河海大学工程地质第五章

第五章坝基岩体稳定性的工程地质分析•概述•5.1坝基岩体的压缩变形与承载力•5.2坝基（肩）岩体的抗滑稳定分析•5.3坝基岩体抗滑稳定计算参数的选定•5.4降低坝基岩体抗滑稳定性的作用•5.5坝基处理概述•从世界上坝的破坏情况来看，原因是多种多样的。地质方面的原因造成的破坏事故约占30％一4096，其中，从具体的破坏原因和形式来看，又可详分如下类型：•(1)由于坝基的强度较低，运行期间又遭到进一步恶化所造成的破坏。•(2)由于坝基(肩)的抗沿稳定性较低．运行期间又遗到进一步恶化所造成的滑动破坏。•(3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝或堆石坝坝基和坝坡的坍滑。•(4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走，使坝基被构空而造成的破坏。•(5)由于坝肩岩体的稳定性较低，运行期间空隙水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破坏。安徽拇山水库大坝的事故就是这样造成的。•(6)坝下游岩体冲刷(溢流冲刷)构空，也可造成大坝的破坏。•(7)由地震和水库地震所造成的破坏或损害。各种坝型对工程地质条件的要求⑴土石坝土石和堆石坝是由粘土、黄土、砂土、砾石、碎石、块石料散体堆积而成的，上下游边坡与堆筑材料的稳定坡角应相适应，以保持坝坡的稳定。⊙特点：•①坝体是柔性的，允许产生较大的变形。•②坝体断面和底宽均较大，对地基的压应力较小，抗滑稳定问题不突出。•③防渗墙的重要性。•④坝顶不能溢流：对两岸地形（垭口或有布置洞群的条件）要求高，对近坝库段稳定（涌浪漫顶）要求高。⊙要求或问题总体上看，对坝基要求低，但应注意研究如下问题：①坝肩边坡较陡时，应注意坝体与地基岩体的接触问题；②当坝基分布有深厚砂砾石层时，应注意渗漏和渗透稳定；③当坝基分布有软土层时：承载力低，沉降大；厚度变化大时，不均匀沉降问题突出；④当坝基分布有黄土时，应注意湿陷性问题；⑤当坝基分布有疏松砂土及少粘性土（粘粒含量15%）时，应注意液化问题（静力和动力）；⑥当坝基分布有岩溶时，应注意渗漏和塌陷问题；⑦当坝基分布有断层破碎带以及强透水带或泥化夹层时，应注意渗透变形、抗滑稳定问题；⑧应注意含有可溶岩类的岩土体；⑨透水坝基下游坝趾处分布有连续的、透水性较差的覆盖层时，应注意扬压力和流土问题；⑩需有丰富的、满足质量要求的天然建材。⑵重力坝⊙特点：①坝体刚度大，坝基不允许产生较大的不均匀变形；②坝体断面和底宽相对较大，压应力也较大，所以对坝基的承载力和抗滑稳定要求均较高；③坝顶可布置泄洪建筑物，坝内可布置发电、泄洪建筑，所以对两岸可无布置洞群的要求；④对地形适应性好；⑤以自身重量维持稳定。⊙要求：①具有足够的抗滑能力，能满足抗滑稳定的要求；②具有足够的承载力和刚度，且要求具有较好的均匀性和完整性；③坝基、坝肩具有良好的抗渗性和渗透稳定性，不产生大量渗漏和过大的扬压力，也不会产生岩体的软化、泥化和软弱夹层、断层破碎带的渗透变形；④峡谷区近坝库段和坝肩稳定性好；⑤采取坝顶泄水方案时，坝下游河床具有较好的抗冲刷能力；⑥坝址区附近应有足够的、符合质量要求的混凝土骨料或石料。⊙特点：①通过拱的传力作用将水荷载等水平推力传至坝肩，其稳定性主要依靠坝肩维持；②拱坝的稳定性对坝的整体性和形态很敏感；③断面和底宽较小；④属整体结构，其抗震性能好。⊙要求：①对河谷断面形态要求高：对称、狭窄（V型、U型）、宽高比小（1.5~2理想，最好≯3.5，随着技术水平的提高，逐渐放宽，可大至十几）；②两岸坝肩要求：完整、均匀、新鲜、稳定、强度高、耐风化。滑坡体、强风化岩体、断层破碎呆，具软弱夹层的易产生塑性变形和滑动的岩体均不宜作为两端的拱座。③由于底宽更小，所以对抗渗性和渗透稳定性要求更高。⑶拱坝龙滩水电站三峡水利枢纽工程ColoradoRiverandGlenColoradoRiverandGlenCanyonDamatPage,AZ.Viewdownstream.RocksarepartoftheGlenCanyongroupofTriassicandJurassicage.Note:2photoshere5.1坝基岩体的压缩变形与承载力1.坝基岩体的压缩变形重力坝拱坝压缩变形坝基沉陷不仅有坝基沉陷，还有沿拱端推力方向引起的近水平向的变形。坚硬完整的岩体，变形模量值很高，压缩变形很小，如果变形均匀一致时，坝体安全稳定没有影响。但是一旦发生不均匀变形沉陷，坝体中产生拉应力，从而产生裂缝。产生不均匀变形的地质因素：①岩性软硬不一，变形模量值相差悬殊。②坝基或两岸岩体中有较大的断层破碎带、裂隙密集带、卸荷裂隙带等软弱结构面。③岩体内存在有溶蚀洞穴或潜蚀掏空现象产生塌陷而导致不均匀变形。软弱岩层和软弱结构面的产状和分布位置对岩体变形有显著影响。2.坝基岩体承载力的计算与评价⑴确定承载力的方法①理论计算方法：1）极限荷载法：Pu=γDNq+CNc，缺点：Pu随D增加而增加，但有临界深度问题2）容许应力法:Pcr、P1/4、P1/3，临塑荷载Pcr过于保守→临界荷载P1/4、P1/3②原位试验法：主要用于土质及软岩地基，如载荷试验、触探试验、标贯试验等。③规范查表法：不同行业执行不同的规范。有地基基础设计规范和相关的勘察规范。如《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)，《岩土工程勘察》（GB50021-94）,《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）等。特殊性土有专门规范，如《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25-90）④经验类比法：“工程岩体质量分级标准”及《港口果农过程地质勘察规范》中列有经验值非经处理不宜作为水工建筑物的天然地基。⑵坝基承载力的评价（《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99））①松软土地基的承载力据N63.5初步评价：N63.5＜4的粘土为软土；N63.5＜10的砂土为松砂层。N63.5＞15的粘土为硬土层；N63.5＞30的砂土为紧密砂层。②坝基岩体的承载力•根据岩块饱和单轴极限抗压强度（Rc），结合裂隙发育程度，折减后作为坝基岩体的容许承载力。1）坚硬和半坚硬岩（Rc30MPa）：fk=1/7Rc裂隙不发育（间距＞1.0m）（1/7-1/10）Rc裂隙较发育（间距1.0-0.3m）（1/10-1/16）Rc裂隙发育（间距0.3-0.1m）（1/16-1/20）Rc裂隙极发育（间距0.1m）2）软弱岩石（Rc30MPa）：fk=1/5Rc裂隙不发育（间距＞1.0m）(1/5-1/7)Rc裂隙较发育（间距1.0-0.3m）(1/7-1/10)Rc裂隙发育（间距0.3-0.1m）(1/10-1/15)Rc裂隙极发育（间距0.1m）较好的天然地基。①基岩承载力基本值（fo）的确定:岩体级别ⅠⅡⅢⅣⅤF0(MPa)7.07.0~4.04.0~2.02.0~0.50.5⑶工业与民用建筑地基岩体承载力的确定（GB50218-94）基岩面形态平坦型反坡型顺坡型台阶型岩面坡度0～1010～2010～20台阶高5m1.00.90.80.7②基岩承载力标准值(fk)的确定;fk=ηfoη为基岩形态折减系数：⑷关于标准值①水电工程：•标准值是试验成果经过分析整理、统计修正或考虑概率、岩石强度破坏准则等经验修正后的参数值，只反映岩土试件的特性。•地质建议值是指地质人员根据试件所在层位的总体地质条件，对标准值进行调整后提出的，使标准值更符合于岩土体所在的地质环境，具有更好的地质代表性，其目的是使参数取值更合理。②岩土工程：•岩土参数的标准值fk是岩土工程设计时所采用的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。⑴强度指标的选择求解软土地基承载力的理论方法中，抗剪参数是重要的参数，应正确选用。①不固结不排水剪（UU），也称快剪：加σ3和加σ1-σ3都不允许排水。用于施工期短、加荷速率快、渗透系数小、排水条件差、厚度很大的饱和粘土地基或斜坡的稳定性分析。快剪试验不能反映土的天然应力状态，所以提出CKoU试验，即在天然应力条件下固结，然后再进行排水剪切。3.软土地基承载力的计算②固结不排水剪（CU），也称固结快剪：加σ3允许排水，加σ1～σ3都不允许排水;用于一般性建筑在施工期中，加荷速率慢、渗透系数大、排水条件好、土层较薄的地基土强度指标的计算。加σ3和加σ1-σ3都充分排水，u=0，所以施加的应力就是作用在土样上的有效应力;一般仅用于建筑物施工期较长、地基土的排水条件很好，能充分提高地基土强度时使用;慢剪强度=有效应力强度，是一种比较稳定的指标;试验周期长，工程上应用较少。③固结排水剪（CD），也称慢剪：⑵计算方法的选择目前，计算强度指标的方法有2种：①有效应力法该方法最符合土的基本理论基础，抗剪强度与有效应力的对应关系已为理论和试验证明。但目前较为困难的是：土中的u难于准确确定，而有效快剪强度指标都是u的函数。tg)(uc不合理之处：总应力与抗剪强度无对应关系，不考虑u影响。但目前仍广泛应用于一般工程中。优点：计算方便、多年应用中积累了不少经验。对于软土地基，如果施工期短，有效应力变化不大，则抗剪强度往往接近于不排水总强度。②总应力法⑶高层建筑地基承载力的计算目前我国有2类计算模式：①极限荷载法(Pu):•太沙基极限承载力公式；•普朗特尔极限承载力公式；•汉森极限承载力公式。•缺点或应注意的问题：临界深度问题。②容许应力法：•也称临塑荷载法（Pcr），过于保守→临界荷载法P1/4、P1/3（在偏心荷载作用下，且B≥3m）。注意：1）该方法的基本假定之一：Ko=1（实际上为0.35~0.8），据以计算土的自重应力，并用弹性理论计算附加应力→当出现较大塑性变形时，不合实际。2）计算公式是根据条形分布荷载推导而得，但用于空间问题偏于保守。3）公式推导中未考虑基础刚度的影响。•在均布条形荷载作用下，土中任一点的应力来源于：1）基础底面的附加应力p-γD：条形分布；2）基底处的边侧荷载γD：均布；3）基底面以下土的自重应力γz。因Ko=1,所以土中任一点M的主应力：2β为M点视角（弧度）；γ为土的重度（kN/m3）；D为埋深（m）；p为基底压力（kN/m2）。当M点的应力达到极限平衡时，据M-C准则，应有：将σ1、σ3代入上式得：ctg2Sin3131cDzDp)2Sin2(π3DzDp)2Sin2(π1DcDpzctg)2Sin2Sin(π•塑性区最深点的确定：•代入z式，得：令zmax=0时，得：临塑荷载pcr（是指理论上地基土中刚出现剪切破坏—塑性变形时，基底单位面积上所承受的荷载）cNDNDcDppcdcr2πctgctgπ）（DcBDpp2πctgctg41π4/1）（DcBDpp2πctgctg31π3/1）（2π2,Sin2cos,0dd),1Sin2cos(2πdd故则令zDpzDcDpzctg)2π(ctgπmax令zmax=1/4B时，得：临界荷载p1/4（实践证明，可以容许地基土中有不大的塑性区，对于建筑物安全无妨害）同理可得p1/3:5.2坝基（肩）岩体的抗滑稳定分析1.坝基岩体滑动破坏的类型试验研究的资料表明，由于坝基岩体特征不同，重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型，即：表面滑动、浅层滑动和深层滑动。⑴表面滑动——沿混轻土基础与基岩接触面发生的剪切滑动。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，混凝士基础与基岩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。摩擦系数——根据现场剪切试验资料，考感到坝区的工程地质、水文地质条件的特点，并参照国内外已建的类似工程的经验数据确定的。⑵浅层滑动——当坝基表