（工程力学专业论文）基于坝基岩体结构的重力坝建基面选择.pdf

摘要 重力坝坝基建基面的选择对大坝安全和造价至关重要。现行规范要求按单一 因素岩体风化分带来选择建基面，在复杂地质条件下规范的这一选择标准显的过 于简单。 本文围绕坝基岩体结构这一基本概念的定义及其内在含义，在前人大量研究 基础之上提出坝基岩体结构基本类型的划分；提出按坝基岩体结构对复杂地质条 件下重力坝建基面进行选择，并给出了选择流程及选择方法。 坝基岩体稳定性分析重力坝选择建基面项必不可少的工作。对此，本文 介绍了坝基岩体结构对坝基岩体稳定的控制作用及坝基岩体的滑动类型与破坏 机制；介绍了用于分析坝基稳定性的刚体极限平衡法与非线性有限单元分析法： 提出基于岩体结构破坏定义的失稳判据，并结合重力坝坝基深层抗滑稳定问题的 特点及其滑动机制对非线性有限元分析深层抗滑稳定问题的失稳判据作了适宜 性分析。 本文以金安桥大坝建基面选择工作为例，实践了按坝基岩体结构进行重力坝 建基面选择工作的一整套流程与方法，验证该方法的可能性。 最后，通过对比规范要求，进一步验证了按坝基岩体结构进行重力坝建基面 选择的可行性。 关键词：重力坝建基面岩体风化分带坝基岩体结构极限平衡法 非线性有限元深层抗滑稳定失稳判据 a b s t r a c t d a mf o u n d a t i o nr o c ks e l e c t i o no fg r a v i t yd a mi st h eg r e a t e s ti m p o r t a n tt od a r n s a f e t ya n db u i l d i n gp r i n c u r r e n tc o d ed e m a n dt os e l e c td a mf o u n d a t i o nr o c kb y t h es i n g l ef a c t o r - - w e a t h e r i n gz o n i n go f r o c km a s s ，t h es e l e c t e ds t a n d a r do ft h ec o d c s h o w st o os i m p l ei nc o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s 加o u n dt h ed e f i n ea n di t si n n e rm e a n i n go ft h eb a s i cc o n c e p to fd a mf o u n d a t i o n r o c ks t r u c t u r e ，t h eb a s i ct y p e sd e v i s i o no fd a mf o u n d a t i o nr o c kl l l a s ss t r u c t u r ea n dt h e f o u n d a t i o nr o c ks e l e c t i o no fg r a v i t yd a ma c c o r d i n gt od a r nf o u n d a t i o nr o c km a s s s t r u c t u r ei nc o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa i ep u tf o r w a r db a s e d0 1 1t h eg r e a td e a l o fr e s e a r c ho fp a s tg e n e r a t i o n s ，a tt h es a m et i m e ，t h es e l e c t i o nf l o wc h a r ta n dt h e s e l e c t i o nm e t h o d s & r eg i v e ni nt h ep a p e r a st ot h en e c e s s a r yw o r ko fs e l e c t i o ng r a v i t yd a mf o u n d a t i o nr o c k a n a 】y s i so f d a mf o u n d a t i o nr o c km a s ss t a b i l i t y , t h ec o n l m le 伍。c t so fd a mf o u n d a t i o nr o c km a s s s t r u c t u r et od a mf o u n d a t i o ns t a b i l i 够a n dt h es l i d i n gt y p e sa n dm e c h a n i s mo fd a m f o u n d a t i o nr o c km a s sa r ei n n d i i u c c di nt h ep a p e r , t h el i m i t i n ge q u i l i b r i u mm e t h o da n d n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da 肥i n t r o d u c e d a n dr e l a t i n gt oc h a r a c t e r i s t i co f g r a v i t y d a md e p t hs l i d i n gs t a b i l i t yp r o b l e ma n di t s s l i d i n gm e c h a n i s m , m a k et h es u i t a b l e e s t i m a t ef o ri n s t a b i l i t yc r i t e r i o no fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i n gd e p t hs l i d i n g s t a b i l i t yp r o b l e m t a k et h es e l e c t i o nd a mf o u n d a t i o nr o c km a s so fj i n a n q i a od a mf o ri n s t a n c e , c a r r yo u tt h ec o m p l e t es e to fp r o c e d u r ea n dm e t h o d so ft h es e l e c t i o nf o u n d a t i o nr o c k o f h i g hc o n c r e t eg r a v i t yd a mb a s e do nd a mf o u n d a i t i o nr o c km a 鲳s t r u c t u r et ov e r i 句 t h ep r o b a b i l i 够 f i n a l l y , b yc o n u a s t i n gt ot h ed e m a n do f t h ec o d er e q u i r e m e n t , f u r t h e rp r o v i n gt h e f e a s i b i l i t yo fs e l e c t i o nf o u n d a t i o nr o c ko fg r a v i t yd a mb a s e do nd a mf o u n d a t i o nr o c k i i 珏5 5s t r u c t u r e k e y w o r d ：g r a v i t yd a m f o u n d a t i o nr o c ks e l e c t i o n w e a t h e r i n gz o n i n go f r o c k i 黜d a mf o u n d a t i o nr o c km a s ss i n 】c 概l r e t i m i t m g n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d d e p t h s l i d i n gs t a b i l i t y i n s t a b i l i t yc r i t e r i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 凋年r 月功日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 沙，7 年厂月巧日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 我国重力坝设计规范对坝基的要求作了相应的规定。概括起来有强度、抗滑、 抗渗等方面的要求。这些要求均为原则性的，不同工程在具体设计和施工中，判 断坝基是否达到了这些要求及如何达到这些要求的看法和所采取的措施则有很 大程度的不同。一般是在对坝基岩体充分了解后，再决定坝体轮廓设计。以期得 到安全、经济的工程设计。 坝基岩体利用和开挖深度问题对大坝的安全和造价关系甚大，是坝工设计和 施工中十分重要的问题。应根据坝基岩体所受的各种荷载情况，采取适当的处理 措施或加固措施，减少坝基开挖，使所利用的坝基岩体能够满足大坝安全的各项 要求，且工期最短、投资最少。 由于坝基地质条件大多很复杂，使得准确确定岩体承受大坝荷载的能力十分 困难，而大坝的安全又必须确保，因而对坝基开挖问题应持慎重态度。但过去往 往过于偏重安全的一面，而对降低造价的一面重视不够。我国比较倾向追求以新 鲜完整的岩石做坝基，对有缺陷的岩石及风化裂隙岩石倾向尽量挖除。设计和地 质人员沿袭过去习惯，思想上的“宁可多挖些，以策安全”的想法是造成坝基开 挖量过多的原因。后来我国重力坝设计规范补充规定规定了风化裂隙岩石并 非都不能做坝基，它是否可用，不仅与岩石的类型( 硬岩、软岩) 、岩体的构造( 断 裂发育情况) 有关，还与采取的处理措施密切相关，因而简单化地追求新鲜完整 坝基岩石是不恰当的。 实际上，不适当的过量开挖并不有利，它不仅浪费了开挖岩石和回填混凝土 的工程量，增大了工程投资，延长了施工工期，而且也加大了坝体受水压力和扬 压力的面积。深挖后暴露的新鲜岩石仍会产生卸荷松驰裂隙，并可能遭受到爆破 和风化影响的破坏，因而希望将坝基置于新鲜完整基岩上的目的往往仍然达不 到。坝基的过量开挖，严重地改变了山体的自然平衡条件，容易引起施工和运行 中新的复杂问题，造成难以处理的不良后果。随着对风化裂隙岩体性质的认识逐 步深化及坝基处理加固技术的发展和进步，世界上不少国家已日益主张尽量用加 固处理措施代替坝基深挖，利用风化裂隙岩石做坝基，认为这样设计坝基是比较 经济的。 河海大学硕士学位论文 重力坝坝基岩体是存在于一定环境中的地质体，其形成和发展经受过地质历 史时期各种内外动力地质作用的改造和影响，在不同工程荷载作用下，岩体的物 理力学性质、变形、破坏机理有极大差异，对这些问题能否正确认识、准确评价 关系到岩体的合理利用，直接影响大坝的安全和经济。坝基岩体合理利用的重要 标志之一就是优选建基面。影响建基面选择的因素很多，既有岩体本身所处的地 质环境因素，又有上部结构因素，既有技术因素又有经济因素。 重力坝的地基应有足够的强度和承载能力，在承受建筑物荷载时既不出现较 大范围的屈服，也没有显著的变形。在满足各坝段坝体对坝基承载能力和抗滑稳 定的基本要求的前提下，选择开挖离程，结合地形地质条件，对大坝建基面进行选 择，力求在满足工程安全的前提下，综合经济指标最优，具有极重要的实际意义和 实用价值。 1 2 国家规范基本规定 我国水利及电力行业标准对各种重力坝坝基要求作了原则性的规定，归纳起来 主要为以下几点： 重力坝的基础经处理后应满足下列要求： 1 ) 具有足够的强度以承受坝体的压力； 2 ) 具有足够的整体性和均匀性以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷： 3 ) 具有足够的抗渗性以满足渗透稳定控制渗流量； 4 ) 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。 坝高超过l o o m 时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上；坝高1 0 0 5 0 m 时可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于5 0 m 时可建在弱风化中部上部 基岩上。两岸地形较高部位的坝段可适当放宽。 同时规范还规定基础中存在的局部工程地质缺陷，例如：表层夹泥、裂隙强 风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除， 对岩溶等特殊的地质条件还应做专门的基础处理。 如上所述，根据规范要求是从风化分带来选择建基面的，则一般情况下重力 坝建基面的选择流程如下图l - i 所示。 2 第一章绪论 图1 - 1建基面选择流程图 通常倩况下，通过上述流程可选择出建基面，对影响重力坝坝基建基面选择 的其它因素，规范没有进一步规定或探讨，仅说明在原则上应在考虑基础加固处 理后在满足坝的强度和稳定的基础上减少开挖量；同时规范对上部结构的数值计 算作了相关的标准规定，但对于坝基设计并未在数值分析上做具体的、明确的规 定或说明。 综上所述，按规范选择重力坝建基面时只考虑单一因素风化分带。在复 杂地质条件下只考虑单一因素显的过于简单，此外，对难以用风化来评价的坝基 岩体来说，这一方法也难以适用。因此，无论从经济上还是技术上都应对重力坝 坝基可利用的建基岩体的选择做更深入的研究。 1 3 建基面选择研究现状 6 0 年代已来，我国修建了大量的重力坝，部分建基面岩体情况如下表所示： 表i - 1 部分重力坝坝基建基面岩体基本情况 工程 坝型 坝高( m )建基岩体岩性 风化程度 建设时间 丰满重力坝 9 0 5 石英砂岩微新 1 9 5 4 富春江重力坝 4 7 7 流纹斑岩微新 1 9 5 8 1 9 6 8 宽缝砂岩、 新安江 1 0 5微新1 9 5 7 1 9 6 0 重力坝石英砂岩 宽缝凝灰岩、 云峰1 1 3 7 5 微新 1 9 5 9 1 9 6 5 重力坝花岗斑岩 河海大学硕士学位论文 刘家峡重力坝 1 4 8 云母石英片岩微新1 9 6 4 1 9 6 6 丹江口 重力坝 9 7 闪长玢岩微新1 9 6 4 1 9 6 8 黄龙滩重力坝 1 0 7 冉老微新1 9 6 9 1 9 7 4 宽缝 潘家口1 0 3 角闪斜长片麻岩微新 1 9 7 4 重力坝 向家坝重力坝 1 6 l 石英砂岩弱下、微新在建 三峡重力坝 1 8 5 花岗岩微新、弱下 在建 龙滩重力坝 2 1 6 粉砂岩、灰岩弱微风化在建 从以上情况及多年的工程实践经验发现，按我国过去的规范要求，对建基面 的开挖要求偏严，而使有些工程的开挖量过大影响工程造价。随着我国经济及科 学技术的发展，近年来我国科学工作者结合三峡、龙滩等等一批大型工程，开展 了建基面的优选和可利用岩体的研究，取得了大量的研究成果。如聂德新等对金 沙江溪洛渡、向家坝水电站以及黄河拉西瓦水电站等进行了深入的岩体风化，岩 体结构、岩体质量以及建基面选择方面的研究。任自民、彭启友、鲁先元、张建 清、李张明等对三峡建基岩体的可利用性进行了深入的研究并使用弹性波速检测 技术进行建基面质量验收o “i i , 1 2 , 1 3 。刘世煌等用模糊数学方法研究了黄河拉西瓦拱 坝建基面的优化选择“。陈志坚等建立了考虑岩体纵波速度、完整性系数、变形 模量、均一性系数、r o d 、裂隙间距、顶板自重应力与承压水头比值等7 个因素 大坝建基面模糊优化模型“”。方大德以漫湾水电站为例，提出以野外宏观判断为 基础，用岩体结构、风化、卸荷等主要因素，再结合岩体力学参数，以定性与定 量相结合来确定可利用岩体质量标准“”。卢建平等提出用定性与定量方法对岩体 的风化分带之后，用有序质量最优分割法对岩体进行弱风化亚带的划分，从而为 水电工程准确确定建基面提供依据“”。黄杨一、王造银等综合前人成果认为弱下 岩体在满足渗透稳定性的条件下，可作为坝基“。 总的说来，混凝土重力坝坝基建基面的选择应考虑多重因素的影响，如岩体 风化、卸荷、岩体质量及经济技术等，以某一因素为立足点，同时考虑其它方面 的影响综合评价。 对于重力坝坝基深层抗滑稳定问题，由于地质条件的复杂性及其影响因素的 不确定性，使得深层抗滑稳定计算变得更为复杂。长期以来，对于坝基深层抗滑 问题，主要是靠经验和估算来进行的。随着各种勘探、测试和处理手段的进步， 特别是数值分析方法的发展，设计工作正逐渐由定性估算向定量分析发展。 由于重力坝深层抗滑稳定问题的复杂性，对于分析方法尚无统一和明确的规 4 第一章 绪论 定。目前国内研究深层抗滑稳定安全度的方法主要有同体极限平衡法、有限元法、 和地质力学模型试验法等。 对工程界广泛采用非线性有限元方法分析深层抗滑稳定问题，国内外学者也 做了大量的研究工作。但由于破坏准则，本构关系以及失稳判据的多样性，制定 统一标准较难，还有待于进一步的研究讨论。 1 4 本文研究思路及所做的工作 大坝坝基岩体是一个非常复杂的天然地质体，可看成一个复杂的非线性系统， 影响坝基建基面选择的因素很多。国家规范要求按岩体风化分带来选取建基面， 我国许多科研生产部门也对建基面的选择从其它角度做了大量的研究工作。由于 研究或切入的角度不同，形成了多种选择建基面的方法，每种方法都存在各自的 优缺点及适应程度，本文试图从坝基岩体结构的角度来进行高混凝土重力坝建基 面选择工作，思路主要如下： 从地质体本身表现出的特性入手，围绕岩体结构控制论观点，讨论坝基岩体 结构基本概念及其内在含义，从坝基岩体结构角度出发探索建基面选择的方法； 并通过对坝基岩体进行工程地质力学分析、结合非线性有限元理论模拟研究上部 坝体结构与选择的建基面进行整体稳定性分析；通过对金安桥水电站大坝建基面 选择进行实例分析以验证研究方法的可行性。围绕以上思路，本文所做的具体工 作如下： ( 1 ) 介绍我国国家规范对重力坝建基面选择的基本要求及对其研究的现状； ( 2 ) 从岩体结构理论入手分析坝基岩体结构面、风化、卸荷；定义坝基岩体结 构基本概念并提出坝基岩体结构基本类型的划分及基于坝基岩体结构进行重力坝建 基面选择的流程及具体操作方法； ( 3 ) 研究坝基岩体结构对重力坝坝基岩体破坏的控制作用及滑动机制；介绍规 范推荐的刚体极限平衡法计算方法： ( 4 ) 考虑到岩体是非线性材料，为更加符合工程实际，本文把坝基岩体视为弹 塑性材料进行分析和计算，并介绍非线性理论； ( 5 ) 鉴于大型非线性有限元商用程序m a r c 的良好的功能，本文简介其实现非 线性有限元分析的过程，并做适当的二次开发利用其对金安桥水电站重力坝实例进 行深层抗滑稳定的非线性有限元分析； 河海大学硕士学位论文 ( 6 ) 结合重力坝深层抗滑稳定问题的特点，本文从坝基岩体结构角度探索非线 性有限元分析深层抗滑稳定问题时的失稳判据并作适宜性分析： ( 7 ) 根据金安桥水电站地质资料，实践按坝基岩体结构进行重力坝建基面选择 工作的一整套流程与方法以评价方法的可能性； ( 8 ) 通过对比规范要求进一步评价方法的合理性。 6 坝基岩体结构与建基面选择 第二章坝基岩体结构与建基面选择 对大型的重力坝坝体而言，能作为高高重力坝基础的岩体基本为坚硬岩体，而 对构成坝基的岩体和岩石( 岩块) 有着本质的区别，岩石只是组成岩体的一种材料， 而岩体是经受过变形、遭受过破坏的地质体【引，起主导作用的是岩体结构。可以认 为，岩体结构是坝基岩体稳定性的控制因素。因此，重力坝建基面选择首先不得不 考虑坝基岩体结构。研究坝基岩体结构及其工程地质性状，只有在对坝基岩体作了 正确的工程地质评价之后才能正确地进行下一步的分析工作。 2 1 坝基岩体结构面 在工程地质研究中，谷德振、孙玉科把岩体内开裂的和易开裂的地质界面抽象 地称为结构面“1 。岩体受许多结构面的切割，造成不连续性和不均一性，而使岩体的 变形和强度性能显著的削弱，抗风化能力和地下水作用能力大为降低。本节将分析 岩体中地质结构面对坝基岩体的影响。 2 1 1 坝基岩体结构面的地质成因类型 划分认识岩体结构面的成因类型是结构面分析的第一步基础性工作。根据形成 岩体结构面的主要地质作用，可将结构面按地质成因划分为以下五类：( 1 ) 沉积结构 面，是指岩体在沉积过程中形成的结构面；( 2 ) 火成结构面，是指在岩浆活动过程中 形成的结构面；( 3 ) 变质结构面，是指在变质作用过程中形成的结构面；( 4 ) 构造结构 面，是指受构造应力控制而产生的结构面；( 5 ) 次生结构面，是指在地表条件下受卸 荷、风化和地下水作用等次生作用所形成的结构面。 由于其成因不同，其工程地质特性与力学特性也各有不同。沉积结构面产状和 岩层一致或有密切联系，一般延续性较强，分布比较稳定。除沉积断面外，结构面 比较平整，接触性较密。但沉积断面上可能为风化破碎岩粉、碎屑等松散物质。古 风化夹层中往往含泥质物比较多，易软化或泥化，强度较低。火成结构面的产状受 岩体与围岩接触面控制，一般延伸较远，但原生节理延续性不强，接触面结合特征 可以各段不同，时而呈混溶接触，时而呈破碎接触。变质结构面包括片麻理、片理， 以有软弱矿物富集而形成的条带状结构。其中片麻理、片理一般垂直于最大压力方 向，软弱夹层含片状矿物，呈鳞片状，变形性能差，抗剪强度低。构造结构面包括 劈理、节理、断层、层间错动等。劈理为压性结构面，细小而密集。节理有平面x 型、侧面x 型等等，不同节理组合的特性也不同，其中平面x 型是最普遍发育的。断 7 河海大学硕士学位论文 层是在节理的基础上扩展、连通发育起来的，其成因类型与节理一致。层间错动是 在岩层褶皱过程中，沿软弱夹层发生的，一般呈层状分布，延续性较强，但各段宽 窄不同，呈透镜状，结构面物质破碎，含大量泥质物。大部分次生结构面是原生结 构面或构造结构面演化而来的，往往呈张开状态，充填泥质物等，抗剪强度低。特 别是形成的泥化夹层或裂隙夹泥，含大量的泥质物，呈塑性甚至流性，抗剪强度甚 低。 2 i 2 坝基岩体结构面分级 岩体结构面分级是从工程地质的角度出发，研究工程区内结构面的延伸、展布、 发育程度及其相应的宽度、充填物的工程特性等对工程岩体的影响。孙广忠教授在 其著作岩体结构力学“提出岩体内的结构面及它控制下的岩体结构控制着岩体的 变形、破坏机制及力学法则；孙玉科教授于1 9 8 8 年提出，结构面对岩体力学性质的 影响程度及其在工程岩体中所起的作用取决于它的规模及其力学效应。可见，结构 面的规模与性状是影响岩体结构面力学效应的两大要素，对工程岩体整体稳定影响 而言，规模更为突出，但由于相同规模的结构面可能有不同性状的物质组成，对结 构面参数选取而言，性状显的更为突出，所以除考虑规模外要兼顾结构面的性状。 结构面内夹有软弱物质属于软弱结构面，无充填物质的属于硬性结构面，则按 规模及其力学效应，孙玉科教授将其划为五级二类。如表2 】。 表2 1 坝基岩体结构面分级 分 级 分级依据力学效应力学属性地质特征 绪构面延展长，几公里至几形成岩体力学作用边 i十公里以上，破碎带宽度达数米界；岩体变形和破坏的控属软弱结构面大型断层 至数十米制条件 延展规模与研究岩体相若，控制岩体变形和破坏 小断层 i i 属软弱结构面 破碎带宽几厘米至数米条件，形成块裂体边界层问错动 延展从十几米至几十米不 划分i i 级岩体结构的多属硬性结构 不夹泥 i l i 重要依据，参与块裂岩体 重；少数为软弱结构 大节理或小断层夹泥，有的具有泥膜 回切割 是岩体力学性质，结节理、劈理、 延展短，未错动不夹泥属硬性结构面 构效应的基础层面、次生裂隙 不连续小节理、 v 结构面小，且连续性差岩体内形成应力集中属硬性结构面 片理面等 此外，对软弱结构面还可按其充填物质厚度的力学效应分为以下三种类型： 1 ) 薄膜厚度一般小于l m m ，多为次生粘土矿物及蚀变矿物，可使结构面的基 本强度大大降低； 2 ) 薄层厚度与起伏差相若，结构面强度主要取决于软弱物质力学效应及充填 物的力学效应。结构面存在此类结构面时，岩体破坏主要方式为沿此类结构面滑移； 坝基岩体结构与建基面选择 3 ) 厚层厚度大于几十厘米至几十米，这种厚层的软弱物质属于软弱夹层，结 构面存在此类物质时，岩体破坏方式不仅是岩块沿结构面滑移，而其本身常以塑性 流动方式挤出，导致岩体大规模破坏。 2 1 0 结构面控制的坝基岩体滑移模式 对于重力坝选择基岩而言，首先需要分析控制坝基岩体稳定性的软弱结构面。 软弱结构面常常构成影响坝基岩体整体稳定的滑移面。按照坝基岩体中滑移面、切 割面和i 临空面的组合，可将常见的坝基岩体的滑移模式归纳如下： 模式一沿平缓软弱结构面的滑移形式 坝基软弱结构面埋藏较浅，易形成浅层滑动，使尾岩抗力体可能产生局部破碎 和剪断破裂，而影响岩体稳定。其滑出破坏如图2 1 。 模式二沿缓倾角倾向下游软弱结构面滑移形式 一般将倾角小于3 0 度的称为缓倾角结构面。这种结构面被其下游结构面纵向切 割后，易形成滑移面。如图2 2 所示。 模式三沿缓倾角倾向上游软弱结构面滑移形式 倾向上游的缓倾角软弱结构面被其上游的结构面纵向切割后易形成滑移面，不 利于坝体稳定。其破坏如图2 - 3 。 模式四反倾向结构面滑移形式 陡倾角层状岩体被反倾向软弱结构面切割后沿软弱结构面易形成滑移面。如图 2 4 。 、磊l 工l 图2 - i模式一示意图 图2 - 2模式二示意图 9 河海大学硕士学位论文 立 、 亚 图2 - 3模式三示意图图2 - 4模式四示意图 由以上可见，各类软弱结构面及其空间组合，是影响坝基岩体稳定的基本地质 因素，控制着坝基滑移的可能性及其形式。 2 2 坝基岩体风化、卸荷作用 岩体风化与卸荷作用均为外动力地质作用，两者共同对表部岩体一定深度范围 内的岩体进行着时效改造。由于风化、卸荷破坏了岩体完整性、降低了岩体的力学 性能，正确地评价坝基岩体的风化和卸荷作用，对重力坝坝基可利用岩体的选择影 响重大。本节主要介绍风化、卸荷作用机理及一般规律。 2 2 1 风化作用 1 、风化作用本质及类型 风化作用的基本概念可以表述为地壳表层的岩石在阳光、风、电、大气降水、 气温变化等外营力作用下及生物活动等因素的影响下，引起岩石矿物成分、化学成分 以及结构构造变化，使岩石逐渐发生破坏的过程。1 。风化是地表外应力的起始环节， 是外应力地貌发育的前提条件。风化作用为沉积岩的形成提供了物质基础，它们经 过搬运堆积和成岩作用后形成沉积岩。可见，风化作用的本质为岩石矿物的蚀变与 流失。 风化作用主要包括物理风化、化学风化及生物风化。物理风化是指发生机械破 碎，岩石本身没有发生化学成分改变的作用，包括温度风化、机械风化等；化学风 化是指岩石在水、魄、c 0 2 等作用下发生化学分解作用，主要表现为氧化作用及水及 水溶液的作用；生物风化是指生物活动对岩石可产生破坏作用，包括两个方面：机 械破坏与化学分解。 1 0 埂基岩体结构与建基面选择 2 、风化作用一般规律 根据前人的研究和已有的经验可以得出风化的一般规律： ( 1 ) 风化带存在于地表以下一定深度内； ( 2 ) 岩体的风化程度一般情况下是随高程的变化而成渐变关系，风化界限与地面 大致平行。但在一些特殊条件下也容易出现异常的风化类型。如因为地质构造的存 在而造成的风化夹层、风化槽、风化囊、球状风化或因为岩性的突变而造成的风化 程度的突变； ( 3 ) 不同的地貌单元( 如河床、漫滩、阶地等) 风化带的厚度存在明显的差异； ( 4 ) 就同一岩性而言，风化壳由表及里依次可以分为全风化、强风化、弱风化、 微风化和新鲜岩体。 在以往很长的时间里，地质工程工作者对岩体风化带的划分都是通过野外现场 观察岩体的颜色、矿物蚀变程度、组织结构变化情况、裂隙发育和结构面充填状况、 地质锤的敲击声音及旖工难度等作为依据。不同的地质工作者由于经验的不同和标 准的不一致，对同一岩体常常会得出不同的风化分带结果。这种风化岩体分带的不 确定性和人为性给实际的工程建设带来了诸多不便。 自上世纪6 0 年代以来，许多地质工程工作者在对岩体风化分带过程中引入较多 的岩石测试指标并运用多种数学方法，使岩体风化带的划分向定量化的方向发展。 目前常用的划分风化分带方法主要以下几种：我国现行规范g b 5 0 2 8 7 9 9 水利水 电工程地质勘察规范提出野外分类标准；根据弹性波波速及波速曲线划分风化 带；根据岩石物理力学性质指标划分风化带用室内和现场测试的岩石( 体) 物理 力学性质指标进行岩体风化分带；根据点荷载强度指标划分风化带；根据波速 比和标准贯入试验击数划分风化带。此外应用比较广泛的有模糊聚类分析法、模糊 综合评判法、模糊模式识别法、有序数据的最优分割法和求矩阵最大特征值法等。 对重力坝坝基来说，按我国国家规范，岩体风化带的划分是确定建基面的最关 键的因素，直接涉及到建基面的选取及工程投资。因此本文将坝基岩体的风化作为 影响重力坝建基面选择的一个重要因素。 2 2 2 卸荷作用 l 、卸荷作用本质 同风化一样，卸荷作用是斜坡岩体浅表改造的另一种重要外生营力，卸荷回弹 是斜坡岩体变形破坏的一种主要方式。卸荷回弹是指河谷开挖以后形成的f f 缶空面或 河海大学硕士学位论文 类临空面为储存在岩体中的高应变能提供了释放空间，伴随能量释放，斜坡浅表一 定范围内岩体应力调整，导致浅表部位应力降低，而在坡体更深部位产生某种程度 的应力集中，即产生所谓应力驼峰现象。表部应力降低导致岩体回弹膨胀、结构松 弛，并在集中应力和剩余应力作用下产生新的表生结构面卸荷裂隙。一旦封闭于 岩体中受约束的弹性能释放完毕，卸荷回弹即告结束。卸荷作用造成的岩体表生改 造与卸荷裂隙生成导致岩体结构松弛，岩体结构松弛的主要原因为应力状态改变和 斜坡的长期累积变形。如前所述，卸荷回弹之前岩体处于三向等压应力状态且以压 缩为主，而由于河谷下切、侧向力降低，岩体处于不等压状态而产生侧向拉伸形变 导致岩体松弛。可见，卸荷作用的本质为原岩应力降低，导致的结果是岩体结构松 弛。 2 、卸荷岩体特征及确定卸荷带深度常用方法 卸荷岩体一般分为强卸荷带、弱卸荷带及卸荷影响带。岩体卸荷带是在其上攫 荷载及侧向约束解除或削弱的状态下河谷在一定深度和宽度范围内因应力重新调整 而出现的松弛岩带，在这样的应力环境下，卸荷带岩体表现出：表部岩体崩塌、 松动，地面开裂，严重者使斜坡岩体演化为变形体或滑坡；新的结构面产生，原 有结构面在其尖端表现出裂纹扩展，一些近地表结构面张开拉裂；节理面夹泥或 为其他次生物充填；在环境场特别是松弛的应力场、活跃的渗流场作用下风化强 烈且愈演愈烈，由此导致岩石某些组织结构破坏，某些矿物成分发生转化，流失或 质变；应力松弛使岩石孔隙加大、岩石密度降低；岩石卸荷回弹，体积膨胀， 力学性能降低；岩体位移明显，在软岩表现为塑性变形强烈，在硬岩表现为结构流 变突出：r q d 值、波速值、视电阻率值降低，岩体结构松弛、完整性变差；地下 水活跃，水岩作用显著，酮室开挖后引起围岩渗水、滴水、流水、涌水：岩 体从宏观上，岩石从微观上分别向其两极生长，拉西瓦水电站坝区花岗岩地段可见 高达近百米，沿长大裂隙为界的直立卸荷带，向家坝水电站坝区沉积岩中发现有次 生矿物呈晶簇产出。以上种动致使岩体变形加剧、力学参数降低、结构效应扩大、 局部地段破坏、岩体整体性降低。 目前常用的确定卸荷带深度的方法有以下几种： 1 ) 野外地质调查；卸荷带岩体发育的特征为我们提供了野外地质调查岩体卸荷 与分带的重要依据，现场调查统计可归结为两个方面，一为野外地表调查，二为勘 探点调查。在地衣，调查出露基岩的卸荷拉张情况、陷落带等各种异常迹象；各勘 1 2 坝基岩体结构与建基面选择 探点位可揭示岩体深部的多种信息，详细描述统计钻孔、平硐、坑槽、竖井结构面 性质、性状、数量、开度、充填、岩石风化、力学特征、地下水出露等发育特征， 对认识岩体卸荷及不同卸荷带划分至关重要。野外地质调查为我们提供了了解岩体 卸荷的第一性素材，在占有了大量资料之后，才能对河谷岩体卸荷的程度和范围从 宏观上有深入的把握与理解，在此基础上确定划分卸荷带的定性及定量的标准。 2 ) 总结卸荷裂隙发育规律 探寻卸荷裂隙在坡体不同深度和部位的发育规律将有助于揭开岩体卸荷发育的 规律并进而成为确定各卸荷带台体之间分界限的依据和方法。如对卸荷裂隙的发育 密度、张开充填宽度等的探寻有助子定量的划分。 3 ) 物探手段 物探资料包括声波、地震波、视电阻率、放射性测量、孔内电视等测试监测成 果，对其成果进行分析整理，亦可揭示卸荷带发育规律。如西南某水利枢杠地震波 表明卸荷带岩体波速较未卸荷岩体有明显降低( 如图2 5 ) ，波速值平均2 7 3 7 k m s 。 波 速 渡 述 图2 5地震波速随平硐硐深变化典型曲线图 3 、坝基岩体卸荷结构面分类 岩体结构面从成因来说主要可分为原生结构面、构造结构面及后期经各因素改 造产生的次生结构面三大类。而卸荷作用对各类结构面均有不同程度的影响，可把 由于卸荷作用产生或受其影响强烈的结构面称为卸荷结构面。卸荷结构面主要可分 为两种：受卸荷作用而条件恶化了的原生或构造结构面，它保持了原生或构造结 构面的基本特点；由卸荷作用本身产生的拉张裂隙或明显节理，其特点为基本与 河海大学硕士学位论文 临空面走向一致或交角较小，以陡倾角为主，多拉裂张开，张开程度由上至下逐渐 减小。 2 3 坝基岩体结构 2 3 1 坝基岩体结构定义 谷德振、孙玉科等把被结构面切割的岩块称为结构体。1 ，并把结构面和结构体 称为岩体结构单元，在此基础上，孙广忠教授迸一步把岩体结构定义为不同类型的 岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式。对坝基工程来说，本文从影响坝基稳定 的重要因素着眼，将坝基岩体结构定义为由影响坝基稳定的各类结构面切割受风化、 卸荷等作用的坝基岩体( 块) 的结构表现型式。两者从结构表现形式上来说是一致的， 后者考虑了影响坝基稳定的主要因素并将其直接包括进基本概念中，使其从单纯的 组合、排列形式转变为包含特定含义和内容的表述，从而使的从坝基岩体结构角度 进行重力坝建基面选择工作成为可能。从上述概括可以看出，坝基岩体结构的定义 主要内容包含三个要素：第一要素为坝基岩体结构面，特别是存在于坝基的不利的 软弱结构面将直接决定坝基的稳定性。第二要素为受风化、卸荷等作用的岩体( 块) 本身，不仅考虑岩体( 块) 本身的性状( 如r q d 、岩体纵波波速、岩石抗压强度等 各种物理力学性质) ，同时还要充分考虑风化、卸荷作用对其性状的影响。第三个要 素为由结构面切割形成的岩体表现型式，既坝基岩体结构类型的表达。 2 3 2 坝基岩体结构类型 “岩体结构”理论作为中国工程地质2 0 世纪的四大基础理论之一，已成为指导 工程地质科学研究和大型工程建设的重要理论基础叫。1 9 7 9 年谷德振教授提出了岩 体结构基本类型划分，如表2 - 2 。随后在我国工程地质界对岩体结构分类进行了很 多工作和探索的基础上，成果已逐步形成国标或行业规范，如水力水电工程地质 勘察规范( g b 5 0 2 8 7 - 9 9 ) ，如表2 - 3 ，表2 - 4 ，岩土工程勘察规范( g b s 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 等，用以指导我国各行各业的大规模建设“4 “。 1 4 坝基岩体结构与建基面选择 表2 2岩体结构基本类型划分简表 岩体结构类型完整程度 类亚类力学结构 完整 结构面特征 代名 代 名 介质地质背景面间 性系 类型距 号称号称数 ( c m ) 整 i 。 整体连续 岩性单一，构造变形轻 、v 级结构面存在，佣 体 结构介质 微的臣极厚层沉积岩、 1 0 0b o 7 5 见级结构面，组数超过3 交质岩和火成岩 组，延展性极差，多闭合， 块 无充填 i 状 以、v 级结构面为主， 结连续介 岩性单一，构造变形轻1 0 0o 7 5层间有一定的给合力，以 构 块状质或不 i2的中等厚层沉积岩、 两组高倾角剪切节理为 结构连续介 质 变质岩和火成岩 5 00 3 5 主，多闭合，或夹碎屑或 薄膜 层状 不 5 0o 6 0 以、级结构面为主， 层 1 1 l 连续 主要指构造变形轻中亦存在级结构面，一般 结构 等，层状岩层 有2 3 组，层面尤为明显， 状 介质 3 00 3 0 层问结合力差 结 层理、片理发育，原生软 构 薄层 不 同i i ，在构造变动下表 弱夹层、层问错动小断层 1 1 2状结连续现为强烈的褶皱和层何 3 0 o 4 0 不时出现，结构面多为泥 构介质错动 膜、碎屑充填 留英 似一般发育于脆性岩层中 5 0 ；一 以i 、级结构面为主结 连续 的压碎岩带，节理、劈般为数 0 3 5 构面为主，组数多，密度 结构大，延展性甚差，结构面 介质理组数多，密度大 厘米 租糙，闭合夹少理碎屑 i i ，m 、级结构面均发 碎 层状 不 软硬相问的岩石组合、育，其中f i 、级软弱结 裂 2 碎裂连续 叠瓦式构造带，通常为构面起控制作用，相对坚 i n 软弱破碎带与完整较好 1 0 0 0 4 0 硬完整的，与软弱破碎带 结 结构介质 构 的岩体相间相间存在的骨架岩体则以 、级结构面为主 i i 、i 、v 级结构面 不连续 岩性复杂，构造变动剧均有发育，多数夹泥，结 破碎介质或 ， 烈，断裂发育，亦包括 5 0 0 3 0 构面光滑程度不一，形态 结构似连续 弱风化带各异，有的破碎带粘土成 介质 分甚多 似 构造变动剧烈，一般为 断层破碎带、接触带中节 教体结构连续 断层破碎带，岩浆岩侵 8 0 3 0 紧密 一般无充填，部分钙 无 辉长岩结构膜或绿泥石渲染 整体 玄武岩 块状 0 87 5 2 5 紧密方解石、绿帘石 结构 整体 无 变质或 0 6 7 5 1 7紧密 方解石为主，部分绿 玄武岩 块状泥石渲染 结构 块状 较紧 一般无充填，部分钙 正长岩 o 5 7 0 5 0 结构 密 膜或绿泥石渲染 个别裂隙 各类 块状 较紧局部充填 镶嵌 o 4 6 0 1 0 1 5 绿泥石渲染、方解石 玄武岩 密 结构 镶嵌 或 正长岩 o 35 03 0 较差 块状 部分裂隙 结构 充填 各类 镶嵌 碎裂 0 34 01 0 较差 玄武岩 结构 绿泥石 碎裂 较紧 镶嵌密集 2 0 1 5 强烈 玄武岩 结构 松弛 断层带由片状、块状、劈理岩屑组成，无连续断层泥 断层带由角砾、岩屑、岩块以及i 5 c m 连续断层泥充填 1 7 河海大学硕士学位论文 表2 7溪洛渡水电站坝址岩体结构分类表 结构类型岩体结构特征及代表性岩性 岩石坚硬，岩体完整，结构面不发育，间距大于1 0 0 c m ，延伸短，一般小于2 3 c m 、呈闭合状，完整性系数k v 大于o 7 5 ，r q d 值大于9 0 ，5 m 段条数小 整体状结构( i ) 于1 4 条，新鲜、微风化、强度高的完整熔岩岩体和新鲜、微风化、完整的玄 武岩体 岩石坚硬，岩体较完整，结构面轻度发育，间距5 0 1 0 0 c m ，延伸不长，一 块状结构( i i )般为2 3 c m 、呈闭合状，完整性系数瞄大于o 5 5 o 7 5 ，r o d 值大于7 5 9 0 ，5 m 段条数小于1 4 2 5 条，新鲜、微风化、玄武岩体、熔岩岩体 大次块 岩石坚硬，岩体较完整，结构面较发育，间距4 0 5 0 c m ，有风化裂隙发育， 状结构 结构面封闭程度有所降低，部分微张开，完整性系数k v 大于0 4 5 0 5 5 ，r q d 次块 ( m 0 值大于6 2 5 7 5 ，5 m 段条数小于2 5 3 0 条，微风化、玄武岩体、熔岩岩 状结 体 构( 1 1 1 ) 小次块 岩石坚硬，岩体完整性中等，结构面中等发育，间距3 0 4 0 e m ，有风化裂隙 状结构 发育，结构面封闭程度有所降低，部分微张开，完整性系数k 大于0 3 5 o 4 5 ， r q d 值大于5 0 6 2 5 5 m 段条数小于3 0 3 5 条，微风化、玄武岩体、熔 ( 。) 岩，嵌合紧密的弱风化下带玄武岩、熔岩 镶嵌碎 岩石坚硬，岩体完整差，岩体嵌合较紧密，间距3 0 1 0 c m ，完整性系数磁 裂结构 大于0 1 5 o 3 5 ，r q d 值