第十章坝的工程地质研究课件.ppt

第十章 坝的 工程地质研究,第十章 坝的工程地质研究,水利水电工程建设实践表明，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。在大坝发生毁坏的事故中，因地质问题而引起的最多，因此在大坝的设计和施工中，对坝基或坝肩的岩体进行工程地质条件的分析研究是非常重要的。,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学科范围之内，避免产生过大的局部应力集中和严重的不均匀变形；坝基在渗流水的长期作用下，保持力学上和化学上的稳定，渗漏量和渗流压力都应控制在允许范围之内。,主要解决问题：,各种坝失事百分率统计,工程地质条件 自然环境地质因素对工程活动的制约和影响而产生的问题。这种环境地质因素通常称为工程地质条件，它们是自然历史发展演变的产物，主要有：地形地貌；岩土类型及其工程地质性质；地质结构与地应力；水文地质条件；物理地质现象(滑坡、崩塌、泥石流、风化、侵蚀、岩 溶、地震等)；地质物理环境 天然建筑材料,第一节 水工建筑物的工程地质条件及工程地质问题,二、各种坝型对地质、地形条件的要求土石坝,1.土石坝对地质条件的要求,土石坝是由散体材料经碾压填筑而成，坝坡平缓，体积庞大，底宽较大，对地基底压应力较小。同时坝体堆筑材料之间没有胶结材料，坝体是柔性的，允许产生较大的变形。故它对坝基工程地质地形条件的要求较低，在土质地基和岩石地基上均可兴建。但是，对下列地质情况需特别注意研究和处理：岩石地基：强烈喀斯特岩体、大的断层破碎带、强透水和抗剪强度低的软弱夹层、泥化夹层的岩体、基岩起伏太大的岩体。土质地基：(1)深厚砂砾石层；(2)软土；(3)湿陷性黄土；(4)疏松砂土及少粘性土(粘粒含量小于15)；(5)岩溶，即含大量可溶岩类土；(6)透水坝基下游坝趾处有连续的透水性较差的覆盖层。,已完工的水布垭大坝砼面板20070328,土石坝适用于各种地形条件。在布设的时候应注意下列原则：(1)坝址附近在地形上最好有天然垭口以便布置溢洪道，或是有利于布置侧槽式溢洪道、溢洪洞的地形地质条件。(2)土石坝是当地材料坝，坝区附近有足够数量的、合乎质量标准又易于开采运输的粘土、砂砾石或堆石料。,二、各种坝型对地质、地形条件的要求土石坝,2.土石坝对地形条件的要求,二、各种坝型对地质、地形条件的要求重力坝,1.重力坝对地质条件的要求,重力坝是依靠坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保持其稳定，故对地基要求比土石坝高，一般都修在岩基上，低坝也要修在较好的土质地基上。1）具有足够的抗滑能力，能满足抗滑稳定要求。2）坝基应有足够的抗压强度和与坝体混凝土相适应的弹性模量，其均匀性和完整性也应较好，能承受坝体传来的巨大压力，不致产生过大的变形或不均匀变形，否则坝体内会产生较大的拉应力，使坝体裂开，甚至毁坏。3）坝基(肩)应有良好的抗渗性，在库水上下游水头差作用下不发生大量渗漏，不产生过大的扬压力，也不会产生岩体的软化、泥化和软弱夹层、断层破碎带的渗透变形。,三峡大坝,1）重力坝对地形适应性好，但两岸山坡岩体必须稳定，没有难以处理的滑坡体和潜在的不稳定的滑移体。2）重力坝可以从坝顶宣泄大量洪水，下游河床岩体应具有对高速水流的抗冲能力，以免冲刷坑向上游扩展，威胁大坝安全。3）坝区附近应有足够的、合乎要求的混凝土骨料或石料。,二、各种坝型对地质、地形条件的要求重力坝,2.重力坝对地形条件的要求,二、各种坝型对地质、地形条件的要求拱坝,1.拱坝对地质条件的要求,拱坝的外荷载主要是通过拱的作用传递到坝端两岸，所以拱坝的稳定性主要是依靠坝端两岸岩体维持。与重力坝比较，拱坝对两岸岩体的要求较高，要求两岸拱座岩体具有抗滑稳定、变形稳定和渗透稳定。两端拱座岩体应该坚硬、新鲜、完整，强度高而均匀，透水性小，耐风化、无较大断层，特别是顺河向断层、破碎带和软弱夹层等不利结构面和结构体，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、断层破碎带、具软弱夹层的易产生塑性变形和滑动的岩体均不宜作为两端的拱座。,石门拱坝,图片名称：石门水库电站地点：陕西汉中所在河流：褒河所在水系：黄河水系主要坝型：混凝土拱坝坝顶高程：620.0米最大坝高：88米,修建拱坝比较理想的河谷断面形状应是比较狭窄的、两岸对称的“V”字形河谷，其次是“U”形和梯形。河谷的宽高比值在1.5-2比较理想，最好不超过3.5。,二、各种坝型对地质、地形条件的要求拱坝,2.拱坝对地形条件的要求,二、各种坝型对地质、地形条件的要求支墩坝,1.支墩坝对地质地形条件的要求,支墩坝是由向上游倾斜的挡水盖板和支撑盖板的多个支墩组成的。水压力由盖板经支墩传给地基。与重力坝相比，它的体积比重力坝要小很多，坝对地基的荷载要低于同等高度的重力坝，对地质条件的适应性较强，其对地质地形条件的要求同重力坝，但需注意防止相邻支墩产生较大的不均匀沉降。,二、水工建筑物的工程地质问题,工程地质问题 一是工程地质条件；二是由工程活动而引起环境地质条件的变化，从而形成不利于工程建设的、新的地质作用，通常称为工程地质作用。水利工程存在的工程地质问题：1）坝基工程地质问题；2）输水及泄水建筑物的工程地质问题；3）水库区的工程地质问题；4）区域地壳稳定问题；5）环境地质问题。,第二节 坝区的渗漏,水库蓄水以后由于坝上、下游有一定的水位差，使库水在一定的水头压力下通过坝区透水岩土体向下游渗漏，依其产生部位的不同，可以分为坝基渗漏和绕坝（肩）渗漏。,坝区渗漏工程地质条件分析渗漏通道：渗漏通道一般是指具有较强透水性的岩土体，可分为透水岩层、透水带、和透水喀斯特管道。渗漏通道的连通性,第二节 坝区的渗漏,坝区渗漏量的计算坝基渗漏量的计算：1）单层结构的均匀透水坝基：当 时，卡明斯基单宽流量公式：坝基渗透总量为：,坝区渗漏量的计算坝基渗漏量的计算：2）双层结构的透水坝基：单宽坝基渗漏量：坝基渗透总量为：,第二节 坝区的渗漏,第二节 坝区的渗漏,绕坝渗漏量的计算：若在坝肩地带存在有沟通上下游的渗漏通道，则可形成绕坝渗流。（1）绕坝渗漏带宽度B确定。,第五节 坝区渗漏与渗透稳定性,绕坝渗流计算应按渗漏条件划分为若干流带，注意计算每一渗流带的渗漏量，将其汇总计算该岸的绕坝渗漏量。,式中：b为某一绕渗水流带的宽度，m，L为某一绕渗水流带的长度。确定绕渗带的宽度时，要使 不大于建库前的天然地下水的单宽流量。,概念 渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。,第三节 坝基的渗透变形,第三节 坝基的渗透变形,研究意义,堤 岸,1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中流土被视为险中之险。一般来说，长江中下 游平原冲积地层，上面是粘性土；往下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂砾及卵石等强透水层，在河床中露头与河水相通。在汛期高水位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的情况下），从而发生流土。,2003年7月1日凌晨4时，正在施工中的上海轨道交通4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9时左右，地面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。,第三节 坝基的渗透变形,第三节 坝基的渗透变形,渗透变形的类型：1）管涌土体中的细颗粒（填料颗粒）或可溶成分由于渗流作用而在粗颗粒（骨架颗粒）间的孔隙通道内移动或被带走的现象；,第三节 坝基的渗透变形,渗透变形的类型：2）流土在上升的渗流作用下，局部粘性土和其他细粒土体（多为均匀的粉细砂层）表面隆起、顶穿或不均匀的砂土层中所有颗粒群同时浮动而流失的现象；,第三节 坝基的渗透变形,渗透变形的类型：3）接触冲刷当渗透水流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的接触流动时，沿接触面带走细颗粒的现象；4）接触流失当渗透水流垂直于渗透系数相差悬殊的土层流动时，将渗透系数小的土层中的细颗粒带进渗透系数大的粗粒土的孔隙的现象。,渗透变形产生的条件：土体的渗透稳定性决定于渗透水流对土体的作用力与土体的阻抗力这一对矛盾的发展变化过程。影响因素：1）土的颗粒成分（细粒含量，土颗粒级配的不均 匀系数，粗细颗粒径径比）和结构特征（固结压 密，多层结构）；2）水动力条件；3）渗流出口条件,第三节 坝基的渗透变形,临界水力坡降和允许水力坡降：1）土体呈悬浮状态时的水力坡降，即渗透水流使土体发生渗透变形极限平衡状态时所具有的水力坡降称为土的临界水力坡降。按太沙基公式确定：2）防止渗透变形的允许水力坡降，以水的临界水力坡降处以1.52.0的安全系数确定。对于大型工程或地层结构复杂的地基，其临界水力坡降和允许水力坡降需通过专门试验获得。,第三节 坝基的渗透变形,第四节 坝基的抗滑稳定,坝基岩体抗滑稳定性指的是坝基岩体在筑坝后的各种工程荷载作用下，抵抗发生剪切破坏的性能。不同坝型对坝体和地基接触面或地基岩体中是否可能产生滑动的要求是各不相同的。坝基抗滑稳定问题是重力坝设计和重力坝工程地质勘查研究的主要课题。对于重力坝而言，很少有由于坝身受到剪切破坏的坝，但是多数坝基岩体中总是存在着风化岩体。软弱夹层、断层裂隙、地下水等不利地质条件，在不利条件组合下造成坝基滑动，使大坝遭受破坏。重力坝坝基的滑动破坏常见的有三种形式：（1）表层（面）滑动；（2）浅层滑动；（3）深层滑动。,坝基滑动破坏类型,重力坝滑动失稳模式,表面滑动 浅层滑动 深层滑动 我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。,表层滑动：取决于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪强度。浅层滑动：决定于浅部岩体的抗剪强度。深层滑动：其形成条件是较复杂的，除去需要形成连续的滑动面以外，还必须有其他软弱面在周围切割切割面，才能形成最危险的滑动岩体。同时在下游具有可以滑出的空间临空面，才能形成滑动破坏。,坝基岩体滑动边界条件分析,第四节 坝基的抗滑稳定,重力坝滑动失稳边界条件,滑动面切割面临空面,坝基深层滑移类型,楔形体锥形体棱柱体方块体,坝基滑移体形状示意图,坝基岩体常见的滑动边界条件,影响坝基抗滑稳定性的因素,建于岩体上的混凝土坝的抗滑稳定性，受到工程作用力和坝基岩体工程地质条件制约。作用于坝体上的作用力主要有：1）坝体自重；2）水压力；3）扬压力；4）地震力；5）淤沙压力；6）波浪压力和冰压力。岩基抗滑力主要考虑下属因素：1）滑动面的阻滑作用；2）侧(纵)向切割面的阻滑作用；3）尾岩抗力体的阻滑作用；,坝基岩体抗滑稳定计算,岩基岩体抗滑稳定计算方法有：1）极限平衡法；2）有限单元法；3）地质力学模型试验法；,1）抗滑稳定计算基本公式：,上式适用于计算大中型工程坝体沿基岩接触面的抗滑稳定性。当判定具备浅层滑动条件时，略去岩体自重，将滑动面简化成一个水平面，仍可按此式计算，但注意选用可能滑动面处抗剪断强度参数。,H,H,坝基岩体抗滑稳定计算,2）深层滑动抗滑稳定计算,(1)单滑动面倾向下游，下游有陡立临空面时：,(2)单滑动面倾向上游时：,(3)双滑动面或仅有倾向下游的滑动面，下游无陡立临空面时(剩余推力法）：,坝基岩体抗滑稳定计算,拱坝坝肩岩体稳定分析,坝肩岩体抗滑稳定性的定性分析,拱坝或薄拱坝，将坝体所受荷载的大部分经拱端传至两岸岩体，少部分传至河床坝基。故坝肩岩体的稳定是坝体稳定的关键。当坝肩下游支撑拱座的岩体不是风化破碎或单薄岩体时，坝肩岩体失稳破坏形式，主要是沿软弱结构面向下游河床方向滑动问题。肩座岸坡是一个天然陡倾角的滑移临空面；软弱结构面或软弱夹层只要倾向河流方向，在较大的倾角范围里都会造成可能移动的滑移面；岸坡岩体一般风化破碎，强度较低；岸坡处往往有卸荷裂隙或岸边剪切裂隙，原有构造裂隙也易发展扩大，构成侧向切割面；岸坡岩体由于临空面的影响，岩体滑移往往具有三维特征，且一般呈深层滑移的特点。,拱坝坝肩岩体稳定分析,拱坝坝肩岩体稳定分析,一、坝基岩体的压缩变形 压缩变形对重力坝来说，主要是引起坝基的沉陷，而拱坝则除坝基沉陷变形外，还有沿拱端推力方向引起的近水平向的变形。坝基的压缩变形，一方面取决于坝高和坝型；另一方面也取决于坝基岩土体的变形性质。1、土体压缩变形 2、岩石坝基的压缩变形分析,第一节坝基岩体的压缩变形与承载力,1岩性软硬不一，变形模量值相差悬殊。2坝基或两岸岩体中有较大的断层破碎带、裂隙密集带、卸荷裂隙带等软弱结构面，尤其当张开性裂隙发育且裂隙面大致垂直于压力方向时，易产生较大的沉陷变形。3岩体内存在有溶蚀洞穴或潜蚀掏空现象，产生塌陷而导致不均匀变形。,导致发生不均匀变形的地质因素主要有：,坝基不均匀沉降示意图,上述软弱岩层和软弱结构面的产状和分布位置对岩体变形也有显著影响，如软弱岩层分布在表层时，就容易发生较大的沉陷变形：分布在坝趾附近时，则容易导致坝身向下游歪斜倾覆；而分布在坝踵附近时，则容易导致岩体的拉裂。,坝基岩体承载力是指在保证建筑物安全稳定的条件下，地基能够承受的最大荷载压力，所以也称为容许承载力。它既包括不允许因过大沉陷变形所引起的破坏，也包括不允许地基岩体发生破裂或剪切滑移而导致的破坏，所以它是一个综合性的指标，多用在设计的初期阶段或小型工程且地质条件较简单的情况。对于大、中型或重要水工建筑，则需根据变形试验或抗剪断试验指标，分别计算其沉陷变形和抗滑稳定等数值。岩石地基承载力的确定主要有：规范查表、理论公式计算、现场荷载试验、经验类比等方法。,二、坝基岩体承载力,一、清基清基就是将坝基表部的松散软弱、风化破碎及浅部的软弱夹层等不良的岩层开挖清除掉，使坝体放在比较新鲜完整的岩体上。大坝地基开挖深度，即建基面标高的确定，是设计和施工中的一个重要问题。它对整个工程的投资、工期以及安全稳定都会产生很大的影响。因为大型的水电工程基坑开挖往往要达数十米深，挖方量可达数百万m3，而挖除的部分将来都要再回填起来。此外，尚有基坑排水、基坑边坡稳定及地应力等问题。例如，雅砻江二滩水电站，坝基为二叠系玄武岩及正长岩侵人体，经专题研究对建基面提出了四个比较方案：,10.6坝基处理,方案I为以新鲜和微风化岩体为坝基，坝基平均嵌深64.6m；方案为弱风化下部，平均嵌深53.7m；方案为弱风化中段，平均嵌深46.1m；方案为在充分利用弱风化中段的基础上，小部分放在弱风化上段岩体上，平均嵌深38.6m。经比较，方案较方案(初步设计方案)少开挖75m深，减少石方开挖80万m3，减少混凝土浇筑37万m3，节约投资6 117万元(按1986年定额计)，工期也可缩短11个月。如与方案I比较，节约数字还要大。,坝基开挖形状,建基面以下的岩体，往往存在或多或少的裂隙、孔隙及断层破碎带等。为提高岩体的强度和减少压缩变形，可以采取一些加固措施，这样也可减少基坑开挖量。1.固结灌浆 固结灌浆是通过在基岩中的钻孔，将适宜的具有胶结性的浆液(大多为水泥浆)压人到基岩的裂隙或孔隙中，使破碎岩体胶结成整体，以增加基岩的强度。,二、坝基岩体加固,当地基岩体中发育有控制岩体滑移的软弱面时，为增强岩体的抗滑稳定性，可采用预应力锚杆(或钢缆)进行加固处理。其方法为先用钻孔穿过软弱面，深入坚硬完整的岩体，然后锚人预应力钢筋或钢缆，再用水泥砂浆灌人孔内封闭。条件允许时，也可采用大口径钢筋混凝土灌注进行锚固。3.断层破碎带的槽、井、洞挖回填混凝土,2.锚固,锚固结构示意图,增加坝基抗滑力的措施,安徽梅山连拱坝右坝肩用锚固等方法进行岩体处理,大坝地基的防渗与排水措施十分重要，它是防止地基渗透变形和降低扬压力的重要手段。一般原则是，在大坝迎水面或其上游部位设置防渗措施，如灌浆帷幕，尽量降低坝基的渗透水流。而在迎水面下游(即防渗帷幕后面)的坝基部分则设置排水措施，如排水井、孔等，以便降低渗透压力。l.帷幕灌浆 在大坝的上游面地基中布置1-2排钻孔，以一定的压力将水泥浆压入基岩的裂隙或断层破,三、防渗和排水措施,碎带中，使其形成一道横穿河床的不透水帷幕。帷幕的深度，原则上应灌到透水层。但若透水层不很深时，则可灌到相对隔水层35m处。帷幕的厚度主要据其所能承受的水力坡降而定。一般情况下高坝可设两排钻孔，中、低坝设一排钻孔即可。孔距一般为1.54.0m。2排水措施 坝基岩体虽设置了防渗帷幕等防渗措施，但仍会有少量绕渗或穿过帷幕的渗透水流。为降低坝基下的渗透压力及渗流可能造成的不利影响，通常在帷幕下游坝基中设排水孔，一般为23排，并可设排水管道、廊道或集水井，将水排出坝体以外。,