地质学课件：第五章 坝基岩体稳定性的工程地质分析

1、第五章 坝基岩体稳定性的工程地质分析 坝基岩体的压缩变形与承载力 坝基（肩）岩体稳定性分析 坝基岩体抗滑稳定计算参数的选取 降低坝基岩体抗滑稳定性的作用 坝基处理各种坝失事百分率统计概述 水利水电工程建设实践表明，工程地质条件不仅影响到坝址、坝型的选择，而且关系到工程的投资、施工工期、工程效益和工程安全。在大坝发生毁坏的事故中，因地质问题而引起的最多，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重要的。坝基在承受荷载作用下不会发生滑动失稳；坝基各部位的应力及变形值要在学科范围之内，避免产生过大的局部应力集中和严重的不均匀变形；坝基在渗流水的长期作用下，保持力学上

2、和化学上的稳定，渗漏量和渗流压力都应控制在允许范围之内。主要解决问题：通常100m高的混凝土重力坝，传到坝基上的自重压力可达2MPa以上。导致坝基破坏的岩体失稳形式：W第一节 坝基岩体的压缩变形与承载力第一节 坝基岩体的压缩变形与承载力一、坝基岩体的压缩变形 （1）岩性软硬不一，变形模量值相差悬殊，引起较大的不均匀沉陷，导致坝体发生裂缝。如粘土页岩、泥岩、强烈风化的岩石以及松散沉积物、尤其是淤泥、含水量较大的粘性土层，是容易产生较大沉陷变形的岩层。 一、坝基岩体的压缩变形 （2）坝基或两岸岩体中有较大的断层碎带、裂隙密集带、卸荷裂隙带等软弱结构面，尤其是张性裂隙发育带且裂隙面大致垂直于压力方向

3、，易产生较大的沉陷变形。 （3）岩体内存在溶蚀洞穴或掏空现象，产生塌陷而导致不均匀变形。 上述软弱岩层和软弱结构面的产状和分布位置对岩体变形也有显著影响二、坝基岩体承载力容许承载力：在保证建筑物安全稳定的条件下，地基能够承受的最大荷载压力。包括过大沉陷变形引起的破坏，也包括剪切滑移导致破坏。如何确定地基承载力？三种方法:（1）现场荷载实验法。按岩体实际承受工程作用力的的大小和方向进行原位实验。获得岩体弹性模量、变形模量、泊松比指标。复杂、费用高。在大中型工程中采用。（2）经验类比法。根据已建成的工程经验数据、工程特征、地质条件进行比较选取。二、坝基岩体承载力岩体级别 f0（MPa）7.07.0

4、4.04.02.02.00.50.5基岩承载力基本值（f 0） 风化程度岩石 类别全风化强风化中等风化微风化硬质岩石20050050010001000250025004000软质岩石200500500100010001500岩石容许承载力表（KPa）（3）以岩石单轴饱和抗压强度（Rb）乘以折减系数（）求承载力的方法是最广泛应用的简便方法。承载力 f = Rb折减系数选取：微风化 0.20.33； 中等风化 0.170.25.只考虑风化因素,且只有二个档次,不易掌握.岩石名称节理不发育(间距1.0m)节理较发育(间距10.3m)节理发育(间距0.30.1m)节理极发育(间距30MPa)1/7Rb

5、(1/71/10) Rb(1/101/16) Rb(1/161/20) Rb软弱夹层(Rb2.01.31.11.31.11.41.22.01.52.01.01.10.91.10.71.20.81.50.71.00.50.90.70.70.30.80.550.70.30.50.20.70.40.30.050.550.40.30.050.20.02水利水电工程地质勘察规范（1993）中提供的适用于规划、可行研究设计阶段的参考数据表三、抗剪强度指标的经验数据 结构面、软弱层、断层抗剪强度参考表（建议值）类型fC（MPa）节理面0.80.60.250.1层面0.70.50.150.05岩块与岩屑型0.

6、550.450.250.1岩屑夹泥型0.450.350.10.05泥夹岩屑型0.350.250.050.02泥0.250.180.020.01第四节 坝基渗透稳定性与冲刷1、坝区渗漏条件的分析渗漏通道 渗漏通道一般指具有较强透水性的岩土体，可分透水岩层、透水带和透水喀斯特管道。透水层:主要透水层位第四纪的砂层、卵砾石层、胶结不良的砂岩、砾岩层等。透水带：断层破碎带和裂隙密集带。是基岩中主要渗漏通道。喀斯特管道：坝区有可溶性岩体存在时，由于强烈喀斯特发育，在岩体中产生溶洞、暗河及溶隙等相互连通而构成喀斯特管道，可能造成严重的坝区渗漏。 渗漏通道的连通性 第四纪松散沉积地层渗漏通道的连通性主要取决

7、于地层结构特征，与地貌发育情况密切相关。 基岩透水层、透水带基喀斯特管道的 连通性则受岩性、地质构造、地形地貌、覆盖层特征等因素控制，情况比较复杂。2、坝基的渗透稳定性分析渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力。渗透压力达到一定值时，土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运，这种地下水的侵蚀作用称为潜蚀。潜蚀使得岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走，从而引起岩土的结构变松，强度降降低，甚至整体发生破坏。这种工程动力地质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏。 渗透变形的类型管涌：即土体中一部分小颗粒被渗透水流携出，较普遍发生在不均质砂层中（如下页图）。流土：即土体表层某一部分土粒在

8、垂直土层的渗透水流作用下全部浮动和流走。常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中。接触流土：即渗透水流近于垂直土层运动，当由颗粒粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时，细粒土被水流带入粗粒土中。接触冲刷：渗透水流方向与土层平行，细粒土与粗粒土接触面上的土粒受粗粒土中流速较大的水流所冲刷并被它带走。管涌破坏示意图（a）斜坡条件时 （b）地基条件时1-管涌堆积颗粒； 2-地下水位； 3-管涌通道； 4-渗流方向 流入： 流出： 渗透压力：单位土层浮容重：动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力 水流由下往上渗透时一旦当动水压力与土体的水下重量相等时，土体将处于悬浮状态而发生流土。 渗透变形的水动力

9、条件 地下水在松散土体中渗流时，土颗粒在水头差作用下承受了来自水流的渗透力即动水压力。-太沙基公式 即:土粒的密度愈大，孔隙率愈小，则临界水力梯度愈大，也即土体愈 不易发生渗透变形（流土）。若砂土粒密度s 2.65，n5030，则： 若dpdq： 即：临界水力梯度Icr太沙基公式 未考虑土体本身的抗剪强度，所以实测的各种土的临界梯度往往较上述公式计算结果相差很大。所以有必要进一步分析土的结构特性。管涌的Icr的求取较为复杂，通过试验测定。 土体性质与渗透变形 土体抗渗强度取决于其本身的结构,制约渗透变形发生的土体结构特性,包括土中粗细颗粒直径比例,细粒物质的含量和土的级配特征,颗粒形状及排列方

10、式等因素。粗细粒径比例 1 .粗细颗粒直径比例细粒从空隙中流动最优比例：d0/d = 8d0 ：孔隙直径d：细颗粒直径D：粗颗粒直径天然无粘性土 n=0.395 D/ d0 =2.5D/d = 20 有利于管涌 土体的排列方式决定着D / d0 的值： 当排列疏松时， D / d0 减小， 有利于渗透变形 当排列密实时， D / d0 增大， 不利于渗透变形 细颗粒含量 只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才能形成直径较大的孔隙，易于产生潜蚀。如细颗粒达到一定含量致使颗粒间不能相互接触，不能由它构成骨架，则孔隙大小取决于细颗粒，则比较难以潜蚀。 实验资料证实：当细粒含量达20%-30%时，产生渗透变

11、形所需的水力梯度值急剧增大；用细颗粒含量来判别双峰型砾土的渗透变形型式：35% 流土25% 管涌=25%35% 流土或管涌，取决于砾土的密实度及细颗粒的组成 中等以上密实度、不均匀系数较小的细粒土，发生流土； 细颗粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗渗强度增加，不易发生渗透变形。土的级配特征 土的级配特征可用土的不均粒系数Cu表示(Cu =d60/d10) Cu值愈大，说明土愈不均匀，级配愈好。 Cu20-潜蚀 Cu 在10-20之间-两种均可能发生 研究临界水力梯度与不均粒系数之间的关系表明：砂土的Cu值愈小(土粒愈均匀)则Icr值愈大，即产生流土的临界水力梯度较潜蚀的要大。压密固

12、结程度 经过压密固结的土不仅孔隙度有所降低，粒间嵌合力也有所增强，必然要经过渗流力浮动以后才能悬浮。其临界梯度和允许梯度显著高于颗粒成分相近但未经固结的土。粘粒含量 粘粒含量增多增加土的内聚力，增加土的抗潜蚀能力。渗流出口条件 对于由渗流出口朔源发展的潜蚀 管涌型渗透变形，渗流出口有无适当保护，对渗透变形的产生和发展具有重要的意义。 地层组合关系：单一型：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）石层，一般发生管涌，随着细粒成分的增多，可能流土。双层型：主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完整程度多层型：除考虑表层粘性土层外，还考虑砂层透镜体或粘性土层透镜体或相变等造成水力梯度的突变等原因工程因素施工等破

13、坏了表层具有防渗作用的弱透水层。地形地貌条件沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等3 渗透变形的防治措施 渗透变形的防治，通常采用三方面的措施： 改变渗流的动力条件；保护渗流出口；改善土石性质。 (1)建筑物基坑:人工降低潜水位板桩防护墙 土石坝防治渗透变形的措施 垂直截渗：粘土截水槽、灌浆帷幕、混凝土防渗墙等 。 排水减压 在坝后的坝脚附近设置排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和减小溢出段的实际水力梯度。 水平铺盖反滤盖重 反滤层是保护渗流出口的有效措施，它既可以保证排水通畅，降低溢出梯度，又起到盖重的作用。 1、冲刷坑从坝、闸或溢洪道溢流宣泄下来的水流具有很大的能量，对下游河

14、床常发生严重的冲刷作用，尤其是采用挑流消能形式时，将在坝（闸）下游的河床中形成冲刷坑。形成临空面。四 坝下游河床冲刷作用LHhd 挑流示意图四、坝下游河床冲刷作用LHhd图5-24 挑流示意图2、冲刷坑是否会危及大坝的安全？一般采用挑射距离（L）与冲刷坑的位置（d）的比值来估计。岩层倾角较陡的基岩： L/d2.5，安全；岩层倾角较缓的岩层： L/d5.0，安全。四、坝下游河床冲刷作用3、河床岩石冲刷破坏机理 由于挑射水流在岩石裂缝间产生脉动压力，使裂缝张开，岩块松动，直到岩块被水冲走。 （1）地质方面： 岩块的大小、重度、几何形状、相互位置以及岩块间充填物的性质有关。岩块的磨损和破坏又取决于岩

15、石的性质和强度。（2）水力方面： 挑流形式、单宽流量、入水流速和水垫厚度等。四、坝下游河床冲刷作用4、地质条件对冲刷坑的影响，归纳为下列三方面（1）断裂破碎带往往控制着局部最大冲坑位置、形状和范围。（2）缓倾的软弱结构面及软弱夹层较陡倾者，易于形成较深的冲坑。当岩层倾向下游时，更易使冲坑上游侧坍破坏，并溯流向坝址发展，危及坝基稳定。当岩层倾向上游，或倾角较陡时，一般冲刷坑较轻。（3）节理裂隙的密度愈大，岩块体积愈小，愈易形成较深的冲坑。（4）岩石的性质和分化程度对坝其岩体的稳定性也有显著的影响。四、坝下游河床冲刷作用5、冲刷坑深度的确定 水工模型试验 经验公式估算： d=q0.5H0.25-h

16、为冲坑系数，坚硬完整岩石0.91.2，软弱破碎、裂隙发育岩石1.52.0；q为单宽流量（m3/sm）；H上下游水位差；H下游水深。LHhd图5-24 挑流示意图第五节 坝基处理一、清基定义：将坝基表面的松散软弱、风化破碎及浅部的软弱夹层等不良的岩层开挖清除掉，使坝体放在比较新鲜完整的岩体上。1.大坝地基开挖深度，是设计和施工中的一个重要问题费用问题，工期问题，基坑排水问题，基坑边坡稳定，地应力问题。2.以风化程度或岩体质量级别为依据来确定坝基开挖深度。一般情况下，高坝建在坚硬岩石的微风化或弱风化带下部，经过论证和处理，也可部分建在弱风化带的中部。中坝建在弱风化带中部或部分建在上部。两岸地形较高

17、部位可适当放宽。一、清基3.中、高坝最低要求为: 岩块饱和抗压强度Rb30MPa； 声波纵波速Vp3000m/s； 变形模量E0 5000MPa。 低坝和中坝最低要求为: 抗压强度Rb15MPa； 声波纵波速Vp2000m/s； 变形模量E0 2000MPa。4.土坝的清基，要求低。5.对于风化速度较快的岩层，预留保护层或采取保护措施。二、坝基加固措施（一）固结灌浆 通过在基岩中钻孔，将适宜的具有胶结性的浆液（大多为水泥浆）压入到岩基的裂隙或孔隙中，使破碎岩体胶结成整体以增加基岩强度。 灌浆孔一般布置成梅花型，孔距1.53.0m。孔深度58m，最大深度15m。二、坝基加固措施（二）锚固 当地基

18、岩石中发育有控制岩体的滑移面的软弱面时，为增加岩体的抗滑稳定性，可采用预应力锚杆(或钢缆)进行加固处理。 预应力钢筋或钢缆锚固 大口径钢筋混凝土管柱锚固 坚固岩层夹层建筑物底板锚固段 锚固结构二、坝基加固措施（三）槽、井、洞挖回填混凝土 当坝基下有规模较大的软弱破碎带时，如断层破碎带、软弱夹层、泥化夹层、泥化层等。1、高倾角软弱破碎带的处理混凝土土塞是将软弱夹层带挖除到一定深度后回填混凝土，以提高地基的强度。开挖深度可取宽度1.01.5倍软弱夹层破碎带岩性疏松软弱，强度低且宽度较大时，可采用梁或拱的形式跨过。再配合灌浆、水平防渗等处理措施。破碎带混凝土塞 坝基处理混凝土拱破碎带坝体二、坝基加固

19、措施2、缓倾斜软弱破碎带的处理埋藏浅时，全部挖掉，回填混凝土。部分挖除。每隔一定距离挖一个平洞，洞的顶部和底部均嵌入坚固完整的岩层中，然后回填混凝土，形成混凝土键。大坝夹层混凝土键 缓倾斜软弱破碎带的处理 三、防渗和排水处理 一般原则，在大坝迎水面或其上游部位设置防渗措施，如灌浆帷幕，尽量降低坝基的渗透水流。而在迎水面下游的坝基部分则设置排水措施，如排水井、孔等，以便降低渗透压力。三、防渗和排水处理1、帷幕灌浆在大坝上游地基中，布置12排钻孔，以一定压力将水泥压入基岩的裂缝或断层破碎带。形成不透水帷幕。帷幕的深度，到不透水层。不透水层很深，到隔水层35米。高坝可设两排钻孔，中低坝一排钻孔。孔距

20、1.54.0米.2、排水措施在帷幕下游坝基中设排水孔，23排，并设排水管道、廊道或集中井，将水排出坝体以外。浆液扩散范围灌浆廊道 帷幕灌浆钻孔排水孔及廊道 防渗帷幕示意图第六节 各种坝型对地质地形条件的要求 1、土石坝对地质地形条件的要求 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、

21、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。 土石坝适应于各类地形条件 高山深谷地形：河谷窄，山坡陡峻，山脊高，坝轴线短，如把土石坝布置在顺直河段，则引水洞、泄洪洞要拐弯，洞线长，溢洪道开挖边坡高，工程量大，而且溢洪道紧接土石坝，施工干扰大。应选择弯曲河段，把坝布置在弯道上，则凸岸布置引水洞、泄洪洞、溢洪道，可大大缩短长度，减少工程量；但如凸岸山梁单薄，便应对山梁的边坡稳定、渗透稳定、挡水后的抗滑稳定作计算论证。 丘陵地形：河谷宽，山坡平缓，枢纽布置条件好，建筑物可在坝的两端布置互不干扰，布置溢洪道最好利用有垭口的地形。平原地形，一般河道顺直，无弯道可利用，常采用河岸式布置。2、重力坝对地质地形条件的要求 重力坝是由