第1章-水利工程與地質(zhì)環(huán)境

第一章水利工程對地質(zhì)環(huán)境的要求

—巖體的工程地質(zhì)特性

§1.1巖體的結(jié)構(gòu)特征§1.2巖體中的地應(yīng)力§1.3巖體中的地下水§1.4巖體質(zhì)量評價(jià)與工程分類§1.1巖體的結(jié)構(gòu)特征大型水利水電工程（國內(nèi)外的大壩）均建于巖石地基上，研究巖石。并不是孤立的單獨(dú)的一塊巖石，而是構(gòu)成建筑環(huán)境的地質(zhì)體-巖體，即工程影響范圍內(nèi)的巖石綜合體。巖體中存在大量的結(jié)構(gòu)面（斷層、節(jié)理、層理、片理等），弱化了巖體的工程性質(zhì)，使得巖體在工程荷載的作用下很容易沿這些結(jié)構(gòu)弱面或組合發(fā)生變形或破壞。也即巖體結(jié)構(gòu)特征控制著巖體的穩(wěn)定。巖體結(jié)構(gòu)特征?（※）

（Structurecharacteristicsofrockmass）指巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合關(guān)系的特征。結(jié)構(gòu)面（structuralplane）—不連續(xù)面，切割巖體的各種地質(zhì)界面，如層面、沉積間斷面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等；結(jié)構(gòu)體—結(jié)構(gòu)面在空間按不同的組合，將巖體切割成不同形狀和大小的塊體，被結(jié)構(gòu)面所圍限的巖塊稱為。一、結(jié)構(gòu)面的成因類型二、結(jié)構(gòu)面的特征（※）方位(產(chǎn)狀)間距延續(xù)性張開度（兩壁間垂直距離）結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺趶?qiáng)度（施密特回彈儀或點(diǎn)荷載儀）充填狀況（膠結(jié)物、膠結(jié)程度、充填厚度—變形與強(qiáng)度）滲流粗糙度（平整光滑程度）節(jié)理組數(shù)塊體大小(據(jù)節(jié)理組數(shù))壩基巖體/地下洞室圍巖分類單位體積通過總節(jié)理數(shù)三、軟弱夾層（※）

(Soft/weakinterbed)指在堅(jiān)硬的層狀巖層中夾有強(qiáng)度低、泥質(zhì)或炭質(zhì)含量高、遇水易軟化、延伸較廣和厚度較薄的軟弱巖層。強(qiáng)度與變形模量均低于上下硬巖層的1/5-1/50。如：摩擦系數(shù)f<0.5;飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb<10MPa;變形模量E0<1000MPa;其中的泥化夾層（粘土巖類變成塑泥），性質(zhì)最差控制巖體的抗滑穩(wěn)定，如上猶江水電站建設(shè)。四、巖體的結(jié)構(gòu)類型據(jù)巖體的節(jié)理化程度五、結(jié)構(gòu)面引起的工程地質(zhì)問題舉例壩基巖體滑動巖質(zhì)邊坡滑動地下洞室圍巖失穩(wěn)壩基、壩肩的滲漏與滲透穩(wěn)定庫區(qū)滲漏（斷層、大的節(jié)理裂隙等）本節(jié)小結(jié)巖體中存在大量的結(jié)構(gòu)面（斷層、節(jié)理、層理、片理等），弱化巖體的工程性質(zhì)，使得巖體在工程荷載作用下很容易沿這些結(jié)構(gòu)弱面或組合發(fā)生變形或破壞，導(dǎo)致巖體失穩(wěn)（內(nèi)因）；外因？巖體結(jié)構(gòu)特征控制著巖體穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)面引起的工程地質(zhì)問題。結(jié)構(gòu)面的特征及其對巖體穩(wěn)定的影響軟弱夾層、泥化夾層巖體的結(jié)構(gòu)類型§1.2巖體中的地應(yīng)力

(Geostaticstress)地下洞室或礦山坑道開挖后的收斂大變形及巖爆、基坑的底鼓、切離巖體的膨脹、鉆孔的縮徑-巖體處于不同的“受力狀態(tài)”。地應(yīng)力：天然條件下（施工前）存在于巖體中的應(yīng)力，稱，也稱天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。是在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期形成的，是重力場和構(gòu)造應(yīng)力場迭加的結(jié)果。是工程巖體的基本荷載之一，其方向、大小及分布規(guī)律對工程巖體的變形與破壞作用十分明顯、影響工程的設(shè)計(jì)與施工。一、地應(yīng)力的組成自重應(yīng)力：在重力場中生成的應(yīng)力為。構(gòu)造應(yīng)力：構(gòu)造運(yùn)動所引起的地應(yīng)力。隨地質(zhì)歷史時(shí)間及空間發(fā)展變化的非穩(wěn)定應(yīng)力場。一般最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力，具有很強(qiáng)方向性。起源有兩種觀點(diǎn)，即地球自轉(zhuǎn)速度變化產(chǎn)生的離心慣性力、緯向慣性力，板塊運(yùn)動。地應(yīng)力狀態(tài)的幾種觀點(diǎn)靜水應(yīng)力為主(Heim,1912)；垂直應(yīng)力為主；水平應(yīng)力為主(李四光，1920)。自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力自重應(yīng)力泊松效應(yīng)產(chǎn)生的側(cè)向水平應(yīng)力泊松比一般取0.20.3，故自重應(yīng)力場造成的水平應(yīng)力約為垂直應(yīng)力的1/3。而實(shí)際上往往水平地應(yīng)力高于垂直地應(yīng)力。進(jìn)一步說明構(gòu)造應(yīng)力場的存在。二、地應(yīng)力的分布規(guī)律（※）1）巖體中存在三向不等的空間應(yīng)力場垂直應(yīng)力通常是小主應(yīng)力，表明多數(shù)地區(qū)存在構(gòu)造應(yīng)力，即水平向應(yīng)力大于垂直向應(yīng)力。但兩個(gè)水平主應(yīng)力也并不一定水平，略有傾角。三峽壩址區(qū)：深129.7m處實(shí)測地應(yīng)力結(jié)果而自重應(yīng)力僅有2.6MPa實(shí)測地應(yīng)力方位傾角水平、垂直地應(yīng)力7421相當(dāng)水平大主應(yīng)力17723相當(dāng)水平小主應(yīng)力30253相當(dāng)垂直地應(yīng)力2）水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系統(tǒng)計(jì)資料顯示，在地殼淺部，多數(shù)地區(qū)的水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。3）地應(yīng)力隨深度增加呈線性增長4）水平地應(yīng)力具有強(qiáng)烈的方向性（構(gòu)造應(yīng)力場作用）我國東部大主應(yīng)力方向NEE-EW;西部地區(qū)SN5）地應(yīng)力與巖性有關(guān)堅(jiān)硬巖中應(yīng)力高，軟巖中應(yīng)力低；巖漿巖中應(yīng)力高，變質(zhì)巖次之，沉積巖最低。6）地應(yīng)力是相對穩(wěn)定的非穩(wěn)定應(yīng)力場認(rèn)識地應(yīng)力對工程選線、設(shè)計(jì)與施工意義重大！地應(yīng)力在地表處不一定為零，水平與垂直地應(yīng)力都有不過原點(diǎn)的現(xiàn)象。三、關(guān)于高、低地應(yīng)力及對

工程影響的評價(jià)（※）高地應(yīng)力：一般認(rèn)為當(dāng)巖體中最大水平主應(yīng)力值超過30MPa，即認(rèn)為高地應(yīng)力地區(qū)（硬質(zhì)與軟質(zhì)巖石界限）；或巖石單軸抗壓強(qiáng)度與最大水平主應(yīng)力的比值小于7。（高地應(yīng)力是指水平應(yīng)力分量大大超過其上覆蓋層的巖體的重量）標(biāo)志：剝離、巖餅、巖爆(rockpopping)、地下洞室大變形、軟巖或軟弱夾層側(cè)向擠出。山西汾西礦物局一礦山巷道收斂大變形實(shí)例

高地應(yīng)力與工程教材P136及教案大壩建基面選擇應(yīng)充分利用應(yīng)力過渡區(qū)、應(yīng)力釋放區(qū)，避開應(yīng)力集中區(qū)；適當(dāng)提高建基面。應(yīng)力集中區(qū)40-80MPa低地應(yīng)力：一般指水平地應(yīng)力小于由于自重所形成的側(cè)向水平應(yīng)力的地區(qū)。標(biāo)志：大范圍塌方、掉塊、圍巖滲水等。秦嶺越嶺隧道、軍都山隧道施工時(shí)大范圍塌方、涌水現(xiàn)象，長期以來忽視了低地應(yīng)力問題。四、地應(yīng)力引起的其它工程地質(zhì)問題1）壩基基坑底部的隆起、剝離破壞壩基開挖，因卸荷引起應(yīng)力釋放，當(dāng)初始水平應(yīng)力較高時(shí)，會造成基坑底部巖層呈水平狀開裂。加拿大安大略省露天礦坑，當(dāng)挖至坑深15m時(shí)，坑底突然裂開，裂縫兩側(cè)巖層在幾分鐘內(nèi)向上隆起，最大隆起量達(dá)2.4m，實(shí)測其初始水平應(yīng)力高達(dá)14MPa，基坑隆起軸線與最大水平應(yīng)力方向垂直。2）基坑邊坡的剪切滑移水平向大主應(yīng)力垂直坡面走向，則坡面上的切向應(yīng)力較大，坡面易發(fā)生剪切滑移；反之，若平行于坡面走向，則有利于穩(wěn)定。3）地下洞室產(chǎn)生較大的收斂變形當(dāng)洞軸線與最大的水平應(yīng)力垂直時(shí)，邊墻會產(chǎn)生較大的收斂變形，軟巖地區(qū)更嚴(yán)重，“吐舌頭”。地下洞室軸線最好與最大水平應(yīng)力方向近于平行有利于邊墻的穩(wěn)定。4）地下洞室施工過程中產(chǎn)生巖爆高地應(yīng)力地區(qū)堅(jiān)硬完整的巖體中開挖地下洞室時(shí)，由于應(yīng)力的突然釋放，引起洞壁巖石爆裂、剝落或巖片彈射出來的現(xiàn)象。危害性嚴(yán)重。五、地應(yīng)力測量(measurement)直接方法-水壓致裂法向鉆孔內(nèi)壓水，直至孔壁開裂，利用彈性力學(xué)公式計(jì)算巖體內(nèi)的大、小主應(yīng)力。間接方法-應(yīng)力解除法（套鉆巖芯的應(yīng)力解除法）本節(jié)小結(jié)巖體中的地應(yīng)力，是重力場與構(gòu)造應(yīng)力場迭加的結(jié)果；地應(yīng)力是工程巖體的基本荷載之一，工程巖體的變形、破壞形式和應(yīng)力分布在很大程度上取決于巖體中的地應(yīng)力。地應(yīng)力影響著工程的設(shè)計(jì)與施工。地應(yīng)力的分布規(guī)律高/低地應(yīng)力及其標(biāo)志地應(yīng)力測量方法§1.3巖體中的地下水

(Groundwater)地下水引發(fā)的工程問題，包括地面沉降、地面塌陷、滲流或滲透變形（管涌、流砂）、浮托作用、基坑突涌、對鋼筋砼等的腐蝕，實(shí)際是土中的地下水。巖體中的地下水問題，與土中的水不同，它有別于一般工程地質(zhì)教材所涉及的如上的地下水工程問題。孔隙水,裂隙水,溶隙水賦存介質(zhì)埋藏條件包氣帶,潛水,承壓水地下水是影響巖體穩(wěn)定的外部環(huán)境因素，對工程巖體的失穩(wěn)起著潤滑劑的作用，降低工程巖體及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，增加滲透壓力。節(jié)理裂隙連通，形成滲流通道增加動水壓力；帶走巖體裂隙中的細(xì)小顆粒，產(chǎn)生所謂的潛蝕或管涌現(xiàn)象，導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。水巖相互作用，降低巖石/結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度水巖間物理作用-溶蝕可溶性礦物或軟化粘土質(zhì)礦物；水巖間化學(xué)作用（石灰?guī)r）。膨脹巖遇水膨脹，增加膨脹壓力承壓水使巖體承受向上的頂托力，降低有效壓力，使巖體的抗剪切能力下降。地下水貫穿巖體穩(wěn)定分析的各個(gè)方面，包括壩區(qū)的滲透變形、壩基、邊坡、地下工程巖體的穩(wěn)定分析中。詳見以下各章。§1.4巖體質(zhì)量評價(jià)與工程分類

(QualityEvaluationandEngineeringRating)工程巖體中存在著大量的軟弱結(jié)構(gòu)面，地應(yīng)力、地下水等不利條件，極大的影響巖體的質(zhì)量和巖體的穩(wěn)定。指導(dǎo)工程的設(shè)計(jì)、施工，如地下洞室的開挖方式、進(jìn)度及支護(hù)設(shè)計(jì)；不同工程類比，決定相似工程的施工、設(shè)計(jì)方案。一、巖體質(zhì)量評價(jià)與分類的目的教材P138二、分類考慮的因素地質(zhì)因素：巖性，巖體完整性，結(jié)構(gòu)面性狀，地應(yīng)力，地下水；工程因素：工程類型，斷面形狀和大小，軸線與結(jié)構(gòu)面方位間的關(guān)系。三、幾個(gè)較大影響力的分類標(biāo)準(zhǔn)RQD分類(RockQualitydesignation,Deer,1964)、RMR分類（T.Bieniawski,1973

）RSR分類（G.E.Wickham,1972

）Q分類（Barton,1974

）BQ分類（工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)GB50218-94）巖體結(jié)構(gòu)類型(中科院地質(zhì)所谷德振教授)分類名稱RMR分類(RockMassRating)※節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)分類CSIR,T.Bieniawski,1973公式RMR=A+B+C+D+E+F參數(shù)A－巖石強(qiáng)度，分?jǐn)?shù)15～0B－RQD（巖石質(zhì)量指標(biāo)），分?jǐn)?shù)20～3C－不連續(xù)面間距（2-6m），分?jǐn)?shù)20～5D－不連續(xù)面性狀（粗糙-夾泥），分?jǐn)?shù)30～0E－地下水（干燥-流動），分?jǐn)?shù)15～0F－不連續(xù)面產(chǎn)狀條件（很好-很差）,分?jǐn)?shù)0～-12等級劃分I很好

RMR=100～81II好

RMR=80～61III中等

RMR=60～41IV差

RMR=40～21V很差RMR≤20分類名稱RSR分類（RockStructureRating）(巖石結(jié)構(gòu)評價(jià)分類，南非-威克姆G.E.Wickham,1972)公式RSR=A+B+C（RSR變化范圍25～100）參數(shù)A－地質(zhì)（巖石類型：按三大巖類由硬質(zhì)到破碎劃分為4個(gè)等級；構(gòu)造由整體到強(qiáng)烈斷裂褶皺分為4個(gè)等級），分?jǐn)?shù)30～6；B－節(jié)理裂隙特征（按整體到極密集分為6個(gè)等級，按走向傾角與掘進(jìn)方向關(guān)系折減）,分?jǐn)?shù)45～7；C－地下水（無到大量），分?jǐn)?shù)25～6。等級劃分I很好

RSR=100～85II好

RSR=85～65III中等

RSR=65～45IV差RSR=45～25V很差RSR≤25分類名稱Q分類(隧道質(zhì)量指標(biāo)分類,挪威-巴頓Barton,1974)計(jì)算公式Q=(RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)參數(shù)RQD－巖石質(zhì)量指標(biāo)，分?jǐn)?shù)0～100；Jn

－裂隙組數(shù)（無到碎裂），分?jǐn)?shù)0.5～20；Jr

－裂隙粗糙度（粗糙到鏡面），分?jǐn)?shù)4～0.5；Ja－裂隙蝕變系數(shù)（新鮮到蝕變夾泥），0.75～20；Jw

－裂隙水折減系數(shù)（干燥到特大水流）,分?jǐn)?shù)1～0.05SRF－應(yīng)力折減系數(shù)（高應(yīng)力狀態(tài)趨于流動的巖石到接近地表的堅(jiān)固巖石）,分?jǐn)?shù)20～2.5。等級劃分I特好

Q=400～1000；II極好

Q=100～400；III很好

Q=40～100；IV好

Q=10～40V一般

Q=4～10；VI壞

Q=1～4VII很壞

Q=0.1～1；VIII極壞Q=0.01～0.1IX特壞

Q=0.001～0.01巖塊大小節(jié)理強(qiáng)度環(huán)境條件分類名稱BQ分類（※）工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)GB50218-94，國標(biāo)95.7.1計(jì)算公式BQ=90+3Rc+250Kv[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)參數(shù)Rc－巖石單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度；Kv－巖體完整性指數(shù)（巖體速度指數(shù)）；K1－地下水影響修正系數(shù)；K2－主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3－初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。等級劃分IBQ或[BQ]＞550IIBQ或[BQ]=550～451IIIBQ或[BQ]=450～351IVBQ或[BQ]=350～251VBQ或[BQ]≤250四、各分類方法的比較RQD分類：快速、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用；僅考慮巖體的完整性和風(fēng)化程度；RMR分類：適用于隧道、邊坡及地基工程，未考慮地應(yīng)力的影響，不適用于高地應(yīng)力區(qū)；RSR分類：未考慮地應(yīng)力的影響；Q分類：未考慮結(jié)構(gòu)面方位及巖石抗壓強(qiáng)度，分子、分母為積商形式，過大過小對結(jié)果均有影響；BQ分類：適用較廣，國標(biāo)。本節(jié)小結(jié)巖體質(zhì)量評價(jià)與分類的目的常用的分類方法及考慮的因素RQD，KvRMR分類、BQ分類本章習(xí)題及作業(yè)1.水利工程中工程地質(zhì)條件主要包括哪些？工程地質(zhì)問題呢？巖體結(jié)構(gòu)特征是巖體穩(wěn)定的內(nèi)因，而風(fēng)化作用、地下水、地震荷載、地應(yīng)力、工程荷載是巖體穩(wěn)定的外因。結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體和巖體結(jié)構(gòu)特征是如何定義的？結(jié)構(gòu)面的特征包括哪些？對巖體穩(wěn)定有何影響？何為軟弱夾層、泥化夾層？巖體的結(jié)構(gòu)類型包括哪些？何為地應(yīng)力？其對工程的選線、設(shè)計(jì)與施工有何影響？地應(yīng)力的分布規(guī)律及高低地應(yīng)力及其地質(zhì)標(biāo)志？地應(yīng)力是工程巖體的基本荷載之一，工程巖體的變形、破壞形式和應(yīng)力分布在很大程度上取決于巖體中的地應(yīng)力。地應(yīng)力影響著工程的設(shè)計(jì)與施工。巖體中的地下水對工程建設(shè)有何影響？7.巖體質(zhì)量評價(jià)與分類的目的？考慮哪些因素？常用的巖體分類方法有哪些？小結(jié)：1、巖體中存在大量的結(jié)構(gòu)面（斷層、節(jié)理、層理、片理等），弱化巖體的工程性質(zhì)，使得巖體在工程荷載作用下很容易沿這些結(jié)構(gòu)弱面或組合發(fā)生變形或破壞，即巖體結(jié)構(gòu)特征控制著巖體的穩(wěn)定，是巖體穩(wěn)定的內(nèi)因，工程荷載、地應(yīng)力與地下水是外因。2、結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體和巖體結(jié)構(gòu)特