水电地质培训教材五、建筑物工程地质

第五章水工建筑物工程地质通用性水工建筑物主要有：①挡水建筑物，如各种坝、水闸、堤和海塘；②泄水建筑物，如各种溢流坝、岸边溢洪道、泄水隧洞、分洪闸；③进水建筑物，也称取水建筑物，如进水闸、深式进水口、泵站；④输水建筑物，如引（供）水隧洞、渡槽、输水管道、渠道；⑤河道整治建筑物，如丁坝、顺坝、潜坝、护岸、导流堤。专门性水工建筑物主要有：①水电站建筑物，如前池、调压（井）室、压力钢管、水电站厂房；②渠系建筑物，如节制闸、分水闸、渡槽、沉沙池、冲沙闸；③港口水工建筑物，如防波堤、码头、船坞、船台和滑道；④过坝设施，如船闸、升船机、放木道、筏道及鱼道等。水工建筑物一般来说，大坝最重要。第五章水工建筑物工程地质1、水工建筑物主要地质问题地震稳定性地质灾害的危害性水工建筑物的稳定性天然建筑材料的可靠性第五章水工建筑物工程地质—混凝土重力坝对地形地质条件的要求.地形基本对称，岸坡较完整，宽窄恰当，便于水工布置；.河谷覆盖层不厚，没有大的顺河断层和基岩深槽；.全强风化带和卸荷带岩体厚度不宜过大；.岩体较完整，强度能满足大坝荷载应力的要求；.岩层产状有利，岩体中软弱夹层及缓倾角结构面（断层、长大裂隙）不发育；.岩体透水性不宜过大，有可靠的防渗封闭条件；.泄洪消能区岩体有足够的抗冲能力。第五章水工建筑物工程地质—拱坝对地形地质条件的要求.地形基本对称，河谷宽高比最好小于3.5:1，不宜大于6:1，坝肩下游没有深切沟谷；.河床覆盖层不厚，没有大的顺河断层和基岩深槽；.全强风化带及卸荷带岩体厚度不宜过大；.两岸坝肩岩体完整，强度高；没有或很少有垂直河流分布的软弱层带；平行河流的结构面（断层、节理、裂隙）不发育；.岩层产状有利，坝基岩体中缓倾角软弱夹层或结构面不发育；.岩体透水性不宜过大，有可靠的防渗帷幕封闭条件.泄洪消能区岩体有足够的抗冲能力。第五章水工建筑物工程地质—土石坝对地形地质条件的要求.地形条件适于布设泄洪和引水发电建筑物；.河床覆盖层的厚度及物质组成不会给地基防渗体施工造成很困难的条件；.避免地基中存在厚的粉细砂层、淤泥、软土层、湿陷性黄土等特殊土层；.避免在基岩中存在规模较大透水性强的顺河向断层；.有适宜的天然建筑材料。坝址勘察主要内容及任务按不同阶段了解（规划）、初步查明（预可）、查明（可研）以下内容：地形地貌；地层岩性，进行工程岩组的划分；地质构造；岩体风化；岩土体的透水性；潜在不稳定体、泥石流等的分布和规模；提出岩（土）体物理力学参数建议值；评价坝址主要建筑物的工程地质条件。在预可研阶段，对上、下坝址进行工程地质比选，初步提出工程地质建议；为了达到上述目的，必须针对各坝址、主要建筑物布置勘察工作量。设计对坝址、坝型的更改都会影响到勘察工作量。规划阶段坝址勘察对勘探的要求1、各梯级坝址不宜少于1条勘探剖面，勘探剖面上宜布置2-3个钻孔，近期开发工程和控制性工程坝址勘探剖面线不应少于3个钻孔，其中河床部位不应少于1个钻孔，两岸训不少于1个钻孔或平洞。2、河床钻孔的深度宜为坝高的0.5-1倍。在深厚覆盖层河床及地下水位低于河水位地段，钻孔应加深。3、进行主要岩、土、水试验。预可行性研究阶段坝址勘察要求1工程地质测绘应符合下列规定：1）测绘比例尺可选用1∶5000~1∶2000。2）测绘范围应包括：各比较坝址，包括主副坝、溢洪道、厂房导流工程等有关枢纽建筑物地段。2物探布置应符合下列规定：1）物探方法根据地形、地质条件确定。2）物探剖面线结合勘探剖面线布置。预可行性研究阶段坝址勘察要求3坝址勘探应符合下列规定：1）各比较坝线应有一条主要勘探剖面，坝高70m以上的代表性坝址和工程地质条件复杂的坝址，宜在上、下游增加辅助勘探剖面。2）主要勘探剖面线上勘探点间距不应大于100m，河床部位不应少于2个钻孔，两岸坝肩部位，在正常蓄水位以上，也宜布置钻孔。3）存在缓倾角软弱夹层的坝址，可布置竖井或大口径钻孔。（犍为、下桥）预可行性研究阶段坝址勘察要求3坝址勘探应符合下列规定：4）两岸坝肩部位应布置勘探平洞，坝高在70m以上时，分不同高程布置。5）当存在影响代表性坝址选择的顺河断层、软弱夹层、河床深槽和潜在不稳定岸等不良地质作用时，应布置钻孔或平洞。6）可溶岩地区坝址两岸应根据需要布置专门性水文地质钻孔。7）孔深控制：进入基岩0.5—1倍坝高。8）孔距控制：50—100m。可行性研究阶段坝址勘察1工程地质测绘应符合下列规定：1）测绘比例尺可选用1∶2000~1∶1000，高拱坝坝址可选用1∶500。2）测绘范围应包括坝址水工建筑物场地和对工程有影响的地段。3）当岩性变化或存在软弱夹层时，应测绘详细的岩层柱状图。可行性研究阶段混凝土坝址勘察2物探应符合下列规定：1）宜采用综合测井和井下电视等方法调查结构面、软弱带的产状、分布、含水层和渗漏带的位置等。2）可采用单孔法、跨孔法、跨洞法测定各类岩体纵波或横波波速，进行岩体动弹性模量或纵波波速的分区。3）喀斯特区可采用孔间或洞间测试以及层析成像技术调查喀斯特洞穴的分布。（CT）可行性研究阶段混凝土坝址勘察3勘探应符合下列规定：1）勘探剖面线应根据具体地质情况结合建筑物特点布置。选定的坝线应布置坝轴线勘探剖面线和上、下游辅助勘探剖面线，剖面线间距根据坝高和地质条件，可采用50~200m。溢流坝段、非溢流坝段、厂房坝段等应有代表性勘探纵剖面线。2）坝轴线勘探剖面线上的勘探点间距可采用20~50m，其它勘探剖面线上勘探点间距可视具体需要确定。可行性研究阶段混凝土坝址勘察3）钻孔深度应进入拟定建基面高程以下1/3~1/2坝高的深度，帷幕线上钻孔深度可采用坝高或进入相对隔水层不应少于10m。4）第四纪地层上闸基的钻孔应结合闸墩和防渗、防冲建筑物布置，钻孔深度宜根据覆盖层厚度及建基面高程确定。当覆盖层厚度小于闸底宽时，钻孔深度应进入基岩5~10m；当覆盖层厚度大于闸底宽度时，钻孔深度宜为闸底宽度的1~2倍，并应进入下伏承载力较高的土层或相对隔水层。可行性研究阶段混凝土坝址勘察5）专门性钻孔的孔距、孔深可根据具体需要确定。6）平洞、坚井、大口径钻孔和河底平洞应结合建筑物位置、两岸地形、地质条件和岩体原位测试工作的需要布置。高陡岸坡宜布置平洞；地形、地层平缓时宜布置竖井或大口径钻孔；当存在影响坝基稳定的断层、破碎带和软弱夹层时可布置河底平洞。7）拱坝坝肩每隔30~50m高程应布置平洞。8）抗力体部位应布置专门勘探工程查明中、缓倾角软弱结构面。可行性研究阶段混凝土坝址勘察9）当钻孔或平洞遇到溶洞或大量漏水时，应继续追索或采用其它手段查明情况。4岩土试验应符合下列规定：1）主要岩石的室内物理力学性质试验组数累计不应少于10组；影响坝基变形的岩类原位变形模量试验不应少于4点；控制坝基抗滑稳定的岩层或滑动面的原位抗剪和抗剪断试验组数不应少于4组。可行性研究阶段混凝土坝址勘察2）第四纪地层上的坝闸基持力层范围内的每一土层均应取原状样，并进行室内物理力学性质试验，土层主要指标的试验组数累计不得少于11组。3）土层和粉细砂层应结合钻探进行标准贯入试验，软粘土应进行十字板剪切试验。4）根据需要可进行地质力学模型试验，岩体应力测试，载荷试验，混凝土拖板试验，可能液化土的三轴振动试验和管涌土的渗透变形试验等专门性试验。可行性研究阶段混凝土坝址勘察5水文地质试验应符合下列规定：1）坝基、坝肩及帷幕线上的基岩钻孔应进行压水试验，其它部位的钻孔可根据需要确定。坝高大于200m时，宜进行大于设计水头的高压压水试验及为查明渗透性各向异性的定向渗透试验。2）覆盖层应进行抽水试验，根据含水层的复杂程度可选用单孔或多孔，分层或综合抽水试验。3）喀斯特区应进行连通试验和抽水试验。可行性研究阶段混凝土坝址勘察6地下水动态观测应符合下列规定：1）观测内容应包括水位、水温、水化学、流量或涌水量等；2）观测时间应延续一个水文年以上，并完善观测网。（乐滩、干捞）7不稳定岩土体位移监测。可行性研究阶段土石坝址勘察坝址区测绘范围同混凝土坝址，比例尺为1/1000~1/5000。物探方法以综合测井为主。勘探剖面应结合当地材料坝的坝轴线，防渗线、排水减压井、消能建筑等布置。勘探点间距为50~100m。钻孔孔深：覆盖层地基，当下伏基岩埋深小于一倍坝高时，钻孔应深入基岩面以下10~20m，帷幕线上孔深视需要而定；当下伏基岩埋深大于一倍坝高时，孔深应根据透水层和相对隔水层的具体情况确定。基岩地基上的钻孔孔深为1/3~1/2倍坝高，帷幕线上的孔深不小于一倍坝高。可行性研究阶段土石坝址勘察对两岸基岩岸坡应布置平洞、钻孔或探槽，以查明风化带、卸荷带、断层破碎带、喀斯特洞穴通道等的位置。坝基主要透水层的抽水试验不少于3次。强透水的大断层破碎带应专门作水文地质试验。软弱土层抗剪以三轴试验为主。原位试验主要是标贯试验、十字板剪切试验、荷载试验、渗透变形试验、抽水试验。第五章水工建筑物工程地质—地基稳定问题重力坝坝基的滑动破坏类型第五章水工建筑物工程地质—地基稳定问题坝基滑动的边界条件1、坝基深层滑移条件比较复杂，它必须具备滑动面，纵向和横向切割面、临空面，这些要素构成了深层滑移的边界条件；2、浅层滑动—坝基浅层岩体；3、表层滑动—混凝土与岩石；4、混合滑动—上述的组合。第五章水工建筑物工程地质—重力坝坝基岩体抗滑稳定计算（剪摩）抗剪断强度的计算公式：式中：K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′——坝体混凝土与坝基岩接触面的抗剪断摩擦系数；C′——坝体混凝土与坝基岩面的抗剪断凝聚力，kN/m2。ΣW——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值，kN;ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN;A——坝基接触面截面积，m2。PAcwfK第五章水工建筑物工程地质—重力坝坝基岩体抗滑稳定计算（纯摩）抗剪强度的计算公式：式中：K——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；pwfK第五章水工建筑物工程地质—饱和砂土振动液化饱和砂土和粉土在周期地震荷载作用下，由于不能及时排水而形成孔隙水压力，当孔隙水压力达到与围压（上覆压力）相等时，有效应力为零，砂土颗粒处于悬浮状态，这种砂土短时间失去强度的现象就是地震液化。其表达式可以写成：式中：—无粘性土的抗剪强度—土体上覆压力—孔隙水压力—无粘性土内摩擦角—上覆有效压力tg)(）（第五章水工建筑物工程地质—饱和砂土振动液化地震液化的危害1、引起喷水冒砂导致大面积地面沉降；2、导致建筑物地基失效，引起建筑物下沉或不均匀沉降、开裂破坏；3、液化侧向扩展与流滑，造成岸边地面开裂。第五章水工建筑物工程地质—饱和砂土振动液化液化判别按GB50287的规定，土的地震液化判别应根据土层的天然结构、颗粒组成、松密程度、地震前和震时的受力状态、边界条件和排水条件以及地震历时等因素，结合现场勘察和室内试验综合分析判定。初判——地层年代、粘粒含量、运用状态（饱和）、剪切波法等复判——标准贯入锤击数法、相对密度法，相对含水量或液性指数法第五章水工建筑物工程地质—饱和砂土振动液化初判1、地层年代为第四纪晚更新世Q3或以前，可判为不液化。2、土的粒径大于5mm颗粒含量的质量百分率大于或等于70%时，可判为不液化；粒径大于5mm颗粒含量的质量百分率小于70%时，若无其它整体判别方法时，可按粒径小于5mm的这部分判定其液化性能。第五章水工建筑物工程地质—饱和砂土振动液化初判3、对粒径小于5mm颗粒含量质量百分率大于30%的土，其中粒径小于0.005mm的颗粒ρc含量质量百分率相应于地震设防烈度七度、八度和九度分别不小于16%、18%和20%时，可判为不液化。4、工程正常运用后，地下水位以上的非饱和土，可判为不液化。5、当土层的剪切波速大于上限剪切波速时，可判为不液化。第五章水工建筑物工程地质—饱和砂土振动液化剪切波速的计算公式：式中：Vst—上限剪切波速度（m/s）；KH—地面最大水平地震加速度系数；Z