岩石工程地质力学原理-王思敬院士讲座3.ppt

岩石工程地质力学原理 第三篇 王思敬中国科学院地质与地球物理研究所 岩石工程地质力学原理 1概述2工程地质力学的基本原理3岩石组合的工程地质力学分析4构造体系的地质力学分析5初始地应力场及其地质力学分析6岩体结构面及其力学属性7岩体结构类型及其特性8水文地质结构与渗流分析9不良的工程地质力学背景10工程地质力学的稳定性分析11结语 水文地质结构与渗流分析 水文地质背景 在评价地下工程的水文地质条件时 首先要了解工程区的水文地质背景 在由地下水分水岭围圈起来的地下水流域中可以划分主要的补给区 迳流区和排泄区 地下水分水岭和地表水分水岭有时不一致 这取决于地质结构和含水层的空间分布 当含水层出露在相邻流域中较高高程时 相邻流域的地表水可能成为本流域地下水的补给来源 所以 在研究一个地区地下水补给区时要注意含水层的空间展布 地下水的补给来源除地表入渗外 也可以是河流补给 还可以是相邻流域地下水作为本区的补给源 把补给源分析清楚以后 自然可以得到地下水补给区的范围和位置 水文地质结构与渗流分析 水文地质背景 地下水的迳流方向和地形不一定有完全的一致性 相反在很大程度上受含水层 隔水层以及导水大型断裂带的控制 尤其是承压水更是这样 地下水在迳流区仍可受到不断的补给 或同时不断排泄 迳流区可以是面状的 有时也可以是带状或束状的 在陡立地层区遇到大断裂带时常有这种情况 在工程选址定位时要注意避开迳流集中带 因为这是水量丰富部位 涌水量大 建筑场地受到浸没 止水困难 对工程不利 水文地质结构与渗流分析 水文地质背景 地下水的排泄区往往是达到最低侵蚀基准面的深切河谷 也有通过地下水含水层向邻区排泄的 排泄区的性质可分为散布型和集中型 散布型排泄区的地下水在很广泛的地区出露单位长度上流量不大 集中型指地下水迳流汇集到很小的范围内 以大泉或泉组方式排泄 一般说来 在排泄区地下水量比较丰富 工程最好放在离地下水排泄区较远处 水文地质结构与渗流分析 水文地质背景 在剖面上要考虑地下水位问题 根据地下水的赋存条件 山体在剖面上分为饱气带 地下水位变幅带和常年地下水流带 饱气带是山体表层 地表水入渗岩体后 由节理 断层等通道向深部渗透 但大部分结构面仍然饱气 而不饱水 其中有一部分暂时局部饱水 在饱水带中开挖工程 在雨季沿裂隙滴水 洞内湿润 而在旱季就较干燥 一般不会产生大量突水及很高的外水压力 但是 如果在工程附近地表有大面积或固定水流的地表水域 虽然在饱气带 也可能遇到较富集渗流 另外在工程开挖截断大型断层破碎带时也可能遇到较多的地下水 水文地质结构与渗流分析 水文地质背景 山体中表层地下水的水位由于大气人渗和补给的变化 一年中水位产生变化 在最高水位和最低水位之间为地下水水位变幅带 但是每年的水位都不同 因此地下水变幅带是多年平均的水位变化的范围 在枯水季节变幅带成为饱气带的一部分 而在富水季节成为地下水流带的一部分 工程修建在这个部位 涌水量和外水压力随季节而变化 尤其要引起注意的是岩体在充水 排水的过程中 时而处于饱水状态 时而脱水成为干燥状态 其结果使软弱破碎岩体性质有所恶化 由于工程开挖岩体疏干饱气 但次年雨季地下水渗入软化并附加渗透压力 变形增大 导致局部的破坏 水文地质结构与渗流分析 水文地质背景 在地下水位以下 工程一开始施工就会有较大的涌水和渗透压力 此外还要考虑水位长期的变幅 由于工程在地下水位以下开挖施工和运行 勘测设计会更加注意地下水的水流 水位动态 在具有多层含水层的山体中水文地质条件比较复杂 要求在地质结构分析的基础上 加强水文地质和地下水分布特征研究及地下水动态的观测 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 岩体中地质结构面由于成因类型 组成和结构的不同而具有不同的渗透特性 结构面对渗流的影响可以从两个不同的方面来说明 第一是导水性 第二是阻水性 良好的阻水性也可以称为隔水性 结构面具有导水性是因为它切割岩体 使岩体失去完整性 形成渗流通道 同时 由于结构面具平面形态 有一定方向 制约渗流的途径 所以导水性指定向的渗透性 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 结构面的阻水性指结构面在某些部位和某种方向上阻隔渗流 造成渗流不畅 因而改变梯度或改变渗流方向 结构面具有这 特性主要是因为许多结构面具有泥质物充填 渗透性显著变差 在裂隙岩体中成为相对的隔水界面 起到阻碍渗流的作用 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 结构面渗透特性的差异 表现在有的具导水性 有的具阻水性 有的既具有导水性 也具有阻水性 具有双重特性的结构面 往往在平行结构面方向上导水 垂直结构面方向阻水 根据不同的渗透特性 结构面可以分成五种类型 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 1 隐闭及胶结结构面这类结构面的地质类型包括隐节理 劈理 片理 片麻理 以及均一沉积岩层中紧密结合的层理等隐闭结构面 此外还包括钙质 硅质胶结或充填的结构面 总的来说 它们在岩体中虽然对岩体的完整性有所影响 但由于结构面密合 渗水性差 在一般状态下对岩体渗透性能影响不大 胶结结构面在一定程度上截断其它导水结构面 起到阻水的作用 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 虽然这一类结构面在岩体中一般处于密合状态 但是在风化带和岩体卸荷带它们往往呈一定的张开状态 表现出明显的渗水性 此外 在坝基爆破开挖的影响带内 它们也容易张开而增大渗水性 尤其值得注意的是 岩体中如果应力分布不匀 局部出现张应力 渗水性便会增大 特别在上游段坝基 渗压较大地段 张应力可使隐闭的结构面拉开 使水渗入 并导致应力条件的进一步恶化 基于上述情况 隐闭及胶结类型结构面尽管对岩体渗透性能影响较小 仍必须注意它们的特性 查明它们的产状和分布规律 以便进行坝基渗透分析 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 2 层状结构面岩体中的原生软弱夹层等类型结构面属层状结构面 它们受后期构造运动影响不太显著 层面结合良好 软弱夹层结构紧密 它们一般在裂隙岩体中起阻水作用 甚至形成隔水层 层状结构面的地质类型 主要有碎屑岩系中的粘土岩 页岩 碳质页岩夹层 碳酸岩系中的钙质页岩 泥质灰岩夹层 成层变质沉积岩系中的板岩 绢云母板岩夹层等 它们的特点是岩性软弱 在构造作用下表现为塑性变形 而不是脆性破裂 所以这类结构面上破裂面短小而密合 渗水性不强 因此 软弱夹层相对于两侧坚硬岩石而言具有阻水性 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 但是 上述隐闭及胶结结构面的共同问题则是在风化带 卸荷带及开挖影响带内层面张开 沿层面的渗水性增强 另外 在构造错动或挤压带内 软弱夹层可能产生透镜化或错断 因而失去隔水性能 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 3 破裂结构面这类结构面的地质类型主要为节理裂隙 包括火成岩的原生冷凝节理 卸荷裂隙 风化裂隙 构造节理和小型错动面等 它们一般有一定程度的张开 渗水性较强 根据它们的产状和延展长度 在不同程度上具导水结构面的特性 它们在岩体中普遍发育 但在风化带 卸荷带 构造破碎带附近开裂较宽 渗水性更强 所以 总的说来 破裂结构面的分布和发育情况构成岩体渗透特性的基础 因而为了作出坝基渗透特性的评价 必须对节理裂隙进行详细的统计和调查 特别要注意它们的产状 延展性 张开宽度 充填情况 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 破裂结构面虽然在岩体中普遍发育 使岩体具有裂隙渗透的特征 但是它们在不同的后期地质作用下变化很大 在岩体深部受压应力作用 一般比较闭合 但在构造破碎岩体中裂隙往往张开而且密集 互相切穿 形成良好的渗流通道 河谷卸荷带来裂隙普遍张开 尤其是岸坡裂隙张开宽度很大 容易形成集中的渗流 但在河床底部卸荷带和风化带范围内 许多破裂结构面张开后充填夹泥 因而渗水性大为减弱 转化为泥质充填的结构面 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 4 破碎结构面小型断层和断层破碎带 层间错动破碎带等类结构面 由于错动 岩石结构碎化 形成大小不等的碎块 碎粒 碎屑 鳞片 岩粉等 呈一定组合 结构上很不均一 往往呈条带状 一般有三种不同渗透特性 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 条带状破碎带这是比较通常的情况 由于错动破碎 介质空化扩容 渗水性显著增大 形成导水结构面 同时 在错动过程中形成的细颗粒物质往往呈条带状分布 因此在垂直走向的方向上也可能呈现很大的阻水结构面 产生突出的各向异性 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 均一破碎带它们主要由压碎岩 角砾岩 岩粉和碎屑物质组成 胶结不良 渗水性强 沿破碎带往往形成集中的渗流通道 但是 在垂直破碎带方向上阻水性不显著 不能起阻水作用 它们在一个方向上增加岩体的渗透性 也不降低另外方向上的渗透性 但是具有一定的各向异性 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 胶结破碎带有些断层带由断层泥或糜棱岩组成 两侧角砾岩挤压紧密 胶结良好 表现出阻水特性 在岩体中成为阻水结构面 由于破碎带的力学成因 围岩性质 破碎带的多次活动以及后期的充填胶结情况不同 造成其结构和物质成分 状态的很大差异 这就表现为渗透特性的多种变化 对它们必须根据具体情况作出评价 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 破碎带的力学成因决定它形成时的力学状态 以挤压为主的冲断层阻水性较强 断层面本身渗水性不好 但上盘拖拉褶皱或劈理带 沿断层走向仍具导水特性 以剪切为主形成的捩断层阻水性能较强 导水性能较差 但还取决于两侧错动带劈理及羽状张裂隙的发育程度 以张性为主的横断层或背斜轴部的纵张断层导水性很强 且垂向阻水性较差 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 围岩性质在很大程度上决定断层破碎带内的物质组成和结构 并且也决定两侧围岩的破坏方式 这些都影响它的渗透特性 脆性岩石 如花岗岩 石英岩等 两侧围岩裂隙发育 往往导水性强 而韧性的灰岩 泥质灰岩等裂隙较少 但灰岩中溶蚀发育 断层两侧容易形成渗流通道 此外 充填胶结情况 以及多次活动而带来的胶结物的破碎和断层带性状的改变等都应在渗透特性评价中予以重视 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 5 泥质充填结构面这一类结构面中含大量 连续的泥质物 呈条带或层状分布 如层间错动泥化夹层 层面或裂隙夹泥等 它们一般呈垂直结构面方向的阻水特性 沿结构面的导水性不强 但其上盘围岩往往因错动破裂而导水 若层间错动破碎面较宽 局部甚至架开 也可能形成局部渗流 水文地质结构与渗流分析 地质结构面的渗透特性 以上只概要地介绍了主要地质结构面类型的渗透特性 对有些结构面不仅要注意它本身的渗透特性 而且还要注意它对围岩的影响 所以必须将它和围岩共同来考虑 例如 岩浆岩脉在和围岩呈熔合接触的情况下 岩脉本身可能具有相当的隔水性能 但是 由于岩脉侵入挤压 在围岩中出现的破裂面却具有很强的导水性能 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 为了进行岩体渗流分析 必须建立坝基水文地质结构模型 作为水文地质结构中的单元结构 称为渗透结构模型 它取决于该单元体中决定渗透特性的结构面类型和组合特征 可以划分为以下几种基本类型 图 a 裂隙型 b 层状型 c 断裂型 d 断层型 e 溶隙型 图7岩体渗透结构类型 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 1 裂隙型这类水文地质结构主要在岩浆岩或块状火山岩 变质岩及块状或厚层状均一砂岩 灰岩岩体中才能形成 主要的地质结构面为节理和裂隙 渗流属于裂隙水流 由于结构面短小 呈几组组合 且都导水 因此整体的渗透性比较均一 沿节理方向渗水性强 故呈一定的渗透各向异性 多组节理的组合 使渗透各向异性程度有所削弱 一般说节理或小型的错动面比较闭合 渗流接近于层流状态 总体上可用达西定律描述 即流量与水力梯度成线性关系 在进行坝基和绕坝渗流的分析中 应注意节理组数 方向及分布 根据节理的特性确定各导水方向的渗透性 建立渗流计算剖面 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 2 层状型这类水文地质结构的地质类型为互层状或夹层状的沉积岩层或沉积变质岩体 岩体结构的突出特征就是软硬相间 成层结构 具有强的各向异性 其主要的导水结构面为层面及层内节理 由于层内节理在坚硬脆性岩层中发育 而至软弱岩层中即行尖灭 所以渗流主要为顺层运动 软弱岩层起隔水作用 在整体上 岩层产状规定了渗流的主要方向 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 当岩层倾向上游或下游 倾角不同时 坝基渗流有显著的差异 岩层倾向下游时 由于隔水层的阻水作用 渗流不易向坝基下游排泄 所以坝基岩体中产生较高的渗压 但是 当岩层倾角很陡 而且位于坝基上游位置时 这时形成天然的阻水结构 坝基渗流量很小 有利于防渗 一般来说 岩层倾向上游时 渗流通畅 易于排泄 渗压较低 但是 如果隔水层恰好在坝基下游部位通过时 隔水层以上渗流的排泄受到阻碍 造成坝基下全水头渗压 需要采取有效的排水措施 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 同样 当岩层倾向上游 倾角较陡时 又产生坝基的阻水结构 由上述各种不同的情况可见 坝基层状岩体中 相对隔水层的位置和产状决定坝基的渗流条件 在平面上分析绕渗条件时 同样要掌握渗水层和隔水层的分布和产状 认识渗透的各向异性特征 作为防渗措施的依据 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 3 断裂型在断裂型结构中发育少数破碎带 断层带或张性及剪性裂隙带时 在整体相对均一的条件上叠加了局部的渗透不均一 它们构成比较集中的渗流通道 形成脉状水 但是破碎结构面是比较复杂的 有的阻水 有的导水 破碎带的特性 产状及位置都对坝基渗流 渗压条件有影响 破碎带渗流流态 一般仍属于孔隙层流 但局部形成紊流 而且和破碎带的力学成因和特性有关 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 一般说来 冲断层型 捩断层型破碎带岩体破裂后挤压紧密 而张性断裂带及多次构造作用的破碎带局部空化严重 往往可以形成脉状紊流状态 断裂型结构在渗流分析中除节理系统外 重点注意断层破碎带的特性 产状及组合关系 以及与坝基的关系 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 4 断层型当层状型结构中有少数或个别断层通过时 层状结构受到破坏 局部形成沿断层的渗流 使层间渗流沟通 如果断层泥质物较多 有较强的隔水性 则可能将层内渗流截断 这种结构中 岩层和断层组合形成格状结构 渗流的分布比较复杂 水文地质分析以层状为基础 考虑断层的产状和分布 根据断层的不同特性呈现局部的脉状水 并出现局部的紊流 在分析中还要注意岩层沿断层的错动幅度和断层上下盘岩层渗透特性的差别 水文地质结构与渗流分析 岩体渗透结构模型 5 溶隙型碳酸岩岩体受显著溶蚀 沿层面及裂隙形成溶隙和溶孔 构成溶隙型结构 若岩体溶蚀过于发育 有纹暗河 落水洞等大型溶蚀结构 则要求专门的勘探和处理 或者在坝线选择时予以避开 在溶隙型岩体中 地下水具裂隙管道水特征 很不均一 但溶隙 溶洞等渗流通道的发育与岩层及裂隙有关 所以也应有一定的规律 有助于坝基的渗流评价 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 水文地质结构模型的构成应是工程各部位岩体渗流结构单元的组合 同时 在水文地质结构模型中还要反映水的补给 迳流和排泄条件 岩体地质结构是建立水文地质结构的基础 根据岩体渗透结构类型及其分布和组合规律 可以划分出不同的水文地质单元 每一个水文地质单元体应具有独特的渗透结构模型和相应的渗透特性 所以 水文地质结构建立的第一步是将工程岩体划分为若干相对均一的渗透结构单元 通过相应的渗流试验或定性对比研究 将每个渗透结构单元用定量的渗透参数加以表征 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 渗透结构单元的渗透特性主要有渗透系数和渗透各向异性 对此有两种表达方法 1 用渗透结构面产状和沿该结构面方向的渗透系数表征 在裂隙型 断裂型或溶隙型渗透结构单元中用此法比较方便 2 用主导方向的渗透系数和渗透各向异性系数表征 在层状型 断层型渗透结构单元中比较适用 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 在划出在标有渗透结构单元渗透特性的坝基平切面 剖面图上进一步标出边界条件 所谓边界条件指库水入渗边界 下游水位边界和坝基排水边界 一般都以水头来表征 有些地区出现局部承压水 则应标出相应的隔水层和承压水含水层 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 在上述工作的基础上 水文地质结构便基本上可以建立起来了 图 根据它可进行定性的评价和定量的预测 山体的水文地质结构有多种类型 粗略地可划分为以下五类 图 山体的水文地质结构模型 a地质结构 b水文地质结构 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 1 均一裂隙含水山体 山体由均一的岩浆岩 块状变质岩和厚层 巨厚层坚硬沉积岩构成 在不受大型地质构面切割时 仅因节理裂隙含水 水量不丰富 同时因裂隙连贯性差 比较分散 不易形成统一地下水位 因此很少有承压水头高的地下水出现 在靠近河岸的山坡 地下水位以较大的坡降 向河流排泄 这一类山体的工程地质条件和水文地质条件都比较好 而且山体深部往往因裂隙减少且闭合 地下水很少 开挖的洞室干燥 水文地质条件很好 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 2 软弱致密的微弱含水山体 这类山体由于岩性软弱 以塑性形变为主的页岩 千枚岩 泥质灰岩 凝灰岩等层状岩体构成 在无大断裂带切割的条件下 不富水 在区域水文地质层组中属于隔水层 地下水仅局限在少量裂隙中出现 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 3 断裂脉状含水山体 山体在岩性上属于均一裂隙山体 但为大型区域性断层所切割及发育一定数量的贯穿山体的断层破碎带 形成组合网络 这些地质结构面控制着山体的水文地质条件 沿断层破碎带地下水富集而流动 在断裂切割的不同块体中地下水水位 运移方向也有不同之处 山体的不均一结构造成地下水的复杂的渗流场 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 4 层状裂隙孔洞含水山体 这类山体由岩性不同的含水层和隔水层组合而成的 含水层可以是裂隙含水的 也可以兼有孔隙或孔洞含水的特点 水文地质条件受地层组合和褶皱形态所控制 从地层组合来看可以是单含水层或多含水层 从褶皱形态来看 可以是向斜 背斜 单斜 复式褶皱 紧逼褶皱 倒转褶皱等 因此 这类山体的水文地质条件是多种多样的 要做具体的分析 水文地质结构与渗流分析 水文地质结构 5 断裂层状复合含水山体 含水层和隔水层组合的层状山体又受到断裂带的切错使水文地质条件更加复杂 这时不仅要分析褶皱形态和含水层分布 而且要掌握主要断层破碎带的展布 以及含水层的切错关系 水文地质结构与渗流分析 软弱结构面的渗透变形特性 软弱结构面由于地质成因不同 它的结构和物理状态不同 因此渗透变形特性也就不同 甚至发生渗透变形的特征也不一样 表5 以下根据结构面的主要类型 概括以下几种情况 分别进行评价 表5软弱结构面的渗透变形特征 水文地质结构与渗流分析 软弱结构面的渗透变形特性 1 原生软弱夹层这一类包括沉积岩层中的软弱夹层 它们未受明显的构造错动 如灰岩中的泥质灰岩和钙质灰岩夹层 砂岩中的页岩 粘土岩和碳质页岩夹层等 它们一般保持原生的组织和结构 但是由于泥质胶结 很松软 渗透变形是可能发生的 和其它软弱结构面相比较 它们毕竟受沉积和成岩作用的影响 渗透稳定性较高 水文地质结构与渗流分析 软弱结构面的渗透变形特性 在软弱结构面的渗透变形试验中发现有层内管涌 边界管涌和渗道连通的差异 层内管涌为颗粒在岩体内随渗流的运动 边界管涌为渗流由岩体向聚水工程的自由壁 如孔壁 渗出时所携颗粒的运动 当层内管涌 边界管涌连成一气后 才能形成增强渗流和管涌通道 即出现整体渗透失稳的现象 水文地质结构与渗流分析 软弱结构面的渗透变形特性 2 层间错动破碎夹层软弱夹层若经过构造错动 则形成层间错动类型 往往破碎泥化 它们的原生组织结构遭到破坏 胶合力大为削弱 微劈理和裂隙发育 组织松散 渗透性强 粒级不匀 在长期天然渗流作用下 往往在雨季后产生管涌 渗透稳定性较差 经过层间错动的碳质页岩破碎夹层 在压水试验中沿层面发生压水孔附近的内部管涌时的起始平均坡降为4 0 而在垂直方向上达9 5 水文地质结构与渗流分析 软弱结构面的渗透变形特性 3 断层破碎带断层破碎带的渗透稳定性在很大程度上取决于断层的力学成因 围岩特性 规模 胶结程度 活动次数等 所以变化很大 一般说来容易局部管涌 如某砂岩 板岩中断层在平均水力坡降为1 25时即有局部管涌的迹象 并很快导致整个渗流区的渗透变形 水文地质结构与渗流分析 软弱结构面的渗透变形特性 4 裂隙夹泥岩体中发育最为普遍的为节理裂隙 其中往往含有各种不同成因的充填物 在渗流的作用下次生充填物再次产生渗透变形 因此 节理发育情况 充填物成因 组成及结构的不同都对渗透稳定性起一定作用 水文地质结构与渗流分析 软弱结构面的渗透变形特性 5 风化破碎岩带在风化破碎岩体中 原节理张开 矿物蚀变 渗透稳定很差 主要原因是粒级不均一 结构松散 粘土矿物和细颗粒物质很多 某震旦系砂砾岩破碎带凤化严重 平均水力坡降为2 2时 产生初始的渗透变形 不良的工程地质力学背景 地质力学背景指构成山体结构的控制性特征 它将从本质上决定山体的工程地质条件 在进行工程区地质力学背景分析时 要着重注意判别工程地质条件不良的复杂地质力学背景 根据大量实践的资料 可以指出以下几种在坝址选择中要审慎对待的地质力学背景类型 不良的工程地质力学背景 1 多软弱泥化夹层山体在我国南方前震旦系板溪群砂岩 板岩互层岩体 下古生代砂页岩互层岩体及中 新生代红色砂页岩或砂岩 粘土岩互层岩体中 常发育大量层间错动面 形成软弱泥化夹层 在岩层产状平缓的条件下 岩体稳定性受到严重时影响 往往要采取相应的工程措施 典型的实例有葛洲坝水利枢纽 朱庄水库 五强溪坝址等 不良的工程地质力学背景 2 不整合结构山体区域性不整合面是长期沉积间断的产物 面上或是有松散风化残积物 或是呈架空状 所以沿不整合面是很显著的地下水通道 而且在荷载作用下会产生失稳性变形 不良的工程地质力学背景 3 紧逼 倒转褶皱山体岩层经强烈的褶皱形成紧逼褶皱 甚至倒转 岩石严重破碎 其工程地质条件不良在紫坪铺坝址所遇到的侏罗纪砂页岩地层就属于这种类型 基坑开挖的结果表明岩石破碎 不能满足混凝土高坝坝基的要求 新安江坝址是倒转的泥盆纪砂岩和志留纪页岩 在选坝区段范围内没有更合适的坝址 采用这个坝址 成功地建设了新安江水电站 但是 施工是很困难的 发生过塌方 左岸坝轴线转折以避过塌方体 坝基作了大规模的开挖回填处理 不良的工程地质力学背景 4 叠瓦式断层山体在有些河谷地段受强烈的构造运动 产生叠瓦式断裂 往往是一系列逆冲断层 断层间岩体受到断层运动影响而错位和破碎 工程地质条件很差 例如南河胡家渡坝址在区域上发育一系列倒转褶皱和叠瓦式断层 坝址有蛤蟆和蛤牛两条逆冲断层横切河谷 坝基下岩石破碎 并有局部承压水出露 考虑到上述不良的工程地质条件 降低了设计坝高 对坝基进行了大规模的处理及预应力锚固 不良的工程地质力学背景 5 交叉式断层破碎山体有的坝段断层交叉组合 断层所围限的岩体受影响而破碎 软弱结构面发育 工程地质条件很差 但是一般来说这种破碎山体只是局部的 在坝址选择中要注意到它的存在 同时也要考虑处理或避让的可能性 不良的工程地质力学背景 6 构造碎裂山体有时 虽然山体不发育大型断层的交叉组合 但局部岩体仍然十分破碎 需要进行必要的固结灌浆处理才能满足混凝土坝坝基的要求 这些地段往往是构造应力集中部位 岩石性脆易碎 如河南故县坝址石英破碎岩便是一例 不良的工程地质力学背景 7 邻近活动断裂的山体我国西南 西北等地活动断裂甚多 对坝址及其邻近的区域性断裂必须进行断裂活动性的判别 一般来说 坝基下不允许有活动断裂存在 区域性强活动断裂 伴有6级以上地震活动性的断裂 不得距坝址小于10km 因为邻近活动断裂的山体 往往自然地质作用强烈 山体中软弱结构面发育 断裂胶结不良 工程地质条件亦较差 如黄河上游龙羊峡坝址下游仅数百米处即有第四纪活动断层 雅砻江桐子林坝址一带即有活动断裂通过 前震旦纪变质岩系十分破碎 不良的工程地质力学背景 8 卸荷风化破碎山体构造破碎山体往往风化很深 能够作为混凝土坝基的岩体埋藏标高很低 这时不利于大坝建设 这类山体在地形上冲沟发育 出现鸡爪状山状 山体不够雄厚 作为高坝坝基的工程地质条件不良 不良的工程地质力学背景 9 溶蚀架空结构山体在碳酸岩地区河谷山体中发育溶洞 溶孔 坝址渗漏问题是首先要注意的 同时还需考虑坝肩和基础的变形和稳定性 在这种情况下溶洞 溶孔和溶隙交织构成溶蚀架空的山体 不利于大坝的建设 所以 在碳酸岩地区选择坝址要倍加注意 不良的工程地质力学背景 10 松弛蠕动山体当坝址两岸岩体破碎 受风化卸荷影响及重力作用而发生显著松弛蠕动时 岸坡稳定性差 坝基或坝肩开挖易失稳 而且岩石破碎 往往充填大量泥质物 不能满足大坝基础的要求 在一般情况下 要避开这种松弛蠕动山体 而且在近坝库区若存在这种山体 也是严重的工程地质问题 而要采取工程措施 工程地质力学的稳定性分析 从岩体结构这个基本观点出发来探讨解决岩体稳定性问题 这就是岩体工程地质力学的主要研究任务 岩体稳定是个相对概念 它所涉及的范围很广 包括不同级别的地质体 表6 工作内容很多 针对与工程建设紧密有关的问题 依工程设计和工程勘测阶段的不同可分为下列问题逐步加以解决 表6地质体分级 工程地质力学的稳定性分析 区域稳定性 在工程规划阶段 尽量避开地震活动区及地震危险带 力求远离高烈度地震区即VII 度以上需要工程设防的地区 所以 要抓住区域稳定性这个问题 进行专门的研究分析 论证地震动荷载对建筑物的影响 李兴唐 许兵等 1987 为此 要分析工程区所处的大地构造部位 论证边界断裂带两侧的地质构造的演变历史 岩浆岩循断裂带的活动特点 以及断裂带两侧地貌的发育状态 重点研究大断裂带的特性 包括 工程地质力学的稳定性分析 区域稳定性 1 断裂带的延展性 进行断裂的空间分布 即断裂的延长方向和纵深发育情况和横向变化 以及断裂的组合特征 即构造体系的研究 论证是否为区域性深大断裂带 2 断裂带的时间性 研究该断裂的形成时期 形成它的构造应力场 以及主干断裂和派生断裂的力学机制 阐明断裂形成的时间性及其构造应力场 工程地质力学的稳定性分析 区域稳定性 3 断裂的多期性 构造运动具有多期性特 其结果往往导致老断裂的复活 使断裂带的规模加剧 构造岩的组成就愈益复杂 由初次构造运动所形成的构造体系构成本区最老的构造层 它对后期构造运动所引起的变形破坏 起着控制性作用 通过构造复合分析 了解下构造层中的基底断裂对上覆盖层的影响 阐明断裂形成的次序及不同构造层中各自的构造应力场 工程地质力学的稳定性分析 区域稳定性 4 断裂的活动性 新构造运动特别是挽近地壳运动 往往导致古老构造断裂的再复活 亦即基底断裂控制上覆最新沉积盖层的变形与破坏 应仔细观察 必要时进行勘探 测定 甚至监测 5 断裂的危险性 开展地震地质和测试观测工作 圈定地震危险区或危险带 以及一些孕震断裂和发震断裂 根据历史地震资料及仪器观测成果 可以确定地震震中及震源所在部位 与大断裂带相伴生 及沿断裂迁移性和一定的周期性 工程地质力学的稳定性分析 区域稳定性 区域稳定性问题涉及范围很广 所以要善于利用区测资料及地震地质的分析成果 但还必须作一些调研工作 明确工程所辖范围及邻近地区有无区域性大断裂的分布 沿断裂带布置与它垂直的地质剖面3 5条 结合所掌握的资料进行对比分析 进行评价 WangSijing LiXingtangetal 1991 1994 为工程布署提出合理的建议 工程地质力学的稳定性分析 山体稳定性 在工程所辖范围较大地区 开展以山体稳定性的研究 目的在于工程方案的对比 以期选出合理的工程部位和恰当的工程布局 诸如坝区 隧道区 地下工程区以及矿区等 山体稳定性研究的主要目标是论证工程所涉及的范围内及其周边地质体的稳定性 以及工程范围内可能构成重大失稳体的地质边界条件 为此 必须做好以下研究和分析 工程地质力学的稳定性分析 山体稳定性 1 山体工程岩组的分析 掌握软弱岩组 破碎岩组及大型软弱夹层的空间分布规律 以及它们和建筑物的关系2 构造断裂组合分析 掌握地层褶皱及断裂体系的空间分布 以及它们和建筑物的关系3 风化岩组的划分 掌握风化壳剖面和风化夹层 风化囊等的分布规律 4 可溶岩组的划分以及岩溶化岩体的架空特点和溶蚀洞穴的分布规律 工程地质力学的稳定性分析 山体稳定性 5 水文地质结构分析 掌握含水层和隔水层的格局 以及地下水运动迳流条件 6 灾害性地质动力作用分析 判断威胁山体稳定性的滑坡 泥石流等灾害7 山体的地貌分析 研究地貌发育过程及不同地貌单元 沟谷 河槽 陡崖等分布规律 工程地质力学的稳定性分析 山体稳定性 在上述研究的基础上确定山体大范围失稳的地质边界条件后 即可开展大尺度 大变形的山体稳定性数值分析 同时 应结合设计的工程部位和恰当的工程布局 进行与建筑物有直接关联的岩体失稳的边界条件判定 并研究工程布局的优化 工程地质力学的稳定性分析 山体稳定性 大型工程往往是综合性的工程组合 以水利枢纽为例包括大坝 水闸 溢洪道 电站 或地下电站 引水隧洞 变电站 上下坝公路等等 所以在布局时还应区别主体和辅助工程 以及根据不同工程的性质结合山体稳定性加以区别对待 合理分布 充分利用山体的稳定地段 避开或处理其不稳地段 保证工程顺利地兴建和运行的安全 工程地质力学的稳定性分析 工程岩体稳定性 当工程位置确定之后 即进入定测或初设阶段 必须针对工程的特点与工程所辖部位的桩号 高程 结合岩体结构特征及受力状态 分别对与建筑物不同部位的岩体进行稳定分析 根据需要布置勘探 测试 试验及动态量测工作 以期提出稳定分析所需的边界条件及计算所需参数 针对可能滑移的岩体进行稳定计算 必要时进行物理模拟试验 这样 就能把工程地质力学工作推进到定量分析 谷德振 王思敬等 1980 工程地质力学的稳定性分析 工程岩体稳定性 在定量分析过程中 须要正确确定可能的岩体失稳的边界条件 岩体的物理力学特性 工程作用及荷载 可能的岩体变形破坏力学机制 和选择合适的计算理论及方法 工程地质力学的稳定性分析 工程岩体稳定性 1 确定可能的岩体失稳的边界条件 要按照建筑物的不同部位 对建筑物所产生的荷载 如作用力的方向 大小和方式等进行具体分析 确定可能滑移面 拉裂面和临空面 及其组合 有时大厚度的软弱层或破碎带可构成变形破坏空间 滑移面则可由多组结构面或断续结构面构成 工程地质力学的稳定性分析 工程岩体稳定性 2 确定岩体的物理力学特性 一般要进行室内和 或现场试验 勘测工程或施工开挖的监测反分析有助于提供较为符合现场岩体的参数 将试验数据与岩体结构分类及岩体质量分级结合分析可提高参数的可靠性 工程地质力学的稳定性分析 工程岩体稳定性 3 确定工程作用及荷载 除建筑物荷载外 还要测定初施地应力参数和 或地震荷载 以及其它外来作用力 如水里 土荷载等 4 判断岩体变形破坏力学机制 可参考岩体结构分类 图9 也可通过物理模拟试验取得认识 a块状及层状结构岩体的块体滑移 b薄层状结构岩体的弯曲变形 图9岩体变形破坏力学机制 c碎裂结构岩体的剪切破坏及塑性变形 d松散及碎裂结构岩体的塑性变形 图9岩体变形破坏力学机制 续 工程地质力学的稳定性分析 工程岩体稳定性 5 选择合适的计算理论及方法 应根据岩体结构类型 可能的岩体变形破坏力学机制和可能的岩体失稳的边界条件 进行综合分析 表7列出了一些力学分析的原理 在边界条件充分的条件下块体极限平衡法可提供整体稳定性分析 而各类数值计算和模拟方法的选用中应参考岩体结构类型和岩体介质特性 以及工程作用特点 表7岩体稳定性分析力学分析 工程地质力学的稳定性分析 工程岩体稳定性 总的来说 岩体稳定分析就是具体的地基 边坡及地下工程围岩的稳定分析 由于计算成果的和工程岩体实际情况常有所出入 在工程施工中采取监测和反演 以及调整或优化设计是很必要的 工程地质力学的稳定性分析 地面稳定性 地面稳定性是指地面的变形与破坏的稳定程度 主要地下工程活动有关 在地下采矿过程中 由于地下采空 而人工回填不实 或预留矿柱间距过大 都可导致采场顶板岩体变形坍塌 引起地表变形 开裂 拗陷或坍陷 工程地质力学的稳定性分析 地面稳定性 地下核爆炸造成地下岩体的变形破坏可影响到地面的变形开裂 触地爆炸亦是如此 在超量开采地下水或油气等地下流体的条件下也可导致地面变形和开裂 岩溶坍塌常造成突然的地面塌陷 工程地质力学的稳定性分析 地面稳定性 在地震烈度为VII度以上高烈度区 地震波对地面变形破坏有明显的影响 如山崩地裂 滚石塌方 地面隆起开裂 涌砂涌水等 在岩体结构类型划分的基础上来进行场地或区域烈度划分对于论证地震效应是必要的 水库诱发地震同天然地震一样也会引起地面的变形破坏 工程地质力学的稳定性分析 地面稳定性 地面稳定性不仅涉及大面积地面的变形破坏 而且也包含地下深部的工程活动或地质动力作用 因而它如同山体稳定性一样也需要作大尺度 大变形分析 要求对地块的岩组 构造断裂组合 水文地质结构及地应力状况等作出全面而系统的研究 工程地质力学的稳定性分析 深层稳定性 深层稳定性涉及由于地面或地下动力作用而引起的深层岩体的破裂或局部变形 水库诱发地震即是一种典型的深层稳定性问题 水库蓄水后 由于水文地质条件的改变 地下水纵深循环的动力条件加剧 促使水库区挽近构造应力场的应力发生变化 有效应力下降 以及地块的其它物理变化 而发生断裂错动或破裂扩展 致使在水库内以及水库边缘地区地震频繁发生 工程地质力学的稳定性分析 深层稳定性 地下水或油气等地下流体的开采同样会使深层有效应力和应力状态的变化 引起破裂和微震 包括构造地震在内的深层稳定性是大尺度 大变形的地质力学问题 它的解决有赖于深层地块的结构和应力状态的探测和研究 结语 岩体工程地质力学研究经历了三十多年的发展 已经取得了相当的成果 形成了它的基本理论和方法 并在工程实践中获得成功 但是随着工程建设的突飞猛进 现代科学技术的不断创新 岩体工程地质力学的研究尚待深入 提高和拓展 结语 人类二十世纪来取得的关于可持续发展的共识将对各科技领域产生深远的影响 有关地质与岩土工程学科的主要目标将不再局限于为工程建筑物的设计 施工服务 其工作对象将扩展到寻求并建立新的洁净 丰盛 可更新 无公害的能源 资源和环境体系 保障社会需求的安全和可持续发展 结语 上天 入地 下海 加上 山川湖海家园 是首选的战略目标 人们把注意力向煤炭地下气化 煤层气开发 核能利用 新兴大面积海下和地下水合物的开发 地热能的利用均已提到日程上来 随之而来能源废料的再生利用 核废料的储存 新一代能源储存和传输 长距离深埋地下隧道 地层液压储能 地下电磁储能工程等将逐渐形成新的产业 结语 固体矿产资源采掘向超深矿山进军 无人矿山 湿化采矿 难采矿高效开采趋势日渐明显 寻找高质量饮用水源 建设地下水库 海岛淡水水源 大面积聚水工程 长距离和跨流域调水 现代水网系统 地下储水工程等都成为迫切的工程措施 结语 对海洋开发发达国家已做了很大的投入 海底矿产开发 大陆架油气 海下和陆下水合物开发 海岸和近海开发和建设 以及地球三极 南极 北极 青藏高原 的开发和保护将构成重要的新的能源和资源支柱 结语 城镇化 是新世纪最显著的重要进程 城市的地下工程 地下储存 城市垃圾处置 既关乎城市土地的合理利用 也是土地环境优化的要求 在城市化过程中恶劣环境 如荒漠化 水土流失 地面开裂 地面塌陷 快速堆积和冲刷作用等需要防治 而极端灾害事件 如干旱 洪涝 强地震 大型高速滑坡 山崩 泥石流的预测和防治受到社会的极大关注 结语 当人类社会向前发展中 不可忘却过去 历史和文化遗产及自然遗产的保护当前受到重视 大型石质古物和土建筑的保护需要更多高水平的科学技术得到应用 人类在充分和合理利用地球资源的同时 正在探索太空和星球的利用 月球和火星可能是最早的人类工程开发的对象 月岩 火星的研究也将为岩石力学增辟全新的领域 结语 面临的科学和工程问题具有高复杂性 具有超大时空尺度和多场及多过程耦合的特点 在工程地质力学研究中要求发展和应用非线性系统动力学的理论和方法 同时 要解决那些很复杂的工程地质力学合问题 采取系统的综合集成 显然是明智的选择 认识问题的思想方法同被认识问题的实际机理应具有一致性 多重综合集成途径 MultipleMeta synthetics 可以作为这一思路的基础 它包括 结语 1 多源知识的综合集成这是钱学森先生倡导的 经验 推理 测量 的复杂系统综合集成原理 在复杂的岩体工程和环境系统中 不确定性极强 以致任何一种来源的知识都难以支持可靠的决策 多源知识的综合集成显然是必要的选择 当多源知识结论一致时 决策的可靠度较高 当多源知识互斥时 应分别自检 并互馈信息 以期得到结论的一致 结语 2 多种手段的综合集成多种手段的综合集成包括地质 物探 测量 力学试验 数理分析 化学分析等多种技术方法组合 也可理解为以地学与力学结合为主 与物理 化学 生命 社会等学科进行交叉合作 结语 3 多尺度的综合集成学科问题的大尺度时空拓展 则其微观 细观 宏观及宇观的研究皆甚重要 而综合集成则是决策的必要途径 多尺度的研究和相互耦合将使研究得到应有的深化 参考文献 谷德振 1963 构造地质与工程建设 科学通报 10月号 见 谷德振文集 1994 地震出版社 127 133谷德振 1965 水利工程建设中的地质构造问题 水文地质工程地质问题 科学出版社 见 谷德振文集 地震出版社 140 162孙玉科 李建国 1965 岩质边坡稳定性的工程地质研究 地质科学 第4期 330 352王思敬 1965 岩体工程地质特性及其形成过程 水文地质工程地质问题 科学出版社王思敬 1966 以工程地质观点探讨岩体的力学属性 地质科学 第1期 64 78 中国科学院地质研究所工程地质与抗震研究室 1972 岩体工程地质力学的原理和方法 中国科学 第1期 39 51中华人民共和国水利水电部科学研究所和中国科学院地质研究所 1974 水利水电工程地质 科学出版社工程地质研究室 1976 岩体工程地质力学的基础和方法 岩体工程地质力学问题 科学出版社 1 45工程地质力学研究室 1978 工程地质力学研究的主要任务 岩体工程地质力学问题 二 科学出版社 1 9谷德振 1979 岩体工程地质力学基础 科学出版社 1 296 谷德振 王思敬 黄鼎成 1980 岩体稳定的工程地质力学分析 国际交流地质学术论文集 为二十六届国际地质大会撰写 5 地质出版社 57 66谷德振 王思敬 1983 论岩体工程地质力学的基本问题 全国首届工程地质学术会议论文选集 科学出版社 182 189王思敬 1984 工程地质力学研究的进展和方向 岩体工程地质力学问题 五 科学出版社 1 9王思敬 杨志法 刘竹华 1984 地下工程岩体稳定性分析 科学出版社 1 282谷德振 王思敬 1985 中国工程地质力学的基本研究 工程地质力学研究 地质出版社 4 28 黄建安 王思敬 陈诗才 1985 岩体工程地质力学中的断裂问题 工程地质力学研究 地质出版社 145 159杜永廉 1987 岩体工程地质力学模拟实验研究 岩体工程地质力学问题 八 科学出版社 63 71王思敬 1987 岩体工程地质力学中的数值分析 岩体工程地质力学问题 八 科学出版社 72 85杨志法 张连弟 1987 变形体系与岩体工程地质力学 岩体工程地质力学问题 八 科学出版社 154 160徐嘉谟 1987 岩体工程地质力学工作的基本内容和程序问题的探讨 岩体工程地质力学问题 八 科学出版社 102 110 孙广忠 许兵 1987 工程地质力学与工程地质力学研究实验室的形成和发展 岩体工程地质力学问题 八 科学出版社 1 11李兴唐 许兵 黄鼎成 许学汉 1987 区域地壳稳定性研究理论与方法 地质出版社 1 314孙广忠