第五章 壩基穩(wěn)定性的工程地質研究

1、 在江河上修建的水工建筑物大多要綜合考慮防洪、在江河上修建的水工建筑物大多要綜合考慮防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運、漁業(yè)、衛(wèi)生等多方面的要求。發(fā)電、灌溉、供水、航運、漁業(yè)、衛(wèi)生等多方面的要求。 要修建多種水工建筑物組成一個要修建多種水工建筑物組成一個水利樞紐，壩是其水利樞紐，壩是其中最重要的水工建筑物，它攔蓄水流，抬高水位，承受中最重要的水工建筑物，它攔蓄水流，抬高水位，承受著巨大的水壓力和其他各種荷載。著巨大的水壓力和其他各種荷載。為了維持平衡穩(wěn)定，為了維持平衡穩(wěn)定，壩體又將水壓力和其他荷載以及本身的重量傳遞到地基壩體又將水壓力和其他荷載以及本身的重量傳遞到地基或兩岸的巖體上，因而巖體所承受的

2、壓力是很大的。或兩岸的巖體上，因而巖體所承受的壓力是很大的。 另外，水還可滲入巖體，使某些巖層軟化、泥化、另外，水還可滲入巖體，使某些巖層軟化、泥化、溶解以及產生不利于穩(wěn)定的揚壓力。溶解以及產生不利于穩(wěn)定的揚壓力。因此，大壩建筑對因此，大壩建筑對地基巖體的穩(wěn)定條件有著很高的要求。巖體的穩(wěn)定常是地基巖體的穩(wěn)定條件有著很高的要求。巖體的穩(wěn)定常是壩體穩(wěn)定的關鍵因素。壩體穩(wěn)定的關鍵因素。 在大壩發(fā)生毀壞的事故中，因地質問題而引起的最在大壩發(fā)生毀壞的事故中，因地質問題而引起的最多，多，因此在大壩的設計和施工中，對壩基或壩肩的巖體因此在大壩的設計和施工中，對壩基或壩肩的巖體進行工程地質條件的分析研究是非常

3、重要的。進行工程地質條件的分析研究是非常重要的。各種壩失事百分率統(tǒng)計各種壩失事百分率統(tǒng)計 土石壩土石壩是由粘土、黃土、砂土、礫石、碎石、塊是由粘土、黃土、砂土、礫石、碎石、塊石料散體堆積而成的，上下游邊坡與堆筑材料的穩(wěn)定石料散體堆積而成的，上下游邊坡與堆筑材料的穩(wěn)定坡角應相適應，以保持壩坡的穩(wěn)定。坡角應相適應，以保持壩坡的穩(wěn)定。 當壩體材料以土和砂礫為主時，稱當壩體材料以土和砂礫為主時，稱土壩土壩；以石；以石渣、卵石、爆破石料為主時，稱渣、卵石、爆破石料為主時，稱堆石壩堆石壩；當兩類當；當兩類當?shù)夭牧暇枷喈敱壤龝r，稱地材料均占相當比例時，稱土石混合壩土石混合壩。 土石壩是歷史最為悠久的一種壩

4、型。近代的土土石壩是歷史最為悠久的一種壩型。近代的土石壩筑壩技術自世紀年以后得到發(fā)展，并石壩筑壩技術自世紀年以后得到發(fā)展，并促成了一批高壩的建設。目前，土石壩是世界壩工促成了一批高壩的建設。目前，土石壩是世界壩工建設中應用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。建設中應用最為廣泛和發(fā)展最快的一種壩型。 土石壩的特點土石壩的特點: :土石壩基本適應于各種地形條件。土石壩基本適應于各種地形條件。 優(yōu)點：優(yōu)點：這類壩壩坡平緩，體積龐大，底寬較大，對地這類壩壩坡平緩，體積龐大，底寬較大，對地基底壓應力較小。同時壩體堆筑材料之間沒有膠結材料，基底壓應力較小。同時壩體堆筑材料之間沒有膠結材料，壩體是柔性的，允許產生

5、較大的變形，故與混凝土壩相壩體是柔性的，允許產生較大的變形，故與混凝土壩相比，它對壩基工程地質的要求較低，可以在軟基和工程比，它對壩基工程地質的要求較低，可以在軟基和工程地質條件復雜的地基上興建。地質條件復雜的地基上興建。缺點：缺點：是不許壩端宣泄洪水，所以，壩址附近在地形上是不許壩端宣泄洪水，所以，壩址附近在地形上最好有天然埡口以便布置溢洪道，或是有利于布置側槽最好有天然埡口以便布置溢洪道，或是有利于布置側槽式溢洪道、溢洪洞的地形地質條件。土石壩是當?shù)夭牧鲜揭绾榈?、溢洪洞的地形地質條件。土石壩是當?shù)夭牧蠅?，壩區(qū)附近有足夠數(shù)量的、合乎質量標準又易于開采壩，壩區(qū)附近有足夠數(shù)量的、合乎質量標準又易

6、于開采運輸?shù)恼惩痢⑸暗[石或堆石料，是修建土石壩的運輸?shù)恼惩痢⑸暗[石或堆石料，是修建土石壩的必要條必要條件。件。 重力壩包括混凝土重力壩，漿砌石重力壩，寬重力壩包括混凝土重力壩，漿砌石重力壩，寬縫重力壩、腹孔重力壩、梯形壩、硬殼壩等，這些壩縫重力壩、腹孔重力壩、梯形壩、硬殼壩等，這些壩主要依掌壩身自重與地基間產生足夠大的摩阻力來保主要依掌壩身自重與地基間產生足夠大的摩阻力來保持其穩(wěn)定。持其穩(wěn)定。 重力壩重力壩是由砼或漿砌石修筑的大體積擋水建筑是由砼或漿砌石修筑的大體積擋水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整體是由若干壩段物，其基本剖面是直角三角形，整體是由若干壩段組成。組成。重力壩的工作原理重力壩

7、的工作原理重力壩在水壓力及其它荷載作用下必需滿足：重力壩在水壓力及其它荷載作用下必需滿足：A A、穩(wěn)定要求：、穩(wěn)定要求：主要依依靠壩體自重產生的抗滑力主要依依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足。來滿足。B B、強度要求：、強度要求：依靠壩體自重產生的壓應力來抵消依靠壩體自重產生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力來滿足。由于水壓力所引起的拉應力來滿足。重力壩的類型重力壩的類型1.1.按按構造構造不同分為不同分為: :實體重力壩實體重力壩, ,寬縫重力壩寬縫重力壩, ,空空腹重力壩腹重力壩。2.2.按按作用作用不同分為不同分為: :溢流重力壩溢流重力壩, ,非溢流重力壩非溢流重力壩。3.3.按按筑壩

8、材料筑壩材料的不同分為的不同分為: :混凝土重力壩和漿砌混凝土重力壩和漿砌石重力壩石重力壩。世界最大的重力壩世界最大的重力壩- -中國三峽水利樞紐工程中國三峽水利樞紐工程. .重力壩對地質、地形條件的要求：重力壩對地質、地形條件的要求： 1 1、具有足夠的抗滑能力具有足夠的抗滑能力，能滿足抗滑穩(wěn)定要求。，能滿足抗滑穩(wěn)定要求。 2 2、壩基應有足夠的抗壓強度壩基應有足夠的抗壓強度和與壩體混凝土相適和與壩體混凝土相適應的彈性模量，其均勻性和完整性也應較好，能承受應的彈性模量，其均勻性和完整性也應較好，能承受壩體傳來的巨大壓力，不致產生過大的變形或不均勻壩體傳來的巨大壓力，不致產生過大的變形或不均勻

9、變形，否則壩體內會產生較大的拉應力，使壩體裂開，變形，否則壩體內會產生較大的拉應力，使壩體裂開，甚至毀壞。甚至毀壞。 3 3、壩基壩基( (肩肩) )應有良好的抗?jié)B性應有良好的抗?jié)B性，在庫水上下游水，在庫水上下游水頭差作用下不發(fā)生大量滲漏，不產生過大的揚壓力，頭差作用下不發(fā)生大量滲漏，不產生過大的揚壓力，也不會產生巖體的軟化、泥化和軟弱夾層、斷層破碎也不會產生巖體的軟化、泥化和軟弱夾層、斷層破碎帶的滲透變形。帶的滲透變形。 4 4、重力壩對地形適應性好，但、重力壩對地形適應性好，但兩岸山坡巖體必兩岸山坡巖體必須穩(wěn)定須穩(wěn)定，沒有難以處理的滑坡體和潛在的不穩(wěn)定的，沒有難以處理的滑坡體和潛在的不穩(wěn)定

10、的滑移體?；企w。 5 5、重力壩可以從壩頂宣泄大量洪水，、重力壩可以從壩頂宣泄大量洪水，下游河床下游河床巖體應具有對高速水流的抗沖能力，巖體應具有對高速水流的抗沖能力，以免沖刷坑向以免沖刷坑向上游擴展，威脅大壩安全。上游擴展，威脅大壩安全。 6 6、壩區(qū)附近應有足夠的、合乎要求的混凝土骨壩區(qū)附近應有足夠的、合乎要求的混凝土骨料或石料料或石料。而不像重力壩主要靠自重維持。一般地講，拱的作用而不像重力壩主要靠自重維持。一般地講，拱的作用越強，壩身體積也就越小。與重力壩比較，拱壩對兩越強，壩身體積也就越小。與重力壩比較，拱壩對兩岸巖體的要求較高，而對河床壩基巖體的要求相對來岸巖體的要求較高，而對河

11、床壩基巖體的要求相對來說要低一些。說要低一些?；麦w、強風化巖體、斷層破碎帶、具軟弱夾層的易滑坡體、強風化巖體、斷層破碎帶、具軟弱夾層的易產生塑性變形和滑動的巖體均不宜作為兩端的拱座。產生塑性變形和滑動的巖體均不宜作為兩端的拱座。 修建拱壩比較理想的河谷斷面形狀應是比較狹窄修建拱壩比較理想的河谷斷面形狀應是比較狹窄的、兩岸對稱的的、兩岸對稱的“V V”字形河谷，其次是字形河谷，其次是“U U”形和梯形。形和梯形。河谷的寬高比值在河谷的寬高比值在1.5-21.5-2比較理想，最好不超過比較理想，最好不超過3.53.5。 東江湖大壩東江湖大壩位于郴州資興市位于郴州資興市境內，大壩底寬境內，大壩底寬

12、3535米，頂寬米，米，頂寬米，壩頂中心弧長壩頂中心弧長438438米，壩高米，壩高157157米。是我國自行米。是我國自行設計的第一座雙設計的第一座雙曲薄殼高拱壩，曲薄殼高拱壩，名列同類型大壩名列同類型大壩世界第二、亞洲世界第二、亞洲第一。巍峨東江第一。巍峨東江湖大壩成為東江湖大壩成為東江湖風景區(qū)一道亮湖風景區(qū)一道亮麗景觀。麗景觀。 由一系列傾斜的面板和支承面板的支墩由一系列傾斜的面板和支承面板的支墩( (扶壁扶壁) )組組成的壩。面板直接承受上游水壓力和泥沙壓力等荷載，成的壩。面板直接承受上游水壓力和泥沙壓力等荷載，通過支墩將荷載傳給地基。面板和支墩連成整體，或通過支墩將荷載傳給地基。面板

13、和支墩連成整體，或用縫分開。用縫分開。 16 16世紀西班牙修建的埃爾切砌石連拱壩，壩高世紀西班牙修建的埃爾切砌石連拱壩，壩高23m,23m,是世界上第一座支墩壩。中國自是世界上第一座支墩壩。中國自19491949年以來也建年以來也建造了很多高支墩壩。造了很多高支墩壩。19561956年建成的梅山連拱壩年建成的梅山連拱壩, ,壩高壩高88.24m88.24m。19581958年建成的金江平板壩年建成的金江平板壩, ,壩高壩高54m54m。19601960年年建成的新豐江大頭壩，壩高建成的新豐江大頭壩，壩高105m105m。19801980年建成的湖南年建成的湖南鎮(zhèn)梯形壩，壩高鎮(zhèn)梯形壩，壩高12

14、9m129m，是中國最高的支墩壩，是中國最高的支墩壩。 新豐江水庫大壩距河源市區(qū)新豐江水庫大壩距河源市區(qū)6 6公里，為混凝土結構，高公里，為混凝土結構，高程程1 10505米，頂寬為米，頂寬為5 5米，長度米，長度440440米，是世界上第一座經受六米，是世界上第一座經受六級地震考驗的超百米高混凝土大頭壩。溢洪段設有級地震考驗的超百米高混凝土大頭壩。溢洪段設有3 3孔。公孔。公元元19971997年年7 7月月1111日至日至1414日、日、8 8月月9 9日至日至1616日，大壩兩次開閘泄日，大壩兩次開閘泄洪。泄洪時，湖水從閘奔瀉而出，伴隨著雷鳴般的呼嘯聲，洪。泄洪時，湖水從閘奔瀉而出，伴隨

15、著雷鳴般的呼嘯聲，卷起千堆雪，仿似一幅蛟龍鬧海圖，十分壯觀。卷起千堆雪，仿似一幅蛟龍鬧海圖，十分壯觀。類型類型 根據(jù)面板的形式，支墩壩可分為根據(jù)面板的形式，支墩壩可分為三種類型：三種類型： 平板壩：平板壩：面板為平板面板為平板, ,通常簡支于支墩的托肩（牛腿）上，面板通常簡支于支墩的托肩（牛腿）上，面板和支墩為鋼筋混凝土結構；和支墩為鋼筋混凝土結構； 連拱壩連拱壩: :上游為拱形面板，常采用圓拱上游為拱形面板，常采用圓拱, ,與支墩連成整體與支墩連成整體, ,一般為一般為鋼筋混凝土結構；鋼筋混凝土結構；大頭壩大頭壩: :面板由支墩上游部分擴寬形成，稱為頭部。相鄰支墩的面板由支墩上游部分擴寬形成

16、，稱為頭部。相鄰支墩的頭部用伸縮縫分開，為大體積混凝土結構。對于高度不大的支墩頭部用伸縮縫分開，為大體積混凝土結構。對于高度不大的支墩壩，除平板壩的面板外，也可用漿砌石建造。壩，除平板壩的面板外，也可用漿砌石建造。 支墩壩支墩壩是一種輕型壩，可較重力壩節(jié)省是一種輕型壩，可較重力壩節(jié)省20206060的混凝土，宜于修建在的混凝土，宜于修建在氣候溫和、河谷較寬、氣候溫和、河谷較寬、地質條件較好、運輸條件差、天然建筑材料缺乏的地質條件較好、運輸條件差、天然建筑材料缺乏的地區(qū)地區(qū)。 平板壩適用于中、低壩，連拱壩和大頭壩適用平板壩適用于中、低壩，連拱壩和大頭壩適用于中、高壩。于中、高壩。壩軸線壩軸線下游

17、下游vw 21221HHLLHuw 2122112121LaabaabHLHuww WFCKQZH 0210_65. 0HCKPwZH WPu2 2、深層滑動：、深層滑動：單滑面單滑面：l傾向下游：傾向下游：l傾向上游：傾向上游： cossinsincosPGWfuPGWK cossinsincosPGWfuPGWK被動抗力被動抗力R R與水平面的夾角與水平面的夾角變化于變化于0 0之間，之間，當滑面傾角當滑面傾角3030時，時，=0 0 ； 時，時，= = 。類比法類比法經驗法經驗法平均值的求取方法平均值的求取方法5 5.4 .4 壩基巖體質量分類壩基巖體質量分類1 1、滲透壓力：、滲透壓力

18、：滲透水流作用于巖土上的力，稱為滲透水流作用于巖土上的力，稱為滲透壓力，又稱為動水壓力。滲透壓力，又稱為動水壓力。2 2、滲透變形（滲透破壞）：、滲透變形（滲透破壞）：當滲透壓力達到一定當滲透壓力達到一定值時，巖土中一些顆粒甚至整體就會發(fā)生移動而值時，巖土中一些顆粒甚至整體就會發(fā)生移動而被滲流帶走，從而引起巖土的結構變松，強度降被滲流帶走，從而引起巖土的結構變松，強度降低，甚至整體發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為滲透破壞。低，甚至整體發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為滲透破壞。三、壩基的滲透穩(wěn)定性分析三、壩基的滲透穩(wěn)定性分析3 3、滲透變形、滲透變形一般發(fā)生在砂土和粉土中，在河流兩一般發(fā)生在砂土和粉土中，在河流兩岸

19、及大壩建設中引人關注。岸及大壩建設中引人關注。（一）、基本概念（一）、基本概念1 1、潛蝕、潛蝕2 2、管涌、管涌3 3、流土（、流土（砂砂）（二）、滲透變形的類型（二）、滲透變形的類型1 1、水動力條件：、水動力條件： 臨界水力坡度：臨界水力坡度：JcrJcr=Gs-1/1+e=Gs-1/1+e2 2、土的顆粒成分和結構特征：、土的顆粒成分和結構特征：3 3、滲流出口條件、滲流出口條件（三）、滲透變形產生的條件（三）、滲透變形產生的條件（四）、滲透變形的判別方法（四）、滲透變形的判別方法目的目的1 1、清基、清基：普遍采用：普遍采用高壩：微風化、新鮮巖體；高壩：微風化、新鮮巖體；依據(jù)：風化、

20、卸荷分帶依據(jù)：風化、卸荷分帶 中壩：弱風化下部巖體；中壩：弱風化下部巖體；低壩：弱風化上部巖體。低壩：弱風化上部巖體。方法：風鎬、鉆爆。方法：風鎬、鉆爆。應注意爆破對建基面的影響以及易風化巖的保護。應注意爆破對建基面的影響以及易風化巖的保護。建基面的形狀：建基面的形狀：鋸齒狀，略向上游傾斜或向下游抬高的倒坡，鋸齒狀，略向上游傾斜或向下游抬高的倒坡，或臺階狀，但高差不宜過大。或臺階狀，但高差不宜過大。v作用：提高壩基的整體性、彈性模量和承載力，降低透作用：提高壩基的整體性、彈性模量和承載力，降低透水性、減少滲漏量。水性、減少滲漏量。v類型：類型：1 1）按材料分：）按材料分：水泥灌漿；水泥灌漿；

21、粘土灌漿；粘土灌漿；化學灌漿?；瘜W灌漿。2 2）按作用分：）按作用分： 固結灌漿：按平面布置，利用鉆孔進行低壓固結灌漿：按平面布置，利用鉆孔進行低壓淺層灌漿；淺層灌漿； 帷幕灌漿：按剖面布置，利用鉆孔進行高壓帷幕灌漿：按剖面布置，利用鉆孔進行高壓深層灌漿；深層灌漿；接觸灌漿：按平面布置，利用預埋鉆孔進行接觸灌漿：按平面布置，利用預埋鉆孔進行高壓淺層灌漿。高壓淺層灌漿。v固結灌漿固結灌漿1 1）含義）含義: :通過基巖上的鉆孔，將具有粘結性的漿液壓入裂通過基巖上的鉆孔，將具有粘結性的漿液壓入裂隙或空隙中，從而提高破碎巖體的完整性和強度。隙或空隙中，從而提高破碎巖體的完整性和強度。2 2）方案設計

22、：）方案設計：o根據(jù)巖體破碎情況、壩型和壩基應力等確定。根據(jù)巖體破碎情況、壩型和壩基應力等確定。3 3）灌漿孔的布置：）灌漿孔的布置：o大面積灌漿，重點地段加強；大面積灌漿，重點地段加強；o按梅花型、六角形或方格狀布置；按梅花型、六角形或方格狀布置；o按序次逐漸加密（孔距從按序次逐漸加密（孔距從1010m m 2020m m開始，最終孔距開始，最終孔距為為2 2m m 4m4m）；）；o孔深一般為孔深一般為5 5m m 15m15m，高壩可大于高壩可大于20m20m；o灌漿壓力為灌漿壓力為0.20.2MPa MPa 2020MPaMPa；o一般為垂直孔，但斷層破碎帶、裂隙密集帶、軟弱夾一般為垂

23、直孔，但斷層破碎帶、裂隙密集帶、軟弱夾層等應按產狀布置斜孔。層等應按產狀布置斜孔。v接觸灌漿接觸灌漿1 1）目的：提高壩體與壩基的膠結強度。）目的：提高壩體與壩基的膠結強度。2 2）方法：）方法：o在壩體澆筑至一定高程（形成有效壓重）后，在預在壩體澆筑至一定高程（形成有效壓重）后，在預埋的管、孔中進行灌漿；埋的管、孔中進行灌漿；o大面積布置，采用高壓灌漿，與固結灌漿合二為一。大面積布置，采用高壓灌漿，與固結灌漿合二為一。v帷幕灌漿帷幕灌漿1 1）方案設計：）方案設計：以巖體透水性分帶為依據(jù)，根據(jù)水文地質條件、防滲要求由灌漿試以巖體透水性分帶為依據(jù)，根據(jù)水文地質條件、防滲要求由灌漿試驗確定灌漿孔深度、厚度、孔距、排距及灌漿壓力、材料、水灰比驗確定灌漿孔深度、厚度、孔距、排距及灌漿壓力、材料、水灰比等。等。v防滲要求：防滲要求： o高壩：高壩：q q1Lu1Lu； o中壩：中壩：q q=1=13Lu3Lu； o低壩：低壩：q q=3=35Lu5Lu2 2）灌漿孔的布置：）灌漿孔的布置：o按剖面布置，在靠