工程地质分析原理 (109).pdf

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1、地基岩体稳定性的地基岩体稳定性的工程地质分析工程地质分析工程地质分析原理工程地质分析原理第十一章第十一章松软土坝基的变形与破坏松软土坝基的变形与破坏竖向荷载作用竖向荷载作用斜向荷载作用斜向荷载作用岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏8.2 8.2 坝基岩体的变形与破坏坝基岩体的变形与破坏(1)(1)慢速小坍滑：慢速小坍滑：一般是发生在地一般是发生在地基土层中存在有基土层中存在有饱水的厚层塑性饱水的厚层塑性软粘土或淤泥夹软粘土或淤泥夹层层的情况下的情况下塑性软粘土、淤泥塑性软粘土、淤泥8.2.1 8.2.1 松软土坝基的变形与破坏松软土坝基的变形与破坏1.1.竖向荷载竖向荷载作用下作用下松软

2、土松软土坝基的变形与破坏坝基的变形与破坏坝坡坍滑的主要类型坝坡坍滑的主要类型:AZNALCLLAR25 of April,1998;early morningE.E.Alonso，2013Central zone of failure.Displaced and reconstituted profiles(2)(2)快速大坍滑：快速大坍滑：通常发生在地基通常发生在地基土层中发育有土层中发育有中中部夹有砂或粉砂部夹有砂或粉砂之类薄层或透镜之类薄层或透镜体的软粘土体的软粘土软粘土软粘土薄层砂、粉砂薄层砂、粉砂1.1.竖向荷载竖向荷载作用下作用下松软土松软土坝基的变形与破坏坝基的变形与破坏坝坡坍滑

3、的主要类型坝坡坍滑的主要类型:8.2.1 8.2.1 松软土坝基的变形与破坏松软土坝基的变形与破坏P P滑滑P Pa aP Pb bPa相当于主动土压力，Pb相当于被动土压力。/KS P滑PHcHboo122112tan(452)2tan(452)aooPHHc HHC12()tan(452)2()tan(452)2122128.2.1 8.2.1 松软土坝基的变形与破坏松软土坝基的变形与破坏滑动力大小主要取决于滑动力大小主要取决于坝高坝高和坝体和坝体强度强度！作用在作用在abab面上的抗滑力面上的抗滑力S S为：为：Q Qx x作用在作用在abab面上的坝体重量，随坝体加高而增大；面上的坝体

4、重量，随坝体加高而增大；P Pw w abab面处的面处的超空隙水压力超空隙水压力；c c、滑动面上土石的内聚力和内摩擦力；滑动面上土石的内聚力和内摩擦力；Lx Lx abab段的长度，为一变量，随坝体加高、加宽而增大。段的长度，为一变量，随坝体加高、加宽而增大。抗滑力抗滑力S的大小，一方面与滑动面的的大小，一方面与滑动面的c c、有关，同时取有关，同时取决于决于 Qx-Pw(即即有效压力有效压力)的大小。的大小。xLCS1第一类（慢速小坍滑）机制：第一类（慢速小坍滑）机制：由于高塑性软粘土的透水性很差，由于高塑性软粘土的透水性很差，排水缓慢，粘土层中间部分可能排水缓慢，粘土层中间部分可能长时

5、间保持很高的、甚至接近于长时间保持很高的、甚至接近于附加压力的附加压力的超空隙水压力超空隙水压力，(QxQx-Pw)Pw)很小，甚至接近于零很小，甚至接近于零。第二类（快速大坍滑）机制：第二类（快速大坍滑）机制：随着地表荷载的增大，软粘土层随着地表荷载的增大，软粘土层中的水不断的流向中部的薄砂层，中的水不断的流向中部的薄砂层，致使薄砂层中的空隙水压力不断致使薄砂层中的空隙水压力不断增大，有效压力增大，有效压力(QxQx-Pw)Pw)不断减小。不断减小。02SxwQP 静态液化静态液化砂质地基：砂质地基：当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时，空隙水当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时，空

6、隙水能很快排出，超空隙水应力的消散很迅速，故有效应力能能很快排出，超空隙水应力的消散很迅速，故有效应力能在很短的时间增大至附加应力值：在很短的时间增大至附加应力值：()tan.SQPC LxwxSQx3tanPw0C 08.2.1 8.2.1 松软土坝基的变形与破坏松软土坝基的变形与破坏（1 1）当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层）当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层挖除挖除，然后将，然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上。基础砌置在不易引起坍滑的土层上。（2 2）当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取相应的）当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取相应的排水排水措施，以便较快的减少该层中的超空

7、隙水压力；措施，以便较快的减少该层中的超空隙水压力；（3 3）在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进度的方法，）在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进度的方法，使土层预先沉陷或逐渐使土层预先沉陷或逐渐排水压实排水压实，以提高地基的抗滑能力。，以提高地基的抗滑能力。结论：结论：地基中存在有地基中存在有饱水且透水性小的土层饱水且透水性小的土层，如塑性软粘土，如塑性软粘土或淤泥等，特别是当其中或淤泥等，特别是当其中夹有砂或粉砂的薄层或透镜体夹有砂或粉砂的薄层或透镜体时，时，地基的抗坍滑能力通常是很低的，在设计土坝或堆石坝时必地基的抗坍滑能力通常是很低的，在设计土坝或堆石坝时必须充分注意这个问题。须充

8、分注意这个问题。防范措施：防范措施：8.2.1 8.2.1 松软土坝基的变形与破坏松软土坝基的变形与破坏深层弧形滑动：深层弧形滑动：当作用在松当作用在松软坝基上的斜向荷载增大到一软坝基上的斜向荷载增大到一定的临界值之后，地基土即将定的临界值之后，地基土即将沿着一定的深部弧形面发生滑沿着一定的深部弧形面发生滑动破坏。动破坏。2.2.倾斜荷载倾斜荷载作用下作用下松软土地基松软土地基的变形与破坏的变形与破坏kfPA cPcvH表层平面滑动：表层平面滑动：8.2.1 8.2.1 松软土坝基的变形与破坏松软土坝基的变形与破坏1.1.岩石坝基的变形及其对大坝稳定性的影响岩石坝基的变形及其对大坝稳定性的影响

9、(1)(1)岩石地基内应力分岩石地基内应力分布的不均匀性布的不均匀性当坝基内有成组出现的当坝基内有成组出现的陡倾软弱结构面陡倾软弱结构面发育时，发育时，地基内的附加应力将在地基内的附加应力将在软弱结构面所限岩体内软弱结构面所限岩体内产生高度的产生高度的集中集中。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏(2)(2)地基不同地段岩体变形性质的差异性地基不同地段岩体变形性质的差异性而可能产生的不均匀沉陷图11-19 因谷底水平卸荷裂隙发育不均匀I I：坝体砌置在：坝体砌置在软硬差别较大软硬差别较大的岩层上，易于产生不均匀的岩层上，易于产生不均匀沉陷；沉陷；IIII：坝基岩体内

10、：坝基岩体内开口裂隙开口裂隙(如河床下的水平卸荷裂隙等如河床下的水平卸荷裂隙等)发育的不均匀。发育的不均匀。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏坝基不均匀沉陷可对坝体稳定性造成较大的危害，必须提前主动防范防范措施：防范措施：（1）规避：在初勘阶段应尽可能地将坝基选择在不致产生过大不均匀沉陷的区段。（2）工程处理：如果不能避开，应采取相应的措施：预留沉陷缝、注浆加固、锚固等。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏2.2.岩石坝基滑动破坏类型与特征岩石坝基滑动破坏类型与特征由于坝基岩体特征不同，由于坝基岩体特征不同，重力坝重力坝在库水推力作用下

11、主要在库水推力作用下主要变现为三种滑动破坏形式变现为三种滑动破坏形式:表面滑动表面滑动浅部滑动浅部滑动深部滑动深部滑动8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏表面滑动示意图表面滑动示意图（1 1）表面滑动）表面滑动表面滑动是沿大坝基础与基岩接触表面滑动是沿大坝基础与基岩接触面发生的剪切滑动。面发生的剪切滑动。发生条件：发生条件：在坝基岩体的强度远大在坝基岩体的强度远大于坝体材料强度，且岩体完整、无于坝体材料强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面。控制滑移的软弱结构面。大坝基础与基岩接触面的大坝基础与基岩接触面的摩擦系数摩擦系数值，是控制重力坝设计主要指标。值，是控制重

12、力坝设计主要指标。坝体必须具有足够的坝体必须具有足够的重量重量，以便使，以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力。体上的总水平推力。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏（2 2）浅层滑动）浅层滑动发生条件：发生条件：当坝基浅表层岩体的抗剪强度低于坝体材料当坝基浅表层岩体的抗剪强度低于坝体材料时，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。从产生条件来看，这种浅层滑动可能有从产生条件来看，这种浅层滑动可能有三种主要类型三种主要类型：1 1）坝基岩体的）坝基岩体的岩性软弱岩性软

13、弱，岩石本身的抗剪强度低于坝岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面。体混凝土与基岩的接触面。坝基浅层滑动示意图坝基浅层滑动示意图8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏2 2）由近水平产出的）由近水平产出的薄层状岩层薄层状岩层(特别是夹有软弱层者特别是夹有软弱层者)变形形式：沿软弱层发生滑移弯曲变形形式：沿软弱层发生滑移弯曲在平行于层理方向的荷载作用下，层状岩体的抗弯曲能力称在平行于层理方向的荷载作用下，层状岩体的抗弯曲能力称为为弯曲阻抗弯曲阻抗RbRb(Buckling resistance)(Buckling resistance)，可用，可用EuIerEu

14、Ier公式计算公式计算:REAlDEDlbbb/2422232岩层的抗弯曲能力与弯曲所涉及的岩层的抗弯曲能力与弯曲所涉及的层厚层厚D D的三次方成正比，的三次方成正比，所以这类变形破坏通常总是发生在浅部地层内。所以这类变形破坏通常总是发生在浅部地层内。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏3)碎裂结构岩体组成的坝基碎裂结构岩体组成的坝基在坝体推力作用下发生剪切滑移破坏。剪切滑移破坏。变形破坏过程：变形破坏过程：附加应力区附加应力区(AFGE)(AFGE)ABAB拉裂面拉裂面BCBC底滑面底滑面CDCD剪切滑动带剪切滑动带8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石

15、坝基的变形与破坏（3 3）深层滑动）深层滑动深层滑动主要是沿已有的软弱结构深层滑动主要是沿已有的软弱结构面发生。只有当地基岩体内存在有面发生。只有当地基岩体内存在有软弱结构面软弱结构面，且按一定组合能构成，且按一定组合能构成危险滑移体危险滑移体时，才有发生深层滑动时，才有发生深层滑动的可能。的可能。块体理论块体理论：有限块体：有限块体可动块体可动块体滑移边界条件的构成及特点滑移边界条件的构成及特点 滑移面滑移面 切割面切割面 临空面临空面河床地面河床地面冲刷坑冲刷坑或陡坎或陡坎可变形软弱带可变形软弱带临空面的几种形式临空面的几种形式有限有限块体块体可动可动块体块体8.2.2 8.2.2 岩石坝

16、基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏滑移面：滑移面：滑移体在变形过程中滑移体在变形过程中一直一直沿某一结沿某一结构面（一般为软弱结构面）滑动，构面（一般为软弱结构面）滑动，直至破坏。其直至破坏。其一直受压力和剪切力一直受压力和剪切力作用作用。切割面：切割面：切割面常由切割面常由陡立的断裂面陡立的断裂面构成的，只起将滑移体与周构成的，只起将滑移体与周围岩体割裂开来的作用，不起抗滑作用。不受压力和剪切力作用。围岩体割裂开来的作用，不起抗滑作用。不受压力和剪切力作用。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，平行于作用，平行于作用力方向的陡立面则构成力方向的

17、陡立面则构成侧向切割面侧向切割面。切割面切割面滑移面滑移面8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏 滑移控制面滑移控制面通常是由通常是由平缓的软弱结构面平缓的软弱结构面构成的，这类面上的构成的，这类面上的抗剪指标抗剪指标是控制设计的重要数据。是控制设计的重要数据。滑移控制面的确定，应考虑如下两种情况：滑移控制面的确定，应考虑如下两种情况：(1)(1)坝基内存在有方位有利于滑动的坝基内存在有方位有利于滑动的软弱结构面软弱结构面，且其实际抗，且其实际抗滑能力低于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪能力。滑能力低于坝体混凝土与基岩接触面的抗剪能力。1 1）滑移面的确定）滑移面的确定8

18、.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏深层滑动：深层滑动：dci表层滑动：表层滑动：dci软弱结构面倾向上游软弱结构面倾向上游软弱结构面倾向下游软弱结构面倾向下游深层滑动：深层滑动：dci8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏设计过程中，应逐一校核那些设计过程中，应逐一校核那些可能成为滑移控制面的软弱结可能成为滑移控制面的软弱结构面发生滑移的可能性。构面发生滑移的可能性。上犹江电站的混凝土重力坝：上犹江电站的混凝土重力坝：泥化夹层泥化夹层，i i=10=10d d 14141717c c3030处理措施：处理措施：挖去了埋藏较浅的泥化夹层挖去了

19、埋藏较浅的泥化夹层埋藏较深的部分经计算校核，表明是稳定的，仅增加了埋藏较深的部分经计算校核，表明是稳定的，仅增加了防渗处理。防渗处理。存在产生深层滑动的可能性存在产生深层滑动的可能性(2)(2)坝基岩体内没有明显的软弱结构面，但存在密集发育坝基岩体内没有明显的软弱结构面，但存在密集发育的的裂隙带裂隙带或或软弱带软弱带（如溶蚀、软弱岩层等）。此时深部滑移（如溶蚀、软弱岩层等）。此时深部滑移控制面往往是由坝基内控制面往往是由坝基内最大剪应力带最大剪应力带的分布所决定。的分布所决定。乌江渡电站坝基地质情况示意图乌江渡电站坝基地质情况示意图灰岩灰岩页岩页岩页岩页岩剪应力剪应力集中带集中带乌江渡电站经校

20、核，发乌江渡电站经校核，发现设计坝基的坑滑稳定现设计坝基的坑滑稳定不能满足要求。将原设不能满足要求。将原设计的重力坝改为计的重力坝改为拱形重拱形重力坝力坝，以便把，以便把20203030的水平荷载传到两岸，的水平荷载传到两岸，以保证坝基的抗滑稳定。以保证坝基的抗滑稳定。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏当滑移控制面近于水平或倾向下游时，就变成具有抗力体的滑移结构。坝基岩体沿滑移控制面ab的滑移将首先受到坝下游岩体的抵抗，只有当下游岩体沿着某一个面（如bc面）被剪破之后，坝基岩体才有可能发生沿滑移控制面ab的滑动。通常将坝下游这部分能起抵抗坝基滑移作用的岩体称为抗力

21、体，它所能提供的抗力的大小对坝基抗滑稳定评价有重要意义（关键块体）。2 2坝基内有抗力体的滑移结构坝基内有抗力体的滑移结构）具有抗力体的滑移结构）具有抗力体的滑移结构8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏抗力体一般有两个破裂面。对危险滑移体起主要抵抗作用的面称第一破裂第一破裂面面，与主滑移体分割开的面称第二破裂面，相当于切割面。第一破裂面第一破裂面第二破裂面第二破裂面第一破裂面位置的确定：(1)当下游坝基内发育有倾向上游的软弱结构面时，往往就为第一破裂面。(2)当下游坝基内不存在倾向上游的结构面时，需要通过试算确定。假定第一破裂面是一个通过b点（坝趾投影点）并与水平面

22、成角的平面。角应根据试算法求得。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏第二破裂面通常假定为通过下游坝址的铅直面。计算时有两种考虑方法：一是考虑此面上的摩擦力，此时抗力的作用方向：阻止滑动的方向，与面法线夹角为该面摩擦角。考虑第二破裂面上摩擦力时抗力的计算图解考虑第二破裂面上摩擦力时抗力的计算图解8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏另一种是不考虑此面的摩擦力，此时抗力的作用方向是直接假定为水平。抗力可根据块体平衡条件确定。当不考虑第二破裂面上的抗力可根据块体平衡条件确定。当不考虑第二破裂面上的摩阻力时，抗力体对坝基滑移所提供的水平抗力计算公式

23、：摩阻力时，抗力体对坝基滑移所提供的水平抗力计算公式：抗tgPP tgC AVcos)()22222式中：式中：P PV2V2抗力体的重量；抗力体的重量；第一破裂面的倾角；第一破裂面的倾角；C2C2、2 2 第一破裂面的内聚力和摩擦角；第一破裂面的内聚力和摩擦角；A2 A2 第一破裂面的面积。第一破裂面的面积。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏在大坝施工及运行期间，通常有一系列的作用可不断地降低坝基抗滑稳定性。如果在设计与施工中不采取措施，任其自由发展，最终可导致坝基整体破坏，造成严重后果。3.3.坝基抗滑稳定性的动态变化坝基抗滑稳定性的动态变化正在浇筑的拉西瓦电

24、站坝体正在浇筑的拉西瓦电站坝体8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏(1)(1)基坑开挖过程中基坑开挖过程中卸荷回弹与卸荷回弹与应力释放应力释放所造成的岩体质量恶化。所造成的岩体质量恶化。高地应力区：小湾、拉西瓦高地应力区：小湾、拉西瓦葛洲坝水电站厂房基坑开挖过程葛洲坝水电站厂房基坑开挖过程中所发生的情况就非常典型。中所发生的情况就非常典型。拉西瓦坝基开挖面特征拉西瓦坝基开挖面特征8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏拉西瓦河床部位坝基卸荷现象：近水平层状开裂拉西瓦河床部位坝基卸荷现象：近水平层状开裂小湾电站坝基开挖葱皮化、板裂化现象小湾电站

25、坝基开挖葱皮化、板裂化现象(2)(2)在在附加应力附加应力作用下坝基岩体变形、破裂的逐渐发展，导致作用下坝基岩体变形、破裂的逐渐发展，导致坝底坝底扬压力扬压力(或空隙水压力或空隙水压力)增高增高。上游张裂面形成前上游张裂面形成前：缓倾结构：缓倾结构面上的杨压力主要由下游水面上的杨压力主要由下游水头提供；头提供；上游张裂面形成后：上游张裂面形成后：缓倾结构缓倾结构面上的杨压力主要由上下游面上的杨压力主要由上下游水头共同提供；水头共同提供；若下游因附加压应力使渗透性若下游因附加压应力使渗透性降低甚至处于封闭状态，将降低甚至处于封闭状态，将使局部杨压力增大。使局部杨压力增大。8.2.2 8.2.2

26、岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏法国马尔帕塞坝失事：法国马尔帕塞坝失事：坝后的坝后的拉应力集中拉应力集中使该部使该部位裂隙张开，高压水进入位裂隙张开，高压水进入裂缝后又被压密带堵塞，裂缝后又被压密带堵塞，形成高水头。形成高水头。8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏高高60m60m的薄拱坝，底宽的薄拱坝，底宽6.26m,6.26m,顶宽顶宽1.5m,1.5m,坝基为片麻岩。坝基为片麻岩。19591959年年1212月月2 2日当库水接近满库时突然溃决，日当库水接近满库时突然溃决，400400人丧生。人丧生。压应力集中压应力集中(3)(3)高水头作用下高水头作用下地下地下水渗流和地表水溢流水渗流和地表水溢流所所造成的坝基岩体的性质造成的坝基岩体的性质和状态的恶化。和状态的恶化。泥质岩石的软化及泥泥质岩石的软化及泥化；化；松散、破碎岩体的渗松散、破碎岩体的渗透变形；透变形；下游岩体的溢流冲刷。下游岩体的溢流冲刷。四川永川县陈食水库条石连拱坝坝基渗透变形与破坏情况示意图四川永川县陈食水库条石连拱坝坝基渗透变形与破坏情况示意图8.2.2 8.2.2 岩石坝基的变形与破坏岩石坝基的变形与破坏20122012年年8.188.18后高家沟泥石流治理工程遭部分损毁后高家沟泥石流治理工程遭部分损毁