水利水电工程中的工程地质问题

水利水电工程中的工程地质问题_地质与岩土力学基

情景13　常见地质灾害与水利水电工程地质问题

【学习目标】

1.了解常见地质灾害类型，明白一般规律。

2.了解地质灾害的简单防治原理和措施。

3.熟悉水利水电工程建设中的工程地质条件。

4.了解水电工程建设中的工程地质问题与常见地质灾害。

【能力要求】

1．能够分析地质灾害发生原因。

2．能够分析工程地质条件。

3．能够分析水利水电工程地质问题。

【必要的理论知识与资料】

13.1　常见地质灾害

不良地质现象通常叫做地质灾害。2004年国务院颁发的《地质灾害防治条例》规定，地质灾害，通常指由于地质作用引起的人民生命财产损失的灾害。典型的地质灾害有:地震、火山、地热害、崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降、地面塌陷、岩爆、坑道突水、突泥、突瓦斯、煤层自燃、黄土湿陷、岩土膨胀、砂土液化，土地冻融、水土流失、土地沙漠化及沼泽化、土壤盐碱化等。绝大部分的地质灾害或者巨大强烈的地质灾害更多是自然作用的结果。由于人为因素的作用，也会诱发一些地质灾害。地质灾害对人类生命财产、环境造成破坏和损失，在局部局地甚至是毁灭性的破坏，为此，人们必须认识其规律，才可找到应对之策，除过要规避地质灾害外，更要积极主动去降低灾害或者消弭灾害，绝不能去诱发灾害。

地质灾害可划分为30多种类型。由降雨、融雪、地震等因素诱发的称为自然地质灾害，由工程开挖、堆载、爆破、弃土等引发的称为人为地质灾害。常见的地质灾害主要指危害人民生命和财产安全的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等六种与地质作用有关的灾害。

地质灾害的分类，按照成因分，主要由自然变异导致的地质灾害称自然地质灾害;主要由人为作用诱发的地质灾害则称人为地质灾害。按地质环境或地质体变化的速度而言，可分突发性地质灾害与缓变性地质灾害两大类。前者如崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷、地裂缝，即习惯上的狭义地质灾害;后者如水土流失、土地沙漠化等，又称环境地质灾害。根据地质灾害发生区的地理或地貌特征，可分山地地质灾害，如崩塌、滑坡、泥石流等，平原地质灾害，如地质沉降。

13．1．1　滑坡

13．1．1．1　滑坡的定义及形态

斜坡上的土体、岩体或碎屑物质在重力作用下沿一定的滑动面整体下滑的现象，称为滑坡。滑坡，它与山崩、泥石流一样，危害相当大，破坏性极强。它破坏道路、桥梁，渠系，堵塞河道，毁坏工厂、矿山、农田，以及各种工程设施和居民住地。滑坡给国家经济建设和人民生命财产造成了巨大的损失。

形成滑坡的地质和自然背景条件较多，如倾斜的地形，不稳定的地质构造，松散、破碎易溶、风化的岩石性质，不利的水文地质条件，以及活动的地壳运动和地震等，都是导致滑坡的自然因素。雨水过多或冰雪融化，过量的地表水下渗，会增加滑坡体的重量和下滑力，是形成滑坡的激发因素。不科学地开挖边坡，劈山造田，毁林开荒，人工爆破采石等，则是诱发滑坡的人为因素。据世界有关部门统计，全世界大约有70%的滑坡，都是由于人类不科学的工程施工引发的。

滑动的岩块、土体称为滑坡体;岩体、土体下滑的底面为滑动面;滑坡体向下滑动时在斜坡顶部形成的陡壁称滑坡壁，又称破裂壁;滑坡体下滑后在斜坡上形成的阶梯状地形称滑坡阶梯;滑坡体的前端因受阻而突起的小丘称滑坡鼓丘;滑坡在初始滑动与滑动过程的各个阶段因块体受力不均匀，而产生各种形式的裂隙，有环状拉张裂隙、平行剪切裂隙、挤压裂隙、放射状裂隙等，称滑坡裂隙。为了判别和识别滑坡，研究滑坡发展，必须认清滑坡形态。滑坡壁与滑坡体规模直接相关滑坡规模。一个发育完全的比较典型的滑坡在形态上有以下特征(图13－1):

(1)滑坡体:斜坡内沿滑动面向下滑动的岩土体，其大体上保持原来的层位和结构构造的特点。滑坡体和周围不动岩土体的分界线叫滑坡周界。

(2)滑动面、滑动带和滑坡床:滑坡体沿其滑动的面称滑动面;滑动面以上，被揉皱了的厚数厘米至数米的结构扰动带，称滑动带;在滑动面以下稳定的岩土体称为滑坡床。

滑动面的形状可呈近似圆弧形、直线形或折线形，多数滑动面由直线和圆弧复合而成，其后部经常呈弧形，前部呈近似水平的直线。滑动面大多数位于粘土夹层或其他软弱岩层内，滑动面常有地下水活动。

(3)滑坡后壁:滑坡体滑落后，滑坡后部和斜坡未动部分之间形成的一个坡度较大的陡壁;滑坡后壁的左右呈弧形向前延伸，其形态呈“圈椅”状，称为滑坡圈谷。

图13－1　滑坡形态和构造示意图

1—滑坡体;2—滑动面;3—滑动带;4—滑坡床;5—滑坡后壁;6—滑坡台地; 7—滑坡台地陡坎;8—滑坡舌;9—拉张裂缝;10—滑坡鼓丘;11—扇形张裂缝;12—剪切裂缝

(4)滑坡台地:滑坡体滑落后，形成阶梯状的地面，往往向着滑坡后壁倾斜。滑坡台地前缘比较陡的破裂壁称为滑坡台坎。

(5)滑坡鼓丘:滑坡体在向前滑动的时候，受阻形成隆起的小丘。

(6)滑坡舌:滑坡体的前部如舌状向前伸出的部分。

(7)滑坡裂缝:在滑坡运动时，因滑体各部分移动速度不均匀，在滑体内及表面产生裂缝;根据受力状况不同，滑坡裂缝可以分拉张裂缝、鼓胀裂缝、剪切裂缝、扇形张裂缝。

(8)滑坡主轴:为滑坡体滑动速度最快的纵向线，它代表整个滑坡的滑动方向，可为直线或折线(图13－2)。

图13－2　滑坡运动矢量平面图

13．1．1．2　滑坡的类型

为了满足各种工程的需要，滑坡可从不同角度分类。

(1)根据滑坡体体积，将滑坡分为四个等级:

①小型滑坡:滑坡体积小于10×104m3;

②中型滑坡;滑坡体积为10×104～100×104m3;

③大型滑坡:滑坡体积为100×104～1000×104m3;

④特大型滑坡(巨型滑坡):滑坡体体积大于1000×104m3。

(2)根据滑坡的滑动速度，将滑坡分为四类:

①蠕动型滑坡:人们仅凭肉眼难以看见其运动，只能通过仪器观测才能发现的滑坡;

②慢速滑坡:每天滑动数厘米至数十厘米，人们凭肉眼可直接观察到滑坡的活动;

③中速滑坡:每小时滑动数十厘米至数米的滑坡;

④高速滑坡:每秒滑动数米至数十米的滑坡。

(3)按滑坡体物质组成和滑坡与地质构造关系划分:

①覆盖层滑坡:有粘性土滑坡、黄土滑坡、碎石滑坡、风化壳滑坡;

②基岩滑坡(图13－3):按照与地质构造的关系，可分为均质滑坡、顺层滑坡、切层滑坡。顺层滑坡又可分为沿层面滑动或沿基岩面滑动的滑坡;

③特殊滑坡:如冻融滑坡、陷落滑坡等。

(4)按滑坡体的滑层厚度划分:浅层滑坡、中层滑坡、深层滑坡、超深层滑坡。

(5)按形成的年代划分:新滑坡、古滑坡。

图13－3　滑坡与地质构造关系

(6)按力学条件划分:牵引式滑坡、推动式滑坡。

13．1．1．3　滑坡的发育过程

一般说来，滑坡的发生是一个长期的变化过程，通常将滑坡的发育过程划分为三个阶段:蠕动变形阶段、滑动破坏阶段、渐趋稳定阶段。研究滑坡发育的过程对于认识滑坡和正确地选择防滑措施具有很重要意义。(图13－4)。

图13－4　滑坡发育过程示意图

(1)蠕动变形阶段。

指从斜坡的稳定状况受到破坏，坡面出现裂缝，到斜坡开始整体滑动之前的这段时间。出现的滑坡前兆现象为斜坡后缘拉张裂缝不断加宽、两侧相继出现剪切裂缝、坡脚附近出现鼓胀裂缝、滑坡出口附近潮湿渗水且逐渐变混浊。

(2)滑动破坏阶段。

在此阶段内，岩体已完全破裂，滑动面已形成，滑体与滑床完全分离。出现的滑坡征兆现象为裂缝错距加大，后缘拉张主裂缝连成整体，两侧羽状裂缝撕开，斜坡前缘出现大量放射状鼓胀裂缝、挤压鼓丘，滑动面出口地方常常有浑浊泥泉水出露。滑坡在整体往下滑动的时候，滑坡后缘迅速下陷，滑坡壁越露越高，滑坡体分裂成数块，并在地面上形成阶梯状地形，滑坡体上的树木东倒西歪地倾斜，形成“醉林”，如图13－5所示。同时滑坡体上的建筑物严重变形以致倒塌毁坏。

图13－5　醉林

图13－6　马刀树

(3)渐趋稳定阶段。

经滑动之后，滑坡体重心降低，能量消耗于克服前进阻力和土体变形中，位移速度越来越慢，并趋于稳定。滑动停止后，岩土体变得松散破碎，透水性加大，含水量增高。滑坡停息以后，在自重作用下，岩土体逐渐压实，地表裂缝逐渐闭合。滑坡体上东倒西歪的“醉林”又重新垂直向上生长，但其下部已经弯曲，不能伸直，因而树干呈马刀状，有时称它为“马刀树”，见图13－6。这是滑坡趋于稳定的一种现象。

13．1．1．4　滑坡的力学分析及作用因素

(1)坡地块体运动的力学分析。

坡度大于2度时重力对物质运动的影响占据了较重要的位置，因而在重力作用下的各种块体运动是坡面过程的主要形式之一。此外，坡地还接受大气降水，降水时形成的水流冲刷，土壤水作用等对坡地的演化也有重要意义。

坡地上的块体运动主要有两种形式，一是位于坡面上的松散土粒和岩屑的移动，二是坡地表层一定软弱面上的土体、岩体的移动:

坡地上块体的稳定，需要下滑力小于抗滑强度，即坡角小于坡面物质的内摩擦角。当坡角等于内摩擦角时，块体处于极限稳定状态。因此，内摩擦角又代表了块体下滑刚好起动的坡角，代表着物质的休止角。特别对那些没有粘结力的砂层或松散碎屑堆积层来说，内摩擦角与休止角是一致的。

(2)作用因素。

滑坡是具有滑动条件的斜坡在多种因素综合作用下的结果，但对某一特定滑坡总有一或两个因素对滑坡的发生起控制作用，我们称它为主控因子，在滑坡防治中应着力找出主控因子及其作用的机制和变化幅度，并采取主要工程措施消除或控制其作用以稳定滑坡，对其他因素则采取一般性措施达到综合性治理的目的，如地下水作用引起则以地下截排水工程为主，因削弱坡体支撑力引起的则以恢复和加强支挡工程为主。

作用于滑坡的因素概括如表13－1，可分为自然因素和人为因素，但就其对形成滑坡的作用来说，一是改变坡体的应力状态，增大坡脚应力和滑带土的剪应力(即下滑力)的因素，如河流冲刷、开挖坡脚、坡上加载等改变坡形的因素;二是改变滑带土的性状减小抗滑阻力的因素，如地表水下渗、地下水位变化、水库水位升降、灌溉水和生产生活用水下渗、潜蚀和溶蚀作用等降低滑带土强度的因素;三是既增加下滑力又减小抗滑力甚至造成滑带土结构破坏(如液化)的因素，如地震和爆破震动等。总之，其作用既有力学作用，还有物理化学作用，还有作用的时间过程，进行综合动态分析是必要的。

表13－1　作用于滑坡的因素

13．1．1．5　滑坡的肉眼识别

滑坡常发生在雨季或春季冰雪融化时。滑动的地方主要是山谷坡地、海洋、湖泊、水库、渠道和河流的岸坡及露天采矿场所。

在野外，从宏观角度观察滑坡体，可以根据一些外表迹象和特征，粗略地判断它的稳定性如何。

(1)已稳定的堆积层老滑坡体有以下特征:

①后壁较高，长满了树木，找不到擦痕，且十分稳定;

②滑坡平台宽、大、且已夷平，土体密实无沉陷现象;

③滑坡前缘的斜坡较缓，土体密实，长满树木，无松散坍塌现象。前缘迎河部分有被河水冲刷过的迹象;

④目前的河水已远离滑坡舌部，甚至在舌部外已有河漫滩、阶地分布;

⑤滑坡体两侧的自然冲刷沟切割很深，甚至已达基岩;

⑥滑坡体舌部的坡脚有清晰的泉水流出等等。

(2)不稳定的滑坡具有下列迹象:

①滑坡体表面总体坡度较陡，而且延伸较长，坡面高低不平;

②有滑坡平台，面积不大，且不向下缓倾和未夷平现象;

③滑坡表面有泉水、湿地，且有新生冲沟;

④滑坡体表面有不均匀沉陷的局部平台，参差不齐;

⑤滑坡前缘土石松散，小型坍塌时有发生，并面临河水冲刷的危险;

⑥滑坡体上无巨大直立树木。

13．1．1．6　滑坡的防治

(1)滑坡的预防。

滑坡的治理遵循以防为主，整治为辅的原则，滑坡的预防可采取以下措施:

避开已存在的新老滑坡。

防止古老滑坡复活，可从以下方面来防止:

①不在滑坡上方作填方加载，不在其抗滑段作挖方削弱支撑力;

②不在滑坡体上设易渗水建筑物;

③严格管理生产生活用水不使其渗入滑体;

④设置必要的防滑措施;

⑤有条件时改水田为旱田。

防止已变形滑坡大滑动造成灾害:

①停止施工，加强监测，防止灾害;

②加强地表与地下水排水，夯填地表裂缝;

③上部减重和前缘反压常是有效措施。

防止易滑坡地段发生滑坡。

(2)防治滑坡的工程措施。

在我国，主要从绕避、排水、力学平衡和滑坡带土改良四个方面入手，如表13－2、图13－7～13－9是滑坡治理相关案例的示意图及图片。

图13－7　支撑盲沟示意图

图13－8　截水盲沟示意图

图13－9　洞孔联合排水示意图

1—垂直钻孔;2—仰斜钻孔

表13－2　我国滑坡防治措施简表

以下为三峡库区巴东油库场地滑坡治理的例子:

湖北省巴东油库位于巴东新县城西2km的长江南岸，高程175～260m斜坡地段上，在按设计进行油库场地修整及油库基础场地施工时，坡面出现大量的变形、裂缝、坍塌等现象，在此情况下，对坡体又进行详细勘探，并展开了对边坡治理和油库布置位置的研究。巴东油库场地边坡北部临江，见图13－10，南部后缘靠山，东西两侧分别有白岩沟和凉水溪冲沟深切。

图13－10　巴东油库场地边坡剖面图

对巴东油库场地边坡地质地形条件进行了边坡稳定分析计算后，提出了几组边坡治理与油罐基础布置方案，综合比较分析了各组方案边坡稳定性、技术经济等方面因素，确定了治理边坡治理和油库布置位置最合理方案(图13－11)。确定油罐布置在场区东部原高程220．0～245．0m位置。该处位于深层滑坡体以外。在江边173．4m高程处挡土墙下布置一排抗滑桩，以保证深层滑体的稳定及江边挡土墙的稳定。在公路南挡土墙布置抗滑桩，以保证公路南挡土墙及II号滑坡体的稳定。

图13－11　油库布置位置图

13．1．2　崩塌

13．1．2．1　崩塌及其类型

(1)崩塌及其特征。

崩塌(崩落、垮塌或塌方)是较陡斜坡上的岩土体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚(或沟谷)的地质现象。产生在土体中者称土崩，产生在岩体中者称岩崩。规模巨大、涉及山体者称山崩。大小不等、零乱无序的岩块(土块)呈锥状堆积在坡脚的堆积物，称崩积物，也可称为岩堆或倒石堆。崩塌在特征上有以下几点:

①运动速度快，有时可达到自由落体的速度。

②体积变化大，小者可小于1m3，大者可大到几亿立方米。

③块体经过崩塌后已不具备后来岩体或土地的任何结构。

④运动块体没有固定的滑动面。

(2)崩塌的类型。

按崩塌体的物质组成分为两大类:一是土崩。二是岩崩。当其岩崩的规模巨大，涉及到山体者，又俗称山崩。当其崩塌产生在河流、湖泊或海岸上时，称为岸崩。

按照崩塌体的规模、范围、大小可以分为剥落、坠石和崩落等类型。剥落的块度较小，块度大于0．5m者占25%以下，产生剥落的岩石山坡一般在30°～40°;坠石的块度较大，块度大于0．5m者占50%～70%，山坡角在30°～40°范围内;崩落的块度更大，块度大于0.5m者占75%以上，山坡角多大于40°。

13．1．2．2　崩塌的形成条件及触发因素

崩塌形成的基本地质条件有:

(1)岩土类型。岩、土是产生崩塌的物质条件。一般而言，各类岩、土都可以形成崩塌，但不同类型，所形成崩塌的规模大小不同。通常，岩性坚硬的各类岩浆岩、变质岩及沉积岩类的碳酸盐岩、石英砂岩、砂砾岩、结构密实的黄土等形成规模较大的崩塌，页岩、泥灰岩等互层岩石及松散土层等往往以小型坠落和剥落为主。

(2)地质构造。各种构造面，如节理、裂隙面、岩层界面、断层等，对坡体的切割、分离，为崩塌的形成提供脱离母体(山体)的边界条件。坡体中裂隙越发育，越易产生崩塌，与坡体延伸方向近于平行的陡倾构造面，最有利于崩塌的形成。

(3)地形地貌。江、河、湖(水库)、沟的岸坡及各种山坡、铁路、公路边坡、工程建筑物边坡及其各类人工边坡都是有利崩塌产生的地貌部位，坡度大于45°的高陡斜坡、孤立山嘴或凹形陡坡均为崩塌形成的有利地形。

能够诱发崩塌的外界因素很多，主要有:

(1)地震。地震引起坡体晃动，破坏坡体平衡，从而诱发崩塌。一般烈度大于7度以上的地震都会诱发大量崩塌。

(2)融雪、降雨。特别是大雨、暴雨和长时间的连续降雨，使地表水渗入坡体，软化岩、土及其中软弱面，产生孔隙水压力等，从而诱发崩塌。

(3)地表水的冲刷、浸泡。河流等地表水体不断地冲刷坡脚或浸泡坡脚、削弱坡体支撑或软化岩、土，降低坡体强度，也能诱发崩塌。

(4)不合理的人类活动。如开挖坡脚、地下采空、水库蓄水、泄水等改变坡体原始平衡状态的人类活动，都会诱发崩塌活动。

还有一些其他因素，如冻胀、昼夜温差变化等，也会诱发崩塌。

13．1．2．3　崩塌的防治

我国防治崩塌的工程措施主要有:

(1)遮挡:即遮挡斜坡上部的崩塌落石。这种措施常用于中、小型崩塌或人工边坡崩塌的防治中，通常采用修建明硐、棚硐等工程进行(图13－12)，在铁路工程中较为常用。

(2)拦截:对于仅在雨季才有坠石、剥落和小型崩塌的地段，可在坡脚或半坡上设置拦截构筑物，如设置落石平台和落石槽以停积崩塌物质;修建挡石墙以拦坠石;利用废钢轨、钢钎及钢丝等编制钢轨或钢钎栅栏来挡截落石。这些措施也常用于铁路工程中。

(3)支挡:在岩石突出或不稳定的大孤石下面，修建支柱，支档墙或用废钢轨支撑。

(4)护墙、护坡:在易风化剥落的边坡地段，修建护墙，对缓坡进行水泥护坡、砌石护面等。一般边坡均可采用。

(5)镶补沟缝:对坡体中的裂隙、缝、空洞，可用片石填补空洞，水泥沙浆沟缝等以防止裂隙、缝、洞的进一步发展。

(6)刷坡(削坡):在危石、孤石突出的山嘴以及坡体风化破碎的地段，采用刷坡来放缓边坡。

(7)排水:在有水活动的地段，布置排水构筑物，以进行拦截疏导。

图13－12　崩塌的防治

13．1．3　泥石流

泥石流是一种广泛分布于世界各国一些具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害。是山区沟谷或山地坡面上，由暴雨、冰雪融化等水源激发的、含有大量泥沙石块的介于挟沙水流和滑坡之间的土、水、气混合流。泥石流大多伴随山区洪水而发生。它与一般洪水的区别是洪流中含有足够数量的泥沙石等固体碎屑物，其体积含量最少为15%，最高可达80%左右，因此比洪水更具有破坏力。

典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的粘稠泥浆组成。在适当的地形条件下，大量的水体浸透山坡或沟床中的固体堆积物质，使其稳定性降低，饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动，就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。泥石流经常突然爆发，来势凶猛，可携带巨大的石块，并以高速前进，具有强大的能量，因而破坏性极大。泥石流流动的全过程一般只有几个小时，短的只有几分钟。

13．1．3．1　泥石流类型

在我国，常见泥石流的分类有以下三种:

(1)按泥石流成因分类。

人们往往根据起主导作用的泥石流形成条件，来命名泥石流的成因类型。

①冰川型泥石流:是指分布在高山冰川积雪盘踞的山区，其形成、发展与冰川发育过程密切相关的一类泥石流。它们是在冰川的前进与后退、冰雪的积累与消融，以及与此相伴生的冰崩、雪崩等动力作用下所产生的。

②降雨型泥石流:是指在非冰川地区，以降雨为水体来源，以不同的松散堆积物为固体物质补给来源的一类泥石流。

③共生型泥石流:这是一种特殊的成因类型。根据共生作用的方式，它们包括了滑坡型泥石流、山崩型泥石流、湖岸溃决型泥石流、地震型泥石流和火山型泥石流等亚类。由于人类不合理经济——工程活动而形成的泥石流，称为“人类泥石流”，也是一种特殊的共生型泥石流。

(2)按泥石流体的物质组成分类。

①泥石流:这是由浆体和石块共同组成的特殊流体，固体成分从粒径小于0．005mm的粘土粉砂到几米至10～20m的大漂砾。它的级配范围之大是其他类型的夹沙水流所无法比拟的。这类泥石流在我国山区的分布范围比较广泛，对山区的经济建设和国防建设危害十分严重。

②泥流:是指发育在我国黄土高原地区，以细粒泥石流为主要固体成分的泥质流。泥流中粘粒含量大于石质山区的泥石流，粘粒重量比可达15%以上。泥流含少量碎石、岩屑，粘度大，呈稠泥状，结构比泥石流更为明显。我国黄河中游地区干流和支流中的泥沙，大多来自这些泥流沟。

③水石流:是指发育在大理岩、白云岩、石灰岩、砾岩或部分花岗岩山区，由水和粗砂、砾石、大漂砾组成的特殊流体，粘粒含量小于泥石流和泥流。水石流的性质和形成，类似山洪。

13．1．3．2　泥石流的形成条件

泥石流的形成，必须同时具备三个基本条件:一是有利于贮集、运动和停淤的地形地貌条件;二是有丰富的松散土石碎屑固体物质来源;三是短时间内可提供充足的水源和适当的激发因素。

(1)地形地貌条件。

地形条件制约着泥石流形成、运动、规模等特征。主要包括泥石流的沟谷形态、集水面积、沟坡坡度与坡向和沟床纵坡降等。

①沟谷形态。

典型泥石流分为形成、流通、堆积等三个区，沟谷也相应具备三种不同形态。上游形成区多三面环山、一面出口的漏斗状或树叶状，地势比较开阔，周围山高坡陡，植被生长不良，有利于水和碎屑固体物质聚集;中游流通区的地形多为狭窄陡深的狭谷，沟床纵坡降大，使泥石流能够迅猛直泻;下游堆积区的地形为开阔平坦的山前平原或较宽阔的河谷，使碎屑固体物质有堆积场地。

②沟床纵坡降。

沟床纵坡降是影响泥石流形成、运动特征的主要因素。一般来讲，沟床纵坡降越大，越有利于泥石流的发生，但比降在10%～30%的发生频率最高，5%～10%和30%～40%的其次，其余发生频率较低。

③沟坡坡度。

坡面地形是泥石流固体物质的主要来源地，其作用是为泥石流直接提供固体物质。沟坡坡度是影响泥石流的固体物质的补给方式、数量和泥石流规模的主要因素。一般有利于提供固体物质的沟谷坡度，在我国东部中低山区为10°～30°，固体物质的补给方式主要是滑坡和坡洪堆积土层，在西部高中山区多为30°～70°，固体物质的补给方式主要是滑坡、崩塌和岩屑流。

④集水面积。

泥石流多形成在集水面积较小的沟谷，面积为0．5～10km2者最易产生，小于0．5km2 和10～50km2其次，发生在汇水面积大于50km2以上者较少。

⑤斜坡坡向。

斜坡坡向对泥石流的形成、分布和活动强度也有一定影响。阳坡上有降水量较多，冰雪消融快，植被生长茂盛，岩石风化速度快、程度高等有利条件，故一般比阴坡发育。如我国东西走向的秦岭和喜马拉雅山的南坡上产生的泥石流比北坡要多得多。

(2)碎屑固体物源条件。

某一山区能作为泥石流中固体物质的松散土层的多少，与地区的地质构造、地层岩性、地震活动强度、山坡高陡程度、滑坡、崩塌等地质现象发育程度以及人类工程活动强度等有直接关系。

①与地质构造和地震活动强度的关系。

地区地质构造越复杂，褶皱断层变动越强烈，特别是规模大，现今活动性强的断层带，岩体破碎十分发育，宽度可达数十条数百米，常成为泥石流丰富的固体物源。如我国西部的安宁河断裂带、小江断裂带、波密断裂带、白龙江断裂带、怒江断裂带、澜沧江断裂带、金沙江断裂带等，成为我国泥石流分布密度最高、规模最大的地带。

在地震力的作用下，不仅使岩体结构疏松，而且直接触发大量滑坡、崩塌发生，对岩体结构和斜坡的稳定性破坏尤为明显，可为泥石流发生提供丰富物源，这也是地震→滑坡、崩塌→泥石流灾害连环形成的根本原因。如1973年四川炉霍地震(7．9级)和1976年四川平武—松潘地震(7．2级)破坏山体，产生大量崩塌、滑坡，促使众多沟谷发生泥石流。

②与地层岩性的关系。

地层岩性与泥石流固体物源的关系，主要反映在岩石的抗风化和抗侵蚀能力的强弱上。一般软弱岩层、胶结力差的岩层和软硬相间的岩层比岩性均一和坚硬的岩层易遭受破坏，提供的松散物质也多，反之亦然。

除上述地质构造和地层岩性与泥石流固体物源的丰度有直接关系外，人类工程活动越强烈，人工堆积的松散层也就越多，如采矿弃渣、基本建设开挖弃土、砍伐森林造成严重水土流失等，这些均可为泥石流发育提供丰富的固体物源。

(3)水源条件。

水既是泥石流的重要组成成分，又是泥石流的激发条件和搬运介质。泥石流水源提供有降雨、冰雪融水和水库(堰塞湖)溃决溢水等方式。

①降雨。

降雨是我国大部分泥石流形成的水源，遍及全国的20多个省、市、自治区，主要有云南、四川、重庆、西藏、陕西、青海、新疆、北京、河北、辽宁等，我国大部分地区降水充沛，并且具有降雨集中，多暴雨和特别大暴雨的特点，这对激发泥石流的形成起了重要作用。特大暴雨是促使泥石流暴发的主要动力条件。处于停歇期的泥石流沟，在特大暴雨激发下，甚至有重新复活的可能性。

②冰雪融水。

冰雪融水是青藏高原现代冰川和季节性积雪地区泥石流形成的主要水源。特别是受海洋性气候影响的喜马拉雅山、唐古拉山和横断山等地的冰川，活动性强，年积累量和消融量大，冰川前进速度快、下达海拔低，冰温接近融点，消融后为泥石流提供充足水源。当夏季冰川融水过多，涌入冰湖，造成冰湖溃决溢水而形成泥石流或水石流更为常见。

③水库(堰塞湖)溃决溢水。

当水库溃决，大量库水倾泻。而且下游又存在丰富松散堆积土时，常形成泥石流或水石流。特别是由泥石流、滑坡在河谷中堆积，形成的堰塞湖溃决时，更易形成泥石流或水石流。

13．1．3．3　泥石流的防治

(1)预防泥石流的措施。

①根据预报某地即将在数小时内发生泥石流，要及时对被危害区的居民及设施采取紧急疏散避灾或保护措施，强制迁至安全区。

②可建立临时躲避棚，位置要避开沟道凹岸或面积小而低的凸岸及陡峭的山坡下，安置在距村镇较近的低缓山坡或高于10m的平台地上，切忌建在较陡山体的凹坡处，以免出现坡面坍塌。

③当前3日及当日的降雨累计达到100mm时，处于危险区的人员应立即撤离。当听到危险区内有轰鸣声、主河洪水上涨或正常流水突然断流时，应立即意识到泥石流即将到来，应果断采取逃生措施。在逃逸时，要向沟岸两侧山坡跑，不要顺沟道方向向上游或下游跑，不要停留在凹坡处。

④在泥石流发生过程中，对遭受泥石流灾害的人与物应立即进行抢护，使危害降至最低程度。同时组织专业抢险队伍，紧急加固或抢修各类临时防护工程，排除险情;并组织人员密切监测泥石流的发展趋势，严防出现重复灾害等。

(2)泥石流的防治。

目前成为备受关注的问题，一般采取生物措施和工程措施两类。生物措施是通过种植乔、灌木、草丛等植物，充分发挥其滞留降水、保持水土、调节径流等功能，从而达到预防和制止泥石流发生或减小其规模，减轻其危害程度的目的。生物措施的特点是，应用范围广、投资省、风险小、能改善自然环境，作用持续时间长等。从生物类别上分类，又可分为林业措施、农业措施和牧业措施等。

泥石流防治的工程措施具有更直接的意义，一般是在泥石流的形成流通堆积区内，采取相应的治理工程(如蓄水、引水工程，拦挡、支护工程，排导、引渡工程，停淤工程及改土护坡工程等)，以控制泥石流的发生和危害。通常适用于泥石流规模大，暴发不很频繁，松散固体物质补给及水动力条件相对集中的地区。

图13－13　长江中上游泥石流治理

人们在抵御泥石流灾害时，往往采用综合治理的方案，即采取坡面、沟道兼顾，上游、下游统筹的综合治理方案。一般在沟谷上游以治水为主，中游以制土

为主，而下游则以排导为主。通过上游的稳坡截水和中游的拦挡护坡等，减少了泥石流固体物质，控制了泥石流规模，改变了泥石流的性质，有利于下游的排导效果，从而能够有效地控制泥石流的危害，如长江中上游某处泥石流治理工程(图13－13)。

13．1．4　岩溶地区的主要工程地质问题及防治措施

岩溶(喀斯特)地区的岩溶作用持续进行，地下可溶岩石在不断溶蚀和冲刷作用下产生空洞，空洞的扩展，可导致地表陷落，这个是岩溶地区最重要的地质灾害。一些可潜蚀的土质也会产生类似的现象。

13．1．4．1　岩溶引发的工程地质问题

岩溶与土洞地区对建(构)筑物稳定性和安全性有很大影响。

(1)溶蚀岩石的强度大大降低:岩溶水在可溶岩体中溶蚀，可使岩体发生孔洞。最常见的是岩体中有溶孔或小洞。所谓溶孔是指在可溶岩石内部溶蚀有孔径不超过20～30cm的，一般小于1～3cm的微溶蚀的空隙。大量的溶孔，使岩体结构变得松散，强度降低，增强了岩体的透水性能。

(2)造成基岩面不均匀起伏:由于石芽和溶沟溶槽的存在，使地表基岩参差不齐，在这样的地区做地基时，必须对其进行处理。

(3)漏斗对地面稳定性的影响:有一种漏斗是由于靠近地表下层的岩体受溶蚀或冲刷作用，形成土洞或溶洞后，土洞或溶洞顶的塌陷形成。这种漏斗由于其塌落的突然性，常常对地面建筑造成严重破坏。

(4)在岩溶区修建隧道、地下洞库和开采矿产，一旦揭穿高压岩溶管道水时，就会造成大量突水。有时挟有泥沙喷射，给施工带来严重困难，甚至淹没坑道，造成不良事故。

(5)在水利水电建设中，因库坝位址选择不当，岩溶洞穴导致库水渗漏，影响水库的效益和正常使用。

(6)在地下洞室施工中遇到巨大溶洞时，洞中高填方或桥跨施工困难，造价昂贵，有时不得不另辟新道，因而延误工期。

(7)在覆盖型岩溶区，土洞的发育及地表塌陷，对农田和各种建筑物造成严重破坏。

为了运用岩溶发育规律来指导岩溶工程建设，切实做到兴利除害，开展对岩溶的研究有着重要的理论和实际意义。

13．1．4．2　岩溶地基处理的一般原则

(1)重要建筑物宜避开岩溶强烈发育区。

(2)当地基含石膏、岩盐等易溶岩时，应考虑溶蚀继续作用的不利影响。

(3)不稳定的岩溶洞隙应以地基处理为主，并可根据其形态、大小及埋深，采用清爆换填、浅层楔状填塞、洞底支撑、梁板跨越、调整柱距等方法处理。

(4)岩溶水的处理宜采取疏导的原则。

(5)在未经有效处理的隐伏土洞或地表塌陷影响范围内不应作天然地基。对土洞和塌陷宜采用地表截流、防渗堵漏、挖填灌填岩溶通道、通气降压等方法进行处理，同时采用梁板跨越。对重要建筑物应采用桩基或墩基。

(6)应采取防止地下水排泄通道堵截造成动水压力对基坑底板、地坪及道路等不良影响以及泄水、涌水对环境的污染的措施。

(7)当采用桩(墩)基时，宜优先采用大直径墩基或嵌岩桩，并应符合下列要求。

①桩(墩)以下相当桩(墩)径的3倍范围内，无倾斜或水平状岩溶洞隙的浅层洞隙，可按冲剪条件验算顶板稳定。

②桩(墩)底应力扩散范围内，无临空面或倾向临空面的不利角度的裂隙面可按滑移条件验算其稳定。

③应清除桩(墩)底面不稳定石芽及其间的充填物。嵌岩深度应确保桩(墩)的稳定及其底部与岩体的良好接触。

13．1．4．3　岩溶的处理

(1)结构措施。

在结构措施中，应选用有利于与上部结构共同工作，并可适应小范围塌落变位、整体性好的基础形式，如配筋的十字交叉条基、筏基、箱基等，同时采取必要的结构加强措施，如砖石结构加强圈梁设置、单层厂房基础梁与柱连成整体，并加强柱间支撑系统等。

当洞隙深大，而两侧有可靠岩体时，可采用跨越结构，根据荷载及跨度，可选用调整柱距，有足够支承的梁、板、拱及悬挑等方式。

(2)地基基础措施。

①当条件允许时，尽量采用浅基，充分利用上覆性能较好的土层为持力层或使基底与洞体间保留相当厚度的完好岩体。

②当以岩石作持力层时，局部加深基础，通过钻孔灌注桩或墩穿过单个洞体，使基础荷载传递到下部完好的岩体上。

③对已外露的浅埋洞隙，可采用挖填置换，清理洞隙后以碎石或混凝土回填。当洞体深度较大，而两侧岩体完好，可挖填至一定深度，回填体断面呈倒梯形，对有地下水活动的洞体，应回填反滤层并留有水流排泄之通道。

④当顶板薄、跨度大时，可在洞底设置附加支撑以减少洞跨，也可加固洞顶，用浆砌块石嵌补洞顶岩体及洞隙边坡。

⑤当洞体开口较小，开挖清理困难时，可用灌浆填塞，灌填材料视要求而定，可选用砂石砂浆或混凝土，也可用小压力灌浆法加固基底下一定厚度的溶隙及破碎岩体。

(3)水的整治。

对水的处理应贯彻宜疏勿堵的原则，对地表水做好有组织的排水，对地下水以疏导为主，即使堵也应留有出路，设置反滤层以减少淘蚀。

13．1．4．4　土洞地表塌陷的处理

(1)地表水形成的土洞。

它的形成和发展往往与人类活动有关，如排水不畅，水流集中下渗所致。应认真做好地面水截留、防渗、杜绝水流入建筑区。对已形成的土洞，可采用挖填配合梁板跨越处理。

(2)地下水形成的土洞。

①浅埋土洞:洞体浅，其底部往往有松软土，当地下水位高时，其厚度可能较大。全部清除困难时，可抛石夯实，其上做反滤层。由于残留土的变形及地下水的活动，处理后常可再发生，故而其上还得做梁板，据广西地区经验，每边支承长度不小于1．0～1．5m。

②深埋土洞:清除填土困难较大，广西地区的经验可采用钻孔灌砂(或压力灌注细石混凝土)与梁板跨越联合处理。贵州有些工程，在岩面上用爆破桩头以堵塞土洞与岩溶的通道，其上回填砂或粘土。

13．1．5　地震

13．1．5．1　地震的基本概念

(1)地震与地震波。

地震是一种地质现象。地球上差不多每天都有地震，平均每年发生500万次，其中有感地震5万次，7级以上的大震平均不到20次。

地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波，它可在地球内部和地球表面传播。地震时，同时从震源发出两种类型的地震波:纵波、横波。地震波振动方向与传播方向一致的波为纵波(P波)。纵波引起地面上下颠簸振动。振动方向与传播方向垂直的波为横波(S波)。横波能引起地面的水平晃动。纵波速度比横波速度大，所以地震时，人们先感到上下颠，然后水平晃。横波的振动很强烈，它是引起建筑物破坏的重要原因。

(2)震源和震中。

地下发生地震的地方，叫“震源”(图13－14)。震源正对着的地面，叫“震中”。震中附近震动最大，一般也是破坏性最严重的地区，也叫“极震区”。从震中到震源的垂向距离，叫“震源深度”。在地面上，受地震影响的任何一点，到震中的距离，叫“震中距”，到震源的距离，叫“震源距”。在地图上，把地面破坏程度相似的各点连接起来的曲线，叫“等震线”。

图13－14　震源、震中示意图

通常根据震源的深浅，把地震分为浅源地震(震源深度小于70km)、中源地震(震源深度70～300km)和深源地震(震源深度大于300km)。全世界95%以上的地震都是浅源地震，震源深度集中在5～20km上下。

13．1．5．2　地震的成因

地震一般可分为人工地震和天然地震两大类。由人类活动(如开山、开矿、爆破等)引起的叫人工地震，除此之外便统称为天然地震。天然地震按成因主要分为以下几种类型。

(1)构造地震。

因为地壳运动引起地壳构造的突然变化，地壳岩层错动破裂而发生的地壳震动，也就是人们平常所说的地震。由于地球不停地运动变化，从而内部产生巨大的力，这种作用在地壳单位面积上的力，叫地应力。在地应力长期缓慢的作用下，造成地壳的岩层发生弯曲变形，当地应力超过岩石本身能承受的强度时便会使岩层断裂错动，其巨大的能量突然释放，其中以波的形式传到地面，这就是地震。世界上的90%以上的地震，都属于构造地震。强烈的构造地震破坏力很大，是人类预防地震灾害的主要对象。

(2)火山地震。

由于火山活动时岩浆喷发冲击或热力作用而引起的地震叫火山地震。这种地震一般较小，造成的破坏也极少，并且只占地震总数的7%左右。目前世界上大约有500座活火山，每年平均约有50起火山喷发。我国的火山主要分布在东北黑龙江、吉林省和西南的云南等省。近代活动喷发的有黑龙江省的五大连池、吉林省的长白山、云南省的腾冲及海南岛等地的火山。

火山和地震都是地壳运动的产物，往往互有关联。火山爆发有时会激发地震的发生，地震若发生在火山地区，也常会引起火山爆发。1960年5月22日智利发生8．5级大地震，48小时后就使沉睡了55年之久的普惠山火山复活喷发，火山云直冲6000m高空，蔚为壮观。

(3)陷落地震。

由于地下水溶解了可溶性岩石，使岩石中出现空洞并逐渐扩大，或由于地下开采矿石形成了巨大的空洞，造成岩石顶部和土层崩塌陷落，引起地震，叫陷落地裂。这类地震约占地震总数的3%左右，震级都很小。矿区陷落地震最大可达5级左右，我国曾发生过4级的陷落地震。虽然陷落地震的震源浅，但对矿井上部和下部仍会造成较严重的破坏，并威胁到矿工的生命安全，应引起人们注意。

(4)诱发地震。

在特定的地区因某种地壳外界因素诱发而引起的地震，叫诱发地震。如地下核爆炸、陨石坠落、油井灌水等也可诱发地震，其中最常见的是水库地震。广东河源新丰江水库1959年建库，1962年发生了最大震级为6．1级的地震。究其原因，主要是:水库蓄水后改变了地面的应力状态，且库水渗透到已有的断层里，起到润滑和腐蚀作用，促使断层产生新的滑动。但是，并不是所有的水库蓄水后都会发生水库地震，只有当库区存在活动断裂、岩性刚硬等条件，才有诱发的可能性。

13．1．5．3　地震震级和烈度

地震级和地震烈度是衡量地震的大小和地面破坏的轻重程度的标准。

(1)震级。

地震级指地震的大小，依据地震释放出来的能量多少来划分。震级指以微米为单位来表示离开震中100km的标准地震仪所记录的最大振幅，并用对数来表示。它是根据地震仪记录的地面地动位移，按一定的物理－数学公式计算出来的。也就是说震级是地震强度大小的度量，它与地震所释放的能量有关。一个6级地震释放的地震波能量相当于第二次世界大战美国在日本广岛投下的原子弹的能量。小于2．5级的地震，人们一般不易感觉到，称为小震或微震;2．5～5．0级的地震，震中附近的人会有不同程度的感觉，称有感地震;大于5．0级的地震，会造成建筑物不同程度的损坏，称破坏性地震。一次地震只有一个震级。

地震对地表和建筑物等破坏强弱的程度，称为地震烈度。一次地震只有一个震级，如海城－营口地震是7．3级，唐山地震是7．8级。但同一次地震对不同地区的破坏程度不同，地震烈度也不一样。

(2)地震烈度。

地震发生后，地震波传播到地面，会给地面各种物体造成不同的破坏现象。通常把地震对地面所造成的破坏或影响的程度叫烈度，它由物体的反应、房屋建筑物的破坏和地形地貌改观等宏观现象来判定。许多国家采用地面运动加速度值来表示地震烈度，一般在设定的不同地点安装加速度仪，直接记录当地的地面运动参数。地震烈度的大小，受地震大小、震源深浅、离震中远近、当地工程地震地质条件等因素的影响。因此，一次地震，震级只有一个，但烈度却是根据各地遭受破坏的程度和人为感觉的不同而不同。如同一个炸弹，其所含炸药量相当震级，炸弹爆炸后对不同地点的破坏程度有大有小，相当地震烈度。我国目前使用的地震烈度共分为12度，5度以上才会造成破坏。1976年唐山7．6级大地震，极震区烈度达11～12度，北京、天津的烈度则为6～7度。

地震烈度是根据地震时人的感觉，器物动态，建筑物毁坏及自然现象的表现等宏观现象判定的。地震时按其破坏程度的不同，而将地震的强弱排列成一定的次序作为确定地震烈度的标准，目前世界许多国家都有自己的地震烈度表，烈度划分的标准并不完全一致。新中国第一个烈度表发表于1957年，主要是根据我国历史地震资料编制的，共分Ⅻ度，与世界上各种Ⅻ度表相当。1980年在此表基础上重新修订，制成“中国地震烈度表”分为十二度(表13－3)。

表13－3　中国地震烈度表

续表

地震基本烈度:地震基本烈度是根据某地区地震的历史等因素综合考虑给定的，是一种概率评估的结果。根据各地区不同情况，给出一个地震基本烈度表，以作为建筑物抗震能力设计的参考，具体见1999年由国家地震局颁布实施的《中国地震烈度表》。某地区如果划分的基本烈度大，则同样的建筑物要求的抗震级别就要高一些。一个地区的基本烈度是指该地区今后50年时间内，在一般场地条件下可能遭遇到超越概率为10%的地震烈度。

抗震设防烈度:抗震设防烈度是与建筑物的抗震性能要求有关的，它根据各地区的地震基本烈度、建筑物重要性等确定的抗震设防烈度，一个建筑物取用的抗震设防烈度未必和该地区的抗震设防烈度一致。取用烈度还要考虑该建筑物的社会、政治、文化等的重要性并参考该地区抗震设防烈度综合考虑的。以阿拉伯数字表示烈度，如7～9度。

抗震规范将建筑物按其重要程度不同分为四类:甲、乙、丙、丁四个等级。甲类建筑(特殊设防类，如核电站、存剧毒气体建筑、大型油气工程等)，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定;抗震措施，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当9度时，应符合比9度抗震设防有更高的要求。乙类建筑(重点设防类，如消防、急救、供电等)，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求;抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当9度时，应符合比9度抗震设防有更高的要求。对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。丙类建筑(标准设防类)，地震作用和抗震措施均符合本地区抗震设防烈度的要求。

(3)震级与地震烈度的关系。

一次地震，只有一个震级，但在不同的地区烈度大小是不一样的。震级是说这次地震大小的量级;烈度是说该地的破坏程度。在浅源地震中，震级和震中烈度(即最大烈度)的关系，根据经验大致确定。烈度和震级的关系如下:

M=0.58I+1.5

式中:　M——震级;

　　　I——震中烈度。

抗震设防要求以“烈度”为单位，如北京地区的设防烈度为八度。房屋抗震设防的重点地区是地震烈度在7～9度的地区。

13．1．5．4　地震灾害

由地震的直接作用，如地震波引起的强烈振动、地震断层的错动和地面变形等所造成的灾害称为地震直接灾害，它主要包括以下一些现象:

(1)建筑物破坏。

强烈地震时，房屋等建(构)筑物因强烈振动或地面变形，会受到的破坏，这是地震最普遍、最常见的现象。1996年唐山7．8级大地震，倒塌房屋530万间;1974年永善7．1级地震，云南四川两省共有6．6万间房屋受到破坏，其中倒塌2．8万间;还有更多的房屋受到不同程度的破坏。建筑物的破坏程度即与地震烈度有关，也与建筑物所在地的场地条件、建筑物本身的类型及质量等因素有关。

(2)生命线工程破坏。

对社会生活和生产有重大影响的交通、通讯、供水、排水、供电、供气、输油等工程系统称为生命线工程，它就像人体的血管和神经一样，非常重要。强烈地震可能使桥梁断裂、路面开裂下陷、铁路扭曲、电缆拉断、管道破裂，也可能使发电厂、水库、大坝、配气站、油库、自来水厂、电信局、电视台、电台等要害部门遭到破坏，从而使现代化的城市瘫痪。

(3)地面破坏。

地震常常会造成滚石、山崩、滑坡、地裂缝、地面鼓包、地基沉陷、砂土液化、喷砂冒水等地面破坏现象。

由地震引发的火灾、水灾、海啸、有毒物质泄漏、和疫病流行等灾害，称为地震的次生

灾害。地震时，由于电线短路、煤气泄漏、油管破裂、炉灶倒等原因，往往造成火灾。地震山崩堵塞河道，形成“地震湖”，会使上游一些地区被水淹没。一旦地震湖溃决，下游便会

遭到严重水灾。另外，地震时如果水库大坝遭到破坏，也会造成水灾。

13．1．5．5　场地的地震效应

(1)放大作用。

由基岩破裂或已有断层的错动产生的地震波由震源发出，以纵波与横波的形式向四方传递，传至建筑场地下的基岩后又经过土层向地面传递。地震波一经传入土层立即得到增加。哪怕地下深处不很强的震动，等传至地面后常成为相当强的震动。这就是放大效应。水平加速度愈接近地表则愈大。一般说土层愈厚放大作用也愈大，有时能较基岩放大2～3倍。

(2)共振作用。

场地有自己的自振周期，称为场地的特征周期。覆盖层硬而薄时特征周期短，为0．1～0．2s，覆盖层松而厚时特征周期长，可达0．8～1．0s或更长。如果建筑物的自振周期与土的特征周期相近，两者就发生共振，使震害大为加重。图13－15中地表反应谱的第二个高峰就是因共振效应造成的，即周期为1．5s左右的波因共振得到了极大的放大。

墨西哥城1985年9月19日遭到的地震是共振效应的极好说明:地震波达到墨西哥市下的岩盘时其加速度只有0．04g，若按一般的覆盖层放大情况，即使达到0．2g，建筑物的破坏也不致太大，但不幸的是地震波、建筑物与粘土层三者恰好都具有相同的自振周期，因而发生“共振”，使建筑物的水平加速度达到惊人的1～1．2g，造成500栋高层建筑的严重破坏或倒塌。

图13－15　基岩与地表的反应谱

图13－16　软硬场地的反应谱

(3)破坏的进行性。

典型硬场地反应谱如图13－16中的曲线a。此场地上自振周期为A的建筑物受到很大的地震力后产生局部损伤，使其自振周期增大到B，此时地震力下降，损伤不再加重，系一次性破坏。反之，软场地的反应谱如图13－16中的曲线b。若这种场地上的建筑物在受到对应于A点的地震力后产生局部破坏，其自振周期延长到B点，这时地震力反倒更大，使破坏进一步加重甚至倒塌，这种破坏属于进行性破坏。软地基的进行性破坏与一次性破坏相比显然更不利。

(4)能量耗散。

建筑物受地震后产生振动，它本身也就成为一个震源，向地基释放能量。而土则因内摩阻力等，要消耗反馈来的能量，使振动衰减，硬土耗散的能量小，而软土耗散的能量多，比硬土好。

(5)地震的次生效应。

地基的失稳与不均匀沉降，砂土液化，软土震陷，河岸或斜坡滑移，不均匀地基或不同荷载的基础产生的差异沉降均属此类。液化危害的类型有喷水冒砂(简称喷冒)、地基失效、侧向扩展与流滑、上浮等不同形式，最终导致建筑或结构的不均匀沉降，使结构损坏、全毁或丧失使用功能。

喷冒:土液化后其有效应力(在水平土层情况下，就是土的自重压力)为零，转化成孔隙水压，变成液压。这就使水压头高出地面标高，从而欲破土喷出，形成喷冒。喷冒破坏上覆土的结构，造成地下土层的水土流失，使结构不均匀下沉，淤塞水渠泵站和农田，然而它对房屋建筑而言，却是液化危害中最轻微的一种。

上浮:上浮对地下结构，如房屋的地下室、城市的地下通道、铁路和公路的隧道、地下输油管线、工业或民用的地下管线等是一种很大的威胁。

液化侧向扩展与流滑:可液化土在液化后或在液化前由于土的抗剪强度极度降低，在液化土层面倾斜时，上覆非液化土受其自重在倾斜面上的分力及地震水平力的综合作用，土体可沿液化层面方向滑动。当滑动带的地面坡度小于5%时，则称为侧向扩展;大于5%时，一般称为流滑。

侧向扩展常见于河流的中下游及海滨以及故河道地区，常可形成自河心算起宽达100 ～200m的滑动地裂带(图13－17)，对此区域内的结构造成极大危害。海城地震与唐山地震中很多桥梁即因此而产生墩台水平位移、倾斜和不均匀沉降，是造成公路桥梁震害的主要原因。对房屋建筑，这种液化震害也比单纯的地基失效造成的震害重，因为除了地面的竖向台阶式落差外，还有大量地裂与水平位移导致建筑物拉断与移位数米。唐山地震中，天津市海河故道可液化粉土的侧向位移就造成了大量建筑物的严重破坏或倒塌。因此，虽然侧向扩展造成的震害不及地基失效普遍，但它对房屋的损害程度却大大超过液化地基失效。有时大片土体的流动更使以平方公里计的城区遭到严重破坏。

图13－17　液化侧向扩展示意图

对于坡度较大的自然边坡或人工边坡(如土坝、堤岸)，由于液化导致的流滑，虽然比较少见，但其后果往往是毁灭性的。1920年宁夏海原大地震时黄土高坡的流滑使世界震惊，千百万土方急泻而下使公路推移数百米，掩埋了沿途的一切。

13.2　水利水电工程中的工程地质问题

水利工程是指为了控制、调节和利用自然界的地面水和地下水，以达到除害兴利的目的而兴建的各种工程。水利工程按其服务对象可以分为防洪工程、农田水利工程(灌溉工程)、水力发电工程、航运及城市供水、排水工程。既有单一目的的工程，也有同时为防洪、灌溉、发电、航运等多种目标服务的，称为综合型水利工程。按照水工建筑物类型和组成，有挡水建筑物、泄水建筑物及取水或输水建筑物等。此外，还有水电站、航运船闸、鱼道、筏道等附属建筑物。这些建筑物的综合体，称为水利枢纽，其中拦河大坝或闸是主体建筑物。在这些不同的工程活动中，或者不同建筑物的建筑过程中，毫无例外的都会遇到地质问题。

任何水利工程都必须在进行工程地质勘察工作的基础上，进行可行性研究后，才能进行设计与施工。因此，工程地质工作是水利工程建设的先行者，其目的在于查明水工建筑地区的工程地质条件，以及分析可能存在的工程地质问题，以保证水利工程的经济、合理与安全。

同时，在工程施工过程中，又会遇到扰动产生的新问题以及勘察设计未能涉及的问题;工程建设完工后，并不能进入一劳永逸的阶段，工程运行中会继续产生环境的变化，工程的老化，新的矛盾会继续以新的形式出现，可以说，地质问题不是一个偶然的意外，而是一个不断出现的常态。只是人们往往对严重或者重大的问题才投入关注或重视，这样就有意无意忽略了问题的一般性，只抓住了特殊性。因而，我们必须培养对地质问题的常态化思考意识，在常态化的思考与预防里才会做到不会出现偶然的重大的地质问题爆发。

13．2．1　水利水电工程建设中的工程地质条件

所谓工程地质条件，可理解为与工程建筑物有关的各种地质因素的综合。内容主要包括:土石类型及其性质、地质构造、地形地貌、水文地质、物理地质作用和天然建筑材料等六个方面。

13．2．1．1　岩土类型及其性质

岩石和土是水工建筑物的地基、建筑材料或建筑介质(如地下建筑物的围岩)，它们的类型和性质对建筑物的稳定性、安全性、技术的可能性，经济上的合理性都有着极为重要的作用。如坝基基本上可分为两大类:岩基和土基。一般情况下，岩基的工程性质比土基好。在岩基上，往往可以修建高坝、混凝土坝，水利枢纽亦多采用集中布置方案。而在土基上，则往往只能修建低坝(或闸)、土石坝，水利枢纽多采用较分散的布置方案。此外，在岩基和土基中，都存在不同类型和规模的软弱岩层或土层，如岩基中的古风化壳、凝灰岩、黏土岩、泥灰岩、千枚岩、片岩;又如土基中的淤泥、泥炭、盐渍土、膨胀土、湿陷性黄土、流砂层等。这些软弱岩层，在工程建筑中都必须进行专门的研究和处理才能保证建筑物的稳定和安全。工建设中对岩土的研究，除包括成因类型、形成年代、埋藏深度、厚度变化、延伸范围及产状要素等外，还要进行岩土的物理力学性质试验、定量确定有关指标，以供设计使用。设计的合理性、正确性在很大程度上，仍然取决于岩土的工程性质指标和各种有关地质参数的正确选定。

13．2．1．2　地质构造

地质构造包括褶皱、断裂构造、岩(土)体结构、结构面。地质构造及岩体的结构、结构面特征已在前面叙述。

13．2．1．3　地形地貌

地形，一般指地表形态、高程、地势高低、山脉水系、自然景物、森林植被，以及人工建筑物分布等，常以地形图予以综合反映。地貌，主要指地表形态的成因、类型，以及发育程度等，常以地貌图予以反映。地形地貌是相互关联的，但都受地区的岩性和地质构造条件所控制。河谷地带的地形地貌条件往往对水工建筑物地点、坝型选择、枢纽布置、施工方案等，都有直接影响。

13．2．1．4　水文地质条件

一般包括以下内容:

①地下水类型;②含水层与隔水层的埋藏深度、厚度、组合关系、空间分布规律及特征;③岩(土)层的水理性质(溶水性、给水性、透水性等);④地下水的运动特征(流向、流速、流量等);⑤地下水的动态特征(水位、水温、水质随时间的变化规律);⑥地下水的水质(水的物理、化学性质、水质评价标准等)。

水文地质条件的好坏直接关系到水库是否漏水，坝基是否稳定可靠等一系列工程建设问题。

13．2．1．5　物理地质作用

岩石的风化、冲沟、滑坡、崩塌、泥石流、喀斯特等物理地质现象的存在及其发育程度，会直接影响到建筑物的安全和人民生命财产的安危。在水利水电工程建设中，在大坝区附近及水库区内的物理地质现象，要求在工程地质勘察时进行充分的调查与研究，对影响大坝或水库安全的应采取有效措施，进行处理或整治。

13．2．1．6　天然建筑材料

黏性土料，用于土石坝的防渗材料;砂性土、砂、卵砾石料，用作土石坝体的填筑料，或混凝土骨料;碎石、块石石料，用作堆石坝，砌石坝，土石混合坝的坝身材料，以及混凝土坝的埋石料。在水利工程建筑中，天然建筑材料的用量是相当大的，所以天然建筑材料的量、质及开采运输条件，直接关系到坝址、坝型选择、工程造价、工期长短。因此，它也是工程地质条件评价的重要内容，有时甚至可以成为工程决策时的决定因素。

13．2．2　水利水电工程建设中的工程地质问题与常见地质灾害

工程地质条件是自然界客观存在的，而工程建筑物，包括水工建筑物的设计，则是人为的。在考虑建筑物的稳定安全、经济合理、技术可能、正常使用等问题时，工程地质条件与工程建筑物之间，即客观的自然条件与人为的设计意图之问，必然存在这样或那样的矛盾和问题。在水利水电工程建设中常会遇到下列工程问题:

(1)坝的工程地质问题:包括坝基渗漏、坝基的渗透稳定、坝基(肩)的抗滑稳定、坝基的沉降变形问题等。

(2)输水及泄水建筑物的工程地质问题:包括渠系建筑物的线路选择、渗透问题，隧洞及地下洞室的渗透、稳定问题，设计及施工地质问题等。

(3)水库的工程地质问题:包括水库的渗漏、水库的浸没、水库塌岸问题、水库淤积问题、水库诱发地震问题等。

一切自然灾害都可直接间接施加给水利水电工程，特别是地质灾害，更是与水利水电工程密切相关。水利水电工程一般是牵扯面广、作用范围大的人类活动，深度参与到自然运行里，它在地质灾害里扮演的不只是受害者，往往还是施害者，有的轻微，有的巨大，因而我们必须清醒认识工程活动的双刃剑效应，不能只沾沾自喜于生产力和经济建设，更应该杜绝和减轻可能发生的灾害。上节和上一单元我们已经学习了有关的地质灾害，本节补充学习有关库坝工程方面的一些地质问题和灾害。

13．2．3　各种坝型对工程地质条件的要求

各种坝型都要考虑一般的工程地质条件，如枢纽工程区地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质条件、物理地质现象，也要考虑各种条件与枢纽工程及各水工建筑物的相互作用与影响。在水利水电工程建设中，不可避免地会遭遇各种复杂的地质条件，如深厚覆盖层、活断层和强震区、复杂岩体结构及软弱岩体、高边坡及大型滑坡体、高地应力和高地下水位、岩溶渗漏等问题。

13．2．3．1　重力坝(图13－18)

重力坝依靠自身重力来维持稳定。由于重力坝的荷载都直接作用于坝基且主要靠坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保持稳定，因此对坝基的要求较高。对常态或碾压混凝土重力坝而言，由于后者整体性更强，因此对工程地质条件的适应性要略好于前者。对重力坝而言应注意:

图13－18　重力坝

(1)坝基的抗滑能力。

重力坝坝基应具备足够的抗滑能力，能满足大坝各种抗滑稳定的要求。大坝与坝基接触面抗剪强度高，坝基内没有软弱结构面和可能滑动的岩体或其强度能满足大坝抗滑稳定的要求，不致在水推力的作用下产生滑移失稳并有足够的安全储备，否则需采取工程阻滑措施。

(2)坝基的承载能力及均一性。

大坝坝基应有足够的承载力，较好的均一性和完整性，与坝体混凝土相适应的变形模量，能承受坝体所传递来的巨大压力，不致产生过大的变形或不均匀变形，致使坝体产生过大的拉应力，使坝体裂开乃至毁坏。一般来说，对于高坝应以Ⅱ、Ⅲ级岩体作为坝基持力层，尤其是坝址部位，要求相对要高一些。对于局部分布属Ⅳ、Ⅴ级岩体的断层带、节理密集带、不均匀风化带等不良工程地质条件，应采取专门的工程处理措施。

(3)坝基(肩)的抗渗能力。

重力坝坝基及两岸坝肩岩体应有好的抗渗能力，在库水作用下不会产生大量的渗漏，影响工程的安全性和经济性;也不会出现过大的扬压力、岩体及结构面的软化、泥化、坝基的化学及机械管涌、流土、接触冲刷等危及大坝安全的不良现象。

(4)坝址岸坡的稳定性。

重力坝对地形的适应性好，几乎任何地形条件都可修建重力坝。但其坝基开挖深度大，临时边坡高度高;大坝泄洪雾化强烈，影响范围大，因此两岸岸坡，包括下游消能雾化区坡体必须稳定，没有难以处理的滑坡体或潜在的不稳定体。

(5)泄洪消能区岩体的抗冲刷能力。

大坝下游泄洪消能区岩体应具有对高速水流的相应的抗冲刷的能力，以避免冲刷坑向上游或两岸扩展，威胁、影响大坝和两岸岸坡的安全。

(6)天然建筑材料。

枢纽建筑物区附近合适的运距范围内应有满足储量和质量要求的混凝土天然骨料或人工骨料料源。

在20世纪80年代以前，我国水利水电工程坝基岩体的选择多以岩体的风化程度作为建基面选择的重要依据，特别是高坝，建基岩体大多要求选择在微风化和新鲜岩体上，进入20世纪80年代后期，我国水利水电地质开始研究坝基岩体地质分类体系。在对坝基岩体进行工程地质分类的基础上，考虑岩体加固处理的效果、坝基承受荷载的大小(坝的高度)等因素，综合确定坝基岩体的可利用标准。以此原则确定的坝基开挖深度较以前普遍有所减少，从而减少了坝基岩体开挖量和坝体混凝土方量，在保证工程安全的前提下给工程带来了巨大的经济效益。

影响坝基岩体质量及建基面选择的几个主要因素:

(1)岩性。

众所周知，岩石强度是影响坝基岩体质量的基本因素，硬岩(饱和单轴抗压强度Rb≥60Mpa)作为坝基，其强度、刚度和抗剪强度均高，一般易于满足混凝土坝的建基要求;而软岩(Rb≤30Mpa)作为坝基，特别是作为高度较大的大坝的坝基，则需要详细研究、要充分考虑岩块强度、岩体整体强度、地基承载力和耐久性能否满足大坝地基应力的要求。

(2)岩体结构。

一般来讲，整体状、块状、次块状或巨厚－厚层状结构岩体是好的混凝土重力坝坝基，互层状、薄层状或镶嵌状结构岩体次之，碎裂或散体结构不宜作为高混凝土重力坝坝基。

(3)岩体完整性。

岩体完整性好或较好的坝基岩体，其均一性好，岩体的抗变形能力和抗渗性能也好，易于满足混凝土大坝对地基的要求。反之，岩体完整性差的岩体能否作为混凝土大坝的坝基，则需结合工程的具体情况进行研究。

(4)岩体风化与卸荷特征。

岩体的风化程度也是影响坝基岩体质量的主要因素。浅表部岩体在风化、卸荷等表生作用改造后，岩体中风化裂隙发育，不同程度地张开，隐裂隙进一步显现，岩石强度和岩体完整性均会有不同程度的降低。微风化和新鲜岩体由于受风化和卸荷改造的影响小，基本上保持了原岩的强度、完整性和紧密程度，是良好的坝基岩体。岩体卸荷作用有时与风化相辅相成，卸荷作用会进一步加剧岩体的风化作用，但卸荷主要是表现为岩体的松弛、裂隙扩张，进一步破坏岩体的完整性，同时也进一步加剧了岩体风化。

(5)水文地质条件。

地下水对岩体的作用主要表现在以下两方面:①地下水的渗透使岩石软化，尤其使软弱结构面产生软化泥化，降低其原有的强度，或在渗透压力的作用下产生化学或机械的潜蚀作用;②由于地下水渗透作用形成的扬压力对混凝土重力坝的抗滑稳定产生不利影响。

(6)地应力。

在深山峡谷中，河床下一定范围内往往存在较高的河谷应力集中区，在进行建基面选择时，要充分考虑应力集中区可能对坝基产生的不利影响。如建基面开挖太深，触及该应力集中区，则可能导致地应力快速释放，使坝基岩体松弛，不仅增加坝基开挖量和混凝土浇筑量，且将增加工程处理的难度，也可能降低工程的安全度，由此带来一系列复杂的问题。

13．2．3．2　拱坝(图13－19)

(1)地形条件:河谷的宽高比，河谷宽高比为L/H，当L/H＜2——可建薄拱坝，当L/H =2～3——可建中厚拱坝，当L/H＞3——可建重力拱坝;河谷的对称性，在对称河谷上兴建拱坝，可避免产生附加扭转矩;当河谷不对称时，可人为改变河谷的对称性。如在较缓的一侧建造重力墩、设置垫座及周边缝或采用二心拱或对数螺旋线拱圈。河谷平面形状，理想河谷形状为地形等高线向下游呈漏斗状，使得拱端推力方向与等高线交角较大，有利于拱端的稳定。不理想河谷形状为地形等高线向下游呈发散状，拱端推力方向与等高线交角较小，不利于拱端的稳定。

(2)地质条件:拱坝对地质条件的要求是基岩完整均一，强度高，地质构造简单，抗渗性能好。上述条件不能满足时，需进行固结灌浆以增加地基的整体性和牢固程度。

图13－19　拱坝

图13－20　正在建设中的西霞院水库土石坝主体

与重力坝相比，拱坝在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。拱坝主要的缺点是对坝址河谷形状及地基要求较高。与重力坝相比，对于河谷宽深比较小的坝址，修建拱坝的混泥土方量比修建同一高度的重力坝大约节省1/3～2/3。但是拱坝对地形、地质条件有较高的要求。从地形条件来看，拱坝最好修建在对称的“V”型河谷中，因为在不对称河谷中，拱坝的受力条件较差，设计和施工复杂，需采取工程措施，尽可能减小不对称的程度。从地质条件来看，近代拱坝坝体的压应力很高，常达6～8MPa，高拱坝可达10～12MPa。坝址地质条件应保证能把坝体传来的力较均匀地传给河谷两岸和河床的岩体。为此，拱坝坝址地质条件要求岩石尽量坚硬致密，质地均匀，有足够的强度，不透水性和耐水性强。

13．2．3．3　土石坝(图13－20)

土石坝是以土、石等当地材料填筑的坝，按坝体采用的材料不同可分为多种类型。土石坝对不同的地形、地质和气候条件适应性好。任何不良的坝址地基和深层覆盖层，经过处理后均可填筑土石坝。

土石坝还可以就地取材。过去被认为“劣质材料”的风化砾质土、红粘土、中细砂、开挖石渣，都可分区上坝，充分发挥就地取材的优越性。土石坝是否最优的关键在于:防渗心墙的来源。虽然坝址区附近有土，但是土的质量，数量都是未知的，有时需要根据经济技术合理性从远处购买心墙土料。

土石坝的优点:①就地取材，节省钢材﹑水泥﹑木材等重要建筑材料，从而减少了建坝过程中的远途运输。②结构简单，便于维修和加高﹑扩建。③坝身是土石散粒体结构，有适应变形的良好性能，因此对地基的要求低。④施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工。

土石坝的缺点:坝身一般不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。

13．2．4　塌岸

水库蓄水后，土质岸坡发生的坍塌破坏现象叫塌岸，又称水库边岸再造。

(1)水库库岸再造过程。

库水改变了库岸土质的含水量，使容重加大、抗剪强度降低，引起土体软化、崩解以至坍滑。又因水面展宽后，风浪增大，库岸在波浪的侵蚀、冲击和淘刷作用下，下部土体被淘空，上部土体失去支撑而塌落，岸线随之后移。塌滑物经水流搬运、分选后形成浅滩。在水和波浪的不断作用下，库岸破坏继续发生，岸线不断后移，浅滩逐渐增大，直到水上岸壁与水下浅滩达到相对平衡时，库岸才趋于稳定(图13－21)。

图13－21　土质斜坡塌岸过程

(2)影响水库塌岸因素。

①库岸形态:指岸高和坡度、水下岸形、岸线的曲率及库岸的切割程度。凸型坡易导致拉应力集中，而且库水对凸型坡的冲刷现象也更为严重，易导致塌岸。坡高的增加会在坡脚导致应力集中，易产生塌岸现象。一般岸高坡陡、水下岸形陡直、凸岸或被冲沟切割成半岛形的库岸坍塌较为严重。坡度越陡，前缘坡脚处最大剪应力越集中，同时在岸坡顶部，最容易产生拉应力集中，这种应力集中和分异的特征对岸坡的稳定性最不利。坡度小于15°时，一般不会产生明显的塌岸;15°～28°之间易产生冲蚀型塌岸;30°以上时易产生坍塌或者滑移型塌岸。

②库岸的地质结构:指构成库岸的土层产状、层序、土层性质、层厚及浸湿后的变化、有无滑塌体等。黄土的孔隙率高，常有垂直节理，浸水后土的胶体连接被破坏，以致崩解快，易发生强烈、快速的坍塌。粉、细砂的抗冲刷性弱，易形成大量坍塌和宽而缓的浅滩。砂砾石的抗剪强度大、抗冲刷性较强，只有少量坍塌，形成窄而陡的浅滩。滑塌体下部浸水后易再次活动。

③水的作用:一是原来的水上岸坡一部分成为水下岸坡，改变了土体的物理、水理、力学性质和岸坡原来的自然平衡状态;二是在库水位反复变化下，地下水位也随之升降，尤其是骤降产生的动水压力降低了岸坡土体的稳定性。

④波浪作用:指波高、波速和波向，而波高又与风速、风的吹程和水深有关。波越高，作用时间越长，波浪的侵蚀与淘刷作用就越强，当能被搬运的塌落物粒径大、速度快且距离远，形成的浅滩也就宽而缓。波浪对岸坡的冲击力和岸坡坡度有关，坡越陡，所承受的冲击力越大。

⑤其他:如冰的冻胀，浮冰撞击岸坡，大气湿热变化引起的风化作用，泥砂淤积等。

水库塌岸会引起大量土体坍塌入库产生淤积，减少库容，对库容较小的山区水库影响很大。塌落物可淤塞、填堵引水建筑物的进水口。岸线后移，使库边农田、建筑物、道路遭受毁坏。如预测塌岸严重，将影响开发方案、坝址或设计蓄水位的选择等。坝前库岸如发生塌岸，将影响大坝安全。

13．2．5　坝区库区渗漏

大坝建成后，库水在坝上、下游水位差作用下，经坝基和坝肩岩、土体中的裂隙、孔隙、破碎带或喀斯特通道向坝下游渗漏的现象。经坝基的渗漏称坝基渗漏，经坝肩的渗漏称绕坝渗漏(图13－22)。

图13－22　坝区渗漏

图13－23　库水沿断层渗漏

坝基和坝肩一带岩、土体中地下水比其他地区的渗透途径短、坡降大，所以坝基和坝肩岩、土体单位宽度内的渗透量要比库区的大。同时，库水沿坝基和坝肩岩体中的裂隙或破碎带渗漏时，会产生渗透压力。此外，坝区渗漏还可软化坝区岩体中的软弱夹层、断层破碎带(图13－23)，或产生潜蚀(管涌)等现象，而降低坝基或坝肩岩体的承载力和抗滑力。坝区渗漏还可能浸没坝下游宽广的耕地或居民点。

为减小坝区岩体中的渗漏，需采取不同的防渗处理措施。对坚硬的裂隙岩体采用灌浆帷幕的效果最好。对喀斯特化岩体除采用灌浆帷幕外，还可采用铺盖、封堵和建截水墙防渗。对松散岩体宜采用不同防渗材料的垂直防渗或水平防渗铺盖。当坝基表层为弱透水层，下部为强透水层时，宜在坝下游埋设排水减压井、排水槽等以减小渗透压力。

库水沿透水层、溶洞、断裂破碎带、裂隙节理带等连贯性通道外渗而引起的损失，称渗漏损失，这种渗漏现象称经常性渗漏，或永久性渗漏。通常，库区渗漏指永久性渗漏。

库区渗漏可在邻谷区引起新的滑坡，或使古滑坡复活，造成农田浸没、盐渍化、沼泽化，危及农业生产及村舍安全。

库区渗漏量的大小由构成库岸和分水岭的岩层的渗透性质、地质结构以及地貌条件所决定。未胶结的砂砾石层是透水性极强的渗漏通道。此类岩层多存在于河湾或平原河谷的河间地段，山前倾斜平原区的库岸也可能遇到冲积、洪积的砂砾石层。当库水位超出此类堆积层时，即产生严重的渗漏。坚硬岩层的巨厚风化壳亦可能形成与之类似的渗漏。喀斯特洞穴、暗河通道是形成库区集中渗漏的主要危险。背斜构造的河谷是形成库区渗漏的有利条件。库水极易沿透水岩层向邻谷渗漏。只有当岩层的倾斜较陡，库水位以下的透水岩层插入邻谷谷底以下时，此种渗漏才可避免。库区与邻谷间的地下分水岭高于库水位时，即使具备其他渗漏条件也不会发生渗漏。邻谷切割深，并且水位低于库水位时，在上述诸条件配合下会形成大渗漏量的渗漏。渗漏量还与沟谷间分水岭的厚薄有关，分水岭愈薄，渗漏途径愈短，渗漏量也就愈大。

13．2．6　水库淤积与淹没

水库淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至拦河建筑物之间库区的堆积。

水流进入库区后，由于水深沿流程增加，水面坡度和流速沿流程减小，因而水流挟沙能力沿流程降低，出现泥沙淤积。

泥沙淤积是在水流对不同粒径泥沙的分选过程中发展的。在回水末端区，流速沿程迅速递减，卵石、粗沙等推移质首先淤积，泥沙分选较显著。向下游，悬移质中的大部分床沙质沿程落淤，形成了三角洲的顶坡段，其终点就是三角洲的顶点。在顶坡段，由于水面曲线平缓，泥沙沿程分选不显著。当水流通过三角洲顶点后，过水断面突然扩大，紊动强度锐减，悬移质中剩余的床沙质在范围不大的水域全部落淤，形成了三角洲的前坡。水体中残存的细粒泥沙，当含沙量较大时，往往从前坡潜入库底，形成继续向前运动的异重流，或当含沙量较小而不能形成异重流时，便扩散并在水库深处淤积。

水库淤积是一个长期过程。一方面，卵石、粗沙淤积段逐渐向下游伸展，缩小顶坡段，并使顶坡段表层泥沙组成逐渐粗化;另一方面，淤积过程使水库回水曲线继续抬高，回水末端也继续向上游移动，淤积末端逐渐向上游伸延，也就是通常所说的翘尾巴现象，但整个发展过程随时间和距离逐渐减缓。最终，在回水末端以下，直到拦河建筑物前的整个河段内，河床将建立起新的平衡剖面，水库淤积发展达到终极。终极平衡纵剖面仍是下凹曲线，平均比降总是比原河床平均比降小，并与旧河床在上游某点相切。

水库泥沙淤积三种形态:三角洲淤积、锥体淤积、带状淤积。

(1)三角洲淤积(图13－24)。

形成条件:水库运用水位高且比较稳定，变动回水区长。

特性:包括尾部段、洲面段、前坡段、坝前段，淤积物及配沿程分选明显，自尾部至坝前逐渐变细，由于进入坝前段泥沙量很少且很细，因此淤积厚度较小。

图13－24　三角洲淤积

(2)锥体淤积(图13－25)。

形成条件:水库小，淤积不能充分发展。一种是运用水位低，坝前有一定流速，能使较多泥沙运行到坝前落淤和排出水库;另外一种是水库回水短，含沙量高且颗粒细，即便坝前流速不大，但依靠超饱和输沙，仍有较多泥沙运行到坝前落淤或排出水库。

特点:淤积厚度自上而下沿程递增，河底比降逐年变缓。此外，当水库达到淤积平衡，其淤积体都是锥体形状。

图13－25　锥体淤积

图13－26　带状淤积

(3)带状淤积(图13－26)。

形成条件:运用水位变幅大，变动回水区范围长且具有河道和水库双重特性，变动回水区虽然以淤积为主，但冲淤交替，常年回水区以悬移质中的中细沙淤积为主。

特性:淤积厚度沿程分布较均匀，淤积分布是由坝前水位升降将淤积体拉平所致，不是水库淤积固有特性，一般出现在水库运用初期，很难长期维持。

在中国，1974年陕西43个大中型水库资料统计，31．5%的初始库容被泥沙淤积损失，年均库容损失5千万m3。根据1973年山西192个库容大于100万m3水库资料统计，15 亿m3的总库容也已经淤损31．6%。根据全国有实测资料的236座大型水库的统计，截止到1981年底，全国水库总淤积量达115亿m3，占这些水库总库容804亿m3的14．2%。平均每年约淤损8亿m3。

我国水利部曾经组织了一次对20个重点水库泥沙淤积情况的调查，这些水库大多运行了20多年，结果表明这20个水库的泥沙总淤积量为78亿m3，水库库容损失18．6%。

淤积影响表现在减少水库的防洪和兴利库容，使防洪、发电、通航、灌溉以及养殖等效益的发挥大受限制，其中的某些甚至丧失殆尽。泥沙淤积的结果，加大了水库坡降，使库水位不断抬高，从而引起对城市、工厂、矿山、农田的淹没，造成移民等社会经济问题。水库泥沙淤积上延会导致地下水位上升，土地盐碱化，破坏生态环境，降低农业产量。

对有航运要求的水库，其变动回水区对航运产生不利影响。坝前泥沙淤积会影响水库工程的运行安全，如船闸、引航道、水轮机进口、引水口、水轮机叶片磨蚀、拦污栅堵塞等。吸附在泥沙表面的污染物在水库沉积后，会影响水质。水库清水下泄会导致下游河道冲刷，造成河势变化，影响堤防安全，以及已有水利工程的取水等。

在库区，淤积减少有效库容，影响水库调节性能和建筑物的正常运用。在水库上游河道，淤积抬高河床，使河道水位升高，坡降和流速减小，河槽过水能力降低，增加了防洪困难，河水位抬高还会引起两岸地下水位升高，导致土地盐渍化;在水库下游河道，在水库淤积并拦截泥沙时期，水库下泄清水，下游河床由于冲刷而普遍下切，水位随之下降。这将产生正反两方面的影响:一方面，它不利于大坝和沿河建筑物的基础，使沿河引水工程的运用发生困难，使下游桥梁基础埋深减少;另一方面，可以使水电站的尾水位降低，能增加水电站出力、使下游水深增大而流速减小，有利于河床的稳定和通航。

在水库淤积平衡剖面建立以后，河流的全部悬移质与大部分推移质通过拦河建筑物下泄，下游河床复又上升，河床逐渐回复建库前情形。

水库淹没(图13－27)是水库蓄水的必然现象，直接的淹没是明显的，间接的淹没是潜藏和逐渐发展的，而且影响范围大，远远超出了水库库区水面的面积，如沼泽化，盐渍化等，有关淹没的灾害在地下水单元已经有论述。

图13－27　水库淹没

有名的三峡水库在正常蓄水位175m、5年一遇来水的回水线时，水库末端位于重庆市江津市羊角滩，水库长度为662．9km、水面面积为1045km2。水库将淹没632km2陆地，是全世界淹没面积最大的水库。一般水库的淹没区都是肥沃的农田和居民点居多，由此产生的问题也很多。

【思考题与习题】

1．滑坡是如何发生的，它的稳定性如何判断，又该如何防治?

2．简述崩塌的形成条件。如何防止崩塌灾害?

3．简述泥石流的分类方法。如何防治泥石流灾害?

4．岩溶和土洞是如何发生的，有哪些地质现象，如何利用和防治?

5．地震成因有哪些种类和特点?简述地震震级和烈度的关系。

6．场地的地震效应有哪些?它们对工程建设有何影响?

7．怎样分析水利水电工程建设中的工程地质条件?

8．比较分析不同坝型的地质条件?

9．水库塌岸是怎样发展的?

10．水库渗漏是怎样发生的?

11．水库淤积和淹没有哪些危害?