河海大学工程地质原理(4)剖析.ppt

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1、第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.1 概概 述述1 1、地下洞室围岩稳定问题的特点地下洞室围岩稳定问题的特点普遍存在：水电工程、交通工程、国防工程；普遍存在：水电工程、交通工程、国防工程；与地质环境的联系更密切：与地质环境的联系更密切：置于岩土体内，处于复杂的地应力、地下水、地温和有害气体环境；置于岩土体内，处于复杂的地应力、地下水、地温和有害气体环境；埋深大：几十至几百米，甚至可达上千米，埋深大：几十至几百米，甚至可达上千米，如锦屏二级、南水北调西线、广蓄、二滩；如锦屏二级、南水北调西线、广蓄、二滩；规模大：往往构成复杂的、庞大的地下建筑群；规模大：往往构成复

2、杂的、庞大的地下建筑群；问题多：变形破坏形式多样；问题多：变形破坏形式多样；合理利用岩体的问题更重要：围岩是主体；合理利用岩体的问题更重要：围岩是主体；运营条件复杂：内水压力、外水压力、山岩压力、长期强度、蠕运营条件复杂：内水压力、外水压力、山岩压力、长期强度、蠕变、松弛。变、松弛。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究二滩的地下洞群：二滩的地下洞群：双曲拱坝，坝高双曲拱坝，坝高245245m m，玄武岩，玄武岩，地下厂房：埋深地下厂房：埋深200200m m，246m28.5m71.15m246m28.5m71.15m，主变室：主变室：2 2个，个，190190m17

3、m27mm17m27m，45.25m8m6.09m45.25m8m6.09m，尾水洞：尾水洞：330330m m、7m7m（16m16m14m14m），），尾水闸门井：尾水闸门井：61.8761.87m6.5m13mm6.5m13m。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.1 7.1 概述概述鲁布革的地下洞群鲁布革的地下洞群：堆石坝，坝高堆石坝，坝高100100m m，白云岩、灰岩，白云岩、灰岩，主厂房：主厂房：115115m24m45mm24m45m，副厂房：副厂房：1414m24m45mm24m45m，引水隧洞：引水隧洞：8m8m，洞长洞长8786.8m8786.

4、8m。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.1 7.1 概述概述广州抽水蓄能电站的地下洞群广州抽水蓄能电站的地下洞群：花岗岩，最大埋深花岗岩，最大埋深570570m m，洞长洞长37003700m m，9m9m，地下洞室总长约地下洞室总长约30km，其中引水发电系统总长约其中引水发电系统总长约8.0km，高压隧洞由高压隧洞由两个两个50的斜洞和三个平洞组成，承受最大内水静压力的斜洞和三个平洞组成，承受最大内水静压力6.1MPa，采用采用4060cm厚的钢筋砼衬砌，衬砌后内径厚的钢筋砼衬砌，衬砌后内径8.53.5m。（2）具体任务）具体任务全面认识岩体全面认识岩体有效

5、而适时地支护岩体有效而适时地支护岩体实时跟踪观测岩体实时跟踪观测岩体尽量保护岩体尽量保护岩体合理利用岩体合理利用岩体选择最优洞线选择最优洞线第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.1 7.1 概述概述龙滩龙滩(红水河红水河)小湾小湾(澜沧江澜沧江)(烈度烈度8度、度、10度设防度设防)三板溪三板溪(沅水)溪洛渡溪洛渡(金沙江金沙江)向家坝向家坝(金沙江金沙江)瀑布沟瀑布沟(大渡河大渡河)锦屏锦屏(雅砻江雅砻江)10-20个拟建、在建世界级大型水电工程个拟建、在建世界级大型水电工程西西 电电 东东 送送南水北调西线南水北调西线南南水水北北调调西西线线 工工 程程73km

6、长隧长隧,最大埋深最大埋深1000多米多米(巴颜喀拉山巴颜喀拉山)深埋长隧穿越活动断裂、冻土冻害、岩爆、突水深埋长隧穿越活动断裂、冻土冻害、岩爆、突水.39003900mm35003500mm34003400mm33003300mm通通天天河河雅雅砻砻江江大大渡渡河河黄黄河河290m500-1100m500-1100m170m 2001年年7月月17日，广西日，广西南丹拉甲坡矿南丹拉甲坡矿(锡矿锡矿)突水事突水事故，死亡故，死亡81人。人。地下工程突水地下工程突水灾害事故灾害事故埋深埋深700m隔水层厚度隔水层厚度30cm违规放违规放炮作业炮作业事故原因：在事故原因：在-166米米(深度深度7

7、00余余m)的的3号工作面实施爆破作业，致使隔水岩号工作面实施爆破作业，致使隔水岩层击穿，发生透水。层击穿，发生透水。7.2 地下洞室围岩应力重分布地下洞室围岩应力重分布（1 1）机理机理在地应力作用下，岩体产生压缩变形在地应力作用下，岩体产生压缩变形洞室开挖在岩体内形成自由面洞室开挖在岩体内形成自由面洞壁围岩失去径向约束而向洞内产生收敛变形（单向回弹变形）洞壁围岩失去径向约束而向洞内产生收敛变形（单向回弹变形）因围岩发生收敛变形，使洞径、周长减小，即围岩在发生径向因围岩发生收敛变形，使洞径、周长减小，即围岩在发生径向回弹变形的同时，切向压缩变形加剧回弹变形的同时，切向压缩变形加剧围岩切向压应

8、力增大。围岩切向压应力增大。所以，围岩应力重分布的实质是：所以，围岩应力重分布的实质是：围岩由三向受力状态围岩由三向受力状态平面受力状态（洞壁）平面受力状态（洞壁）将径向应力加到切向应力上（但不等），轴向应力变化不大。将径向应力加到切向应力上（但不等），轴向应力变化不大。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.2 7.2 地下洞室围岩应力重分布地下洞室围岩应力重分布（2 2）重分布应力）重分布应力均质、连续、弹性、圆形断面围岩中的重分布应力均质、连续、弹性、圆形断面围岩中的重分布应力(“(“弹性力学弹性力学”G.G.吉尔西应力分布解吉尔西应力分布解)：式中：式中：r

9、r0 0为洞半径；为洞半径；r r为质点距洞心的距离；为质点距洞心的距离；v v为垂向自重应力。为垂向自重应力。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.2 7.2 地下洞室围岩应力重分布地下洞室围岩应力重分布 讨论：讨论：r=r 0时，即洞壁上：时，即洞壁上：，；=1，即很软、很深时，即很软、很深时，洞壁上：洞壁上：，；围岩内：围岩内：，；=0，即很硬时（刚体），洞壁上：即很硬时（刚体），洞壁上：，；围岩内复杂。围岩内复杂。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.2 7.2 地下洞室围岩应力重分布地下洞室围岩应力重分布（3 3）影响应力重分布

10、的因素影响应力重分布的因素洞室断面形态：应力集中的程度、部位、范围因洞形而异；洞室断面形态：应力集中的程度、部位、范围因洞形而异；地应力水平（含方向）；地应力水平（含方向）；岩性：坚硬程度、变形模量；岩性：坚硬程度、变形模量；岩体结构：结构面产状有很大影响：主应力的大小、方向及最不利部岩体结构：结构面产状有很大影响：主应力的大小、方向及最不利部位；位；时间：时间：洞壁应力集中到大于弹性极限（屈服应力）后，产生屈服现象，洞壁应力集中到大于弹性极限（屈服应力）后，产生屈服现象，向围岩深部迁移向围岩深部迁移形成形成3 3个应力分布区：个应力分布区：塑性松动区塑性松动区弹性压密区弹性压密区天然应力区天

11、然应力区应力降低区应力降低区应力升高区应力升高区天然应力区。天然应力区。衬砌刚度及支护时间。衬砌刚度及支护时间。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.2 7.2 地下洞室围岩应力重分布地下洞室围岩应力重分布7.3 7.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏1 1、脆性破裂脆性破裂（1 1）表现形式：岩爆、板裂。）表现形式：岩爆、板裂。（2 2）机理：双向受压的、坚硬完整的岩石在高）机理：双向受压的、坚硬完整的岩石在高地应力作用下产生脆性破裂。地应力作用下产生脆性破裂。（3 3）产生条件：）产生条件：1 1）岩性坚硬完整；）岩性坚硬完整；2 2）高地应力；）高地应力；3

12、 3）轴线垂直于）轴线垂直于1 1；4 4）钻爆施工产生爆破裂隙。）钻爆施工产生爆破裂隙。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究2、块体滑动与塌落块体滑动与塌落（1）表现形式：滑动破坏。）表现形式：滑动破坏。（2）机理：在重力和切向应力共同作用下产生滑塌破坏。）机理：在重力和切向应力共同作用下产生滑塌破坏。（3）产生条件：）产生条件：1）岩性坚硬，但发育）岩性坚硬，但发育23组软弱结构面，软、硬互层，倾斜地层；组软弱结构面，软、硬互层，倾斜地层；2）地应力水平较高，或洞室规模较大）地应力水平较高，或洞室规模较大.v侧重结构面与临空面组合特征的研究。侧重结构面与临空面组合

13、特征的研究。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.3 7.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏3、弯曲折断弯曲折断（1）表现形式：内鼓、折断）表现形式：内鼓、折断破坏。破坏。（2）机理：层间结合力差，岩体呈迭板状，且软硬互层，抗弯能）机理：层间结合力差，岩体呈迭板状，且软硬互层，抗弯能力较差力较差。缓倾岩层：洞顶岩体在重力和切向应力作用下产生下沉弯缓倾岩层：洞顶岩体在重力和切向应力作用下产生下沉弯曲、张裂、折断、塌落；曲、张裂、折断、塌落；陡倾岩层：边墙在切向应力和径向应力作用下，岩层向洞陡倾岩层：边墙在切向应力和径向应力作用下，岩层向洞内发生鼓出、弯曲、折断、垮塌

14、内发生鼓出、弯曲、折断、垮塌(典型碧口水电站典型碧口水电站p198199.图图7-8.千枚岩、凝灰岩，倾千枚岩、凝灰岩，倾角角7080）；）；倾斜岩层：拱角岩体在重力和切向应力作用下，向下、向倾斜岩层：拱角岩体在重力和切向应力作用下，向下、向临空方向下沉、张裂、塌落临空方向下沉、张裂、塌落。（3）产生条件：）产生条件：1)中厚层、薄层软、硬互层状岩体；中厚层、薄层软、硬互层状岩体；2)劈理带；劈理带；3)3)裂隙密集带（一组特别发育）。裂隙密集带（一组特别发育）。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.3 7.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏4 4、松动垮塌松动垮

15、塌（1 1）表现形式：塌方、冒顶、拱顶破裂。）表现形式：塌方、冒顶、拱顶破裂。（例：小浪底（例：小浪底F236F236、F238F238断层）断层）（2 2）机理：）机理：破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落（3 3）产生条件：）产生条件：1)1)断层破碎带、裂隙密集带、槽状、囊状风化带、溶洞堆积物断层破碎带、裂隙密集带、槽状、囊状风化带、溶洞堆积物;2 2）多位于洞顶多位于洞顶边墙边墙.溶洞堆积物溶洞堆积物第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.3 7.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏5 5、塑性变形与

16、膨胀塑性变形与膨胀（1 1）表现形式：内鼓、缩径）表现形式：内鼓、缩径、局部挤出、剪切、滞后性。局部挤出、剪切、滞后性。如：青藏公路某隧道一个长如：青藏公路某隧道一个长240240m m的导洞，开挖断面的导洞，开挖断面3.03.0m2.5mm2.5m，半年后缩为半年后缩为1.51.5m1.2mm1.2m。（2 2）机理：塑性变形）机理：塑性变形、膨胀膨胀、流变流变、蠕变蠕变。（3 3）产生条件：）产生条件：1 1）岩性软弱岩性软弱：形成年代新、胶结差；形成年代新、胶结差；2 2）膨胀岩膨胀岩：含蒙脱石等粘土矿物、硬石膏等含蒙脱石等粘土矿物、硬石膏等物理化学效应；物理化学效应；3 3）高围压高围

17、压。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.3 7.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏瓦斯 40.6%顶板事故 33.8%水害 8.28%火灾 1.02%其它(包括粉尘)16.3%顶板顶板事故事故瓦瓦斯斯水害水害其它采矿工程主要灾害事故矿井火灾矿井火灾矿井瓦斯爆炸矿井瓦斯爆炸 矿井突水矿井突水第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究x 岩层移动、破坏岩层移动、破坏 顶板跨落顶板跨落 岩爆岩爆 开采沉陷开采沉陷 巷道变形巷道变形 工作面端面冒落工作面端面冒落开采沉陷开采沉陷第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究x 巷道变形

18、与破坏巷道变形与破坏第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究 美国美国Lucky Friday金金属矿采场中发生的岩爆：属矿采场中发生的岩爆：(埋深超过埋深超过700m,震级震级3.6-4.2,发生于发生于1988年年10月月18日日)x 冲击地压与岩爆冲击地压与岩爆q 岩爆造成损害细部岩爆造成损害细部岩块嵌入水管表面岩块嵌入水管表面电缆被高速抛出的岩块割断电缆被高速抛出的岩块割断(实验结果表明：岩石弹射速度实验结果表明：岩石弹射速度50m/s)7.4 影响地下洞室围岩稳定的因素影响地下洞室围岩稳定的因素（兼洞线选择）（兼洞线选择）1 1、地质因素地质因素（1 1）地形地

19、貌地形地貌1 1）洞身：避开负地形）洞身：避开负地形汇水或承载力不足汇水或承载力不足2 2）进出口：要求上覆厚度大）进出口：要求上覆厚度大陡，明流段陡，明流段（2 2）地层岩性地层岩性坚硬、半坚硬、岩浆岩、正变质岩、岩溶、不良矿物坚硬、半坚硬、岩浆岩、正变质岩、岩溶、不良矿物块状岩体、层状岩体块状岩体、层状岩体三大岩类分别阐述三大岩类分别阐述第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.4 7.4 影响地下洞室围岩稳定性的因素影响地下洞室围岩稳定性的因素（3 3）地质构造地质构造（重要因素）（重要因素）1 1）褶皱：）褶皱：导致不均匀性，一定程度上反映岩体的完整性和连续性：

20、导致不均匀性，一定程度上反映岩体的完整性和连续性：两翼：层间错动、块体滑动、山压不对称；两翼：层间错动、块体滑动、山压不对称；核部：破碎、背斜松散、向斜汇水。核部：破碎、背斜松散、向斜汇水。2 2）断裂：）断裂：取决于规模、胶结程度、力学性质、组合形式；取决于规模、胶结程度、力学性质、组合形式；导致掉块、塌方、超挖、突水导致掉块、塌方、超挖、突水、块体滑动；块体滑动；v影响影响 ：弹性抗力、山岩压力和稳定性。：弹性抗力、山岩压力和稳定性。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.4 7.4 影响地下洞室围岩稳定性的因素影响地下洞室围岩稳定性的因素（4 4）地质环境因素地

21、质环境因素1 1）地应力：）地应力：地应力的大小、方向地应力的大小、方向控制围岩能否破坏和破坏形式；控制围岩能否破坏和破坏形式；控制围岩的应力重分布、决定能否产生岩爆；控制围岩的应力重分布、决定能否产生岩爆；o构造应力具有很强的方向性：要求轴线平行构造应力具有很强的方向性：要求轴线平行1 12 2）高地温：高地温：可较高：可较高：西藏一口井水温西藏一口井水温204204；日本黑部川第三发电站尾水洞，岩层温度达日本黑部川第三发电站尾水洞，岩层温度达175175o影响施工、产生温度应力、指示地质异常影响施工、产生温度应力、指示地质异常3 3）有害气体有害气体：CHCH4 4、COCO2 2、COC

22、O、H H2 2S S危害：影响施工、磨蚀设备、瓦斯爆炸危害：影响施工、磨蚀设备、瓦斯爆炸分布于：煤层、石油、硫化矿床、沥青。分布于：煤层、石油、硫化矿床、沥青。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.4 7.4 影响地下洞室围岩稳定性的因素影响地下洞室围岩稳定性的因素（5 5）地下水地下水突水突水，塌方、塌滑也与地下水有关。塌方、塌滑也与地下水有关。影响：影响：外水压力；外水压力；动水压力；动水压力；溶解、软化、泥化作用溶解、软化、泥化作用 ；吸水膨胀吸水膨胀 ；机械潜蚀机械潜蚀 分布：断层破碎带、岩溶、裂隙化脆性岩体分布：断层破碎带、岩溶、裂隙化脆性岩体（6 6）

23、风化风化第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.4 7.4 影响地下洞室围岩稳定性的因素影响地下洞室围岩稳定性的因素2 2、施工因素施工因素 开挖方法开挖方法 爆破方法爆破方法 钻孔质量钻孔质量 爆破质量爆破质量 支护方式等支护方式等3 3、洞室的形态和尺寸洞室的形态和尺寸圆形圆形椭圆形椭圆形城门洞形城门洞形方形方形扁形。扁形。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.4 7.4 影响地下洞室围岩稳定性的因素影响地下洞室围岩稳定性的因素7.5 与衬砌及支护设计有关的几个参数与衬砌及支

24、护设计有关的几个参数与荷载有关的参数：内水压力、山岩压力、外水压力；与荷载有关的参数：内水压力、山岩压力、外水压力；与强度有关的参数：与强度有关的参数：弹性抗力、承载力。弹性抗力、承载力。1 1、围岩压力围岩压力（山岩压力、地层压力、岩石压力、地压）（山岩压力、地层压力、岩石压力、地压）（1 1）定义定义：由围岩的变形与破坏产生的、作用于支护或衬砌上的压力。：由围岩的变形与破坏产生的、作用于支护或衬砌上的压力。q是作用于衬砌的主要荷载。是作用于衬砌的主要荷载。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究（2 2）形成机理形成机理按形成机制及表现形式可分为：按形成机制及表现形式

25、可分为：v分布及类型随时间可转换。分布及类型随时间可转换。1 1）形变山压）形变山压由于围岩的弹性回弹（开挖后即完成）和塑性变形（具滞后性）由于围岩的弹性回弹（开挖后即完成）和塑性变形（具滞后性）所产生的山压。所以一般仅考虑塑性变形形成的山压。所产生的山压。所以一般仅考虑塑性变形形成的山压。q软岩、破碎岩体较突出，分布取决于软岩、破碎岩体较突出，分布取决于2 2）松动压力松动压力由于围岩的松动破坏（含松动垮塌、块体滑动、弯曲折断）所产由于围岩的松动破坏（含松动垮塌、块体滑动、弯曲折断）所产生的山压。局部范围、大小取决于脱落体重量。生的山压。局部范围、大小取决于脱落体重量。3 3）膨胀压力）膨胀

26、压力是围岩吸水膨胀（含蒙脱石及大量伊利石矿物）所产生的山压。是围岩吸水膨胀（含蒙脱石及大量伊利石矿物）所产生的山压。4 4）冲击压力）冲击压力由岩爆所产生的山压。高地应力地区，分布及大小难确定。由岩爆所产生的山压。高地应力地区，分布及大小难确定。形变山压：普遍存在；形变山压：普遍存在；松动山压：局部存在；松动山压：局部存在；膨胀山压：特定环境下存在；膨胀山压：特定环境下存在；冲击山压：特定环境下存在。冲击山压：特定环境下存在。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数（3 3）确定方法）确定方法（非

27、均布及偏压问题）（非均布及偏压问题）方法很多、差异很大：考虑机理及岩体结构，建立不方法很多、差异很大：考虑机理及岩体结构，建立不同的力学模型同的力学模型1 1）散粒体理论）散粒体理论普氏压力拱理论：安全储备？普氏压力拱理论：安全储备？太沙基理论太沙基理论修正的普氏理论修正的普氏理论2 2）弹塑性平衡理论）弹塑性平衡理论3 3）块体极限平衡理论）块体极限平衡理论第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数2 2、深埋隧洞外水压力深埋隧洞外水压力（1 1）定义）定义：是地下水作用在围岩和衬砌上的动、静水压

28、力，是水：是地下水作用在围岩和衬砌上的动、静水压力，是水工隧洞的基本荷载之一。工隧洞的基本荷载之一。可抵消内水压力的作用。但对于：可抵消内水压力的作用。但对于：无压隧洞和厂房无压隧洞和厂房外水压力过大外水压力过大 内水水头骤减时内水水头骤减时例：云南绿水河电站，例：云南绿水河电站，D=2mD=2m，H=2.2cmH=2.2cm的低合金钢管，在的低合金钢管，在182182m m外水外水水头压力作用下，约水头压力作用下，约100100m m长的洞段严重变形。长的洞段严重变形。（2 2）影响因素影响因素：大小及分布受控于水文地质条件，确定时侧重考虑：大小及分布受控于水文地质条件，确定时侧重考虑：1)

29、1)补、排水条件：尤其是负地形（如冲沟）的汇水条件；补、排水条件：尤其是负地形（如冲沟）的汇水条件；2)2)不均匀和各向异性：岩体透水性、透水带（如断层破碎带）不均匀和各向异性：岩体透水性、透水带（如断层破碎带）的分布；的分布；3)3)水头损失：水力折减。水头损失：水力折减。可能会导致衬砌和围岩的破坏，可能会导致衬砌和围岩的破坏，采取排水方法削减水头。采取排水方法削减水头。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数（3 3）确定方法）确定方法1 1）半理论半经验方法：）半理论半经验方法：岩体和衬砌都

30、是均质时，且渗流断面大小不变：岩体和衬砌都是均质时，且渗流断面大小不变：H H0 0内水压力，用水柱高度内水压力，用水柱高度(m)m)表示；表示；H HA A、H HB BAA点与点与B B点对点对MNMN面的位能与压力之和面的位能与压力之和(m);m);L L1 1、L L2 2地下水渗径与衬砌厚度地下水渗径与衬砌厚度(m);m);K K1 1、K K2 2岩体和衬砌的渗透系数岩体和衬砌的渗透系数(m/d)m/d)半径为半径为r r的圆形隧洞：的圆形隧洞：第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数

31、2)折减系数法：折减系数法：（规范推荐的方法、（规范推荐的方法、常用的方法）常用的方法）：依据平硐编录资料由水工隧洞设计规范确定依据平硐编录资料由水工隧洞设计规范确定（P214、表表75）3）实测法：渗压计）实测法：渗压计4）类比法：）类比法：第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数3、围岩弹性抗力围岩弹性抗力（1）围岩的抗力：是指在内水压力作用下围岩对衬砌的反力。）围岩的抗力：是指在内水压力作用下围岩对衬砌的反力。（2）围岩弹性抗力：围岩仅发生弹性变形（考虑衬砌的允许变形，）围岩弹性抗力：围岩仅

32、发生弹性变形（考虑衬砌的允许变形，确保衬砌在内水压力作用下不发生破坏）时所产生的反力。确保衬砌在内水压力作用下不发生破坏）时所产生的反力。以礼河电站内水压力的以礼河电站内水压力的34%56%由玄武岩围岩承担。由玄武岩围岩承担。（3）弹性抗力系数）弹性抗力系数K：是指围岩在放射状压力作用下产生一个单是指围岩在放射状压力作用下产生一个单位变形时，单位面积上所需要的压力。位变形时，单位面积上所需要的压力。v是根据文克尔假定确立的，均质连续，各向同性，围岩厚是根据文克尔假定确立的，均质连续，各向同性，围岩厚度度3D时，才能考虑其存在。时，才能考虑其存在。K=f（围岩性质、断面形状、尺寸、衬砌与围岩接触

33、程度等）围岩性质、断面形状、尺寸、衬砌与围岩接触程度等）（4）单位弹性抗力系数：隧洞半径为单位弹性抗力系数：隧洞半径为100cm时的时的K：y（cm），），（MPa）为设计隧洞的半径为设计隧洞的半径第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数（5）影响）影响K0的因素：的因素：1）压力的大小和岩体的强度特征）压力的大小和岩体的强度特征K0与压力呈负相关，但不完全呈线性关系：刘家峡云母石英片与压力呈负相关，但不完全呈线性关系：刘家峡云母石英片岩现场岩现场P215表表7-6。2）受力方向与主要结构的关系：

34、）受力方向与主要结构的关系：K0平行平行K0垂直垂直：碧口绢云母千枚岩碧口绢云母千枚岩 K0平行平行/K0垂直垂直=36南水工程砂岩南水工程砂岩 K0平行平行/K0垂直垂直=73）地应力状态）地应力状态内水压力内水压力内水水头时：内水水头时：K0内水压力内水压力地应力：地应力：K0第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数（6）确定方法：确定方法：1）现场试验直接测定法：给围岩施加已知压力，测围岩变形，按公式计算。）现场试验直接测定法：给围岩施加已知压力，测围岩变形，按公式计算。常用方法：常用方法：

35、橡皮囊法，径向千斤顶法，水压法橡皮囊法，径向千斤顶法，水压法。岩石力学已讲。岩石力学已讲。优缺点：优缺点：2）间接测量计算法）间接测量计算法 原理：原理：均匀连续；均匀连续；非均匀、不连续，洞壁形成半非均匀、不连续，洞壁形成半径为径为R0的环形开裂区；的环形开裂区；开裂区的变形模量降低。开裂区的变形模量降低。R0可实测，可实测，经验：经验：E1、E2分别为未开裂区和开裂区围岩的弹模。即利用分别为未开裂区和开裂区围岩的弹模。即利用KE、的关系，的关系，通过测通过测E、（静力法或动力法），换算静力法或动力法），换算K。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与

36、衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数v当当E E、采用室内试验成果时，需乘修正系数采用室内试验成果时，需乘修正系数A A=f(=f(岩体完整性）：岩体完整性）：3 3）工程类比法：考虑风化程度、岩体完整性（第一版，）工程类比法：考虑风化程度、岩体完整性（第一版，P214,P214,表表7-67-6）。）。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.5 7.5 与衬砌和支护设计有关的几个参数与衬砌和支护设计有关的几个参数4、高压隧洞围岩承载力、高压隧洞围岩承载力在内水压力作用下，围岩中在内水压力作用下，围岩中可能为负（拉）。用覆盖比表示。可能为负（拉）

37、。用覆盖比表示。（1）覆盖比）覆盖比：指岩层覆盖厚度与内水压力水头之比。：指岩层覆盖厚度与内水压力水头之比。（2）确定方法）确定方法：很多。：很多。1）岩体上抬理论）岩体上抬理论假定：假定：a.松散介质；松散介质；b.承载力完全由覆盖厚度决定，不考虑构造应力；承载力完全由覆盖厚度决定，不考虑构造应力；c.不考虑洞径及形状。不考虑洞径及形状。原则：取单宽原则：取单宽:上抬压力（上抬压力（p1D)90不容易不容易单独分出，与岩石质量等级对应单独分出，与岩石质量等级对应3）不连续面间距：权重不连续面间距：权重17.9%分分5级：级：520分，分，2m和和6cm的不再分，与的不再分，与RQD有重复有重

38、复4）不连续面状态：权重不连续面状态：权重26.8%分分5级：级：030分，侧重糙度、连续性、开度、壁面风化、充填分，侧重糙度、连续性、开度、壁面风化、充填5）地下水：权重地下水：权重17.9%分分5级：级：015分，侧重渗水量（分，侧重渗水量（10m长洞段），裂隙水压力与最大应力比，长洞段），裂隙水压力与最大应力比，洞壁渗水状态洞壁渗水状态6）不连续面方向条件：权重）不连续面方向条件：权重10.7%分分5级：级：-120分分，侧重结构面产状与洞线的关系（侧重结构面产状与洞线的关系（P222正文描述）正文描述）q由上述可知，由上述可知，RMR分类侧重考虑了岩体的完整性分类侧重考虑了岩体的完整性

39、(第第2和第和第3项项)：权重：权重35.8%；侧重考虑了结构面的影响（第侧重考虑了结构面的影响（第2、3、4、6项）：权重项）：权重73.2%第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.6 7.6 围岩分类围岩分类v根据根据RMR分值（分值（6项累加，项累加，0100分），将围岩分为分），将围岩分为5级（级（P223,表表7-10）岩体分级岩体分级 质量描述质量描述 很好很好 好好 中等中等 差差 很差很差 RMR 10081 8061 6041 4021 20应用：据此可获得：岩体自稳时间，开挖支护要求，应用：据此可获得：岩体自稳时间，开挖支护要求，、c值，值，E值等

40、。值等。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.6 7.6 围岩分类围岩分类（3 3）Q Q分类分类：也叫巴顿分类。也叫巴顿分类。Q Q：岩体质量指标。岩体质量指标。v于于19741974年由挪威学者巴顿根据年由挪威学者巴顿根据200200多个已建隧洞提出的、服务多个已建隧洞提出的、服务于隧洞支护设计的分类：于隧洞支护设计的分类：第一项：地下水与地应力对岩体的影响；第一项：地下水与地应力对岩体的影响；第二项：代表节理面抗剪强度，接近实际节理面第二项：代表节理面抗剪强度，接近实际节理面；第三项：反映岩体完整性和岩块大小，评分第三项：反映岩体完整性和岩块大小，评分0.50

41、.5200200之间。之间。第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.6 7.6 围岩分类围岩分类1）RQD:据钻探资料计算；据钻探资料计算；也可据平硐或露头资料：也可据平硐或露头资料：RQD=115-3.3Jv，Jv：1m3岩体中节理总岩体中节理总条数，当条数，当Jv4时，时，RQD=100；RQD=(Vm/Vr)2100=Kv100RQD以以5为取值间隔，以为取值间隔，以10为最小值，分为最小值，分5级，取级，取0100%，标，标准同前准同前2）节理组数系数）节理组数系数Jn：分分7级，评级，评0.520分。分。节理组数节理组数 无或很小无或很小 1组组1组组+零散

42、节理零散节理 2组组2组组+零散节理零散节理 Jn 0.51 23 46 节理组数节理组数 3组组3组组+零散节理零散节理 4组组,强烈破碎强烈破碎 破碎岩体破碎岩体 Jn 912 15 20在洞室交叉处按在洞室交叉处按3Jn计算，在洞口按计算，在洞口按2Jn计算计算第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.6 7.6 围岩分类围岩分类3）节理面粗糙度系数）节理面粗糙度系数Jr：分分6 级或级或2 级，评级，评0.54分分A：节理壁直接接触节理壁直接接触 或或 3m时，时，Jr+1粗糙粗糙度度不连续不连续分布分布粗糙或不规则、粗糙或不规则、波状起伏波状起伏平滑波平滑波状

43、起伏状起伏擦痕面波状起伏擦痕面波状起伏或粗糙、不规则、面平或粗糙、不规则、面平平滑、平滑、面平面平镜面、且分布产镜面、且分布产状与稳定不利的状与稳定不利的Jr4321.51.00.5第七章第七章 围岩稳定性的工程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.6 7.6 围岩分类围岩分类4）节理水折减系数）节理水折减系数Jw：分分6级，评级，评0.051分分折减因素折减因素Jw水压力水压力(kPa)A：无水或少量水流无水或少量水流(q5L/min)10.661000F：爆破时，特大水流或特大水压衰减不明显爆破时，特大水流或特大水压衰减不明显0.2-0.10.1-0.051000第七章第七章 围岩稳定性的工

44、程地质研究围岩稳定性的工程地质研究7.6 7.6 围岩分类围岩分类5）节理蚀变系数）节理蚀变系数Ja：分分5、4、7级，评级，评0.7520分分A：节理壁直接接触节理壁直接接触a.闭合或充填物坚硬、不软化、不透水闭合或充填物坚硬、不软化、不透水b.仅见微蚀变痕迹仅见微蚀变痕迹c.微蚀变，不含软化矿物薄膜、砂粒及无粘土岩屑等微蚀变，不含软化矿物薄膜、砂粒及无粘土岩屑等d.有粉砂，壤土膜及未软化的少量粘土有粉砂，壤土膜及未软化的少量粘土e.有软化或低抗剪的粘土矿物膜及少量蒙脱石，膜不有软化或低抗剪的粘土矿物膜及少量蒙脱石，膜不连续，厚连续，厚2mB：剪切剪切10cm时节理壁即直接接触时节理壁即直接

45、接触a.充填砂粒，无粘土岩屑等充填砂粒，无粘土岩屑等b.充填有很密实的未软化的粘土，连续，厚充填有很密实的未软化的粘土，连续，厚5mmc.充填有中密实、软化的粘土，连续，厚充填有中密实、软化的粘土，连续，厚5mmd.充填有蒙脱石，连续，厚充填有蒙脱石，连续，厚15个个/km2；钻孔岩溶率：钻孔岩溶率：10%；管道连通性强，有大量岩溶水涌出，泉水管道连通性强，有大量岩溶水涌出，泉水q50L/s。强烈岩溶化岩层：强烈岩溶化岩层：中厚层灰岩夹白云岩中；中厚层灰岩夹白云岩中；地表有溶斗、落水洞、洼地密集、地下小规模暗河；地表有溶斗、落水洞、洼地密集、地下小规模暗河；点岩溶率：点岩溶率：515个个/km

46、2；钻孔岩溶率：钻孔岩溶率：510%；岩溶裂隙连通性好，有裂隙水涌出，泉水岩溶裂隙连通性好，有裂隙水涌出，泉水q=1050L/s。第八章第八章 喀斯特地区的工程地质问题喀斯特地区的工程地质问题8.3 8.3 喀斯特地区的主要工程地质问题喀斯特地区的主要工程地质问题中等岩溶化岩层：中等岩溶化岩层：中薄层灰岩、白云岩与不纯灰岩或碎屑岩互层；中薄层灰岩、白云岩与不纯灰岩或碎屑岩互层；地表小规模溶洞、落水洞，沿层面、裂隙溶蚀扩大：岩溶化裂隙、小型洞穴、地表小规模溶洞、落水洞，沿层面、裂隙溶蚀扩大：岩溶化裂隙、小型洞穴、地下裂隙状暗河；地下裂隙状暗河；点岩溶率：点岩溶率：5个个/km2；钻孔岩溶率：钻孔

47、岩溶率：5%；裂隙连通性差，以裂隙水为主，很少集中径流，有裂隙性泉水裂隙连通性差，以裂隙水为主，很少集中径流，有裂隙性泉水q10L/s。微弱岩溶化岩层：微弱岩溶化岩层：不纯碳酸岩与碎屑岩互层、夹层岩体、大理岩与千枚岩等互层；不纯碳酸岩与碎屑岩互层、夹层岩体、大理岩与千枚岩等互层；地表、地下以溶隙、溶孔为主，少量落水洞、溶斗；地表、地下以溶隙、溶孔为主，少量落水洞、溶斗；点岩溶率：点岩溶率：01个个/km2；钻孔岩溶率：钻孔岩溶率：02%；以裂隙水为主，泉水以裂隙水为主，泉水q5L/s。3）岩溶水文地质条件岩溶水文地质条件的研究：的研究：地下水的类型、分布、埋藏条件；地下水的类型、分布、埋藏条件

48、；各含水层的透水性、富水性、水力联系、补排关系；各含水层的透水性、富水性、水力联系、补排关系；水的物理化学性质及动态变化；水的物理化学性质及动态变化；地下水分水岭的分布；地下水分水岭的分布；覆盖层分布、厚度、性质。覆盖层分布、厚度、性质。第八章第八章 喀斯特地区的工程地质问题喀斯特地区的工程地质问题8.3 8.3 喀斯特地区的主要工程地质问题喀斯特地区的主要工程地质问题2、Karst 地基稳定问题地基稳定问题（1）裸露型）裸露型Karst地基（分溶洞地基和石芽地基）地基（分溶洞地基和石芽地基）1）石芽地基：多分布于山岭斜坡、谷坡、岩溶洼地和坡立谷的斜坡上，）石芽地基：多分布于山岭斜坡、谷坡、岩

49、溶洼地和坡立谷的斜坡上，石芽高石芽高15m以上不等，芽石极陡，石芽间的沟槽有时深达以上不等，芽石极陡，石芽间的沟槽有时深达10m，而且往往与而且往往与下部溶洞、溶隙相连。下部溶洞、溶隙相连。基岩面起伏极大，石芽间充填不同性质、不同厚度的土层。基岩面起伏极大，石芽间充填不同性质、不同厚度的土层。问题：问题：地基软硬不一，承载力和压缩性相差悬殊；地基软硬不一，承载力和压缩性相差悬殊；施工难度大，基础形式复杂。施工难度大，基础形式复杂。2）溶洞地基：存在浅层溶洞时，必须评价浅层溶洞的稳定性。）溶洞地基：存在浅层溶洞时，必须评价浅层溶洞的稳定性。洞穴顶板的厚度、跨度及形态、结构面的分布及组合关系、岩体

50、的物理力洞穴顶板的厚度、跨度及形态、结构面的分布及组合关系、岩体的物理力学指标；学指标；荷载分布；荷载分布；洞内充填物及其变化；洞内充填物及其变化；上覆土层厚度。上覆土层厚度。A：经验法：经验法：P251B：定量法：按弹性理论，与隧洞同。定量法：按弹性理论，与隧洞同。C：近似结构分析法，梁板受力分析。近似结构分析法，梁板受力分析。D：顶板坍塌堵塞估算法。顶板坍塌堵塞估算法。第八章第八章 喀斯特地区的工程地质问题喀斯特地区的工程地质问题8.3 8.3 喀斯特地区的主要工程地质问题喀斯特地区的主要工程地质问题（2）覆盖型）覆盖型Karst 地基：岩溶地区塌陷（含沉陷和开裂）：荷载、地下水开采地基：