20xx-20xx年第十章水文地质

20xx-20xx年第十章水文地质内容摘要：

动面、纵横向切割面、临空面，构 成了深层滑 动边界条件。 1．滑动面 滑动面是指坝基岩体滑动破坏时，发生明显位移的软弱结构面，通常构成滑动面的有 软弱夹层、断层破碎带、软弱岩脉、围岩蚀变带、缓倾角裂隙、层面等。 坝基岩体抗滑能 力主要取于滑动面的工程地质特性。 因此，滑动面及其抗剪强度指标的确定是坝基抗滑稳 定分析的关键。 2．切割面 切割面分为纵向切割面和横向切割面，它们是将坝基滑移体与周围岩体分割开的结构 面。 纵向切割面顺河方向延伸，工程作用力在该面上产生剪应力；横向切割面垂直于河流 方向发育，它垂 直于工程作用力方向，岩体滑动时在该面上产生拉应力。 3．临空面 临空面是滑移体向下游滑动时能够自由滑出的面。 存在于坝下游距坝趾不远的范围 内。 临空面有两大类：一类是水平临空面，例如下游的河床；另一类是陡立的临空面，例 如下游的河床深槽、溢洪冲刷坑等。 滑动面、切割面的共同组合，形成了坝基滑动的滑移体。 滑移体的形状随各种结构面 的组合而异。 常见的坝基滑移体有契形、棱柱形、锥形，如图 10 9所示。 每个滑移体都 包含有滑动面、切割面和临空面。 （二）影响坝基抗滑稳 定性的因素 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制约。 所以，分析抗滑 稳定影响因素时，主要应分析工程作用力和坝基工程地质条件。 1．工程作用力 (1)坝体自重：是其体积和材料重度乘积。 另坝上永久设备重量亦应计入。 (2)静水压力：作用于坝体上，与库水深度平方成正比，即 P一丢 ryHi (10 9) 式中 P水压力， kPa； H， —— 库水深度， m； rw水的重度， lokN／ Hi3。 下游尾水静水压力计算方 法与库水静水压力相同，只不过它们的作用方向相向。 (3)扬压力：包括浮托力和渗透压力两部分。 浮托力是指下游水位产生上举力；渗透 压力是指上下游水位差产生的动水压力。 、 扬压力对抗滑稳定影响较大，但难以精确计算。 扬压力的大小与坝基岩体结构面的 布、坝基防渗排水设施、施工工艺有关。 (4)地震力：在设计烈度为Ⅶ度以上的地区应计算地震力，包括地震惯性力、地震 水压力。 此外，在多泥沙河流上筑坝时，应考虑淤沙对坝产生压力；有时还应考虑波浪压力 冰压力等。 上述各种荷载并非同时 作用于坝体上。 作用于坝体上的荷载分为基本荷载组合和特荷载组合两大类。 基本荷载组合通常是指坝在正常运行期间可能遇到的正常设计水位时 设计洪水的各种荷载组合；特殊荷载组合包括校核洪水位和地震情况下的各种荷载组合。 l 2．坝基岩体的阻滑作用 l 各种荷载通过坝体传至坝基，由坝基岩体产生反力而得到平衡。 坝基岩体的阻滑作鹿 应考虑以下几个方面： (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。 形成港 动面的通常是一些软弱结构面，其抗剪强度的大小取决于结构面的成因、性 质、充填物懂质和厚度、结构面延展性、结构面乎整光滑程度等。 当滑动面为软弱 夹层，特别是泥化夹 层时，对坝基抗滑稳定性影响最大。 (2)切割面的阻滑作用。 目前坝基抗滑稳定计算不计岩体的侧向切割面阻滑作用的， 只是作为安全储备考虑。 一般情况下，侧向切割面的阻滑作用是客观存在的，特别是在断 层、裂隙走向与河流交角较大，连通性不强时，阻滑作用还是较大的。 例如，某混凝土重 力坝坝高 113m，滑动面的摩擦系数为 ，在对其中 4 42坝段的抗滑稳定计算时，不 计侧向切割面阻滑作用，计算大坝抗滑稳定系数为 0. 45和。 而计入侧向阻滑作用 （摩擦系数 ）后的安全系数则分别为 1. 54和 ，可以满足要求。 大坝建成数十年， 一直运行正常。 (3)坝下游抗力体的阻滑作用。 坝基下可能发生滑移的岩体中，有时下游的局部岩体 具有支撑或抗滑作用，这部分岩体称为抗力体。 当滑动面倾向下游而无陡立临空面或滑动 面平缓时，坝趾下游完整的岩体可以起到抵抗坝基岩体滑动作用。 （三）坝基岩体抗滑稳定计算 坝基岩体抗滑稳定计算方法有极限平衡法、有限单元法和地质力学模型试验等方法。 由于极限平衡法计算简明方便 ，又具有一定的精度，所以在工程上得到了广泛应用，下面 介绍这一方法。 1．表层滑移的抗滑稳定计算 表层滑移的稳定计算（图 10 10），常以式（ 10 10）、式 (10 11)来表述。 式中 忌。 、忌 7， —— 坝 基 抗 滑 稳 定 系 数 ； ∑ G作用于滑动面上的各种垂直力的总和； ∑ H作 用 于滑 动 面上 的 各种 水 平力 总和 ； “一一作用于滑动面上的扬压力； c坝体混凝土与坝基岩石接触面的内 聚力； A坝体底面积； ／ 厂一一坝体混 凝土与坝基岩石间的摩擦系数。 式（ 10 11）适用于计算大中型工程坝体沿基岩接 触面的抗滑稳性；式（ 10 10）适用于中小型工程中的中、低坝条件下，坝体沿基岩接触面的抗滑稳定性。 式（ 10 10）、式 (10 11)的不同在于，式 (10 10) 只考虑了摩擦力，而没考虑内聚力，走，是按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数，而走 7。 是 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。 抗剪强度是抗剪试验求得的指标，即在 c0的 设定条件下， r一 utan~求得 f。 而抗剪断强度是抗剪断试验求得的抗剪指标，即在 f≠ O 条件下， r=otan~39。 +c求得 f39。 因此，厂与厂 7是两个具有不同含义的摩擦系数。 故按式 (10 10)计算的实质是假定试件已被剪断，抗剪断强度已经消失，内聚力 c=0，这是坝 基依靠剪断后的摩擦力来维持稳定，所以尼，值实际上是稳定的下限，按式（ 10 10）． （ 10 11）计算的抗滑稳定安全系数忌，、志 7。 ，只有满足以下条件，坝基抗滑稳定性才毹 足工程要求，即对重力坝，荷载基本组合时，采用足。 ≥ 1. 0愚 7。 ≥ 3． OO。 特殊荷载缍 时，采用 k。 ≥ 1. 00、走 7。 ≥ ～。 2．浅层滑移的稳定计算 坝基浅层滑移的滑动面位于坝基岩体浅部，其抗滑稳定计算表达式形式同表层滑； 只是滑动面的抗剪指标采用坝体下软弱岩石或破碎岩石的抗剪强度指标，而不能采用滑 土与岩石间的抗剪强度指标。 如果坝基的抗滑稳定在表层及浅层都不能满足设计要求，除可增大坝体体积或进行 结灌浆外，还可采取如下措施。 (1)将坝基基岩面开挖成向下游抬高的斜面或台阶状，如图 10 11（口）所示。 (2)在基岩中增设齿墙，如图 10 11(6)所示。 (3)利 用 锚 索 或 锚 固 加 固 岩 体 ， 如 图 10 1 1 ( c ) 所示。 (4)利用下游的基岩抗力体，如图 10 11 (d)所示。 3．深层滑移的抗滑稳定计算 深层滑移的抗滑稳定计算，随滑移边界条件而异，且主要受滑动面的产状及结构面 l 组合形式 所控制。 以楔 形滑移体 为例， 具体计 算方法 如下。 取坝轴 线方向上的单宽剖硅 不考虑岩 体的天 然应力 、侧向 切割面 和横向切 割面作 用，按 平面问 题，用极限平衡原鼍 通常有以下三种情况。 (1)单 斜 滑 动 面 倾 向 下 游 ， 如 图 10 12（ 口 ） 所 示 ， 下 游 存 在陡立临空面。 一抗滑力 由 忌。 一 j 下滑力 可 得 k。 f[(∑ w+G) cos口一“一∑ Hsina] ∑ H cosa+(∑ W+G) sina 式中 G坝基滑移岩体重量； 口 —— 滑动面与水平面的夹角； ∑ W坝体重量； 其他符号意义同前。 (2)单斜滑动面倾向上游，如图 10 12 (b)所示。 L一厂 [(∑ W+G) cosa“ +∑ H sina] (3)双斜滑动面，如图 10 12 (c)所示。 当坝基分布有倾向下游和上游的滑动面 时，就构成了形状复杂的滑移体。 为简化计算，设坝基下滑动面倾向下游 ，到坝趾处折转 倾向上游。 此时，可将坝基岩体分为滑移体和抗力体两部分。 具体计算时，按块体静力传 递原理，坝基滑移体倾向下游滑动面上的剩余推力 R为该段滑动力与抗滑力之差，这样 就可以近似地认为是单斜倾向下游情况，即 R[∑ HCOSa+(∑ W+G1)sina] f1[(∑ W+G1COSa) Ul ∑ H sina](10 14) 根据剩余推力 R作用于抗力体情况，计算抗力体稳定系数。 一 f2 [Rsin(a177。 型 U2 +G2 cosp] k。 =： 一 Ros石干 p）一 G。 sinp 式中 Gi、 G2 坝基下滑移体和抗力体重量； 口、 P一 结 构 面 与 水 平 面 夹 角 ； f，、 f2结构面的抗剪强度指标； Ul、 U2 作用于结构面上扬压力； R滑移体作用于抗力体上的剩余推力； 其他符号意义同前。 上述计算未考虑凝聚力，根据不同的荷载组合，抗滑稳定安全系数要求在 之间。 三、坝肩的抗滑稳定性分析 坝肩的抗滑稳定性问题，往往在拱坝的设计中比较突出。 拱坝的受力特点在于利用拱 圈的作用，将上游水压力等荷载传至两岸岩体 上来维持稳定。 因此，坝肩岩体的稳定是坝 体稳定的关键。 拱坝一般选择在河谷狭窄、河谷断面对称、岸坡平顺地段，或河谷下游收 敛、向上游开阔的位置、对两岸岩体强度和完整性要求较高，岩体中存在的软弱夹层及各 种结构面，往往成为拱坝是否稳定的关键因素。 （一）拱坝坝肩稳定的地质条件分析 由于拱坝坝体薄，不但能节省大量的建筑材料，而且抗震性质很高。 例如日本的高 186m的黑部川第四拱坝建在地震设计烈度为 X度的高地震区。 美国的帕科依马双曲拱 坝，经受了 1 971年 2月 9日的。 所以拱坝成 为近代水利工程建设中 的常用坝型。 工程实践表明，拱坝的破坏多始于坝肩的失稳。 常见的可能导致坝肩失稳的 地质条件主要如下。 (1)坝肩岩体内存在（或潜在）滑裂面，例如各种裂隙面、断层面、软弱夹层、片理 面、不整合面等。 它们的延伸方向与拱端的推力方向间的夹角愈小，对坝肩稳定性愈不 利 ， 亦 即 沿 此 方 向 产 生 滑 动 破 坏 的 可 能 性 越 大 ， 如 图10 13所示。 (2)坝肩岩体内存在具有较大变形的岩层，如图 10 13所 示。 如断裂破碎带、风化岩层、软弱岩石、喀斯特溶蚀带、张性裂隙密集带等，它们的分布方向与 拱端推力方向间的夹角越大， 产生的变形量越大。 如果变形量超过了坝体的允许范围，就可 能引起拱冠的拉裂，甚至导致整个拱坝的破坏。 (3)坝肩岩体内存在渗透通道。 如果坝肩存在可溶性岩石 或被石膏、方解石等充填的裂隙岩石，则可能出现化学潜蚀。 如果位于坎肩的张性裂隙带内有泥质充填物，则在绕坝渗漏的渗透水流作用下，可能形成机械潜蚀。 坎肩岩体内的渗透破坏 作用的发展，亦会危及坎肩的稳定。 (4)地震、坝肩附近边坡变形破坏等，也会促使拱坝坝肩 岩体失稳。 （二）拱坝坝肩稳定性的力学分析方法 拱坝坝肩稳定的力学分 析方法，与前述重力坝坝肩抗滑稳 拱端的危险滑移体高程算。 如果逐层的计算结果是稳定的，则可认为拱坝坝肩是稳定 的。 如 果 部 分 拱 圈 的 计 算 结 果 不 稳 定 ，则 应做整体稳定计算。 对于双曲拱坝，一般应用三维应力计算，稳定分析很复杂，多采用地质力学模型试验方法及有限元计算。 但稳定分析所采用的地质指标和参数，仍需要深入现场调查研究，或 进行一定的工程地质试验才能取得。 第五节 坝基的沉降与承载力 一、概述 大坝所承受的各种荷载，连同坝体的自重，最后都要由坝基承担。 坝基（肩）的稳定除了上面已讲述的渗透稳定和抗滑稳定问题 外，还有坝基的压缩变形和强度问题。 坝基的 变形通常有两种方式：垂直变位和角变位，如图 10 14 所示。 对于拱坝来说，应是垂直 于拱端坝肩岩面的变位。 当坝基由均质岩层组成时，坝基（肩）的变形一沉降往往也是均匀的，如图 10 14（以）所示。 当坝基由非均质岩层组成时，且岩性差异显著时，则将产 不均匀变形生，如图 1◇ 14 (b)所示。 如果变形量特别是不均匀变形量超过了允许变形 量，则坝基将会产生破坏、进而导致坝体裂缝，甚至产生失稳，所以，在进行坝址坝轴线。