的石英岩，最硬的砂岩和石灰岩15硬岩石硬岩石致密的花岗岩和花岗质岩石，很硬的砂岩和石灰岩，石英矿脉，致密的花岗岩和花岗质岩石，很硬的砂岩和石灰岩，石英矿脉，硬砾岩，很硬为铁矿石硬砾岩，很硬为铁矿石10-a硬岩石硬岩石硬的石灰岩，不硬的花岗岩，硬砂岩，硬大理石，白云岩，硫化矿硬的石灰岩，不硬的花岗岩，硬砂岩，硬大理石，白云岩，硫化矿8相当硬的岩石相当硬的岩石普通砂岩，铁矿石普通砂岩

16、，铁矿石6-a相当硬的岩石相当硬的岩石砂质页岩、片状砂岩砂质页岩、片状砂岩5中硬岩石中硬岩石硬粘土质片岩、不硬的砂岩和石灰岩，软砾岩硬粘土质片岩、不硬的砂岩和石灰岩，软砾岩4-a中硬岩石中硬岩石不硬的各种页岩，致密泥灰岩不硬的各种页岩，致密泥灰岩3相当软的岩石相当软的岩石软页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，冻土，无烟煤，软页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，冻土，无烟煤，普通泥灰岩，破碎砂岩、胶结的砾石和砂砾普通泥灰岩，破碎砂岩、胶结的砾石和砂砾2-a相当软的岩石相当软的岩石碎石土，破碎页岩，结块的碎石，硬烟煤，硬化粘土碎石土，破碎页岩，结块的碎石，硬烟煤，硬化粘土1.5软岩石软岩石粘土

17、粘土(致密的致密的)，软烟煤、硬表土，粘质土壤，软烟煤、硬表土，粘质土壤1.0-a软岩石软岩石软砂质粘土，黄土，砾石软砂质粘土，黄土，砾石0.8土质岩石土质岩石腐植土，泥煤，软砂质粘土，湿砂腐植土，泥煤，软砂质粘土，湿砂0.6松散岩石松散岩石砂，岩屑，填土方，采下的煤砂，岩屑，填土方，采下的煤0.5流砂性岩石流砂性岩石流砂，池沼土，稀软黄士，其它稀粘土流砂，池沼土，稀软黄士，其它稀粘土 2.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征2.2.2 2.2.2 建筑物变形的影响因素建筑物变形的影响因素362.2 建筑物变形规律及影响因素建筑物变形规律及影响因素372.2 建筑物变形规律

18、及影响因素建筑物变形规律及影响因素 建筑物变形的特征建筑物变形的特征： 建筑物的沉降、倾斜、位移、裂缝、挠曲等。建筑物的沉降、倾斜、位移、裂缝、挠曲等。 表示建筑物变形量的常用的指标有表示建筑物变形量的常用的指标有: 移动指标：移动指标：下沉下沉W 、水平移动、水平移动U ； 变形指标：变形指标：倾斜倾斜 i 、曲率、曲率 K、水平变形、水平变形 382.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征一、移动指标一、移动指标（1）下沉）下沉式中，式中，H1为点为点1计算时刻的高程；计算时刻的高程；H01为点为点1初始高初始高程。程。（2）水平移动）水平移动式中，式中，L1为点为点1到控制点到控制点R

19、的计算时刻的长度；的计算时刻的长度；L01为点为点1到控到控制点制点R的初始长度。的初始长度。392.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征1101WHH1101ULL二、变形指标二、变形指标（1）倾斜）倾斜 倾斜为两点的下沉差与变形前两点的水平距离之比。倾斜为两点的下沉差与变形前两点的水平距离之比。402.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征（2）曲率）曲率 地表曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段变形前平均水平地表曲率是两相邻线段的倾斜差与两线段变形前平均水平长度的比值，它反映了观测线断面上的弯曲程度长度的比值，它反映了观测线断面上的弯曲程度. 地表曲率也可以用其倒数，即曲率半径表示：地

20、表曲率也可以用其倒数，即曲率半径表示：412.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征（3）水平变形）水平变形 地表水平变形是由于相邻两点的水平移动量不等而引起的地表水平变形是由于相邻两点的水平移动量不等而引起的线段变形，为线段相邻两点水平移动之差与两点变形前水平线段变形，为线段相邻两点水平移动之差与两点变形前水平距离之比值。沿距离之比值。沿AB边的水平变形为：边的水平变形为： 正值表示拉伸变形，负值表示压缩变形。正值表示拉伸变形，负值表示压缩变形。422.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征 建筑物的变形按其类型可分为建筑物的变形按其类型可分为： 静态变形静态变形：通常是指变形观测的结果

21、只表现在某一通常是指变形观测的结果只表现在某一时期内的变形值，也就是说，它只是时间函数，例如时期内的变形值，也就是说，它只是时间函数，例如建筑物施工结束后随时间的变形；建筑物施工结束后随时间的变形； 动态变形动态变形：是指在外力的影响下而产生的变形，它是指在外力的影响下而产生的变形，它是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的变化，是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的变化，其观测结果是表示建筑物在某个时刻的瞬时变形其观测结果是表示建筑物在某个时刻的瞬时变形. 例如，建筑物施工到不同楼层条件下的变形。例如，建筑物施工到不同楼层条件下的变形。432.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征建筑物

22、的变形按其速度按其速度可分为三种： 长周期变形长周期变形：例如建筑物的阶段性沉陷或阶段性倾斜值 短周期变形短周期变形：日照引起 瞬时变形瞬时变形：风振、地震、机械振动引起442.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征建筑物的变形按其特点按其特点又可分为： 可塑变形可塑变形：指外力解除后，可以恢复的变形，如电视塔、烟囱等高层建筑物受温度影响而产生的变形就是可塑变形； 不可塑变形不可塑变形：在外力解除后，不可恢复的变形，如建筑物的自重使土壤和基础压实，使建筑产生沉陷就属不可塑变形。452.2.1 建筑物变形的特征建筑物变形的特征（1）自然条件及其变化而引起建筑物变形）自然条件及其变化而引起建筑物

23、变形：包括：包括建筑建筑物地基的工程地质条件、水文地质条件、土壤物地基的工程地质条件、水文地质条件、土壤，的物的物理性质、大气温度等理性质、大气温度等。（2）建筑物自身的荷载大小、结构类型、高度及其动）建筑物自身的荷载大小、结构类型、高度及其动荷载（如风力大小、振动强弱）等引起建筑物变形。荷载（如风力大小、振动强弱）等引起建筑物变形。（3）由于建筑物设计、施工或者使用期间一些工作做）由于建筑物设计、施工或者使用期间一些工作做得不合理，或由于周围环境影响而产生的变形。例如得不合理，或由于周围环境影响而产生的变形。例如:在高大建筑物周围进行深基坑开挖，就会对其原有建在高大建筑物周围进行深基坑开挖，

24、就会对其原有建筑物产生影响。筑物产生影响。462.2.2 建筑物变形的建筑物变形的影响因素影响因素2.3.1 2.3.1 大坝变形的特征大坝变形的特征2.3.2 2.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素2.3.3 2.3.3 大坝沉陷的一般规律大坝沉陷的一般规律2.3.4 2.3.4 大坝水平移动规律大坝水平移动规律472.3 大坝变形规律及影响因素大坝变形规律及影响因素482.3 大坝变形规律及影响因素大坝变形规律及影响因素 大坝变形是坝体和基础状态的综合反映，也是判大坝变形是坝体和基础状态的综合反映，也是判别大坝运行时结构是否正常、可靠、安全的重要标别大坝运行时结构是否正常、可靠、

25、安全的重要标志。志。 大坝变形的主要表现形式可归纳为：大坝变形的主要表现形式可归纳为： 大坝整体或局部位置随时间变化而发生位移（包大坝整体或局部位置随时间变化而发生位移（包括水平位移和垂直位移）括水平位移和垂直位移）； 坝体裂缝等影响坝体正常运行的变形形式。坝体裂缝等影响坝体正常运行的变形形式。492.3.1 大坝变形规律的特征大坝变形规律的特征大坝变形过程表现为大坝变形过程表现为两种形式两种形式：（1）由于外界因素对坝体的连续作用，如温度、渗水）由于外界因素对坝体的连续作用，如温度、渗水、库水压力等对坝体的长期作用，使坝体强度降低，产、库水压力等对坝体的长期作用，使坝体强度降低，产生缓慢变形

26、。当坝体强度降低到某一临界值时，即使外生缓慢变形。当坝体强度降低到某一临界值时，即使外界干扰较小，也可引起大坝的全面崩溃。界干扰较小，也可引起大坝的全面崩溃。（2）由于外界干扰因素的突然增大，如暴雨、地震等）由于外界干扰因素的突然增大，如暴雨、地震等突发性强干扰作用，在瞬时超过了坝体临界强度而产生突发性强干扰作用，在瞬时超过了坝体临界强度而产生溃坝。溃坝。502.3.1 大坝变形规律的特征大坝变形规律的特征u 外部变形的影响因素有温度、库水位、时效等。外部变形的影响因素有温度、库水位、时效等。u 水位因子：水位因子：考虑到库水位考虑到库水位 与变形呈抛物线关系，故选择与变形呈抛物线关系，故选择

27、 ， 与与 三个因子作为水位因子。三个因子作为水位因子。u 温度因子：温度因子：选择水库水温因子与气温因子（对未埋设内部观测选择水库水温因子与气温因子（对未埋设内部观测仪器的大坝，这是常用的方法）。考虑到实测资料反映了坝体仪器的大坝，这是常用的方法）。考虑到实测资料反映了坝体变形迟后于温度这一特点，初选变形迟后于温度这一特点，初选T1、T10、T30、T60、T90作为气作为气温因子，它们分别表示观测当天，观测前温因子，它们分别表示观测当天，观测前10、30、60与与90天的天的气温平均值。气温平均值。u 时效因子：时效因子：对于已运行很长时间的大坝（如陆水坝），可简单对于已运行很长时间的大坝

28、（如陆水坝），可简单地认为时效与大坝运行时间成比例，也即直接选时间因子作为地认为时效与大坝运行时间成比例，也即直接选时间因子作为时效因子。时效因子。512.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素)(0HH 20)(HH 30)(HH 大坝是垂直于河道用于挡水和抬高水位并能在上下游之间大坝是垂直于河道用于挡水和抬高水位并能在上下游之间形成比较大的水位差的水工建筑物，因此，各种水荷载是大坝形成比较大的水位差的水工建筑物，因此，各种水荷载是大坝承受的主要荷载。承受的主要荷载。大坝水荷载包括大坝水荷载包括：静水压力、动水压力、渗透静水压力（扬压静水压力、动水压力、渗透静水压力（扬压力）、渗透动水

29、压力、浪压力、冰压力、地震动水压力等力）、渗透动水压力、浪压力、冰压力、地震动水压力等。 （1）静水压力）静水压力 由于在大坝上下游之间形成巨大的水头差，因此大坝上游由于在大坝上下游之间形成巨大的水头差，因此大坝上游坝面承受巨大的向下游方向的静水压力，这是大坝承受的主要坝面承受巨大的向下游方向的静水压力，这是大坝承受的主要水荷载。水荷载。522.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素（2）动水压力）动水压力 动水压力是指由于水流的运动作用于坝身溢流泄水设施（动水压力是指由于水流的运动作用于坝身溢流泄水设施（包括表孔溢流坝、中孔、底孔等）表面的一种水压力。包括表孔溢流坝、中孔、底孔等）表面

30、的一种水压力。 动水压力包括两种动水压力包括两种： 一种为水流对和坝体接触底面的切向拖曳力一种为水流对和坝体接触底面的切向拖曳力； 另一种为由于水流改变方向而对接触底面（如挑流反弧段另一种为由于水流改变方向而对接触底面（如挑流反弧段）的反作用力。）的反作用力。 对高速水流来说，还需要考虑脉动压强。对高速水流来说，还需要考虑脉动压强。532.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素（3）渗透静水压力（扬压力）渗透静水压力（扬压力） 渗透静水压力（或称扬压力）是指渗透静水压力（或称扬压力）是指：由于渗流的作用使坝体由于渗流的作用使坝体坝基材料空隙（包括孔隙与裂隙）中充水而对大坝产生的一种坝基材

31、料空隙（包括孔隙与裂隙）中充水而对大坝产生的一种静水压力。静水压力。 理论上应采用渗流理论对坝体和坝基中的渗流场进行分析计理论上应采用渗流理论对坝体和坝基中的渗流场进行分析计算，得到渗流场的水头分布，进而确定某作用面上的扬压力。算，得到渗流场的水头分布，进而确定某作用面上的扬压力。542.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素)(zHgp（4）渗透动水压力）渗透动水压力 渗透动水压力是指坝体坝基材料空隙中由于渗透水流的流渗透动水压力是指坝体坝基材料空隙中由于渗透水流的流动而作用于空隙壁的与渗透水流方向一致的拖曳力。动而作用于空隙壁的与渗透水流方向一致的拖曳力。 对连续的多孔介质或等效连续

32、的密集裂隙介质而言，渗透对连续的多孔介质或等效连续的密集裂隙介质而言，渗透动水压力宏观表现为渗流体积力。据渗流理论，渗流体积动水压力宏观表现为渗流体积力。据渗流理论，渗流体积力的表达式为力的表达式为: 式中，式中， 和和 分别为渗流体积力矢分别为渗流体积力矢量和水力坡度矢量。量和水力坡度矢量。 对非连续的裂隙网络介质而言，渗透动水压力表现为渗透对非连续的裂隙网络介质而言，渗透动水压力表现为渗透水流对两侧裂隙壁面的切向拖曳力，由流体力学基本方程水流对两侧裂隙壁面的切向拖曳力，由流体力学基本方程可推导出此切向拖曳力的计算公式。可推导出此切向拖曳力的计算公式。552.3.2 大坝变形的影响因素大坝变

33、形的影响因素JgffJ2/gJbt（5）浪压力、冰压力、地震动水压力）浪压力、冰压力、地震动水压力 浪压力浪压力是指水库蓄水后所形成的湖面在风力作用下形成波浪而是指水库蓄水后所形成的湖面在风力作用下形成波浪而对坝面产生的一种附加水压力。对坝面产生的一种附加水压力。 此外，在风的作用下，整个水库水面还会发生变化，在坝前形此外，在风的作用下，整个水库水面还会发生变化，在坝前形成整体水位壅高。成整体水位壅高。 一般来说，浪压力占大坝静水压力的比重很小。一般来说，浪压力占大坝静水压力的比重很小。 工程设计时，一般按深水波考虑，以风速和水库吹程按经验公工程设计时，一般按深水波考虑，以风速和水库吹程按经验

34、公式来计算浪压力。式来计算浪压力。 理论上也可以采用流体力学方法（主要是数值分析方法）得理论上也可以采用流体力学方法（主要是数值分析方法）得到较为准确的浪压力值。到较为准确的浪压力值。562.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素 冰压力冰压力包括静冰压力和动冰压力。包括静冰压力和动冰压力。 通常所说的冰压力是指热胀静冰压力，它与很多因素有关，如气通常所说的冰压力是指热胀静冰压力，它与很多因素有关，如气温上升的快慢、温升开始时的气温、冰层厚度、太阳辐射影响等。温上升的快慢、温升开始时的气温、冰层厚度、太阳辐射影响等。 冰压力的计算一般根据气温资料按经验取值。冰压力的计算一般根据气温资料按

35、经验取值。 比较准确的方法是取整个冰层为研究对象，考虑边界条件、气温比较准确的方法是取整个冰层为研究对象，考虑边界条件、气温资料、太阳辐射、冰层力学和热力学性能指标，采用有限元等数值资料、太阳辐射、冰层力学和热力学性能指标，采用有限元等数值方法按温度应力求解。冰压力对中等高度以上的坝并不重要，但对方法按温度应力求解。冰压力对中等高度以上的坝并不重要，但对低坝可能成为比较重要的荷载。低坝可能成为比较重要的荷载。 如如1899年美国明尼苏达州明尼阿波利斯城的一座年美国明尼苏达州明尼阿波利斯城的一座5.5m高的砌石高的砌石坝因冰压力而破坏；我国坝因冰压力而破坏；我国20世纪世纪30年代在黑龙江省建的

36、一座年代在黑龙江省建的一座6m高高的混凝土坝也被的混凝土坝也被1m厚的冰层所推断。厚的冰层所推断。572.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素 地震动水压力地震动水压力是指地震时由于库水的振动而形成的作用在是指地震时由于库水的振动而形成的作用在坝面上的激荡力。坝面上的激荡力。 目前，对地震动水压力各国规范均规定采用经验公式法或目前，对地震动水压力各国规范均规定采用经验公式法或拟静力法进行简化计算。拟静力法进行简化计算。 比较准确的方法是取库水、大坝、坝基组成的整体为研究比较准确的方法是取库水、大坝、坝基组成的整体为研究对象，采用有限元等数值方法进行动力分析，确定地震动水压对象，采用有限

37、元等数值方法进行动力分析，确定地震动水压力，这样就可以考虑坝体、坝基变形及库水可压缩性等因素的力，这样就可以考虑坝体、坝基变形及库水可压缩性等因素的影响。影响。582.3.2 大坝变形的影响因素大坝变形的影响因素一、土石坝沉陷的一般规律一、土石坝沉陷的一般规律 （1）在施工期，随着坝体填筑高度）在施工期，随着坝体填筑高度的增加，沉陷量沿高程分布大致呈抛的增加，沉陷量沿高程分布大致呈抛物线形状，如图物线形状，如图2-5（a）所示。）所示。 靠近坝基和填筑高程处的沉陷量较靠近坝基和填筑高程处的沉陷量较小，中部的沉陷量较大。小，中部的沉陷量较大。592.3.3 大坝沉陷的一般规律大坝沉陷的一般规律6

38、02.3.3 大坝沉陷的一般规律大坝沉陷的一般规律 （2）竣工后，坝体的沉陷与坝的填筑高度成正比，如图）竣工后，坝体的沉陷与坝的填筑高度成正比，如图2-5（b）所示。沉陷量的变化随着时间的增加而逐渐减缓。）所示。沉陷量的变化随着时间的增加而逐渐减缓。 若荷载不发生变化，经过相当长的时间后，坝体固结到一定程若荷载不发生变化，经过相当长的时间后，坝体固结到一定程度，两次观测沉陷量差值趋近于零，即不再继续沉陷，如图度，两次观测沉陷量差值趋近于零，即不再继续沉陷，如图2-6所所示。示。二、混凝土坝和浆砌石坝沉陷的一般规律二、混凝土坝和浆砌石坝沉陷的一般规律 （1）坝顶的沉陷主要受温度和库水位的影响。一

39、般表现为）坝顶的沉陷主要受温度和库水位的影响。一般表现为高温季节因坝体热胀而上抬，低温季节因坝体冷缩而下沉。高温季节因坝体热胀而上抬，低温季节因坝体冷缩而下沉。 库水位上升时因基础沉陷而引起坝体下沉，还因坝体浸水库水位上升时因基础沉陷而引起坝体下沉，还因坝体浸水降温，减小了热胀而上抬的幅度，故水位上升将使坝顶下沉。降温，减小了热胀而上抬的幅度，故水位上升将使坝顶下沉。 我国南方高温季节往往是汛期，库水位也较高，这时高温我国南方高温季节往往是汛期，库水位也较高，这时高温引起的热胀上抬有可能超过高水位造成的下降，坝顶仍表现为引起的热胀上抬有可能超过高水位造成的下降，坝顶仍表现为向上移动。向上移动。

40、 （2）坝基沉陷主要受水位影响，水位上升时坝基下沉。）坝基沉陷主要受水位影响，水位上升时坝基下沉。612.3.3 大坝沉陷的一般规律大坝沉陷的一般规律 （3）坝基沉陷除随水位作用周期性弹性变化外，也存在时效）坝基沉陷除随水位作用周期性弹性变化外，也存在时效变化。一般向下的沉陷总量逐年增加，但增加速度逐渐变慢。变化。一般向下的沉陷总量逐年增加，但增加速度逐渐变慢。 （4）坝基沉陷和地基性质有很大的关系，地基越软弱、沉陷）坝基沉陷和地基性质有很大的关系，地基越软弱、沉陷量越大。量越大。 水库蓄水后，因库底承受了巨大的水载荷，坝区附近将发生大水库蓄水后，因库底承受了巨大的水载荷，坝区附近将发生大面积

41、的不均匀沉陷，距坝越近、沉陷量越大，越远，沉陷量越小面积的不均匀沉陷，距坝越近、沉陷量越大，越远，沉陷量越小，呈漏斗状。，呈漏斗状。 （5）坝体倾斜主要受温度和水位影响。高温季节向上游倾斜）坝体倾斜主要受温度和水位影响。高温季节向上游倾斜，低温季节向下游倾斜。，低温季节向下游倾斜。 库水位升高，作用于坝体的水平推力增大，坝体向下游倾斜库水位升高，作用于坝体的水平推力增大，坝体向下游倾斜，库水位下降坝体则向上游回复。，库水位下降坝体则向上游回复。622.3.3 大坝沉陷的一般规律大坝沉陷的一般规律一、土石坝水平移动的一般规律一、土石坝水平移动的一般规律 （1）坝体受垂直载荷（包括自重）和坝基约束

42、的作用所产）坝体受垂直载荷（包括自重）和坝基约束的作用所产生的水平移动，其变化规律是坝顶、坝底的移动量较小，而坝生的水平移动，其变化规律是坝顶、坝底的移动量较小，而坝的的1/21/3坝高处的移动量最大，如图坝高处的移动量最大，如图2-7所示。所示。 水平移动随时间的推移而逐渐减缓，即两次观测水平移动水平移动随时间的推移而逐渐减缓，即两次观测水平移动量差值随时间推移而减小。量差值随时间推移而减小。632.3.4 大坝水平移动规律大坝水平移动规律 （2）坝体受渗水作用而产生水平移动，其变形规律是：）坝体受渗水作用而产生水平移动，其变形规律是： 初次蓄水时，由于坝体受渗水作用将向上游移动；在长时间初

43、次蓄水时，由于坝体受渗水作用将向上游移动；在长时间高水位后，坝体将向下游移动，但是当渗水排出后，坝体逐渐高水位后，坝体将向下游移动，但是当渗水排出后，坝体逐渐复原。复原。 （3）坝体受不均匀沉陷的影响，坝体土粒将向沉陷量大的方）坝体受不均匀沉陷的影响，坝体土粒将向沉陷量大的方向移动。向移动。 其变化规律是由坝两端向河谷中心移动（称为纵向移动）。其变化规律是由坝两端向河谷中心移动（称为纵向移动）。642.3.4 大坝水平移动规律大坝水平移动规律二、混凝土坝和浆砌石坝水平移动规律二、混凝土坝和浆砌石坝水平移动规律 （1）水平移动与库水位的升降有显著的关系，库水位升高）水平移动与库水位的升降有显著的

44、关系，库水位升高，作用于坝体的水平推力增大，坝体向下游移动，库水位下降，作用于坝体的水平推力增大，坝体向下游移动，库水位下降坝体则向上游回复。坝体则向上游回复。 （2）水平移动与坝体温度变化状况有关，并具有明显的年）水平移动与坝体温度变化状况有关，并具有明显的年周期性。周期性。 （3）水平移动存在时效变化，即在水位和温度条件基本不）水平移动存在时效变化，即在水位和温度条件基本不变的前提下，位移可能向某一方向不断发展。变的前提下，位移可能向某一方向不断发展。 这种水平移动的时效变化是一种不可逆转的变形，是因混这种水平移动的时效变化是一种不可逆转的变形，是因混凝土体积收缩、徐变和地基变化等原因引起

45、的，一般在加载初凝土体积收缩、徐变和地基变化等原因引起的，一般在加载初期比较明显，以后随时间增加而渐趋稳定。期比较明显，以后随时间增加而渐趋稳定。 652.3.4 大坝水平移动规律大坝水平移动规律2.4.1 2.4.1 地下水开采引起地表变形的因素地下水开采引起地表变形的因素2.4.2 2.4.2 地下水开采引起地表变形的机理地下水开采引起地表变形的机理662.4 抽水引起的地表变形规律及影响因素抽水引起的地表变形规律及影响因素 地下水的过度开采会形成地下水降落漏斗，地表也会产生地下水的过度开采会形成地下水降落漏斗，地表也会产生相应的沉降区域，同时针对不同的地质水文条件和地下水开相应的沉降区域

46、，同时针对不同的地质水文条件和地下水开采的程度，还会形成裂缝或者是塌陷区。采的程度，还会形成裂缝或者是塌陷区。672.4 抽水引起的地表变形规律及影响因素抽水引起的地表变形规律及影响因素682.4 抽水引起的地表变形规律及影响因素抽水引起的地表变形规律及影响因素超采地下水造成严重地面沉陷超采地下水造成严重地面沉陷692.4 抽水引起的地表变形规律及影响因素抽水引起的地表变形规律及影响因素 西安是一个严重缺水的城市，西安是一个严重缺水的城市，由于几个世纪以来对地下水的由于几个世纪以来对地下水的过度开采，古城西安正面临着过度开采，古城西安正面临着危重的沉陷危机，大雁塔也发危重的沉陷危机，大雁塔也发

47、生了严重倾斜。西安采深层地生了严重倾斜。西安采深层地下水最多要采到下水最多要采到100100米到米到300300米米，地下水位最深的下降了，地下水位最深的下降了140140多米。多米。 到到19961996年，大雁塔的年，大雁塔的倾斜达到了历史的最高值倾斜达到了历史的最高值10101010毫米。到毫米。到2020世纪世纪9090年代，年代，西安城区中心一带地面沉降西安城区中心一带地面沉降速率发展到每年速率发展到每年8080到到120120毫米，毫米，地面下沉最多超过地面下沉最多超过2.62.6米。特米。特别是隐藏在地下的地裂缝，别是隐藏在地下的地裂缝，更直接威胁着地面建筑的安全。更直接威胁着地

48、面建筑的安全。702.4.1 地下水开采引起地表变形的因素地下水开采引起地表变形的因素 地面沉降是由于沉积物压实位移引起的地球表面负向形变，地面沉降是由于沉积物压实位移引起的地球表面负向形变，从土层的有效应力原理可知，地下水过量开采是产生地面沉降的从土层的有效应力原理可知，地下水过量开采是产生地面沉降的主要原因。主要原因。 地下地下水水开采沉降主要因素开采沉降主要因素为：为：含水层水位含水层水位变化、变化、地层性质及地层性质及结构结构、地面位置地面位置、时间因素。、时间因素。 （1 1）含水层水位变化的影响）含水层水位变化的影响 地表沉降与地下水位变化相关，随着地下含水层水位降低，地表沉降与地

49、下水位变化相关，随着地下含水层水位降低，地面沉降增大。地面沉降增大。712.4.1 地下水开采引起地表变形的因素地下水开采引起地表变形的因素 图图2-92-9为沧州市区为沧州市区1991-20061991-2006年地面沉降与水位降深关系图（以年地面沉降与水位降深关系图（以19911991年为基准）。年为基准）。 当地下水位降低到一定深度后，随着土体的压密，地面沉降趋当地下水位降低到一定深度后，随着土体的压密，地面沉降趋于稳定。由于地面沉降与地下水位降深直接相关，因此，减小地下于稳定。由于地面沉降与地下水位降深直接相关，因此，减小地下水位降深，可以减少地面沉降。水位降深，可以减少地面沉降。 地

50、下水位变化与含水层补给条件、开采量有关。当开采水量小，地下水位变化与含水层补给条件、开采量有关。当开采水量小，补给水量充分时，地下含水层水位下降速度慢或者不下降，当开采补给水量充分时，地下含水层水位下降速度慢或者不下降，当开采水量大，补给水量不充分时，地下含水层水位下降速度快。因此，水量大，补给水量不充分时，地下含水层水位下降速度快。因此，对于不同补给条件、不同抽水情况下，地面沉降量大小和沉降速率对于不同补给条件、不同抽水情况下，地面沉降量大小和沉降速率不同。不同。722.4.1 地下水开采引起地表变形的因素地下水开采引起地表变形的因素（2 2）地层性质及结构的影响）地层性质及结构的影响 地面

51、沉降与地层性质有关，当地层孔隙多、松软，失水地面沉降与地层性质有关，当地层孔隙多、松软，失水后易压缩，在同等水位降深条件下，地面沉降量大；当地层孔后易压缩，在同等水位降深条件下，地面沉降量大；当地层孔隙少、较坚硬，失水后不易压缩，地面沉降量小。隙少、较坚硬，失水后不易压缩，地面沉降量小。 地面沉降量与地层位置有关，同样的地下水位或相近的开地面沉降量与地层位置有关，同样的地下水位或相近的开采量，开采浅层的含水层比开采深层的含水层对地面沉降的影采量，开采浅层的含水层比开采深层的含水层对地面沉降的影响要大。响要大。 地面沉降量与地层结构有关，硬土层较薄甚至缺失、软土地面沉降量与地层结构有关，硬土层较

52、薄甚至缺失、软土层厚度大的地层结构区沉降量大于硬土层厚度大、软土层较薄层厚度大的地层结构区沉降量大于硬土层厚度大、软土层较薄甚至缺失的地层结构区。甚至缺失的地层结构区。732.4.1 地下水开采引起地表变形的因素地下水开采引起地表变形的因素（3 3）地面位置的影响）地面位置的影响 地下抽水形成降落漏斗，距离抽水井越近，降深越大，地面地下抽水形成降落漏斗，距离抽水井越近，降深越大，地面沉降量越大，距离抽水井越远，降深越小，地面沉降量越小。沉降量越大，距离抽水井越远，降深越小，地面沉降量越小。（4 4）时间的影响。）时间的影响。 在时间上，地面沉降与地下水位降深有着同步或滞后关系。在时间上，地面沉降与地下水位降深有着同步或滞后关系。742.4.2 地下水开采引起地表变形的机理分析地下水开采引起地表变形的机理分析（1 1）地下水开采相关性分析）地下水开