坝基稳定性的工程地质研究

会计学1坝基稳定性的工程地质研究第1节、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。第1页/共69页各种坝失事百分率统计原因重力坝拱坝支墩坝土石坝原因百分率(%)地质412101036水文1231521施工113510运行11147水库124310材料229316坝型百分率(%)10203040100第2页/共69页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：第3页/共69页第2节、各种坝型对地质、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。重力坝主要依靠坝体自身重量在滑动面上产生的抗滑力来抵消坝前水压力以满足稳定的要求。拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。支墩坝是由向上游倾斜的挡水盖板和支撑盖板的多个支墩组成的，水压力由盖板经支墩传给地基。第4页/共69页1.土石坝对地质、地形条件的要求

土石坝是由散体材料经碾压填筑而成，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，坝体是柔性的，允许产生较大的变形。故它对坝基工程地质地形条件的要求较低，在土质地基和岩石地基上均可兴建。但是，对下列地质情况需特别注意研究和处理：岩石地基：强烈喀斯特岩体、大的断层破碎带、强透水和抗剪强度低的软弱夹层、泥化夹层的岩体、基岩起伏太大的岩体。土质地基：(1)深厚砂砾石层；(2)软土；(3)湿陷性黄土；(4)疏松砂土及少粘性土(粘粒含量小于15％)；(5)岩溶，即含大量可溶岩类土；(6)透水坝基下游坝趾处有连续的透水性较差的覆盖层。第5页/共69页土石坝适用于各种地形条件，在布设的时候应注意下列原则：

(1)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式溢洪道、溢洪洞的地形地质条件。

(2)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运输的粘土、砂砾石或堆石料。小浪底水库大坝高154米，总填筑量5185万立方米，是我国迄今为止最大的土石坝。第6页/共69页2.重力坝对地质、地形条件的要求

重力坝是依靠坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保持其稳定，故对地基要求比土石坝高，一般都修在岩基上，低坝也要修在较好的土质地基上。

1）具有足够的抗滑能力，能满足抗滑稳定要求。

2）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，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。

3）坝基(肩)应有良好的抗渗性，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，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。第7页/共69页

4）重力坝对地形适应性好，但两岸山坡岩体必须稳定，没有难以处理的滑坡体和潜在的不稳定的滑移体。

5）重力坝可以从坝顶宣泄大量洪水，下游河床岩体应具有对高速水流的抗冲能力，以免冲刷坑向上游扩展，威胁大坝安全。

6）坝区附近应有足够的、合乎要求的混凝土骨料或石料。三峡大坝第8页/共69页3.拱坝对地质、地形条件的要求

拱坝的外荷载主要是通过拱的作用传递到坝端两岸，所以拱坝的稳定性主要是依靠坝端两岸岩体维持。与重力坝比较，拱坝对两岸岩体的要求较高，要求两岸拱座岩体具有抗滑稳定、变形稳定和渗透稳定。两端拱座岩体应该坚硬、新鲜、完整，强度高而均匀，透水性小，耐风化、无较大断层，特别是顺河向断层、破碎带和软弱夹层等不利结构面和结构体，拱座山体厚实稳定，不致因变形或滑动而使坝体失稳。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。第9页/共69页

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“V”字形河谷，其次是“U”形和梯形。河谷的宽高比值在1.5-2比较理想，最好不超过3.5。二滩双曲拱坝电站地点：四川攀枝花所在河流：雅砻江所在水系：长江水系

主要坝型：混凝土拱坝

坝高：240米第10页/共69页

4.支墩坝对地质地形条件的要求

支墩坝是由向上游倾斜的挡水盖板和支撑盖板的多个支墩组成的。水压力由盖板经支墩传给地基。与重力坝相比，它的体积比重力坝要小很多，坝对地基的荷载要低于同等高度的重力坝，对地质条件的适应性较强，其对地质地形条件的要求同重力坝，但需注意防止相邻支墩产生较大的不均匀沉降。平板坝连拱坝大头坝第11页/共69页坝基岩体抗滑稳定性是指坝基岩体在筑坝后的各种工程荷载作用下，抵抗发生剪切破坏的性能。不同坝型对坝体和地基接触面或地基岩体中是否可能产生滑动的要求是不相同的。坝基抗滑稳定问题是重力坝设计和重力坝工程地质勘查研究的主要课题。其它坝型也考虑坝体的滑动问题，但其重要性不如重力坝突出。对于重力坝而言，很少有由于坝身受到剪切破坏的坝，但是多数坝基岩体中总是存在着风化岩体。软弱夹层、断层裂隙、地下水等不利地质条件，在不利条件组合下造成坝基滑动，使大坝遭受破坏。第3节、坝基（肩）岩体的抗滑稳定性1.坝基滑动破坏类型第12页/共69页重力坝滑动失稳模式表层滑动浅层滑动深层滑动混合滑动我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。第13页/共69页ABCDEFGH坝基岩体的深层滑动，其形成条件是较复杂的，除去需要形成连续的滑动面以外，还必须有其他软弱面在周围切割，才能形成最危险的滑动岩体。同时在下游具有可以滑出的空间，才能形成滑动破坏。滑动面切割面临空面重力坝滑动失稳的边界条件2.坝基岩体滑动边界条件分析第14页/共69页坝基滑移体形状示意图坝体滑移体滑移体楔形体锥形体棱柱体方块体第15页/共69页坝基岩体常见的滑动边界条件1）平缓层状岩体：岩层倾角在30°以下，岩体内部结构面不甚发育，断层一般规模较小，构造结构面以产状陡立的X形扭裂为主，其走向与岩层斜交。有时亦发育张性断裂，它们与岩层走向平行或垂直。其滑移边界条件为：层状倾角平缓，破裂构造陡立切割，共同组成楔形体，方块体等形态，平放坝基之下。在这类岩体中，层面、层间错动面、软弱夹层、泥化夹层易于构成滑动面，特别是岩性不均一的砂页岩、灰岩夹页岩地层中滑动问题较多。切割面一般由X形扭断裂组成。如岩基出现楔形体，无论刃口指河上游或下游，都存在岩体深层滑动问题。当层面特别发育，岩层薄，产状十分平缓或在岩性软弱、风化、破碎的情况下，则有浅层滑动可能。只有当不具备深层滑动条件，而且掩体坚硬，曾黎和节理较不发育的情况下，坝体与地基接触面才可能成为主要的滑动控制面。第16页/共69页第17页/共69页2）倾斜层状岩体：岩层倾角在30º~60º范围内，岩层受到一定的构造变动，各种力学成因的构造结构面均可能出现。它们组合的结构体呈棱柱形或楔形，往往嵌入地基深处，所以其稳定调教相对良好。这类地区较多坝基的抗滑稳定是由混凝土与基岩接触面所控制。但此类岩体中断裂往往相当发育，故应对浅层滑动的可能性予以充分注意。若岩体中反倾向压性断裂有时产状比较平缓，当期性质软弱破碎、延续较长时，可能起滑动面作用。兼起纵向切割面作用，构成平放在坝基之下的三角柱体或尖锥体；在斜谷情况下，也需注意反倾向断裂与层间软弱结构面的配合对局部地段的危害。第18页/共69页第19页/共69页3）陡倾斜或倒转层状岩体：岩层倾角大于60º或形成倒转，由于构造变动剧烈，断裂发育，常见宽度较大的断层破碎带，因而造成坝基局部地段浅层滑动问题。由于反倾向断裂倾角较为平缓，深部划一问题较倾斜岩层的多，但延续性差，出现机会较少，稳定条件较平缓层状岩体为好，这类岩体中，层面和层间软弱结构面一般不能起滑移控制面作用。4）块状岩体：混凝土与基岩接触面强度控制坝基的抗滑稳定性第20页/共69页3.影响坝基抗滑稳定性的因素建于岩体上的混凝土坝的抗滑稳定性，受到工程作用力和坝基岩体工程地质条件制约。作用于坝体上的作用力主要有：1）坝体自重；2）水压力；3）扬压力；4）淤沙压力；5）地震力；6）波浪压力和冰压力。第21页/共69页滑动面的阻滑作用侧(纵)向切割面的阻滑作用尾岩抗力体的阻滑作用岩基抗滑力主要考虑下属因素：第22页/共69页4.坝基岩体抗滑稳定计算岩基岩体抗滑稳定计算方法有：1）极限平衡法；

2）有限单元法；

3）地质力学模型试验法；抗滑稳定计算基本公式：

上式适用于计算大中型工程坝体沿基岩接触面的抗滑稳定性。当判定具备浅层滑动条件时，略去岩体自重，将滑动面简化成一个水平面，仍可按此式计算，但注意选用可能滑动面处抗剪断强度参数。第23页/共69页表层滑移和浅层滑移抗滑稳定性计算H1ΔHH2ΣHu1u2ΣG第24页/共69页H深层滑动抗滑稳定计算单滑动面倾向下游，下游有陡立临空面时ααα第25页/共69页H深层滑动抗滑稳定计算单滑动面倾向上游时ΣH第26页/共69页深层滑动抗滑稳定计算双滑动面或仅有倾向下游的滑动面，下游无陡立临空面时剩余推力法：第27页/共69页被动抗力法等稳定法第28页/共69页5.拱坝坝肩岩体稳定分析

拱坝或薄拱坝，将坝体所受荷载的大部分经拱端传至两岸岩体，少部分传至河床坝基。故坝肩岩体的稳定是坝体稳定的关键。当坝肩下游支撑拱座的岩体不是风化破碎或单薄岩体时，坝肩岩体失稳破坏形式，主要是沿软弱结构面向下游河床方向滑动问题。肩座岸坡是一个天然陡倾角的滑移临空面；软弱结构面或软弱夹层只要倾向河流方向，在较大的倾角范围里都会造成可能移动的滑移面；岸坡岩体一般风化破碎，强度较低；岸坡处往往有卸荷裂隙或岸边剪切裂隙，原有构造裂隙也易发展扩大，构成侧向切割面；岸坡岩体由于临空面的影响，岩体滑移往往具有三维特征，且一般呈深层滑移的特点。特别应注意，岸坡可构成横向临空面的地形条件，对肩座滑移稳定性具有重要意义，如拱坝肩座下游附近地形上的冲沟、突出而单薄的地形、河流急转弯地段等。第29页/共69页对拱坝不利的地形地质条件第30页/共69页在坝基抗滑稳定计算中，摩擦系数(f)和粘聚力(c)值的大小对稳定影响很大，如果选取的数值偏大，对坝基稳定性没有保证，反之，则偏于保守，造成浪费。抗滑稳定计算中f、c值的选定摩擦系数（f）提高0.1，则工程量可节省10~20%。6.坝基岩体抗剪（断）强度指标的选取对于大中型水电工程，摩擦系数(f)和粘聚力(c)值原则上以原位抗剪（断）试验或室内中型抗剪（断）试验的成果为主要依据，当夹泥的厚度较大时，可据室内研究资料为依据。混凝土坝对试验成果的取值标准，可按下述原则进行。

f、c值的选定原则第31页/共69页坝基底面与基岩、坝基下基岩岩体之间的抗剪（断）强度指标，可按下述原则考虑：当试件呈脆性破坏时，抗剪（断）强度以峰值强度的小值平均值。当岩体破碎呈塑性破坏时，取屈服强度。岩体中结构面的抗剪（断）强度，可按下述原则考虑：当结构面试件呈剪断破坏时，以峰值强度的小值平均值。当试件呈剪切（摩擦）破坏时，取比例极限强度。软弱夹层、断层破碎带的抗剪（断）强度指标，可按下述原则考虑：当试件呈塑性破坏时，取屈服强度或流变强度；当粘粒含量大于30%时，并以蒙脱石为主取流变强度。第32页/共69页应力加权法面积加权法坝基岩性不均时摩擦系数(f)和粘聚力(c)值的选定多种岩层组成的坝基剖面图fn第33页/共69页第4节、坝基岩体质量分类目的：客观地反映岩体本身的工程地质特性，对岩体质量的好坏统一标准和认识，根据分类指导岩体力学试验，提供力学参数和配合进行坝基岩体稳定性分析，确定坝基岩体可利用岩面和坝基开挖深度，以及研究坝基处理措施，提高工程地质平价水平。原则：1）宏观综合性；

2）准确性和客观性；

3）简便适用性；

4）针对性第34页/共69页坝基岩体工程地质分类（据《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-1999）第35页/共69页第5节、坝区渗漏与渗透稳定性水库蓄水以后由于坝上、下游有一定的水位差，使库水在一定的水头压力下通过坝区透水岩土体向下游渗漏，依其产生部位的不同，可以分为坝基渗漏和绕坝（肩）渗漏。第36页/共69页坝基渗漏绕坝渗漏向邻谷渗漏河湾间渗漏第37页/共69页透水层：主要透水层为第四纪砂层、卵砾石层、胶结不良的砂岩、砾岩层、具有气孔构造并裂隙发育的玄武岩、流纹岩等。透水带：主要是断层破碎带和裂隙密集带。喀斯特管道：岩体中溶洞、暗河及溶隙等相互连通构成。渗漏通道1.坝区渗漏条件的分析第38页/共69页渗漏通道的连通性第四系松散沉积地层渗漏通道的连通性主要决定于地层结构特征，而这又与地貌发育情况密切有关。基岩透水层、透水带及喀斯特管道的连通性则受岩性、地质构造、地形地貌、覆盖特征等因素控制，情况比较复杂。第39页/共69页坝区渗漏量的计算坝基渗漏量的计算绕坝渗漏量的计算单层结构的均匀透水坝基双层结构透水坝基多层结构透水坝基2.坝区渗漏量的计算第40页/共69页单层结构的均匀透水坝基当含水层厚度小于或等于坝底宽时，可用卡明斯基公式计算坝基单宽渗漏量。第41页/共69页单层结构的均匀透水坝基当含水层厚度远大于坝底宽时，用巴甫若夫斯基公式计算坝基单宽渗漏量。qr为引用流量，即K=1、H=1时单位宽度的渗流量，其值取决于坝底轮廓形状和透水层厚度。qrT/2bqr~T/2b关系曲线第42页/共69页双层结构透水坝基上部为强透水层，下部为弱透水层时，可用卡明斯基公式计算坝基单宽渗漏量。第43页/共69页多层结构透水坝基水平向渗透系数垂直向渗透系数单宽渗流量平均渗透系数Ker坝底实际宽度2b换算为计算宽度剖面各向异性率第44页/共69页绕坝渗漏量的计算绕坝渗漏带的宽度潜水时：承压水时：H1H2xyl第45页/共69页确定绕坝渗漏带的宽度后，求出每一岸的绕坝渗漏量潜水承压水M为承压含水层厚度；r0为坝接头处绕渗流线的圆半径当绕坝渗漏带的宽度不易确定时，可粗略估计的绕坝渗漏量。潜水：Q≈KH（H1+H2)承压水：Q≈2KMH第46页/共69页潜水承压水若坝肩上下游地形切割比较复杂。岸线曲折，含水层底板单向倾斜时，绕坝渗漏如何计算？先把渗流带按渗流条件划分若干流带，逐一计算每一渗流带的渗流量(ΔQ)，将其汇总即为该岸的绕坝渗流量第47页/共69页渗透变形岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。接触流失管涌流土接触冲刷3.坝基的渗透稳定性分析第48页/共69页管涌：土体中的细颗粒（填料颗粒）或可溶成分由于渗流作用而在粗颗粒（骨架颗粒）间的孔隙通道内移动或被带走的现象。流土：在上升的渗流作用下，局部粘性土和其他细粒土体（多为均匀的粉细砂层）表面隆起、顶穿或不均匀的砂土层中所有颗粒群同时浮动而流失的现象。接触冲刷：当渗透水流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的接触流动时，沿接触面带走细颗粒的现象。接触流失：当渗透水流垂直于渗透系数相差悬殊的土层流动时，将渗透系数小的土层中的细颗粒带进渗透系数大的粗粒土的孔隙的现象。第49页/共69页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。水动力条件渗透变形产生的条件临界水利坡降：土的颗粒成分和结构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。

Cu<10------流土

Cu>20-----潜蚀

Cu

在10-20之间-----两种均可能发生

第50页/共69页第6节、坝基处理开挖清基岩土体的加固防渗和排水改变建筑物结构形式基础经处理后应符合下列要求：具有足够的强度，以承受坝体的压力；具有足够的整体性和均匀性，以满足坝体抗滑稳定和减小不均匀沉陷；具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定，控制渗流量，降低渗透压力；具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。处理措施第51页/共69页开挖清基就是将地基表部的松散、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。我国现行重力坝设计规范要求，凡100m以上的高坝需建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上；100～50m的坝可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化层中部或上部基岩上。开挖清基坝基开挖形状第52页/共69页固结灌浆锚固岩土体的加固陡倾角软弱带的处理缓倾角软弱带的处理混凝土塞混凝土拱混凝土梁混凝土垫层抗渗（滑、沉）混凝土塞（键）齿墙大直径钢筋混凝土桩断层破碎带和软弱夹层的处理第53页/共69页固结灌浆的目的：提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。固结灌浆固结灌浆是通过在基岩中的钻孔，将适宜的具有胶结性的浆液（大多为水泥将）压入到基岩的裂隙或孔隙中，使破碎的岩体胶结成整体以增加基岩的强度。第54页/共69页锚固锚固结构示意图当地基岩体中发育有控制岩体滑移的软弱结构面时，为增强岩体的抗滑稳定性，可采取预应力锚杆进行加固处理。其方法是，先用钻孔穿过软弱结构面，深入坚硬完整的岩体，然后插入预应力钢筋或钢缆，再用水泥砂浆灌入孔内封闭。第55页/共69页陡倾角软弱带的处理坝基范围内单独出露的断层破碎带，其组成物质主要为坚硬构造岩，对基础的强度和压缩变形影响不大时，可将断层破碎带及其两侧风化岩体适当挖除。断层破碎带规模不大，但其组成物质以软弱的构造岩为主且对基础的强度和压缩变形有一定影响时，可用混凝土塞加固，塞深可采用1.0~1.5倍断层破碎带的宽度或根据计算确定。贯穿坝基上、下游的纵向断层破碎带的处理，宜在上下游坝基外适当扩挖。断层破碎带的规模较大，或为断层交汇带，影响范围较广，且其组成物质主要是软弱构造岩，并对基础的强度和压缩变形有较大的影响时，必须进行专门的处理设计。第56页/共69页混凝土塞：沿破碎带开挖一定深度的倒梯形槽，将其中破碎物及两侧破碎岩石清除，然后回填混凝土，其作用是使坝体荷载经混凝土塞传到两盘新鲜完整基岩上。顺河流方向的断层破碎带1一混凝土塞2一破碎带3－平洞回填4－加固斜塞5－阻水斜塞6－坝体第57页/共69页当缓倾角软弱破碎带埋藏较深时，处理原则为：提高软弱结构面抗剪能力；增加尾岩抗力；提高软弱结构面抗剪能力与增加尾岩抗力相结合。应根据软弱结构面产状、埋深、特性及其对坝体影响程度，结合工程规模、施工条件和工程进度，进行综合分析比较后选定。缓倾角软弱带的处理当缓倾角软弱破碎带埋藏较浅时，可全部挖除，回填混凝土第58页/共69页防渗和排水措施防渗帷幕防渗墙与铺盖坝