水电地质培训教材：建筑物工程地质.ppt

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1、第五章 水工建筑物工程地质,通用性水工建筑物 主要有：挡水建筑物，如各种坝、水闸、堤和海塘；泄水建筑物，如各种溢流坝、岸边溢洪道、泄水隧洞、分洪闸；进水建筑物，也称取水建筑物，如进水闸、深式进水口、泵站；输水建筑物，如引（供）水隧洞、渡槽、输水管道、渠道；河道整治建筑物，如丁坝、顺坝、潜坝、护岸、导流堤。专门性水工建筑物 主要有：水电站建筑物，如前池、调压（井）室、压力钢管、水电站厂房；渠系建筑物，如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸；港口水工建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台和滑道；过坝设施，如船闸、升船机、放木道、筏道及鱼道等。水工建筑物一般来说，大坝最重要。,第五章 水工建筑物工程地质

2、,1、水工建筑物主要地质问题地震稳定性地质灾害的危害性水工建筑物的稳定性天然建筑材料的可靠性,第五章 水工建筑物工程地质混凝土重力坝对地形地质条件的要求,.地形基本对称，岸坡较完整，宽窄恰当，便于水工布置；.河谷覆盖层不厚，没有大的顺河断层和基岩深槽；.全强风化带和卸荷带岩体厚度不宜过大；.岩体较完整，强度能满足大坝荷载应力的要求；.岩层产状有利，岩体中软弱夹层及缓倾角结构面（断层、长大裂隙）不发育；.岩体透水性不宜过大，有可靠的防渗封闭条件；.泄洪消能区岩体有足够的抗冲能力。,第五章 水工建筑物工程地质拱坝对地形地质条件的要求,.地形基本对称，河谷宽高比最好小于3.5:1，不宜大于6:1，坝

3、肩下游没有深切沟谷；.河床覆盖层不厚，没有大的顺河断层和基岩深槽；.全强风化带及卸荷带岩体厚度不宜过大；.两岸坝肩岩体完整，强度高；没有或很少有垂直河流分布的软弱层带；平行河流的结构面（断层、节理、裂隙）不发育；.岩层产状有利，坝基岩体中缓倾角软弱夹层或结构面不发育；.岩体透水性不宜过大，有可靠的防渗帷幕封闭条件.泄洪消能区岩体有足够的抗冲能力。,第五章 水工建筑物工程地质土石坝对地形地质条件的要求,.地形条件适于布设泄洪和引水发电建筑物；.河床覆盖层的厚度及物质组成不会给地基防渗体施工造成很困难的条件；.避免地基中存在厚的粉细砂层、淤泥、软土层、湿陷性黄土等特殊土层；.避免在基岩中存在规模较

4、大透水性强的顺河向断层；.有适宜的天然建筑材料。,坝址勘察主要内容及任务,按不同阶段了解（规划）、初步查明（预可）、查明（可研）以下内容：地形地貌；地层岩性，进行工程岩组的划分；地质构造；岩体风化；岩土体的透水性；潜在不稳定体、泥石流等的分布和规模；提出岩（土）体物理力学参数建议值；评价坝址主要建筑物的工程地质条件。在预可研阶段，对上、下坝址进行工程地质比选，初步提出工程地质建议；为了达到上述目的，必须针对各坝址、主要建筑物布置勘察工作量。设计对坝址、坝型的更改都会影响到勘察工作量。,规划阶段坝址勘察对勘探的要求,1、各梯级坝址不宜少于1条勘探剖面，勘探剖面上宜布置2-3个钻孔，近期开发工程和

5、控制性工程坝址勘探剖面线不应少于3个钻孔，其中河床部位不应少于1个钻孔，两岸训不少于1个钻孔或平洞。2、河床钻孔的深度宜为坝高的0.5-1倍。在深厚覆盖层河床及地下水位低于河水位地段，钻孔应加深。3、进行主要岩、土、水试验。,预可行性研究阶段坝址勘察要求,1工程地质测绘应符合下列规定：1）测绘比例尺可选用1500012000。2）测绘范围应包括：各比较坝址，包括主副坝、溢洪道、厂房导流工程等有关枢纽建筑物地段。2物探布置应符合下列规定：1）物探方法根据地形、地质条件确定。2）物探剖面线结合勘探剖面线布置。,预可行性研究阶段坝址勘察要求,3坝址勘探应符合下列规定：1）各比较坝线应有一条主要勘探剖

6、面，坝高70m以上的代表性坝址和工程地质条件复杂的坝址，宜在上、下游增加辅助勘探剖面。2）主要勘探剖面线上勘探点间距不应大于100m，河床部位不应少于2个钻孔，两岸坝肩部位，在正常蓄水位以上，也宜布置钻孔。3）存在缓倾角软弱夹层的坝址，可布置竖井或大口径钻孔。（犍为、下桥）,预可行性研究阶段坝址勘察要求,3坝址勘探应符合下列规定：4）两岸坝肩部位应布置勘探平洞，坝高在70m以上时，分不同高程布置。5）当存在影响代表性坝址选择的顺河断层、软弱夹层、河床深槽和潜在不稳定岸等不良地质作用时，应布置钻孔或平洞。6）可溶岩地区坝址两岸应根据需要布置专门性水文地质钻孔。7）孔深控制：进入基岩0.51倍坝高

7、。8）孔距控制：50100m。,可行性研究阶段坝址勘察,1工程地质测绘应符合下列规定：1）测绘比例尺可选用1200011000，高拱坝坝址可选用1500。2）测绘范围应包括坝址水工建筑物场地和对工程有影响的地段。3）当岩性变化或存在软弱夹层时，应测绘详细的岩层柱状图。,可行性研究阶段混凝土坝址勘察,2物探应符合下列规定：1）宜采用综合测井和井下电视等方法调查结构面、软弱带的产状、分布、含水层和渗漏带的位置等。2）可采用单孔法、跨孔法、跨洞法测定各类岩体纵波或横波波速，进行岩体动弹性模量或纵波波速的分区。3）喀斯特区可采用孔间或洞间测试以及层析成像技术调查喀斯特洞穴的分布。（CT）,可行性研究阶

8、段混凝土坝址勘察,3勘探应符合下列规定：1）勘探剖面线应根据具体地质情况结合建筑物特点布置。选定的坝线应布置坝轴线勘探剖面线和上、下游辅助勘探剖面线，剖面线间距根据坝高和地质条件，可采用50200m。溢流坝段、非溢流坝段、厂房坝段等应有代表性勘探纵剖面线。2）坝轴线勘探剖面线上的勘探点间距可采用2050m，其它勘探剖面线上勘探点间距可视具体需要确定。,可行性研究阶段混凝土坝址勘察,3）钻孔深度应进入拟定建基面高程以下1/31/2坝高的深度，帷幕线上钻孔深度可采用坝高或进入相对隔水层不应少于10m。4）第四纪地层上闸基的钻孔应结合闸墩和防渗、防冲建筑物布置，钻孔深度宜根据覆盖层厚度及建基面高程确

9、定。当覆盖层厚度小于闸底宽时，钻孔深度应进入基岩510m；当覆盖层厚度大于闸底宽度时，钻孔深度宜为闸底宽度的12倍，并应进入下伏承载力较高的土层或相对隔水层。,可行性研究阶段混凝土坝址勘察,5）专门性钻孔的孔距、孔深可根据具体需要确定。6）平洞、坚井、大口径钻孔和河底平洞应结合建筑物位置、两岸地形、地质条件和岩体原位测试工作的需要布置。高陡岸坡宜布置平洞；地形、地层平缓时宜布置竖井或大口径钻孔；当存在影响坝基稳定的断层、破碎带和软弱夹层时可布置河底平洞。7）拱坝坝肩每隔3050m高程应布置平洞。8）抗力体部位应布置专门勘探工程查明中、缓倾角软弱结构面。,可行性研究阶段混凝土坝址勘察,9）当钻孔

10、或平洞遇到溶洞或大量漏水时，应继续追索或采用其它手段查明情况。4岩土试验应符合下列规定：1）主要岩石的室内物理力学性质试验组数累计不应少于10组；影响坝基变形的岩类原位变形模量试验不应少于4点；控制坝基抗滑稳定的岩层或滑动面的原位抗剪和抗剪断试验组数不应少于4组。,可行性研究阶段混凝土坝址勘察,2）第四纪地层上的坝闸基持力层范围内的每一土层均应取原状样，并进行室内物理力学性质试验，土层主要指标的试验组数累计不得少于11组。3）土层和粉细砂层应结合钻探进行标准贯入试验，软粘土应进行十字板剪切试验。4）根据需要可进行地质力学模型试验，岩体应力测试，载荷试验，混凝土拖板试验，可能液化土的三轴振动试验

11、和管涌土的渗透变形试验等专门性试验。,可行性研究阶段混凝土坝址勘察,5水文地质试验应符合下列规定：1）坝基、坝肩及帷幕线上的基岩钻孔应进行压水试验，其它部位的钻孔可根据需要确定。坝高大于200m时，宜进行大于设计水头的高压压水试验及为查明渗透性各向异性的定向渗透试验。2）覆盖层应进行抽水试验，根据含水层的复杂程度可选用单孔或多孔，分层或综合抽水试验。3）喀斯特区应进行连通试验和抽水试验。,可行性研究阶段混凝土坝址勘察,6地下水动态观测应符合下列规定：1）观测内容应包括水位、水温、水化学、流量或涌水量等；2）观测时间应延续一个水文年以上，并完善观测网。（乐滩、干捞）7不稳定岩土体位移监测。,可行

12、性研究阶段土石坝址勘察,坝址区测绘范围同混凝土坝址，比例尺为1/10001/5000。物探方法以综合测井为主。勘探剖面应结合当地材料坝的坝轴线，防渗线、排水减压井、消能建筑等布置。勘探点间距为50100m。钻孔孔深：覆盖层地基，当下伏基岩埋深小于一倍坝高时，钻孔应深入基岩面以下1020m，帷幕线上孔深视需要而定；当下伏基岩埋深大于一倍坝高时，孔深应根据透水层和相对隔水层的具体情况确定。基岩地基上的钻孔孔深为1/31/2倍坝高，帷幕线上的孔深不小于一倍坝高。,可行性研究阶段土石坝址勘察,对两岸基岩岸坡应布置平洞、钻孔或探槽，以查明风化带、卸荷带、断层破碎带、喀斯特洞穴通道等的位置。坝基主要透水层

13、的抽水试验不少于3次。强透水的大断层破碎带应专门作水文地质试验。软弱土层抗剪以三轴试验为主。原位试验主要是标贯试验、十字板剪切试验、荷载试验、渗透变形试验、抽水试验。,第五章 水工建筑物工程地质地基稳定问题,重力坝坝基的滑动破坏类型,第五章 水工建筑物工程地质地基稳定问题,坝基滑动的边界条件 1、坝基深层滑移条件比较复杂，它必须具备滑动面，纵向和横向切割面、临空面，这些要素构成了深层滑移的边界条件；2、浅层滑动坝基浅层岩体；3、表层滑动混凝土与岩石；4、混合滑动上述的组合。,第五章 水工建筑物工程地质重力坝坝基岩体抗滑稳定计算（剪摩）,抗剪断强度的计算公式：式中：K按抗剪断强度计算的抗滑稳定安

14、全系数；f坝体混凝土与坝基岩接触面的抗剪断摩擦系数；C坝体混凝土与坝基岩面的抗剪断凝聚力，kN/m2。W作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值，kN;P作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN;A坝基接触面截面积，m2。,第五章 水工建筑物工程地质重力坝坝基岩体抗滑稳定计算（纯摩）,抗剪强度的计算公式：式中：K按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化,饱和砂土和粉土在周期地震荷载作用下，由于不能及时排水而形成孔隙水压力，当孔隙水压力达到与围压（上覆压力）相等时，有效应力为零，砂土颗粒处于悬浮状态，这种砂土短时

15、间失去强度的现象就是地震液化。其表达式可以写成：式中：无粘性土的抗剪强度 土体上覆压力 孔隙水压力 无粘性土内摩擦角 上覆有效压力,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化,地震液化的危害 1、引起喷水冒砂导致大面积地面沉降；2、导致建筑物地基失效，引起建筑物下沉或不均匀沉降、开裂破坏；3、液化侧向扩展与流滑，造成岸边地面开裂。,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化,液化判别按GB50287的规定，土的地震液化判别应根据土层的天然结构、颗粒组成、松密程度、地震前和震时的受力状态、边界条件和排水条件以及地震历时等因素，结合现场勘察和室内试验综合分析判定。初判地层年代、粘粒含量、运用状态（

16、饱和）、剪切波法等复判标准贯入锤击数法、相对密度法，相对含水量或液性指数法,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化,初判 1、地层年代为第四纪晚更新世Q3或以前，可判为不液化。2、土的粒径大于5mm颗粒含量的质量百分率大于或等于70%时，可判为不液化；粒径大于5mm颗粒含量的质量百分率小于70%时，若无其它整体判别方法时，可按粒径小于5mm的这部分判定其液化性能。,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化,初判 3、对粒径小于5mm颗粒含量质量百分率大于30%的土，其中粒径小于0.005mm的颗粒c含量质量百分率相应于地震设防烈度七度、八度和九度分别不小于16%、18%和20%时，可判为

17、不液化。4、工程正常运用后，地下水位以上的非饱和土，可判为不液化。5、当土层的剪切波速大于上限剪切波速时，可判为不液化。,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化,剪切波速的计算公式：式中：Vst上限剪切波速度（m/s）；KH地面最大水平地震加速度系数；Z土层深度（m）；深度折减系数。,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化,复判标准贯入锤击数法 符合下式要求的土应判为液化土：N63.5Ncr 式中：N63.5工程运用时，标准贯入点在当时地面以下ds(m)深度处的标准贯入锤击数；Ncr液化判别标准贯入锤击数临界值。重点：N63.5和Ncr的计算,第五章 水工建筑物工程地质饱和砂土振动液化

18、常用处理方法,改变基础型式地基加固（加密）处理碎石桩、振冲等盖重堤防、围坝等线状工程,第五章 水工建筑物工程地质渗透变形,土的渗透变形的形式 由于土体颗粒级配和土体结构的不同，渗透变形的形式也不同，可分为流土、管涌、接触冲刷、接触流失四种基本型式。其中前面两种发生在单一地基中；后面两种发生在双层地基中,第五章 水工建筑物工程地质渗透变形,土体渗透变形的判别判别内容包括：土的渗透变形类型的判别，流土和管涌的临界水力比降的确定和土的允许水力比降的确定。判别方法可采用试验、计算和类比等方法。,土体渗透变形的判别标准,判别方法与标准见GB502872006附录L无粘性土渗透变形的判别。1、不均匀系数小

19、于和等于5的土，其渗透变形为流土；2、不均匀系数大于5的土，可根据土中的细粒含量Pc加于判别；,土的细粒含量根据颗分曲线确定,第五章 水工建筑物工程地质基抗涌水,基坑涌水量的计算常用方法稳定流解析计算法,第五章第三节 混凝土坝工程地质缓倾角结构面工程地质研究,岩体中倾角小于30的结构面，称为缓倾角结构面缓倾角结构面按成因可分为原生结构面（层理、冷凝节理）、构造结构面（断层、层间错动剪切带，节理或裂隙）和次生结构面（风化、卸荷裂隙）,第五章第三节 混凝土坝工程地质缓倾角结构面工程地质研究,缓倾角结构面发育特征及分布规律1）缓倾角构造结构面：按形成的构造条件可分为剖面“X”挤压破裂型、主干断裂扭动

20、派生破裂型和岩脉与围岩接触蚀变破裂型2）缓倾角卸荷结构面：主要见有拉裂型卸荷裂隙和追踪型卸荷裂隙。,第五章第三节 混凝土坝工程地质缓倾角结构面工程地质研究,缓倾角结构面的特征及定量描述方法包括：产状、组数、间距、延续性（或延展性）、粗糙度、裂隙连通率和充填物等几个方面的描述,第五章第三节 混凝土坝工程地质其它地质缺陷的工程地质评价,断层破碎带：坝基抗滑稳定、渗透稳定、压缩变形和断层强透水带的集中渗漏风化深槽：易形成应力集中区裂隙密集带：不均匀变形、坝基集中渗漏带软弱夹层：坝基深层抗滑稳定、渗透稳定、不均匀变形,第五章第三节 混凝土坝工程地质坝基岩体质量分类,坝基岩体质量分类的目的 1、客观地反

21、映岩体本身的工程地质特性，对岩体质量的好坏统一标准和认识 2、根据分类指导岩体力学试验，提供力学参数和配合进行坝基岩体稳定性分析 3、确定坝基可利用岩面和坝基开挖深度 4、研究坝基处理措施 5、进行工程地质评价，是评价坝基变形、强度和稳定性的基础,第五章第三节 混凝土坝工程地质坝基岩体质量分类,应遵循的原则：宏观综合性。应以宏观地质调查、定性分析为基础，辅以描述岩体特征的多因素定量指标准确性和客观性。应采取定性和定量相结合的方法，尽可能用岩石或岩体具有代表性的物理力学参数来表征，避免人为因素的随意性简便适用性。分类应粗细适中，简繁得当，过细则烦琐，过粗则不精针对性。针对本坝址，应适用于各种坝型

22、，是评价坝基变形、强度和稳定性的基础。,第五章第三节 混凝土坝工程地质坝基岩体质量分类,坝基岩体质量分类的方法 1、水利水电工程地质勘察规范GB50287-2006中的附录坝基岩体工程地质分类；2、工程岩体分级标准GB50218-94,第五章第三节 混凝土坝工程地质坝基岩体质量分类,坝基岩体工程地质分类（综合指标）以岩石饱和单轴抗压强度、岩体结构类型、岩体完整程度、结构面发育程度及其组合等，并作为分类基础。根据岩体作为修建高混凝土坝的适用性，产生变形滑移的危险程度，加固处理难度的原则，将坝基岩体工程地质条件划分为5类。,第五章第三节 混凝土坝工程地质坝基岩体质量分类,工程岩体分级标准GB502

23、18-94 分两步：先确定岩体基本质量，再确定详细质量分级。1、确定岩体基本质量岩体基本质量由定性特征和岩体基本质量指标（BQ）确定定。见下表。岩体基本质量的定性特征应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。,第五章 水工建筑物工程地质建基岩体,第五章第三节 混凝土坝工程地质坝基岩体质量分类,工程岩体分级标准GB50218-94 2、详细定级应在岩体基本质量分级的基础上，结合不同类型工程的特点，考虑地下水状态、初始应力状态、工程轴线或走向线的方位与主要结构面产状的组合关系等必要的修正因素。对于边坡工程，还应考虑地表水。3、对工程岩体进行初步定级时，宜按此标准规定的岩体基本质量级别进行。,第五

24、章第三节 混凝土坝工程地质坝基岩体质量分类,岩体基本质量指标（BQ）的计算 根据分级因素的定量指标Rc(MPa）和Kv计算：BQ=90+3Rc+250Kv 限制条件：当Rc90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；当Kv0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。,第五章 水工建筑物工程地质建基岩体,大坝建基面确定的基本原则 对于大型水利水电工程高混凝土重力坝、高混凝土拱坝，大坝建基面确定的基本原则：1、大坝建基面确定应建立在岩体工程地质分类和岩体质量研究基础上。2、根据具体工程地质条件，按GB502872006提出的“标准”，制定适用于本

25、工程的坝基岩体工程地质分类或岩体质量分级与评价；建立定性与定量化标准；编制建基面利用岩体质量分区工程地质图及利用岩面顶板等高线图。,第五章 水工建筑物工程地质建基岩体,大坝建基面确定的基本原则 3、根据工程规模、重要性及地质条件等综合确定大坝建基面。总体要求是坝基应具有足够的力学强度及均一性、完整性；具有足够的抗滑、抗变形、较好的抗渗条件；基础处理工程量不大。一般来说，类及类岩体适合作为高混凝土坝坝基，处理工程量不大；类岩体，对影响岩体变形和稳定的结构面需作专门处理；类岩体，岩体比较破碎，不宜作高混凝土坝地基，局部地段分布该类岩体时，需作专门性处理；类岩体为破碎岩,第五章 水工建筑物工程地质建

26、基岩体,大坝建基面确定的基本原则 体，不宜用为高混凝土坝坝基，当局部存在时需做专门性处理。4、建基面选择除考虑地质条件外，还要考虑工程结构条件对建基面的调整变化。,第五章 水工建筑物工程地质环境水,环境水对混凝土的腐蚀性环境水对混凝土的腐蚀性主要有分解类腐蚀、结晶类腐蚀和结晶分解复合类腐蚀三种。其判别标准见GB502872006附录I,第五章 水工建筑物工程地质土坝地基,1、土石坝坝基工程地质评价，主要包括两方面内容，一是坝基渗漏与渗透稳定，二是坝基抗滑稳定与不均匀变形。,第五章 水工建筑物工程地质土坝地基,3、对于砂砾石坝基（1）河床砂砾石层具有渗透性强、强度较高、压缩变形小的特点，主要存在

27、渗漏和渗透问题，常需要进行防渗处理，包括垂直防渗和水平铺盖二种形式，需根据具体工程地质条件和工程特性综合考虑确定；（2）要特别注意河床砂砾石层的紧密程度，是否存在粉细砂、淤泥质软土等不良地层的情况，当粉细砂、淤泥质软土的分布范围和厚度较大时，常存在地震液化和坝基沉陷变形问题。,第五章 水工建筑物工程地质土坝地基,4、对细粒土坝基，渗流的影响主要反映在土的渗透性和抗渗性，决定着渗透变形或破坏的类型及渗漏量。（1）首先需要判断渗透变形的类型，再根据允许水力比降和坝基承受的实际水力比降评价渗透变形的可能性。（2）还要根据水文地质资料估算坝基渗漏量。最终提出坝基防渗处理建议。（3）坝基土的抗剪强度和压缩性指标是坝基土体力学特性的重要指标，是对坝基抗滑稳定问题和沉陷变形问题进行工程地质评价或稳定计算的重要依据。,第五章 水工建筑物工程地质土坝地基,土石坝坝基防渗形式：垂直防渗可靠 上游水平铺盖及下游排水 下游排水加盖重,第五章 水工建筑物工程地质地基处理,坝基地质缺陷的处理措施 着重了解这些措施的作用及适用条件。混凝土塞混凝土拱（或梁）、混凝土垫层明挖、洞挖处理大直径钢筋混凝土桩混凝土深齿墙预应力锚固固结灌浆坝基防渗和排水,