第五章-坝基稳定性.ppt

主要内容 第一节概述第二节坝型对地质地形条件的要求第三节坝基岩体的抗滑稳定性第四节坝基岩体质量分类第五节坝基渗透与渗漏稳定性第六节坝基处理 第一节概述 一个河段筑坝的可能性 除根据国民经济的需要外 还要看当地的自然条件是否有这种可能性 在坝址坝型选择中 主要应根据坝址区的地形地质 材料供应 主要是天然建筑材料 枢纽布置 水文 施工和运行条件 通过详细的技术经济比较论证后选定 但是必须指出 在这些条件中 工程地质条件是一个十分重要的方面 水利水电建设的实践表明 工程地质条件不仅影响到坝址 坝型的选择 而且关系到工程的投资 施工工期 工程效益和工程安全 对世界142座大坝失事的分析 其中45座是由于地基管涌 渗漏 不均匀变形 抗剪强度低等地质问题造成的 占溃坝总数的31 7 例如 66 5m高的法国马尔帕塞双曲薄拱坝于1959年12月突然崩溃 下泄洪水造成325人死亡 主要原因是左岸坝肩的片麻岩体中存在许多裂隙 节理 断层等软弱结构面 沿断层面传递的高孔隙水压力又没有消除 巨大的楔形岩体沿软弱结构面滑动而导致拱坝溃毁 坝基稳定性的工程地质研究 主要解决三大问题 坝基在承受荷载作用下不会发生滑动失稳 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 以免影响大坝的安全和正常运行 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 我国近年来开展了以下的研究 加强了坝基工程岩体的基本性质和基础理论研究 不断改进坝基勘探 测试技术 开发引进新的分析计算方法 发展工程岩体监测技术 通过工程实践经验的总结和监测成果的反分析 提高了对坝基工程岩体特性的认识和判断能力 开展了建基面的优选和可利用岩体的研究 基于技术和经济的原因 使坝基面向浅嵌方向发展 第二节各种坝型对地质地形条件的要求 1 土石坝对地质地形条件的要求土石坝泛指由当地土料 石料或混合料 经过抛填 辗压等方法堆筑成的挡水坝 当坝体材料以土和砂砾为主时 称土坝 以石渣 卵石 爆破石料为主时 称堆石坝 当两类当地材料均占相当比例时 称土石混合坝 土石坝对地质地形条件要求低 从岩石地基到土质地基 都可修建土石坝 岩石地基对任何坝型一般都适应 但对于强烈喀斯特岩体 大的断层破碎带 强透水或抗剪强度低的软弱夹层 泥化夹层的岩体 基岩面起伏太大的岩体 宜避开或加强处理 土质地基 程度不同的会存在沉陷 变形 滑动 渗漏和渗透变形 振动液化等问题 土石坝适应于各类地形条件 高山深谷地形 河谷窄 山坡陡峻 山脊高 坝轴线短 如把土石坝布置在顺直河段 则引水洞 泄洪洞要拐弯 洞线长 溢洪道开挖边坡高 工程量大 而且溢洪道紧接土石坝 施工干扰大 应选择弯曲河段 把坝布置在弯道上 则凸岸布置引水洞 泄洪洞 溢洪道 可大大缩短长度 减少工程量 但如凸岸山梁单薄 便应对山梁的边坡稳定 渗透稳定 挡水后的抗滑稳定作计算论证 丘陵地形 河谷宽 山坡平缓 枢纽布置条件好 建筑物可在坝的两端布置互不干扰 布置溢洪道最好利用有垭口的地形 平原地形 一般河道顺直 无弯道可利用 常采用河岸式布置 2 重力坝对地质地形条件的要求 重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积档水建筑物 其基本剖面是直角三角形 整体是由若干坝段组成 重力坝主要依靠坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保持稳定 故重力坝对地基要求比土石坝高 一般修建在基岩上 低坝也可修在较好的土质地基上 重力坝对地质地形条件的要求主要有 具有足够的抗滑能力 满足抗滑稳定的要求 坝基应有足够的饿抗压强度和与坝体混凝土相适应的弹性模量 有较好的均匀性和完整性 坝基 坝肩应具有良好的抗渗性 两岸山体必须稳定 没有难处理的滑坡体和和潜在的不稳定滑移体 下游河床岩体应具有对高速水流抗冲能力 坝区附近有足够的 合乎要求的混凝土骨料 3 拱坝对地质地形条件的要求 拱坝平面上呈拱形并在结构上起拱的作用的坝 拱坝的水平剖面由曲线形拱构成 两端支承在两岸基岩上 竖直剖面呈悬臂梁形式 底部座落在河床或两岸基岩上 拱坝一般依靠拱的作用 即利用两端拱座的反力 同时还依靠自重维持坝体的稳定 拱坝地质地形条件的要求 两岸地形完整性和岩体稳定性要求高 要求两岸拱座岩体稳定 包括拱座的抗滑稳定 变形稳定和渗透稳定 两端拱座岩体应新鲜 完整 强度高而均匀 透水性小 耐风化 无较大断层 拱座山体厚实稳定 不致因变形或滑动而使坝体失稳 滑坡体 强风化岩体 具软弱夹层的 易产生塑性变形和滑动的岩体均不宜作为拱坝两端的拱座 4 支墩坝对地质地形条件的要求 支墩坝 由一系列支墩和斜倚于其上的面板组成的坝 面板直接承受上游水压力和泥沙压力等荷载 通过支墩将荷载传给地基 支墩坝对地质地形条件的适应性比较强 但要注意相邻支墩产生过大的不均匀沉降 支墩坝坝轴线方向性差 侧向稳定性差 抗震能力低 抵抗坝肩岩体侧向变形能力低 第三节坝基岩体的抗滑稳定性 1 坝基滑破坏的类型坝基抗滑稳定性指坝基岩体在建坝后的各种工程荷载作用下 抵抗发生剪切破坏的性能 坝基抗滑稳定性问题是重力坝设计和勘察的主要课题 本文主要讲解重力坝坝基稳定性研究 重力坝是依靠自身重量在某一可能滑移面上所产生的摩擦阻力或称抗滑力保持稳定 重力坝的滑动破坏有三种类型 1 表面滑动表面滑动是沿混凝土基础与基岩接触面发生的剪切滑动 主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度 且岩体完整 无控制滑移的软弱结构面的条件下 此时 混凝土基础与基岩接触面的摩擦系数值 是控制重力坝设计的主要指标 坝体必须具有足够的重量 以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力 接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验资料 考感到坝区的工程地质 水文地质条件的特点 并参照国内外已建的类似工程的经验数据确定的 2 浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时 剪切破坏往往发生在浅部岩体之内 造成浅层滑动 1 坝基岩体的岩性软弱 岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面 故在库水推力作用下 易于沿表层岩体的内部发生剪切破坏 从产生条件来看 这种浅层滑动可能有三种主要类型 坝基浅层滑动示意图 2 由近水平产出的薄层状岩层 特别是夹有软弱层者 由近水平产出的薄层状岩层 特别是夹有软弱层者 组成的坝基在库水推力作用下产生滑移弯曲 这类变形破坏的产生主要是因为薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低 在平行于层理方向的荷载作用下 易于产生突向临空面方向的弯曲变形 故在水平荷裁作用下 坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力 于是促进了坝基整体滑动的发生 下图所示 3 是碎裂结构岩休组成的坝基碎裂结构岩休组成的坝基在坝体推力作用下发生的剪动滑移破坏 3 深层滑动在工程应力条件下岩体的深层滑动主要是沿已有的软弱结构面发生 因此 只有当地基岩体内存在有软弱结构面 且按一定组合能构成危险滑移体时 才有发生深层滑动的可能 2 坝基岩体滑动边界条件 坝基岩体表层滑动边界条件比较简单 主要取决于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪强度 浅层滑动近似一平面 抗滑稳定性取决于浅部岩体的抗剪强度 坝基的深层滑动比较复杂 它必须有滑动面 切割面和临空面 下面着重讨论 岩体滑动边界条件的构成坝基岩体的深层滑动 是因为坝基下岩体四周为结构面所切割 形成可能滑动的滑动体 且该滑动体由可能成为滑动面的软弱结构面 和与四周岩体分离的切割面 以及具有自由空间的临空面构成 滑动面 切割面 临空面构成了坝基岩体滑动的边界条件 它们可以组成各种形状 构成可能产生滑动的结构体 滑移体 一般常见的滑移体形状有 楔形体 棱形体 锥形体 板状体四类 水平临空面 陡立临空面 坝基岩体常见的滑动边界条件 平缓层状岩体层面倾角平缓 破裂构造陡立切割 工程组成楔形体 方块体等形态 平放在坝基之下 倾斜层状岩体岩层倾角30 60 范围内 岩层受一定构造变动 各种力学成因的结构面均可能出现 各种结构面倾角较大 滑移体常为楔形或棱柱形 稳定条件相对良好 陡倾斜或倒转层状岩体 块状岩体 3 影响坝基抗滑稳定性的因素 工程作用力 坝体自重体积与材料的乘积 混凝土重度一般用24kN m3 砌石重度取23kN m3 坝上永久设备重量也应计入 水压力 扬压力 包括浮托力 和渗透压力 坝基内无防渗排水设施或这些设施失效时 扬压力按下式计算 式中 L为坝基地宽 H2为下游水深 H为坝上下游水位差 坝基内设有防水帷幕和排水孔 对于实体重力坝 扬压力按下式计算 式中 d为上游坝踵至排水幕距离 为扬压力折减系数 河床段取0 2 0 3 岸坡坝段采用0 3 0 4 淤砂压力 地震力 波浪压力和冰压力 岩体抗滑力考虑因素 滑动面的阻滑作用 侧向切割面得阻滑作用 尾岩抗立体的阻滑作用 4 坝基岩体抗滑稳定性计算 极限平衡法 1 表层滑动稳定性计算式中 V 由坝体传至岩基表面的总垂直荷载 H 坝体承载的总水平荷载 u 坝底扬压力 f 坝体混凝土与岩基接触面上的摩擦系数 C 坝体与岩基接触面上的凝聚力 MPa b 坝底宽度 m Fs 表层滑动抗滑安全系数 取2 5 3 0 甚至更大 对中小型工程中的中 低坝 若无条件进行试验时 也允许按纯抗剪公式计算 不同情况下Fs的大小要求不同 如下表 注 表中基本组合是指正常水位下的各种荷载组合 特殊组合 1 是在校核洪水位情况下的荷载组合 特殊组合 2 是包括地震荷载下的各种荷载组合 2 深层滑动稳定性计算 1 滑动面倾向上游的情况如图 AB为基岩中倾向上游的一个滑面 其倾角为 大坝蓄水后 受水平推力H的作用 坝体连同下面的三角形岩石块体ABC有可能沿AB滑动面产生滑动 根据图中受力情况 可得抗滑安全系数如下 式中 V 坝体与三角形岩石块体重量之和u 滑动面上的扬压力C 分别为滑动面上的凝聚力和内摩擦角 滑动面倾向下游的情况 3 滑动面倾向下游 双滑动面 的情况如图a 岩基中出现倾向下游的软弱结构面 图中AB面 这时必须验算坝下的岩体是否可能沿此软弱结构面并通过岩基中另一可能滑动面BC产生滑动 在一般情况下 滑动面BC的位置以及它的倾角 都是未知的 因此 在计算安全系数Fs时 要选定若干个可能的滑动面BC分别进行计算 以便求得安全系数最小者及其相应的危险滑动面 这种情况的抗滑安全系数的计算有三种方法 V1 坝体与滑动体ABD的重量之和 V2 抗力体 BCD块 的自重 u1 滑面AB上扬压力 u2 滑面BC上扬压力 A1 滑面AB的面积 A2 滑面BC的面积 分别表示滑面AB BC的倾角 f1 C1 滑面AB上的凝聚力和内摩擦系数 f2 C2 滑面BC上的内摩擦系数和凝聚力 剩余推力法此法认为图a中左侧滑移体ABD如果沿滑面AB不能处于平衡状态 亦即滑移体的抗滑安全系数小于1 这时ABD将具有下滑趋势 并将未知的下滑力P传到其下的抗力体BCD 并成为抗力体BCD的推力 图c 因此该推力P称之为 不平衡推力 这时可求得抗滑安全系数Fs为 假设P方向与水平面的夹角也为 被动抗力法 图a中坝基岩体ABC中的部分块体BCD在其自重 有时DC面上可能有外荷 的作用下 显然具有沿BC面下滑的趋势 这一趋势将对左侧ABD产生阻滑作用 因此 ABD块常被称为滑移体 右侧块体BCD则称为抗力体 所谓用 抗力体极限平衡法 来计算坝基的抗滑安全系数 就是通过抗力体的极限平衡状态首先算出滑移体ABD与抗力体BCD之间的相互推力P 然后在根据滑移体的受力状态来计算抗滑安全系数Fs 具体计算如下 等稳定法此法认为坝基在失稳过程中 滑移体与抗滑体具有相同的抗滑安全系数Fs 以下按此观点推导Fs的计算 首先根据图b中滑移体受力情况 可得Fs为 再根据图c中抗力体的受力状态 可求得相应的抗滑安全系数Fs为 由上式解出推力P 得 第四节坝基岩体质量分类 水利水电工程地址勘察规范 坝基岩体工程地址分类 本分类方法首先按岩石单轴抗压强度分三大类 A坚硬岩 Rb 60MPa B中硬岩 Rb 30 60MPa C软质岩 Rb 30MPa 三大类 然后根据岩体结构 岩体完整性 结构面得发育程度及其组合情况 岩体和结构面的抗滑 抗变形能力把岩体分五类 下页表 第五节坝基渗透与渗漏稳定性 1 坝区渗漏条件的分析 渗漏通道渗漏通道一般指具有较强透水性的岩土体 可分透水岩层 透水带和透水喀斯特管道 透水层 主要透水层位第四纪的砂层 卵砾石层 胶结不良的砂岩 砾岩层等 透水带 断层破碎带和裂隙密集带 是基岩中主要渗漏通道 喀斯特管道 坝区有可溶性岩体存在时 由于强烈喀斯特发育 在岩体中产生溶洞 暗河及溶隙等相互连通而构成喀斯特管道 可能造成严重的坝区渗漏 渗漏通道的连通性第四纪松散沉积地层渗漏通道的连通性主要取决于地层结构特征 与地貌发育情况密切相关 基岩透水层 透水带基喀斯特管道的连通性则受岩性 地质构造 地形地貌 覆盖层特征等因素控制 情况比较复杂 2 坝基的渗透稳定性分析 渗透水流作用于岩土上的力 称渗透压力或动水压力 渗透压力达到一定值时 土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运 这种地下水的侵蚀作用称为潜蚀 潜蚀使得岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走 从而引起岩土的结构变松 强度降降低 甚至整体发生破坏 这种工程动力地质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏 渗透变形的类型管涌 即土体中一部分小颗粒被渗透水流携出 较普遍发生在不均质砂层中 如下页图 流土 即土体表层某一部分土粒在垂直土层的渗透水流作用下全部浮动和流走 常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中 接触流土 即渗透水流近于垂直土层运动 当由颗粒粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时 细粒土被水流带入粗粒土中 接触冲刷 渗透水流方向与土层平行 细粒土与粗粒土接触面上的土粒受粗粒土中流速较大的水流所冲刷并被它带走 管涌破坏示意图 a 斜坡条件时 b 地基条件时1 管涌堆积颗粒 2 地下水位 3 管涌通道 4 渗流方向 渗透变形的水动力条件地下水在松散土体中渗流时 土颗粒在水头差作用下承受了来自水流的渗透力即动水压力 水流由下往上渗透时一旦当动水压力与土体的水下重量相等时 土体将处于悬浮状态而发生流土 单位土体承受的水压力 渗透变形产生的条件 太沙基公式即 土粒的密度愈大 孔隙率愈小 则临界水力梯度愈大 也即土体愈不易发生渗透变形 流土 若砂土粒密度Gs 2 65 n 50 30 则 但太沙基公式未考虑土体本身的抗剪强度 所以实测的各种土的临界梯度往往较上述公式计算结果相差很大 所以有必要进一步分析土的结构特性 土体的水下重量 若dp dq 即 临界水力梯度Jcr 土的颗粒成分和结构特征 土体抗渗强度取决于其本身的结构 制约渗透变形发生的土体结构特性 包括土中粗细颗粒直径比例 细粒物质的含量和土的级配特征 颗粒形状及排列方式等因素 粗细粒径比例只有当土中细颗粒的粒径d小于粗颗粒的骨架孔隙直径d0时 才能发生潜蚀 据研究其最优比为d0 d 8 一般天然无粘性土均为混粒结构 其孔隙率多为n 39 59 大颗粒粒径D与其孔隙d0比为D d0 2 5 所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比为D d 20 细颗粒含量只有较多量的粗大颗粒构成骨架 才能形成直径较大的孔隙 易于产生潜蚀 如细颗粒达到一定含量致使颗粒间不能相互接触 不能由它构成骨架 则孔隙大小取决于细颗粒 则比较难以潜蚀 实验资料证实 当细粒含量达2