第5章水利工程常见的地质问题(52坝的工程地质研究

5.2坝基岩体稳定性的工程地质分析坝基岩体的压缩变形与承载力坝基（肩）岩体稳定性分析坝基岩体抗滑稳定计算参数的选取降低坝基岩体抗滑稳定性的作用坝基处理各种坝失事百分率统计概述水利水电工程建设实践表明，工程地质条件不仅影响到坝址、坝型的选择，而且关系到工程的投资、施工工期、工程效益和工程安全。在大坝发生毁坏的事故中，因地质问题而引起的最多，因此在大坝的设计和施工中，对坝基或坝肩的岩体进行工程地质条件的分析研究是非常重要的。①坝基在承受荷载作用下不会发生滑动失稳；②坝基各部位的应力及变形值要在学科范围之内，避免产生过大的局部应力集中和严重的不均匀变形；③坝基在渗流水的长期作用下，保持力学上和化学上的稳定，渗漏量和渗流压力都应控制在允许范围之内。主要解决问题：通常100m高的混凝土重力坝，传到坝基上的自重压力可达2MPa以上。导致坝基破坏的岩体失稳形式：W滑动变形拱坝）坝基沉陷、拱端变形（坝基沉陷（重力坝）压缩变形失稳形式第一节坝基岩体的压缩变形与承载力第一节坝基岩体的压缩变形与承载力一、坝基岩体的压缩变形（1）岩性软硬不一，变形模量值相差悬殊，引起较大的不均匀沉陷，导致坝体发生裂缝。如粘土页岩、泥岩、强烈风化的岩石以及松散沉积物、尤其是淤泥、含水量较大的粘性土层，是容易产生较大沉陷变形的岩层。一、坝基岩体的压缩变形（2）坝基或两岸岩体中有较大的断层碎带、裂隙密集带、卸荷裂隙带等软弱结构面，尤其是张性裂隙发育带且裂隙面大致垂直于压力方向，易产生较大的沉陷变形。（3）岩体内存在溶蚀洞穴或掏空现象，产生塌陷而导致不均匀变形。上述软弱岩层和软弱结构面的产状和分布位置对岩体变形也有显著影响二、坝基岩体承载力容许承载力：在保证建筑物安全稳定的条件下，地基能够承受的最大荷载压力。包括过大沉陷变形引起的破坏，也包括剪切滑移导致破坏。如何确定地基承载力？三种方法:（1）现场荷载实验法。按岩体实际承受工程作用力的的大小和方向进行原位实验。获得岩体弹性模量、变形模量、泊松比指标。复杂、费用高。在大中型工程中采用。（2）经验类比法。根据已建成的工程经验数据、工程特征、地质条件进行比较选取。二、坝基岩体承载力岩体级别ⅠⅡⅢⅣⅤf0（MPa）7.07.0～4.04.0～2.02.0～0.50.5基岩承载力基本值（f0）风化程度岩石类别全风化强风化中等风化微风化硬质岩石200～500500～10001000～25002500～4000软质岩石200～500500～10001000～1500岩石容许承载力表（KPa）（3）以岩石单轴饱和抗压强度（Rb）乘以折减系数（φ）求承载力的方法是最广泛应用的简便方法。承载力f=φRb折减系数选取：微风化0.2～0.33；中等风化0.17～0.25.只考虑风化因素,且只有二个档次,不易掌握.岩石名称节理不发育(间距1.0m)节理较发育(间距1～0.3m)节理发育(间距0.3～0.1m)节理极发育(间距0.1m)坚硬和半坚硬岩石(Rb30MPa)1/7Rb(1/7～1/10)Rb(1/10～1/16)Rb(1/16～1/20)Rb软弱夹层(Rb30MPa)1/5Rb(1/5～1/7)Rb(1/7～1/10)Rb(1/10～1/15)Rb《岩石坝基工程地质》，适用于初期设计阶段或中、小型水利工程中第二节坝基（肩）岩体的抗滑稳定分析坝基岩体抗滑稳定性指的是坝基岩体在筑坝后的各种工程荷载作用下，抵抗发生剪切破坏的性能。不同坝型对坝体和地基接触面或地基岩体中是否可能产生滑动的要求是各不相同的。坝基抗滑稳定问题是重力坝设计和重力坝工程地质勘查研究的主要课题。对于重力坝而言，很少有由于坝身受到剪切破坏的坝，但是多数坝基岩体中总是存在着风化岩体。软弱夹层、断层裂隙、地下水等不利地质条件，在不利条件组合下造成坝基滑动，使大坝遭受破坏。一、坝基岩体抗滑动破坏的类型图3-5坝基滑动破坏的形式(a)表层滑动(b)浅层滑动（C）深层滑动1、表层滑动指坝体沿坝底与基岩的接触面发生剪切破坏所造成的滑动。滑动面大致是平面。坝基岩体坚硬，地基岩面处理不好或混凝土浇注不好。主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面的条件下。此时，混凝土基础与基岩接触面常称为薄弱且可能滑动的面，接触面的摩擦系数值，是控制重力坝设计的主要指标。坝体必须具有足够的重量，以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力。一、坝基岩体抗滑动破坏的类型2、浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时，剪切破坏往往发生在浅部岩体之内，造成浅层滑动。滑动面常参差不齐。坝基岩体软弱，或岩体虽坚硬但表面部风化破碎层没有挖除干净。一、坝基岩体抗滑动破坏的类型1）坝基岩体的岩性软弱，岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面．故在库水推力作用下，易于沿表层岩体的内部发生剪切破坏。从产生条件来看，这种浅层滑动可能有三种主要类型：坝基浅层滑动示意图2）由近水平产出的薄层状岩层(特别是夹有软弱层者)由近水平产出的薄层状岩层(特别是夹有软弱层者)组成的坝基在库水推力作用下产生滑移弯曲。这类变形破坏的产生主要是因为薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低，在平行于层理方向的荷载作用下，易于产生突向临空面方向的弯曲变形，故在水平荷裁作用下，坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力，于是促进了坝基整体滑动的发生。（下图所示）3)是碎裂结构岩休组成的坝基碎裂结构岩休组成的坝基在坝体推力作用下发生的剪动滑移破坏。3、深层滑动在坝基岩体的较深部位，沿软弱结构面发生剪切破坏。滑动面由两三组或更多的软弱结构面组合而成，只有当地基岩体内存在有软弱结构面，且按一定组合能构成危险滑移体时，才有发生深层滑动的可能。是高坝主要破坏形式。一、坝基岩体抗滑动破坏的类型坝基岩体表层滑动边界条件比较简单，主要取决于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪强度。浅层滑动近似一平面，抗滑稳定性取决于浅部岩体的抗剪强度。坝基的深层滑动比较复杂，它必须有滑动面、切割面和临空面，下面着重讨论。二、坝基岩体滑动破坏的边界条件分析二、坝基岩体滑动破坏的边界条件分析ABCD是滑动面；ABFE是被拉开的张裂面；ADE、BCF和ABFE是切割面；HDCG是临空面。这些界面构成滑移体的边界条件。CAEFGHBD滑动面：如缓倾的页岩夹层、泥化夹层、节理、卸荷裂隙、断层破碎带等。可以是单一的，也可以是由两组或更多组的结构面组成的楔形、梭柱形、锥形。切割面：将岩体切隔开来，形成不连续块体的结构面。通常由较陡的软弱结构面构成。如各种陡倾的断层和裂隙等。如ABEF面，受拉应力而破碎。临空面:滑移体与变形相临的面，是指滑移体可向之滑动而不受阻碍或阻力很小的自由面。坝基深层滑移类型楔形体锥形体棱柱体方块体坝基滑移体形状示意图二、坝基岩体滑动破坏的边界条件分析常见的几种滑移破坏形式：1、岩层产状平缓当坝基岩性软弱或软弱夹层埋藏较浅时，在水平推力作用下，下游岩层容易弯曲，形成浅层滑移。砂岩泥化夹层薄层泥岩水平岩层的滑动破坏二、坝基岩体滑动破坏的边界条件分析2、软弱结构面倾向上游（倾角小于30°）坝基下软弱结构面的产状愈平缓，由坝体自重力W和水平推力H组成的合力R作用在其上的向下游的滑力愈大，抗滑力愈小，对稳定愈不利。HWR当坝基下有贯通的倾向上游的缓倾角结构面时,最易与坝基附近的横向切割面和平行于河流方向的侧向切割面组成楔形体,直接由河床面滑出.二、坝基岩体滑动破坏的边界条件分析3、软弱结构面倾向下游（倾角小于30°）坝基最大剪应力方向常与软弱面近于平行，所以最危险。当坝趾附近有深层槽、洞穴或冲刷面直接滑出。当坝趾下游有倾向上游的软弱面，则组成楔形体，自河面滑出。当存在有较厚的软弱岩层或破碎带时，可因产生较大的压缩变形而起到临空面的作用，导致坝基滑动。岩性不均匀的坝基剖面断层泥化夹层构成滑动面冲刷坑二、坝基岩体滑动破坏的边界条件分析4、陡倾层状岩体一般不利于形成单一的滑动面，但可与层间法向裂隙或延续性裂隙组成阶梯状，或近似弧形的滑动面。陡倾层状岩体的滑移破坏F三、边界条件的阻滑因素1、滑动面的阻滑作用滑动面的f、c值是决定岩体抗滑能力的主要因素。但当滑动面的起伏差大，连续性差、夹泥层灭尖或被其他断裂错动时，则可提高其抗滑能力。2、侧向切割面的阻滑作用抗滑稳定分析是不计岩体的侧向抗滑作用的，只是把它作为安全储备。但实际上是客观存在。3、坝下游抗力体的阻滑作用坝基软弱夹层倾向下游，若下游无冲刷坑或可压缩的断层破碎带作为临空面，则下游岩体有一定的抵抗滑动作用三、边界条件的阻滑因素3、坝下游抗力体的阻滑作用有滑动面且无临空面时，必须有倾向上游的滑动面与之组合。bc面上的摩擦力，除抗力岩体的自重外，还有坝体传来的水压力和坝体的自重等合力，合力的作用方向与bc面垂直，所以摩擦力较大。f1,c1f2,c2pabcb′图5-12抗力体的阻滑作用ab-滑动面；bc-第一破碎面；bb′-第二破裂面四、坝肩岩体滑动的边界条件分析对重力坝，坝肩部分库水水头变低，水平推力减小。对拱坝，坝身所受的水压力，通过拱圈传递到两岸岩体上。另一方面，拱坝对坝肩岩体的变形非常敏感，稍有位移即可引起拱圈产生超出允许范围的拉应力，从而发生裂缝，甚至导致溃坝。四、坝肩岩体滑动的边界条件分析侧向滑动面，3，4切割面：1，2临空面：当下游河谷变窄、地形收缩时，滑动面增长，对岩体稳定不利。在坝下游河流急转且岸坡陡峭突出或有冲沟切割，两面临空现象，对稳定不利。EVHO1234AN拱坝坝肩岩体稳定分析示意图拱坝切割面滑动面四、坝肩岩体滑动的边界条件分析几种可能引起坝肩岩体发生滑动的地形地质条件a1a2a3a、由一组软弱结构面构成的不利条件四、坝肩岩体滑动的边界条件分析几种可能引起坝肩岩体发生滑动的地形地质条件b1b2b、由两组软弱结构面构成的不利条件四、坝肩岩体滑动的边界条件分析几种可能引起坝肩岩体发生滑动的地形地质条件CDE1、表层滑动稳定性计算式中：K——抗滑稳定安全系数，取1.0～1.1；f——滑动面的抗剪摩擦系数∑V——作用在滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和∑H——作用在滑动面以上的力在水平方向投影的代数和K′——抗滑稳定安全系数，取≧2.5；f′——滑动面的抗剪摩擦系数c′——滑动面的抗剪断粘聚力；A——滑动面的面积HU)Vf(K滑动力阻滑力HACV-U）f(K滑动力阻滑力一、坝基岩体抗滑稳定计算（极限平衡）∑H∑VU对中小型工程中的中、低坝，若无条件进行试验时，也允许按纯抗剪公式计算。荷载组合坝的级别123基本组合1.101.051.05特殊组合(1)1.051.001.00特殊组合(2)1.001.001.00不同情况下Kc的大小要求不同，如下表注：表中基本组合是指正常水位下的各种荷载组合；特殊组合(1)是在校核洪水位情况下的荷载组合；特殊组合(2)是包括地震荷载下的各种荷载组合。HH2）深层滑动抗滑稳定计算()cossin)cos()sincfWGuHKHWG()cossin)cos()sincfWGuHKHWG(1)单滑动面倾向下游，下游有陡立临空面时：αWG(2)单滑动面倾向上游时：HαHαWG一、坝基岩体抗滑稳定计算(3)双滑动面或仅有倾向下游的滑动面，下游无陡立临空面时(剩余推力法）：1WGHH2GHRR1111[cos()sin][()cossin]RHWGfWGuH2222[sin()cos]cos()sincfRuGkRG一、坝基岩体抗滑稳定计算二、地质因数对f、c值的影响1、滑动面的影响。滑动面的起伏差越大，粗糙越不平，软弱夹层越薄，抗剪强度越高。充填度（充填厚度t/起伏差h）与f的关系起伏值（cm）夹泥厚（cm）fC(KPa）0.5～20.05～20.82570.5～20.05～2