11地基岩体稳定性的工程地质分析2012

c、φ —滑动面上土石的内聚力和内摩擦力； Lx —ab段的长度，为一变量，随坝体加高、加宽 而增大。 可见，抗滑力S的大小，一方面与滑动面的c、φ有 关，另一方面则取决于 Qx-Pw（即有效压力）的大小。 对于前述第一类情况[图11 －14（a）],在施工过程 中，随着坝体的增高软粘土层的上下边缘部分的超空 隙水压力不断减小，有效压力(Qx-Pw)相应的不断增大。 但是，由于高塑性软粘土的透水性很低，排水缓慢， 以致粘土层中间部分在施工后期，甚至竣工以后一段 时间之内，还能保持很高的，甚至接近于附加压力的 超空隙水压力，
当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时， 由于空隙水能很快的排出，超空隙水压力的消散很迅 速，故有效压力能在很短的时间增大至附加压力值， 使S3= Qx tanφ.因此，在施工期间，地基内的抗滑力S3 将随着坝体的增高而直线性地迅速增大（如图11－ 16）。图11－16中S3和P滑曲线地关系表明，砂质土地 基抗坍滑的能力很大，足以支持很高的坝体而不发生 坍滑。 由上述可见，地基中存在有饱水且透水性小的土 层，如塑性软粘土或淤泥等，特别是当其中夹有砂或 粉砂的薄层或透镜体时，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须充分注意这个问题。 当遇到这种情况时，为了保证坝坡的稳定，可采取如 下措施。
（11－13）
Pb相当于被动土压力，可按下式求之： （11－14） 式中：γ－土的容重；c、φ－坝体土石的内聚力与 内摩擦角；其它符号见图11－15。 由式11－13、11－14可见，P滑的大小除与土的 c、φ值有关外，主要取决于坝体的高度，通常随着 坝高的增加而增大。作用在ab面上的抗滑力S为： S=(Qx-Pw)tanφ+c • Lx 式中： Qx—作用在ab面上的坝体重量，为一变量， 随坝体加高而增大； Pw —ab面处的超空隙水压力
工程地质分析原理
第十一章 地基岩体稳定性的工程地质分析
11.1

基本概念及研究意义
直接承受上部建筑物荷载作用的那部分土体或 岩体称为地基。根据承载的特点，通常可将地基分 为两种类型，即：(1)承受垂直荷载的地基，一般工 业民用建筑物的地基都是属于这种类型；(2)承受斜 向荷载(同时承受垂直荷载与水平荷载)的地基，各 类挡水建筑物，如闹、坝等的地基属此类。 承受垂直荷载的地基，大多都是“软基”，这类 地基的变形、破坏机制和稳定性评价原理是土力学 课程讨论的内容，这里不做详述，只准备根据本课 程的需要指出有关问题的一般特点。
σ3=(P-γh)/π(2β- sin2β)
11.2
11.2.2
地基岩体内的应力分布特征
斜向荷载作用下地基内的应力分布 以挡水建筑物为例。 一般认为，坝基所承受的垂直荷载呈三角形分布， 即在上游坝踵处垂直荷载为零，然后线性增大，至下 游坝趾处达到最大值。这是坝重及库水推力所造成的 力偶共同作用的结果。 坝基所承受的水平荷载是由库水推力作用在坝体 上，然后通过坝底面的摩擦力而传至地基的。由于垂 直荷载为三角形分布，故由底面摩擦力而传给地基的 水平荷载也必然呈类似的三角形分布。 计算结果表明：在坝上游面附近的坝基上部存在 一个水平拉应力分布区。
因此(Qx-Pw)很小，甚至接近于零。这样，施工期内 软粘土层中间部分（ab面上）的抗滑力S1≈ c • Lx， 即随坝体加高而直线性的缓慢增大（如图11 －16）。
与此同时，滑动力P滑却随 坝体的增高而加速的增大。 当P滑与S1相交时，坝基即 将发生局部滑动并引起坝 坡的坍滑（图11 －16）。 这就是第一类坍滑产生的 机制。

应该指出，对于砌臵在坚硬岩体上的大坝，尤 应特别注意后一情况。因为这类岩体本身的变形性 通常较低，而开口裂隙在压力作用下产生闭合所造 成的压缩变形往往可以达到很大的数值。所以开口 裂隙发育不均常是造成这类岩体不均匀变形的重要 原因。 鉴于不均匀沉陷能对坝体稳定性造成较大的危害， 在初勘阶段应尽可能地将坝基选择在不致产生过大 不均匀沉陷的部位。如果不能完全避开，也应采取 相应的措施(例如预留沉陷逢等)以减少或消除不均 匀沉陷对坝体稳定的影响。

特点，并参照国内外已建的类似工程的经验数据

(5)由于坝肩岩体的稳定性较低，运行期间空隙 水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成的坝肩 滑动破坏。安徽梅山水库大坝的事故就是这样造成 的(见第九章)。 (6)坝下游岩体冲刷(溢流冲刷)掏空，也可造成大 坝的破坏。 (7)由地震和水库地震所造成的破坏或损害。

11.2
11.2.1
从世界上坝的破坏情况来看，原因是多种多样 的。地质方面的原因造成的破坏事故约占30%~40%， 其中，从具体的破坏原因和形式来看，又可详分如 下类型： (1)由于坝基的强度较低，运行期间又遭到进一 步恶化所造成的破坏。 (2)由于坝基(肩)的抗滑稳定性较低．运行期间又 遭到进一步恶化所造成的滑动破坏。 (3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的 土坝或堆石坝坝基和坝坡的坍滑。 (4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质 带走，使坝基被掏空而造成的破坏。
(1)岩石地基内应力分布的不均匀性。如前所述， 当坝基内有成组出现的陡倾软弱结构面发育时，地 基内的附加应力将在软弱结构面所限岩体内产生高 度的集中。由于这种原因，在具有三角形或梯形断 面的重力坝自重作用下，地基内不同条形岩体中附 加应力的大小及延展深度各不相同，因而其变形量 也就彼此不等。通常坝体高、因而荷载强度大的部 分变形最大；坝体低、因而荷载强小的部分变形量 就相对较小，于是在不同条形体的交界处就会产生 明显的差异沉陷，其结果往往使刚性坝体在这些部 位发生断裂。
对于前述第二类情况，在坝体堆砌过程中ab面上 的滑动力P滑与抗滑力S2的变化如图11－16所示。抗滑 力S2之所以不断减小，是因为随着地表荷载的增大， 软粘土层中的水不仅要通过其顶底面向上下砂土层中 排出，而且也要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增大，有效压力(Qx-Pw)不断减 小，当Pw增大至接近Qx时，有效压力变得很小，甚至 趋近于零。由于砂土的c=0，所以此时ab面上砂土的 抗滑力S2→0。由于这类坍滑通常时在抗滑力很低的 情况下发生的（图11－16），故坍滑的速度一般较大。
kc
f Pv A c
P
(11－16)
H
Pv －作用地基表面的垂直总荷载（t）; PH－ 作用在挡水建筑物上的水平总荷载（t）; f . c－ 分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力； A－ 基础底面的面积； kc－安全系数。
一般认为， kc≥4—5是稳定的。
11.3.2 岩石坝基的变形及其对大坝稳定性的影响 坚硬岩石地基的变形性常远较松软土地基为小， 故对于一般的水工建筑物，研究其基础沉陷的绝对 值往往没有多大实际意义。但是，由于建筑在岩基 上的坝大多数是具有较大刚性的，它们对不均匀沉 陷非常敏感，因此研究因岩石地基的不均匀变形所 造成的不均匀沉陷，对于保证这类大坝的稳定有很 大的实际意义。 岩石地基的不均匀变形通常是由下列因素造成的。

除上述之外，还应强调指出的是，在坝基或坝 肩范围内岩体变形性能于局部地带的突变(增大)， 对于拱坝的稳定性往往有很大的影响。模型试验表 明，在外荷载的作用下，拱坝的破坏总是先从局部 软弱岩体发育部位开始，产生如图11—20所示的各 种破裂，然后导致整体破坏的。因此．在拱坝的勘 察和设计过程中，对于这个问题必须予以充分的注 意。
实地观察表明，第一类坍滑一般是发生在地基 土层中存在有饱水的塑性软粘土或淤泥夹层的情况 下[图11-14(a)]，而且地基中的滑动面都是通过这一 软粘土层的中部；第二类坍滑通常发生在地基土层 中发育有软粘土，且其中部夹有砂或粉砂之类的薄 层或透镜体[如图l1-14(b)]，滑动面就通过这种部位。


11.3.3
岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定性问题 11.3.3.1 岩石坝基滑动破坏的形式、特点和发生条件 试验研究的资料表明，由于坝基岩体特征不同， 重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三种不 同类型，即：表面滑动、浅部（层）滑动和深部 （层）滑动。
1．表面滑动
破坏形式：接触面的剪切破坏。 产生的岩体条件：坝基岩体的强度远大于坝体混 凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面。 表面滑动是沿混凝土基础与基岩接触面发生的剪 切滑动，如图11-31。主要发生在坝基岩体的强度远 大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的 软弱结构面的条件下。此时，混凝士基础与基岩接 触面的摩擦系数值，是控制重力坝设计的主要指标。 坝体必须具有足够的重量，以便使接触面上的摩擦 阻力大于作用在坝体上的总水平推力。 这个接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验 资料，考虑到坝区的工程地质、水文地质条件的
当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层挖除， 然后将基础砌臵在不易引起坍滑的土层上。 当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取相应 的排水措施，以便较快的减少该层中的超空隙水压 力； 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排水压实，以提高地 基的抗滑能力。
11.3.1· 2

(2)地基不同部分岩体变形性质的差异也往往是 造成坝体不均匀沉陷的重要原因。这可能有两种情 况：一是坝体砌臵在软硬差别较大的岩层上，这种 情况下，易于产生不均匀沉陷；二是坝基岩体内开 口裂隙(如河床下的水平卸荷裂隙等)发育的不均匀， 例如坝基一侧张口裂隙较发育，而另一侧则不发育， 在坝体压力作用下开口裂隙发育的一侧由裂隙闭合 所造成的压缩变形大于不发育的一侧，其结果势必 造成不均匀沉陷。
倾斜荷载作用下松软土地基的滑动破坏及抗滑 稳定性问题
理论计算和实验研 究的结果表明，当作用 在松软坝基上的斜向荷 载增大到一定的临界值 之后，地基土即将沿着 一定的深部弧形面发生 滑动破坏（如图11－17）。有关这类弧形滑动破 坏的极限荷载条件，已在土力学课程中进行过 详细讨论，
通常可用П.Д.叶甫道基莫夫的图解法或B.B.索科洛 夫斯基的理论公式加以计算。 但是，当这类挡水结构物作用在此种地基上的 垂直荷载小于地基的临塑荷载（即按荷载性区最大 深度Zmax=0求出的荷载）时，如果建筑物在库水水 平推力的作用下发生滑动，则只能是沿基础底面的 表层滑动。此时，其抗滑稳定性可按下式验算：