《工程地质与土力学》第五章水利工程一般质地问题课件.ppt
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- 工程地质与土力学 工程地质 土力学 第五 水利工程 一般 质地 问题 课件
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1、 第五章第五章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题 第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题 第五章第五章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题 本章教学要求:本章教学要求: 1 1、掌握工程地质条件的概念、理解工程地质条件对水利工、掌握工程地质条件的概念、理解工程地质条件对水利工程建筑的影响。程建筑的影响。 2 2、了解坝、渠道、隧洞的主要工程地质问题。、了解坝、渠道、隧洞的主要工程地质问题。 3 3、了解山岩压力和弹性抗力的概念。、了解山岩压力和弹性抗力的概念。第第1 1节节 坝的工程地质问题坝的工程地质问题教学目的与要求:v 了解坝基岩体滑动破坏的类型
2、了解坝基岩体滑动破坏的类型v 理解坝基抗滑动稳定计算公式理解坝基抗滑动稳定计算公式v 了解抗滑稳定计算中主要参数的确定方法了解抗滑稳定计算中主要参数的确定方法第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题一、一、坝基的稳定问题坝基的稳定问题 坝基的稳定坝基的稳定是指坝基岩体在水压力及上部荷载作下,不产生过大的沉是指坝基岩体在水压力及上部荷载作下,不产生过大的沉降或不均匀沉降(称沉降稳定),不产生滑动(称抗滑稳定)和在渗透水流降或不均匀沉降(称沉降稳定),不产生滑动(称抗滑稳定)和在渗透水流作用下,不产生过大的渗透变形(称渗透
3、稳定)。作用下,不产生过大的渗透变形(称渗透稳定)。 1、坝基的沉降稳定问题、坝基的沉降稳定问题 坝基在垂直压力作用下,产生的竖向压缩变形称为坝基在垂直压力作用下,产生的竖向压缩变形称为坝基沉降坝基沉降。 显然沉降量过大或产生不均匀沉降,将会导致坝体的破坏或影响正常显然沉降量过大或产生不均匀沉降,将会导致坝体的破坏或影响正常使用。使用。 由坚硬岩石构成的坝基、强度高、压缩性低,不会产生过大的沉降。由坚硬岩石构成的坝基、强度高、压缩性低,不会产生过大的沉降。 但当坝基岩体中存在软弱夹层、断层破碎带、节理密集带和较厚的强但当坝基岩体中存在软弱夹层、断层破碎带、节理密集带和较厚的强风化岩层时,则有可
4、能产生较大的沉降或不均匀沉降,甚至导致破坏。风化岩层时,则有可能产生较大的沉降或不均匀沉降,甚至导致破坏。 影响沉降的因素,除岩性和地质构造外,还要考虑软弱影响沉降的因素,除岩性和地质构造外,还要考虑软弱夹层的存在位置和产状。如夹层的存在位置和产状。如图图1所示:所示: 当软弱夹层在坝基中呈水平时,有可能产生沉降变形当软弱夹层在坝基中呈水平时,有可能产生沉降变形如图如图1(a)。 当位于下游坝址处时,则易使坝体向下游倾覆当位于下游坝址处时,则易使坝体向下游倾覆如图如图1(b)。若位于坝的上游坝踵处,沉降影响较小。若位于坝的上游坝踵处,沉降影响较小如图如图1(c)。 选择坝址时应尽量避开软弱岩石
5、分布地带,当不能避选择坝址时应尽量避开软弱岩石分布地带,当不能避开时,应采取加固措施,如固结灌浆和开挖回填混凝土等开时,应采取加固措施,如固结灌浆和开挖回填混凝土等 第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题软弱岩层和软弱结构面的产状对沉降变形的影响某坝址横剖面示意图砂岩砂岩页岩页岩花岗岩花岗岩可能产生可能产生 的问题?的问题?贵州某坝址示意图厚厚55558383米的米的粘土页岩粘土页岩可能出现的可能出现的工程地质问工程地质问题?题?垂直推力方向分布较厚的软垂直推力方向分布较厚的软弱岩层或软弱结构面或裂隙密集带弱岩层或软弱结构面或裂隙密集带 为了保证建筑物的安全和正常运用,应将
6、地基沉降变形量限制在一定容许范为了保证建筑物的安全和正常运用,应将地基沉降变形量限制在一定容许范围内,工程中通常用地基容许承载力来表示。围内,工程中通常用地基容许承载力来表示。 岩基的容许承载力是指岩基在荷载作用下,不产生过大的变形、破裂所能承岩基的容许承载力是指岩基在荷载作用下,不产生过大的变形、破裂所能承受的最大压强,一般用单块岩石的极限抗压强度除以折减系数得出,即:受的最大压强,一般用单块岩石的极限抗压强度除以折减系数得出,即: KRRc式中:式中: R-岩基容许承载力,岩基容许承载力,KPa; Rc -岩石的饱和极限抗压强度,岩石的饱和极限抗压强度,KPa; K -折减系数。折减系数。
7、第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题折减系数折减系数K是因为单块岩石容许承载力要远高于岩体的抗压强度,而用是因为单块岩石容许承载力要远高于岩体的抗压强度,而用Rc 去评价被各种结构面切割的岩体时,必须除以折减系数,才能评价岩体的去评价被各种结构面切割的岩体时,必须除以折减系数,才能评价岩体的容许承载力。容许承载力。 一般对于特别坚硬的岩石,一般对于特别坚硬的岩石,K取取2025;对于一般坚硬的岩石;对于一般坚硬的岩石K取取1020;对于软弱的岩石;对于软弱的岩石K取取510;对于风化的岩石;对于风化的岩石参照上述标准相应降低参照上述标准相应降低2550。 岩基的承载力一般
8、较高,多数能满足筑坝要求。岩基的承载力一般较高,多数能满足筑坝要求。 故故R往往不是设计中的控制性指标。往往不是设计中的控制性指标。 对于建筑在较软弱、破碎地基上的大型重要建筑物,为了正确确定地基对于建筑在较软弱、破碎地基上的大型重要建筑物,为了正确确定地基的承载力,应在现场进行荷载试验。的承载力,应在现场进行荷载试验。第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题表层滑动表层滑动 表层滑动表层滑动是指坝体混凝土底面与基岩接触面之间的剪断破坏现象。是指坝体混凝土底面与基岩接触面之间的剪断破坏现象。 一般发生在基岩比较完整、坚硬的坝基,上部坝体与下部基岩的抗剪一般发生在基岩比较完整、
9、坚硬的坝基,上部坝体与下部基岩的抗剪强度都比较大,只有在二者的接触面,由于基础处理、特别是清基工作质强度都比较大,只有在二者的接触面,由于基础处理、特别是清基工作质量欠佳,致使浇筑的坝体混凝土与开挖的基岩面粘结不牢,抗剪强度未能量欠佳,致使浇筑的坝体混凝土与开挖的基岩面粘结不牢,抗剪强度未能达到设计要求而形成达到设计要求而形成如图如图2(a)。2、坝基的抗滑稳定分析、坝基的抗滑稳定分析 坝基岩体在大坝重量及水压力的共同作用下产生的滑动,是重力坝破坝基岩体在大坝重量及水压力的共同作用下产生的滑动,是重力坝破坏的主要形式。坏的主要形式。 坝基的抗滑稳定分析坝基的抗滑稳定分析是坝设计中的一个重要因素
10、。是坝设计中的一个重要因素。坝基岩体滑动破坏的类型坝基岩体滑动破坏的类型(按滑动面发生位置的不同)(按滑动面发生位置的不同)第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题浅层滑动浅层滑动 浅层滑动浅层滑动是指沿坝基深度较浅处岩体表层的软弱结构面而发生的是指沿坝基深度较浅处岩体表层的软弱结构面而发生的滑动滑动如图如图2 2(b b)。 浅层滑动往往发生在施工中对风化岩石的清除不彻底、基岩本身浅层滑动往往发生在施工中对风化岩石的清除不彻底、基岩本身比较软弱破碎,或在浅部岩体中有软弱夹层未经有效处理等情况下。比较软弱破碎,或在浅部岩体中有软弱夹层未经有效处理等情况下。深层滑动深层滑动 当
11、坝基岩体某一深度处存在一组软弱结构面或多组结构面的不利组当坝基岩体某一深度处存在一组软弱结构面或多组结构面的不利组合时,软弱结构面上覆岩体和坝体本身的抗剪强度都较高,而组成软弱合时,软弱结构面上覆岩体和坝体本身的抗剪强度都较高,而组成软弱结构面的物质的抗剪强度却相对较低,这时坝体和软弱面上覆岩体作为结构面的物质的抗剪强度却相对较低,这时坝体和软弱面上覆岩体作为一个整体,在水平推力的作用下,就可能沿该软弱结构面(或结构面的一个整体,在水平推力的作用下,就可能沿该软弱结构面(或结构面的不利组合)形成滑动。这种滑动称为不利组合)形成滑动。这种滑动称为深层滑动深层滑动如图如图2(c)。第第五五章章 水
12、利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题图图2 坝基滑动破坏的形式坝基滑动破坏的形式(a)表层滑动:()表层滑动:(b)浅层滑动:()浅层滑动:(c)深层滑动)深层滑动坝基滑动的边界条件坝基滑动的边界条件 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。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周岩体分离的切割面,以及具有自由空间的临空面构成割面,以及具有自由空间
13、的临空面构成(如图(如图3)。 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,组成各种形状,构成可能产生滑动的结构体, 一般常见的结构体形状有:一般常见的结构体形状有:楔形体楔形体、棱形体棱形体、锥形体锥形体、板状体板状体四类四类(如图(如图4)。第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题图图3坝基滑动边界条件坝基滑动边界条件ABCD滑动面:滑动面:ADE、BCF、ABEF切割面:切割面:CDHG临空临空面滑
14、动面滑动面临空面临空面图图4坝基滑动本类型坝基滑动本类型(a)楔形体:()楔形体:(b)棱柱体:()棱柱体:(c)锥形体:()锥形体:(d)板状)板状 第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题坝基抗滑稳定计算公式坝基抗滑稳定计算公式 在在坝基抗滑稳定坝基抗滑稳定验算中,通常采用静力极限平衡原理方法,将作用在验算中,通常采用静力极限平衡原理方法,将作用在坝基岩体的各种力均投影到同一可能的滑动面上,并按其性质分滑动力与抗坝基岩体的各种力均投影到同一可能的滑动面上,并按其性质分滑动力与抗滑力两部分,滑力两部分,抗滑力抗滑力与与滑动力滑动力的比值称为的比值称为抗滑稳定性抗滑稳定性系数
15、系数Fs,即:,即:滑动力抗滑力sF下面就表层滑动介绍目前常用的两种类型的计算公式,参见下面就表层滑动介绍目前常用的两种类型的计算公式,参见图图5。 第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题图图5坝基滑动边界条件坝基滑动边界条件ABCD滑动面:滑动面:ADE、BCF、ABEF切割面:切割面:CDHG临空面临空面HUVfFs)(HcAUVfFs)((式2)(式3)式中 抗滑稳定安全系数,一般取值为1.01.1, 取值在3.05.0之间; 作用在滑动面上的竖向力之和,KN; 作用在滑动面以上的水平力之和,KN; U作用在滑
16、动面上的扬压力,KN; c滑动面的粘聚力,KPa; A滑动面的面积,m2; f摩擦系数。sFsFVHsFsF第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题(式(式2)和(式)和(式3)的区别在于是否考虑粘聚力)的区别在于是否考虑粘聚力c的作用。(式的作用。(式2)不考虑粘聚)不考虑粘聚力力c,主要是由于,主要是由于c值受很多因素影响(如风化程度、清基质量以及作用力的值受很多因素影响(如风化程度、清基质量以及作用力的大小等),正确选择大小等),正确选择c值有困难。因此可以不考虑它,并将其作为安全储备,值有困难。因此可以不考虑它,并将其作为安全储备,这样可以降低这样可以降低Fs值。值。
17、(式(式3)考虑了)考虑了c值,是认为滑动面处于胶结状态,适用于混凝土与基岩的胶值,是认为滑动面处于胶结状态,适用于混凝土与基岩的胶结面及较完整的基岩。结面及较完整的基岩。抗滑稳定计算中主要参数的确定抗滑稳定计算中主要参数的确定 从(式从(式2)、()、(3)中可以看出,)中可以看出,f、c值的大小对岩体稳定性影响很大值的大小对岩体稳定性影响很大。如果选值偏大,则坝基稳定性没有保证;反之则会造成工程上的浪费。如果选值偏大,则坝基稳定性没有保证;反之则会造成工程上的浪费 目前对抗剪强度指标的选定,一般采用三种方法。目前对抗剪强度指标的选定,一般采用三种方法。v经验数据法经验数据法 对无条件进行抗
18、剪试验的中小型水利水电工程,可在充分研究坝基工对无条件进行抗剪试验的中小型水利水电工程,可在充分研究坝基工程地质条件的基础上,参考经验数据确定程地质条件的基础上,参考经验数据确定f、c值。表值。表1是根据我国经验得是根据我国经验得出的摩擦系数出的摩擦系数f值,可供参考。值,可供参考。第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题岩体特征岩体特征摩擦系数摩擦系数(f)极坚硬、均质、新鲜岩石,裂隙不发育,地基经过良好处理,湿抗极坚硬、均质、新鲜岩石,裂隙不发育,地基经过良好处理,湿抗压强度压强度 100MPa,野外试验所得,野外试验所得E 2104 MPa0.650.75岩石坚硬、新鲜
19、或微风化,弱裂隙性,不存在影响坝基稳定的软弱岩石坚硬、新鲜或微风化,弱裂隙性,不存在影响坝基稳定的软弱夹层,地基经处理后,岩石湿抗压强度夹层,地基经处理后,岩石湿抗压强度 60Mpa,E 1104 MPa0.650.70中等硬度的岩石,岩性新鲜或微风化,弱裂隙性或中等裂隙性,不中等硬度的岩石,岩性新鲜或微风化,弱裂隙性或中等裂隙性,不存在影响坝基稳定的软弱夹层,地基经处理后,岩石湿抗压强度存在影响坝基稳定的软弱夹层,地基经处理后,岩石湿抗压强度 20Mpa,E 0.5104 MPa0.500.60坝基岩体摩擦系数(坝基岩体摩擦系数(f)经验数据表)经验数据表 表表1第第五五章章 水利工程的一般
20、地质问题水利工程的一般地质问题v工程地质类比法工程地质类比法 此法是参考工程地质条件相似且运转良好的已建工程所采用的此法是参考工程地质条件相似且运转良好的已建工程所采用的f、c值值,作为拟建工程的设计指标。这种方法实质上也是经验数据法,但由于条,作为拟建工程的设计指标。这种方法实质上也是经验数据法,但由于条件相似,则更接近实际情况,适用于中、小型工程采用。件相似,则更接近实际情况,适用于中、小型工程采用。v试验法试验法 试验法试验法是通过室内与现场试验求得抗剪强度指标是通过室内与现场试验求得抗剪强度指标f、c值。值。 采用试验法确定抗剪强度指标时,通常分三步选定。采用试验法确定抗剪强度指标时,
21、通常分三步选定。 即由试验人员通过试验、整理后提出试验指标;即由试验人员通过试验、整理后提出试验指标; 再由地质人员根据工程地质条件等因素予以调整后提出建议指标;再由地质人员根据工程地质条件等因素予以调整后提出建议指标; 最后设计人员根据工程特点对建议指标进行适当调整,提出设计时采最后设计人员根据工程特点对建议指标进行适当调整,提出设计时采用的计算指标。用的计算指标。坝基处理坝基处理 经过以上分析和计算,认为坝基稳定存在问题时,应采取措施,以保经过以上分析和计算,认为坝基稳定存在问题时,应采取措施,以保证工程的安全。常用的处理措施如下:证工程的安全。常用的处理措施如下:第第五五章章 水利工程的
22、一般地质问题水利工程的一般地质问题 经过以上分析和计算,认为坝基稳定存在问题时,应采取措施,以经过以上分析和计算,认为坝基稳定存在问题时,应采取措施,以保证工程的安全。常用的处理措施如下:保证工程的安全。常用的处理措施如下:v清基清基 将坝基岩体表层松散软弱、风化破碎的岩层以及浅部的软弱夹层等将坝基岩体表层松散软弱、风化破碎的岩层以及浅部的软弱夹层等开挖清除,使基础位于较新鲜的岩体之上。开挖清除,使基础位于较新鲜的岩体之上。 清基时,应使基岩表面略有起伏,并使之倾向上游,以提高抗滑性清基时,应使基岩表面略有起伏,并使之倾向上游,以提高抗滑性能能v岩体加固岩体加固 可通过固结灌浆,将破碎岩体用水
23、泥胶结成整体,以增加其稳定性可通过固结灌浆,将破碎岩体用水泥胶结成整体,以增加其稳定性 对软弱夹层可采用锚固处理,即用钻孔穿过软弱结构面,进入完整对软弱夹层可采用锚固处理,即用钻孔穿过软弱结构面,进入完整岩体一定深度,插入预应力钢筋,用以加强岩体稳定。岩体一定深度,插入预应力钢筋,用以加强岩体稳定。第第五五章章 水利工程的一般地质问题水利工程的一般地质问题江西某水电站江西某水电站:江西某水电站: 混凝土重力坝,坝高混凝土重力坝,坝高68米,坝项长米,坝项长143米,米,底宽底宽58米,坝区为中、下泥盆统的石英砂岩、石米,坝区为中、下泥盆统的石英砂岩、石英砾岩及紫红色砂岩与板岩互层。即在坚硬的石
24、英砾岩及紫红色砂岩与板岩互层。即在坚硬的石英砂岩中夹有厚度不等、分布不均的薄层板岩。英砂岩中夹有厚度不等、分布不均的薄层板岩。另发育有四组节理,其中另发育有四组节理,其中2组节理与板岩(泥化组节理与板岩(泥化夹层)形成坝下滑动体的形状近似于楔形体,如夹层)形成坝下滑动体的形状近似于楔形体,如下图所示。下图所示。问题:问题:1.是否对坝基的稳定产生影响?是否对坝基的稳定产生影响? 2.工程中如何处理?工程中如何处理?问题:抗滑稳定问题;工程处理措施 1.由于具备了坝基岩体滑动的边界条件,因此需要进行稳定计算。2.工程处理措施: 将坝基中部戊、已、庚三个坝块下的泥化夹层全部挖除,丙、丁、辛三个坝块
25、挖掉一部分,丙块坝基下尚保留有该块面积的85.5,且距地基面较近,对其抗滑稳定 性按其楔形体进行了计算,证明是稳定的,其他坝下的泥化夹层,埋藏较深,且已至岸边,所以问题不大。法国马耳帕赛典型实例 马尔帕赛坝修建于19521954年,坝型为混凝土双曲薄拱坝,最大坝高66.5米,坝底宽仅为6.9米,坝顶宽1.5米,坝顶长222.7米,最大库容为5000万立方米,坝顶中部有29.7米的溢流段。全部混凝土方量为47500万立方米。它是世界上最薄的拱坝之一,它的破坏是拱坝建筑史上的第一次巨大破坏事件,因此,世界各国的水工建筑、工程地质、岩石力学的人员均非常重视。破坏的原因分析破坏的原因分析: 经过详细要
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