第6章 库坝区工程地质问题

1、水工建筑物主要由三大部分组成：水工建筑物主要由三大部分组成： 挡挡水建筑物水建筑物 泄水泄水建筑物建筑物 取取水、输水建筑物水、输水建筑物此外，有的还有附属建筑物此外，有的还有附属建筑物 水电站航运船闸鱼水电站航运船闸鱼（筏）道（筏）道这些建筑物的综合体，称为这些建筑物的综合体，称为水利枢纽水利枢纽水利枢纽按规模分为五水利枢纽按规模分为五个等级（见教材）个等级（见教材）第一节第一节 水工建筑物工程地质条件水工建筑物工程地质条件 工程地质条件：工程地质条件： 是指与工程建筑物有关的各种地质因素的综合。是指与工程建筑物有关的各种地质因素的综合。内容主要包括：内容主要包括： 地形地貌地形地貌 地质构

2、造地质构造 地层地层岩性岩性 水文地质条件水文地质条件 自然自然( (物理物理) )地质现象地质现象 天然建筑材料天然建筑材料一、地形地貌条件一、地形地貌条件 地形：指地表形态、高程、地势高低、山脉水系、地形：指地表形态、高程、地势高低、山脉水系、自然景物、森林植被，以及人工建筑物分布等，常以自然景物、森林植被，以及人工建筑物分布等，常以地形图予以综合反映。地形图予以综合反映。 地貌：主要指地表形态的成因、类型，以及发育地貌：主要指地表形态的成因、类型，以及发育程度等，常以地貌图予以反映。程度等，常以地貌图予以反映。二、地质构造二、地质构造地质结构可以说是水电工程建设的决定因素，地质结地质结构

3、可以说是水电工程建设的决定因素，地质结构不适宜，水电工程建设就不能进行。构不适宜，水电工程建设就不能进行。l. l. 岩体结构面岩体结构面 按成因可分为原生结构面和次生结构面两类：按成因可分为原生结构面和次生结构面两类： (1)(1)原生结构面原生结构面 ： (2)(2)次生结构面次生结构面 ： 2. 岩体结构类型岩体结构类型岩体结构面，在漫长的地质年代里，受复杂的地岩体结构面，在漫长的地质年代里，受复杂的地质作用的影响，在自然界的出露是千差万别的和多方质作用的影响，在自然界的出露是千差万别的和多方向的，常使岩石组成不同形式的结构体，向的，常使岩石组成不同形式的结构体，常见的有；常见的有； 锥

4、形（锥形（4个个面）面） 楔形（楔形（5个面）个面） 菱形（菱形（6个个面）面） 方形（方形（6个面，各面角约个面，各面角约90o） 聚合形聚合形三三、地层岩性、地层岩性坝基坝基可分为两大类，即：可分为两大类，即：岩基岩基( (硬基硬基) ) 土基土基( (软基软基) ) 四四、水文地质条件、水文地质条件 水文地质条件一般包括以下内容：水文地质条件一般包括以下内容： 1. 1. 地下水类型地下水类型 2. 2. 含水层与隔水层的组合关系、空间分布规律及特征含水层与隔水层的组合关系、空间分布规律及特征 3. 3. 岩岩( (土土) )层的水理性质层的水理性质( (容水性、给水性、透水性容水性、给

5、水性、透水性) ) 4. 4. 地下水的运动特征地下水的运动特征( (流向、流速、流量等流向、流速、流量等) ) 5. 5. 地下水动态特征地下水动态特征( (水位、水温、水质的变化规律水位、水温、水质的变化规律) ) 6. 6. 地下水的水质地下水的水质( (水的物理、化学性质、水质标准等水的物理、化学性质、水质标准等) ) 五、自然五、自然( (物理物理) )地质现象地质现象 风化风化 滑坡滑坡 崩塌崩塌 泥石流泥石流 岩溶岩溶六、天然建筑材科六、天然建筑材科天然建材的天然建材的用量很大用量很大，需要研究，需要研究以下方面以下方面的内容：的内容： 1. 1. 产地距离：产地距离： 2. 2

6、. 开采条件：开采条件： 3. 3. 质量：质量： 4. 4. 数量：数量： 第二节第二节 坝基渗漏问题坝基渗漏问题渗漏：水体通过渗透通道流失的现象。渗漏：水体通过渗透通道流失的现象。根据渗漏部位不同根据渗漏部位不同可分为：可分为：坝基渗漏坝基渗漏绕坝渗漏（绕坝渗漏）绕坝渗漏（绕坝渗漏）坝体渗漏坝体渗漏根据渗漏形式又根据渗漏形式又可分为：可分为：均匀渗漏均匀渗漏集中渗漏集中渗漏二、坝基（肩）渗漏量的计算二、坝基（肩）渗漏量的计算 在在定性分析了坝基（肩）渗漏的地质条件以后，定性分析了坝基（肩）渗漏的地质条件以后，需对其渗漏量进行定量计算，借以确定防渗措施。需对其渗漏量进行定量计算，借以确定防渗

7、措施。（一）坝基渗漏量的计算（一）坝基渗漏量的计算 1. 1.单单层透水坝基：层透水坝基：用卡明斯基（用卡明斯基（Kamehck.HKamehck.H）公）公式计算式计算，即：，即：q q单单宽坝基的渗漏量，宽坝基的渗漏量，m m3 3/ /（d.md.m）；）；K K土层土层的渗透系数；的渗透系数；H H坝坝上下游水位差，上下游水位差，m m；b b坝坝底宽度之半，底宽度之半，m m；T T透水层透水层厚度，厚度，m m。TTbHKq2qBQ 22112222TKKTTKbHq坝基渗漏总量坝基渗漏总量2. 双层透水坝基：双层透水坝基：按下列卡明斯基公式计算单宽坝基的渗漏量按下列卡明斯基公式计

8、算单宽坝基的渗漏量q ：3. 3. 多层透水坝基：多层透水坝基：当坝基为多层结构，且各层渗透系数不一时，当坝基为多层结构，且各层渗透系数不一时，需先计算出渗透系数的加权平均值，再视情况分别需先计算出渗透系数的加权平均值，再视情况分别按单层和双层按单层和双层情况计算。情况计算。若上下层的渗透系数若上下层的渗透系数K K值相差在值相差在1010倍以内，可用倍以内，可用加权平均的渗透系数（即加权平均的渗透系数（即K K平均平均）值按单层情况计算）值按单层情况计算渗漏量；渗漏量；若上下层渗透系数若上下层渗透系数K K值相差在值相差在1010倍以上，则先将地层倍以上，则先将地层分为两组，分别计算渗透系数

9、的加权平均值，再按分为两组，分别计算渗透系数的加权平均值，再按双层计算式计算渗漏量。双层计算式计算渗漏量。nnnTTTTKTKTKK212211平均坝基渗漏量计算图（a）单层透水坝基； （b）双层透水坝基1不透水岩层； 2透水岩层； 3弱透水岩层nnnnnnnnnnTTTTKTKTKKTKTKTKITTTTIIIIITKITKITKITKq.).(.21221122112121222111平均总总总总总平均总而（二）绕坝渗漏量的计算（二）绕坝渗漏量的计算按下式计算每一条渗流带的渗漏量按下式计算每一条渗流带的渗漏量Q Q； 总的绕坝渗漏量总的绕坝渗漏量Q Q； K K岩土的渗透系数，岩土的渗透系

10、数，m/dm/d；b b某一渗流带的宽度，某一渗流带的宽度，m m；L L某一渗流带的宽度，某一渗流带的宽度，m m；H H1 1水库正常高水位至隔水层顶板的高差，水库正常高水位至隔水层顶板的高差，m m；H H2 2水库下游水位至隔水层顶板的高差，水库下游水位至隔水层顶板的高差，m m；H H水库上下游水位差，水库上下游水位差，m m。lHHHbKQ221nQQQQQ21第三节第三节 坝基渗透变形分析坝基渗透变形分析 坝基渗透变形坝基渗透变形：上游：上游通过坝下地层渗流向坝下通过坝下地层渗流向坝下游的水流具有相当大的动力压力，带动土层中的细游的水流具有相当大的动力压力，带动土层中的细颗粒，使

11、之发生移动或颗粒成分发生改变的现象。颗粒，使之发生移动或颗粒成分发生改变的现象。一、坝基渗透变形的形式一、坝基渗透变形的形式（一）管涌（或潜蚀）（一）管涌（或潜蚀）管涌：充填于大颗粒之间的小颗粒，在动水压力的管涌：充填于大颗粒之间的小颗粒，在动水压力的作用下，随渗透水流运动的现象。作用下，随渗透水流运动的现象。（二）流土（二）流土流土：在渗透水流动水压力作用下，细颗粒整体同流土：在渗透水流动水压力作用下，细颗粒整体同时浮动或隆起的现象。时浮动或隆起的现象。二、坝基渗透变形的原因分析二、坝基渗透变形的原因分析（一）岩（土）体结构因素分析一）岩（土）体结构因素分析岩（土）体的结构，特别是颗粒组成的

12、不均匀性，是岩（土）体的结构，特别是颗粒组成的不均匀性，是形成潜蚀或流土的主要原因形成潜蚀或流土的主要原因。其中。其中影响因素如下。影响因素如下。1. 1. 土中占多数的粗、细颗粒的平均直径：土中占多数的粗、细颗粒的平均直径：时时，才能产生管涌。，才能产生管涌。2. 2. 土颗粒级配的不均匀系数土颗粒级配的不均匀系数C Cu u的影响：的影响：C Cu u1010时，土易产生以流土为主要形式的渗透变形；时，土易产生以流土为主要形式的渗透变形；C Cu u2020的土易产生以管涌为主要形式的渗透变形；的土易产生以管涌为主要形式的渗透变形；1010C Cu u2020的土，则可能产生流土，也可能产

13、生管涌。的土，则可能产生流土，也可能产生管涌。20小大dd4. 4. 土层具二元结构或呈多层状结构，则应根据土层土层具二元结构或呈多层状结构，则应根据土层的埋藏条件具体分析：的埋藏条件具体分析：在二元结构情况下，当粘性土在上，砂性土在在二元结构情况下，当粘性土在上，砂性土在下，且粘性土层厚而完整时，则不易产生渗透变形。下，且粘性土层厚而完整时，则不易产生渗透变形。但当粘性土薄或不完整时，就易在坝的下游产生流但当粘性土薄或不完整时，就易在坝的下游产生流土隆起，并相继产生下层砂土管涌。如果有尖灭层、土隆起，并相继产生下层砂土管涌。如果有尖灭层、透镜体等土层存在，且粘性土层厚度由上游向下游透镜体等土

14、层存在，且粘性土层厚度由上游向下游逐渐变薄，亦即其下的砂砾石层逐渐变厚，则渗透逐渐变薄，亦即其下的砂砾石层逐渐变厚，则渗透压力至下游，会因过水断面的加大而有所削弱。相压力至下游，会因过水断面的加大而有所削弱。相反，如果砂砾石层向下游尖灭，则渗透压力会有很反，如果砂砾石层向下游尖灭，则渗透压力会有很大增加，这些地方就易产生流土或管涌。大增加，这些地方就易产生流土或管涌。 LHIIDW动（二）动水压力因素（二）动水压力因素渗透压力是渗透水流作用在单位土体上的压力，渗透压力是渗透水流作用在单位土体上的压力，其大小主要与渗透水流的水力坡降和水的容重有关，其大小主要与渗透水流的水力坡降和水的容重有关，即

15、即H水头差，水头差，L渗流距离，故渗流距离，故H越大或越大或L越小，则越小，则I值越大，产生值越大，产生渗透变形的可能性亦越大。渗透变形的可能性亦越大。三、坝基渗透变形计算三、坝基渗透变形计算预测坝基是否会发生渗透变形可按下述步骤：预测坝基是否会发生渗透变形可按下述步骤：、确定、确定临界水力坡降临界水力坡降方法很多，有方法很多，有理论计算法理论计算法实验室测定实验室测定野外试验野外试验现场观测现场观测经验数据经验数据以试验法较为可靠，理论计算次之。以试验法较为可靠，理论计算次之。LCtIgcp1gwcptI1nnIcp5 . 0) 1)(1 (2. 2. 允许水力坡降的选择：允许水力坡降的选择

16、： 即即用规定的安全系数（用规定的安全系数（K K）除临界水力坡降可）除临界水力坡降可得，得，如下式：如下式： 安全系数安全系数的规定应根据地质条件的复杂性及的规定应根据地质条件的复杂性及建筑物的重要性而定。建筑物的重要性而定。砂土：砂土：K K=2=23 3粘土粘土：K K=2.5=2.53 3KIIcp 3. 3. 坝基实际水力坡降的确定：坝基实际水力坡降的确定： 4. 4. 渗透变形判别：渗透变形判别：有了某点的实际水力坡降，以之与允许水力有了某点的实际水力坡降，以之与允许水力坡降比较，如果实际水力坡降大于允许坡降则该坡降比较，如果实际水力坡降大于允许坡降则该点就会发生渗透变形。点就会发

17、生渗透变形。其他各点以相同方法可以评定是否发生渗透其他各点以相同方法可以评定是否发生渗透变形。变形。 SHI坝基渗流示意图1坝基上游渗流方向向下；2坝基渗流方向水平；3坝基下游渗流方向向上L渗流距离；H水位差（H=H1H2）第五节第五节 坝基（肩）岩体抗滑稳定分析坝基（肩）岩体抗滑稳定分析一、坝基岩体滑动破坏的类型一、坝基岩体滑动破坏的类型 破坏破坏形式根据滑动破坏面位置的不同，形式根据滑动破坏面位置的不同，可分为可分为:表层滑动表层滑动浅层滑动浅层滑动深层滑动深层滑动混合滑动混合滑动 坝基滑动破坏的形式（a）表层滑动；（b）浅层滑动（c）深层滑动；（d）混合滑移二、坝基抗滑稳定性的分析二、坝

18、基抗滑稳定性的分析 ( (一一) )表层滑移的稳定性分析表层滑移的稳定性分析( (二二) )浅层滑移的稳定性分析浅层滑移的稳定性分析可按表层滑移情况进行简化计算。可按表层滑移情况进行简化计算。但应注意的是，此时应采用软弱岩石或破碎岩体的但应注意的是，此时应采用软弱岩石或破碎岩体的抗剪强度指标，而不能采用混凝土与岩石间的抗剪抗剪强度指标，而不能采用混凝土与岩石间的抗剪强度或抗剪断强度指标。强度或抗剪断强度指标。 HUGfKc)(HcAUGfKc)(滑动力抗滑力cK2. 岩体结构类型岩体结构类型岩体结构面，在漫长的地质年代里，受复杂的地岩体结构面，在漫长的地质年代里，受复杂的地质作用的影响，在自然

19、界的出露是千差万别的和多方质作用的影响，在自然界的出露是千差万别的和多方向的，常使岩石组成不同形式的结构体，向的，常使岩石组成不同形式的结构体，常见的有；常见的有； 锥形（锥形（4个个面）面） 楔形（楔形（5个面）个面） 菱形（菱形（6个个面）面） 方形（方形（6个面，各面角约个面，各面角约90o） 聚合形聚合形1)1)倾向下游的单斜滑动面倾向下游的单斜滑动面这种情况下，在坝的下游存在陡立临空面，这种情况下，在坝的下游存在陡立临空面，构成滑移体，其抗滑稳定系数为构成滑移体，其抗滑稳定系数为2)2)倾向上游的单斜滑动面倾向上游的单斜滑动面抗滑稳定系数为：抗滑稳定系数为：滑动力抗滑力cKsinco

20、s)sincos(GHclHUGfKcsincos)sincos(GHclHUGfKc 3)3)双斜滑动面双斜滑动面剩余推力法极限平衡法等安全系数法剩余推力法极限平衡法等安全系数法坝基滑移体在倾向下游的滑动面上的下滑力坝基滑移体在倾向下游的滑动面上的下滑力P P为为该段滑动力与抗滑力之差该段滑动力与抗滑力之差 下游岩体（抗滑体）稳定系数值为下游岩体（抗滑体）稳定系数值为： )sincos()sincos(1111lcHUGfGHPsin)cos(cos)sin(2222220GPlcGUPfK 坝基表层滑移计算图形坝基深层滑移体稳定计算图形(a)、(d)单斜滑动面倾向下；(b)单斜滑动面顷向上游；(c)、(d)双斜滑动面第六节第六节 坝基问题处理坝基问题处理对不良地质问题的处理，可分为下列三个方面：对不良地质问题的处理，可分为下列三个方面： 清清基基 裂隙裂隙岩层的处理岩层的处理 软弱软弱破碎带的处理。破碎带的处理。一、清基一、清基清基就是将坝基表部的松散软弱、风化破碎的岩清基就是将坝基表部的松散软弱、风化破碎的岩层及浅部的软弱夹层等开挖清除掉，使坝体放在层及浅部的软弱夹层等开挖清除掉，