第六章库坝区工程地质问题(hr)》 第一节库区渗漏 水库蓄水后，将使库区水域发生水位上升、水深加大、流速减缓等变化 这就会对库区及邻近地带的地质环境产生影响，引发环境地质问题。水库地区的 环境地质问题主要有水库渗漏、浸没、淤积、塌岸和诱发地震等。 水库渗漏不仅龙响水库效益，还有可能对环境造成不良影响。因此，在水库 勒察设计过程中，分析研究渗漏问题很有必要。 一、渗漏方式 水库渗漏包括暂时渗漏和水久渗漏两种方式。 1.暂时渗漏 发生在水库蓄水初期，为饱和库区水位以下岩石或松散层的孔隙、裂隙、溶 隙而出现的水量损失。这部分水没有漏出库区以外，并不构成对水库蓄水的威胁 更不影响工程效益 2.永久渗漏 库水通过渗漏通道向库外邻谷或洼地的渗漏称为水久性渗漏。它直接导致库 水的损失，严重的使水库失去蓄水能力，只能起滞洪作用。 二、水库渗漏的地质条件 1.岩性条件 库区岩性条件分析，主要是为了找出地质上的渗漏通道。 库水通过地下通道渗向库外的首要条件是水库周边有透水岩层存在，在松散 层中，能构成渗漏通道的地层主要是冲积层和洪积层，要特别注意古河道。而岩 石透水性一股较弱，水库漏水可能性小。但有下列情形时仍有可能发生渗漏： (1)有砂砾岩地层，且结构松散、透水性较强，可能成为透水层。 (2)岩石中发育有较为集中的风化裂隙或构造裂隙带：存在断层破碎带： 岩溶发育。 2.地质构造条件 透水岩层要成为渗漏通道，还需要一定的地质构造条件
(1)透水层出露于库区内高水位以下，这样库水才能进入透水岩层，成为 渗入区。 (2)库区和排泄区（下游或邻谷）之间没有隔水层阻隔，也就是库区和排 泄区由透水层沟通的情况，见图6-1-1、图6-1-2)。 1 图611背斜构造与水作漫漏 图612向斜构造与水作渗漏 1一透水石灰岩：2一酷水负岩：透水小的砂岩 (3)断层可将隔水层错开，使不同的透水层通过透水的断层破碎带连通， 构成渗漏通道。 3.水文地质条件 具备了有利于渗漏的岩性和地质构造条件后，能否渗漏还取决于水文地质条 件，如河间地块有无地下分水岭、地下分水岭的高程与水库正常高水位的关系等。 (1)河间地块无地下分水岭。 网6-1-3 河间地块地下水位与水渗 (》河间地块无地卜水分水岭：b》河问地块地卜水分水龄低于水年设计水位： (c)河间地块地卜水分水岭略低于水作设计水位：（仙河间地块地下水分水岭高于水年设计水位 水库蓄水前，水库河段就向邻谷渗漏，水库蓄水后，水力坡度加大，渗漏加 剧（图6-1-3a)
(2)河间地块有地下分水岭 蓄水前，河间地块地下分水岭高程远远低于水库正常高水位，水库蓄水后， 地下分水岭消失，产生渗漏（图11-3弘）：蓄水前，河间地块地下分水岭高程略低 于水库正常高水位，水库蓄水后，由于水库回水使得地下水位也相应拾高，地下 水分水岭将略高于水库正常高水位，不产生渗漏（图11一3C):蓄水前，地下水 分水岭高程高于水库正常高水位，蓄水后只有地下分水岭的辽移的渗入补给量的 变化，而不产生渗漏（图6-1-3d)。 综上所述，分析水库渗漏问题时，必须综合考虑地层岩性、地貌、地质构造 与水文地质条件，才能得出正确的结论。 第二节坝区渗漏 大坝建成后，在上、下游水位差的作用下，库水可能通过坝基或坝肩岩层中 的孔隙、裂隙、破碎带向下游渗漏。前者称为坝基渗漏，后者称为绕坝渗漏。对 于坝基渗漏应当特别重视。因坝区水头高，渗透途径短，渗漏量可能很大，同时 渗透水流还可能破坏坝基岩体或使其强度降低，从而危及大坝的安全。 坝基渗漏形式又可分为均匀渗漏和集中渗漏两种。前者是通过砂砾石层和基 岩中较为均匀的风化裂隙的渗漏：后者则是通过较大的断裂破碎带和各种岩溶通 道的渗漏 一、坝基（肩）渗漏的地质条件 对坝基（肩）渗漏问题的工程地质分析，主要是查明渗漏通道、通道间的连 通性、渗透性指标，进行渗漏量的计算。自然养的岩土，有的是透水的（透水层）， 有的是相对不透水的（隔水层），透水与隔水的界限，在水工建敛中，通常以渗 透系数(K)小于10cs为隔水层，大于此值的为透水层。渗漏通道主要是指 基岩和第四纪松散沉积层中，具有较强透水性(K>10cms)的岩土休。 (一松散沉积层坝基（肩）的渗漏条件 松散岩层地区建坝，渗漏主要 是通过透水性强的砂砾石层发生。 2 图6河味多层透水结构向示意网 芬布不连续的水
砂砾石层有的是现代河床沉积，有的位于阶地之上，也有的是古河道沉积。有时 砂砾石层与不透水层构成互层结构，应给予充分注意（图61）。一般在河谷狭窄， 谷坡高陡的坝区，砂砾石层仅分布于谷底，因此，渗漏主要发生在坝基。而在宽 谷区，谷坡上分布有多级阶地时，库水除沿坝基渗漏外，还可能发生绕坝渗漏。 如果砂砾石层上有足够厚且分布稳定的粘土层时，则有利于防渗。但是，当粘土 层较薄或其连续性遭到破坏，如冲沟和河流的冲制，将产生渗漏。此类坝区当其 两肩地形受侵蚀切割严重时，容易发生严重的绕坝渗漏 (二)裂隙岩层坝区的渗漏条件 在裂隙岩层分布区，由于岩层中各种结构面的透水能力以及河谷地貌和地质 构造的差异，建坝所导致的渗漏，在不同地区或地段内有显著的不同。 1.岩层中结构面及其透水性对坝基渗漏的影响 坝基与坝肩岩层中的各种结构面，常构成渗漏的通道。例如：顺河断层、跨 河缓倾断层、岸坡卸荷裂隙、纵谷陡倾岩层和横谷倾向下游的缓倾岩层及层面裂 隙等。其中，顺河向张开的（无充填或充填差的）、大而密集的并贯通坝基（肩） 上、下游的断裂破碎带，常是造成集中渗漏的通道。但是，在同一断层带内，其 构造岩不同，渗漏条件也有明显的差别，一般碎块岩是强烈透水的：压碎岩是中 等透水的：断层角砾岩是弱透水的：摩棱岩和断层泥则是不透水或微弱透水的 表63是儿个坝址构造岩的单位吸水量值，从中可以看出这一规律。 ①平直型河谷：坝址上下游库水渗入和排泄条件一般较差。 ②喇叭型河谷：当坝址上游为窄谷，下游为宽谷时，库水渗入条件差，排泄 条件好。反之，渗入条件好，排泄条件差。 ③弯曲型河谷：当坝建于河曲地段时，凸岸库水渗入和排泄条件比凹岸好。 以上三类河谷，当坝址处的上下游支流沟谷发有时，坝肩地形遭受不同程度 的切割破坏，常造成坝上游迎水或坝下游泄水的临空面，为库水渗入和排泄创造 了有利条件。 各种原生结构面，透水性很不一致。沉积结构面的层血、不整合面、假整合 面等，延续性强，分布广，透水性较强：喷出岩的柱状节理、气孔构造和间隙喷 发的熔岩接触血，往往因无充填或接触不良，容易构成集中渗漏的通道。 表6-3各种构造岩的单位吸水量
破碎带的单位吸水量 影响带的单位吸水量 坝 (L/min.m.10Pa) (L/min.m.10Pa) 区 断层角砾 断层泥 糜棱岩 块 岩 岩 1 0.0018-0.0049 0.10.4 0.01 <0.001 0.01~0.05 0.005 深度20米统计，一般0.02 3 <0.01 0.05,最大0.17 4 0.18 0.23~1.33 注：①按法定计量 单位，升/分.米.米，为简便计 用L/min.m.l0Pa表示，最后的 个m表示1米高的水柱压力 1mH0的重量为 图6-2河谷平向形态类刚示意图 (a)平利河谷：《b》喇利河谷：（心）弯仙刚河谷 9.8X10Pa,故单位吸水量o的 一河道：2一坝体：3一水烨回水线：4一河流流向 计量应是L/min.m.9.8×10Pa≈L/min.m.10Pa。 各种结构面的透水性还取决于被充填的情况，例如，当其被方解石或各种岩 脉充填时，透水性最弱：被风化岩屑、粘土或粉土充填时，透水性较弱，无充填 的张开裂隙，透水性最强。 制容右学筑创面图 河谷横斜成图 2.河谷地貌与 地质结构条件对坝 基渗漏的影响 河谷地貌特征 在一定程度上控制 者坝基（肩）的渗 VV 漏条件。根据河谷 平面形态对渗漏条 件的影响，可分为 三种类型（图6-2）
图6-3不同类河谷渗溺条件示意 倾斜岩层地 中铁和器区，如不考虑断层 裂隙，在相同地形 条件下，纵谷、横谷和斜谷则具有不同的渗入和排泄条件（图8-3）。 (1)纵谷：河流沿岩层走向发育，向上下游沟谷与岩层走向垂直。在河谷 纵剖面上，沿层面渗流途径最短，易于库水的渗漏：而在河谷横剖面上，一岸利 于入渗，而排泄不利，另一岸则相反。 (2)斜谷：河流和上下游沟谷与岩层走向斜交。在河谷纵剖面上可看出， 沿层面渗流途径较长。当岩层倾向下游时，缓倾或中等倾斜岩层易渗漏，陡倾则 渗入有利、而排泄不利：当岩层倾向上游时，缓倾、中等倾斜和陡倾岩层则不易 渗漏。而在河谷横剖面上，排泄条件与纵谷相似。 (3)横谷：河流与岩层走向垂直，而上下游的沟谷与岩层走向平行。在河 谷的纵剖面上渗透路径更长，故渗漏条件均较前两种为差，而在横剖血上，顺层 排泄条件两岸基本相同。 二、坝基（肩）渗漏量的计算 在定性分析了坝基（肩）渗漏的地质条件以后，尚需对其渗漏量进行定量计 算，借以确定防渗措施。 (一)坝基渗漏量的计算 1.单层透水坝基：即坝基由单一透水岩层组成。在其厚度等于或小于坝底 77777777777777 77777777 7777771717 a 图6-4坝基漏量计锦图 (a)单层透水坝基：(b)双层透水坝基1一不透水岩云：2一透水岩层：3一穷透水岩园 宽度且坝身不透水的情况下[图64(a)],可用卡明斯基(Kamehck..H)公式计 算，即 07 (6-1) 式中：g一单宽坝基的渗漏量，m/(d.m:
K一土层的渗透系数，md: H一坝上下游水位差，m: b—坝底宽度之半，m: T—透水层厚度，m。 坝基渗漏总量按式(6-2)计算 Q-qB (6-2) 式中B一坝轴线方向渗漏带的宽度，m: Q—坝基渗漏量，md 式(6-1)和式(6-2)的适用条 件是T≤2b,当T>2b时，计算结 果偏小。 2。双层透水坝基：即坝基为 元结构的双层透水岩层组成，如图 6-4(b)所示。上部为粘性土层， 四：：团：一翻 厚度为T,渗透系数为K1:下部为 砂砾石层，厚度T2,渗透系数K2: 图6-5复杂地质条件坝基渗漏量分段计算示意图 在K2>K的情况下，按下列卡明斯 基公式计算单宽坝基的渗漏量g: H q=- (6-3) 式中符号意义同前。 当上部为砂砾石（透水岩层），下部为粘性土（隔水层），则可按式(61) 进行近似计算。 3.多层透水坝基：即坝基为多层结构，且各层渗透系数不一时，需先按式 (8-4)计算出渗透系数的加权平均值，再视情况分别按式(6-2)或式(63)计 算渗漏量。 K-KI+K西++K工 (6-4) T+T2+…+T 若上下层的渗透系数K值相差在10倍以内，可用加权平均的渗透系数（即
K)值按式(6-2)计算渗漏量：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(63)计算渗漏 量。 在实际工作中，往往遇到较复杂的坝基地质剂面，如图8-5所示。此时应根 据地质条件，分段计算出单宽坝基的渗漏量g,再按式(8-5)计算总渗漏量Q 2=,4h+(g+2)儿2+…+(g=+9n)儿n+g1n] (6-5) 式中：q9…9—断面1、2…n的单宽渗漏量： 4、2…,一相邻两断面间的距离。 由此可见，坝基渗漏量的大小最主要决定于岩层透水性的大小。此外，岩层 的组合情况，各层的厚度及相对位置也有很大蟛响。坝的高度和基础宽度也有彭 响，在对坝基渗漏进行评价及采取防渗措施时应全面考虑这些因素。 (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，则可形成绕坝渗漏。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，其渗漏量的计算步骤是：先 根据坝肩上下游的地形特征，绘出渗透水流的流网图，按流线把渗漏范围分成若 干个小的渗流带，再按式(8-6)计算每一条渗流带的渗漏量△Q,最后按式(8-7) 求出总的绕坝渗漏量Q。 40=K44L+九B (6-6) 21 (6-7) 上两式中：K一岩土的渗透系数，md: △b—某一渗流带的宽度，m: L一某一渗流带的宽度，m 山一水库正常高水位至隔水层顶板的高差，m: H2一水库下游水位至隔水层顶板的高差，m: H—水库上下游水位差，m. 从图86可以看出，绕坝渗漏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，单宽渗漏量减小。其中单宽渗漏量 小于允许值，且距坝肩最近的断面构成绕渗边界
对于非均质岩体组成的坝肩和有集中渗漏带，如果坝肩地带的地下水，在水 库蓄水前是补给河水的，水库蓄水后绕渗带的宽度则受岸坡原来地下水流状况和 库水绕渗水流的共同作用所制约，如图6-7所示。此时渗漏带的宽度取决于水库 壅水高度和地下水回水后的坡降。如果水库壅水高度H增加，绕渗带的宽度() 亦相应增大：同时，如果岸坡原来的地下水流的坡降愈小，则绕渗带宽度愈大。 如断层破碎带、岩溶通道存在的坝肩，则应根据地质条件划分渗漏带，分别予以 计算。 图6-6绕坝渗漏计算示意图 总之，不论是计算坝基渗漏量，还是计算 绕坝渗漏量，都离不开对工程地质条件的分析。 地质工作必须查清计算的边养条件（如透水层 的埋藏深度、厚度、分布范围、地下水水位及 图6-7绕坝滲漏带的范制 等水位线等)，和确定必要的水文地质参数（如 第四纪地层的渗透系数、基岩的单位吸水率等)。 三、防渗措施 截水墙、帷幕灌浆、坝前铺盖、防渗井、堵塞法、围井或隔离法。 第三节坝基（肩）稳定的工程地质分析 坝基（肩）岩体抗滑稳定问题是混凝土坝的最重要地基问题，美国圣弗朗西 斯重力坝，法国马尔帕案拱坝的失事都是因坝基和坝肩失稳造成的。因此，在名 类混凝土坝的勘察、设计和施工过程中特别重视对坝基（肩）岩体抗滑稳定性的 研究
一、坝基岩体滑动破坏的类型 坝基岩体滑动破坏形式根据滑动破坏面位置的不同，可分为表层滑动、浅层 滑动、深层滑动和混合四种类型（图6-11）. 1.表层滑动 指坝体沿坝 底与基岩的接触 面（通常为混凝士 与岩石的接触 图6-11期基动砂坏的形 发生剪切破坏所 (a)表云消动：《b)浅层滑动：()深消动：（d)淮合清 造成的滑动（图 6-11a)。所以也称为接触滑动，滑动面大致是个平面。当坝基岩体坚硬、完整， 不具有可能发生滑动的软弱结构面，岩体强度远大于坝体混凝土强度时，容易出 现此种情况。另外，地基岩面的处理或混凝土浇筑质量不好也是形成这种滑动的 因素之一，抗剪强度计算指标应采用混凝士与岩石接触面的摩擦系数()和粘聚 力(c)值。一般在正常情况下这种破坏形式较少出现。 2.浅层滑动 当坝基岩体软弱，或岩体虽坚使但浅表部风化破碎层没有挖除干净，以致岩 体强度低于坝体混凝土强度时，则剪切破坏可能发生在浅部岩休中，造成浅层滑 动（图8-11b)。滑动面往往参差不齐。一般国内较大型的混凝士坝对地基处理要 求严格，故浅层滑动不作为控制设计的主要因素。而有些中、小型水库，坝基发 生事故常是由于清基不彻底而造成的。浅层滑动的抗剪强度指标要求采用软弱或 破碎岩体的摩擦系数()和粘聚力(c)值。由于滑动面埋藏较浅，其上覆岩石重量 和滑移体周围的切割条件可不考虑。 3.深层滑动 发生在坝基岩体的较深部位，主要沿软弱结构面发生剪切破坏，滑动面常是 由两、三组或更多的软弱面组合而成（图 6-11c)。但有时也可局部剪断岩石而构成 个连续的滑动面。深层滑动是高坝岩石地基 需要研究的主要破坏形式