4工程地质学-坝基稳定性的工程地质.ppt.ppt

工程地质学 坝基稳定性工程地质研究 工程地质条件不仅影响到坝址 坝型的选择 而且关系到工程投资 施工工期 工程效益和工程安全 坝基稳定性的工程地质研究主要解决3大问题 坝基在承受荷载作用下不致发生滑动失稳 坝基各部位的应力及变形值要在许可范围内 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 渗漏量和渗透压力都应控制在允许范围内 坝型对地质 地形条件的要求 土坝建筑最多 就地取材 构造简单 经济且施工技术简单 便于土法上马或半机械化施工 1 土坝 均质土坝 心墙土坝 斜墙土坝 多种土质坝 带铺盖的斜墙坝 1一心墙 2一截水墙或齿墙 3一斜墙 4一铺盖 5一透水层 均质土坝 由单一的粘性土筑成 整个坝体是防渗体 它的结构简单 取材方便 施工容易 塑性心墙或刚性心墙坝 坝体中间用粘土或浆砌石做防渗体 坝体可由任何土料填筑 但多用透水性较强的土料 而粉细砂易于液化 不宜采用 塑性斜墙或刚性斜墙坝 把防渗体设在上游迎水坡 而用砂砾料做坝体部分 多种土质坝 坝体由几种性质明显不同的土料构成 通常把透水性小的土料靠近上游坡 向下游逐渐用透水性大的土料填筑 铺盖的心墙或斜墙坝 常在坝基透水层很厚时修筑 于坝前库底设粘土铺盖层 并使粘土铺盖层与心墙或斜墙相连 土坝的特点 土坝是由疏松土筑成的 坝坡不能太陡 迎水面为坡度1 2 25 1 3 0 下游面为1 1 75 1 2 5 土坝的坝体都较大 土坝的坝顶不能直接溢流 需要另修溢洪道 土坝对地基的要求较低 除有活断层及大的顺河断层 巨厚强透水层 压缩变形强烈的淤泥软粘土层 膨胀崩解较强的土层 强震区存在较厚的粉细砂层等不利条件外 一般均可修建 土坝坝体大 断面宽 常为坝高的4 5 6倍 加上适当的防渗结构 通常对渗透破坏具有一定适应能力 并允许有一定坝基渗漏量 土坝坝体属于塑性坝体 可适应一定的地基变形 塑性心墙或斜墙坝的适应性更强 特别是抗震性能比其它坝型都好 土坝适于山区 丘陵以及平原地区的各种地形 地质条件 关键问题 防渗处理 用当地石料筑成 并用防渗料作心墙或斜墙 采用精选的石块堆砌成层次分明的堆石砌体 称为干砌石坝 按防渗体和堆石体的相对位置 可分为斜墙堆石坝和心墙堆石坝 堆石坝同土坝一样 坝顶一般不溢流 2 堆石坝 堆石坝对地基变形的适应性能也较好 砂卵土 砂土及粘性土地基上均可修建 只须清除淤泥 腐植土等 清基量小 施工简便 应注意岩石地基的整体性 要适当处理大裂缝 断层和破碎带等 混凝土重力坝是一种常用的坝型 它的横断面近于三角形 用混凝土或浆砌石筑成 体积大 分量重 主要依靠坝体自重与地基间摩擦力维持稳定 不至于倾倒或滑移 重力坝常按其顶部是否溢流而分为溢流坝和非溢流坝 又可按坝体结构形式分为实体重力坝 宽缝重力坝 空腹重力坝等 重力坝的优点是能够坝顶溢流 一般不再需要修建溢洪道 坝体坚固可靠 使用耐久 可以机械化施工 3 混凝土重力坝 实体重力坝 空腹重力坝 宽缝重力坝 支墩坝 拱坝 俯视 拱坝 剖视 对地质 地形条件的要求 具体有 1 大坝与基岩接触面以及坝基岩体内部具有足够的抗剪强度 能满足抗滑稳定的要求 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 重力坝主要依靠坝身自重与地基间产生足够大的摩擦阻力来保持稳定 故重力坝对地基要求比土石坝高 一般都修在岩基上 低坝也可以修在较好的土质地基上 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 4 重力坝对地形适应性好 几乎可以在任何形状的峡谷中修建 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 重力坝可以从坝顶泄洪 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 空间壳体结构 平面上呈拱形 凸向上游 两端支撑在岸坡岩体上 利用拱的作用 把水压力的大部或全部传递给两岸支撑岩体 以保持稳定 拱坝是整体结构 所以其抗地震性能很高 4 拱坝 拱坝的工作特点1 拱与梁的共同作用 2 稳定性主要依靠两岸拱端的反力作用 因而对地基的要求很高 3 拱是一种推力结构 承受轴向压力 有利于发挥砼及浆砌石材料的抗压强度 4 拱梁所承受的荷载可相互调整 因此可以承受超载 5 拱坝坝身可以泄水 6 不设永久性伸缩缝 7 抗震性能好 8 几何形状复杂 施工难度大 拱坝的稳定性主要是依靠坝端两岸岩体维持 所以拱坝对地质 地形条件的要求有 要有较高的承载力 对岩石强度要求较高 尤其是两岸岩体应当完整坚硬而新鲜 对软弱夹层 断层破碎带等不利结构面必须进行专门处理 要有足够整体性和均一性 以免发生不均匀变形 局部不均匀沉降会影响整个坝体产生附加应力 导致坝体破坏 要有足够的稳定性 特别在拱端的巨大推力下而两岸坝座不致发生滑动 因此 要特别注意两岸与河谷平行的断层 节理 层面 卸荷裂隙等 并要求拱端有较厚的稳定岩体 最理想的地形是对称的v型或u型峡谷 宽高比与厚高比 a 宽高比 河谷宽度l与坝高h的比值 b 厚高比 坝厚t与坝高h的比值 l h 1 5 t h 0 2为薄拱坝 l h 1 5 3 0 t h 0 2 0 35为一般拱坝 l h 3 0 4 5 t h 0 35 0 60为重力拱坝 由倾斜的挡水面板部分和一系列支墩组成的坝型 由混凝土浇筑而成 上游水压力由面板传到支墩上 再经支墩传给地基岩体 根据挡水面板的型式 又分平板坝 大头坝 连拱坝及设有基础板的平板坝等 5 支墩坝 平板坝 支墩连拱坝 大头坝 支墩坝对地形地质条件的要求 介于拱坝与重力坝之间 具有以下特点 1 支墩坝对地基的荷载能力要求低于重力坝 2 天然建筑材料需求较小 3 地质条件适应性较强 4 扬压力的不利作用较小 5 坝轴线方向整体性差 侧向稳定性差 抗震性能也低 抵抗坝肩岩体侧向变形能力低 所在的地基岩体要坚固 支墩间不允许不均匀沉降 6 地基摩擦系数值对挡水面板的坡度影响很大 当f 0 9时 坝面倾斜角可为50度一60度 f值愈小 坝面坡度要求愈缓 底宽及开挖量愈大 选择坝址应考虑的工程地质条件 应考虑的工程地质条件有 地形地貌 岩石性质 地质构造 水文地质条件 物理地质现象 建坝石料等 还应预计在这种条件下可能产生的工程地质问题 并判定对其处理的难易程度 工程量的大小 最后通过各方面综合比较 选出一个好坝址 1 地形 地貌 河谷宽度以适于工程布置 投资节省及施工方便为宜 峡谷地区河谷较狭窄 岩石往往新鲜 强度也较高 适于修建混凝土坝或砌石坝 宽敞河谷地区岩石风化较深 覆盖层较厚 一般适于修建土坝 河湾处布置上有其优越性 但河间地块往往是地质上薄弱地带 常存在有渗漏和稳定性问题 某些河湾的形成常与软弱岩层 断层带 滑坡的存在有关 古河道常引起大量的渗漏 谷中谷则对渗漏和稳定都有较大的影响 阶地与河漫滩的疏松沉积物较厚 结构也较复杂 对坝型和基础处理影响很大 因此要特别注意研究其厚度 岩性及其分布规律的变化 谷中谷 岩性均一完整处注意卸荷裂隙的发育 平缓单薄处注意构造的发育与岩层的风化 高陡斜坡处要注意重力和风化作用形成的岩体松动带 2 岩石性质 坝基岩石是决定坝的稳定 正常运行和工程造价的主要问题 混凝土高坝应选择坚硬 均一 完整 不透水 不软化的岩石组成的河段为坝址 据统计 我国已建和正建的高于60m的大坝 坝址为火成岩的河段约占50 其余又大都建于片麻岩 石英砂岩和砂岩河段之上 易变形软化的页岩和千枚岩河段上 仅建有个别高坝 火成岩一般强度高 压缩性低 不溶于水 软化性小 但因其形成条件不同 性质亦有差别 深成岩体分布广 岩性均一 极限抗压强度一般在1500kg cm2以上 抗剪强度亦高 常为良好的坝基 但常沿裂隙风化 有时延伸较大 花岗岩有时风化深度可达数十米 甚至有囊状风化带和球状风化体存在 浅成岩一般力学强度较高 但原生节理或多次侵入的小岩体与围岩接触处 常变质或形成破碎带 喷出岩抗压强度有的可达2500kg cm2以上 抗水性能良好 这类岩石常系多次喷发形成坚硬块状岩石与集块岩 凝灰岩互层 凝灰岩夹层往往因层间错动而风化 泥化 构成坝体滑移控制面 沉积岩具成层构造 在岩性相同的条件下 坝址宜选在厚层岩石上 碎屑岩类如砾岩 砂岩等 强度与胶结物类型有关 硅质胶结的强度最高 铁质 钙质胶结的强度虽较高 但易风化 钙质胶结的易形成溶洞 石膏胶结的碎屑岩 性质最差 强度低 遇水易软化 溶解和膨胀 溶解速度比方解石快100多倍 硬石膏吸水后体积可增大33 粘土胶结的碎屑岩也较差 强度低 易风化 遇水易软化 崩解等 粘土岩强度低 易变形 易风化 易软化 坚硬岩层有产状不利的粘土岩夹层 对坝基抗滑稳定很不利 化学岩及生物化学岩 强度一般能满足建坝要求 但坚脆的燧石岩中裂隙发育 碳酸盐岩类的溶蚀现象较发育 变质岩 一般呈块状构造的石英岩 大理岩等力学强度高 压缩性及软化性都很小 是良好的坝基持力层 但要注意大理岩中的溶蚀现象 片麻岩工程性质良好 抗压强度多在1500kg cm2以上 但有时风化深度较大 各类片岩一般沿片理方向强度较低 由石英或长石等矿物组成的片岩性质较好 由云母或绿泥石等矿物组成的片岩性质则差 常对坝基抗滑稳定不利 板岩及千枚岩岩质软弱 常构成软弱夹层 疏松覆盖层 其厚度 组成和结构 在坝址选择中具有重要意义 覆盖层强度远低于基岩 透水性一般都高于基岩 刚性高坝需挖除覆盖层 建于基岩上 疏松覆盖层愈厚 挖方愈多 坝体向地面以下延伸部分愈深 工程量就愈大 覆盖层若有较厚粉细砂层 开挖时往往产生流砂 36 3 地质构造 山区河谷的发育受地质构造的控制最明显 水平或近于水平的岩层构成的坝址 坝基岩石均一 完整 岩层越厚筑坝条件越好 坝基承载力在水平方向将是近似的 平缓岩层所受构造变形不显著 一般断层不发育 但应注意渗漏和抗滑稳定问题 特别注意层面结合情况及软弱夹层的分布 倾向上游的单斜层上筑坝 要注意顺河张性断层的发育 倾向下游的单斜层上筑坝不利防渗 但倾角较陡则比较有利 向斜谷或背斜谷工程地质条件较为复杂 褶皱轴部多十分破碎 断层 节理发育 不利于基础稳定和防渗 并存在沿软弱夹层滑动的可能性 向斜谷两岸的稳定问题亦应特别注意 褶皱轴部张性断裂发育 岩石破碎 对防渗和稳定都不利 应将坝线上下移动避开 岩层走向与河流平行工程地质条件要差些 层面和构造线的方向大多平行于河流 坝基岩石均一性差 并无法避开各种纵向结构面 单斜岩层坝址 岩性往往不均 易沿层面和透水岩层渗漏 当倾角小于斜坡坡角时 顺层岸坡也不稳定 4 水文地质条件 渗漏问题突出时 如岩溶地区建坝 则应通过水文地质条件比较 选择坝址 必须首先考虑充分利用相对隔水层 使不致产生严重的坝区渗漏 或使坝区渗漏问题易于处理 无隔水层利用 则应选岩溶发育微弱 岩石渗透性不强烈的地段为坝址 5 区域稳定性避开活动断层地震 抗震设计水库蓄水诱发地震6 避开滑坡 泥石流等不良工程地质现象 坝基 肩 岩体的抗滑稳定性 1 坝基滑动破坏类型 坝基抗滑稳定性是指坝基岩体在建坝后的各种工程荷载作用下 抵抗发生剪切滑动破坏的性能 重力坝是依靠自身重量使坝体与基岩间产生摩擦阻力或称为抗滑力来保持稳定 所以 坝基抗滑稳定性问题是重力坝勘察设计研究的主要课题 而其它坝型与之相比 重要性不如重力坝突出 一般情况下 重力坝坝身比较坚固 很少有坝身受到剪切滑动破坏的坝 但是坝基岩体则不然 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 重力坝坝基的滑动破坏有三种类型 1 表层滑动 沿坝底与坝基接触面发生的剪切破坏 坝底与岩体接触面为滑动面 坝体底面与坝基岩体接触面发生剪切破坏 主要发生在坝基岩体坚硬 均匀 完整 裂隙少 无软弱结构面 岩体强度远大于坝体混凝土强度的条件下 2 浅层滑动 坝体连同一部分坝基浅部岩体发生的剪切破坏 坝基岩体软弱 风化岩层清除不彻底 或岩体比较破碎 岩体本身抗剪强度低于坝体混凝土与基岩接触面的强度 在近于平产出的薄层状岩体坝基 由于抗弯折变形能力很低 在水平推力作用下 坝址下游岩层弯曲隆起 于是促成坝基浅部岩体发生滑动 3 深层滑动 当坝基岩体深部存在特别软弱的可能滑动面 坝体连同一部分岩体沿深部滑动面产生的剪切滑动 岩体内部存在软弱结构面 层面 裂隙面 断层面 软弱夹层 与相反倾向的夹层或缓倾裂隙组合能构成危险滑移体 分离体 坝基岩体滑动边界条件分析 表层滑动问题边界条件比较简单 坝基抗滑稳定性主要决定于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪强度 浅层滑动发生在岩体浅部 滑动面参差不齐 但大致接近于平面 抗滑稳定性决定于浅部岩体的抗剪强度 在稳定分析计算中常略去岩体重量 同表层滑动一样用平面滑动的公式计算 坝基深层滑动条件比较复杂 它必须具备滑动面 纵向和横向切割面 临空面 这些要素构成了深层滑动的边界条件 1 滑动面通常构成滑动面的有软弱夹层 特别是泥化夹层 软弱断层破碎带 软弱岩脉 围岩蚀变带 缓倾角裂隙 层面 不整合面等 当它们具有产状平缓 小于30度 分布范围大 连续性强 埋藏浅 夹泥多等特征时 成为坝基的滑动面 坝基岩体抗滑能力主要取决于滑动面的工程地质特性 因此 滑动面及其抗剪参数的确定是坝基抗滑稳定分析的关键 1 岩体滑动边界条件构成 2 切割面与滑动面相配合把滑移体与周围岩体分割开的结构面 可分为纵向切割面和横向切割面 纵向切割面是指顺河方向延伸的 长而平直的陡立结构面 横向切割面是平行于坝轴线的结构面 它垂直于工程作用力方向 岩体滑动时在此面上产生拉应力 故又称拉裂面 3 临空面滑移体向下游滑动时能够自由滑出的面 存在于坝下游距坝不远的范围内 临空面有两类 一类是水平临空面 如下游河床地面 另一类是陡立临空面 如下游河床深潭 深槽 溢流冲刷坑 厂房及其他建筑物基坑等 当坝下游岩体中有横穿河床的断层破碎带 节理密集带 软弱岩体 深风化破碎带 潜伏溶洞带等时 由于它们强度低 压缩累积变形大 同样可以成为陡立临空面 1 平缓层状岩体滑移边界条件岩层倾角在30度以下 岩体内构造结构面不甚发育 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 2 坝基岩体常见的滑动边界条件 滑移边界条件为 层面 层间错动面 软弱夹层 泥化夹层易于构成滑动面 特别是在岩性不均一的砂页岩 灰岩夹页岩地层中 切割面一般由x形扭断裂组成 如坝基出现楔形体 无论其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 则有浅层滑动的可能 只有当不具备深层滑动条件 而且岩体坚硬 层理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 坝基为砂岩 板岩互层 倾向下游偏左岸 倾角7 20度 6 7坝墩两侧有顺河向f101与f102 2断层作为纵向切割面 坝址下游86 90m处的溢流冲刷坑切断了顺层面分布的可能滑动的破碎夹泥层 坝基为震旦系石英砂岩夹泥质薄层粉砂岩和页岩 岩层倾向下游偏右岸 倾角6 8度 以伊利石为主的层间错动 单层厚0 1 2 0cm泥化夹层 坝址下游有斜切河床的f4断层 破碎带宽8 10m 压缩变形大 可按临空面对待 经计算岩体抗滑稳定安全系数达不到规范要求 故采用了降低坝高和加宽坝体的措施 泥化夹层 潜在的滑动面 潜在的双滑动面 渗漏 2 倾斜层状岩体滑移边界条件岩层倾角在30 60度范围内 一般40 50度 岩层受到一定的构造变动 存在各种力学成因的构造结构面 倾角较大 它们组合的结构体呈棱柱形或楔形 往往嵌入地基深处 其稳定条件相对较好 坝基的稳定是由混凝土与基岩接触面所控制 岩体中断裂往往相当发育 可能会造成浅层滑动 岩体中反倾向压性断裂有时产状比较平缓 当其性质软弱破碎 延续较长时 可能起滑动面作用 在横谷情况下 反倾向压性结构面是底滑面 在纵谷情况下 则与层面共同组成滑动面 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 稳定条件虽较前述情况为好 但仍应注意反倾向断裂与层间软弱结构面的配合对局部地段可能起的危害 3 陡倾斜或倒转层状岩体 岩层倾角大于60度或形成倒转 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的浅层滑动问题 岩层陡立 层面和层间软弱结构面一般不能起滑移控制面作用 4 块状岩体岩体中的平缓裂隙一般不发育 断裂倾角陡立 延续性远不如缓倾岩层中的层间软弱结构面 而且由于岩性坚硬 所以大多数工程是以混凝土与基岩接触面强度控制坝基的抗滑稳定性 深部和浅部滑移边界条件只在少数工程中出现 1 坝体自重坝