坝基岩体稳定工程地质分析2.

第七章库坝区工程地质问题7.1库坝区主要工程地质问题7.2库坝区渗漏的工程地质分析7.3库坝区渗漏防治7.4坝基岩体稳定的工程地质分析7.5坝基岩体稳定性措施7.4坝基岩体稳定的工程地质分析一、坝基稳定分析的意义二、不同水坝特点及对工程地质条件的要求三、坝基岩体压缩变形及承载力四、坝基抗滑稳定分析7.4坝基岩体稳定的工程地质分析一、坝基稳定分析的意义水库及拦河坝的修建，不仅要考虑国民经济的需要，同时要考虑自然条件是否许可。工程实践表明，工程地质条件不仅影响坝址、坝型的选择，而且关系到工程投资、施工工期、工程效应和工程安全。7.4坝基岩体稳定的工程地质分析1974年国际大坝失事和事故委员会统计：由坝基地质缺陷引起的大坝失事约占40%；世界142座大坝失事分析中45座由于管涌、渗漏、不均匀变形、抗剪强度低等地质问题造成。占总数的31.7%。坝基渗漏变形和抗滑条件恶化是大坝失事的主要因素。一、概述（一）河道筑坝可行性主要考虑经济需要及自然、地质条件是否可行：经济因素：国民经济的需要自然条件及工程地质条件：地形地质、材料供应——坝型枢纽布置、水文——位置选择及库容设计施工、运行——一、概述（二）坝址稳定性工程地质研究问题（3）坝基承受荷载作用下是否发生滑动失稳坝基各部位的应力及变形值是否在允许范围内坝基在渗流水长期作用下，是否能保持力学及化学上的稳定性，使得渗漏量及渗透压力在允许范围内。7.4坝基岩体稳定的工程地质分析二、不同水坝特点及对工程地质条件的要求大坝分类：按材料分：土坝堆石坝干砌石坝混凝土坝按坝高分：低坝——H30m中坝——H=30～70m高坝——H70m按坝体结构分：重力坝拱坝支墩坝1.混凝土重力坝工作原理：重力坝定义：依靠自身的重量产生的抗滑力维持其稳定性的坝。重力坝的基本剖面：呈三角形，上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。受力特点：主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水推力、地下水扬压力、风浪压力和泥沙压力等，以达到稳定的要求。受力简图：可视作倒置的悬臂梁按坝的内部结构分：实体重力坝：三峡、龙滩宽缝重力坝：新安江、丹江口空腹重力坝：湖南凤滩、枫树1-非溢流重力坝；2-溢流重力坝3-横缝；4-导墙5-闸门；6-坝内排水管；7-检修、排水廊道；8-基础灌浆廊道；9-防渗帷幕；10-坝基排水孔坝的剖面详图坝的平面布置用混凝土或浆砌石筑成，坝轴线一般为直线，并有垂直于坝轴线方向的横缝将坝体分成若干段坝的纵剖面1.混凝土重力坝材料：混凝土优点：（1）结构作用明确，设计方法简便，安全可靠。（2）对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。（3）枢纽泄洪问题容易解决。（4）便于施工导流。（5）施工方便。缺点：（1）坝体剖面尺寸大，材料用量多。（2）坝体应力较低，材料强度不能充分发挥。（3）坝体与地基接触面积大，相应坝底扬压力大，对稳定不利。（4）坝体体积大，由于施工期混凝土的水化热和硬化收缩，将产生不利的温度应力和收缩应力，因此，在浇铸混凝土时，需要有较严格的温度控制措施。坝体承受的主要应力：瑞士大迪克桑斯重力坝高285m库水静水推力；地下水扬压力风浪压力泥沙压力混凝土重力坝对岩体的要求：具有一定的强度和刚度一般大于30m的中、高坝都要建在坚硬、半坚硬岩基上。坝基刚度最好与坝体刚度相近，否则容易在坝踵处产生过大拉应力或坝趾处产生过大压应力，因此要求坝基岩体完整性好、透水性弱；坝趾处不宜存在缓倾角软弱结构面，否则可能导致坝体沿结构面滑移破坏或渗漏并引起扬压力。坝址区两岸山体稳定，地形适中，有足够建坝的天然建筑材料。2.拱坝材料：钢筋混凝土结构：凸向上游的空间壳体挡水建筑物。平面及剖面上呈弧形，坝体较单薄，厚度一般为坝高的10%—40%拱坝水平截面图：拱坝的特点及类型拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，拱冠剖面呈竖直的或向上游弯曲。坝体结构是由水平的拱圈和竖向的悬臂梁共同组成。拱坝所承受的水平荷载一部分通过水平拱的作用传给两岸的基岩，另一部分通过竖向的悬臂梁的作用传到坝底基岩，如图6-1所示。图6-1拱坝平面及剖面示意图坝体的稳定主要是依靠两岸坝肩的反力来维持。拱坝的坝肩是指拱坝所座落的两岸岩体部分，亦称拱座。拱冠梁系指位于水平拱圈拱顶处的悬臂梁，一般它位于河谷的最大深处。实例：意大利瓦依昂（Vajont）双曲拱坝，1961年建成，坝顶长190.5m，顶宽3.4m，底宽22.7m，最大坝高265.5m，是当时世界上最高的混凝土薄拱坝。1963年10月9日晚，由于连续降雨，水库水位上涨，左岸靠坝的上游发生大体积岩石滑坡，近3亿m3的滑坡体以40m/s的速度滑入水库并冲上右岸，掀起150m高的涌浪，涌浪溢过坝顶，冲向下游，致使2600人丧生，但拱坝并未破坏，仅在坝肩附近的坝内发生二、三条裂缝。据估算，拱坝当时已承受住相当于8倍设计荷载的作用力，由此可见该拱坝的超载能力。河谷窄、两岸对称，岩体坚硬、完整，未有缓倾角的弱软结构面。节省材料，比重力坝节省混凝土用量80%作用。具有较强的超载和抗震能力拱坝对地质条件的要求由于拱坝将大部分外荷传到两岸山体内，剖面上的悬臂梁作用把少部分外荷及自重传至下部坝基，要求拱坝必须建在坚硬、完整、新鲜的基岩上；岩体要有足够的强度，不允许产生不均匀变形地形上最好选择V型峡谷，两岸岩体浑厚、稳定及有良好的对称性。3.土坝定义——以土砂、砂砾、石渣、石料等当地材料填筑，其中土质材料占坝体积50%以上的坝。分为均质土坝和非均质土坝对于非均质土坝，有防渗铺盖或心墙，通常由当地粘土构成。特点及工程地质要求：土坝底面大的柔性坝体，对坝基强度及变形适应性强。在山区、平原区或山体、土体均可建坝。对高压缩性和特殊性土注意沉陷和不均匀沉降问题坝基透水性要小，防止产生渗漏和渗透变形。天然建筑材料要有足够的质量和数量。三、坝基岩体压缩变形与承载力1.坝基岩体的压缩变形坝基破坏的主要形式：压缩变形–对重力坝：坝基沉陷–拱坝：坝基沉陷、拱坝端推力方向上的水平变形–坚硬岩石：变形模量值很高，压缩变形值很小，如变形均匀一致，则对坝体安全稳定无影响；当不均匀沉陷较大时，坝体产生拉力，发生裂缝甚至整体坝体遭到破坏。滑动破坏引起不均匀变形的地质因素：①岩性软硬不一，变形模量值相差很大，产生不均匀沉陷，导致坝体发生裂缝。比例纵1:100横1:2000溢洪道中心实测地质剖面图0+780.00+740.00+700.00+660.00+620.00+580.00+540.00+500.00+460.00+420.00+380.00+340.00+300.00+260.00+220.00+180.00+140.00+100.00+060.00+020.00-020.0中泓桩号工程地质分段ⅠⅡⅢNW290°NW240°F2中等风化产生较大沉陷变形的岩性：①粘土页岩②泥岩③强风化岩石④松散沉积物，特别是淤泥，⑤含水量较大的粘土层⑥两岸岩体存在较大的断层破碎带、裂隙密集带、卸荷裂隙带等软弱结构面，尤其是展开裂隙发育且裂隙面大致垂直于压力方向时。⑦岩体内发育有大量溶蚀洞穴或潜蚀掏空现象三、坝基岩体的压缩变形与承载力2.坝基岩体承载力定义——也称为允许承载力，是指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。安全稳定——既不能因沉陷过大导致破坏，也不允许剪切滑移导致建筑物破坏。地基承载力的应用条件①建筑物设计初期②小型工程且地质条件简单地基承载力的确定①现场荷载试验②经验类比③抗压强度试验坝基承载力基本值f0岩体级别IIIIIIIVVf0（MPa）7.07.0-4.04.0-2.02.0-0.50.5岩体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）岩石单轴抗压强度乘以折减系数求允许承载力：bfR——折减系数，取值根据岩石坚硬程度、完整性、风化程度及基岩形态、产状等因素确定。《建筑地基基础设计范围》要求的折减系数：微风化岩石取0.2-0.3；中等风化岩石取0.17-0.25.完整岩体取0.5；较完整岩体取0.2-0.5,；较破碎岩体取0.1-0.2《岩石坝基工程地质》上对折减系数的取值：四、坝基抗滑稳定性分析坝基抗滑稳定性：坝基岩体在建坝后各种工程荷载作用下，抵抗发生剪切滑动破坏的性能。（一）坝基滑动破坏类型：表层滑动：沿坝体底面与坝基岩体接触面（建基面）发生的剪切破坏。浅层滑动：坝体连同一部分坝基浅部岩体发生的剪切破坏。深层滑动：坝体连同一部分岩体沿深部滑动面产生的剪切滑动。重力坝滑动失稳模式表面滑动浅层滑动深层滑动我国修建了大中型重力坝100余座，其中有1/3存在深层滑动问题。深层滑动一般都是由于软弱结构面与各种纵向、横向节理裂隙构成了分离体或滑移体时才会发生。四、坝基抗滑稳定性分析（二）坝基岩体滑动边界条件1.岩体滑动边界条件构成：滑动面：四、坝基抗滑稳定性分析（二）坝基岩体滑动边界条件1.岩体滑动边界条件构成：切割面：指与滑动面配合将滑移体与周围围岩分割开的结构面。主要有坝基、坝肩范围内的陡倾角断裂面，可以顺纵河向发育，也可以顺横河向发育。其切割深度、延伸长度、力学性质和充填、胶结情况都直接影响到侧向抗滑能力的大小。（二）坝基岩体滑动边界条件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。四、坝基抗滑稳定性分析⑴岩体滑动边界条件的构成坝基岩体的深层滑动，是因为坝基下岩体四周为结构面所切割，形成可能滑动的滑动体。且该滑动体由可能成为滑动面的软弱结构面，和与四周岩体分离的切割面，以及具有自由空间的临空面构成。滑动面、切割面、临空面构成了坝基岩体滑动的边界条件，它们可以组成各种形状，构成可能产生滑动的结构体（滑移体），一般常见的滑移体形状有：楔形体、棱形体、锥形体、板状体四类。水平临空面陡立临空面⑵坝基岩体常见的滑动边界条件①平缓层状岩体层面倾角平缓，破裂构造陡立切割，工程组成楔形体、方块体等形态，平放在坝基之下。②倾斜层状岩体岩层倾角30。-60。范围内。岩层受一定构造变动，各种力学成因的结构面均可能出现，各种结构面倾角较大。滑移体常为楔形或棱柱形。稳定条件相对良好。③陡倾斜或倒转层状岩体岩层倾角大于600或形成倒转，断裂发育，常见宽度较大的断层破碎带，造成坝基局部地段的浅层滑动问题。由于反倾向的压性断裂倾角平缓，深部滑移较倾斜岩层多。稳定性较平缓岩层好。④块状岩体岩体中平缓裂隙一般不发育，断裂倾角多陡立，因岩石坚硬，多数工程以混凝土与基岩接触面强度控制抗滑稳定性。深部及浅部滑移仅在少数工程中出现。（三）影响坝基抗滑稳定性的因素从作用力上看，主要荷载组成：自重水压力：静水压力和动水压力扬压力浪压力泥沙压力土压力地震荷载温度作用（1）坝体自重压力：G=V*r混凝土r=24kN/m3,砌石r=21-23kN/m3.(2)水压力：水平压力：212HwPH（3）扬压力建筑物挡水后，由于上下游水头差的作用，水从地基的孔隙向下渗透，由渗透引起的水压力称渗透压力，由下游水深而引起的水压力称浮托力，渗透压力和浮托力之和称为扬压力。作用于建筑物底面上的扬压力值，应按垂直作用于计算截面积上的扬压力分布图形求和。扬压力分布与坝基断层、节理、裂隙分布以及上下游水位、防渗排水措施有关。实体坝排水廊道和排水缝的坝Ⅰ、坝基内无防渗排水设施或这些设施失效时，扬压力按下式计算212wwuLHLH式中:γw为水的重度L为坝基地宽;H2为下游水深；H为坝上下游水位差。Ⅱ、坝基内设有防水帷幕和排水孔，对于实体重力坝，扬压力按下式计算：对于宽缝重力坝，扬压力按下式计算：式中：d为上游坝踵至排水幕距离；α为扬压力折减系数，河床段取0.2-0.3，岸坡坝段采用0.