第10章 壩工程地質(zhì)研究new

第十章壩的工程地質(zhì)研究第一節(jié)水工建筑物的工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問(wèn)題第二節(jié)壩區(qū)的滲漏第三節(jié)壩基的滲透變形第四節(jié)壩基（肩）的抗滑穩(wěn)定第五節(jié)壩基的沉降與承載力第六節(jié)壩基處理英古里雙曲拱壩

壩高272m，壩底厚度86m，厚高比為0.33二灘

二灘水電站位于四川省、雅礱江干流下游河段上，距攀枝花市約40km。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高240m，水庫(kù)總庫(kù)容58億立方米，水電站裝機(jī)容量330萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量170億kW·h。1991年9月開(kāi)工，1998年7月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2000年完工。

小灣水電站小灣水電站位于云南省西部南澗縣與鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段與支流黑惠江交匯后下游1.5km處，系瀾滄江中下游河段規(guī)劃八個(gè)梯級(jí)中的第二級(jí)。裝機(jī)容量420萬(wàn)kW，年保證發(fā)電量190億千瓦時(shí)，電站靜態(tài)總投資223.31億元。2010年8月6臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。最大壩高292m。溪洛渡

溪洛渡水電站位于四川省雷波與云南永善的金沙江界河上，攔河壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高278米，電站裝機(jī)容量1260萬(wàn)kW。電站2003年開(kāi)始籌建，2005年開(kāi)工，2014年第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)，2017年竣工。

錦屏一級(jí)錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi)，是雅礱江干流下游河段的控制性水庫(kù)梯級(jí)電站裝機(jī)容量360萬(wàn)。大壩為混凝土雙曲拱壩，壩高305米，為世界第一高拱壩。2005年11月12日正式開(kāi)工，2006年12月4日截流，2009年10月23日開(kāi)始大壩澆筑，主體工程建設(shè)已全面展開(kāi)。

VaiontDamVaiontDamVaiontDamVaiontDam意大利瓦依昂（ＶＡＩＯＮＴ）水庫(kù)大壩壩高２67米，為當(dāng)時(shí)世界上最高的拱型大壩。大壩于１９６０年完工。蓄水后山體位移，水庫(kù)水位上升，山體就向下運(yùn)動(dòng)；隨著水位上升速度的加快，山體就向下運(yùn)動(dòng)的速度也加快。１９６３年夏季降雨特別多，水庫(kù)的水位在八月分上升到以往未曾到達(dá)高度，山體下滑運(yùn)度加快，雖然采取緊急措施放水，終于未能阻止山體滑入水庫(kù)。這個(gè)滑坡的力量如此巨大，以致西歐和中歐的所有的地震站都記錄了這次震動(dòng)。巖石滑入水中，激起2００多米高的水浪，越過(guò)大壩沖向下游，巨浪卷走了ＬＯＮＧＡＲＯＮＥ城的幾乎所有的居民工程地質(zhì)條件——與工程有關(guān)的地質(zhì)條件之綜合。包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、物理地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)物理環(huán)境、天然建筑材料等七方面的內(nèi)容。一、工程地質(zhì)條件（一）地形地貌條件虎跳峽(最大落差3900多米)地表外貌各種形態(tài)的總稱(chēng)。（二）地層巖性地質(zhì)體的地層時(shí)代及巖土體性質(zhì)。（三）地質(zhì)構(gòu)造褶皺、斷裂及巖土體結(jié)構(gòu)寧夏賀蘭山汝其溝三疊系砂巖中背斜（四）水文地質(zhì)條件地下水類(lèi)型含水層與隔水層的埋藏深度、厚度、組合關(guān)系、空間分布規(guī)律巖土層的水理性質(zhì)（容水性、給水性、透水性等）地下水的運(yùn)動(dòng)特征（流向、流速、流量等）地下水的動(dòng)態(tài)特征（水位、水溫、水質(zhì)隨時(shí)間的變化規(guī)律）地下水的水質(zhì)（水的物理、化學(xué)性質(zhì)、水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等）（五）物理地質(zhì)現(xiàn)象風(fēng)化、滑坡、泥石流、巖溶等物理地質(zhì)作用。意大利瓦依昂壩(高262m)1963年10月9日，庫(kù)岸3億立方米的巖體高速下滑，沖入水庫(kù)，將5000萬(wàn)立方米的水體擠出，毀滅了一座城市和幾個(gè)村鎮(zhèn)，死亡約3000人，成為世界上最大的滑坡事件之一。（六）地質(zhì)物理環(huán)境地溫、地應(yīng)力等環(huán)境因素（七）天然建筑材料產(chǎn)地距離開(kāi)采條件質(zhì)量數(shù)量二、不同壩型對(duì)地形、地質(zhì)的要求土石壩優(yōu)點(diǎn)（1）就地取材，節(jié)省鋼材﹑水泥﹑木材等重要建筑材料，同時(shí)減少了筑壩土石壩工地材料的遠(yuǎn)途運(yùn)輸。（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修和加高﹑擴(kuò)建。（3）壩身是土石散粒體結(jié)構(gòu)，有適應(yīng)變形的良好性能，因此對(duì)地基的要求低。（4）施工技術(shù)簡(jiǎn)單，工序少，便于組合機(jī)械快速施工。缺點(diǎn)（1）壩身不能溢流，施工導(dǎo)流不如混凝土壩方便。（2）粘性土料的填筑受氣候等條件影響較大，影響工期。（3）壩身需定期維護(hù)，增加了運(yùn)行管理費(fèi)用。重力壩優(yōu)點(diǎn)：①相對(duì)安全可靠,耐久性好，抵抗?jié)B漏、洪水漫溢、地震和戰(zhàn)爭(zhēng)破壞能力都比較強(qiáng)；②設(shè)計(jì)、施工技術(shù)簡(jiǎn)單，易于機(jī)械化施工；③對(duì)不同的地形和地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，任何形狀河谷都能修建重力壩，對(duì)地基條件要求相對(duì)來(lái)說(shuō)不太高；④在壩體中可布置引水、泄水孔口，解決發(fā)電、泄洪和施工導(dǎo)流等問(wèn)題。缺點(diǎn)是：①壩體應(yīng)力較低，材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮；②壩體體積大，耗用水泥多；③施工期混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力大，對(duì)溫度控制要求高。a

等厚度圓b拋物線(xiàn)拱c三圓心拱d橢圓拱e變厚圓拱f變厚非圓拱拱圈的型式拱壩工程量小

超載能力強(qiáng)抗震能力強(qiáng)壩身泄流及施工較為復(fù)雜拱壩對(duì)地形地質(zhì)要求高支墩壩理想的地形條件：

V形河谷，兩岸對(duì)稱(chēng)，岸坡平順，壩肩山體雄厚，寬高比小，且地形在平面上向下游收縮的峽谷段。理想的地質(zhì)條件基巖堅(jiān)硬、完整、均一，有足夠的強(qiáng)度和剛度，透水性小，抗水的侵蝕和抗風(fēng)化能力強(qiáng)。三、工程地質(zhì)問(wèn)題壩基工程地質(zhì)問(wèn)題：輸水及泄水建筑物的工程地質(zhì)問(wèn)題：庫(kù)區(qū)的工程地質(zhì)問(wèn)題：區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性問(wèn)題：環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題：第二節(jié)壩區(qū)滲漏一、壩區(qū)滲漏的地質(zhì)條件基巖中的滲漏通道第四紀(jì)松散沉積層中的滲漏通道滲透性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)巖體特征土類(lèi)滲透系數(shù)K（cm/s）透水率q（Lu）極微透水K＜10-6q＜0.1完整巖體，含等價(jià)開(kāi)度＜0.025mm裂隙的巖體粘土微透水10-6≤K＜10-50.1≤q＜1含等價(jià)開(kāi)度0.025~0.05mm裂隙的巖體粘土-粉土弱透水10-5≤K＜10-41≤q＜10含等價(jià)開(kāi)度0.05~0.01mm裂隙的巖體粉土-細(xì)粒土質(zhì)砂中等透水10-4≤K＜10-210≤q＜100含等價(jià)開(kāi)度0.01~0.5mm裂隙的巖體砂-砂礫強(qiáng)透水10-2≤K＜100q≥100含等價(jià)開(kāi)度0.5~2.5mm裂隙的巖體砂礫-礫石、卵石極強(qiáng)透水K≥100含連通孔洞或等價(jià)開(kāi)度＞2.5mm裂隙的巖體粒徑均勻的巨礫（1）巖土體滲透性分級(jí)（2）滲漏通道分析1）透水層：①第四紀(jì)的砂層、砂礫石層：滲透系數(shù)與地層結(jié)構(gòu)、埋深、成因及年代有關(guān)，它們決定了：密實(shí)度、顆粒級(jí)配、粘粒含量、分選性和顆粒形狀。成因：K沖積＞K洪積＞K冰積。重點(diǎn)部位：古河道、階地砂、卵、礫石層，坡麓地帶的巖堆、坡積物。②膠結(jié)不良的砂巖、礫巖層：年代新。③裂隙發(fā)育的脆性巖層。④具有氣孔構(gòu)造的裂隙化噴出巖。2）透水帶：①斷層破碎帶：透水性及滲漏量與年代、規(guī)模、性質(zhì)、產(chǎn)狀及母巖有關(guān)，它們決定了：透水帶的寬度、斷層巖的性質(zhì)、充填及膠結(jié)情況，入滲及排泄條件，密實(shí)度?？傮w規(guī)律及特征：具有很強(qiáng)的方向性和分帶性，與規(guī)模、性質(zhì)、產(chǎn)狀和年代的關(guān)系十分密切；K碎塊巖＞K壓碎巖＞K角礫巖＞K片狀巖＞K糜棱巖＞K斷層泥；

K張性＞K扭性＞K壓性；K上盤(pán)＞K下盤(pán)；垂直斷層走向隔水、平行斷層走向透水。②裂隙密集帶：透水性及滲漏量與裂隙性質(zhì)、母巖性質(zhì)、充填及膠結(jié)情況、密集帶寬度及卸荷作用密切相關(guān)。③槽狀風(fēng)化帶。3）巖溶管道：總體特征：具有很強(qiáng)的不均勻性、嚴(yán)重、欠規(guī)律、邊界條件復(fù)雜。（3）滲漏通道的連通性必須查清，具體工程具體分析。1）第四紀(jì)松散地層：主要取決于地層結(jié)構(gòu)特征和地貌發(fā)育情況。↓↓

互層情況切割情況

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雙層、多層結(jié)構(gòu)入滲及排泄條件河床及沖溝切割

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天然鋪蓋→取決于厚度及相變2）基巖透水層、透水帶、巖溶通道：情況復(fù)雜。受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、覆蓋層、地貌等因素控制。平行河流方向或向河中傾斜的節(jié)理可能導(dǎo)致滑動(dòng)，而在下游逐漸斜入山內(nèi)的節(jié)理、裂隙則對(duì)穩(wěn)定影響不大；第三節(jié)壩基的滲透變形滲透：水在巖土體中的流動(dòng)過(guò)程稱(chēng)為滲透。巖土體具有滲透的性質(zhì)稱(chēng)為巖土體的滲透性。滲透變形：是指土體或巖體在滲透水流作用下，其顆粒發(fā)生移動(dòng)或被帶出、顆粒的成分及土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的現(xiàn)象。必要的說(shuō)明：①既可產(chǎn)生于土體，也可產(chǎn)生于巖體（破碎帶、軟弱和泥化夾層、全強(qiáng)風(fēng)化帶）；②既有化學(xué)溶蝕（溶解、陽(yáng)離子交換），也有機(jī)械潛蝕（顆粒移動(dòng)、結(jié)構(gòu)破壞）；③壩基、堤基、基坑、邊坡、圍巖中均可發(fā)生。一、滲透破壞形式1、管涌。在滲流作用下，土體的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。主要發(fā)生在內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的砂礫土中。通過(guò)壩基的管涌示意圖壩基管涌失事示意圖2、流土。在上升流作用下，動(dòng)水壓力超過(guò)土重度時(shí)。土體的表面隆起、浮動(dòng)或某一顆粒群的同時(shí)起動(dòng)而流失的現(xiàn)象就稱(chēng)為流土。流土主要發(fā)生在滲流出口無(wú)任何保護(hù)的部位。發(fā)生于粘性土、粉土及互層狀土體。發(fā)生于砂土中時(shí)，所有顆粒同時(shí)處于懸浮狀態(tài)，而管涌只在小泉眼處出現(xiàn)細(xì)顆粒的跳動(dòng)。河堤下游覆蓋層下流砂涌出的現(xiàn)象3、接觸沖刷：當(dāng)滲流方向平行兩種滲透系數(shù)不同的土層接觸面或建筑物（含基礎(chǔ)）與地基的接觸面時(shí)，沿接觸面帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象。諸如建筑物與地基、土壩與涵管等接觸面流動(dòng)促成的沖刷。4、接觸流失：在層次分明、滲透系數(shù)相差懸殊的土層中，當(dāng)滲流垂直于層面將滲透系數(shù)小的土層中的細(xì)顆粒帶到滲透系數(shù)大的土層中的現(xiàn)象。管涌與流土的區(qū)別①管涌只發(fā)生在砂性土中，而流土在砂性土和粘性土中均可發(fā)生；②流土只發(fā)生在滲透水流上升區(qū)（逸出處），而管涌在滲透水流逸出處、入滲處和滲流區(qū)（地基土內(nèi)部）均可發(fā)生；③產(chǎn)生管涌的土體較松散，顆粒大小不一，且粘結(jié)力弱，而產(chǎn)生流土的土體較密實(shí)，顆粒大小均一，且具有一定的粘結(jié)力。二、滲透變形產(chǎn)生的條件根據(jù)滲透破壞的機(jī)理，可將條件分為兩種類(lèi)型：其一是動(dòng)水壓力和土體結(jié)構(gòu)，他們是產(chǎn)生滲透變形的必要條件；另一類(lèi)是地質(zhì)條件和工程因素，可稱(chēng)為充分條件。（一）滲流動(dòng)水壓力和臨界水力坡度的概念滲透壓力：是滲透水流作用在單位土體上的壓力，方向與滲流方向相同。其大小主要與滲透水流的水力坡降和水的容重有關(guān)，即：——?jiǎng)铀畨毫Α娜葜亍獫B透水流的水力坡降水力坡度：為水流沿滲透途徑的水頭降落值與相應(yīng)滲透途徑長(zhǎng)度的比值（,為水頭差，為滲流距離）臨界水力坡降就是滲透水流使土體剛剛發(fā)生滲透變形時(shí)具有的水力坡降。——臨界水力坡降——土的浮容重——土的孔隙度——土粒比重一般情況下，當(dāng)滲透水流的實(shí)際水力坡降值大于土體的臨界水力坡降時(shí)，則將產(chǎn)生滲透變形；反之，若滲透水流的實(shí)際水力坡降值小于土體的臨界水力坡降時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生滲透變形。在實(shí)際應(yīng)用中，因考慮到土體具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，故臨界水力坡度計(jì)算公式修正為（二）土的抗?jié)B強(qiáng)度

土體抗?jié)B強(qiáng)度一般指土體抵抗?jié)B透破壞的能力，是評(píng)價(jià)土體和水工建筑物滲透穩(wěn)定的主要依據(jù)。土體抗?jié)B強(qiáng)度的大小主要受土中顆粒級(jí)配及細(xì)粒物質(zhì)的含量的影響。(1)粗細(xì)粒徑的比例。研究表明，土體易于發(fā)生管涌的粗細(xì)粒徑比例為d60／d10＞20。土越疏松，細(xì)顆粒物質(zhì)在孔隙中隨滲流運(yùn)動(dòng)越容易。

(2)土的顆粒級(jí)配。土的級(jí)配用不均勻系數(shù)Cu表示。當(dāng)Cu＜10時(shí)，滲透變形的主要形式為流土；當(dāng)Cu＞20時(shí)，主要形式為管誦；當(dāng)Cu在10～20之間時(shí)，流土和管涌均可能發(fā)生。(三)地質(zhì)條件對(duì)滲透變形的影響(1)地層分布特征。單一的砂礫石層，以管涌型滲透變形為主。對(duì)于雙層及多層結(jié)構(gòu)的土層，滲透變形取決于表層粘性土的性質(zhì)、厚度和分布范圍。若粘性土層厚且分布范圍大，盡管下臥砂礫石層水力梯度大，也不易發(fā)生滲透變形。(2)地形地貌條件。溝谷深切影響了滲流的補(bǔ)給條件、滲徑長(zhǎng)度和出口條件，尤其是壩基上、下游的溝谷將表土層切穿，則有利于滲流的補(bǔ)給．并使?jié)B徑縮短而增大水力梯度；若下游地下水逸出段的滲流出口具有臨空條件，則有利于滲透變形的發(fā)生。(四)工程因素工程因素對(duì)滲透變形的影響主要包括大壩和汲水井的滲流出口條件、庫(kù)水位的驟降、施工破壞透水層及建筑物底面輪廓等。如我國(guó)發(fā)生的幾起土石壩滲透變形及潰壩事件，與滲流出口部位未加保護(hù)都有很大的關(guān)系：深基坑開(kāi)挖時(shí)，由于破壞了隔水層而造成基坑坑壁坍塌等，也屬于工程因素造成的滲透破壞類(lèi)型。三、滲透變形的防治措施控制壩基及地基的滲流，其主要任務(wù)可歸結(jié)為三點(diǎn)：一是盡量減少滲漏量；二是提早釋放滲透壓力，保證地基與水工建筑物有足夠的靜力穩(wěn)定性；三是防止?jié)B透破壞，保證滲透穩(wěn)定性。因此，滲透變形的防治措施可分為滲流水動(dòng)力條件改變、滲流出口保護(hù)和土石性質(zhì)改善等三個(gè)方面。（一）河堤管涌破壞的防治河灘路堤兩側(cè)有水位差時(shí)，水在路堤內(nèi)或基底土內(nèi)發(fā)生滲流，當(dāng)水力坡降較大時(shí)，可能產(chǎn)生管涌現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致路堤坍塌破壞。為了防止管涌現(xiàn)象的發(fā)生，具體措施有以下幾個(gè)方面：1、反濾倒?jié)B2、反濾圍井3、蓄水反壓（二）基坑流砂破壞的防治基坑開(kāi)挖排水時(shí)，若采用表面直接排水，坑底土將受到向上的動(dòng)水力作用并可能引發(fā)流砂現(xiàn)象。這時(shí)坑底土?xí)幻骈_(kāi)挖一面隨水涌出，無(wú)法清除，給工程建設(shè)造成極大困難。由于坑底土隨水涌入基坑，致使地基土結(jié)構(gòu)遭受破壞，強(qiáng)度降低，還可能誘發(fā)建筑工程事故。在基坑開(kāi)挖中防治流砂的主要措施是：①人工降低地下水位的辦法以減小或消除基坑內(nèi)外地下水的水頭差；②通過(guò)設(shè)置防水板樁等增長(zhǎng)滲流路徑；③在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡動(dòng)水力。第四節(jié)壩基（肩）的抗滑穩(wěn)定MalpassetDam1959FoundationTreatment一、壩基巖體滑動(dòng)破壞的類(lèi)型⑴表層滑動(dòng)⑵淺層滑動(dòng)⑶深層滑動(dòng)⑷混合滑動(dòng)二、滑動(dòng)邊界條件分析滑動(dòng)邊界條件的組成①滑動(dòng)面（底滑面），特點(diǎn)：1）產(chǎn)狀平緩、產(chǎn)狀穩(wěn)定；2）分布范圍廣；3）f、c值低；4）走向與壩軸線(xiàn)小角度相交。常見(jiàn)的滑動(dòng)面：軟弱夾層、斷層面、片理面、層理面。②切割面，1）縱向切割面：產(chǎn)狀陡；走向與壩軸線(xiàn)大角度相交；以剪應(yīng)力為主，法向應(yīng)力很小。2）橫向切割面：產(chǎn)狀陡，當(dāng)產(chǎn)狀平緩時(shí)，具有底滑面的作用（雙滑面）；走向與壩軸線(xiàn)小角度相交；屬拉裂面，可為追蹤面。③臨空面，滑移體的自由滑出面，類(lèi)型：1）水平臨空面：河床面；2）陡立臨空面：深潭、深槽、沖刷坑、下游基坑；3）陡傾角的過(guò)河斷層破碎帶、軟巖、風(fēng)化深槽、裂隙密集帶潛蝕溶洞。地下水與建筑物地基的滲漏和穩(wěn)定有很大關(guān)系:①地下水低于庫(kù)水時(shí)產(chǎn)生滲漏.②使巖石產(chǎn)生軟化泥化③形成集中滲漏通道④地下水對(duì)混凝土腐蝕作用第五節(jié)水庫(kù)與壩區(qū)滲漏的工程地質(zhì)條件分析

一、水庫(kù)區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題概述1.易發(fā)生庫(kù)岸坍塌2.水庫(kù)淤積3.浸沒(méi)4.水庫(kù)地震5.滲流等工程地質(zhì)問(wèn)題。二、庫(kù)區(qū)滲漏的地質(zhì)條件分析分暫時(shí)性滲漏和永久性滲漏。暫時(shí)性滲漏的水沒(méi)有流出庫(kù)區(qū)以外，通常說(shuō)的滲漏指永久性滲漏。

（一）地貌條件

（二）巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件第五節(jié)壩基的沉降和承載力一、壩基巖體的壓縮變形:（1）巖性軟硬不一，變形模量相差懸殊。（2）壩基或兩岸巖體中有較大的斷層破碎帶、卸荷裂隙帶等軟弱結(jié)構(gòu)面。（3）巖體內(nèi)存在溶蝕洞穴或潛蝕掏空現(xiàn)象，產(chǎn)生塌陷而導(dǎo)致不均勻變形。

二、壩基巖體的承載力:1.容許承載力:是指在保證建筑物安全穩(wěn)定的條件下,地基能夠承受的最大荷載壓力.具有兩方面含義:①不允許