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1、第十章第十章第十章第十章 坝的工程地质研究坝的工程地质研究坝的工程地质研究坝的工程地质研究水工建筑物的工程地质条件及问题1坝区的渗漏2坝基的沉降与承载力5坝基的抗滑稳定4坝基的渗透变形3坝基处理6挡水建筑物坝（橡胶坝）、闸泄水建筑物溢洪道、泄洪洞、排砂洞取水输水建筑物隧洞、管道、渠系建筑物水工建筑物水工建筑物水工建筑物：水利工程措施中采用的各种建筑物水电站厂房、航运船闸、鱼道附属建筑物附属建筑物水水利利枢枢纽密云水库大坝九松山副坝潮河副坝白河主坝 闸密云水库溢洪道泄洪洞新安江新安江佛子岭佛子岭二滩水电站三门峡渠道渡槽（高架渠） 约约30%40%30%40%的大坝事故是由地质原因引的大坝事故是由
2、地质原因引起的，主要包括：起的，主要包括： 坝基（肩）强度低，抵抗变形能力或抗滑稳定性差坝基（肩）强度低，抵抗变形能力或抗滑稳定性差 地下水渗透作用地下水渗透作用 区域稳定性区域稳定性 水库诱发地震作用水库诱发地震作用 因此，建坝前必须进行工程地质勘察。主要是查因此，建坝前必须进行工程地质勘察。主要是查明建设区的明建设区的工程地质条件工程地质条件，分析论证有关，分析论证有关工程地质问工程地质问题题，从而充分利用有利地质因素，避开或改造不利地，从而充分利用有利地质因素，避开或改造不利地质因素，以保障水利工程的安全、合理与经济。质因素，以保障水利工程的安全、合理与经济。第一节第一节 水工建筑物的水
3、工建筑物的工程地质条件和工程地质问题工程地质条件和工程地质问题1 32 地形地貌条件：地表形态、高程、地势高低、山脉水系、自然景物、森林植被、人工建筑物分布等地形图、地貌图 地质结构： 地质构造 岩体结构面 （原/次） 土体结构等 决定因素决定因素 岩土类型及工 程地质性质： 坝基（岩基土基）等工程地质条件：与工程建筑有关的地质因素的综合。4567水文地质条件：地下水类型；含(隔)水层埋深藏条件；岩层水理性质；地下水运动与动态特征；地下水水质等；自然地质现象：岩石风化、冲沟、滑坡、崩塌、泥石流、喀斯特等自然地质现象地质物理环境： 地应力及 地热条件等天然建筑材料：开采运输条件质量、数量等。水工
4、建筑物的工程地质条件水工建筑物的工程地质条件 由于不同地区的地质环境不同，工程地质条件不同，对工程建筑物有影响的地质因素的主次关系不同。水工建筑物的常见工程地质问题水工建筑物的常见工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，也就是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。工程地质问题：工程建筑物与工程地质条件之间：工程建筑物与工程地质条件之间所存在的矛盾或问题。所存在的矛盾或问题。水工建筑物的常见工程地质问题水工建筑物的常见工程地质问题1.坝的工程地质问题2.输水及泄水建筑物工程地质问题3.水
5、库区工程地质问题4.区域地壳稳定性问题5.环境工程地质问题坝区渗漏、坝基渗透稳定、沉降变形、坝基（肩）抗滑稳定等渠系建筑物/隧洞/地下洞室的线路选择、渗透稳定、地基稳定等；水库渗漏、水库浸没、塌岸及边岸再造、淤积、水库诱发地震等；水库上、下游一定范围内的新地质构造运动(主要是活断层)、地震的强度和烈度、地应力等自然地质灾害和人类活动引起的环境地质问题不同坝型对地形、地质的要求不同坝型对地形、地质的要求1.土石坝2.重力坝3.拱坝4.支墩坝土坝：地基要求低，但必须存在可布置溢洪道的地形地貌条件，附近能提供所需的天然建筑材料堆石坝：砂卵土、砂土、黏性土地基上均可修建，但需做防渗。需布置溢洪道，能提
6、供所需天然建筑材料坝基要求高于土石坝，建在基岩上。坝基应具有足够的抗压抗剪强度、抗渗性能、整体性、均一性，尽量避开不良地质条件对地形、地质条件要求最高；在重力坝要求基础上，还要求两岸岩体完整坚硬且新鲜，拱端有较厚的稳定岩体，地形为对称V或U形峡谷对地形及地质条件要求介于重力坝和拱坝。要求支墩所在的地基岩体坚固。适于宽阔的河谷地形坝区渗漏坝区渗漏坝基处理坝基处理坝基渗透变形坝基渗透变形坝基抗滑稳定坝基抗滑稳定河床冲刷坑问题河床冲刷坑问题坝基沉降坝基沉降Text坝的工程地质研究坝的工程地质研究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；坝区渗漏与渗透稳定性分析评价；坝基（肩）
7、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坝基的应力分布；坝基的变形与坝基的强度分析评价等第二节第二节 坝区渗漏坝区渗漏 坝基渗漏坝区渗漏坝区渗漏 绕坝渗漏指水库蓄水后，坝上、下游形成一定的水位差，在该水头作用下，库水将从坝区岩土体内的空隙通道向坝下游渗出。坝区渗漏的地质条件渗漏通道及连通性岩溶通道、非可溶破碎带、裂隙密集带等或第四纪松散沉积层中的透水层。隔水层 K10-7cm/s 第四系松散沉积物：河流冲积层、坡积层、残积层、崩积层、冰川沉积层 通过古河道、河床及阶地内的砂、卵、砾石层渗漏；基岩：胶结不良的砂、砾岩层；气孔构造且裂隙发育的玄武岩、流纹岩 河谷地
8、质构造（教材P157）；透水带（断层破碎带及裂隙密集带）坝区渗漏坝区渗漏透水层断层与水库渗漏的关系断层与水库渗漏的关系库区的水文地质条件是水库能否发生渗漏的重库区的水文地质条件是水库能否发生渗漏的重要条件之一，尤其是库岸有无地下水分水岭，以要条件之一，尤其是库岸有无地下水分水岭，以及地下水分水岭的高程，对水库的渗漏具有决定及地下水分水岭的高程，对水库的渗漏具有决定性的意义。而地下水的某些特征，则可以用来直性的意义。而地下水的某些特征，则可以用来直接判断库区渗漏问题。接判断库区渗漏问题。根据地下水分水岭脊线的高程与水库正常高水根据地下水分水岭脊线的高程与水库正常高水位的关系，可判断水库是否有向邻
9、谷渗漏的可能。位的关系，可判断水库是否有向邻谷渗漏的可能。此时有四种情况：此时有四种情况：A.建库前的地下水分水岭高于水库正常高水位，建库前的地下水分水岭高于水库正常高水位，建库后一般不会产生向邻谷渗漏，如图建库后一般不会产生向邻谷渗漏，如图(a)所示。所示。水文地质条件影响水文地质条件影响B.建库前的地下水分水岭低于水库水位，则蓄水建库前的地下水分水岭低于水库水位，则蓄水后将会向邻谷渗漏，如图后将会向邻谷渗漏，如图(b)所示。所示。C.建库前地下水就从库区河谷流向邻谷，蓄水后建库前地下水就从库区河谷流向邻谷，蓄水后水头更大，渗漏更严重，如图水头更大，渗漏更严重，如图(c)所示。所示。D.建库
10、前邻谷河水经地下流向库区河谷建库前邻谷河水经地下流向库区河谷,邻谷水位邻谷水位低于建库后的库水位，建库后库水将向邻谷渗漏如低于建库后的库水位，建库后库水将向邻谷渗漏如图图(d)所示。所示。有时，地下水分水岭虽略低于水库正常高水位，有时，地下水分水岭虽略低于水库正常高水位，但由于蓄水后库水的顶托作用，地下水分水岭最后但由于蓄水后库水的顶托作用，地下水分水岭最后可能略高于库水位，库水不致外漏。在分水岭很宽可能略高于库水位，库水不致外漏。在分水岭很宽厚、岩土体的透水性较小时，库水更不会外漏。厚、岩土体的透水性较小时，库水更不会外漏。地下水分水岭与渗漏的关系地下水分水岭与渗漏的关系坝区渗漏量的计算在坝
11、区渗漏量计算过程中，首先应对工程地质条件进行分析，查明渗漏计算的边界条件，包括渗漏通道埋藏条件、分布范围、地下水位等，同时应确定水文地质参数，才能计算。坝区渗漏坝区渗漏坝基渗漏量计算-卡明斯基公式(P159)v单层结构的均匀透水坝基（TK1)v多层结构透水坝基（等效渗透系数K平均，较复杂）绕坝渗漏量计算v绘制渗透水流流线v确定绕坝渗漏边界v分带计算绕坝渗漏量v关键：渗漏带宽度确定（2种情况）坝区渗漏量计算坝区渗漏量计算第三节第三节 坝基渗透变形坝基渗透变形表现形式表现形式坝基渗透变形坝基渗透变形原因分析原因分析水库蓄水后，坝基在有压渗透水流作用下，引起土体或裂隙充填物颗粒移动、结构变形甚至破坏
12、现象降低岩土体强度，增大渗透性Teton坝坝-美国美国Idaho州州 概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事损失：损失：直接直接80008000万美元，起诉万美元，起诉55005500起，起，2.52.5亿美元，亿美元，死死1414人，受灾人，受灾2.52.5万人，万人，6060万亩土地，万亩土地，3232公里铁公里铁路路原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂Teton坝坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。Teton坝坝1111：0000左右
13、洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加TetonTeton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。TetonTeton坝坝11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下TetonTeton坝坝12：00过后坍塌口加宽TetonTeton坝坝洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁TetonTeton坝坝失事现场目前的状况TetonTeton坝坝渗透变形的表现形式渗透变形的表现形式管 涌（潜蚀）流 土接触冲刷接触流失是指土体内的细颗粒或可溶成分由于渗流作用而在粗颗粒孔隙通道内移动或被带走的
14、现象。在上升的渗流作用下，局部黏性土和其他细粒土体表面隆起、顶穿或不均匀的砂土层中所有颗粒群同时浮动而流失的现象是指渗透水流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的接触流动时，沿接触面带走细颗粒的现象是指渗透水流垂直于渗透系数相差悬殊的土层流动时，将渗透系数小的土层中细颗粒带进渗透系数大的粗颗粒土的孔隙的现象 管涌在湖北一般叫翻砂鼓水，江西叫泡泉。管涌险情的发管涌在湖北一般叫翻砂鼓水，江西叫泡泉。管涌险情的发展，以流土最为迅速。它的过程是随着水位上升，涌水挟展，以流土最为迅速。它的过程是随着水位上升，涌水挟带出的砂粒增多，涌水量也随着加大，涌水量增大挟带出带出的砂粒增多，涌水量也随着加
15、大，涌水量增大挟带出砂粒也就更多，如将附近堤砂粒也就更多，如将附近堤(闸闸)基下砂层淘空，就会导致基下砂层淘空，就会导致堤堤(闸闸)身骤然下挫，甚至酿成决堤的灾害。身骤然下挫，甚至酿成决堤的灾害。 土体结构因素土体结构因素渗透变形产生渗透变形产生条件条件水动力条件水动力条件抗渗强度：土体对渗透水流的阻抗能力抗渗强度：土体对渗透水流的阻抗能力当当渗透动水压力渗透动水压力 土体抗渗强度土体抗渗强度 渗透变形渗透变形渗透变形的产生条件渗透变形的产生条件土体结构因素-颗粒组成的均匀性是主要原因v粗细颗粒粒径比：d大/d小20时易于形成管涌v土颗粒级配的不均匀系数：Cu=d60/d10;Cu越大土粒越不
16、均匀 Cu20-管涌v土层结构水动力条件v渗透压力：渗透水流作用在单位土体上的压力（P163）v土层的临界水力坡降：渗透水流使土体发生渗透变形极限平衡状态时所具有的水力坡降（理论经验公式or专门试验确定）v允许水力坡降：临界水力坡降/安全系数（1.52.0）v实际水力坡降允许水力坡降，则安全；否则危险颗粒粒径级配曲线颗粒粒径级配曲线: :纵坐标表示小于某粒径的土粒含纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比量百分比, ,横坐标表示土粒的粒径横坐标表示土粒的粒径( (对数坐标）对数坐标）颗粒大小粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类界限粒径dmm卵石卵石砾石砾石
17、砂粒砂粒粉粒粉粒 粘粒粘粒 胶粒胶粒60602 20.050.05 0.0050.005 0.0020.0020.250.5520粗 中 细 粗 中细极细0.10.1粗粒土粗粒土细粒土细粒土第四节第四节 坝基抗滑稳定坝基抗滑稳定接触面表部岩层接触面处理较好，但坝基较深处存在滑动面表层滑移浅层滑移深层滑移坝基坝基滑移形式滑移形式坝基岩体的抗滑稳定性是指坝基岩体在建坝后的各种工程荷载作用下，抵抗发生剪切滑动破坏的性能。对于混凝土坝，尤其是重力坝尤为重要。1.表层滑动 取决于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪强度2.浅层滑动 取决于浅部岩体的抗剪强度3.深层滑动 滑动面：坝基岩体滑动破坏时，发生明显位移的
18、软弱结构面 切割面：将坝基滑移体与周围岩体分割开的结构面，分纵向和横向 临空面：滑移体向下游滑动时能够自由滑出的面 滑移体：滑动面与切割面的组合坝基岩体滑动的边界条件坝基岩体滑动的边界条件 坝基抗滑稳定性，受到工程作用力和坝基岩体工程地质条件的共同制约。1.工程作用力 （1）坝体自重 （2）静水压力 （3）扬压力：包括浮托力和渗透压力 （4）地震力 基本荷载组合和特殊荷载组合2.坝基岩体阻滑作用 （1）滑动面的阻滑作用：滑动面的抗剪强度是决定岩体抗滑能力的主要因素。 （2）切割面的阻滑作用 （3）坝下游抗力体的阻滑作用坝基抗滑稳定性的影响因素坝基抗滑稳定性的影响因素方法：极限平衡法、有限单元法
19、、地质力学模型试验法其中极限平衡法在工程上应用最广泛。1.表层滑移2.浅层滑移3.深层滑移 坝基岩体抗滑稳定计算（坝基岩体抗滑稳定计算（P167P167）坝基抗滑稳定性分析及处理坝基抗滑稳定性分析及处理表层滑移：增大接触面的抗滑阻力，如齿墙等。浅层滑移：岩面前倾或台阶状、齿槽、岩锚，利用下游基岩抗力体等。对于拱坝设计尤为重要。1.地质条件分析 滑裂面变形较大岩层渗透通道地震、坝肩附近边坡变形破坏等2.力学分析方法分层计算每个拱圈拱端岩体的稳定性 坝肩抗滑稳定性分析（坝肩抗滑稳定性分析（P169P169）1.坝基沉降方式 垂直变位：垂直沉降； 角变位：坝基部分（多前部）垂直沉降而导致坝体倾斜。第
20、五节第五节 坝基沉降与承载力坝基沉降与承载力2.坝基沉降分析 当地基由均质岩层组成时候，一般变形与沉降也是均匀的；反之，由于非均质岩层不同的工程地质性质，会导致不均匀沉降，坝基不均匀变形，如果变形量超过允许限度，坝基会产生破坏，进而导致坝体裂缝，甚至产生漏水失稳。坝基沉降坝基沉降 一般坝基均有不同程度的沉降，而且正常条件是趋于稳定或缓慢少量沉降，不同的地质基础沉降时间不等。 为防止产生失稳破坏，应该加强检测。 坝基沉降坝基沉降1.土体压缩变形分析：与土体种类、粒度及密实程度有关 最终沉降量计算（P172）-分层总和法2.岩石坝基压缩变形分析重点：造成不均匀压缩变形的地质因素坝基压缩变形坝基压缩
21、变形取决于坝高坝型及坝基岩土体的变形性质方法：类似于地基土承载力评价方法 按规范查表法 理论公式计算法 现场试验法 经验类比法坝基承载力评价坝基承载力评价河床冲刷坑问题河床冲刷坑问题 河床冲刷坑为泄水建筑物下泄水流冲刷、侵蚀而成。直接影响坝基和两岸坝肩岩坡的稳定。 1.开挖清基 2. 岩土体的加固 固结灌浆；锚固；断裂破碎带的槽、井、洞挖回填处理；桩基加固 3. 防渗和排水 截水槽；混凝土防渗墙；灌浆帷幕；铺盖；回填混凝土；坝基排水 4. 改变建筑物结构 第六节第六节 坝基处理坝基处理岩溶水库坝址主要防渗措施表（岩溶水库坝址主要防渗措施表（1）岩溶水库坝址主要防渗措施表（岩溶水库坝址主要防渗措施表（2）
