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1、 章 坝的工程地质研究 水工建筑物主要由三大部分组成：挡水建筑物（坝、闸）、泄水建筑物（溢洪道、泄洪洞、排沙洞等）及取水输水建筑物（隧洞、管道及渠系建筑物等），其中挡水建筑物的拦河大坝或闸是主要建筑物。此外，水电站厂房、航运船闸、鱼道等为附属建筑物，通常将建筑物的综合体，称为水利枢纽。 大坝坐落在岩土体地基上，承受了巨大垂直压力和水平推力。坝基可能由于变形或滑动破坏坝体的稳定；与此同时，由于水库蓄水坝的上下游形成了水头差，会引起坝基岩土体渗透变形破坏等，以降低坝基的强度和稳定性。坝与地质环境间的相互作用，使得大坝的修建十分复杂，不仅要求大坝本身的结构强固，尤其要求坝基与坝肩具有足够的坚固性和稳
2、定性。从世界坝工建筑史来看，地质方面原因引起大坝失事的约占大坝总失事的30%40%，主要原因是坝基的强度低或抵抗变形性能差、坝基（肩）的抗滑稳定性差、地下水的渗透作用及区域稳定性和水库诱发地震作用等造成的。 在进行工程规划、设计、施工之前都应进行工程地质勘察工作。水利水电工程坝的工程地质工作目的在于查明水工建筑地区的工程地质条件，充分论证有关的工程地质问题，以便充分利用有利的地质因素，避开或改造不利的地质因素，以保证水利工程的经济、合理与安全。坝的工程地质研究主要内容：坝区渗漏与渗透稳定性分析评价；坝基（肩）岩体的抗滑稳定性分析评价；坝基的应力分布，坝基的变形与坝基的强度分析评价等。第一节水工
3、建筑物的工程地质条件和工程地质问题 一、水工建筑物的工程地质条件 工程地质条件是一个综合性概念，可理解为与工程建筑有关的地质因素的综合。一般认为，它包括工程建筑地区的地形地貌、岩土类型及工程地质性质、地质结构、水文地质条件、物理地质现象、地质物理环境（例如应力及地热等）、天然建筑材料等7个方面。 （一）地形地貌条件 地形是指地表形态、高程、地势高低、山脉水系、自然景物、森林植被，以及人工建筑物等，常以地形图予以反映。地貌主要指地表形态的成因、类型以及发育程度等，常以地貌图予以反映。 地形地貌是相互关联的，但都受地区的岩性和地质构造条件所控制。河流地带的地形地貌条件往往对坝址选择、坝型选择、枢纽
4、布置、施工方案选择等，都有直接影响。例如，拱坝就要求坝址两岸谷坡规整对称，最好为坚硬完整的基岩山体；土石坝要求坝址地区应有布置溢洪道的地形条件。 （二）岩土类型及工程地质性质 水工建筑物是建筑在地表或地壳浅部，以岩土体作为地基或修建环境，有时也利用岩土体作为天然建筑材料。因此，岩土类型和性质对建筑物的稳定性、技术上的可行性、经济上的合理性都有着极为重要的作用。例如坝基，基本上可分为两大类：岩石坝基和土体坝基，它们又简称为岩基与土基。一般情况下，岩基的工程性质比土基好，在岩基上可以修建高坝、混凝土坝，水利枢纽多采用集中式布置方案；而在土基上，则可以修建低坝、土石坝，水利枢纽多采用分散式布置方案。
5、 水工建筑中对岩土体的研究，除包括成因类型、形成年代、埋藏条件与环境、空间分布等外，还要进行岩土体的物理力学性质试验，定量地确定岩土体的物理力学性质指标，以供设计使用。尽管现代的水工设计已广泛地引用了计算机，但设计的合理性、正确性，在很大程度上仍然取决于岩土的工程性质指标和各种有关地质参数的正确选定。 （三）地质结构 地质结构包括地质构造（褶皱及断裂构造）和岩土体结构。地质结构可以说是水电工程建设的决定因素，它对工程建筑物的稳定有很大影响，例如坝址的选择、工程建筑物的布置都应考虑地质构造和岩体结构的不利作用。 （四）水文地质条件 水文地质条件一般包括以下内容。 (1)地下水类型：潜水、承压水、
6、包气带水等类型划分。 (2)含水层与隔水层的埋藏条件、组合关系、空间分布规律及特征。 (3)岩层的水理性质：溶水性、给水性、透水性、冻融性等。 (4)地下水的运动特征：流向、流速、流量等。 (5)地下水的动态特征：水位、水温、水质随时间变化规律。 (6)地下水的水质、水的物理性质、化学性质、水文评价标准等。 水文地质条件好坏直接关系到水库是否漏水、坝基是否稳定以及地下水资源评价是否可靠等一系列工程建设问题。 （五）自然（物理）地质现象 自然（物理）地质现象或称自然地质现象，是指由内外动力地质作用在地表表层引起的一系列地质现象，例如滑坡、泥石流、崩塌、岩溶、地震、岩石风化、冲沟等现象。物理地质现
7、象的存在和发育程度，直接影响工程建筑物的稳定、安全、经济和正常运行。 在水利水电工程建设中，在大坝区附近及水库区的自然地质现象，要求在工程地质勘察时进行充分的调查和研究，对影响大坝或水库安全的应采取有效措施，进行处理或整治。 （六）地质物理环境 地质物理环境包括地应力及地热条件等。地应力主要是在重力和构造运动综合作用下形成的，有时也包括岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力。地应力的大小、方向和分布、变化规律除了与地震和活动密切相关，影响到工程场地的区域稳定性外，还对工程建筑的设计和施工有直接影响。在水利工程施工时，由于地应力的存在常引起基坑、边坡、地下工程开挖面产生卸荷回弹和应力释
8、放变形破坏现象，例如基坑底部隆起、基坑边坡滑移、地下洞室侧墙的变形、岩爆等。 （七）天然建筑材料 水工建筑材料主要有砂砾石、土、碎石及石料等。砂砾石料，主要用于混凝土骨料，或用作土石坝体的填筑料；黏土主要用作土坝体材料，或用作防渗墙、围堰、堤防等；碎石、块石料，用作堆石坝、砌石坝、土石混合坝材料，以及混凝土坝的填石料。在水利工程建筑中，天然建筑材料的用量相当大，特别是当地材料坝（土坝、砌石坝、土石混合坝），基本上都是土石方工程。所以天然建筑材料的数量、质量及开采运输条件，直接关系到坝址、坝型的选择、工程造价、工期长短。因此，天然建筑材料是工程地质条件评价的主要内容，有时甚至可以成为工程决策的决
9、定因素。 一、不同坝型对地形、地质的要求 坝的型式较多，它们的工作特点和对地质的要求不同。下面介绍常见的几种坝型对地形与地质要求。 1土石坝 土石坝又称当地材料坝，应用最多。根据材料不同可分为：土坝、砌石坝及土石混合坝。 土坝是疏松土体筑成的，坝坡平均坡度，上游迎水面为1：2. 251：3O，下游面为1:1.751：2.5，故土坝断面宽（坝高46倍），坝体都较大。 土坝对地基的要求较低，除有活断层及大的顺河断层、巨厚强透水层、压缩变形强烈的淤泥软黏土层、膨胀崩解较强土层、强震区存在较厚的粉细砂层等不利条件外，一般均可修建。土坝坝体属于塑性坝体，可适应一定的地基变形；塑性心墙或斜墙坝的适应性更强
10、，特别是抗震性能比其他坝型都好。由于土坝的坝顶不能直接溢流，因此在坝址选择时，需要考虑有利于溢洪道布置的地形地貌条件。另外，需要在坝址附近分布天然建筑材料料场。 堆石坝是用当地石料筑成，并用防渗料作心墙或斜墙。堆石坝同土坝一样，坝顶一般不溢流。 堆石坝对地基变形的适应性能较好。砂卵土、砂土及黏性土地基上均可修建，但需要对坝基作防渗处理。对于岩石坝基要注意整体性，要适当处理大裂缝、断层和破碎带。 2重力坝 重力坝是一种常见的坝型，它的横断面近于三角形，用混凝土或浆砌石筑成。它体积大，重量大，主要依靠坝体自重与地基间摩擦力维持稳定，坝体坚固可靠，使用耐久。 重力坝对坝基的要求比土石坝高，大坝都建造
11、在基岩上。要求坝基应具有足够的抗压强度以承受坝体的重量和各种荷载；坝基岩体应具有足够的整体性和均一性，尽量避开大的断层带、软弱带、裂隙密集带等不良地质条件；坝基岩体应具有足够的抗剪强度，抵抗坝基滑动破坏；坝基岩体应具有足够的抗渗性能，抵抗坝基渗透变形破坏；坝肩及两岸边坡要稳定等。 3拱坝 拱坝系一空间壳体结构，整体性好。平面上呈拱形，凸向上游，两端支撑在岸坡岩体上。它利用拱的作用，把水压力的大部或全部传递给两岸山体，以保持稳定。所有坝型中，拱坝对地形、地质条件的要求最高。除考虑重力坝对地基的要求外，尚应考虑：两岸岩体应当完整坚硬而新鲜；坝基岩体要有足够整体性和均一性，以免发生不均匀沉降影响整个
12、坝体产生附加应力，导致坝体破坏；要求拱端有较厚的稳定岩体；地形应是对称的V形或U形峡谷等。 4支墩坝 支墩坝由倾斜的挡水面板部分和一系列支墩（大致呈三角形）组成的坝型，一般也由混凝土浇筑而成。上游水压力由面板传到支墩上，再经支墩传给地基岩体。根据挡水面板的型式，又可分为平板坝、大头坝、连拱坝及设有基础板的平板坝等。 支墩坝对地形地质条件的要求，介于拱坝与重力坝之间。支墩所在的地基岩体要坚固。支墩坝适于宽阔的河谷地形，但支墩之间不允许不均匀沉降。地基摩擦系数厂值对挡水面板的坡度影响很大，当厂=0.9时，坝面倾斜角可为500600。厂值愈小，坝面坡度要求愈缓，底宽及开挖量愈大。 三、水工建筑物的工
13、程地质问题 人类工程活动和自然地质作用会改变地质环境，影响工程地质条件变化。当工程地质条件不能满足工程建筑稳定、安全的要求时，亦即工程地质条件与工程建筑之间存在矛盾时，就称为存在工程地质问题。 水利工程的工程地质问题是复杂多样的，常遇到的工程地质问题可归纳为以下几个方面： (1)坝基工程地质问题。包括坝基渗漏、坝基渗透稳定、坝基（肩）抗滑稳定、坝基强度与变形等问题。 (2)输水及泄水建筑物的工程地质问题。包括渠系建筑物的线路选择、渗漏渗透稳定、地基稳定等。 (3)水库区工程地质问题。包括水库渗漏、水库岸坡稳定、水库浸没、水库淤积及水库诱发地震问题等。 (4)区域地壳稳定问题。包括水库上、下游一
14、定范围内断裂构造活动性、场地的地震效应及地震动力学问题、地应力状况等。 (5)环境工程地质问题。包括自然地质灾害及人为活动引起的地质问题对水利工程影响。第二节 坝区的渗漏 坝区的渗漏包括：坝基渗漏和绕坝渗漏，其产生原因是水库蓄水以后，坝上、下游形成一定的水位差，使库水在一定的水头压力作用下，通过坝基或坝肩的渗漏通道向河谷下游渗漏。所谓渗漏通道是指具有较强透水性的岩土体，可分为透水层、透水带和透水喀斯特管道。长期大量的坝区渗漏会导致水库蓄水水量减少，甚至水库不能蓄水；同时渗透水流会引起坝基潜蚀和渗透变形，危及大坝安全。 一、坝区渗漏的工程地质条件对坝区渗漏问题的工程地质分析，主要是查明渗漏通道、
15、渗漏通道连通性、渗透性指标，进行渗透量计算。 （一）渗漏通道 1透水层 水工建筑中，通常以渗透系数(K)小于10-7 cms为隔水层，大于此值的为透水层。透水层可分为第四系松散沉积层透水层和基岩透水层。第四系松散沉积层，包括河流冲积层、坡积层、残积层、崩积层及冰川沉积层等。此类地区坝区渗漏主要是通过古河道、河床和阶地内的砂、卵、砾石层。河谷地带埋藏的古河道具有较厚的松散粗碎屑沉积物，常与现代河床平行或交角较小，是良好的渗漏通道。此外，山坡坡麓地带常有岩堆和坡积层，其孔隙大，当粗颗粒较多时，也是渗漏通道。 基岩透水层主要为胶结不良的砂岩、砾岩层，具气孔构造并且裂隙发育的玄武岩、流纹岩等，对基岩地区渗透通道分析，特别应注意河谷
