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1、第十章 坝的工程地质研究,水工建筑物的工程地质条件及问题,1,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,水利枢纽,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,佛子岭,二滩水电站,三门峡,渠道,渡槽（高架渠）,约30%40%的大坝事故是由地质原因引起的，主要包括：坝基（肩）强度低，抵抗变形能力或抗滑稳定性差 地下水渗透作用 区域稳定性 水库诱发地震作用,因此，建坝前必须进行工程地质勘察。主要是查明建设区的工程地质条件，分析论证有关工程地质问题，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
2、理与经济。,第一节 水工建筑物的工程地质条件和工程地质问题,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,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。,4,5,6,7,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。,水工建筑物的工
3、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,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所存在的矛盾或问题。,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
4、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,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
5、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 坝区渗漏,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
6、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 河谷地质构造（教材P157）；透水带（断层破碎带及裂隙密集带）,坝区渗漏,透水层,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。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谷渗漏的可能。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
7、位，建库后一般不会产生向邻谷渗漏，如图(a)所示。,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，则蓄水后将会向邻谷渗漏，如图(b)所示。C.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(c)所示。D.建库前邻谷河水经地下流向库区河谷,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图(d)所示。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。,地下水分水岭与渗漏的关系,坝区渗漏量的计算在坝区渗漏量计算过程中，首先应对工程地质条件进行分
8、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,坝基渗漏量计算-卡明斯基公式(P159)单层结构的均匀透水坝基（TK1)多层结构透水坝基（等效渗透系数K平均，较复杂）绕坝渗漏量计算绘制渗透水流流线确定绕坝渗漏边界分带计算绕坝渗漏量关键：渗漏带宽度确定（2种情况）,坝区渗漏量计算,第三节 坝基渗透变形,坝基渗透变形,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、结构变形甚至破坏现象降低岩土体强度，增大渗透性,Teton坝-美国Idaho州,概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976
9、年6月失事,损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因：渗透破坏水力劈裂,Teton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,11：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,Teton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。,Teton坝,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝,12：00过后坍塌口加宽,Teton坝,洪水扫过下游谷底，附近所有
10、设施被彻底摧毁,Teton坝,失事现场目前的状况,Teton坝,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。管涌险情的发展，以流土最为迅速。它
11、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，涌水量增大挟带出砂粒也就更多，如将附近堤(闸)基下砂层淘空，就会导致堤(闸)身骤然下挫，甚至酿成决堤的灾害。,渗透变形产生条件,抗渗强度：土体对渗透水流的阻抗能力当渗透动水压力 土体抗渗强度 渗透变形,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粗细颗粒粒径比：d大/d小20时易于形成管涌土颗粒级配的不均匀系数：Cu=d60/d10;Cu越大土粒越不均匀 Cu20-管涌土层结构水动力条件渗透压力：渗透水流作用在单位土体上的压力（P163）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
12、论经验公式or专门试验确定）允许水力坡降：临界水力坡降/安全系数（1.52.0）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:纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(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界限粒径,第四节 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
13、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,方法：极
14、限平衡法、有限单元法、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（P167）,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（P169）,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。,第五节 坝基沉降与承载力,2.坝基沉降分析,当地基由均
15、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,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,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,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,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 坝基处理,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（2）,Thank You!,
