【正文】 ‘章 壩的工程地質(zhì)研究 水工建筑物主要由三大部分組成：擋水建筑物（壩、閘）、泄水建筑物（溢洪道、泄 洪洞、排沙洞等）及取水輸水建筑物（隧洞、管道及渠系建筑物等），其中擋水建筑物的 攔河大壩或閘是主要建筑物。此外，水電站廠房、航運船閘、魚道等為附屬建筑物，通常 將建筑物的綜合體，稱為水利樞紐。 大壩坐落在巖土體地基上，承受了巨大垂直壓力和水平推力。壩基可能由于變形或滑 動破壞壩體的穩(wěn)定；與此同時，由于水庫蓄水壩的上下游形成了水頭差，會引起壩基巖土 體滲透變形破壞等，以降低壩基的強度 和穩(wěn)定性。壩與地質(zhì)環(huán)境間的相互作用，使得大壩 的修建十分復(fù)雜，不僅要求大壩本身的結(jié)構(gòu)強固，尤其要求壩基與壩肩具有足夠的堅固性 和穩(wěn)定性。從世界壩工建筑史來看，地質(zhì)方面原因引起大壩失事的約占大壩總失事的 30%～ 40%，主要原因是壩基的強度低或抵抗變形性能差、壩基（肩）的抗滑穩(wěn)定性差、 地下水的滲透作用及區(qū)域穩(wěn)定性和水庫誘發(fā)地震作用等造成的。 在進(jìn)行工程規(guī)劃、設(shè)計、施工之前都應(yīng)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察工作。水利水電工程壩的工 程地質(zhì)工作目的在于查明水工建筑地區(qū)的工程地質(zhì)條件，充分論證有關(guān)的工程地質(zhì)問題， 以便 充分利用有利的地質(zhì)因素，避開或改造不利的地質(zhì)因素，以保證水利工程的經(jīng)濟、合 理與安全。壩的工程地質(zhì)研究主要內(nèi)容：壩區(qū)滲漏與滲透穩(wěn)定性分析評價；壩基（肩）巖 體的抗滑穩(wěn)定性分析評價；壩基的應(yīng)力分布，壩基的變形與壩基的強度分析評價等。 第一節(jié)水工建筑物的工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問題 一、水工建筑物的工程地質(zhì)條件 工程地質(zhì)條件是一個綜合性概念，可理解為與工程建筑有關(guān)的地質(zhì)因素的綜合。一般 認(rèn)為，它包括工程建筑地區(qū)的地形地貌、巖土類型及工程地質(zhì)性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì) 條件、物理地質(zhì)現(xiàn)象、地質(zhì)物理環(huán)境 （例如應(yīng)力及地?zé)岬龋?、天然建筑材料?7 個方面。 （一）地形地貌條件 地形是指地表形態(tài)、高程、地勢高低、山脈水系、自然景物、森林植被，以及人工建 筑物等，常以地形圖予以反映。地貌主要指地表形態(tài)的成因、類型以及發(fā)育程度等，常以 地貌圖予以反映。 地形地貌是相互關(guān)聯(lián)的，但都受地區(qū)的巖性和地質(zhì)構(gòu)造條件所控制。河流地帶的地形 地貌條件往往對壩址選擇、壩型選擇、樞紐布置、施工方案選擇等，都有直接影響。例 如，拱壩就要求壩址兩岸谷坡規(guī)整對稱，最好為堅硬完整的基巖山體；土石壩要求壩址地 區(qū)應(yīng)有布置溢 洪道的地形條件。 （二）巖土類型及工程地質(zhì)性質(zhì) 水工建筑物是建筑在地表或地殼淺部，以巖土體作為地基或修建環(huán)境，有時也利用巖 土體作為天然建筑材料。因此，巖土類型和性質(zhì)對建筑物的穩(wěn)定性、技術(shù)上的可行性、經(jīng) 濟上的合理性都有著極為重要的作用。例如壩基，基本上可分為兩大類：巖石壩基和土體 壩基，它們又簡稱為巖基與土基。一般情況下，巖基的工程性質(zhì)比土基好，在巖基上可以 修建高壩、混凝土壩，水利樞紐多采用集中式布置方案；而在土基上，則可以修建低壩、 土石壩，水利樞紐多采用分散式布置方案。 水工建筑 中對巖土體的研究，除包括成因類型、形成年代、埋藏條件與環(huán)境、空間分 布等外，還要進(jìn)行巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)試驗，定量地確定巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)， 以供設(shè)計使用。盡管現(xiàn)代的水工設(shè)計已廣泛地引用了計算機，但設(shè)計的合理性、正確性， 在很大程度上仍然取決于巖土的工程性質(zhì)指標(biāo)和各種有關(guān)地質(zhì)參數(shù)的正確選定。 （三）地質(zhì)結(jié)構(gòu) 地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括地質(zhì)構(gòu)造（褶皺及斷裂構(gòu)造）和巖土體結(jié)構(gòu)。地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以說是水電工 程建設(shè)的決定因素，它對工程建筑物的穩(wěn)定有很大影響，例如壩址的選擇、工程建筑物的 布置都應(yīng)考慮地質(zhì)構(gòu)造和巖 體結(jié)構(gòu)的不利作用。 （四）水文地質(zhì)條件 水文地質(zhì)條件一般包括以下內(nèi)容。 (1)地下水類型：潛水、承壓水、包氣帶水等類型劃分。 (2)含水 層與隔 水層的 埋藏條 件、組 合關(guān)系 、空 間分布 規(guī) 律 及 特 征。 (3)巖 層 的 水 理 性 質(zhì) ： 溶 水 性 、 給 水 性 、 透 水性、凍融性等。 (4)地下水的運動特征：流向、流速、流量等。 (5)地 下 水 的 動 態(tài) 特 征 ： 水 位 、 水 溫 、 水 質(zhì) 隨時間變化規(guī)律。 (6)地 下 水 的 水 質(zhì) 、水 的 物 理 性 質(zhì) 、化 學(xué) 性 質(zhì) 、水文評價標(biāo)準(zhǔn)等。 水文地質(zhì)條件好壞直接關(guān)系到 水庫是否漏水、壩基是否穩(wěn)定以及地下水資源評價是否 可靠等一系列工程建設(shè)問題。 ’ （五）自然（物理）地質(zhì)現(xiàn)象 自然（物理）地質(zhì)現(xiàn)象或稱自然地質(zhì)現(xiàn)象，是指由內(nèi)外動力地質(zhì)作用在地表表層引起． 的一系列地質(zhì)現(xiàn)象，例如滑坡、泥石流、崩塌、巖溶、地震、巖石風(fēng)化、沖溝等現(xiàn)象。物 理地質(zhì)現(xiàn)象的存在和發(fā)育程度，直接影響工程建筑物的穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟和正常運行。 在水利水電工程建設(shè)中，在大壩區(qū)附近及水庫區(qū)的自然地質(zhì)現(xiàn)象，要求在工程地質(zhì)勘 察時進(jìn)行充分的調(diào)查和研究，對影響大壩或水庫安全的應(yīng)采取有效措施， 進(jìn)行處理或 整治。 （六）地質(zhì)物理環(huán)境 地質(zhì)物理環(huán)境包括地應(yīng)力及地?zé)釛l件等。地應(yīng)力主要是在重力和構(gòu)造運動綜合作用下 形成的，有時也包括巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等作用下形成的應(yīng)力。地應(yīng)力的大 小、方向和分布、變化規(guī)律除了與地震和活動密切相關(guān)，影響到工程場地的區(qū)域穩(wěn)定性 外，還對工程建筑的設(shè)計和施工有直接影響。在水利工程施工時，由于地應(yīng)力的存在常引 起基坑、邊坡、地下工程開挖面產(chǎn)生卸荷回彈和應(yīng)力釋放變形破壞現(xiàn)象，例如基坑底部隆 起、基坑邊坡滑移、地下洞室側(cè)墻的變形、巖爆等。 （七）天 然建筑材料 水工建筑材料主要有砂礫石、土、碎石及石料等。砂礫石料，主要用于混凝土骨料， 或用作土石壩體的填筑料；黏土主要用作土壩體材料，或用作防滲墻、圍堰、堤防等；碎 石、塊石料，用作堆石壩、砌石壩、土石混合壩材料，以及混凝土壩的填石料。在水利工 程建筑中 ，天然 建筑材 料的用 量相當(dāng) 大，特別 是當(dāng)?shù)?材料壩 （土壩 、砌石壩、土石混合 壩），基本上都是土石方工程。所以天然建筑材料的數(shù)量、質(zhì)量及開采運輸條件，直接關(guān) 系到壩址、壩型的選擇、工程造價、工期長短。因此，天然建筑材料是工程地質(zhì)條件評價 的主要內(nèi)容，有時甚 至可以成為工程決策的決定因素。 一、不同壩型對地形、地質(zhì)的要求 壩的型式較多，它們的工作特點和對地質(zhì)的要求不同。下面介紹常見的幾種壩型對地 形與地質(zhì)要求。 1．土石壩 土石壩又稱當(dāng)?shù)夭牧蠅?，?yīng)用最多。根據(jù)材料不同可分為：土壩、砌石壩及土石混 合壩。 土壩是疏松土體筑成的，壩坡平均坡度，上游迎水面為 1： 2. 25～1： 3． O，下游面為 1:～ 1 ： ， 故 土 壩 斷 面 寬 （ 壩 高 4 ～ 6 倍），壩體都較大。 土壩對地基的要求較低，除有活斷層及大的順河斷層、巨厚強透水 層、壓縮變形強烈 的淤泥軟黏土層、膨脹崩解較強土層、強震區(qū)存在較厚的粉細(xì)砂層等不利條件外，一般均 可修建。土壩壩體屬于塑性壩體，可適應(yīng)一定的地基變形；塑性心墻或斜墻壩的適應(yīng)性更 強，特 別是抗 震性能比 其他壩 型都好 。由 于土壩 的壩頂 不能直 接溢流 ，因此在壩址選擇 時，需要考慮有利于溢洪道布置的地形地貌條件。另外，需要在壩址附近分布天然建筑材 料料場。 堆石壩是用當(dāng)?shù)厥现?，并用防滲料作心墻或斜墻。堆石壩同土壩一樣，壩頂一般 不溢流。 堆石壩對地基變形的適應(yīng)性能較好。砂卵土、砂土及黏性土地基上均可修 建，但需要 對壩基作 防滲處 理。對 于巖石 壩基要 注意整 體性 ，要適 當(dāng)處理 大裂縫 、斷層和破碎帶。 2．重力壩 重力壩是一種常見的壩型，它的橫斷面近于三角形，用混凝土或漿砌石筑成。它體積 大，重 量大 ，主要 依靠壩 體自重 與地基 間摩擦 力維持 穩(wěn)定 ，壩體 堅固可靠，使用耐久。 重力壩對壩基的要求比土石壩高，大壩都建造在基巖上。要求壩基應(yīng)具有足夠的抗壓 強度以承受壩體的重量和各種荷載；壩基巖體應(yīng)具有足夠的整體性和均一性，盡量避開大 的斷層帶、軟弱帶、裂隙密集帶等不良地質(zhì)條件；壩基巖體應(yīng)具有足夠的抗剪強度，抵 抗 壩基滑動破壞；壩基巖體應(yīng)具有足夠的抗?jié)B性能，抵抗壩基滲透變形破壞；壩肩及兩岸邊 坡要穩(wěn)定等。 3．拱壩 拱壩系一空間殼體結(jié)構(gòu)，整體性好。平面上呈拱形，凸向上游，兩端支撐在岸坡巖體 上 。 它 利 用 拱 的 作 用 ， 把 水 壓 力 的 大 部 或 全 部 傳 遞 給 兩 岸 山體 ， 以 保 持 穩(wěn) 定 。 所有壩型中，拱壩對地形、地質(zhì)條件的要求最高。除考慮重力壩對地基的要求外，尚 應(yīng)考慮：兩岸巖體應(yīng)當(dāng)完整堅硬而新鮮；壩基巖體要有足夠整體性和均一性，以免發(fā)生不 均勻沉降影響整個壩體產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致壩體破壞；要求拱端有較厚的穩(wěn)定巖體；地形 應(yīng)是對 稱的 V形或 U形峽谷等。 4．支墩壩 支墩壩由傾斜的擋水面板部分和一系列支墩（大致呈三角形）組成的壩型，一般也由 混凝土澆筑而成。上游水壓力由面板傳到支墩上，再經(jīng)支墩傳給地基巖體。根據(jù)擋水面板 的 型 式 ， 又 可 分 為 平 板 壩 、 大 頭 壩 、 連 拱 壩 及 設(shè) 有 基 礎(chǔ) 板的 平 板 壩 等 。 支墩壩對地形地質(zhì)條件的要求，介于拱壩與重力壩之間。支墩所在的地基巖體要堅 固。支墩壩適于寬闊的河谷地形，但支墩之間不允許不均勻沉降。地基摩擦系數(shù)廠值對 擋水面板的坡度影響很大，當(dāng)廠 =，壩面傾斜角可為 500～ 600。廠值愈小， 壩面坡 度要求愈緩，底寬及開挖量愈大。 三、水工建筑物的工程地質(zhì)問題 人類工程活動和自然地質(zhì)作用會改變地質(zhì)環(huán)境，影響工程地質(zhì)條件變化。當(dāng)工程地質(zhì) 條件不能滿足工程建筑穩(wěn)定、安全的要求時，亦即工程地質(zhì)條件與工程建筑之間存在矛盾 時，就稱為存在工程地質(zhì)問題。 水利工程的工程地質(zhì)問題是復(fù)雜多樣的，常遇到的工程地質(zhì)問題可歸納為以下幾個 方面： (1)壩基工程地質(zhì)問題。包括壩基滲漏、壩基滲透穩(wěn)定、壩基（肩）抗滑穩(wěn)定、壩基 強度與變形等問題。 (2)輸水及泄水建筑物的工程地質(zhì)問題 。包括渠系建筑物的線路選擇、滲漏滲透穩(wěn) 定、地基穩(wěn)定等。 (3)水庫區(qū)工程地質(zhì)問題。包括水庫滲漏、水庫岸坡穩(wěn)定、水庫浸沒、水庫淤積及水 庫誘發(fā)地震問題等。 (4)區(qū)域地殼穩(wěn)定問題。包括水庫上、下游一定范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造活動性、場地的地震 效應(yīng)及地震動力學(xué)問題、地應(yīng)力狀況等。 (5)環(huán)境工程地質(zhì)問題。包括自然地質(zhì)災(zāi)害及人為活動引起的地質(zhì)問題對水利工程影響。 第二節(jié) 壩 區(qū) 的滲 漏 壩區(qū)的滲漏包括：壩基滲漏和繞壩滲漏，其產(chǎn)生原因是水庫蓄水以后，壩上、下游形 成一定的水位差，使庫水在一定的水 頭壓力作用下，通過壩基或壩肩的滲漏通道向河谷下 游滲漏。所謂滲漏通道是指具有較強透水性的巖土體，可分為透水層、透水帶和透水喀斯 特管道。長期大量的壩區(qū)滲漏會導(dǎo)致水庫蓄水水量減少，甚至水庫不能蓄水；同時滲透水 流會引起壩基潛蝕和滲透變形，危及大壩安全。 一、壩區(qū)滲漏的工程地質(zhì)條件 對壩區(qū)滲漏問題的工程地質(zhì)分析，主要是查明滲漏通道、滲漏通道連通性、滲透性指 標(biāo)，進(jìn)行滲透量計算。 （一）滲漏通道 1．透水層 水工建筑中，通常以滲透系數(shù) (K)小于 107 cm／ s為隔水層，大于此值的為透水 層。 透水層可分為第四系松散沉積層透水層和基巖透水層。第四系松散沉積層，包括河流沖積層、坡積層、殘積層、崩積層及冰川沉積層等。此類地區(qū)壩區(qū)滲漏主要是通過古河道、河床和階地內(nèi)的砂、卵、礫石層。河谷地帶埋藏的古河道具有較厚的松散粗碎屑沉積物，常 與現(xiàn)代河床平行或交角較小，是良好的滲漏通道。此外，山坡坡麓地帶常有巖堆和坡積 層，其孔隙大，當(dāng)粗顆粒較多時，也是滲漏通道。 ． 基巖透水層主要為膠結(jié)不良的砂巖、礫巖層，具氣孔構(gòu)造并且裂隙發(fā)育的玄武巖、流紋巖等，對基巖地區(qū)滲透通道分析，特別應(yīng)注意河谷的地質(zhì)構(gòu)造。例如在 褶皺構(gòu)造地區(qū)， 常 見 的 河 谷 構(gòu) 造 有 以 下 三 種 類型 。 它 們 以 不 同 程 度 影 響 壩 區(qū) 的 滲 漏 。 (1)縱谷：巖層走向與河流流向平行或近于平行的河谷稱為縱谷。這種河谷構(gòu)造，因 巖層走向與壩軸線垂直或近似垂直，所以不論是壩基或兩岸壩肩，如有滲漏巖層或順河向 的斷層，都可構(gòu)成良好的滲漏通道，特別是壩肩上、下游，有溝谷地形時（圖 10 1中的 AB剖面），則更容易形成庫水的大量滲漏。 圖 10 1 壩基（肩）滲漏與河谷構(gòu)造關(guān)系示意圖 1河谷； 2水庫回水線； 3溝谷； 4