《工程地质与土力学》第五章水利工程一般质地问题课件.ppt

第五章 水利工程的一般地质问题,第五章 水利工程的一般地质问题,第五章 水利工程的一般地质问题,本章教学要求： 1、掌握工程地质条件的概念、理解工程地质条件对水利工程建筑的影响。 2、了解坝、渠道、隧洞的主要工程地质问题。 3、了解山岩压力和弹性抗力的概念。,第1节 坝的工程地质问题,教学目的与要求： 了解坝基岩体滑动破坏的类型 理解坝基抗滑动稳定计算公式 了解抗滑稳定计算中主要参数的确定方法,第五章 水利工程的一般地质问题,第五章 水利工程的一般地质问题,一、坝基的稳定问题 坝基的稳定是指坝基岩体在水压力及上部荷载作下，不产生过大的沉降或不均匀沉降（称沉降稳定），不产生滑动（称抗滑稳定）和在渗透水流作用下，不产生过大的渗透变形（称渗透稳定）。 1、坝基的沉降稳定问题 坝基在垂直压力作用下，产生的竖向压缩变形称为坝基沉降。 显然沉降量过大或产生不均匀沉降，将会导致坝体的破坏或影响正常使用。 由坚硬岩石构成的坝基、强度高、压缩性低，不会产生过大的沉降。 但当坝基岩体中存在软弱夹层、断层破碎带、节理密集带和较厚的强风化岩层时，则有可能产生较大的沉降或不均匀沉降，甚至导致破坏。,软弱岩层和软弱结构面的产状对沉降变形的影响,某坝址横剖面示意图,砂岩,页岩,花岗岩,可能产生 的问题？,贵州某坝址示意图,厚5583米的粘土页岩,可能出现的工程地质问题？,垂直推力方向分布较厚的软弱岩层或软弱结构面或裂隙密集带,为了保证建筑物的安全和正常运用，应将地基沉降变形量限制在一定容许范围内，工程中通常用地基容许承载力来表示。 岩基的容许承载力是指岩基在荷载作用下，不产生过大的变形、破裂所能承受的最大压强，一般用单块岩石的极限抗压强度除以折减系数得出，即：,式中： R-岩基容许承载力，KPa； Rc -岩石的饱和极限抗压强度，KPa； K -折减系数。,折减系数K是因为单块岩石容许承载力要远高于岩体的抗压强度，而用Rc 去评价被各种结构面切割的岩体时，必须除以折减系数，才能评价岩体的容许承载力。 一般对于特别坚硬的岩石，K取2025；对于一般坚硬的岩石K取1020；对于软弱的岩石K取510；对于风化的岩石参照上述标准相应降低2550。 岩基的承载力一般较高，多数能满足筑坝要求。 故R往往不是设计中的控制性指标。 对于建筑在较软弱、破碎地基上的大型重要建筑物，为了正确确定地基的承载力，应在现场进行荷载试验。,表层滑动 表层滑动是指坝体混凝土底面与基岩接触面之间的剪断破坏现象。 一般发生在基岩比较完整、坚硬的坝基，上部坝体与下部基岩的抗剪强度都比较大，只有在二者的接触面，由于基础处理、特别是清基工作质量欠佳，致使浇筑的坝体混凝土与开挖的基岩面粘结不牢，抗剪强度未能达到设计要求而形成如图2（a）。,2、坝基的抗滑稳定分析 坝基岩体在大坝重量及水压力的共同作用下产生的滑动，是重力坝破坏的主要形式。 坝基的抗滑稳定分析是坝设计中的一个重要因素。坝基岩体滑动破坏的类型（按滑动面发生位置的不同）,浅层滑动 浅层滑动是指沿坝基深度较浅处岩体表层的软弱结构面而发生的滑动如图2（b）。 浅层滑动往往发生在施工中对风化岩石的清除不彻底、基岩本身比较软弱破碎，或在浅部岩体中有软弱夹层未经有效处理等情况下。,深层滑动 当坝基岩体某一深度处存在一组软弱结构面或多组结构面的不利组合时，软弱结构面上覆岩体和坝体本身的抗剪强度都较高，而组成软弱结构面的物质的抗剪强度却相对较低，这时坝体和软弱面上覆岩体作为一个整体，在水平推力的作用下，就可能沿该软弱结构面（或结构面的不利组合）形成滑动。这种滑动称为深层滑动如图2（c）。,坝基滑动的边界条件 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（如图3）。 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， 一般常见的结构体形状有：楔形体、棱形体、锥形体、板状体四类（如图4）。,滑动面,临空面,坝基抗滑稳定计算公式 在坝基抗滑稳定验算中，通常采用静力极限平衡原理方法，将作用在坝基岩体的各种力均投影到同一可能的滑动面上，并按其性质分滑动力与抗滑力两部分，抗滑力与滑动力的比值称为抗滑稳定性系数Fs，即：,下面就表层滑动介绍目前常用的两种类型的计算公式，参见图5。,图5坝基滑动边界条件ABCD滑动面：ADE、BCF、ABEF切割面：CDHG临空面,（式2）,（式3）,式中 抗滑稳定安全系数，一般取值为1.01.1， 取值在3.05.0之间； 作用在滑动面上的竖向力之和，KN； 作用在滑动面以上的水平力之和，KN； U作用在滑动面上的扬压力，KN； c滑动面的粘聚力，KPa； A滑动面的面积，m2； f摩擦系数。,（式2）和（式3）的区别在于是否考虑粘聚力c的作用。（式2）不考虑粘聚力c，主要是由于c值受很多因素影响（如风化程度、清基质量以及作用力的大小等），正确选择c值有困难。因此可以不考虑它，并将其作为安全储备，这样可以降低Fs值。（式3）考虑了c值，是认为滑动面处于胶结状态，适用于混凝土与基岩的胶结面及较完整的基岩。,抗滑稳定计算中主要参数的确定 从（式2）、（3）中可以看出，f、c值的大小对岩体稳定性影响很大。如果选值偏大，则坝基稳定性没有保证；反之则会造成工程上的浪费,目前对抗剪强度指标的选定，一般采用三种方法。,经验数据法 对无条件进行抗剪试验的中小型水利水电工程，可在充分研究坝基工程地质条件的基础上，参考经验数据确定f、c值。表1是根据我国经验得出的摩擦系数f值，可供参考。,坝基岩体摩擦系数（f）经验数据表 表1,工程地质类比法 此法是参考工程地质条件相似且运转良好的已建工程所采用的f、c值，作为拟建工程的设计指标。这种方法实质上也是经验数据法，但由于条件相似，则更接近实际情况，适用于中、小型工程采用。,试验法 试验法是通过室内与现场试验求得抗剪强度指标f、c值。 采用试验法确定抗剪强度指标时，通常分三步选定。 即由试验人员通过试验、整理后提出试验指标； 再由地质人员根据工程地质条件等因素予以调整后提出建议指标； 最后设计人员根据工程特点对建议指标进行适当调整，提出设计时采用的计算指标。,坝基处理 经过以上分析和计算，认为坝基稳定存在问题时，应采取措施，以保证工程的安全。常用的处理措施如下：,经过以上分析和计算，认为坝基稳定存在问题时，应采取措施，以保证工程的安全。常用的处理措施如下：清基 将坝基岩体表层松散软弱、风化破碎的岩层以及浅部的软弱夹层等开挖清除，使基础位于较新鲜的岩体之上。 清基时，应使基岩表面略有起伏，并使之倾向上游，以提高抗滑性能岩体加固 可通过固结灌浆，将破碎岩体用水泥胶结成整体，以增加其稳定性 对软弱夹层可采用锚固处理，即用钻孔穿过软弱结构面，进入完整岩体一定深度，插入预应力钢筋，用以加强岩体稳定。,江西某水电站,江西某水电站： 混凝土重力坝，坝高68米，坝项长143米，底宽58米，坝区为中、下泥盆统的石英砂岩、石英砾岩及紫红色砂岩与板岩互层。即在坚硬的石英砂岩中夹有厚度不等、分布不均的薄层板岩。另发育有四组节理，其中2组节理与板岩（泥化夹层）形成坝下滑动体的形状近似于楔形体，如下图所示。问题：1.是否对坝基的稳定产生影响？ 2.工程中如何处理？,问题：抗滑稳定问题；工程处理措施,1.由于具备了坝基岩体滑动的边界条件，因此需要进行稳定计算。2.工程处理措施： 将坝基中部戊、已、庚三个坝块下的泥化夹层全部挖除，丙、丁、辛三个坝块挖掉一部分，丙块坝基下尚保留有该块面积的85.5，且距地基面较近，对其抗滑稳定 性按其楔形体进行了计算，证明是稳定的，其他坝下的泥化夹层，埋藏较深，且已至岸边，所以问题不大。,法国马耳帕赛典型实例,马尔帕赛坝修建于19521954年，坝型为混凝土双曲薄拱坝，最大坝高66.5米，坝底宽仅为6.9米，坝顶宽1.5米，坝顶长222.7米，最大库容为5000万立方米，坝顶中部有29.7米的溢流段。全部混凝土方量为47500万立方米。它是世界上最薄的拱坝之一，它的破坏是拱坝建筑史上的第一次巨大破坏事件，因此，世界各国的水工建筑、工程地质、岩石力学的人员均非常重视。,破坏的原因分析：,经过详细要检查后证明：设计与施工是没有问题的。 在坝基和坝肩的片麻岩体中，存在有致命的细裂隙与断层，它们构成了滑动破坏的软弱结构面，而所有这些危险的断层与裂隙，在设计与施工中都没有注意到，当然更没有采取必要的防治措施。 破坏的主要是因左岸拱座首先发生滑动所引起的，而拱座的滑动则是因岩体中裂隙抗剪强度不够，而且坝基也存在有软弱结构面。,河谷边坡对拱坝坝肩岩体滑动的影响,原因分析：,河谷边坡是坝肩岩体滑动的天然临空面，当坝下游河谷变窄，地形收缩时，滑动面增长，对岩体有利，如图中所示坝线所示。反之，若下游河谷变宽，地形开阔时，则不易满足稳定要求，如图中的坝线。如果在下游不远处河流急转且岸坡较陡或是有冲沟切割时，则会形成两面临空的现象，显然对岩体的稳定性更为不利。,闽东水电站坝基稳定分析实例,滑动边界条件分析,闽东水电站砌石重力坝，坝高40米，滑动边界条件是： 由河床左侧近于水平的夹泥缷荷裂隙构成的滑动面在施工中大部分被清除，但还有部分未清除，因而使该坝仍有约1/2的坝段座落在有夹泥缷荷裂隙的弱风化花岗岩上，顺河断层F1和f2构成侧向切割面，施工中采用混凝土塞处理 ；运行泄洪以后，冲刷坑最深位置恰好在顺河断层通过处，冲刷坑深12米以上，造成了临空面。 处理措施： 对下游冲刷坑采用锚杆混凝土铺砌加固处理。,云霄峰头水库溢流段地质剖面图,夹泥缷荷裂隙,原设计开挖线,滑动边界条件分析与处理,边界条件： 夹泥缷荷裂隙为滑动面，f=0.3 0.4 C=0 ；顺河断层（2条）十分破碎，陡倾角，充填方解石，成为侧向切割面；横河断层倾向上游，陡倾角，宽约12米（若断层带受压变形，将提供自由空间）。处理措施： 将夹泥缷荷裂隙基本挖除，对顺河断层回填混凝土塞，并设防渗井和加强固结灌浆、接触灌浆，并将断层带开挖至呈张开的大节理状，回填混凝土。从而大大改善了坝基的抗滑稳定条件。,二、坝区渗漏问题 水库蓄水后，在大坝上、下游水头差的作用下，库水将沿坝基岩体中存在的渗漏通道向下游渗漏。 库水由坝基岩体渗向下游称坝基渗漏，由两岸坝肩岩体的渗漏称绕坝渗漏，两者统称坝区渗漏。 坝区渗漏和水库渗漏一样，主要沿透水层（如砂、砾石）和透水带（断层、溶洞）渗漏。,1、基岩地区渗漏分析 岩浆岩（包括变质岩中的片麻岩、石英岩）区的坝基一般较为理想，对基岩来说，可能渗漏的通道主要是断层破碎带、岩脉裂隙发育带和裂隙密集带以及表层风化裂隙组成的透水带。 只要这些渗漏通道从库区穿过坝基，就有可能导致渗漏。喷出岩区的渗漏主要是通过互相连通的裂隙、气孔以及多次喷发的间歇面渗漏，具有层状性质。,沉积岩地区除上述断层破碎带和裂隙发育带构成的渗漏通道外，最常见的是透水层（胶结不良的砂砾岩和不整合面）漏水，只要它们穿过坝基，就可成为漏水通道。在岩溶地区应查明岩溶的分布规律和发育程度，当岩溶区一旦发生渗漏，就会使水库严重漏水，甚至干涸。,2、 松散沉积物地区的渗漏分析 松散沉积物地区坝基渗漏主要是通过古河道、河床和阶地内的砂卵砾石层。 其颗粒粗细变化较大，出露条件也各异，这些均影响渗漏量的大小。如果砂卵石层 上有足够厚度、分布稳定的粘土层时，就等于是天然铺盖，可起防渗作用。 因此，在研究松散层坝区渗漏问题时，应查清土层在垂直和水平方向的变化规律。,第2节 库区工程地质问题,教学目的与要求： 了解库区的工程地质问题,库区的工程地质问题，可归纳为：库区渗漏、浸没、塌岸、淤积等几方面。,1、 库区地形地貌特征及水文地质条件 山区水库，地形分水岭（或称河间地块）单薄，邻谷谷底高程低于水库正常高水位图6（a），则库水有可能向邻谷渗漏。 相反，若河间地块分水岭宽厚，或邻谷谷底高于水库正常高水位，库水就不可能向邻谷渗漏图6（b）。,一、库区渗漏问题 库区渗漏包括暂时性渗漏和永久性渗漏两类。 前者指在水库蓄水初期为使库水位以下岩土饱和而出现的库水损失，这部分的损失对水库影响不大。 后者系指库水通过分水岭向邻谷低地或经库底向远处洼地渗漏，这种长期的渗漏将影响水库效益，还可能造成邻谷和下游的浸没。 分析库区是否渗漏，可从以下几方面考虑,当山区水库位于河弯处时，若河道转弯处山脊较薄，且又位于垭口、冲沟地段，则库水可能外渗（图7）。 平原区水库一般不易向邻谷河道渗漏，但在河曲地段有古河道沟通下游时，则有渗漏可能。,图7 河弯间渗漏途径示意图,2、地层岩性和地质构造,当河间分水岭岩性由强透水岩层组成 如卵砾石层、岩溶通道、或有断层沟通，且这些岩层及通道又低于库区的正常水位，必将引起强烈漏水（图8）。,图8 易于向邻谷渗漏的岩性、构造条件,二、水库浸没问题 水库蓄水后，水位抬高，使水库周围地区的地下水位上升至地表或接近地表，引起水库周围地区的土壤盐渍化和沼泽化，以及使建筑物地基软化，矿坑充水等现象，称水库浸没。 水库浸没的可能性决定于水库岸边正常水位变化范围内的地貌、岩性及水文地质条件。 对于山区水库，水库边岸地势陡峻，或为不透水岩石组成，一般不存在浸没问题。但对山间谷地和山前平原中的水库，周围地势平坦，易发生浸没，而且影响范围也较大。三、水库塌岸问题 水库蓄水后，岸边的岩石、土体受库水饱和、强度降低，加之库水波浪的冲击、淘刷，引起库岸坍塌后退的现象，称为塌岸。 塌岸将使库岸扩展后退，对岸边的建筑物、道路、农田等造成威胁、破坏，且使塌落的土石又淤积库中，减少有效库容。 还可能使分水岭变得单薄，导致库水外渗。,四、水库淤积问题 水库建成后，上游河水携带大量泥沙及塌岸物质和两岸山坡地的冲刷物质，堆积于库底的现象称水库淤积。水库淤积必将减小水库的有效库容，缩短水库寿命。 尤其在多泥沙河流上，水库淤积是一个非常严重的问题 工程地质研究水库淤积问题，主要是查明淤积物的来源、范围、岩性及其风化程度及斜坡稳定性等，为论证水库的运用方式及使用寿命提供资料。 防治水库淤积的措施主要是在上游开展水土保持工作。,第3节 引水建筑物的工程地质问题,教学目的与要求： 1.了解渠道与隧洞的主要工程地质问题 2.了解隧洞围岩的分类 3.了解山岩压力与弹性抗力的概念,一、渠道的工程地质问题 渠道的工程地质问题主要有渠道渗漏、渠道边坡稳定和渠道两侧的自然地质现象，如冲沟、崩塌、滑坡、泥石流对渠道的威胁。,故而在选线时，首先要注意地貌和地形条件，应尽可能避开高山、深谷和地形切割强烈的丘陵山区。 渠线应在工程地质条件较好的岩体中通过，尽量避开不良地质条件，如大断层破碎带、强地震区、强透水层分布区、溶洞（尤其是落水洞）发育地段和边坡不稳定地段。 3. 渠道渗漏的防治渠道渗漏防治措施主要有三个方面：绕避在渠道选线时尽可能避开强透水地段、断层破碎带和岩溶发育地段。防渗采用不透水材料护面防渗，如粘土、三合土、浆砌石、混凝土、土工布等。灌浆、硅化加固等但价格昂贵，较少采用,二、隧洞的工程地质问题 当渠道穿越山岭和谷地时，环山渠道往往由于线路太长，且要增加较多的附属建筑物（如渡槽、倒虹吸、挡土墙等），此时可经过经济方案比较而选用穿山隧洞的形式。 其优点是线路短，水头损失小，便于管理养护，还可避开一些不良地质地段。 由于隧洞修建在地下岩体中，所以地质条件对隧洞影响很大，隧洞的主要工程地质问题是洞身围岩（即洞的周围岩体）的稳定性和围岩作用于支撑、衬砌上的山岩压力，以及地下水对围岩稳定的影响。,1、 围岩工程地质分类按我国的水利水电工程地质勘察规范（GB5028799）中将围岩按围岩总评分、围岩强度应力比分为5类，见表2。,注：、类围岩，当其强度应力比小于本表规定时，围岩类别宜相应降低一级。 围岩强度应力比S可根据下式求得：,式中：Rb岩石饱和单轴抗压强度（MPa）； 岩体完整性系数； 围岩的最大主应力（MPa）。,围岩工程地质分类 表2,围岩总评分为：以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和。详见水利水电工程地质勘察规范（GB5028799）。,2、隧洞的工程地质条件 洞口位置的选择 洞口位置应该考虑山坡坡度、岩层倾角、洞口顶板的稳定性和水流影响等几方面因素。 许多工程实践证明：往往因洞口位置的地形地貌条件不利，导致迟迟不能清理出稳定的洞脸而无法进洞的局面。 山坡宜下陡上缓，无滑坡、崩塌等存在。山坡下部坡度最好大于60，一般不宜小于40。洞口处岩石应直接出露或坡积层较薄，岩石比较新鲜，尽量选在岩层倾角与坡向相反的山坡（反向坡），或选择岩层倾角小于20或大于75的顺向坡。选择完整、厚度大的岩层作顶板。 洞口位置不应选在冲沟或溪流的源头、旁河山嘴和谷地口部受水流冲蚀地段。在地貌上应避开滑坡、崩塌、冲沟、泥石流等不良自然地质现象,隧洞选线的工程地质评价 隧洞选线时应充分利用地形，方便施工。 如利用深切的河谷，使隧洞出现明段，便于分段施工。有压隧洞上覆岩体应大于0.20.5倍的压力水头，无压隧洞也不小于三倍洞的跨度。 选择洞线时，应充分分析沿线地层的分布和各种岩石的工程性质，尽量使洞身在完整坚硬的岩体中穿过。 洞线在褶皱岩层和断裂地带穿过时，应尽量使其垂直于岩层和断层的走向，并应避开褶曲核部，以陡倾角的翼部为佳。 对隧洞沿线的水文地质条件应进行预测性调查，对易透水的岩层和构造，特别是岩溶地区，要密切注意其分布规律和发育程度，并分析评价地下水涌水的可能性和涌水量。 在隧洞位置选择时，岩体中的初始应力状态，对围岩稳定性的影响不可忽视。 如岩体中水平主应力较大时，洞线应平行最大主应力方向布置,3、山岩压力及弹性抗力 山岩压力 由于隧洞的开挖，破坏了围岩原有的应力平衡条件，引起围岩中一定范围内的岩体向洞内松动或坍塌。 因而就必须尽快支撑和衬砌，以抵抗围岩的松动或破坏。这时围岩作用于支撑和衬砌上的压力称为山岩压力（也称围岩压力）。 显然，山岩压力是隧洞设计的主要荷载。 若山岩压力很小或没有，可认为隧洞是稳定的，可以不支撑；当山岩压力很大时，则必须考虑衬砌和支撑，所以正确估计山岩压力的大小，将是直接影响隧洞安全和经济的问题。,工程上常用的两种确定山岩压力的方法：用平衡拱理论，将围岩视为松散介质；用岩体结构分析，将围岩视为各种结构面组合而成的塌落体，塌落体的滑动力减去抗滑力即为山岩压力。 但由于确定山岩压力的大小和方向是一个极为复杂的问题，到目前为止，山岩压力的计算还没有得到圆满解决。,围岩的弹性抗力 岩体的弹性抗力是指在有压隧洞的内水压力作用下向外扩张，引起围岩发生压缩变形后产生的反力。 围岩的弹性抗力与围岩的性质、隧洞的断面尺寸及形状等有关。当洞壁围岩在内水压力作用下向外扩张了y cm（图9），则围岩产生的弹性抗力为： PKy式中：P岩体的弹性抗力，MPa； y洞壁的径向变形，cm； K围岩的弹性抗力系数，MPa/cm,弹性抗力系数K的物理意义是迫使围岩产生一个单位的径向变形所需施加的压力值。 岩体的弹性抗力系数反映了岩体的抗力特征。 K值愈大，岩体承受的内水压力就愈大，相应的衬砌承担的内水压力就小些，衬砌可以做得薄一些。但K值选得过大，将给工程带来不安全，因此，正确选择岩体的弹性抗力系数具有很大意义。 弹性抗力系数K与隧洞的直径有关，以圆形隧洞为例，隧洞的半径愈大，K值愈小。故K值不为常数，为了便于对比使用，隧洞设计中常采用单位弹性抗力系数K0（即隧洞半径为100cm时的岩体弹性抗力系数） 即,式中： R隧洞半径，cm。,表3为常用的单位弹性抗力系数表，以供参考。,第1节 讲课完成后布置的复习思考题1、 何谓工程地质条件？在中小型水利水电工程建设中，经常会遇到哪些主要工程地质问题？2、 坝的工程地质问题有哪些？如何评价坝基的抗滑稳定？3、 基抗滑稳定计算中主要参数是如何确定的？对水利工程有什么影响？第2、3节 讲课完成后布置的复习思考题4、 水库库区有哪些主要工程地质问题？如何分析水库的渗漏问题？5、 渠道选线应注意哪些工程地质问题，渠道渗漏防治措施主要有哪些？6、 水利水电工程地质勘察规范如何对围岩进行分类？7、 为什么要确定岩体的山岩压力和弹性抗力系数？,