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第五章第五章 坝基岩体稳定性的工程地坝基岩体稳定性的工程地质分析质分析概述概述5.15.1坝基岩体的压缩变形与承载力坝基岩体的压缩变形与承载力5.25.2坝基（肩）岩体的抗滑稳定分析坝基（肩）岩体的抗滑稳定分析5.35.3坝基岩体抗滑稳定计算参数的选定坝基岩体抗滑稳定计算参数的选定5.45.4降低坝基岩体抗滑稳定性的作用降低坝基岩体抗滑稳定性的作用5.55.5坝基处理坝基处理概述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面的原因造成的破坏事故约占3030一一40964096，其中，从具体，其中，从具体的破坏原因和形式来看，又可详分如下类型：的破坏原因和形式来看，又可详分如下类型：(1)(1)由于坝基的强度较低，运行期间又遭到进一步恶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。化所造成的破坏。(2)(2)由于坝基由于坝基(肩肩)的抗沿稳定性较低运行期间又遗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。到进一步恶化所造成的滑动破坏。(3)(3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝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。或堆石坝坝基和坝坡的坍滑。(4)(4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走，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。使坝基被构空而造成的破坏。(5)(5)由于坝肩岩体的稳由于坝肩岩体的稳定性较低，运行期间空定性较低，运行期间空隙水压力增大又使其稳隙水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破坏。安徽的坝肩滑动破坏。安徽拇山水库大坝的事故就拇山水库大坝的事故就是这样造成的。是这样造成的。(6)(6)坝下游岩体冲刷坝下游岩体冲刷(溢溢流冲刷流冲刷)构空，也可造构空，也可造成大坝的破坏。成大坝的破坏。(7)(7)由地震和水库地震由地震和水库地震所造成的破坏或损害。所造成的破坏或损害。各种坝型对工程地质条件的要求各种坝型对工程地质条件的要求土石坝土石坝 土石和堆石坝是由粘土、黄土、砂土、砾石、碎石、块石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。应，以保持坝坡的稳定。特点：特点：坝体是柔性的，允许产生坝体是柔性的，允许产生较大的变形。较大的变形。坝体断面和底宽均较大，坝体断面和底宽均较大，对地基的压应力较小，抗滑对地基的压应力较小，抗滑稳定问题不突出。稳定问题不突出。防渗墙的重要性。防渗墙的重要性。坝顶不能溢流：对两岸地形（垭口或有布置洞群坝顶不能溢流：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）要的条件）要求高，对近坝库段稳定（涌浪漫顶）要求高。求高。要求或问题要求或问题 总体上看，对坝基要求低，但应注意研究如下问题：总体上看，对坝基要求低，但应注意研究如下问题：坝肩边坡较陡时，应注意坝体与地基岩体的接触问题；坝肩边坡较陡时，应注意坝体与地基岩体的接触问题；当坝基分布有深厚砂砾石层时，应注意渗漏和渗透稳定；当坝基分布有深厚砂砾石层时，应注意渗漏和渗透稳定；当坝基分布有软土层时：承载力低，沉降大；厚度变化大时，不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；均匀沉降问题突出；当坝基分布有黄土时，应注意湿陷性问题；当坝基分布有黄土时，应注意湿陷性问题；当坝基分布有疏松砂土及少粘性土（粘粒含量当坝基分布有疏松砂土及少粘性土（粘粒含量15%30MPac30MPa）：）：f fk k=1/7=1/7 R Rc c 裂隙不发育（间距裂隙不发育（间距1.0m1.0m）（1/7-1/101/7-1/10）R Rc c 裂隙较发育（间距裂隙较发育（间距1.0-0.3m1.0-0.3m）（1/10-1/161/10-1/16）R Rc c 裂隙发育（间距裂隙发育（间距0.3-0.1m0.3-0.1m）（1/16-1/201/16-1/20）R Rc c 裂隙极发育（间距裂隙极发育（间距0.1m0.1m）2 2）软弱岩石（）软弱岩石（R Rc 30MPac 30MPa）：）：f fk k=1/5=1/5 R Rc c 裂隙不发育（间距裂隙不发育（间距 1.0m1.0m）(1/5-1/7)(1/5-1/7)R Rc c 裂隙较发育（间距裂隙较发育（间距1.0-0.3m1.0-0.3m）(1/7-1/10)(1/7-1/10)R Rc c 裂隙发育（间距裂隙发育（间距0.3-0.1m0.3-0.1m）(1/10-1/15)(1/10-1/15)R Rc c 裂隙极发育（间距裂隙极发育（间距0.1m7.07.07.04.07.04.04.02.04.02.02.00.52.00.50.50.5 工业与民用建筑地基岩体承载力的确定（工业与民用建筑地基岩体承载力的确定（GB50218-94GB50218-94）基岩面形态基岩面形态 平坦型平坦型反坡型反坡型顺坡型顺坡型台阶型台阶型岩面坡度岩面坡度0 010101010202010102020台阶高台阶高5m5m1.01.00.90.90.80.80.70.7基岩承载力标准值基岩承载力标准值(f fk)k)的确定的确定;f fk=k=f fo o 为基岩形态折减系数：为基岩形态折减系数：关于标准值关于标准值水电工程：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。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，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。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。岩土工程：岩土工程：岩土参数的标准值岩土参数的标准值f fk k是岩土工程设计时所采用的基本代表值，是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。岩土参数的可靠性估值。强度指标的选择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。数，应正确选用。不固结不排水剪（不固结不排水剪（UUUU），），也称也称快剪快剪：加加3 3和加和加1 1-3 3都不允许排水。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。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，所以提出快剪试验不能反映土的天然应力状态，所以提出CKoUCKoU试验，即在试验，即在天然应力条件下固结，然后再进行排水剪切。天然应力条件下固结，然后再进行排水剪切。3.3.软土地基承载力的计算软土地基承载力的计算固结不排水剪（固结不排水剪（CU），），也称也称固结快剪固结快剪：加加3允许排水，加允许排水，加13都不允许排水都不允许排水;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。好、土层较薄的地基土强度指标的计算。加加3和加和加1-3都充分排水，都充分排水，u=0，所以施加的应力就是作用在，所以施加的应力就是作用在 土样上的有土样上的有效应力效应力;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土强度时使用;慢剪强度慢剪强度=有效应力强度，是一种比较稳定的指标有效应力强度，是一种比较稳定的指标;试验周期长，工程上应用较少。试验周期长，工程上应用较少。固结排水剪（固结排水剪（CDCD），也称），也称慢剪慢剪：计算方法的选择计算方法的选择目前，计算强度指标的方法有目前，计算强度指标的方法有2 2种：种：有效应力法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。理论和试验证明。但目前较为困难的是：土中的但目前较为困难的是：土中的u u难于准确确定，而有效快剪强度指标都难于准确确定，而有效快剪强度指标都是是u u的函数。的函数。不合理之处：总应力与抗剪强度无对应关系，不考虑不合理之处：总应力与抗剪强度无对应关系，不考虑u u影响。影响。但目前仍广泛应用于一般工程中。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。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。强度往往接近于不排水总强度。总应力法总应力法高层建筑地基承载力的计算高层建筑地基承载力的计算目前我国有目前我国有2类计算模式：类计算模式：极限荷载法极限荷载法(Pu):太沙基极限承载力公式；太沙基极限承载力公式；普朗特尔极限承载力公式；普朗特尔极限承载力公式；汉森极限承载力公式。汉森极限承载力公式。缺点或应注意的问题：临界深缺点或应注意的问题：临界深度问题。度问题。容许应力法：容许应力法：也称临塑荷载法（也称临塑荷载法（PcrPcr），过），过于保守于保守临界荷载法临界荷载法P P1/41/4、P P1/31/3（在偏心荷载作用下，且（在偏心荷载作用下，且B3mB3m）。）。注意注意：1）该方法的基本假定之一：）该方法的基本假定之一：Ko=1（实际上为（实际上为0.350.8），据以计算土的自重），据以计算土的自重应力，并用弹性理论计算附加应力应力，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。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。）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。）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：在均布条形荷载作用下，土中任一点的应力来源于：1 1）基础底面的附加应力）基础底面的附加应力p p-DD：条形分布；：条形分布；2 2）基底处的边侧荷载）基底处的边侧荷载DD：均布；：均布；3 3）基底面以下土的自重应力）基底面以下土的自重应力 zz。因因K Ko=1,o=1,所以土中任一点所以土中任一点M M的主应力：的主应力：2 2为为M M点视角（弧度）；点视角（弧度）；为土的重度（为土的重度（kN/m3kN/m3）；）；D D为埋深（为埋深（m m）；）；p p为为基底压力（基底压力（kN/m2kN/m2）。）。当当M M点的应力达到极限平衡时，据点的应力达到极限平衡时，据M-CM-C准则，应有准则，应有：将将1 1、3 3代入上式得：代入上式得：塑性区最深点的确定：塑性区最深点的确定：代入代入z z式，得：式，得：令令z zmaxmax=0=0时，得：时，得：临塑荷载临塑荷载p pcrcr（是指理论上地基土中刚出现剪切破坏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塑性变形时，基底单位面积上所承受的荷载受的荷载）令令z zmaxmax=1/4B=1/4B时，得：时，得：临界荷载临界荷载p p1/41/4（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）同理可得同理可得p p1/31/3:5.25.2坝基（肩）岩体的抗滑稳定分析坝基（肩）岩体的抗滑稳定分析1.1.坝基岩体滑动破坏的类型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：推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型，即：表面滑动、表面滑动、浅层滑动和深层滑动浅层滑动和深层滑动。表面滑动表面滑动沿混轻土基础与基岩接沿混轻土基础与基岩接触面发生的剪切滑动。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、无控制滑移的整、无控制滑移的软弱结构面软弱结构面的条件下。此时，混凝士基础与的条件下。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。在坝体上的总水平推力。摩擦系数摩擦系数根据现场剪切试验资料，考感到坝区的工程地质、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。据确定的。浅层滑动浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时，剪切破坏往往发生在浅部岩体之内，造成浅层滑动。时，剪切破坏往往发生在浅部岩体之内，造成浅层滑动。从产生条件从产生条件来看，这种浅层活动可能有来看，这种浅层活动可能有三种三种主要类型：主要类型：一是坝甚岩体的一是坝甚岩体的岩性软弱岩性软弱，岩石本身，岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面故在库水推力作用下，易于接触面故在库水推力作用下，易于沿表层岩体的内部发生如图沿表层岩体的内部发生如图11112222所所示的剪切破坏。示的剪切破坏。二是由近水平产出的二是由近水平产出的薄层状岩层薄层状岩层(特特别是夹有软弱层者别是夹有软弱层者)组成的坝基在库组成的坝基在库水推力作用下，产生如图水推力作用下，产生如图11112323所示所示的滑移弯曲。的滑移弯曲。薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低，在平行于层理方向的荷载作用薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低，在平行于层理方向的荷载作用下，易于产生突向临空面方向的弯曲变形，故在水平荷裁作用下，坝趾下，易于产生突向临空面方向的弯曲变形，故在水平荷裁作用下，坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力，于是促进下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力，于是促进了坝基整体滑动的发生。了坝基整体滑动的发生。破坏机理破坏机理三是三是碎裂结构岩体碎裂结构岩体组成的坝基在坝体推力作用下发生如组成的坝基在坝体推力作用下发生如图图11112424所示的剪切滑移破坏。所示的剪切滑移破坏。深层滑动深层滑动 在工程应力条件下岩体的深层滑动主要是沿已有的软弱结在工程应力条件下岩体的深层滑动主要是沿已有的软弱结构面发生。因此只有当地基岩体内存在有软弱结构面，且按构面发生。因此只有当地基岩体内存在有软弱结构面，且按一定组合能构成危险滑移体时，才有发生深层滑动的可能。一定组合能构成危险滑移体时，才有发生深层滑动的可能。能够构成危险滑移体的软弱结构面，通常可分为能够构成危险滑移体的软弱结构面，通常可分为滑移控制滑移控制面面和和切割面切割面两类。它们与一定的两类。它们与一定的临空面临空面组合就构成了探部滑移组合就构成了探部滑移的边界条件。的边界条件。典型的切割面典型的切割面通常是由陡立的断裂面构成的，只起将沿移体通常是由陡立的断裂面构成的，只起将沿移体与周围岩体割裂开来的作用，不起抗滑作用。与周围岩体割裂开来的作用，不起抗滑作用。与作用力方向垂直的陡立结构面构成与作用力方向垂直的陡立结构面构成横向切割面横向切割面，平行于作，平行于作用力方向的陡立面则构成用力方向的陡立面则构成侧向切剖面侧向切剖面。滑移控制面滑移控制面通常是由平缓的软弱结构面构成的，它与切割面通常是由平缓的软弱结构面构成的，它与切割面不同，除了一定的切割、削弱的作用之外，还能对沿移休起不同，除了一定的切割、削弱的作用之外，还能对沿移休起抗滑的作用。抗滑的作用。滑动边界条件的组成滑动边界条件的组成滑动面滑动面（底滑面）（底滑面）特点：特点：1 1）产状平缓（）产状平缓（3030度）、稳定；度）、稳定；2 2）分布范围广，连续性强，埋藏浅；）分布范围广，连续性强，埋藏浅；3 3）夹泥多，）夹泥多，f f、c c值低；值低；4 4）走向与坝轴线小角度相交。）走向与坝轴线小角度相交。2.坝基岩体滑动的边界条件分析坝基岩体滑动的边界条件分析常见的滑动面：软弱夹层、断层面、片理面、层理面。常见的滑动面：软弱夹层、断层面、片理面、层理面。临空面临空面:滑移体的自由滑出面滑移体的自由滑出面 1 1）水平临空面：河床面；）水平临空面：河床面；2 2）陡立临空面：深潭、深槽、冲刷坑、下游基）陡立临空面：深潭、深槽、冲刷坑、下游基坑；陡倾角的横穿河床的断层破碎带、软岩、风化深槽、坑；陡倾角的横穿河床的断层破碎带、软岩、风化深槽、裂隙密集带潜蚀溶洞。裂隙密集带潜蚀溶洞。1 1）纵向切割面：）纵向切割面：产状陡；产状陡；走向与坝轴线大角度相交；走向与坝轴线大角度相交；以剪应力为主，法向应力很小。以剪应力为主，法向应力很小。2 2）横向切割面：）横向切割面：产状陡，当产状平缓时，具有底滑面的作用（双滑面）；产状陡，当产状平缓时，具有底滑面的作用（双滑面）；走向与坝轴线小角度相交；走向与坝轴线小角度相交；属拉裂面，可为追踪面。属拉裂面，可为追踪面。切割面切割面 常见的滑动破坏类型常见的滑动破坏类型 缓倾（倾角缓倾（倾角3030）层状岩体）层状岩体最不利情况：地层走向最不利情况：地层走向河流流向。河流流向。特征特征：1 1）存在一组占优势作用的结构面：层面）存在一组占优势作用的结构面：层面层间错动面层间错动面软弱夹层软弱夹层泥泥化夹层：构成滑动面；化夹层：构成滑动面；2 2）底滑面层数多，滑动面成簇出现，最不利滑动面的确定困难；）底滑面层数多，滑动面成簇出现，最不利滑动面的确定困难；3 3）岩体软硬相间，层间错动强烈，夹层物理力学性质差，）岩体软硬相间，层间错动强烈，夹层物理力学性质差，f f 可可0.170.17；4 4）纵、横切割面多追踪裂隙和小断层，产状陡立；）纵、横切割面多追踪裂隙和小断层，产状陡立；5 5）底滑面厚度薄、产状稳定、延伸范围广。）底滑面厚度薄、产状稳定、延伸范围广。倾斜（倾角倾斜（倾角3030 60 60，一般，一般 4040 50 50）层状岩体）层状岩体稳定条件相对较好，多表现为接触滑动，当裂隙较发育时，应充稳定条件相对较好，多表现为接触滑动，当裂隙较发育时，应充分注意追踪型滑面的浅层滑动，分注意追踪型滑面的浅层滑动，尤其应注意：尤其应注意：反倾、缓倾压性断层的不利组合反倾、缓倾压性断层的不利组合。横谷：断层底滑面；横谷：断层底滑面；纵谷：层面和断层构成双滑面，兼纵向切割面：平放的三角柱体或尖纵谷：层面和断层构成双滑面，兼纵向切割面：平放的三角柱体或尖锥体；锥体；斜谷：稳定条件相对较好，但仍有上述破坏形式存在。斜谷：稳定条件相对较好，但仍有上述破坏形式存在。陡倾（倾角陡倾（倾角6060）或倒转层状岩体）或倒转层状岩体构造作用强烈，断裂发育，断层规模较大。构造作用强烈，断裂发育，断层规模较大。反倾、缓倾压性断层构成滑动面。反倾、缓倾压性断层构成滑动面。横谷：横谷：1 1）X X型扭性断裂（走向与岩层走向近正交，倾角型扭性断裂（走向与岩层走向近正交，倾角4040 60 60）：其滑动）：其滑动面（双滑面）和纵向切割面、层面构成横向切割面；面（双滑面）和纵向切割面、层面构成横向切割面；2 2）反倾、缓倾压性断层构成滑动面，层面构成横向切割面，张性断层、）反倾、缓倾压性断层构成滑动面，层面构成横向切割面，张性断层、裂隙构成纵向切割面；裂隙构成纵向切割面；纵谷：层面和反倾向压性断层构成滑动面兼纵向切割面，张性及扭纵谷：层面和反倾向压性断层构成滑动面兼纵向切割面，张性及扭性断层、裂隙构成横向切割面；性断层、裂隙构成横向切割面；斜谷：稳定条件较好。斜谷：稳定条件较好。块状岩体块状岩体岩体完整性较好，结构面陡倾角为主，岩体完整性较好，结构面陡倾角为主，稳定问题：稳定问题：1 1）接触滑动；）接触滑动；2 2）缓倾结构面构成不利组合，形态复杂。）缓倾结构面构成不利组合，形态复杂。边界条件的阻滑因素边界条件的阻滑因素滑动面的阻滑因素滑动面的阻滑因素滑动面的滑动面的f f、c c值是决定岩体抗滑能力值是决定岩体抗滑能力的主要因素。的主要因素。当有当有泥化夹层泥化夹层时其实验值往往很低，但当滑动面的起伏差时其实验值往往很低，但当滑动面的起伏差大、连续性差、夹泥层尖灭或被其他断裂错断时，则可提大、连续性差、夹泥层尖灭或被其他断裂错断时，则可提高其抗滑能力。高其抗滑能力。侧向切割面的阻滑作用侧向切割面的阻滑作用切割面有时与滑动方向以一个较切割面有时与滑动方向以一个较小的角度斜交，也有时它的倾角不时小的角度斜交，也有时它的倾角不时9090。此时它就具有滑。此时它就具有滑动面的性质，且其阻滑力还常不小。动面的性质，且其阻滑力还常不小。坝下游抗力体的阻滑作用（如图）坝下游抗力体的阻滑作用（如图）抗力体抗力体：在坝基下可能发生滑：在坝基下可能发生滑移的岩体中，有时下游的局部移的岩体中，有时下游的局部岩体具有支撑或抗滑作用，这岩体具有支撑或抗滑作用，这部分岩体称为抗力体。如图中部分岩体称为抗力体。如图中的的bbc.拱端推力拱端推力 N N平行于拱端切线方向的轴向推力平行于拱端切线方向的轴向推力 H H沿半径方向的切向力沿半径方向的切向力 V V 坝肩岩体滑动的边界条件分析坝肩岩体滑动的边界条件分析V VE EHHOOA AN N作用方向：斜向岸里偏下游作用方向：斜向岸里偏下游分解为分解为坝肩岩坝肩岩体滑移体滑移条条 件件V VE EHHOOA AN N分力方向以外的结构面成为其横向切割面分力方向以外的结构面成为其横向切割面在分力夹角范围内的侧向滑动面在分力夹角范围内的侧向滑动面河谷边坡构成天然的临空面河谷边坡构成天然的临空面软弱夹层软弱夹层层面层面断层裂隙面断层裂隙面构构 成成底滑面底滑面岩体下部近水平或较平缓结构面岩体下部近水平或较平缓结构面1 12 23 34 4各种地形地质条件对坝肩岩体稳定的影响各种地形地质条件对坝肩岩体稳定的影响5.35.3坝基岩体抗滑稳定计算坝基岩体抗滑稳定计算？重点考虑？重点考虑滑动边界、尤其是最不利滑裂面的确定。滑动边界、尤其是最不利滑裂面的确定。需要的是需要的是K Kminmin，任何一个，任何一个K K都对应一个具体的滑裂面。都对应一个具体的滑裂面。滑动方向的确定。滑动力和抗滑力都是矢量。滑动方向的确定。滑动力和抗滑力都是矢量。滑裂面滑裂面f f、c c的确定。的确定。荷载组合的选择。荷载组合的选择。受力条件分析受力条件分析坝体及滑体自重：坝体及滑体自重：永久设备重量：永久设备重量：水压力：水压力：扬压力：扬压力：很不利、很重要（可抵消坝体重量的很不利、很重要（可抵消坝体重量的30%40%30%40%），），且难于精确确定且难于精确确定组成：浮托力组成：浮托力+渗透力渗透力影响因素：影响因素：1 1）水头差及下游水深；）水头差及下游水深；2 2）库底淤积、入渗条件，下游覆盖、排水条件；）库底淤积、入渗条件，下游覆盖、排水条件；3 3）坝基岩体渗透性：岩溶及结构面的发育程度、分布、充）坝基岩体渗透性：岩溶及结构面的发育程度、分布、充填、性质、连通性；填、性质、连通性；4 4）防渗帷幕：深度、材料、工艺、排数；）防渗帷幕：深度、材料、工艺、排数；5 5）排水、减压措施。）排水、减压措施。计算方法：计算方法：1 1）无防渗排水（或有，但已失效）时：）无防渗排水（或有，但已失效）时：2 2）设防渗排水时：）设防渗排水时：淤泥压力淤泥压力：按土压力计算，设计中可不予考虑；按土压力计算，设计中可不予考虑；地震力：地震力：设计烈度设计烈度66度时不考虑考虑度时不考虑考虑1 1）水平地震惯性力：）水平地震惯性力：W W坝体及滑体重量；坝体及滑体重量；K KH H水平向地震系数，取水平向地震系数，取0.10.1（7 7度）、度）、0.20.2（8 8度）、度）、0.40.4（9 9度）；度）；C CZ Z包括地基影响在内的综合影响系数，取包括地基影响在内的综合影响系数，取0.250.25；F F地震惯性系数，垂向取地震惯性系数，垂向取1.51.5（坝高（坝高150m150m）水平取水平取1.11.1（坝高（坝高30m30m）、）、1.31.3（30m 30m 坝高坝高70m70m）、）、1.51.5（坝高（坝高 70m70m）2 2）地震动水压力：坝上游面直立时，单位宽度坝段上的总动水压力）地震动水压力：坝上游面直立时，单位宽度坝段上的总动水压力波浪压力及冰压力：波浪压力及冰压力：注意：上述荷载并非同时存在，分为：注意：上述荷载并非同时存在，分为：基本荷载组合：正常运行期间遭遇正常设计水位和设计洪水时的各种荷载组合；基本荷载组合：正常运行期间遭遇正常设计水位和设计洪水时的各种荷载组合；特殊荷载组合：校核洪水位和地震情况下的各种荷载组合。特殊荷载组合：校核洪水位和地震情况下的各种荷载组合。抗滑力分析抗滑力分析（见边界条件的阻滑分析）（见边界条件的阻滑分析）1 1）块体极限平衡法。）块体极限平衡法。2 2）数值分析法。）数值分析法。3 3）地质力学模型试验法。）地质力学模型试验法。计算模式计算模式：1 1）按抗剪强度（纯摩强度）计算：）按抗剪强度（纯摩强度）计算：基本组合：基本组合：K1.051.10；特殊组合：特殊组合：K1.01.05。2）按抗剪断强度（剪摩强度）计算：）按抗剪断强度（剪摩强度）计算：基本组合：基本组合：K3.0；特殊组合：特殊组合：K2.32.5。抗滑稳定安全系数的计算抗滑稳定安全系数的计算安全系数安全系数的定义：滑裂面上抗滑力与滑动力之比。的定义：滑裂面上抗滑力与滑动力之比。计算方法：计算方法：f f、c c的取值：的取值：表层滑动：混凝土与岩体之间；表层滑动：混凝土与岩体之间；浅层滑动：建基面岩体。浅层滑动：建基面岩体。计算公式：计算公式：1 1）表、浅层滑动：）表、浅层滑动：2 2）深层滑动：）深层滑动：单滑面：单滑面：倾向下游：倾向下游：倾向上游：倾向上游：双滑面双滑面：不平衡推力法不平衡推力法根据块体静力传递原理，先假定后滑面根据块体静力传递原理，先假定后滑面处于极限平衡处于极限平衡，算出其剩余推力；在剩余推力作用下，计算，算出其剩余推力；在剩余推力作用下，计算前滑面的前滑面的K。被动抗力法被动抗力法先假定前滑面先假定前滑面处于极限平衡状态处于极限平衡状态，算出其，算出其被动抗力被动抗力R；在被动抗力作用下，计算后滑面的；在被动抗力作用下，计算后滑面的K。等系数法等系数法假定前、后滑面的假定前、后滑面的K相等，用试算法求解。相等，用试算法求解。3 3）说明：）说明：未计未计c作用，按不同的荷载组合，作用，按不同的荷载组合，K取取1.01.01.31.3；被动抗力被动抗力R与水平面的夹角与水平面的夹角变化于变化于0 0之间，之间，当滑面倾角当滑面倾角3030时，时，=0 0；时，时，=。岩体及软弱夹层抗剪强度指标的确定岩体及软弱夹层抗剪强度指标的确定抗剪强度指标确定的方法抗剪强度指标确定的方法试验法（含室内和现场）：试验法（含室内和现场）：根据工程特点、受根据工程特点、受力条件，重要性，力条件，重要性，对建议值进行修正对建议值进行修正根据工程地质条根据工程地质条件、试验条件、件、试验条件、工程要求考虑工程要求考虑由试验成果由试验成果分析得分析得设计指标设计指标建议指标建议指标试验指标试验指标指标选定指标选定：比例极限坚硬、半坚硬岩的取值标准屈服值软岩、软弱夹层的取值标准峰值坚硬、半坚硬岩取0.5的折扣；软岩、软弱夹层取0.60.8的折扣流变值大型工程将其取为长期强度长期强度、残余强度峰值强度的0.8pC C值的分散性大，多按试验值的值的分散性大，多按试验值的20%20%选用。选用。地质因素对地质因素对 f f、c c 值的影响值的影响实验成果不能完全模拟现场情况实验成果不能完全模拟现场情况地质参数随时间会发生变化地质参数随时间会发生变化粗糙度：越光滑，抗剪强度越小粗糙度：越光滑，抗剪强度越小考虑地质因素的原因考虑地质因素的原因连续性：连续性越好，抗剪强度越小连续性：连续性越好，抗剪强度越小 滑动面的影响滑动面的影响平整度：起伏差越大，抗剪强度越大平整度：起伏差越大，抗剪强度越大充填度：充填度越大，抗剪强度越小充填度：充填度越大，抗剪强度越小 地下水循环渗流条件地下水循环渗流条件主要表现在渗入的地下水对滑动面力学参数的降低上主要表现在渗入的地下水对滑动面力学参数的降低上c.c.变形一致原则求变形一致原则求 f f、c c 值值各部位岩层应力状态不同各部位岩层应力状态不同各部位岩层变形位移值一致各部位岩层变形位移值一致计算计算假设假设条件条件不均匀岩土坝基的影响不均匀岩土坝基的影响不同岩层选用与该变形值对应的不同岩层选用与该变形值对应的f f、c c值进行综合计算值进行综合计算a.a.面积加权法求平均的面积加权法求平均的f f、c c值值b.b.应力加权法求平均的应力加权法求平均的f f、c c值值类比法类比法经验法经验法平均值的求取方法：平均值的求取方法：1 1）有）有 和和 2 2种方法，各有优缺点；种方法，各有优缺点；2 2）当软弱夹层（岩层）面积占）当软弱夹层（岩层）面积占60%60%时，应完全按软弱时，应完全按软弱夹层考虑抗剪指标。夹层考虑抗剪指标。面积加权面积加权应力加权应力加权岩体抗剪强度指标的确定岩体抗剪强度指标的确定 工程地质条件调查、室内试验工程地质条件调查、室内试验岩体结构、岩体质岩体结构、岩体质量分层、分区量分层、分区各区岩体质量的确定（可辅以声波、点荷各区岩体质量的确定（可辅以声波、点荷载等轻型原位试验）载等轻型原位试验）根据各层、各区的质量类别查表确根据各层、各区的质量类别查表确定力学参数；选择典型的、重要的区段进行原位现场试验定力学参数；选择典型的、重要的区段进行原位现场试验分层、分区确定地质建议值。分层、分区确定地质建议值。岩体基本岩体基本岩体基本岩体基本 抗剪断峰值强度抗剪断峰值强度抗剪断峰值强度抗剪断峰值强度 变形模量变形模量变形模量变形模量 泊松比泊松比泊松比泊松比 质量级别质量级别质量级别质量级别 (kN/m(kN/m3 3)C C（MPaMPa）E E（GPaGPa）26.5 26.5 60 60 2.1 2.1 33 33 0.20.2 26.5 60 50 2.11.5 3320 0.20.25 26.5 60 50 2.11.5 3320 0.20.25 26.524.5 50 39 1.50.7 20 6 0.250.30 26.524.5 50 39 1.50.7 20 6 0.250.30 24.522.5 39 27 0.70.2 61.3 0.300.35 24.522.5 39 27 0.70.2 61.3 0.300.35 22.5 22.5 27 27 0.2 0.2 1.3 1.3 0.350.35国家标准国家标准工程岩体分级标准工程岩体分级标准（GB50218-94GB50218-94）的）的有关建议值有关建议值 国家标准国家标准水利水电工程地质勘察规范水利水电工程地质勘察规范5.45.4降低坝基岩体抗滑稳定性的作用降低坝基岩体抗滑稳定性的作用1.1.渗透水流对坝基岩体稳定性的影响渗透水流对坝基岩体稳定性的影响对坝基岩体产生渗透压力对坝基岩体产生渗透压力发生机械潜蚀或化学潜蚀，使某些岩石软化或泥化发生机械潜蚀或化学潜蚀，使某些岩石软化或泥化作用在坝基岩体上的渗透压力作用在坝基岩体上的渗透压力定义：渗透到坝基下的水流在定义：渗透到坝基下的水流在上下游水头差（上下游水头差（H H）的作用下）的作用下对岩体产生的水压力，其大小对岩体产生的水压力，其大小等于该作用点的水头高度乘以等于该作用点的水头高度乘以水的重度（水的重度（）。）。坝基岩体若有良好的入渗条件，坝基岩体若有良好的入渗条件，排水条件差的情况下就容易产排水条件差的情况下就容易产生较大的渗透压力。生较大的渗透压力。如图，右岸坝肩上游附近有冲沟，构成如图，右岸坝肩上游附近有冲沟，构成良好的入渗条件，岩体中断成裂隙发育良好的入渗条件，岩体中断成裂隙发育并有夹泥。并有夹泥。注意：在蓄水前后坝基岩体稳定性的变化：注意：在蓄水前后坝基岩体稳定性的变化：如马耳帕赛如马耳帕赛坝失事。坝失事。潜蚀（管涌）潜蚀（管涌）在岩层中由于渗透水流的冲刷作用，将其中在岩层中由于渗透水流的冲刷作用，将其中的细小颗粒冲走带出的现象。的细小颗粒冲走带出的现象。机械潜蚀机械潜蚀由渗透水流的动水压力冲动土颗粒而造成的。由渗透水流的动水压力冲动土颗粒而造成的。动水压力为渗透水流对土粒冲动的力，其方向与渗流方向一致，动水压力为渗透水流对土粒冲动的力，其方向与渗流方向一致，其数值等于水的重度（其数值等于水的重度（gw w）与水力坡度（）的乘积）与水力坡度（）的乘积常近似认为在坝基下游渗水溢出地段的单位动水压力大于或等于常近似认为在坝基下游渗水溢出地段的单位动水压力大于或等于该处的浮重度该处的浮重度()()时，就会产生潜蚀。时，就会产生潜蚀。分为发展型分为发展型从带出颗粒开始，即使水头不再增加，颗粒仍将从带出颗粒开始，即使水头不再增加，颗粒仍将继续带出，直至充填物被掏尽或发生破坏；继续带出，直至充填物被掏尽或发生破坏；非发展型非发展型仅在渗透坡降增加时，有时少量颗粒带出，以后则仅在渗透坡降增加时，有时少量颗粒带出，以后则逐渐停止，这主要由于细小颗粒阻塞了通道所致。逐渐停止，这主要由于细小颗粒阻塞了通道所致。式中：式中：h为水头差，为水头差，L为渗径长度为渗径长度例：四川陈食水库例：四川陈食水库发展型机械潜蚀发展型机械潜蚀坝基为侏罗系的泥岩和砂岩。一部分坝基放在裂隙发育且已风化的泥坝基为侏罗系的泥岩和砂岩。一部分坝基放在裂隙发育且已风化的泥岩上。防渗措施不够，清基不彻底。以致蓄水后在岩上。防渗措施不够，清基不彻底。以致蓄水后在3号和号和6号拱的背后号拱的背后均有浑水渗出。如图：均有浑水渗出。如图：化学潜蚀化学潜蚀（有两种类型）（有两种类型）一种是可溶性盐类矿物在酸性水作用下溶解一种是可溶性盐类矿物在酸性水作用下溶解,在这种环境水里混在这种环境水里混凝土可以变成豆腐渣一样。凝土可以变成豆腐渣一样。另一种是游离的硅、铁、铝氧化物在地下水中碱度另一种是游离的硅、铁、铝氧化物在地下水中碱度pH=9pH=9的情况下的情况下,亦可游离成溶胶或凝胶亦可游离成溶胶或凝胶,使地质体的胶结作用削弱。使地质体的胶结作用削弱。2.2.坝下游河床冲刷问题坝下游河床冲刷问题 宣泄下来的水流对下游河床宣泄下来的水流对下游河床发生严重的冲刷作用，尤其当采发生严重的冲刷作用，尤其当采用挑流能形式时，将在坝下游的用挑流能形式时，将在坝下游的河床中形成河床中形成冲刷坑冲刷坑。如果冲刷坑发展得很大、很深时，如果冲刷坑发展得很大、很深时，就会使坝趾附近岩体失去抗力或是切断就会使坝趾附近岩体失去抗力或是切断缓倾软弱夹层，形成滑动岩体的临空面，缓倾软弱夹层，形成滑动岩体的临空面，危及岩体的稳定。危及岩体的稳定。地地质质构构造造条条件件对对冲冲刷刷坑坑形形成成的的影影响响由上资料显示，影响可分为三个方面：由上资料显示，影响可分为三个方面：断裂破碎带往往控制着局部最大冲坑的位置、形状和范围。断裂破碎带往往控制着局部最大冲坑的位置