第10章 坝工程地质研究new

第十章坝的工程地质研究第一节水工建筑物的工程地质条件和工程地质问题第二节坝区的渗漏第三节坝基的渗透变形第四节坝基（肩）的抗滑稳定第五节坝基的沉降与承载力第六节坝基处理英古里双曲拱坝

坝高272m，坝底厚度86m，厚高比为0.33二滩

二滩水电站位于四川省、雅砻江干流下游河段上，距攀枝花市约40km。大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高240m，水库总库容58亿立方米，水电站装机容量330万kW，多年平均发电量170亿kW·h。1991年9月开工，1998年7月第一台机组发电，2000年完工。

小湾水电站小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段与支流黑惠江交汇后下游1.5km处，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级。装机容量420万kW，年保证发电量190亿千瓦时，电站静态总投资223.31亿元。2010年8月6台机组全部投产。最大坝高292m。溪洛渡

溪洛渡水电站位于四川省雷波与云南永善的金沙江界河上，拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高278米，电站装机容量1260万kW。电站2003年开始筹建，2005年开工，2014年第一台机组投产，2017年竣工。

锦屏一级锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站装机容量360万。大坝为混凝土双曲拱坝，坝高305米，为世界第一高拱坝。2005年11月12日正式开工，2006年12月4日截流，2009年10月23日开始大坝浇筑，主体工程建设已全面展开。

VaiontDamVaiontDamVaiontDamVaiontDam意大利瓦依昂（ＶＡＩＯＮＴ）水库大坝坝高２67米，为当时世界上最高的拱型大坝。大坝于１９６０年完工。蓄水后山体位移，水库水位上升，山体就向下运动；随着水位上升速度的加快，山体就向下运动的速度也加快。１９６３年夏季降雨特别多，水库的水位在八月分上升到以往未曾到达高度，山体下滑运度加快，虽然采取紧急措施放水，终于未能阻止山体滑入水库。这个滑坡的力量如此巨大，以致西欧和中欧的所有的地震站都记录了这次震动。岩石滑入水中，激起2００多米高的水浪，越过大坝冲向下游，巨浪卷走了ＬＯＮＧＡＲＯＮＥ城的几乎所有的居民工程地质条件——与工程有关的地质条件之综合。包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、物理地质现象、地质物理环境、天然建筑材料等七方面的内容。一、工程地质条件（一）地形地貌条件虎跳峡(最大落差3900多米)地表外貌各种形态的总称。（二）地层岩性地质体的地层时代及岩土体性质。（三）地质构造褶皱、断裂及岩土体结构宁夏贺兰山汝其沟三叠系砂岩中背斜（四）水文地质条件地下水类型含水层与隔水层的埋藏深度、厚度、组合关系、空间分布规律岩土层的水理性质（容水性、给水性、透水性等）地下水的运动特征（流向、流速、流量等）地下水的动态特征（水位、水温、水质随时间的变化规律）地下水的水质（水的物理、化学性质、水质评价标准等）（五）物理地质现象风化、滑坡、泥石流、岩溶等物理地质作用。意大利瓦依昂坝(高262m)1963年10月9日，库岸3亿立方米的岩体高速下滑，冲入水库，将5000万立方米的水体挤出，毁灭了一座城市和几个村镇，死亡约3000人，成为世界上最大的滑坡事件之一。（六）地质物理环境地温、地应力等环境因素（七）天然建筑材料产地距离开采条件质量数量二、不同坝型对地形、地质的要求土石坝优点（1）就地取材，节省钢材﹑水泥﹑木材等重要建筑材料，同时减少了筑坝土石坝工地材料的远途运输。（2）结构简单，便于维修和加高﹑扩建。（3）坝身是土石散粒体结构，有适应变形的良好性能，因此对地基的要求低。（4）施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工。缺点（1）坝身不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便。（2）粘性土料的填筑受气候等条件影响较大，影响工期。（3）坝身需定期维护，增加了运行管理费用。重力坝优点：①相对安全可靠,耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强；②设计、施工技术简单，易于机械化施工；③对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对来说不太高；④在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。缺点是：①坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；②坝体体积大，耗用水泥多；③施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。a

等厚度圆b抛物线拱c三圆心拱d椭圆拱e变厚圆拱f变厚非圆拱拱圈的型式拱坝工程量小

超载能力强抗震能力强坝身泄流及施工较为复杂拱坝对地形地质要求高支墩坝理想的地形条件：

V形河谷，两岸对称，岸坡平顺，坝肩山体雄厚，宽高比小，且地形在平面上向下游收缩的峡谷段。理想的地质条件基岩坚硬、完整、均一，有足够的强度和刚度，透水性小，抗水的侵蚀和抗风化能力强。三、工程地质问题坝基工程地质问题：输水及泄水建筑物的工程地质问题：库区的工程地质问题：区域地质构造稳定性问题：环境地质问题：第二节坝区渗漏一、坝区渗漏的地质条件基岩中的渗漏通道第四纪松散沉积层中的渗漏通道渗透性等级标准岩体特征土类渗透系数K（cm/s）透水率q（Lu）极微透水K＜10-6q＜0.1完整岩体，含等价开度＜0.025mm裂隙的岩体粘土微透水10-6≤K＜10-50.1≤q＜1含等价开度0.025~0.05mm裂隙的岩体粘土-粉土弱透水10-5≤K＜10-41≤q＜10含等价开度0.05~0.01mm裂隙的岩体粉土-细粒土质砂中等透水10-4≤K＜10-210≤q＜100含等价开度0.01~0.5mm裂隙的岩体砂-砂砾强透水10-2≤K＜100q≥100含等价开度0.5~2.5mm裂隙的岩体砂砾-砾石、卵石极强透水K≥100含连通孔洞或等价开度＞2.5mm裂隙的岩体粒径均匀的巨砾（1）岩土体渗透性分级（2）渗漏通道分析1）透水层：①第四纪的砂层、砂砾石层：渗透系数与地层结构、埋深、成因及年代有关，它们决定了：密实度、颗粒级配、粘粒含量、分选性和颗粒形状。成因：K冲积＞K洪积＞K冰积。重点部位：古河道、阶地砂、卵、砾石层，坡麓地带的岩堆、坡积物。②胶结不良的砂岩、砾岩层：年代新。③裂隙发育的脆性岩层。④具有气孔构造的裂隙化喷出岩。2）透水带：①断层破碎带：透水性及渗漏量与年代、规模、性质、产状及母岩有关，它们决定了：透水带的宽度、断层岩的性质、充填及胶结情况，入渗及排泄条件，密实度。总体规律及特征：具有很强的方向性和分带性，与规模、性质、产状和年代的关系十分密切；K碎块岩＞K压碎岩＞K角砾岩＞K片状岩＞K糜棱岩＞K断层泥；

K张性＞K扭性＞K压性；K上盘＞K下盘；垂直断层走向隔水、平行断层走向透水。②裂隙密集带：透水性及渗漏量与裂隙性质、母岩性质、充填及胶结情况、密集带宽度及卸荷作用密切相关。③槽状风化带。3）岩溶管道：总体特征：具有很强的不均匀性、严重、欠规律、边界条件复杂。（3）渗漏通道的连通性必须查清，具体工程具体分析。1）第四纪松散地层：主要取决于地层结构特征和地貌发育情况。↓↓

互层情况切割情况

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双层、多层结构入渗及排泄条件河床及冲沟切割

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天然铺盖→取决于厚度及相变2）基岩透水层、透水带、岩溶通道：情况复杂。受岩性、地质构造、覆盖层、地貌等因素控制。平行河流方向或向河中倾斜的节理可能导致滑动，而在下游逐渐斜入山内的节理、裂隙则对稳定影响不大；第三节坝基的渗透变形渗透：水在岩土体中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性。渗透变形：是指土体或岩体在渗透水流作用下，其颗粒发生移动或被带出、颗粒的成分及土的结构发生变化的现象。必要的说明：①既可产生于土体，也可产生于岩体（破碎带、软弱和泥化夹层、全强风化带）；②既有化学溶蚀（溶解、阳离子交换），也有机械潜蚀（颗粒移动、结构破坏）；③坝基、堤基、基坑、边坡、围岩中均可发生。一、渗透破坏形式1、管涌。在渗流作用下，土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在内部结构不稳定的砂砾土中。通过坝基的管涌示意图坝基管涌失事示意图2、流土。在上升流作用下，动水压力超过土重度时。土体的表面隆起、浮动或某一颗粒群的同时起动而流失的现象就称为流土。流土主要发生在渗流出口无任何保护的部位。发生于粘性土、粉土及互层状土体。发生于砂土中时，所有颗粒同时处于悬浮状态，而管涌只在小泉眼处出现细颗粒的跳动。河堤下游覆盖层下流砂涌出的现象3、接触冲刷：当渗流方向平行两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物（含基础）与地基的接触面时，沿接触面带走细颗粒的现象。诸如建筑物与地基、土坝与涵管等接触面流动促成的冲刷。4、接触流失：在层次分明、渗透系数相差悬殊的土层中，当渗流垂直于层面将渗透系数小的土层中的细颗粒带到渗透系数大的土层中的现象。管涌与流土的区别①管涌只发生在砂性土中，而流土在砂性土和粘性土中均可发生；②流土只发生在渗透水流上升区（逸出处），而管涌在渗透水流逸出处、入渗处和渗流区（地基土内部）均可发生；③产生管涌的土体较松散，颗粒大小不一，且粘结力弱，而产生流土的土体较密实，颗粒大小均一，且具有一定的粘结力。二、渗透变形产生的条件根据渗透破坏的机理，可将条件分为两种类型：其一是动水压力和土体结构，他们是产生渗透变形的必要条件；另一类是地质条件和工程因素，可称为充分条件。（一）渗流动水压力和临界水力坡度的概念渗透压力：是渗透水流作用在单位土体上的压力，方向与渗流方向相同。其大小主要与渗透水流的水力坡降和水的容重有关，即：——动水压力——水的容重——渗透水流的水力坡降水力坡度：为水流沿渗透途径的水头降落值与相应渗透途径长度的比值（,为水头差，为渗流距离）临界水力坡降就是渗透水流使土体刚刚发生渗透变形时具有的水力坡降。——临界水力坡降——土的浮容重——土的孔隙度——土粒比重一般情况下，当渗透水流的实际水力坡降值大于土体的临界水力坡降时，则将产生渗透变形；反之，若渗透水流的实际水力坡降值小于土体的临界水力坡降时，则不会产生渗透变形。在实际应用中，因考虑到土体具有一定的粘结强度，故临界水力坡度计算公式修正为（二）土的抗渗强度

土体抗渗强度一般指土体抵抗渗透破坏的能力，是评价土体和水工建筑物渗透稳定的主要依据。土体抗渗强度的大小主要受土中颗粒级配及细粒物质的含量的影响。(1)粗细粒径的比例。研究表明，土体易于发生管涌的粗细粒径比例为d60／d10＞20。土越疏松，细颗粒物质在孔隙中随渗流运动越容易。

(2)土的颗粒级配。土的级配用不均匀系数Cu表示。当Cu＜10时，渗透变形的主要形式为流土；当Cu＞20时，主要形式为管诵；当Cu在10～20之间时，流土和管涌均可能发生。(三)地质条件对渗透变形的影响(1)地层分布特征。单一的砂砾石层，以管涌型渗透变形为主。对于双层及多层结构的土层，渗透变形取决于表层粘性土的性质、厚度和分布范围。若粘性土层厚且分布范围大，尽管下卧砂砾石层水力梯度大，也不易发生渗透变形。(2)地形地貌条件。沟谷深切影响了渗流的补给条件、渗径长度和出口条件，尤其是坝基上、下游的沟谷将表土层切穿，则有利于渗流的补给．并使渗径缩短而增大水力梯度；若下游地下水逸出段的渗流出口具有临空条件，则有利于渗透变形的发生。(四)工程因素工程因素对渗透变形的影响主要包括大坝和汲水井的渗流出口条件、库水位的骤降、施工破坏透水层及建筑物底面轮廓等。如我国发生的几起土石坝渗透变形及溃坝事件，与渗流出口部位未加保护都有很大的关系：深基坑开挖时，由于破坏了隔水层而造成基坑坑壁坍塌等，也属于工程因素造成的渗透破坏类型。三、渗透变形的防治措施控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点：一是尽量减少渗漏量；二是提早释放渗透压力，保证地基与水工建筑物有足够的静力稳定性；三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。因此，渗透变形的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改善等三个方面。（一）河堤管涌破坏的防治河滩路堤两侧有水位差时，水在路堤内或基底土内发生渗流，当水力坡降较大时，可能产生管涌现象，严重时还可能导致路堤坍塌破坏。为了防止管涌现象的发生，具体措施有以下几个方面：1、反滤倒渗2、反滤围井3、蓄水反压（二）基坑流砂破坏的防治基坑开挖排水时，若采用表面直接排水，坑底土将受到向上的动水力作用并可能引发流砂现象。这时坑底土会一面开挖一面随水涌出，无法清除，给工程建设造成极大困难。由于坑底土随水涌入基坑，致使地基土结构遭受破坏，强度降低，还可能诱发建筑工程事故。在基坑开挖中防治流砂的主要措施是：①人工降低地下水位的办法以减小或消除基坑内外地下水的水头差；②通过设置防水板桩等增长渗流路径；③在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡动水力。第四节坝基（肩）的抗滑稳定MalpassetDam1959FoundationTreatment一、坝基岩体滑动破坏的类型⑴表层滑动⑵浅层滑动⑶深层滑动⑷混合滑动二、滑动边界条件分析滑动边界条件的组成①滑动面（底滑面），特点：1）产状平缓、产状稳定；2）分布范围广；3）f、c值低；4）走向与坝轴线小角度相交。常见的滑动面：软弱夹层、断层面、片理面、层理面。②切割面，1）纵向切割面：产状陡；走向与坝轴线大角度相交；以剪应力为主，法向应力很小。2）横向切割面：产状陡，当产状平缓时，具有底滑面的作用（双滑面）；走向与坝轴线小角度相交；属拉裂面，可为追踪面。③临空面，滑移体的自由滑出面，类型：1）水平临空面：河床面；2）陡立临空面：深潭、深槽、冲刷坑、下游基坑；3）陡倾角的过河断层破碎带、软岩、风化深槽、裂隙密集带潜蚀溶洞。地下水与建筑物地基的渗漏和稳定有很大关系:①地下水低于库水时产生渗漏.②使岩石产生软化泥化③形成集中渗漏通道④地下水对混凝土腐蚀作用第五节水库与坝区渗漏的工程地质条件分析

一、水库区主要工程地质问题概述1.易发生库岸坍塌2.水库淤积3.浸没4.水库地震5.渗流等工程地质问题。二、库区渗漏的地质条件分析分暂时性渗漏和永久性渗漏。暂时性渗漏的水没有流出库区以外，通常说的渗漏指永久性渗漏。

（一）地貌条件

（二）岩性和地质构造条件第五节坝基的沉降和承载力一、坝基岩体的压缩变形:（1）岩性软硬不一，变形模量相差悬殊。（2）坝基或两岸岩体中有较大的断层破碎带、卸荷裂隙带等软弱结构面。（3）岩体内存在溶蚀洞穴或潜蚀掏空现象，产生塌陷而导致不均匀变形。

二、坝基岩体的承载力:1.容许承载力:是指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.具有两方面含义:①不允许