地質(zhì)學(xué)課件：第五章 壩基巖體穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析

1、第五章 壩基巖體穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析 壩基巖體的壓縮變形與承載力 壩基（肩）巖體穩(wěn)定性分析 壩基巖體抗滑穩(wěn)定計(jì)算參數(shù)的選取 降低壩基巖體抗滑穩(wěn)定性的作用 壩基處理各種壩失事百分率統(tǒng)計(jì)概述 水利水電工程建設(shè)實(shí)踐表明，工程地質(zhì)條件不僅影響到壩址、壩型的選擇，而且關(guān)系到工程的投資、施工工期、工程效益和工程安全。在大壩發(fā)生毀壞的事故中，因地質(zhì)問題而引起的最多，因此在大壩的設(shè)計(jì)和施工中，對(duì)壩基或壩肩的巖體進(jìn)行工程地質(zhì)條件的分析研究是非常重要的。壩基在承受荷載作用下不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)；壩基各部位的應(yīng)力及變形值要在學(xué)科范圍之內(nèi)，避免產(chǎn)生過大的局部應(yīng)力集中和嚴(yán)重的不均勻變形；壩基在滲流水的長(zhǎng)期作用下，保持力學(xué)上

2、和化學(xué)上的穩(wěn)定，滲漏量和滲流壓力都應(yīng)控制在允許范圍之內(nèi)。主要解決問題：通常100m高的混凝土重力壩，傳到壩基上的自重壓力可達(dá)2MPa以上。導(dǎo)致壩基破壞的巖體失穩(wěn)形式：W第一節(jié) 壩基巖體的壓縮變形與承載力第一節(jié) 壩基巖體的壓縮變形與承載力一、壩基巖體的壓縮變形 （1）巖性軟硬不一，變形模量值相差懸殊，引起較大的不均勻沉陷，導(dǎo)致壩體發(fā)生裂縫。如粘土頁巖、泥巖、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖石以及松散沉積物、尤其是淤泥、含水量較大的粘性土層，是容易產(chǎn)生較大沉陷變形的巖層。 一、壩基巖體的壓縮變形 （2）壩基或兩岸巖體中有較大的斷層碎帶、裂隙密集帶、卸荷裂隙帶等軟弱結(jié)構(gòu)面，尤其是張性裂隙發(fā)育帶且裂隙面大致垂直于壓力方向

3、，易產(chǎn)生較大的沉陷變形。 （3）巖體內(nèi)存在溶蝕洞穴或掏空現(xiàn)象，產(chǎn)生塌陷而導(dǎo)致不均勻變形。 上述軟弱巖層和軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和分布位置對(duì)巖體變形也有顯著影響二、壩基巖體承載力容許承載力：在保證建筑物安全穩(wěn)定的條件下，地基能夠承受的最大荷載壓力。包括過大沉陷變形引起的破壞，也包括剪切滑移導(dǎo)致破壞。如何確定地基承載力？三種方法:（1）現(xiàn)場(chǎng)荷載實(shí)驗(yàn)法。按巖體實(shí)際承受工程作用力的的大小和方向進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)。獲得巖體彈性模量、變形模量、泊松比指標(biāo)。復(fù)雜、費(fèi)用高。在大中型工程中采用。（2）經(jīng)驗(yàn)類比法。根據(jù)已建成的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、工程特征、地質(zhì)條件進(jìn)行比較選取。二、壩基巖體承載力巖體級(jí)別 f0（MPa）7.07.0

4、4.04.02.02.00.50.5基巖承載力基本值（f 0） 風(fēng)化程度巖石 類別全風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化中等風(fēng)化微風(fēng)化硬質(zhì)巖石20050050010001000250025004000軟質(zhì)巖石200500500100010001500巖石容許承載力表（KPa）（3）以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rb）乘以折減系數(shù)（）求承載力的方法是最廣泛應(yīng)用的簡(jiǎn)便方法。承載力 f = Rb折減系數(shù)選?。何L(fēng)化 0.20.33； 中等風(fēng)化 0.170.25.只考慮風(fēng)化因素,且只有二個(gè)檔次,不易掌握.巖石名稱節(jié)理不發(fā)育(間距1.0m)節(jié)理較發(fā)育(間距10.3m)節(jié)理發(fā)育(間距0.30.1m)節(jié)理極發(fā)育(間距30MPa)1/7Rb

5、(1/71/10) Rb(1/101/16) Rb(1/161/20) Rb軟弱夾層(Rb2.01.31.11.31.11.41.22.01.52.01.01.10.91.10.71.20.81.50.71.00.50.90.70.70.30.80.550.70.30.50.20.70.40.30.050.550.40.30.050.20.02水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（1993）中提供的適用于規(guī)劃、可行研究設(shè)計(jì)階段的參考數(shù)據(jù)表三、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)面、軟弱層、斷層抗剪強(qiáng)度參考表（建議值）類型fC（MPa）節(jié)理面0.80.60.250.1層面0.70.50.150.05巖塊與巖屑型0.

6、550.450.250.1巖屑夾泥型0.450.350.10.05泥夾巖屑型0.350.250.050.02泥0.250.180.020.01第四節(jié) 壩基滲透穩(wěn)定性與沖刷1、壩區(qū)滲漏條件的分析滲漏通道 滲漏通道一般指具有較強(qiáng)透水性的巖土體，可分透水巖層、透水帶和透水喀斯特管道。透水層:主要透水層位第四紀(jì)的砂層、卵礫石層、膠結(jié)不良的砂巖、礫巖層等。透水帶：斷層破碎帶和裂隙密集帶。是基巖中主要滲漏通道?？λ固毓艿溃簤螀^(qū)有可溶性巖體存在時(shí)，由于強(qiáng)烈喀斯特發(fā)育，在巖體中產(chǎn)生溶洞、暗河及溶隙等相互連通而構(gòu)成喀斯特管道，可能造成嚴(yán)重的壩區(qū)滲漏。 滲漏通道的連通性 第四紀(jì)松散沉積地層滲漏通道的連通性主要取決

7、于地層結(jié)構(gòu)特征，與地貌發(fā)育情況密切相關(guān)。 基巖透水層、透水帶基喀斯特管道的 連通性則受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、覆蓋層特征等因素控制，情況比較復(fù)雜。2、壩基的滲透穩(wěn)定性分析滲透水流作用于巖土上的力，稱滲透壓力或動(dòng)水壓力。滲透壓力達(dá)到一定值時(shí)，土中的某些顆粒就會(huì)被滲透水流攜帶和搬運(yùn)，這種地下水的侵蝕作用稱為潛蝕。潛蝕使得巖土中一些顆粒甚至整體就會(huì)發(fā)生移動(dòng)而被滲流攜走，從而引起巖土的結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降降低，甚至整體發(fā)生破壞。這種工程動(dòng)力地質(zhì)作用或現(xiàn)象稱之為滲透變形或滲透破壞。 滲透變形的類型管涌：即土體中一部分小顆粒被滲透水流攜出，較普遍發(fā)生在不均質(zhì)砂層中（如下頁圖）。流土：即土體表層某一部分土粒在

8、垂直土層的滲透水流作用下全部浮動(dòng)和流走。常發(fā)生在大壩下游坡腳有滲透水流逸出的土層中。接觸流土：即滲透水流近于垂直土層運(yùn)動(dòng)，當(dāng)由顆粒粗細(xì)相差懸殊的細(xì)粒土進(jìn)入粗粒土中時(shí)，細(xì)粒土被水流帶入粗粒土中。接觸沖刷：滲透水流方向與土層平行，細(xì)粒土與粗粒土接觸面上的土粒受粗粒土中流速較大的水流所沖刷并被它帶走。管涌破壞示意圖（a）斜坡條件時(shí) （b）地基條件時(shí)1-管涌堆積顆粒； 2-地下水位； 3-管涌通道； 4-滲流方向 流入： 流出： 滲透壓力：?jiǎn)挝煌翆痈∪葜兀簞?dòng)水壓力（D）：?jiǎn)挝惑w積土層所受的滲透壓力 水流由下往上滲透時(shí)一旦當(dāng)動(dòng)水壓力與土體的水下重量相等時(shí)，土體將處于懸浮狀態(tài)而發(fā)生流土。 滲透變形的水動(dòng)力

9、條件 地下水在松散土體中滲流時(shí)，土顆粒在水頭差作用下承受了來自水流的滲透力即動(dòng)水壓力。-太沙基公式 即:土粒的密度愈大，孔隙率愈小，則臨界水力梯度愈大，也即土體愈 不易發(fā)生滲透變形（流土）。若砂土粒密度s 2.65，n5030，則： 若dpdq： 即：臨界水力梯度Icr太沙基公式 未考慮土體本身的抗剪強(qiáng)度，所以實(shí)測(cè)的各種土的臨界梯度往往較上述公式計(jì)算結(jié)果相差很大。所以有必要進(jìn)一步分析土的結(jié)構(gòu)特性。管涌的Icr的求取較為復(fù)雜，通過試驗(yàn)測(cè)定。 土體性質(zhì)與滲透變形 土體抗?jié)B強(qiáng)度取決于其本身的結(jié)構(gòu),制約滲透變形發(fā)生的土體結(jié)構(gòu)特性,包括土中粗細(xì)顆粒直徑比例,細(xì)粒物質(zhì)的含量和土的級(jí)配特征,顆粒形狀及排列方

10、式等因素。粗細(xì)粒徑比例 1 .粗細(xì)顆粒直徑比例細(xì)粒從空隙中流動(dòng)最優(yōu)比例：d0/d = 8d0 ：孔隙直徑d：細(xì)顆粒直徑D：粗顆粒直徑天然無粘性土 n=0.395 D/ d0 =2.5D/d = 20 有利于管涌 土體的排列方式?jīng)Q定著D / d0 的值： 當(dāng)排列疏松時(shí)， D / d0 減小， 有利于滲透變形 當(dāng)排列密實(shí)時(shí)， D / d0 增大， 不利于滲透變形 細(xì)顆粒含量 只有較多量的粗大顆粒構(gòu)成骨架，才能形成直徑較大的孔隙，易于產(chǎn)生潛蝕。如細(xì)顆粒達(dá)到一定含量致使顆粒間不能相互接觸，不能由它構(gòu)成骨架，則孔隙大小取決于細(xì)顆粒，則比較難以潛蝕。 實(shí)驗(yàn)資料證實(shí)：當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)20%-30%時(shí)，產(chǎn)生滲透變

11、形所需的水力梯度值急劇增大；用細(xì)顆粒含量來判別雙峰型礫土的滲透變形型式：35% 流土25% 管涌=25%35% 流土或管涌，取決于礫土的密實(shí)度及細(xì)顆粒的組成 中等以上密實(shí)度、不均勻系數(shù)較小的細(xì)粒土，發(fā)生流土； 細(xì)顆粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗?jié)B強(qiáng)度增加，不易發(fā)生滲透變形。土的級(jí)配特征 土的級(jí)配特征可用土的不均粒系數(shù)Cu表示(Cu =d60/d10) Cu值愈大，說明土愈不均勻，級(jí)配愈好。 Cu20-潛蝕 Cu 在10-20之間-兩種均可能發(fā)生 研究臨界水力梯度與不均粒系數(shù)之間的關(guān)系表明：砂土的Cu值愈小(土粒愈均勻)則Icr值愈大，即產(chǎn)生流土的臨界水力梯度較潛蝕的要大。壓密固

12、結(jié)程度 經(jīng)過壓密固結(jié)的土不僅孔隙度有所降低，粒間嵌合力也有所增強(qiáng)，必然要經(jīng)過滲流力浮動(dòng)以后才能懸浮。其臨界梯度和允許梯度顯著高于顆粒成分相近但未經(jīng)固結(jié)的土。粘粒含量 粘粒含量增多增加土的內(nèi)聚力，增加土的抗?jié)撐g能力。滲流出口條件 對(duì)于由滲流出口朔源發(fā)展的潛蝕 管涌型滲透變形，滲流出口有無適當(dāng)保護(hù)，對(duì)滲透變形的產(chǎn)生和發(fā)展具有重要的意義。 地層組合關(guān)系：?jiǎn)我恍停憾辔挥诤恿鞯纳嫌危话銥樯奥眩ǖ[）石層，一般發(fā)生管涌，隨著細(xì)粒成分的增多，可能流土。雙層型：主要考慮表層粘性土的性質(zhì)、厚度、完整程度多層型：除考慮表層粘性土層外，還考慮砂層透鏡體或粘性土層透鏡體或相變等造成水力梯度的突變等原因工程因素施工等破

13、壞了表層具有防滲作用的弱透水層。地形地貌條件溝谷切割等改變了滲流的補(bǔ)給、滲流的長(zhǎng)度、出口條件等3 滲透變形的防治措施 滲透變形的防治，通常采用三方面的措施： 改變滲流的動(dòng)力條件；保護(hù)滲流出口；改善土石性質(zhì)。 (1)建筑物基坑:人工降低潛水位板樁防護(hù)墻 土石壩防治滲透變形的措施 垂直截滲：粘土截水槽、灌漿帷幕、混凝土防滲墻等 。 排水減壓 在壩后的壩腳附近設(shè)置排水溝和減壓井，它們的作用是吸收滲流和減小溢出段的實(shí)際水力梯度。 水平鋪蓋反濾蓋重 反濾層是保護(hù)滲流出口的有效措施，它既可以保證排水通暢，降低溢出梯度，又起到蓋重的作用。 1、沖刷坑從壩、閘或溢洪道溢流宣泄下來的水流具有很大的能量，對(duì)下游河

14、床常發(fā)生嚴(yán)重的沖刷作用，尤其是采用挑流消能形式時(shí)，將在壩（閘）下游的河床中形成沖刷坑。形成臨空面。四 壩下游河床沖刷作用LHhd 挑流示意圖四、壩下游河床沖刷作用LHhd圖5-24 挑流示意圖2、沖刷坑是否會(huì)危及大壩的安全？一般采用挑射距離（L）與沖刷坑的位置（d）的比值來估計(jì)。巖層傾角較陡的基巖： L/d2.5，安全；巖層傾角較緩的巖層： L/d5.0，安全。四、壩下游河床沖刷作用3、河床巖石沖刷破壞機(jī)理 由于挑射水流在巖石裂縫間產(chǎn)生脈動(dòng)壓力，使裂縫張開，巖塊松動(dòng)，直到巖塊被水沖走。 （1）地質(zhì)方面： 巖塊的大小、重度、幾何形狀、相互位置以及巖塊間充填物的性質(zhì)有關(guān)。巖塊的磨損和破壞又取決于巖

15、石的性質(zhì)和強(qiáng)度。（2）水力方面： 挑流形式、單寬流量、入水流速和水墊厚度等。四、壩下游河床沖刷作用4、地質(zhì)條件對(duì)沖刷坑的影響，歸納為下列三方面（1）斷裂破碎帶往往控制著局部最大沖坑位置、形狀和范圍。（2）緩傾的軟弱結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層較陡傾者，易于形成較深的沖坑。當(dāng)巖層傾向下游時(shí)，更易使沖坑上游側(cè)坍破壞，并溯流向壩址發(fā)展，危及壩基穩(wěn)定。當(dāng)巖層傾向上游，或傾角較陡時(shí)，一般沖刷坑較輕。（3）節(jié)理裂隙的密度愈大，巖塊體積愈小，愈易形成較深的沖坑。（4）巖石的性質(zhì)和分化程度對(duì)壩其巖體的穩(wěn)定性也有顯著的影響。四、壩下游河床沖刷作用5、沖刷坑深度的確定 水工模型試驗(yàn) 經(jīng)驗(yàn)公式估算： d=q0.5H0.25-h

16、為沖坑系數(shù)，堅(jiān)硬完整巖石0.91.2，軟弱破碎、裂隙發(fā)育巖石1.52.0；q為單寬流量（m3/sm）；H上下游水位差；H下游水深。LHhd圖5-24 挑流示意圖第五節(jié) 壩基處理一、清基定義：將壩基表面的松散軟弱、風(fēng)化破碎及淺部的軟弱夾層等不良的巖層開挖清除掉，使壩體放在比較新鮮完整的巖體上。1.大壩地基開挖深度，是設(shè)計(jì)和施工中的一個(gè)重要問題費(fèi)用問題，工期問題，基坑排水問題，基坑邊坡穩(wěn)定，地應(yīng)力問題。2.以風(fēng)化程度或巖體質(zhì)量級(jí)別為依據(jù)來確定壩基開挖深度。一般情況下，高壩建在堅(jiān)硬巖石的微風(fēng)化或弱風(fēng)化帶下部，經(jīng)過論證和處理，也可部分建在弱風(fēng)化帶的中部。中壩建在弱風(fēng)化帶中部或部分建在上部。兩岸地形較高

17、部位可適當(dāng)放寬。一、清基3.中、高壩最低要求為: 巖塊飽和抗壓強(qiáng)度Rb30MPa； 聲波縱波速Vp3000m/s； 變形模量E0 5000MPa。 低壩和中壩最低要求為: 抗壓強(qiáng)度Rb15MPa； 聲波縱波速Vp2000m/s； 變形模量E0 2000MPa。4.土壩的清基，要求低。5.對(duì)于風(fēng)化速度較快的巖層，預(yù)留保護(hù)層或采取保護(hù)措施。二、壩基加固措施（一）固結(jié)灌漿 通過在基巖中鉆孔，將適宜的具有膠結(jié)性的漿液（大多為水泥漿）壓入到巖基的裂隙或孔隙中，使破碎巖體膠結(jié)成整體以增加基巖強(qiáng)度。 灌漿孔一般布置成梅花型，孔距1.53.0m?？咨疃?8m，最大深度15m。二、壩基加固措施（二）錨固 當(dāng)?shù)鼗?/p>

18、巖石中發(fā)育有控制巖體的滑移面的軟弱面時(shí)，為增加巖體的抗滑穩(wěn)定性，可采用預(yù)應(yīng)力錨桿(或鋼纜)進(jìn)行加固處理。 預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼纜錨固 大口徑鋼筋混凝土管柱錨固 堅(jiān)固巖層夾層建筑物底板錨固段 錨固結(jié)構(gòu)二、壩基加固措施（三）槽、井、洞挖回填混凝土 當(dāng)壩基下有規(guī)模較大的軟弱破碎帶時(shí)，如斷層破碎帶、軟弱夾層、泥化夾層、泥化層等。1、高傾角軟弱破碎帶的處理混凝土土塞是將軟弱夾層帶挖除到一定深度后回填混凝土，以提高地基的強(qiáng)度。開挖深度可取寬度1.01.5倍軟弱夾層破碎帶巖性疏松軟弱，強(qiáng)度低且寬度較大時(shí)，可采用梁或拱的形式跨過。再配合灌漿、水平防滲等處理措施。破碎帶混凝土塞 壩基處理混凝土拱破碎帶壩體二、壩基加固

19、措施2、緩傾斜軟弱破碎帶的處理埋藏淺時(shí)，全部挖掉，回填混凝土。部分挖除。每隔一定距離挖一個(gè)平洞，洞的頂部和底部均嵌入堅(jiān)固完整的巖層中，然后回填混凝土，形成混凝土鍵。大壩夾層混凝土鍵 緩傾斜軟弱破碎帶的處理 三、防滲和排水處理 一般原則，在大壩迎水面或其上游部位設(shè)置防滲措施，如灌漿帷幕，盡量降低壩基的滲透水流。而在迎水面下游的壩基部分則設(shè)置排水措施，如排水井、孔等，以便降低滲透壓力。三、防滲和排水處理1、帷幕灌漿在大壩上游地基中，布置12排鉆孔，以一定壓力將水泥壓入基巖的裂縫或斷層破碎帶。形成不透水帷幕。帷幕的深度，到不透水層。不透水層很深，到隔水層35米。高壩可設(shè)兩排鉆孔，中低壩一排鉆孔?？拙?/p>

20、1.54.0米.2、排水措施在帷幕下游壩基中設(shè)排水孔，23排，并設(shè)排水管道、廊道或集中井，將水排出壩體以外。漿液擴(kuò)散范圍灌漿廊道 帷幕灌漿鉆孔排水孔及廊道 防滲帷幕示意圖第六節(jié) 各種壩型對(duì)地質(zhì)地形條件的要求 1、土石壩對(duì)地質(zhì)地形條件的要求 土石壩泛指由當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過 拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩。當(dāng)壩體材料以土和砂礫為主時(shí)，稱土壩、以石渣、卵石、爆破石料為主時(shí)，稱堆石壩；當(dāng)兩類當(dāng)?shù)夭牧暇枷喈?dāng)比例時(shí)，稱土石混合壩。 土石壩對(duì)地質(zhì)地形條件要求低，從巖石地基到土質(zhì)地基，都可修建土石壩。巖石地基對(duì)任何壩型一般都適應(yīng)。但對(duì)于強(qiáng)烈喀斯特巖體、大的斷層破碎帶、強(qiáng)透水或抗剪強(qiáng)度低的軟弱夾層、

21、泥化夾層的巖體、基巖面起伏太大的巖體，宜避開或加強(qiáng)處理。土質(zhì)地基，程度不同的會(huì)存在沉陷、變形、滑動(dòng)、滲漏和滲透變形、振動(dòng)液化等問題。 土石壩適應(yīng)于各類地形條件 高山深谷地形：河谷窄，山坡陡峻，山脊高，壩軸線短，如把土石壩布置在順直河段，則引水洞、泄洪洞要拐彎，洞線長(zhǎng)，溢洪道開挖邊坡高，工程量大，而且溢洪道緊接土石壩，施工干擾大。應(yīng)選擇彎曲河段，把壩布置在彎道上，則凸岸布置引水洞、泄洪洞、溢洪道，可大大縮短長(zhǎng)度，減少工程量；但如凸岸山梁?jiǎn)伪。銘?yīng)對(duì)山梁的邊坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、擋水后的抗滑穩(wěn)定作計(jì)算論證。 丘陵地形：河谷寬，山坡平緩，樞紐布置條件好，建筑物可在壩的兩端布置互不干擾，布置溢洪道最好利用有埡口的地形。平原地形，一般河道順直，無彎道可利用，常采用河岸式布置。2、重力壩對(duì)地質(zhì)地形條件的要求 重力壩是由