第1章-水利工程与地质环境

第一章水利工程对地质环境的要求

—岩体的工程地质特性

§1.1岩体的结构特征§1.2岩体中的地应力§1.3岩体中的地下水§1.4岩体质量评价与工程分类§1.1岩体的结构特征大型水利水电工程（国内外的大坝）均建于岩石地基上，研究岩石。并不是孤立的单独的一块岩石，而是构成建筑环境的地质体-岩体，即工程影响范围内的岩石综合体。岩体中存在大量的结构面（断层、节理、层理、片理等），弱化了岩体的工程性质，使得岩体在工程荷载的作用下很容易沿这些结构弱面或组合发生变形或破坏。也即岩体结构特征控制着岩体的稳定。岩体结构特征?（※）

（Structurecharacteristicsofrockmass）指岩体中结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。结构面（structuralplane）—不连续面，切割岩体的各种地质界面，如层面、沉积间断面、节理、断层、软弱夹层等；结构体—结构面在空间按不同的组合，将岩体切割成不同形状和大小的块体，被结构面所围限的岩块称为。一、结构面的成因类型二、结构面的特征（※）方位(产状)间距延续性张开度（两壁间垂直距离）结构面侧壁强度（施密特回弹仪或点荷载仪）充填状况（胶结物、胶结程度、充填厚度—变形与强度）渗流粗糙度（平整光滑程度）节理组数块体大小(据节理组数)坝基岩体/地下洞室围岩分类单位体积通过总节理数三、软弱夹层（※）

(Soft/weakinterbed)指在坚硬的层状岩层中夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层。强度与变形模量均低于上下硬岩层的1/5-1/50。如：摩擦系数f<0.5;饱和单轴抗压强度Rb<10MPa;变形模量E0<1000MPa;其中的泥化夹层（粘土岩类变成塑泥），性质最差控制岩体的抗滑稳定，如上犹江水电站建设。四、岩体的结构类型据岩体的节理化程度五、结构面引起的工程地质问题举例坝基岩体滑动岩质边坡滑动地下洞室围岩失稳坝基、坝肩的渗漏与渗透稳定库区渗漏（断层、大的节理裂隙等）本节小结岩体中存在大量的结构面（断层、节理、层理、片理等），弱化岩体的工程性质，使得岩体在工程荷载作用下很容易沿这些结构弱面或组合发生变形或破坏，导致岩体失稳（内因）；外因？岩体结构特征控制着岩体稳定；结构面引起的工程地质问题。结构面的特征及其对岩体稳定的影响软弱夹层、泥化夹层岩体的结构类型§1.2岩体中的地应力

(Geostaticstress)地下洞室或矿山坑道开挖后的收敛大变形及岩爆、基坑的底鼓、切离岩体的膨胀、钻孔的缩径-岩体处于不同的“受力状态”。地应力：天然条件下（施工前）存在于岩体中的应力，称，也称天然应力或初始应力。是在漫长的地质历史时期形成的，是重力场和构造应力场迭加的结果。是工程岩体的基本荷载之一，其方向、大小及分布规律对工程岩体的变形与破坏作用十分明显、影响工程的设计与施工。一、地应力的组成自重应力：在重力场中生成的应力为。构造应力：构造运动所引起的地应力。随地质历史时间及空间发展变化的非稳定应力场。一般最大主应力为水平应力，具有很强方向性。起源有两种观点，即地球自转速度变化产生的离心惯性力、纬向惯性力，板块运动。地应力状态的几种观点静水应力为主(Heim,1912)；垂直应力为主；水平应力为主(李四光，1920)。自重应力构造应力自重应力泊松效应产生的侧向水平应力泊松比一般取0.20.3，故自重应力场造成的水平应力约为垂直应力的1/3。而实际上往往水平地应力高于垂直地应力。进一步说明构造应力场的存在。二、地应力的分布规律（※）1）岩体中存在三向不等的空间应力场垂直应力通常是小主应力，表明多数地区存在构造应力，即水平向应力大于垂直向应力。但两个水平主应力也并不一定水平，略有倾角。三峡坝址区：深129.7m处实测地应力结果而自重应力仅有2.6MPa实测地应力方位倾角水平、垂直地应力7421相当水平大主应力17723相当水平小主应力30253相当垂直地应力2）水平应力与垂直应力的关系统计资料显示，在地壳浅部，多数地区的水平应力大于垂直应力。3）地应力随深度增加呈线性增长4）水平地应力具有强烈的方向性（构造应力场作用）我国东部大主应力方向NEE-EW;西部地区SN5）地应力与岩性有关坚硬岩中应力高，软岩中应力低；岩浆岩中应力高，变质岩次之，沉积岩最低。6）地应力是相对稳定的非稳定应力场认识地应力对工程选线、设计与施工意义重大！地应力在地表处不一定为零，水平与垂直地应力都有不过原点的现象。三、关于高、低地应力及对

工程影响的评价（※）高地应力：一般认为当岩体中最大水平主应力值超过30MPa，即认为高地应力地区（硬质与软质岩石界限）；或岩石单轴抗压强度与最大水平主应力的比值小于7。（高地应力是指水平应力分量大大超过其上覆盖层的岩体的重量）标志：剥离、岩饼、岩爆(rockpopping)、地下洞室大变形、软岩或软弱夹层侧向挤出。山西汾西矿物局一矿山巷道收敛大变形实例

高地应力与工程教材P136及教案大坝建基面选择应充分利用应力过渡区、应力释放区，避开应力集中区；适当提高建基面。应力集中区40-80MPa低地应力：一般指水平地应力小于由于自重所形成的侧向水平应力的地区。标志：大范围塌方、掉块、围岩渗水等。秦岭越岭隧道、军都山隧道施工时大范围塌方、涌水现象，长期以来忽视了低地应力问题。四、地应力引起的其它工程地质问题1）坝基基坑底部的隆起、剥离破坏坝基开挖，因卸荷引起应力释放，当初始水平应力较高时，会造成基坑底部岩层呈水平状开裂。加拿大安大略省露天矿坑，当挖至坑深15m时，坑底突然裂开，裂缝两侧岩层在几分钟内向上隆起，最大隆起量达2.4m，实测其初始水平应力高达14MPa，基坑隆起轴线与最大水平应力方向垂直。2）基坑边坡的剪切滑移水平向大主应力垂直坡面走向，则坡面上的切向应力较大，坡面易发生剪切滑移；反之，若平行于坡面走向，则有利于稳定。3）地下洞室产生较大的收敛变形当洞轴线与最大的水平应力垂直时，边墙会产生较大的收敛变形，软岩地区更严重，“吐舌头”。地下洞室轴线最好与最大水平应力方向近于平行有利于边墙的稳定。4）地下洞室施工过程中产生岩爆高地应力地区坚硬完整的岩体中开挖地下洞室时，由于应力的突然释放，引起洞壁岩石爆裂、剥落或岩片弹射出来的现象。危害性严重。五、地应力测量(measurement)直接方法-水压致裂法向钻孔内压水，直至孔壁开裂，利用弹性力学公式计算岩体内的大、小主应力。间接方法-应力解除法（套钻岩芯的应力解除法）本节小结岩体中的地应力，是重力场与构造应力场迭加的结果；地应力是工程岩体的基本荷载之一，工程岩体的变形、破坏形式和应力分布在很大程度上取决于岩体中的地应力。地应力影响着工程的设计与施工。地应力的分布规律高/低地应力及其标志地应力测量方法§1.3岩体中的地下水

(Groundwater)地下水引发的工程问题，包括地面沉降、地面塌陷、渗流或渗透变形（管涌、流砂）、浮托作用、基坑突涌、对钢筋砼等的腐蚀，实际是土中的地下水。岩体中的地下水问题，与土中的水不同，它有别于一般工程地质教材所涉及的如上的地下水工程问题。孔隙水,裂隙水,溶隙水赋存介质埋藏条件包气带,潜水,承压水地下水是影响岩体稳定的外部环境因素，对工程岩体的失稳起着润滑剂的作用，降低工程岩体及结构面的强度，增加渗透压力。节理裂隙连通，形成渗流通道增加动水压力；带走岩体裂隙中的细小颗粒，产生所谓的潜蚀或管涌现象，导致岩体失稳。水岩相互作用，降低岩石/结构面强度水岩间物理作用-溶蚀可溶性矿物或软化粘土质矿物；水岩间化学作用（石灰岩）。膨胀岩遇水膨胀，增加膨胀压力承压水使岩体承受向上的顶托力，降低有效压力，使岩体的抗剪切能力下降。地下水贯穿岩体稳定分析的各个方面，包括坝区的渗透变形、坝基、边坡、地下工程岩体的稳定分析中。详见以下各章。§1.4岩体质量评价与工程分类

(QualityEvaluationandEngineeringRating)工程岩体中存在着大量的软弱结构面，地应力、地下水等不利条件，极大的影响岩体的质量和岩体的稳定。指导工程的设计、施工，如地下洞室的开挖方式、进度及支护设计；不同工程类比，决定相似工程的施工、设计方案。一、岩体质量评价与分类的目的教材P138二、分类考虑的因素地质因素：岩性，岩体完整性，结构面性状，地应力，地下水；工程因素：工程类型，断面形状和大小，轴线与结构面方位间的关系。三、几个较大影响力的分类标准RQD分类(RockQualitydesignation,Deer,1964)、RMR分类（T.Bieniawski,1973

）RSR分类（G.E.Wickham,1972

）Q分类（Barton,1974

）BQ分类（工程岩体分级标准GB50218-94）岩体结构类型(中科院地质所谷德振教授)分类名称RMR分类(RockMassRating)※节理岩体地质力学分类CSIR,T.Bieniawski,1973公式RMR=A+B+C+D+E+F参数A－岩石强度，分数15～0B－RQD（岩石质量指标），分数20～3C－不连续面间距（2-6m），分数20～5D－不连续面性状（粗糙-夹泥），分数30～0E－地下水（干燥-流动），分数15～0F－不连续面产状条件（很好-很差）,分数0～-12等级划分I很好

RMR=100～81II好

RMR=80～61III中等

RMR=60～41IV差

RMR=40～21V很差RMR≤20分类名称RSR分类（RockStructureRating）(岩石结构评价分类，南非-威克姆G.E.Wickham,1972)公式RSR=A+B+C（RSR变化范围25～100）参数A－地质（岩石类型：按三大岩类由硬质到破碎划分为4个等级；构造由整体到强烈断裂褶皱分为4个等级），分数30～6；B－节理裂隙特征（按整体到极密集分为6个等级，按走向倾角与掘进方向关系折减）,分数45～7；C－地下水（无到大量），分数25～6。等级划分I很好

RSR=100～85II好

RSR=85～65III中等

RSR=65～45IV差RSR=45～25V很差RSR≤25分类名称Q分类(隧道质量指标分类,挪威-巴顿Barton,1974)计算公式Q=(RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)参数RQD－岩石质量指标，分数0～100；Jn

－裂隙组数（无到碎裂），分数0.5～20；Jr

－裂隙粗糙度（粗糙到镜面），分数4～0.5；Ja－裂隙蚀变系数（新鲜到蚀变夹泥），0.75～20；Jw

－裂隙水折减系数（干燥到特大水流）,分数1～0.05SRF－应力折减系数（高应力状态趋于流动的岩石到接近地表的坚固岩石）,分数20～2.5。等级划分I特好

Q=400～1000；II极好

Q=100～400；III很好

Q=40～100；IV好

Q=10～40V一般

Q=4～10；VI坏

Q=1～4VII很坏

Q=0.1～1；VIII极坏Q=0.01～0.1IX特坏

Q=0.001～0.01岩块大小节理强度环境条件分类名称BQ分类（※）工程岩体分级标准GB50218-94，国标95.7.1计算公式BQ=90+3Rc+250Kv[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)参数Rc－岩石单轴饱和极限抗压强度；Kv－岩体完整性指数（岩体速度指数）；K1－地下水影响修正系数；K2－主要软弱结构面产状影响修正系数；K3－初始应力状态影响修正系数。等级划分IBQ或[BQ]＞550IIBQ或[BQ]=550～451IIIBQ或[BQ]=450～351IVBQ或[BQ]=350～251VBQ或[BQ]≤250四、各分类方法的比较RQD分类：快速、经济、实用；仅考虑岩体的完整性和风化程度；RMR分类：适用于隧道、边坡及地基工程，未考虑地应力的影响，不适用于高地应力区；RSR分类：未考虑地应力的影响；Q分类：未考虑结构面方位及岩石抗压强度，分子、分母为积商形式，过大过小对结果均有影响；BQ分类：适用较广，国标。本节小结岩体质量评价与分类的目的常用的分类方法及考虑的因素RQD，KvRMR分类、BQ分类本章习题及作业1.水利工程中工程地质条件主要包括哪些？工程地质问题呢？岩体结构特征是岩体稳定的内因，而风化作用、地下水、地震荷载、地应力、工程荷载是岩体稳定的外因。结构面、结构体和岩体结构特征是如何定义的？结构面的特征包括哪些？对岩体稳定有何影响？何为软弱夹层、泥化夹层？岩体的结构类型包括哪些？何为地应力？其对工程的选线、设计与施工有何影响？地应力的分布规律及高低地应力及其地质标志？地应力是工程岩体的基本荷载之一，工程岩体的变形、破坏形式和应力分布在很大程度上取决于岩体中的地应力。地应力影响着工程的设计与施工。岩体中的地下水对工程建设有何影响？7.岩体质量评价与分类的目的？考虑哪些因素？常用的岩体分类方法有哪些？小结：1、岩体中存在大量的结构面（断层、节理、层理、片理等），弱化岩体的工程性质，使得岩体在工程荷载作用下很容易沿这些结构弱面或组合发生变形或破坏，即岩体结构特征控制着岩体的稳定，是岩体稳定的内因，工程荷载、地应力与地下水是外因。2、结构面、结构体和岩体结构特