第十章水文地质1.doc

第十章 坝的工程地质研究

水工建筑物主要由三大部分组成：挡水建筑物（坝、闸）、泄水建筑物（溢洪道、泄
洪洞、排沙洞等）及取水输水建筑物（隧洞、管道及渠系建筑物等），其中挡水建筑物的
拦河大坝或闸是主要建筑物。此外，水电站厂房、航运船闸、鱼道等为附属建筑物，通常
将建筑物的综合体，称为水利枢纽。
大坝坐落在岩土体地基上，承受了巨大垂直压力和水平推力。坝基可能由于变形或滑
动破坏坝体的稳定；与此同时，由于水库蓄水坝的上下游形成了水头差，会引起坝基岩土
体渗透变形破坏等，以降低坝基的强度和稳定性。坝与地质环境间的相互作用，使得大坝
的修建十分复杂，不仅要求大坝本身的结构强固，尤其要求坝基与坝肩具有足够的坚固性
和稳定性。从世界坝工建筑史来看，地质方面原因引起大坝失事的约占大坝总失事的
30%～40%，主要原因是坝基的强度低或抵抗变形性能差、坝基（肩）的抗滑稳定性差、
地下水的渗透作用及区域稳定性和水库诱发地震作用等造成的。
在进行工程规划、设计、施工之前都应进行工程地质勘察工作。水利水电工程坝的工
程地质工作目的在于查明水工建筑地区的工程地质条件，充分论证有关的工程地质问题，
以便充分利用有利的地质因素，避开或改造不利的地质因素，以保证水利工程的经济、合
理与安全。坝的工程地质研究主要内容：坝区渗漏与渗透稳定性分析评价；坝基（肩）岩
体的抗滑稳定性分析评价；坝基的应力分布，坝基的变形与坝基的强度分析评价等。
第一节水工建筑物的工程地质条件和工程地质问题
一、水工建筑物的工程地质条件
工程地质条件是一个综合性概念，可理解为与工程建筑有关的地质因素的综合。一般
认为，它包括工程建筑地区的地形地貌、岩土类型及工程地质性质、地质结构、水文地质
条件、物理地质现象、地质物理环境（例如应力及地热等）、天然建筑材料等7个方面。
（一）地形地貌条件
地形是指地表形态、高程、地势高低、山脉水系、自然景物、森林植被，以及人工建
筑物等，常以地形图予以反映。地貌主要指地表形态的成因、类型以及发育程度等，常以
地貌图予以反映。
地形地貌是相互关联的，但都受地区的岩性和地质构造条件所控制。河流地带的地形
地貌条件往往对坝址选择、坝型选择、枢纽布置、施工方案选择等，都有直接影响。例
如，拱坝就要求坝址两岸谷坡规整对称，最好为坚硬完整的基岩山体；土石坝要求坝址地
区应有布置溢洪道的地形条件。
（二）岩土类型及工程地质性质
水工建筑物是建筑在地表或地壳浅部，以岩土体作为地基或修建环境，有时也利用岩土体作为天然建筑材料。因此，岩土类型和性质对建筑物的稳定性、技术上的可行性、经济上的合理性都有着极为重要的作用。例如坝基，基本上可分为两大类：岩石坝基和土体坝基，它们又简称为岩基与土基。一般情况下，岩基的工程性质比土基好，在岩基上可以修建高坝、混凝土坝，水利枢纽多采用集中式布置方案；而在土基上，则可以修建低坝、土石坝，水利枢纽多采用分散式布置方案。
水工建筑中对岩土体的研究，除包括成因类型、形成年代、埋藏条件与环境、空间分布等外，还要进行岩土体的物理力学性质试验，定量地确定岩土体的物理力学性质指标，以供设计使用。尽管现代的水工设计已广泛地引用了计算机，但设计的合理性、正确性，在很大程度上仍然取决于岩土的工程性质指标和各种有关地质参数的正确选定。
（三）地质结构
地质结构包括地质构造（褶皱及断裂构造）和岩土体结构。地质结构可以说是水电工程建设的决定因素，它对工程建筑物的稳定有很大影响，例如坝址的选择、工程建筑物的布置都应考虑地质构造和岩体结构的不利作用。
（四）水文地质条件
水文地质条件一般包括以下内容。
(1)地下水类型：潜水、承压水、包气带水等类型划分。
(2)含水层与隔水层的埋藏条件、组合关系、空间分布规律及特征。
(3)岩层的水理性质：溶水性、给水性、透水性、冻融性等。
(4)地下水的运动特征：流向、流速、流量等。
(5)地下水的动态特征：水位、水温、水质随时间变化规律。
(6)地下水的水质、水的物理性质、化学性质、水文评价标准等。
水文地质条件好坏直接关系到水库是否漏水、坝基是否稳定以及地下水资源评价是否可靠等一系列工程建设问题。
（五）自然（物理）地质现象
自然（物理）地质现象或称自然地质现象，是指由内外动力地质作用在地表表层引起．
的一系列地质现象，例如滑坡、泥石流、崩塌、岩溶、地震、岩石风化、冲沟等现象。物理地质现象的存在和发育程度，直接影响工程建筑物的稳定、安全、经济和正常运行。
在水利水电工程建设中，在大坝区附近及水库区的自然地质现象，要求在工程地质勘察时进行充分的调查和研究，对影响大坝或水库安全的应采取有效措施，进行处理或整治。
（六）地质物理环境
地质物理环境包括地应力及地热条件等。地应力主要是在重力和构造运动综合作用下形成的，有时也包括岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力。地应力的大小、方向和分布、变化规律除了与地震和活动密切相关，影响到工程场地的区域稳定性外，还对工程建筑的设计和施工有直接影响。在水利工程施工时，由于地应力的存在常引起基坑、边坡、地下工程开挖面产生卸荷回弹和应力释放变形破坏现象，例如基坑底部隆起、基坑边坡滑移、地下洞室侧墙的变形、岩爆等。
（七）天然建筑材料
水工建筑材料主要有砂砾石、土、碎石及石料等。砂砾石料，主要用于混凝土骨料，或用作土石坝体的填筑料；黏土主要用作土坝体材料，或用作防渗墙、围堰、堤防等；碎石、块石料，用作堆石坝、砌石坝、土石混合坝材料，以及混凝土坝的填石料。在水利工建筑中，天然建筑材料的用量相当大，特别是当地材料坝（土坝、砌石坝、土石混合坝），基本上都是土石方工程。所以天然建筑材料的数量、质量及开采运输条件，直接关系到坝址、坝型的选择、工程造价、工期长短。因此，天然建筑材料是工程地质条件评价的主要内容，有时甚至可以成为工程决策的决定因素。
一、不同坝型对地形、地质的要求
坝的型式较多，它们的工作特点和对地质的要求不同。下面介绍常见的几种坝型对地形与地质要求。
1．土石坝
土石坝又称当地材料坝，应用最多。根据材料不同可分为：土坝、砌石坝及土石混合坝。
土坝是疏松土体筑成的，坝坡平均坡度，上游迎水面为1：2.25～1：3.O，下游面为1:1.75～1：2.5，故土坝断面宽（坝高4～6倍），坝体都较大。
土坝对地基的要求较低，除有活断层及大的顺河断层、巨厚强透水层、压缩变形强烈的淤泥软黏土层、膨胀崩解较强土层、强震区存在较厚的粉细砂层等不利条件外，一般均可修建。土坝坝体属于塑性坝体，可适应一定的地基变形；塑性心墙或斜墙坝的适应性更强，特别是抗震性能比其他坝型都好。由于土坝的坝顶不能直接溢流，因此在坝址选择时，需要考虑有利于溢洪道布置的地形地貌条件。另外，需要在坝址附近分布天然建筑材料料场。
堆石坝是用当地石料筑成，并用防渗料作心墙或斜墙。堆石坝同土坝一样，坝顶一般不溢流。
堆石坝对地基变形的适应性能较好。砂卵土、砂土及黏性土地基上均可修建，但需要对坝基作防渗处理。对于岩石坝基要注意整体性，要适当处理大裂缝、断层和破碎带。
2．重力坝
重力坝是一种常见的坝型，它的横断面近于三角形，用混凝土或浆砌石筑成。它体积大，重量大，主要依靠坝体自重与地基间摩擦力维持稳定，坝体坚固可靠，使用耐久。
重力坝对坝基的要求比土石坝高，大坝都建造在基岩上。要求坝基应具有足够的抗压强度以承受坝体的重量和各种荷载；坝基岩体应具有足够的整体性和均一性，尽量避开大的断层带、软弱带、裂隙密集带等不良地质条件；坝基岩体应具有足够的抗剪强度，抵抗坝基滑动破坏；坝基岩体应具有足够的抗渗性能，抵抗坝基渗透变形破坏；坝肩及两岸边坡要稳定等。
3．拱坝
拱坝系一空间壳体结构，整体性好。平面上呈拱形，凸向上游，两端支撑在岸坡岩体上。它利用拱的作用，把水压力的大部或全部传递给两岸山体，以保持稳定。所有坝型中，拱坝对地形、地质条件的要求最高。除考虑重力坝对地基的要求外，尚应考虑：两岸岩体应当完整坚硬而新鲜；坝基岩体要有足够整体性和均一性，以免发生不均匀沉降影响整个坝体产生附加应力，导致坝体破坏；要求拱端有较厚的稳定岩体；地形应是对称的V形或U形峡谷等。
4．支墩坝
支墩坝由倾斜的挡水面板部分和一系列支墩（大致呈三角形）组成的坝型，一般也由混凝土浇筑而成。上游水压力由面板传到支墩上，再经支墩传给地基岩体。根据挡水面板的型式，又可分为平板坝、大头坝、连拱坝及设有基础板的平板坝等。
支墩坝对地形地质条件的要求，介于拱坝与重力坝之间。支墩所在的地基岩体要坚
固。支墩坝适于宽阔的河谷地形，但支墩之间不允许不均匀沉降。地基摩擦系数厂值对
挡水面板的坡度影响很大，当f=0.9时，坝面倾斜角可为～。f值愈小，坝面坡
度要求愈缓，底宽及开挖量愈大。
三、水工建筑物的工程地质问题
人类工程活动和自然地质作用会改变地质环境，影响工程地质条件变化。当工程地质条件不能满足工程建筑稳定、安全的要求时，亦即工程地质条件与工程建筑之间存在矛盾时，就称为存在工程地质问题。
水利工程的工程地质问题是复杂多样的，常遇到的工程地质问题可归纳为以下几个
方面：
(1)坝基工程地质问题。包括坝基渗漏、坝基渗透稳定、坝基（肩）抗滑稳定、坝基
强度与变形等问题。
(2)输水及泄水建筑物的工程地质问题。包括渠系建筑物的线路选择、渗漏渗透稳
定、地基稳定等。
(3)水库区工程地质问题。包括水库渗漏、水库岸坡稳定、水库浸没、水库淤积及水
库诱发地震问题等。
(4)区域地壳稳定问题。包括水库上、下游一定范围内断裂构造活动性、场地的地震
效应及地震动力学问题、地应力状况等。
(5)环境工程地质问题。包括自然地质灾害及人为活动引起的地质问题对水利工程影响。
第二节 坝区的渗漏
坝区的渗漏包括：坝基渗漏和绕坝渗漏，其产生原因是水库蓄水以后，坝上、下游形成一定的水位差，使库水在一定的水头压力作用下，通过坝基或坝肩的渗漏通道向河谷下游渗漏。所谓渗漏通道是指具有较强透水性的岩土体，可分为透水层、透水带和透水喀斯特管道。长期大量的坝区渗漏会导致水库蓄水水量减少，甚至水库不能蓄水；同时渗透水流会引起坝基潜蚀和渗透变形，危及大坝安全。
一、坝区渗漏的工程地质条件
对坝区渗漏问题的工程地质分析，主要是查明渗漏通道、渗漏通道连通性、渗透性指标，进行渗透量计算。
（一）渗漏通道
1．透水层
水工建筑中，通常以渗透系数(K)小于cm/s为隔水层，大于此值的为透水层。透水层可分为第四系松散沉积层透水层和基岩透水层。第四系松散沉积层，包括河流冲积层、坡积层、残积层、崩积层及冰川沉积层等。此类地区坝区渗漏主要是通过古河道、河床和阶地内的砂、卵、砾石层。河谷地带埋藏的古河道具有较厚的松散粗碎屑沉积物，常与现代河床平行或交角较小，是良好的渗漏通道。此外，山坡坡麓地带常有岩堆和坡积层，其孔隙大，当粗颗粒较多时，也是渗漏通道。 ．
基岩透水层主要为胶结不良的砂岩、砾岩层，具气孔构造并且裂隙发育的玄武岩、流纹岩等，对基岩地区渗透通道分析，特别应注意河谷的地质构造。例如在褶皱构造地区，常见的河谷构造有以下三种类型。它们以不同程度影响坝区的渗漏。
(1)纵谷：岩层走向与河流流向平行或近于平行的河谷称为纵谷。这种河谷构造，因岩层走向与坝轴线垂直或近似垂直，所以不论是坝基或两岸坝肩，如有渗漏岩层或顺河向的断层，都可构成良好的渗漏通道，特别是坝肩上、下游，有沟谷地形时（图10 -1中的A-B剖面），则更容易形成库水的大量渗漏。

图10 -1 坝基（肩）渗漏与河谷构造关系示意图
1-河谷；2-水库回水线；3-沟谷；4-岩层；5-岩层产状；6-坝轴线位置；
A-B、C-D-纵横剖面线
①、②一岩层倾向下游和上游，倾角自上而下为缓倾、中等倾斜和陡倾岩层；
③、④一横剖面上岩层各向一岸倾斜

(2)横谷：岩层走向与河流流向垂直或近于垂直的河谷，称为横谷。这种河谷构造因
岩层走向与坝轴线平行，故可用移动坝轴线位置方法，避开渗漏通道，但仍应注意岩层的倾向与倾角，一般倾向下游、倾角较小的渗漏比岩层倾向上游、倾角较大的透水岩层更易形成渗漏。如有沟谷分布（图10 -1中的A-B剖面①），倾向下游的透水岩层仍可形成绕坝渗漏。
(3)斜谷：岩层走向与河流流向斜交的河谷，称为斜谷。对于此种河谷，岩层走向与
流向间夹角的大小，是影响渗漏的主要因素。一般情况下，交角愈小（接近纵谷），形成渗漏可能性愈大。当交角接近横谷时，坝轴线沿斜谷岩层走向布置，有利于坝区的防渗和坝基处理。
2．透水带
透水带主要是断层破碎带和裂隙密集带，这是基岩中的主要渗漏通道。当断层破
碎带和裂隙密集带比较宽大，破碎严重又无充填物或充填物较少时，其透水性很强烈。但与透水层相比，其宽度有限，且具有一定方向性，呈带状分布，因而得名透水带。透水带中的岩性不同，其透水性是有差别的。一般说，断层碎块岩为强透水，压碎岩为中等透水，角砾岩为弱透水一不透水，片状岩、糜棱岩、断层泥为不透水，可看作相对隔水层。
3．喀斯特管道
在坝区为可溶性岩石时，通常会发育喀斯特物理地质现象。在岩体中产生溶洞、暗河以及溶隙等相互连通而构成喀斯特渗漏管道，可能造成严重坝区渗漏。这类渗漏管道的透水性极不均匀，渗透边界条件比较复杂。
（二）渗漏通道连通性
第四系松散沉积层渗漏的连通性主要决定于地层结构特征，而这又与地貌发育情况密切相关。山区河流的中上游，河床冲积层，多由单一的砂卵石组成，渗透性大，连通性好，作为坝基时，应予以清除，或进行专门的防渗处理。在河流中下游，河谷覆盖层呈多层结构，细颗粒成分明显增多，渗透性相对减弱，有的形成二元或多元结构的土体结构，透水层与隔水层相互叠置，这样就可以利用连续分布的隔水层作为坝基的防渗层，使下部强透水层因缺乏渗口和出口而失去连通性，如图10 -2（a）所示。但当上部的隔水层分布不连续，延展面积小时，则下部透水层连通性好，会导致大量的集中渗漏，如图10 -2(b)所示。
基岩透水性、透水带及喀斯特管道的连通性则受岩性、地质构造、地形地貌、覆盖层等特征因素控制，情况比较复杂。一般说，岩性特征、各种结构面的成因、发育程度、喀斯特发育程度以及渗透通道与隔水层的组合关系、隔水层厚度、连续性和完整性、以及渗漏通道的走向、高程与坝的关系，是控制坝区渗漏的主导因素。
一、坝区渗漏量的计算
在定性分析了坝区渗漏的地质条件以后，尚需对其渗透量进行定量计算，借以确定防渗措施。

图 10 - 2 土基隔水层的利用示意图
(a) 可利用的,厚度较大且连续分布的隔水层；（b）不可利用的，
(b) 厚度较小分布不连续的隔水层
1-隔水层；2-透水层

（一） 坝基的渗透量计算
1. 单层结构的均匀透水坝基
单层透水坝基由单一透水岩层组成，在厚度等于或小于坝底宽度且坝身不透水的情况下，如图10-3所示，可用卡明斯基（Kamehck.HH.TH）公式计算，即

式（10 -4）计算渗透系数的加权平均值。再视情况分别按式(10 -2)、式(10 -3)计算
渗透量。
Ki Ti+K2 T2+…+K—Tn(10 -4)
K平均一一Tl+12+…+T。
若上下层的渗透系数K值相差不超过10倍，可用加权平均的渗透系数数值，按式
(10 -2)计算渗透量；若上下层渗透系数K值相差在10倍以上，则先将地层分为两组，
分别计算渗透系数的加权平均值，再按式(10 -3)计算渗透量。

图10 -3 坝基渗透量计算简图
(a)单层透水坝基；(b)双层透水坝基
1一不透水岩层；2一透水岩层；3一弱透水岩层

在实际工作中，往往会遇到较复杂的坝基地质剖面，如图10 -4所示。此时应根据具
体地质条件，分段计算出单宽坝基渗透量g，再按式(10 -5)计算总渗透量Q。
Q一l/2[ql Zl+(qi+q2)Z2+…+(q,1+q.)Z.+qn/*U] (10 -5)
式中 q，、q2、…、q。一一断面1、2、…、咒的单宽渗透量；
Z，、/：、…、Z。一一相邻两断面的距离。
囝1%213日4圉5 ~6 距离(m)
图10 -4复杂地质条件下的坝基渗漏量分段计算示意图

卜一基岩；2--亚黏土；3-砂土；4一砂卵石；5一黏土夹层；6碎石土
（二）绕坝渗漏量的计算
若在坝肩地带存在有沟通上下游的渗漏通道，则可形成绕坝渗透。坝肩渗漏带处于两
种地下水流的作用，即岸坡中原来向河谷流动的地下水和库水绕过坝肩向坝下游的地下水
流。这两种地下水流的相互作用的结果决定了绕坝渗漏带的宽度(B)。
当坝肩地带是由均质岩体组成，且地下水位低于河床水位时，其渗漏量计算是先根据
坝上下游的地形特征，绘制渗透水流的流网线图，如图10 -5所示。

图10 -5 绕坝渗漏计算图
从图10 -5中可以看出，绕坝渗透的流线不会无止境地向岸内扩展，随着至坝肩距离
的增大，渗透途径加长，水力坡降降低，单宽渗透量减少。其中单宽渗透量小于允许值，
且距坝肩最近断面构成了绕坝渗漏边界。其次按流线把渗漏带划分为若干渗漏带，按式
(10 -6)逐一计算各渗透带的渗漏量，最终将其汇总即为该带的绕坝渗漏量。
H2 AH
Q=K△6（墨生{! (10-6)
一T
式中 K一一一岩土体的渗透系数，m/d；
Ab--某一渗流带的宽度，m；
L一一一某一渗流带的长度，m；
H，一一水库正常高水位至隔水层顶板的高差，m；
Hz-水库下游水位至隔水层顶板的高差，m。
如果坝肩地带的地下水，在水库蓄水前是补给河水的，水库蓄水后绕坝渗漏带的宽度
(B)则受岸坡原来地下水状况和库水绕渗水流的共同作用所制约，如图10 -6所示，此时渗漏带宽度取决于水库壅水高度和地下水回水后的坡降，如果壅水高度H增加，绕渗带的宽度(B)亦相应增大；同理，如果岸坡原来的地下水流的坡降越小，则绕渗带宽度越大。对于非均质岩体组成的坝肩和有集中渗漏带（如断层破碎带、喀斯特管道）存在的坝肩，则应根据地质条件划分渗漏带，分别予以计算。总之，在坝区渗漏量计算过程中，首先应对工程地质条件进行分析，查明渗漏计算的边界条件，包括渗漏通道埋藏条件、分布范围、地下水位等，同时应确定水文地质参数，其次才能进行计算。

第三节坝基的渗透变形
坝基岩土体在渗透水流作用下，使其某些颗粒移动或颗粒成分、结构发生改变的现象
称为渗透变形。渗透变形可引起坝基岩土体强度降低，渗透性增大，严重的渗透变形不仅
影响工程效益，而且危及大坝稳定。如国际大坝委员会统计（1989年），45座因地质问题
失事的坝中，有25座（占55%）是与渗透变形破坏有关。
一、坝基渗透变形的形式
坝基渗透变形的类型主要有管涌、流土、接触冲刷和接触流失四种类型。
1．管涌
管涌是指土体内的细颗粒或可溶成分由于渗流作用而在粗颗粒孔隙通道内移动或被带
走的现象。一般又可称为潜蚀作用，可分为机械潜蚀和化学潜蚀。。管涌可以发生在坝闸下
游渗流逸出处，也可以在砂砾石地基中。在基岩地区，若岩体中裂隙被可溶盐充填，或裂
隙充填物为可溶盐胶结时，也可因地下水的化学溶蚀作用和渗透动水压力的作用，形成渗
透通道，即化学潜蚀。此外，穴居动物（如各种田鼠、蚯蚓、蚂蚁等）有时也会破坏土体
结构，若在堤内外构成通道，亦可形成管涌，称之“生物潜蚀”，如黄河大堤曾出现过这
种现象。
2．流土
流土是指在上升的渗流作用下，局部黏性土和其他细粒土体表面隆起、顶穿或不均匀
的砂土层中所有颗粒群同时浮动而流失的现象。一般发生于以黏性土为主地带。坝基若为
河流沉积的二元结构土层组成，特别是上层为黏性土，下层为砂性土地带，下层渗透水流
的动水压力如超过上覆黏性土体的自重，就可能产生流土现象。这种渗透变形常会导致下
游坝脚处渗透水流出逸地带出现成片的土体破坏、冒水或翻砂现象。
3．接触冲刷
接触冲刷是指渗透水流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的接触流
动时，沿接触面带走细颗粒的现象。
4．接触流失
接触流失是指渗透水流垂直于渗透系数相差悬殊的土层流动时，将渗透系数小的土层
中细颗粒带进渗透系数大的粗颗粒土的孔隙的现象。
一、渗透变形产生条件
土体的渗透稳定性决定于渗透水流对土体的作用力与土体阻抗力这一对矛盾的发展变
化过程。土体对渗透水流的阻抗能力称为抗渗强度。当渗透动水压力大于土体的抗渗强度
时，渗透变形即可发生。因此，分析渗透变形产生条件，主要是分析土体结构特征和渗透
水压力。
1．土体结构因素分析
坝基产生渗透变形的实例表明：土体结构，特别是颗粒组成的均匀性，是形成潜蚀或
流土的主要原因，具体表现在下面几个方面。
(1)粗细颗粒粒径比。能在粗颗粒骨架之间孑L隙通过的细颗粒，其粒径小于孔隙直径。据试验资料证明，只有矗大／矗小>20时，才易于形成管涌。
(2)土颗粒级配的不均匀系数。土颗粒的级配反映了土体粗细颗粒含量分布状况。当
细粒含量较多时，致使粗颗粒不能相互接触构成骨架。研究表明：Cu <10的土易产生以
流土为主要形式渗透变形；Cu>20的土易产生管涌为主要形式的渗透变形；lO<Cu<20
的土，励可能产生流土，也可能产生管涌。
(3)土层结构。多层结构的松散土层发生渗透变形的可能性决定于渗透水层与不透水
层上下组合关系、相对厚度、透水层性质及其连通性。在二元结构情况下，当黏性土在
上、砂性土在下，且黏性土层厚而完整时，则不易产生渗透变形。但当黏性土薄或不完整
时，易在坝的下游产生流土隆起，并相继产生下层砂土管涌。
2．水动力条件
渗透压力是渗透水流作用在单位土体上的压力，其大小主要与渗透水流的水力坡降和
水的重度有关，即
D动一rwi （10 -7）
式中 D动-动水压力，kN／rri3；
%——水的重度，kN／m3；
z-渗透水流的水力坡降。
库水渗入坝下透水层，至下游排泄出来，其渗流方向在不同部位是不同的，如图
10 -7所示。

坝前渗入段，渗透水流是由上向下，使土体压实。在坝基下渗透水流是水平的，动水压力与渗流方向一致，此时如果土体颗粒对动水压力的阻抗力小于动水压力，则
会沿动水压力方向，顺水流向下游移动。在坝下游坡脚处，是渗透水流逸出段，渗透水流由下向上，是渗透变形的危险区。

分析渗透水流水力坡降与土层临界水力坡降的关系，是确定能否产生渗透变形的主要方法。所谓土层的临界水力坡降是指渗透水流使土体发生渗透变形极限平衡状态时所具有的水力坡降。其理论值大小为 icr一(G。-1)（1-咒） (10 -8)式中 i，一一临界水力坡降； Gs -土粒比重； 咒——土的孔隙率。
水力坡降相比较，若实际水力坡降小于允许水力坡降则渗透变形是安全的，否则是危险
一般情况下，当渗透水流的实际水力坡 AH-水位差(AH=Hl-H2)
降大于土体临界水力坡降时，则会产生渗透变形破坏。但在渗透变形稳定性评价时，为了
工程安全，应确定防止渗透变形破坏的允许水力坡降，以土的临界水力坡降除1.5～2．O
的安全系数确定。
关于临界水力坡降的确定，对于中小型工程和地层结构简单的地基，可以用经验公式
或理论公式计算；对于大型工程和地层复杂的地基应通过专门试验确定。
确定了临界水力坡降，除以安全系数即可得到允许水力坡降。把允许水力坡降与实际

坝基可能滑动类型的确定，是进行坝基抗滑稳定计算、坝基岩体力学模型试验，以及
定性和定量评价坝基稳定性的先决条件。
二、坝基抗滑稳定分析
（一）坝基岩体滑动的边界条件
坝基岩体的表层滑动问题的边界条件比较简单，坝基抗滑稳定性主要取决于坝体混凝
土与基岩接触面的抗剪强度；浅层滑动发生于坝基岩体浅部，抗滑稳定性决定于浅部岩体
的抗剪强度；坝基深层滑动的边界条件比较复杂，除去需要形成连续的滑动面以外，还必
须有其他软弱面在周围切割，才能形成滑动破坏，即滑动面、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0.3，在对其中41、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0.87;而计入侧向阻滑作用
（摩擦系数0.7）后的安全系数则分别为1. 54和1.95，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；
／7、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c-0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~'+c求得f'。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. 05、愚7。≥3．OO;特殊荷载缍
时，采用k。≥1. 00、走7。≥2.3～2.5。
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 - 11 (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(a±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1.0N1.3
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6.6级地震未遭破坏。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