16水利水电工程地质勘察.ppt

第十六章水利水电工程地质勘察第一节概述第二节水坝工程地质第三节水库工程地质第四节水利水电工程地质勘察要点 第一节概述水利水电工程建设是一项造福于人类的伟大事业 它通过建造水工建筑物 利用和调节江河 湖泊等地表水体 使之用于发电 灌溉 水运 水产 供水 改善环境 拦淤 防洪等 达到兴利除害的目的 水是廉价的常规能源 我国水资源非常丰富 理论上能蕴藏量6 8亿千瓦 占世界第一位 目前只开发了很少一部分 发展水利水电事业在我国国民经济建设中具有非常重要的意义 水利水电建设的主要任务是兴建水利水电工程 水利水电工程又是依靠不同性质 不同类型的水工建筑物来实现的 水工建筑物按其作用分为 挡 蓄 水建筑物 水坝 水闸 堤防等 取水建筑物 进水闸 扬水站等 输水建筑物 输水渠道 隧洞等 泄水建筑物 溢洪道 泄洪洞等 整治建筑物 导流堤 顺堤 丁坝等 专门建筑物 电力厂房 船闸 筏道等 水利枢纽 某一项水利水电工程总是由若干水工建筑物配套形成一个协调工作的有机综合体 称此综合体为水利枢纽 对于大多数水利工程而言 挡水坝 引水渠和泄水道是最重要的 三大件 而挡水坝又是所有水工建筑物中最主要的建筑 水坝建成后 便在其上游一定范围积蓄地表水形成 人工湖 称此 人工湖 为水库 根据工程规模和经济效益 将水利枢纽划分为五级 表16 1 不同级别的枢纽工程 设计的标准及技术要求不同 工程地质勘察的工作内容 范围和深度也有所不同 水利水电工程不同于其他任何建筑工程表现为 1 它由许多不同类型建筑物构成 因而对地质上也提出各种要求 2 水对地质环境的作用方式是主要的 其对建筑影响范围广 产生一些其他类型建筑不具有的特别的工程地质问题 水工建筑物对地质体的作用主要表现在三个方面 1 各种建筑物以及水体对岩土体产生荷载作用 这就要岩土体有足够的强度和刚度 满足稳定性的要求 2 水向周围地质体渗入或漏失 引起地质环境的变化 从而导致岸坡失稳 库周浸没 水库地震 也可以因为水文条件改变导致库区淤积和坝下游冲刷等一系列工程地质问题 3 施工开挖采空 引起岩土体变形破坏 因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝或堆石坝坝基和坝坡的坍滑 因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走 使坝基被掏空而造成的破坏 坝下游岩体冲刷 溢流冲刷 掏空 也可造成大坝的破坏 第二节水坝工程地质各类水坝的特点及其对工程地质条件的要求坝区渗漏及对坝基稳定性的影响坝基 肩 抗滑稳定性问题坝址选择工程地质论证 一 各类水坝的特点及其对工程地质条件的要求 一 重力坝 二 拱坝 三 土坝 四 堆石坝 干砌石坝 一 各类水坝的特点及其对工程地质条件的要求水坝的分类按筑坝材料可分为 土坝 堆石坝 干砌石坝 混凝土土坝等 按坝体结构可分为 重力坝 拱坝 支墩坝 按坝高 h 可分为 低坝 h70m 不同类型的坝 其工作特点及对工程地质条件的要求是不同的 下面讨论几类常见水坝的特点及其对工程地质条件的要求 一 重力坝重力坝也是一种常用坝型 有混凝土重力坝和浆砌石 圬工 重力坝 由于它结构简单 工作可靠 对地形适应性好 所以在各种坝型中的比重仅次于土坝 重力坝的特点是重量大 依靠其自重与地基间产生的摩擦力来抵抗坝前库水等的水平推力 保持大坝稳定 同时 还利用其自重在上游面产生的压应力 足以抵消库水等在坝体内和坝基接触面上产生的拉应力 使之不致发生拉张破坏 重力坝在满足抗滑稳定及无拉应力两个主要条件的同时 坝体内的压应力通常是不高的 如一座高达70m的重力坝 共坝体最大压应力一般不超过2mn m2 所以材料强度未能被充分利用 不经济 同时 由基础面较宽 地基面上的压应力也是不高的 浇筑混凝土坝体时 由于温度效应会使其产生裂缝 为了克服上述缺点和节省材料夕近数十年来国内外创造发展了宽缝式 空腹式 空腹填碴式及予应力式等新型重力坝 重力坝对工程地质条件的要求是 1 坝基岩石的强度要高 要求坝基岩石坚硬完整 有较高的抗压强度 以支持坝体的重量 同时 也应具有较大的抗剪强度 以利于其抗滑稳定性 因此 重力坝一般要求修建在坚硬的岩石地基上 软基是不适宜的 当坝基岩层中有缓倾角的软弱夹层 泥化夹层和断层破碎带等软弱结构面存在时 对重力坝的抗滑稳定很不利 尤其是那些倾向与工程作用力方向一致的缓倾角软弱结构面 坝基中若有河流覆盖层和强风化基岩时 需清除或加固 2 坝基岩石的渗透性要弱 坝基岩石中的缝隙 会产生渗漏及扬压力 对水库蓄水效益和坝基抗滑稳定均不利 特别是强烈岩溶化地层和顺河向的大断裂破碎带 在坝址勘察中应十分注意 对它们的处理常常是很复杂和困难的 3 就近应有足够的 合乎质量要求的砂砾石和碎石等混凝土粗细骨料 它往往是确定重力坝型的依据之一 二 拱坝拱坝在平面上呈圆弧形 凸向上游 拱脚支承于两岸 作用于坝体上的库水压力等 借助于拱的推力作用传递给拱端两岸的山体 并依靠它的支承力来维持稳定 拱坝的上述结构特点 决定了它对工程地质条件的特殊要求 1 坝址应为左右对称的峡谷地形 河谷高宽比愈大的 v 形峡谷 愈有利于发挥拱坝的推力结构作用 若地形不对称 就需开挖或采取结构措施使之对称 2 坝基及拱端应座落在坚硬完整 新鲜均匀的基岩上 上下游岸坡和拱端岩体稳定 且无与推力方向一致的软弱结构面存在 三 土坝利用当地土料堆筑而成的一种历史最悠久 采用最广泛的坝型 它有很多优点 可以就地取材 结构简单 施工技术容易为群众掌握 抗震性能强 而且对地质条件的要求在各类坝型中是最低的 按其筑坝材料和防渗结构不同 可以分为若干类型 土坝对工程地质条件的要求是 1 坝基要有一定的强度 由于土坝允许产生较大的变形 故可以在土基 软基 上修建 但它也是以自身的重力抵挡库水的推力而维持稳定的结构物 体积很大 荷载被分布在较大的面积上 所以要求坝基材料具有一定的承载能力和抗剪强度 选择坝址时 应避免以淤泥软土层 膨胀 崩解性较强的土层 湿陷性较强的黄土层以及易溶盐较高的岩层作为坝基 考虑到高坝地基产生的沉陷量较大 坝体应采取超高建筑的形式 使超高等于所计算的最终沉陷量 2 坝基透水性要小 坝基若是深厚砂卵石层或岩溶化强烈的碳酸盐岩类 则不仅产生严重的渗漏 影响水库蓄水效益 而且可能会出现渗透稳定问题 在河谷地段地下水位甚低 岩石透水性较强的碳酸盐岩区建坝 常会出现 千库 我国北方的中小型土坝此类问题较突出 3 就近要有数量足够和质量合乎要求的土料 包括一般的堆填料和防渗粘土料 它直接影响坝的经济条件和坝体质量 4 要有修建溢洪道的合适地形 地质条件 需要修建溢洪道 是土坝的一大特点 在选坝时必须考虑有无修建溢洪道的有利地形地质条件 否则将会增加工程布置的复杂性和造价 四 堆石坝 干砌石坝 坝体用石料堆筑 干砌 而成 它也是一种就地取材的古老坝型 当今由于机械化施工和定向爆破技术的不断发展 堆石坝已成为经济坝型的一种 堆石坝对工程地质条件的要求与土坝大致相同 但比它要高些 一般岩基均能满足此种坝的要求 而松软的淤泥土 易被冲刷的细砂土 地下水位甚低的强烈岩溶化地目 则不适于修建此种坝型 此外 采用刚性斜墙防渗结构的堆石坝 应修建在岩基上 室堆石坝的另一重要条件是坝址区要有足够的石料 其质量要求是 有足够的强度和刚度 有较高的抗风化和抗水性能 二 坝区渗漏及对坝基稳定性的影响坝区渗漏 水库蓄水后 坝上 下游形成一定的水位差 压力水头 在该水头作用下 库水将从坝区岩土体内的空隙通道向坝下游渗出 称其为坝区渗漏 同时 渗流场的水流具有一定的渗透压力和上托力 使土石体产生渗透变形或对岩体产生扬压力而不利于抗滑稳定性 一 坝区渗漏条件分析及渗漏量计算 二 渗透水流对坝基稳定性的影响 三 裂隙岩体防渗减压措施 一 坝区渗漏条件分析及渗漏量计算 1 渗漏条件分析坝基渗漏 坝底下的渗漏为坝基渗漏 绕坝渗漏 坝肩部位的渗漏为绕坝渗漏 坝区渗漏是诸多水利工程中一种普遍的地质现象 一旦渗漏量过大 就会影响水库的效益 或者渗透水流作用危及坝体安全 此时 坝区渗漏成为必须防治的工程地质问题 坝区渗漏量大小取决于库水位高度及渗漏通道存在情况 包括通道的渗透性 连通性 渗径长短等 下面分第四系松散土石体透水介质与裂隙岩体透水介质两种情况 讨论坝区渗漏条件 1 第四系松散土石体坝区渗漏决定因素 第四系土石体透水性取决于其粒度成分 密实度 分选性和土层结构 这些又与其成因 形成时间有关 渗漏条件分析 等粒土石体的渗透系数随粒径增大 渗透系数可以成倍增大 从成因类型看 冲积物分选好 细粒含量少 透水性较好 洪 坡积物总的来说大小混杂 分选性差 透水性较差 而冰碛物分选性更差 透水性极弱 同一成因的沉积物 随着沉积时代由新到老 透水性一般会变小 按渗透系数和渗透率大小 可将土石体分为几个不同透水性等级 第四系沉积物渗漏条件分析 应从第四系地貌和成因类型分析入手 注意查明粗粒物质和细粒物质的分布和结构组合状况 能否产生坝基渗漏不仅与透水层渗透性有关 往往还与相对隔水层的分布有关 2 裂隙岩体坝区渗漏裂隙岩体渗漏通道主要是各种结构面和溶蚀空隙 洞 及其开启性 充填情况 连通情况 河谷形态特征即是决定透水性强弱和入渗 排泄条件的重要因素 渗漏通道的形成 在坝区发育的顺河断裂 裂隙密集带 岸坡卸荷裂隙带 纵谷陡倾和横谷向上游缓倾的各种原生结构面 都可以构成强烈的渗漏通道 渗漏边界条件分析 库水沿断层或裂隙密集带产生的带状渗漏 或者由于隔水层与透水层交互成层 库水沿其透水岩层产生的层状渗漏 易于确定 便于防治 库水沿岩体中裂隙网络系统产生散状渗漏 无一定方向性 边界条件复杂而不明确 此时可以进行压水试验 根据渗透率大小绘制出透水性剖面图 以了解岩体的透水性 2 渗漏量的计算通过地质调查和分析以及水文地质试验 可以初步确定渗漏的途径 边界条件和计算参数 以此为基础 便可以估算渗漏量的大小 渗漏量计算是一项十分复杂的工作 往往很难找到一个切合实际的计算方法 实际工作中 多数情况下是对实际地质条件做些简化 采用水力学计算 或作流网图 方法进行估算 以便得到一个渗漏量的初步评价 为确定渗漏损失和合理的防渗措施提供依据 倘若要求较精确的计算结果 应尽可能根据实际条件 采用流体力学等精确计算或用模型模拟试验方法确定 1 坝基渗漏量计算表16 3列出了几种简单条件下简化的计算式 有了单宽流量 根据实际渗流带宽度b立即得到总渗漏量q b q 上述均适用于层流状态 若水流为紊流 只需将以上各式的水力坡度该为i1 2及紊流渗透系数kw i1 2及kw参考水文地质学 便可用相应公式计算渗漏量 2 绕坝渗漏量计算绕坝渗漏集中发生在临近坝结构的岸边地带 因而岸边地带某一范围内渗漏的边界条件 岩土透水性能以及初始地下水位的状况 是绕坝渗漏的控制因素 绕坝渗漏计算也有水力学方法 流体力学方法和实验室方法 目前基本上采用水力学方法 此法假设岸边流线形状与坝结构建筑物轮廓相似 均为有规则的几何曲线 且沿流线流速不变 此外 绕坝渗漏属三维流 而计算时假定为二维流 所以它是近似计算方法 根据渗漏边界条件复杂程度有全带法和分束法 也可通过流网法计算 全带法 分束法 全带法简单的水文地质条件下 并假定安边线平直 透水层均质 隔水底板水平 绕渗带为半圆形 渗流为无压层流时 渗流为有压层流时 式中 h为坝上 下游水头差 m为承压含水层厚度 r0为坝接头引用半径 l 为坝头轮廓周长 b为绕渗带宽度 l为绕渗带边缘长度 在沿坝轴线的剖面上 绕坝渗流边界一般以天然地下水位相当的水库正常高水位的某一点近似确定 其他符号意义同前 当岸边线形状复杂 隔水底板倾斜时 可采用分束计算流量的方法 分束法当库岸及下游河岸形状复杂 隔水底板倾斜起伏时 需先近似地绘制半椭圆形流线 将渗流范围分成若干个渗流带 计算每一个渗流带的渗漏量 q 然后将其综合起来 即为该岸的绕坝渗漏量 q 可根据卡明基公式近似计算 无压流时 有压流时 式中 b l分别为代表某一渗流带长条的宽度和长度 其它符号意义同前 二 渗透水流对坝基稳定性的影响流经坝基岩土体的渗透水流 由于库水与下游河道水位差引起很大的渗透压力 同时 浸泡在水下的岩土体及部分坝体受到向上作用的浮托力 这些都在一定程度上影响坝基稳定性 从而可能导致坝体失稳 扬压力 工程地质主要从坝基岩体抗滑稳定性角度上去分析坝底面及深部岩体某滑移面上的水压力情况 把作用于这些面上的渗透压力及浮托力总称为扬压力 扬压力是对坝基稳定性极不利的因素 过高的扬压力可以直接导致坝体失稳 这在坝工建筑中不乏其例 几种典型的扬压力分布情况及计算公式 1 坝基底面上上的扬压力 1 对于厚度不大的均匀透水坝基 水平建基面 无任何防渗措施条件下 坝踵渗入点渗透压力为 h为上 下游水位差 g为重力加速度 w为水的密度 坝趾渗出点渗透压力一般视为零 坝底任一点压力近似按线性分布 则整个坝底剖面上渗透压力分布呈三角形 2 考虑到下游水位h2对坝体产生浮托力 1 整个扬压力分布呈梯形 图16 9 其值为 一定尺寸的防渗帷幕和排水孔 坝基扬压力大小可用理论计算求得 我国 混凝土重力坝设计规范 规定 要求设置帷幕后其中心线处扬压力大小降至 排水孔中心线扬压力降至 其中 1 2称为剩余水头系数 一般 1取0 45 0 6 2取0 2 0 4 此时扬压力分布图16 10 其值为 工程设计上 为了减小坝基扬压力常在坝基下设置防渗帷幕及排水措施 如排水孔 前者可截断水流或延长渗流途径 后者适量排水均可达到降低扬压力的效果 2 深部滑移面上的扬压力由于深部滑移面往往是三维空间曲面或二维平面 扬压力分布比较复杂 可以近似地按一维线性分布规律计算 换算方法见图16 11 滑移控制面上某一点水头值的计算公式为 式中 z x 为结构面某一点的埋深 h x 为坝底面渗压水头投影到结构面上某一点的值 三 裂隙岩体防渗减压措施1 基于裂隙岩体的渗透特性 归纳不同的坝区渗漏模型 1 散状渗漏型 在均质的结晶岩或层状岩体中 由于构造型式复杂 各种结构面相交切 组成复杂的裂隙网格系统 岩体破碎 渗漏无一定方向 其边界条件极为复杂 渗漏量视裂隙数量及宽度 连通程度而定 2 带状渗漏型 在各种岩层中 由于某组结构面发育 如顺河的断层或裂隙密集带 此组结构面 带 就成为集中渗漏通道 这种渗漏型式简单 明显 边界条件易于确定 当各种结构面组合成为规模较大的带状渗漏通道时 边界条件较复杂 渗漏量大 3 层状渗漏型 层状结构的水平或缓倾岩体中 透水层与隔水层交互成层 连续性较强的沉积结构面发育 可沿层状透水岩体明显地渗漏 这种情况下 构造结构面对渗漏不起主导作用 当多层的透水层与隔水层交互成层时 则形成多层状渗漏通道 规模较大 此种渗漏型式的渗漏带明显 边界条件易确定 2 裂隙岩体防渗减压措施防渗措施原理上采取截断水流或延长渗径的办法 减压可通过防渗来实现 也可采用排水等其它措施 前面渗透变形工程地质研究中已介绍了松散土体坝基防治渗漏和渗透变形的措施 这里只介绍关于坝基岩体的防渗减压措施 裂隙岩体采用最普遍的防渗减压措施是灌浆帷幕和钻孔排水 在特殊地质条件下可使用防渗井 1 灌浆帷幕 2 钻孔排水 3 断层带的防渗措施 4 斜墙铺盖 1 灌浆帷幕 设置方法是距坝踵一定距离外 沿坝轴线方向布置一排或几排钻孔 向孔内灌入水泥浆液或其他化学浆液 共同构成一个完整的隔水墙 即所谓灌浆帷幕 图16 12 按规定 大型工程岩体的渗透率q 1lu 中小型工程渗透率q 3 5lu 才予设置灌浆帷幕 当坝下隔水层埋深较小时 便可将帷幕深入到隔水层内3 5m 构成全封闭式帷幕 反可设置悬挂式帷幕 一般深度0 3 0 7倍坝高 帷幕长度按坝基和坝肩防渗带总长度来确定 帷幕厚度受灌浆的孔距及排距控制 具体设计要求 有专门规程可循 2 钻孔排水 图16 12 在灌浆帷幕下游一定距离 设置一排或几排排水孔 将排走部分 或全部 渗压水流 起到降低扬压力的良好效果 排水孔常与帷幕配合使用 也可以单独使用 主排水孔的深度为防渗帷幕深度的0 4 0 6倍 并不小于10m 孔距一般2 3m 孔径不宜过小 对于高坝 一般要求设置一排主排水孔 2 3排辅助排水孔 中低坝可以视情况设置1 2排孔即可 排水孔距坝踵距离一般取0 1 0 15倍水头差 排水孔与帷幕配合使用 也可以单独使用 3 断层带的防渗措施 坝基中较大的顺河断层破碎带 除应专门加固处理外 还要进行防渗处理 当断层由角砾岩 碎块岩组成时 其与帷幕相交的部位应全部处理 当断层带由断层泥 糜棱岩组成时 因含泥质较多 可灌性差 需采用防渗井措施 即沿断层带延伸方向挖除 回填混凝土 并在两侧的影响带范围进行固结灌浆 4 斜墙铺盖 坝肩部位贯通上下游的集中渗漏通道 并在上游渗漏通道出露处设置粘土斜墙或铺盖 以隔断库水与渗漏通道的联系 三 坝基 肩 抗滑稳定性问题概述重力坝坝基抗滑稳定性拱坝坝肩抗滑稳定性提高坝基 肩 岩体稳定性的工程措施 一 概述在岩土体地基上建坝 首先必须在强度和变形上满足大坝荷载的要求 以便维持其稳定 对于松散土体坝基来说 强度比较低 总的变形量较大 因而只适宜于建造大底面 柔性结构的土石坝 但是高压缩性土和不均一地基 往往产生过大的沉陷或不均匀沉陷 使得坝顶设计高度得不到保证或差异沉陷引起坝身拉裂破坏 如 某坝细粒土地基 建坝后14a总沉陷量达2 48m 为坝高的10 5 后来不得不补加坝高 坝工设计上 要视具体地质情况对坝基土体的总沉陷量和沉陷差进行计算 沉陷计算可采用土力学课程中介绍的有关计算方法 岩石坝基的承载力可根据岩块单轴饱和极限抗压强度 结合岩体节理裂隙发育程度来决定 变形一般可不予考虑 但是 对于建在非均一岩基上的刚性坝 它们对不均匀沉陷非常敏感 要注意分析产生不均匀沉陷的地质条件 并进行不均匀沉陷验算 事实上 基岩上建坝 导致坝体破坏的地质原因主要是沿弱面的滑移剪切破坏 我国已建和在建的大坝中 因为抗滑稳定性问题不得不改变设计 延长工期 增加投资或加固处理者占1 3 二 重力坝坝基抗滑稳定性重力坝完全是依靠自身重量与坝基岩体之间产生摩擦力来维持稳定的 一旦坝基存在地质上的缺陷 使之产生的有效摩擦力不足以维持平衡 便可能沿这些弱面产生整体剪切滑动 导致坝体破坏失稳 这些地质上的弱面通常是坝体与坝基岩体接触界面 坝基浅部风化软弱岩体及深部软弱结构面 因而产生滑移破坏的类型是 1 表层滑动2 岩体浅部滑动3 岩体深部滑动 当坝基岩体坚硬完整 无控制性软弱结构面存在 岩体强度远大于接触面强度时 就可能产生这种类型的破坏 此时 接触面的摩擦系数和凝聚力是控制坝体稳定的主要指标 出现表层滑动一般是由于施工质量或清基不彻底造成的 只要严格施工 并在设计上加以控制 这种形式的破坏是可以避免的 1 表层滑动表层滑动是指发生在坝底与基岩接触面上的平面剪切 滑动 破坏 图16 13 表层抗滑稳定系数按下面公式计算 1 按抗剪强度计算的公式 2 按抗剪断强度计算的公式式中 f f 分别为触面的抗剪摩擦系数及抗剪断摩擦系数 为作用于坝体上全部荷载对滑移面的法向分量 为作用于坝体上全部荷载对滑移面的切向分量 u为作用于滑移面上的扬压力 c 为接触面的凝聚力 a为坝基截面积 k k 为抗滑稳定系数 为保证坝基抗滑稳定的安全度 水电部门规定安全系数值见表16 4 计算所得k或k 值大于表16 4所列数值是安全的 否则是不安全的 滑移面抗剪 剪断 强度指标的确定需要反复研究 慎重选取 一般先取得滑面的试验指标 再根据多组试验的统计值和坝址区工程地质条件 对试验值予以调整 给出建议指标 最后再根据坝区地质条件及工程重要性等因素 由地质 试验和设计人员以建议指标为依据 共同确定设计指标 有些中 小型工程或勘察早期阶段的简单计算 可以根据已建工程的经验数据或根据工程地质条件类比方法选用计算指标 有些中 小型工程或勘察早期阶段的简单计算 可以根据已建工程的经验数据或根据工程地质条件类比方法选用计算指标 抗剪公式实质上把滑移面理想为完全裂开的破裂面 这不符合实际情况 这样计算是一种经验规则 有些国家不再采用该式计算 我国一些设计单位仍保留两种计算方法 主要是因为抗剪公式长期使用 成功地设计了许多大坝 采用抗剪断公式时 c 值变动幅度大 与之配套的安全系数难以合理取值 最好是同时使用两公式计算 相互对比 确定表层抗滑稳定性 为了提高坝基接触面的抗滑力 常将接触面深入到比较完整的基岩中 在下游形成一个抗力体 图16 14 此时抗滑稳定性计算公式为式中 p为抗力体提供的抗力 p值的确定有三种代表性情况抗力体岩性破碎 可视为松散介质 利用土力学的被动土压力计算公式求p 即 忽略c值 式中 r抗力体容重 h抗力体高度 0抗力体内摩擦角 抗力体岩性较完整 但有倾向上游的成组结构面 该面上的摩擦角为 tg 0 f0 从抗力体极限平衡条件得出 式中 w 抗力体自重 u 该结构面上的渗透压力 抗力体岩体新鲜完整 无破裂结构面存在 此时p值较大 其极限值最好通过模型试验或现场抗力体试验确定 实践证明 设置抗力体对坝体安全和造价有极大的效益 抗力体提供抗力p的大小 与抗力体大小及岩体性质有关 可根据岩体结构特点 按极限平衡条件计算p值 2 岩体浅部滑动当坝基浅部岩体强度相对于接触面及深部岩体强度偏低时 便成为最薄弱的部位 有可能产生沿浅部岩体的平面剪切滑动 见图16 15 浅部岩体软弱破碎或建基面风化层清理不彻底等是产生这种破坏的主要原因 浅部滑动采用表层滑动的公式计算抗滑稳定性 其计算指标采用实际软弱岩体或破碎岩体的抗剪 或抗剪断 强度参数 3 岩体深部滑动深部滑动 指坝体连同一部分岩体 沿坝基深部岩体中软弱面产生的整体滑动 地质上受控于一定几何特征和物理性状的各种界面 其滑移边界条件复杂 滑移体形态多样 把滑移体边界条件归属于三类 见图16 16 即滑移面切割面临空面只有具备了这三个面 滑移体方能产生整体滑动 深部滑动是工程地质研究的重点对象 要结合地质条件分析滑移体的构成 对可能滑移体做出稳定性评价 滑移面 是坝基滑移体沿之滑动的面 坝基岩体中性质相对软弱的连续结构面都可能成为滑移面 如软弱夹层面 泥化面 断层面 夹泥的连续节理破裂面等 滑移面可以是单一的平面 或曲面 也可以是几个平面共同组成的楔形 梯形与复杂的空间界面 一定方式的工程荷载及特定的地质条件下 坝基岩体内若干结构面中 常常是那些具有相对优越条件的结构面最有可能成为滑移面 成为滑移面的条件 结构面倾角低缓 一般小于30 倾向 或走向 与工程作用力方向近一致者 这种结构面容易在下滑方向上产生较大的下滑力 连续性好 埋藏较浅 性质软弱 结构面性质软弱与否 主要取决于其平直光滑程度 充填物厚度 性质 胶结情况 延展性等 实际工作中 根据上述条件分析确定可能的滑移面 当存在几个可能情况时 宜采用分别试算的办法确定 切割面 与滑移面相配合起切割岩体作用 使之与母岩脱离而形成滑移体的各种陡倾角地质结构面 纵向切割面 当切割面的走向与工程作用力方向近乎平行时 称为纵向切割面 滑移时在该面上主要产生剪应力 当切割面的抗剪强度较高 所产生的阻滑力对坝基抗滑稳定有利 横向切割面 当切割面的走向与工程作用力方向近乎垂直时 称为横向切割面 滑移时 在该面上主要产生拉应力 它一般位于滑移体的后缘 临空面 指为滑移体提供变形 滑移的空间 有水平和陡立两种类型 图16 17 潜在临空面 在滑移体前方 有时并不具备上述的临空面 但有与之近乎正交的软弱岩层 断层破碎带 节理密集带或隐伏岩溶空间存在时 由于它们在工程力作用下的压缩累积变形很大 因而可能构成陡立临空面 成为潜在临空面 滑移体结构形态 坝基岩体多组结构面空间上可以产生多组组合 形成各种复杂的滑移结构形体 能够产生滑移者 不可能是竖立的几何形体 而是那些平卧形状的 易滑平卧体大致上可归纳为单滑面和双滑面两种类型 单滑面 又有滑移面倾向上游及倾向下游的两种情况 当滑移面倾向上游时 坝下游河床地面的水平临空面提供滑移自由空间 当滑移面倾向下游且又被坝下游的陡立临空面切割时 对坝基抗滑稳定最为不利 应特别注意核算其抗滑稳定性 双滑面 类型大致可分为滑移面走向与工程力方向一致及滑移面走向与工程力方向垂直两种情况 滑移面一般是两个互为反倾向的软弱结构面 走向与工程力垂直的双滑面结构 当坝基岩体沿上游滑移面滑动时 下游反倾向滑移面上岩体可提供阻止其滑动的抗力 显然它较单滑面结构的抗滑稳定性要好得多 滑移体形态 滑移体主要有以下三类几何体 楔形体 棱柱体 锥形体 许多坝基滑移实例表明 平卧楔形体是最常见的滑移体形式 尤其是滑面倾向下游的单滑面楔体及倾角低缓的双滑面楔体最多见 稳定性计算深部抗滑稳定性计算以地质分析为基础 先搞清可能滑移体的边界条件 几何形态特征 滑移面及切割面的抗滑作用以及它们与工程作用力间的关系 并确定滑移面等力学参数 然后采用刚体极限平衡理论进行稳定性计算 由于深部抗滑稳定属于空间课题 一般情况下将其简化为平面问题 此时 可沿工程作用合力方向切取单宽平面 在不计侧面的阻滑作用情况下 几种简单滑移结构体的稳定性计算公式如下 单斜滑面倾向上游 单斜滑面倾向下游 楔体双滑面 单斜滑面倾向上游 图16 19a 单斜滑面倾向下游 图16 19b 式中 v为单宽断面各铅直力的总和 h为单宽断面各水平力的总和 u为单宽滑面上的扬压力 l为滑面长度 为滑面沿计算剖面方向的视倾角 f c为滑移面抗剪强度参数 楔体双滑面 图16 20 式中 v1为坝体和楔体 上的单宽重量 v2为楔体 的单宽重量 u1 u2分别为ab bc两滑面的单宽扬压力 c1 c2 f1 f2分别为ab bc两滑面的抗剪强度参数 l1 l2分别为ab bc两滑面的长度 分别为ab bc两滑面在计算剖面方向的视倾角 r为楔体 对 作用力 或 对 的反作用力 一般令r作用力方向平行滑面ab 其倾角为 以上三种情况计算中 安全系数kc值由地质 试验和设计人员共同研定 一般取2 5 3 5 按上式计算结果 往往比实际偏于安全 至于空间课题 可根据实际情况 考虑切割面的阻滑作用 切取整个滑移体及坝段 按简化的理想平直单滑面或多滑面进行极限平衡分析计算 三 拱坝坝肩抗滑稳定性不同的坝型对坝肩稳定性要求不同 土石坝和重力坝只要求将坝肩嵌入到岩体内一定深度 以满足防渗要求和一定的连结能力 不要求核算坝肩的抗滑稳定性 拱坝的工作条件与土石坝 重力坝有本质的区别 在库水推力作用下 坝体内将产生复杂的空间应力分布 而且主要以轴向压力的方式将荷截传递到河谷两岸的岩体上 拱端对坝肩岩体将产生轴向推力 ph 径向剪力 pv 和力矩 m 图16 21 当拱端岩体具有足够的强度和剐度时 则给拱圈以相应的反力来保持坝体稳定 若拱端岩体软弱破碎 尤其当存在与拱端推力方向一致的软弱结构面时 将对拱坝的稳定性带来威胁 因此 拱坝需进行坝肩岩体抗滑稳定分析 1 滑移边界条件及结构体形态与坝基一样 坝肩滑移边界条件也是由滑移面 切割面和临空面组成 图16 22 只是由于坝肩滑移发生在陡立岸坡为特征的坝肩部位 滑移边界条件在构成上有所区别 这些边界面具有如下特点 1 滑移面 一般为倾向下游河床方向的平缓或倾斜的软弱结构面 有时倾向上游的缓倾角结构面也可构成滑移面 滑面形态可以是单平面 多平面或空间曲面 滑动方向受到轴向推力与切向推力作用方向的限制 2 切割面 凡与工程作用力方向近平行 陡立者均可成为侧向切割面 与工程作用力方向近垂直 且位于滑移体后缘者可成为横向切割面 3 临空面 可以分为纵向与横向两类 河谷岸坡为纵向临空面 河弯突出部位 河沟 断层 或软弱 带 溶洞等为横向临空面 图16 23 常见的滑移结构体归纳为几类 楔形体 锥形体 棱形体 包括板状体 图16 24 2 抗滑稳定性计算坝肩抗滑稳定性计算的基本原理与坝基抗滑稳定性计算类似 即根据刚体极限平衡原理计算出滑动方向上抗滑稳定性系数 据此判断坝肩岩体稳定性 计算时考虑两种情况 一是假定拱圈沿坝肩岩体某一水平面上剪断破坏 进行所谓的平面稳定性计算 二是根据实际存在于坝肩岩体中滑移结构体 进行整体稳定性计算 1 平面稳定性计算如图16 25a 对两坝肩取若干单位厚度 的水平拱圈 假设每一拱圈在轴向和切向推力作用下 沿着某一铅直纵切面及水平面产生平面剪切滑动 并分别计算若干拱圈在上述条件下的抗滑稳定系数 视稳定性系数最小者为拱端薄弱部位 据其判别拱端岩体稳定性 对某拱圈来说 其纵向破裂面可以是一铅直纵切面 如图16 25b中ab面 分别假定任一纵切面与水平面组成滑移体 计算出各自稳定性系数 其稳定性系数最小者所对应的纵切面便为该拱圈的可能破裂面 计算中不考虑上 下拱圈的连结作用 则稳定性系数k为式中 f1 f2 c1 c2分别为纵切面与水平面的摩擦系数和内聚力 a1 a2分别为纵切面与水平面的面积 g w分别为纵切面及水平面上的水压力 ph pv分别为拱端轴向推力和切向推力 由工程设计人员给出 2 整体稳定性计算计算前应先分析岸坡岩体结构 确定滑移结构体 然后根据极限平衡条件计算整个滑移体的稳定性系数 其计算原理同前 不同的是坝肩结构体属于复杂的空间块体 计算公式为式中 f c a分别为滑移面的摩擦系数 内聚力和它的面积 四 提高坝基 肩 岩体稳定性的工程措施当坝基 肩 岩体中存在不利于抗滑稳定性的地质因素时 可以考虑适当改变建筑物结构 如增大坝底面积 设置阻滑齿槽和抗力体 设置传力墙 改变坝形等等 当采取可能的技术设计仍不满足稳定性要求的情况下 则应考虑岩体加固处理措施 其常用的处理措施是 固结灌浆开挖回填锚固 1 固结灌浆它是提高裂隙岩体整体强度的有效措施 固结灌浆是利用钻孔将高标号的水泥浆液或化学浆液压入岩体中 使之封闭裂隙 加强基岩的完整性 达到提高岩体强度和刚度的目的 常规的灌浆是在整个基础大面积内进行 此时应分批逐步完成整个灌浆工程 应根据坝基压力 地质条件等合理设计灌浆孔深 孔距 灌浆压力和浆液稠度 即先进行灌浆试验 有时为了处理断层 软弱夹层和溶洞等 须进行特殊的灌浆方法 2 开挖回填对于断层破碎带 风化带 软弱破碎带等 可以通过坑探工程将其清除掉 然后回填混凝土 以增强地基的强度 应根据对象不同 开挖回填后形成不同的结构形式 图16 26为处理断层带及软弱夹层时常用的几种方法 3 锚固主要用于处理块体沿弱面的滑移变形 它按一定的方向用钻孔穿透弱面深入到完整岩体内 插入预应力锚索 钢筋 然后用水泥将孔固结起来 形成具有一定抗拉能力的结构 此外 对拱坝坝肩不稳定岩体的处理 还可以采用其他支挡办法 如抗滑桩 支撑柱等 还应特别强调 地下水往往是导致基础失去稳定的主要因素 在设置工程处理措施时 应充分考虑到防渗排水的作用 一项处理工程有时问题多样 条件较复杂 应根据具体情况综合采用上述有关处理措施 四 坝址选择工程地质论证 一 坝址选择的一般过程 二 坝址选择工程地质研究要点1 岩土性质2 地质构造3 水文地质条件 一 坝址选择的一般过程一项重要工程的坝址选择 受到政治 经济 工程技术 自然地理 地质条件等多种因素制约 其中地质因素在坝址选择过程中随着阶段的提高和建筑位置具体化而越来越重要 坝址选择应遵循 面中求点 逐级比较 择优选定 的原则 首先了解整个流域的工程地质条件 选出若干个可能建坝的河段 经过地质和经济技术条件的比较 制订梯级开发方案 并确定首期开发的河段或坝段 进一步研究首期开发坝段的工程地质条件 提出几个供比选的坝址 经过地质勘察和概略设计之后 对各比选坝址的地质条件 可能出现的工程地质问题 各建筑物配置的合理性 工程量 造价和施工条件等进行论证 选定一个坝址 坝址比选是十分重要的 它决定了以后勘察 设计 施工的总方针 因而需由地质 水工设计及施工等人员详细研讨后决定 然后 在选定的坝址再提出几条供比选的坝轴线 进行详细的勘探和试验 为设计提供各种必要的剖面和参数 并主要由地质条件来选定供施工的坝线 二 坝址选择工程地质研究要点河段或坝段选择属于选址的初期阶段 这一时期的工程地质工作主要通过收集资料 大面积的踏勘调查 初步了解开发流域的工程地质条件 对区域稳定性 河谷地形地貌 重大的不良地质现象作出初步评价 大量的工程地质研究工作投入在确定坝址和坝轴线的后期勘察阶段 整个选址过程的工程地质研究内容主是岩土性质 地质构造 水文地质条件和物理地质现象等工程地质条件诸要素 并预计到可能产生的工程地质问题和处理这些问题的难易程度 工程量的大小等 下面讨论选址中如何考虑工程地质条件 1 岩土性质岩土性质关系到建筑物的稳定和造价 在坝址选择时常具有决定性意义 一般选择坚硬 均一 完整性较好 透水性差 抗水性强的岩土体作为坝址 尤其是高混凝土坝更应如此 水电部门对岩石坚硬程度和岩体完整性划分见表16 5 16 6 最理想的坝址是深成的岩浆岩体 深变质的花岗片麻岩 厚层石英岩 石英砂岩等 我国已建或在建的70余座高坝中 绝大多数建在上述岩体上 个别建于某些性质较差的石灰岩 页岩和千枚岩等岩体上 选址时要特别注意岩浆岩的侵入接触面 风化程度 侵入岩的原生节理 喷出岩的喷发间断面 柱状节理等 变质岩片理面及软弱夹层存在情况以及板岩 千枚岩等软化 泥化问题 沉积岩的软弱夹层 泥化夹层 页岩泥岩存在情况和灰岩岩溶发育特征等 第四系土层中易变形的淤泥类土 高压缩性土 强透水砂砾 卵 石分布情况 这些都可能导致坝区严重渗漏或影响坝基稳定性 2 地质构造地质构造关系到区域稳定性及坝区稳定性和渗漏 选坝时应予注意 首先 应尽量避开或远离活断层带和现代地壳活动强烈地区 如地震活动强烈及地应力高度集中地区等 坝址应置于区域稳定性相对较好的地块上 其次 应选择构造变动相对较弱地段作为坝址 往往在大断层破碎带附近 强烈褶皱带和褶皱核部 地层倒转区等都是岩体断裂裂隙比较发育 完整性较差的地段 应予以注意或避开 在层状岩体分布区 缓倾角软弱夹层对抗滑稳定极为不利 选坝时一般应尽可能避开 3 水文地质条件石灰岩岩溶发育及厚层第四系砂砾石层分布区 渗漏问题往往非常突出 选坝时要重视水文地质条件的研究 岩溶发育区 最重要的是寻找和利用隔水层 当无隔水层时 应选择弱岩溶化地段作为坝址 第四系地层分布区 应尽可能避开厚层沙砾石层分布地段 要选择第四系地层较薄或坝前已形成有隔水作用的天然铺盖河段建坝 坝址区断裂及裂隙密集带透水 有时也会引起坝区严重渗漏 图16 27 除上述以外 选坝还要研究坝址区地形地貌条件 选择合适的地形地貌对于工程布置 施工条件 工程投资等都是十分重要的 不良地质现象的发育 尤其是坝址区两岸山体稳定性 对于选坝也是至关重要的 选坝时应避开具有潜在危害性的不良地质现象发育地段 建坝区附近要有适宜的天然建筑材料 否则 将会大大提高工程造价 甚至不可能建坝 第三节水库工程地质一 水库基本特征及主要工程地质问题二 水库渗漏问题三 库岸稳定问题四 水库浸没问题五 水库淤积问题 一 水库基本特征及主要工程地质问题 一 水库基本特征水库的库容和库水位是水库设计时两个重要的特征数据 应根据当地的自然地理 气象 水文 水库功能和综合效益等条件合理设计 也应根据这些设计依据制定合理的工程地质勘察工作 在一定的建坝河段 库容是与设计的坝高和库水位相对应的 坝高确定以后 库水位也是一定的 设计上把库水位规定为如下特征水位和相应库容 1 设计低水位 死水位 及死库容 水库正常运用情况下允许的最低水位称设计低水位 相应此水位的库容称为死库容 主要根据灌溉 发电的使用目的而定 2 防洪限制水位 为了拦蓄洪水 在临近汛期时应把库容腾空至某一限度 此时的库水位称为防洪限制水位 3 设计蓄水位 正常高水位 及有效库容 水库正常工作情况下的最高蓄水位 称为设计蓄水位 它是一项主要指标 关系到水库效益 投资大小 淹没范围等 设计蓄水位与设计低水位间的库容叫兴利库容 4 设计洪水位及防洪库容 按一定频率设计洪水时 允许达到的最高水位 叫设计洪水位 它是设计坝高的依据 防洪限制水位与设计洪水位之间的库容叫防洪库容 5 校核洪水为及超高库容 按某一频率校核最大洪水时 允许达到的最高水位 叫校核洪水位 其相应的库容称超高库容 二 水库工程地质问题水库工程地质研究首先是要选择良好的库址 实际上在坝址选择过程中应同时考虑到库区的工程地质条件 良好的坝址必须也是良好的库址 良好的库址应该是具有优良的地形 地貌条件 这样就可以在较小的淹没区内形成较大的库容和充分的汇水域 同时要注意研究可能存在的工程地质问题 水库区主要是由于库水向周围地质体内渗入以及形成库区后水动力条件的改变 引起库区周围地质环境的变化 因而水库区工程地质问题的产生是水与地质环境相互作用所致 可以概括为五大工程地质问题 水库渗漏问题水库浸没问题库岸稳定性问题水库淤积问题水库诱发地震 二 水库渗漏问题1 水库渗漏形式可分暂时性渗漏和永久性渗漏两种形式 暂时性渗漏是水库蓄水过程中 用来饱和库盆包气带岩土体的空隙所需的水量 其特点是水量不渗漏到库外 而且经过一定时间后就会停止 此种形式的渗漏除干旱地区外 一般来说研究意义不大 永久性渗漏是库水通过某渗漏通道向库外的渗漏 这种渗漏是长期持续的 对水库蓄水效益有影响 永久性渗漏的途径 大致可分为三种情况 1 通过分水岭向邻谷渗漏 2 通过河湾向河谷下游渗漏 3 通过库盆底部向远处低洼排泄区渗漏2 水库渗漏条件分析对水库渗漏条件的分析 是进行水库渗漏工程地质研究的基础工作 主要包括地形地貌 岩性 地质结构和水文地质条件等方面 三 库岸稳定问题 一 水库塌岸及过程 二 水库塌岸影响因素 三 水库塌岸预测 四 水库塌岸防治措施 水库建成蓄水后 库岸自然条件发生急剧变化 使之处于新的环境和动力地质作用下 表现为 原来处于干燥状态下的岩土体 在库水位变化范围内的部分因浸湿而经常处于饱和状态 其工程地质性质明显恶化 f c值下降 岸边遭受人工湖泊波浪的冲蚀淘刷作用 较原来河流的侵蚀冲刷作用更为强烈 库水位经常变化 当水位快速下降时 原来被顶托而壅高的地下水来不及泄出 因而增加了岸坡岩土体的动水压力和自重压力 因之 使得原来处于平衡状态下的斜坡 有一部分发生变形破坏 直至达到新的平衡状态为止 库岸的变形破坏 危及滨库地带居民点和建筑物的安全 使滨库地带的农田遭到破坏 库岸的破坏物质又成为水库的淤积物 减小库容 近坝库岸大塌滑体的突然滑落 在水库中激起的涌浪 还能危及大坝安全 并给坝下游带来灾难性后果 库岸常见的破坏形式有 塌岸 滑坡和崩塌 关于崩塌和滑坡问题前面已介绍 这里着重讨论水库塌岸问题 一 水库塌岸及过程水库塌岸 库岸土石体在库水波浪及其他外动力作用下 失去平衡而产生逐步坍塌 库岸线不断后移而进行边岸再造 以达到新的平衡的现象和结果 称为水库塌岸 或称水库边岸再造 可见 水库塌岸是不同于岩土体崩塌和滑坡的一种特殊破坏形式 这种现象主要发生于土质岸坡地段 水库蓄水最初几年内塌岸表现最为强烈 随后渐渐减弱 可以延续几年甚至十几年以上 因而 塌岸是一个长期缓慢演变过程 最终塌岸破坏带的宽度可达几百米 某一水动力条件和地质条件下 最终塌岸完成时间及塌岸宽度总是一定的 塌岸的过程十分复杂 大致如图16 29 二 水库塌岸影响因素影响水库塌岸的因素有 土石体性质 库岸形态特征 波浪作用强度 冻融作用 岸流和片流作用 溶蚀作用等 前三个方面是主要的 库水作用与性质松软的土石体和对水反映敏感的特殊土 如黄土类土等 时 往往容易产生塌岸 库岸越高陡 库岸线曲率越大 切割越破碎 越容易产生塌岸 波浪冲蚀作用是造成塌岸的主要外动力因素 其作用强度取决于波浪高度及波长和持续作用时间 前者又与库水深度 水域面积 自然风力等有关 三 水库塌岸预测1 目的 为了对水库近岸的土地 工矿 道路等作出短期利用和最终迁移的合理规划及防治措施 需要根据库岸地质条件和库水位变化情况 对水库蓄水后某一短期内以及最终的塌岸宽度 塌岸速度 形成最终塌岸线的年限作出定量估算 2 预测方法 预测方法很多 包括计算法 图解法 类比法 试验法等 短期预测 短期预测期限由刚蓄水时至预定的最高水位为止 一般是2 3年 该期限内水库未进入正常运行阶段 水位升降变化无规律 库岸因初次湿化而大量坍塌 长期预测 在短期预测基础上 以确定最终塌岸范围 在水库运行期间 应对预测结果进行观测和检验 并据以修改长期预测的结果 1 对于均质土岸 中小型水库或大型水库中上游库岸 最终塌岸宽度 s 计算如下 图16 30 式中 n为与土的类型有关的系数 粘土为1 0 冰积粉质粘土为0 8 黄土为0 6 砂土为0 5 多种组合库岸取加权平均值 a为保证率为10 20 的最高水位与非结冰期最低水位之差 m b为正常高库水位与非结冰期最低水位之差 m hp为波浪影响深度 m 大约为1 2倍波高 也可用半经验式计算 hb为波浪爬升高度 m 大约为0 1 0 8倍波高 细粒土取小值 粗粒土取大值 hs为保证率为10 20 的高水位以上的岸高 m 为浅滩冲刷后水下稳定坡角 与波高和土石性质有关 按图16 31曲线查用 为水上岸坡的稳定坡角 按表16 7查 为原岸坡坡角 2 大型水库中 下游地段预测 用估洛塔廖夫作图法进行预测原理 水库中 下游的水文地质情况与上游不同 水深较大 水面宽广 波高增加对库岸的破坏 波浪作用是主要的 与上游部分以水流冲刷作用为主的情况不同 水库塌岸后的剖面外形结构可分为浅滩外缘陡坡 堆积浅滩 冲蚀浅滩 波浪爬升带斜坡及水上岸坡五个带 各带遭受的地质作用是不相同的 前两个带为堆积作用 后三个带为冲蚀作用 各带的稳定坡角不同 作用时应加以区别 塌岸后稳定剖面的形状和位置 可利用堆积系数ka加以确定100 式中 f1为堆积部分中不能为波浪搬运走的粗粒物质所占的体积 f2为冲积部分体积 四 水库塌岸防治措施水库塌岸的防治是通过在塌岸段修造防护体 以减缓或阻止库水对岸坡的浪蚀作用 通常可以采用抛石 草皮护坡 护岸墙 防波堤等措施 四 水库浸没问题浸没 水库蓄水后 引起库岸周围一定范围内地下水位抬升 壅高 当壅高后的地下水位接近或超出地面时 将可能导致农田沼泽化 土地盐碱化 建筑物地基饱水恶化和矿坑充水等不良后果 称此为浸没 一 浸没产生的产生的条件浸没现象的产生 是各种因素综合作用的结果 包括地形 地质 水文气象 水库运行