4.1 水工地质及其边坡工程简介

当前水利工程建设朝着高、深、大、难方向发展，伴随着出现的地质及其地下工程问题越来越复杂，传统的研究方法很难处理其复杂海量的地质数据与信息，很难给出可视化的定量分析结果，所以只有依靠高速发展的计算机软硬件革新技术优势，利用数值仿真软件来解决。其中坝基、岸坡、边坡稳定和水工隧洞等地质及地下工程，各类水工地质的稳定性分析属于多学科交叉问题。简单介绍如下：

1.坝基的稳定性

坝基抗滑稳定性（antiskiding stability of dam foundation）是指坝体抵抗库水推力、渗透压力等作用力而能保持不发生滑移的稳定程度。论证坝基抗滑稳定性问题应注意：①坝基的软弱夹层的工程地质特征；②坝基岩体软弱结构面特征、发育程度及组合关系。对坝基抗滑稳定的定量分析，多采用极限平衡分析法。

拦河（江）大坝是水利水电工程中最重要的挡水建筑物，它拦蓄水流，抬高水位，承受着巨大的水平推力和各种荷载。为了维持稳定平衡，坝体又将水压力和其他荷载以及本身的重量传递给地基或两岸的岩体上，因而坝基或坝肩承受压力是很大的。加之水还可以渗入岩体，致使坝基或坝肩的岩层部分或全部软化、泥化、溶解，降低了强度而承载力减弱，渗入的水对坝体和部分坝基和坝肩产生不利坝体、坝基、坝肩稳定的扬压力，所以坝基和坝肩的稳定性设计研究是研究水坝的关键。目前随着计算机软硬件的发展，该类问题的数值仿真也成为重要手段。

导致坝基破坏失稳的主要形式：压缩变形和滑动破坏，对重力坝而言，压缩变形会引起坝基沉陷，而对拱坝而言，除了坝基沉陷变形之外，还沿拱端推力方向引起近水平方向上的变形。水坝属于大型水工建筑物，其坝基在三维尺度下地质条件不可能都属坚硬完整的岩体，肯定存在断裂、裂隙、含黏土层深埋等不利水坝及坝基（肩）稳定的岩层发育，有时即使是小部分的地质缺陷，在渗流水，大坝传递的作用力之下，坝基或坝肩发生不均匀的变形，产生拉应力，致使发生裂缝，甚至使整个坝体遭到破坏。坝基、坝肩产生不均匀变形的地质因素有：①岩性软硬不一，变形模型值相差悬殊；②坝基（坝肩）存在较大的断层、破碎带、裂隙密集带、卸载裂隙带等软弱结构面，尤其张开性裂隙发育且裂隙面大致垂直于压力方向时，产生较大沉陷变形；③岩体内部有溶蚀洞穴或被侵蚀掏空现象，在各种荷载作用下产生塌陷而导致不均匀变形。

2.库岸、边坡稳定性问题

水利水电工程岸坡、边坡、洞室围岩等岩体稳定性问题是最受关注的工程地质问题之一，尤其是水利水电工程的大型化趋势下，大型边坡工程不断产生会引发众多边坡稳定问题，对水利水电工程来说，无论在崩塌灾害，稳定性分析，边坡的变形破坏机理的研究，还是边坡稳定性评价和崩滑灾害的预测预报等各方面都是研究重点。水利工程的建设，不仅针对天然边坡的研究，更要关注因工程造成的人工边坡的研究，不论是哪一类边坡，在形成过程中，岩土体原有应力状态随之变化，引起了应力重分布和应力集中等效应，边坡岩土体为了适应这些新的应力状态，将发生不同形式和不同规模的变形和破坏，更应注意高边坡在施工过程中的稳定分析和研究，制定有效的设计和施工方案。因为边坡工程、洞室等施工过程中，应力场受到很大程度的破坏，使之重分布，变形效益也比较明显。数值仿真研究边坡、岸坡以及洞室工程的目的与研究该类问题的机理是完全相同：对边坡等稳定性做出评价和预测，揭示岩土体变形破坏的演化规律，制定有效的整治措施，提出合理的设计、施工方案，保证水利工程的安全。

3.水工隧洞和水工地下厂房及其围岩稳定性问题

水利工程建设中，因工程布置需要，地形地貌限制和影响，往往会在地层中布设如水工输水隧洞、地下厂房、溢洪道、排沙孔等地下水工建筑物，该类建筑物及其围岩的稳定性，除了受工程地质条件的制约外，还受到上部结构物、工程载荷、水压力荷载的因素影响。保证该类建筑物的安全，建筑物及其围岩的稳定性分析较为复杂，也存在难点：在底层岩层中开挖水工地下建筑物的硐室，破坏了岩土原有的应力平衡状态，岩体中应力大小与主应力方向发生改变，并不断调整以至达到新的平衡。如在研究水工隧道时，围岩的变形发生变化，主要因素为卸载回弹、应力重分布、地下水流动系统破坏以及重构建，开挖后如果围岩岩体承受不了回弹应力和重分布的应力作用，围岩将发生塑性变形甚至破坏，这些破坏从围岩向周围或最大拉力集中的局部开始，之后逐步向围岩内部延伸发展，其结果常使围岩形成松动带和松动圈，甚至破坏脱落。