项目二　水利工程地质问题处理

任务一　坝区工程地质问题及处理

任务导入

王甫洲水利枢纽位于湖北省老河口市下游约3km处，是汉江中下游规划兴建的7个梯级中第一个水利枢纽工程。该工程地质勘察工作始于1977年，前后历时达23年，坝基存在的主要工程地质问题有石膏溶蚀、基岩承压水、极软岩强度、建基岩体易风化及保护、坝基渗透稳定、砂土震动液化问题等，针对上述工程地质问题，采取了合适的工程处理措施，保证了枢纽工程建设的正常完工。

任务：1.坝基滑动的边界条件有哪些？

　　　2.对坝基渗漏可采取哪些工程措施？

知识准备

水工建筑物主要由挡水建筑物（坝、闸等）、取水和输水建筑物（隧道、引水渠等）及泄水建筑物（溢洪道、泄洪洞等）三大部分组成。作为水利枢纽主体建筑物的拦河大坝，它的安全稳定常是决定水利工程成败的关键。由于坝区岩体中存在的某些地质缺陷，则可能导致坝体产生工程地质问题。常见的主要工程地质问题有坝基稳定问题和坝区渗漏问题。

一、坝基的稳定问题

坝基的稳定是指坝基岩体在水压力及上部荷载作用下，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）和在渗透水流作用下，不产生过大的渗透变形（称渗透稳定）。

对于修建在岩基上的土坝，由于其坝身断面较大，且为柔性基础，所以地基稳定性问题容易得到满足。但对于建在松散沉积层上的土坝，应查明在坝基中是否存在软土（如淤泥和淤泥质土）。重力坝、拱坝对地形、地质要求较高，因此，本部分主要针对重力坝分析其稳定性。

1.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。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，则有可能产生较大的沉降或不均匀沉降（图2－1），甚至导致破坏。岩体内存在有溶蚀洞穴或潜蚀掏空现象，也会因塌陷而导致不均匀沉降。

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。如图2－2所示，当软弱夹层在坝基中呈水平时，有可能产生沉降变形［图2－2（a）］。当位于下游坝址处时，则易使坝体向下游倾覆［图2－2（b）］。若位于坝的上游坝踵处，沉降影响较小［图2－2（c）］。

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。

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。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

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，才能评价岩体的容许承载力。

一般对于特别坚硬的岩石，K取20～25；对于一般坚硬的岩石，K取10～20；对于软弱的岩石，K取5～10；对于风化的岩石，参照上述标准相应降低25%～50%。

岩基的承载力一般较高，多数能满足筑坝要求。故［R］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，为了正确确定地基的承载力，应在现场进行荷载试验。

2.坝基的抗滑稳定分析

坝基岩体在大坝重量及水压力共同作用下产生的滑动，是重力坝破坏的主要形式。坝基的抗滑稳定性分析是坝设计中的一个重要因素。

坝基岩体受力状态是复杂的，既承受垂直方向的作用力，还要承受各种侧向推力及渗透压力等。坝基岩体的稳定性，除受上述工程作用力的制约外，主要取决于坝基岩体的地质条件。这就要求坝基岩体应有足够的抗剪强度以满足抗滑稳定要求。

（1）坝基岩体滑动破坏的类型。按滑动面发生位置的不同，坝基岩体滑动的形式可分为表层滑动、浅层滑动和深层滑动三种（图2－3）。

1）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。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黏结不牢，抗剪强度未能达到设计要求而形成［图2－3（a）］。

2）浅层滑动。浅层滑动是指沿坝基不深处岩体表层的软弱结构面而发生的滑动［图2－3（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。

3）深层滑动。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（或结构面的不利组合）形成滑动。这种滑动称为深层滑动［图2－3（c）］。

（2）坝基滑动的边界条件分析。

1）岩体滑动边界条件的构成。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，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割面，以及具有自由空间的临空面构成（图2－4）。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。一般常见的结构体形状有楔形体、棱柱体、锥形体、板状体四类（图2－5）。

2）坝基岩体滑动边界条件分析。

分析坝基岩体滑动的边界条件，实质是对坝基岩体稳定的定性评价，是进行力学分析的基础。经过分析，如果不存在滑动的边界条件，则坝基岩体是稳定的；如果边界条件不完全，如只有滑动面而无切割面，或有切割面而无滑动的自由空间，都可认为岩体基本稳定。只有滑动边界条件具备，岩体才有可能滑动，则应进一步通过力学分析作出评价（图2－6）。

a.切割面：将岩体切割开来，构成不连续块体的结构面，一般由陡倾角的结构面组成。

纵向切割面：走向与河流流向平行，与坝轴线垂直。

横向切割面：走向平行于坝轴线，与河流流向垂直。

b.临空面：滑移体与变形空间相临的面。

水平临空面：多为坝后河床地面。

陡立临空面：坝后的深潭、深槽、溶洞、冲刷坑等滑动岩体下方有可压缩的大破碎带、节理密集带、软弱岩层，也可起到临空面的作用。

c.滑动面：常由平缓的软弱结构面组成。如缓倾角的页岩夹层、泥化夹层、节理、卸荷裂隙、断层破碎带等，这类结构面抗剪强度很低。滑动面可以是单一的，也可以是两组或以上的组合。

（3）坝基抗滑动稳定计算。建于岩体上的混凝土坝的抗滑稳定性，受到工程作用力和坝基岩体工程地质条件制约。在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，抗滑力与滑动力的比值称为抗滑稳定性系数Fs，即

目前对抗剪强度指标的选定，一般采用经验数据法、工程地质类比法和试验法三种方法。

（4）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，以保证工程的安全。常用的处理措施如下：

1）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，以提高抗滑性能。

2）岩体加固。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，进入完整岩体一定深度，插入预应力钢筋，用以加强岩体稳定。

二、坝区渗漏问题

水库蓄水后，在大坝上、下游水头差的作用下，库水将沿坝基岩体中存在的渗漏通道向下游渗漏。库水由坝基岩体渗向下游称为坝基渗漏，由两岸坝肩岩体的渗漏称为绕坝渗漏，两者统称为坝区渗漏。坝区渗漏和水库渗漏一样，主要沿透水层（如砂、砾石）和透水带（断层、溶洞）渗漏。坝区渗漏不但减少库容，影响水库正常效益发挥，而且强大的渗流，将会在坝基中产生管涌和流砂现象，降低坝基岩体的稳定性及大坝安全。下面仅以地质条件分析对坝区渗漏作一扼要分析。

1.基岩地区渗漏分析

岩浆岩（包括变质岩中的片麻岩，石英岩）区的坝基一般较为理想，对基岩来说，可能渗漏的通道主要是断层破碎带、岩脉裂隙发育带和裂隙密集带以及表层风化裂隙组成的透水带。只要这些渗漏通道从库区穿过坝基，就有可能导致渗漏。

喷出岩区的渗漏主要是通过互相连通的裂隙、气孔以及多次喷发的间歇面渗漏，具有层状性质。

沉积岩地区除上述断层破碎带和裂隙发育带构成的渗漏通道外，最常见的是透水层（胶结不良的砂砾岩和不整合面）漏水，只要它们穿过坝基，就可成为漏水通道。

在岩溶地区应查明岩溶的分布规律和发育程度，当岩溶区一旦发生渗漏，就会使水库严重漏水，甚至干涸。

2.松散沉积物地区的渗漏分析

松散沉积物地区坝基渗漏主要是通过古河道、河床和阶地内的砂卵砾石层。其颗粒粗细变化较大，出露条件也各异，这些均影响渗漏量的大小。如果砂卵石层上有足够厚度、分布稳定的黏土层时，就等于是天然铺盖，可起防渗作用。因此，在研究松散层坝区渗漏问题时，应查清土层在垂直和水平方向的变化规律。

3.防渗措施

根据渗透部位和渗透方式不同，采取不同的防渗措施。灌浆帷幕用于裂隙性岩溶渗漏具有显著的防渗效果；对规模不大的管道性岩溶渗漏采用填充性灌浆也有一定效果，一般在坝基和坝肩部位都设置有灌浆帷幕，以防止绕坝渗漏。当地基下面透水层深度不大时，常用截水墙防渗，防渗墙有黏土墙、混凝土墙和大口径钻孔回填混凝土等形式。铺盖防渗主要适用于大面积的孔隙性或裂隙性渗漏。库底大面积渗漏，常用黏土铺盖，对于库岸斜坡地段的局部渗漏，用混凝土铺盖。堵洞是指选择集中漏水的洞口用适当的建材堵塞，是防止岩溶通道渗漏的有效方法。