第1章-水利工程與地質環(huán)境

第一章水利工程對地質環(huán)境的要求

—巖體的工程地質特性

§1.1巖體的結構特征§1.2巖體中的地應力§1.3巖體中的地下水§1.4巖體質量評價與工程分類§1.1巖體的結構特征大型水利水電工程（國內外的大壩）均建于巖石地基上，研究巖石。并不是孤立的單獨的一塊巖石，而是構成建筑環(huán)境的地質體-巖體，即工程影響范圍內的巖石綜合體。巖體中存在大量的結構面（斷層、節(jié)理、層理、片理等），弱化了巖體的工程性質，使得巖體在工程荷載的作用下很容易沿這些結構弱面或組合發(fā)生變形或破壞。也即巖體結構特征控制著巖體的穩(wěn)定。巖體結構特征?（※）

（Structurecharacteristicsofrockmass）指巖體中結構面和結構體的形狀、規(guī)模、性質及其組合關系的特征。結構面（structuralplane）—不連續(xù)面，切割巖體的各種地質界面，如層面、沉積間斷面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等；結構體—結構面在空間按不同的組合，將巖體切割成不同形狀和大小的塊體，被結構面所圍限的巖塊稱為。一、結構面的成因類型二、結構面的特征（※）方位(產狀)間距延續(xù)性張開度（兩壁間垂直距離）結構面?zhèn)缺趶姸龋ㄊ┟芴鼗貜梼x或點荷載儀）充填狀況（膠結物、膠結程度、充填厚度—變形與強度）滲流粗糙度（平整光滑程度）節(jié)理組數(shù)塊體大小(據節(jié)理組數(shù))壩基巖體/地下洞室圍巖分類單位體積通過總節(jié)理數(shù)三、軟弱夾層（※）

(Soft/weakinterbed)指在堅硬的層狀巖層中夾有強度低、泥質或炭質含量高、遇水易軟化、延伸較廣和厚度較薄的軟弱巖層。強度與變形模量均低于上下硬巖層的1/5-1/50。如：摩擦系數(shù)f<0.5;飽和單軸抗壓強度Rb<10MPa;變形模量E0<1000MPa;其中的泥化夾層（粘土巖類變成塑泥），性質最差控制巖體的抗滑穩(wěn)定，如上猶江水電站建設。四、巖體的結構類型據巖體的節(jié)理化程度五、結構面引起的工程地質問題舉例壩基巖體滑動巖質邊坡滑動地下洞室圍巖失穩(wěn)壩基、壩肩的滲漏與滲透穩(wěn)定庫區(qū)滲漏（斷層、大的節(jié)理裂隙等）本節(jié)小結巖體中存在大量的結構面（斷層、節(jié)理、層理、片理等），弱化巖體的工程性質，使得巖體在工程荷載作用下很容易沿這些結構弱面或組合發(fā)生變形或破壞，導致巖體失穩(wěn)（內因）；外因？巖體結構特征控制著巖體穩(wěn)定；結構面引起的工程地質問題。結構面的特征及其對巖體穩(wěn)定的影響軟弱夾層、泥化夾層巖體的結構類型§1.2巖體中的地應力

(Geostaticstress)地下洞室或礦山坑道開挖后的收斂大變形及巖爆、基坑的底鼓、切離巖體的膨脹、鉆孔的縮徑-巖體處于不同的“受力狀態(tài)”。地應力：天然條件下（施工前）存在于巖體中的應力，稱，也稱天然應力或初始應力。是在漫長的地質歷史時期形成的，是重力場和構造應力場迭加的結果。是工程巖體的基本荷載之一，其方向、大小及分布規(guī)律對工程巖體的變形與破壞作用十分明顯、影響工程的設計與施工。一、地應力的組成自重應力：在重力場中生成的應力為。構造應力：構造運動所引起的地應力。隨地質歷史時間及空間發(fā)展變化的非穩(wěn)定應力場。一般最大主應力為水平應力，具有很強方向性。起源有兩種觀點，即地球自轉速度變化產生的離心慣性力、緯向慣性力，板塊運動。地應力狀態(tài)的幾種觀點靜水應力為主(Heim,1912)；垂直應力為主；水平應力為主(李四光，1920)。自重應力構造應力自重應力泊松效應產生的側向水平應力泊松比一般取0.20.3，故自重應力場造成的水平應力約為垂直應力的1/3。而實際上往往水平地應力高于垂直地應力。進一步說明構造應力場的存在。二、地應力的分布規(guī)律（※）1）巖體中存在三向不等的空間應力場垂直應力通常是小主應力，表明多數(shù)地區(qū)存在構造應力，即水平向應力大于垂直向應力。但兩個水平主應力也并不一定水平，略有傾角。三峽壩址區(qū)：深129.7m處實測地應力結果而自重應力僅有2.6MPa實測地應力方位傾角水平、垂直地應力7421相當水平大主應力17723相當水平小主應力30253相當垂直地應力2）水平應力與垂直應力的關系統(tǒng)計資料顯示，在地殼淺部，多數(shù)地區(qū)的水平應力大于垂直應力。3）地應力隨深度增加呈線性增長4）水平地應力具有強烈的方向性（構造應力場作用）我國東部大主應力方向NEE-EW;西部地區(qū)SN5）地應力與巖性有關堅硬巖中應力高，軟巖中應力低；巖漿巖中應力高，變質巖次之，沉積巖最低。6）地應力是相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定應力場認識地應力對工程選線、設計與施工意義重大！地應力在地表處不一定為零，水平與垂直地應力都有不過原點的現(xiàn)象。三、關于高、低地應力及對

工程影響的評價（※）高地應力：一般認為當巖體中最大水平主應力值超過30MPa，即認為高地應力地區(qū)（硬質與軟質巖石界限）；或巖石單軸抗壓強度與最大水平主應力的比值小于7。（高地應力是指水平應力分量大大超過其上覆蓋層的巖體的重量）標志：剝離、巖餅、巖爆(rockpopping)、地下洞室大變形、軟巖或軟弱夾層側向擠出。山西汾西礦物局一礦山巷道收斂大變形實例

高地應力與工程教材P136及教案大壩建基面選擇應充分利用應力過渡區(qū)、應力釋放區(qū)，避開應力集中區(qū)；適當提高建基面。應力集中區(qū)40-80MPa低地應力：一般指水平地應力小于由于自重所形成的側向水平應力的地區(qū)。標志：大范圍塌方、掉塊、圍巖滲水等。秦嶺越嶺隧道、軍都山隧道施工時大范圍塌方、涌水現(xiàn)象，長期以來忽視了低地應力問題。四、地應力引起的其它工程地質問題1）壩基基坑底部的隆起、剝離破壞壩基開挖，因卸荷引起應力釋放，當初始水平應力較高時，會造成基坑底部巖層呈水平狀開裂。加拿大安大略省露天礦坑，當挖至坑深15m時，坑底突然裂開，裂縫兩側巖層在幾分鐘內向上隆起，最大隆起量達2.4m，實測其初始水平應力高達14MPa，基坑隆起軸線與最大水平應力方向垂直。2）基坑邊坡的剪切滑移水平向大主應力垂直坡面走向，則坡面上的切向應力較大，坡面易發(fā)生剪切滑移；反之，若平行于坡面走向，則有利于穩(wěn)定。3）地下洞室產生較大的收斂變形當洞軸線與最大的水平應力垂直時，邊墻會產生較大的收斂變形，軟巖地區(qū)更嚴重，“吐舌頭”。地下洞室軸線最好與最大水平應力方向近于平行有利于邊墻的穩(wěn)定。4）地下洞室施工過程中產生巖爆高地應力地區(qū)堅硬完整的巖體中開挖地下洞室時，由于應力的突然釋放，引起洞壁巖石爆裂、剝落或巖片彈射出來的現(xiàn)象。危害性嚴重。五、地應力測量(measurement)直接方法-水壓致裂法向鉆孔內壓水，直至孔壁開裂，利用彈性力學公式計算巖體內的大、小主應力。間接方法-應力解除法（套鉆巖芯的應力解除法）本節(jié)小結巖體中的地應力，是重力場與構造應力場迭加的結果；地應力是工程巖體的基本荷載之一，工程巖體的變形、破壞形式和應力分布在很大程度上取決于巖體中的地應力。地應力影響著工程的設計與施工。地應力的分布規(guī)律高/低地應力及其標志地應力測量方法§1.3巖體中的地下水

(Groundwater)地下水引發(fā)的工程問題，包括地面沉降、地面塌陷、滲流或滲透變形（管涌、流砂）、浮托作用、基坑突涌、對鋼筋砼等的腐蝕，實際是土中的地下水。巖體中的地下水問題，與土中的水不同，它有別于一般工程地質教材所涉及的如上的地下水工程問題?？紫端?裂隙水,溶隙水賦存介質埋藏條件包氣帶,潛水,承壓水地下水是影響巖體穩(wěn)定的外部環(huán)境因素，對工程巖體的失穩(wěn)起著潤滑劑的作用，降低工程巖體及結構面的強度，增加滲透壓力。節(jié)理裂隙連通，形成滲流通道增加動水壓力；帶走巖體裂隙中的細小顆粒，產生所謂的潛蝕或管涌現(xiàn)象，導致巖體失穩(wěn)。水巖相互作用，降低巖石/結構面強度水巖間物理作用-溶蝕可溶性礦物或軟化粘土質礦物；水巖間化學作用（石灰?guī)r）。膨脹巖遇水膨脹，增加膨脹壓力承壓水使巖體承受向上的頂托力，降低有效壓力，使巖體的抗剪切能力下降。地下水貫穿巖體穩(wěn)定分析的各個方面，包括壩區(qū)的滲透變形、壩基、邊坡、地下工程巖體的穩(wěn)定分析中。詳見以下各章?！?.4巖體質量評價與工程分類

(QualityEvaluationandEngineeringRating)工程巖體中存在著大量的軟弱結構面，地應力、地下水等不利條件，極大的影響巖體的質量和巖體的穩(wěn)定。指導工程的設計、施工，如地下洞室的開挖方式、進度及支護設計；不同工程類比，決定相似工程的施工、設計方案。一、巖體質量評價與分類的目的教材P138二、分類考慮的因素地質因素：巖性，巖體完整性，結構面性狀，地應力，地下水；工程因素：工程類型，斷面形狀和大小，軸線與結構面方位間的關系。三、幾個較大影響力的分類標準RQD分類(RockQualitydesignation,Deer,1964)、RMR分類（T.Bieniawski,1973

）RSR分類（G.E.Wickham,1972

）Q分類（Barton,1974

）BQ分類（工程巖體分級標準GB50218-94）巖體結構類型(中科院地質所谷德振教授)分類名稱RMR分類(RockMassRating)※節(jié)理巖體地質力學分類CSIR,T.Bieniawski,1973公式RMR=A+B+C+D+E+F參數(shù)A－巖石強度，分數(shù)15～0B－RQD（巖石質量指標），分數(shù)20～3C－不連續(xù)面間距（2-6m），分數(shù)20～5D－不連續(xù)面性狀（粗糙-夾泥），分數(shù)30～0E－地下水（干燥-流動），分數(shù)15～0F－不連續(xù)面產狀條件（很好-很差）,分數(shù)0～-12等級劃分I很好

RMR=100～81II好

RMR=80～61III中等

RMR=60～41IV差

RMR=40～21V很差RMR≤20分類名稱RSR分類（RockStructureRating）(巖石結構評價分類，南非-威克姆G.E.Wickham,1972)公式RSR=A+B+C（RSR變化范圍25～100）參數(shù)A－地質（巖石類型：按三大巖類由硬質到破碎劃分為4個等級；構造由整體到強烈斷裂褶皺分為4個等級），分數(shù)30～6；B－節(jié)理裂隙特征（按整體到極密集分為6個等級，按走向傾角與掘進方向關系折減）,分數(shù)45～7；C－地下水（無到大量），分數(shù)25～6。等級劃分I很好

RSR=100～85II好

RSR=85～65III中等

RSR=65～45IV差RSR=45～25V很差RSR≤25分類名稱Q分類(隧道質量指標分類,挪威-巴頓Barton,1974)計算公式Q=(RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)參數(shù)RQD－巖石質量指標，分數(shù)0～100；Jn

－裂隙組數(shù)（無到碎裂），分數(shù)0.5～20；Jr

－裂隙粗糙度（粗糙到鏡面），分數(shù)4～0.5；Ja－裂隙蝕變系數(shù)（新鮮到蝕變夾泥），0.75～20；Jw

－裂隙水折減系數(shù)（干燥到特大水流）,分數(shù)1～0.05SRF－應力折減系數(shù)（高應力狀態(tài)趨于流動的巖石到接近地表的堅固巖石）,分數(shù)20～2.5。等級劃分I特好

Q=400～1000；II極好

Q=100～400；III很好

Q=40～100；IV好

Q=10～40V一般

Q=4～10；VI壞

Q=1～4VII很壞

Q=0.1～1；VIII極壞Q=0.01～0.1IX特壞

Q=0.001～0.01巖塊大小節(jié)理強度環(huán)境條件分類名稱BQ分類（※）工程巖體分級標準GB50218-94，國標95.7.1計算公式BQ=90+3Rc+250Kv[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)參數(shù)Rc－巖石單軸飽和極限抗壓強度；Kv－巖體完整性指數(shù)（巖體速度指數(shù)）；K1－地下水影響修正系數(shù)；K2－主要軟弱結構面產狀影響修正系數(shù)；K3－初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)。等級劃分IBQ或[BQ]＞550IIBQ或[BQ]=550～451IIIBQ或[BQ]=450～351IVBQ或[BQ]=350～251VBQ或[BQ]≤250四、各分類方法的比較RQD分類：快速、經濟、實用；僅考慮巖體的完整性和風化程度；RMR分類：適用于隧道、邊坡及地基工程，未考慮地應力的影響，不適用于高地應力區(qū)；RSR分類：未考慮地應力的影響；Q分類：未考慮結構面方位及巖石抗壓強度，分子、分母為積商形式，過大過小對結果均有影響；BQ分類：適用較廣，國標。本節(jié)小結巖體質量評價與分類的目的常用的分類方法及考慮的因素RQD，KvRMR分類、BQ分類本章習題及作業(yè)1.水利工程中工程地質條件主要包括哪些？工程地質問題呢？巖體結構特征是巖體穩(wěn)定的內因，而風化作用、地下水、地震荷載、地應力、工程荷載是巖體穩(wěn)定的外因。結構面、結構體和巖體結構特征是如何定義的？結構面的特征包括哪些？對巖體穩(wěn)定有何影響？何為軟弱夾層、泥化夾層？巖體的結構類型包括哪些？何為地應力？其對工程的選線、設計與施工有何影響？地應力的分布規(guī)律及高低地應力及其地質標志？地應力是工程巖體的基本荷載之一，工程巖體的變形、破壞形式和應力分布在很大程度上取決于巖體中的地應力。地應力影響著工程的設計與施工。巖體中的地下水對工程建設有何影響？7.巖體質量評價與分類的目的？考慮哪些因素？常用的巖體分類方法有哪些？小結：1、巖體中存在大量的結構面（斷層、節(jié)理、層理、片理等），弱化巖體的工程性質，使得巖體在工程荷載作用下很容易沿這些結構弱面或組合發(fā)生變形或破壞，即巖體結構特征控制著巖體的穩(wěn)定，是巖體穩(wěn)定的內因，工程荷載、地應力與地下水是外因。2、結構面、結構體和巖體結構特