一級建造師《水利水電》知識點：工程地質的條件與分析
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一級建造師《水利水電》知識點：工程地質的條件與分析 1
一、水工建筑物的工程地質條件
工程地質條件，可理解為與工程建筑物有關的各種地質因素的綜合。內容主要包括：土石類型及其性質、地質結構、地形地貌條件、水文地質條件、自然(物理)地質現象和天然建筑材料6個方面。
(一)土石類型及其性質
土和巖石(簡稱巖土)是水工建筑物的地基、建筑材料或建筑介質(如地下建筑物的圍巖)。它們的類型和性質對建筑物的穩定性、安全性、技術上的可能性、經濟上的合理性都有著極為重要的作用。如壩基，基本分為兩大類：巖基(硬基)和土基(軟基)。在巖基上，往往可以修建高壩、混凝土壩，樞紐多采用集中布置方案;而在土基上，則往往只能修建低壩(或閘)、土石壩，樞紐多采用較分散的布置方案。此外，在巖基和土基中，都存在不同類型和規模的軟弱巖層或土層，在工程建筑中都必須進行專門的研究和處理，才能保證建筑物的穩定和安全。
(二)地質結構
地質結構包括地質構造(褶皺及斷裂構造)和巖(土)體結構。地質構造按構造形態可分為傾斜構造、褶皺構造和斷裂構造三種類型。土體結構是指未固結成巖的第四紀土層的結構，包括各種成因類型土層的成層特征、巖相變化和空間分布規律。
巖體和巖石是不同的概念。通常把一定范圍內與工程建筑有關的自然地質體稱為巖體。結構面與結構體的組合稱為巖體結構，巖體結構特征實際上就是結構面和結構體的性狀及組合特征的反映，它決定著巖體的物理力學性質和穩定性。
地形，一般指地表形態、高程、地勢高低、山脈水系、自然景物、森林植被，以及建筑物分布等，常以地形圖予以綜合反映。地貌，主要指地表形態的成因、類型，以及發育程度等。河谷地帶的地形地貌條件往往對水工建筑物選址、壩型選擇、樞紐布置、施工方案等都有直接影響。
(四)水文地質條件
水文地質條件一般包括以下內容：
1.地下水類型。
2.含水層與隔水層的埋藏深度、厚度、組合關系、空間分布規律及特征。
3.巖(土)層的水理性質，包括容水性、給水性、透水性等。
4.地下水的運動特征，包括流向、流速、流量等。
5.地下水的動態特征，包括水位、水溫、水質隨時間的變化規律。
6.地下水的水質，包括水的物理性質、化學性質、水質評價標準等。
水文地質條件的好壞直接關系到水庫是否漏水，壩基是否穩定，地下水資源評價是否可靠等一系列工程建設問題。
(五)自然(物理)地質現象
巖石的風化、沖溝、滑坡、崩漏、泥石流、喀斯特等自然地質現象的存在及其發育程度，會直接影響到建筑物的安全和人民生命財產的安危。在水利水電工程建設中，在大壩區附近及水庫區內的自然地質現象，要求在工程地質勘察時進行充分的調查與研究，對影響大壩或水庫安全的應采取有效措施，進行處理或整治。
(六)天然建筑材料
天然建筑材料勘察應查明工程所需要的各類天然建筑材料料場的分布、位置、儲量、質量、開采和運輸條件等，為工程設計和施工提供依據。
關于料場儲量，在初查階段(對應于工程的可行性研究階段)，勘察儲量一般不少于設計需要量的3倍，勘察儲量與實際儲量誤差，應不超過40 % ;詳查階段(對應于工程的初步設計階段)勘察儲量一般不少于設計需要量的2倍，勘察儲量與實際儲量誤差，應不超過15 %。
二、水利水電工程地質問題分析
主要對壩基、邊坡、地下洞室圍巖、水庫及軟土基坑工程等工程的地質問題進行分析。
(一)壩基巖體的工程地質分析(環球網校一建考試水利工程地質相關考點)
不同的壩型，其工作特點不同，所以對地質條件的要求也就不同。因此，除了對各類壩型的工作特點應有所了解外，特別要了解不同壩型對地質條件的適應性和對工程地質條件的要求。由于壩區巖體中存在的某些地質缺陷，可能導致產生的工程地質問題主要有壩基穩定問題(包括滲透穩定、沉降穩定和抗滑穩定)和壩區滲漏問題(包括壩基滲漏和繞壩滲漏)。
(二)邊坡的工程地質分析
l.邊坡變形破壞的類型和特征
在野外常見到的邊坡變形破壞主要有松弛張裂、蠕動變形、崩塌、滑坡四種類型。此外尚有塌滑、錯落、傾倒等過渡類型，另外泥石流也是一種邊坡破壞的類型。
松弛張裂：在邊坡形成過程中，由于在河谷部位的巖體被沖刷侵蝕或人工開挖，使邊坡巖體失去約束，應力重新調整分布，從而使岸坡巖體發生向臨空面方向的回彈變形及產生近 平行于邊坡的拉張裂隙，一般稱為邊坡卸荷裂隙。
蠕動變形：是指邊坡巖體主要在重力作用下向臨空方向發生長期緩慢的塑性變形的現象，有表層蠕動和深層蠕動兩種類型。
崩塌：高陡的邊坡巖體突然發生傾倒崩落，巖塊翻滾撞擊而下，堆積于坡腳的現象，稱做崩塌。在堅硬巖體中發生的崩塌也稱巖崩，而在土體中發生的則稱土崩。
滑坡：邊坡巖體主要在重力作用下沿貫通的剪切破壞面發生滑動破壞的現象，稱為滑坡。在邊坡的破壞形式中，滑坡是分布最廣、危害最大的一種。它在堅硬或松軟巖層、陡傾或緩傾巖層以及陡坡或緩坡地形中均可發生。
2.影響邊坡穩定的因素
地形地貌條件的影響;巖土類型和性質的影響;地質構造和巖體結構的影響;水的影響;其他因素，包括風化因素、人工挖掘、振動、地震等。
(三)地下洞室圍巖穩定性的工程地質分析
1.地下工程位置選擇的工程地質評價。理想的建洞山體應具備以下條件：建洞區地質構造簡單，巖層厚，節理組數少，間距大，無影響整個山體穩定的斷裂帶;巖體堅硬完整;地形完整，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形;無巖溶或巖溶很不發育;地下水影響小;無有害氣體和非常地熱。
2.地下洞室圍巖的變形與破壞。圍巖變形破壞的幾種類型：脆性破裂;塊體滑動和塌方;層狀彎折和拱曲;塑性變形和膨脹。
(四)水庫工程地質問題分析
水庫有兩類：一類是在河流上筑壩攔水所形成的人工湖泊，即地面水庫;另一類是利用地下蓄水構造，經人工控制形成的地下水庫。水庫蓄水后，水文條件、庫周的水文地質條件都會發生比較劇烈的變化，以至影響庫區及鄰近地段的地質環境。例如庫水升高浸潤庫岸，風浪作用沖蝕庫岸，地下水位上升浸沒洼地等。因此產生了各種工程地質問題，諸如水庫滲漏、水庫浸沒、水庫塌岸、水庫淤積、水庫誘發地震等問題。
(五)軟土基坑工程地質問題分析
1.軟土基坑工程地質問題主要包括兩個方面：土質邊坡穩定和基坑降排水。
2.在軟土基坑施工中，為防止邊坡失穩，保證施工安全，通常采取的措施有：采取合理坡度、設置邊坡護面、基坑支護、降低地下水位等。
3.軟土基坑降排水的目的主要有：增加邊坡的穩定性;對于細砂和粉砂土層的邊坡，防止流砂和管涌的發生;對下臥承壓含水層的黏性土基坑，防止基坑底部隆起;保持基坑土體干燥，方便施工。
4.軟土基坑開挖的降排水一般有兩種途徑：明排法和人工降水。其中人工降水經常采用輕型井點或管井井點降水兩種方式。
(1)明排法的適用條件：
不易產生流砂、流土、潛蝕、管涌、淘空、塌陷等現象的黏性土、砂土，碎石土的地層;
基坑地下水位超出基礎底板或洞底標高不大于2.0m。
(2)輕型井點降水的適用條件：
黏土、粉質黏土、粉上的地層;
基坑邊坡不穩，易產生流土、流砂、管涌等現象;
地下水位埋藏小于6.0m，宜用單級真空點井;當大于6.0m時，場地條件有限，宜用噴射點井、接力點井;場地條件允許，宜用多級點井。
3)管井降水適用條件：
第四系含水層厚度大于5.0m;
基巖裂隙和巖溶含水層，厚度可小于5.0m;
含水層滲透系數K宜大于1.0m/d。
工程地質及水文地質勘察工作的程序
工程地質及水文地質勘察工作分為規劃、可行性研究、初步設計和技施設計四個勘察階段。各勘察階段工作應與相應階段設計工作深度相適應。
(一)規劃階段
規劃階段工程地質勘察應對河流開發方案和水利水電近期開發工程選擇進行地質論證，并應提供工程地質資料。
(二)可行性研究階段
可行性研究階段工程地質勘察應在河流或河段規劃選定方案的基礎上選擇壩址，并應對選定壩址、基本壩型、樞紐布置和引水線路方案進行地質論證，提供工程地質資料。
(三)初步設計階段
初步設計階段工程地質勘察應在可行性研究階段選定的壩址和建筑物場地上進行，查明水庫及建筑物區的工程地質條件，進行選定壩型、樞紐布置的地質論證和提供建筑物設計所需的工程地質資料。
(四)技施設計階段
技施設計階段工程地質勘察應在初步設計階段選定的水庫及樞紐建筑物場地上，檢驗前期勘察的地質資料與結論，補充論證專門性工程地質問題，并提供優化設計所需的工程地質資料。技施設計階段勘察應包括下列主要內容：
1.進行初步設計審批中要求補充論證的和施工中出現的專門性工程地質問題勘察;
2.提出對不良工程地質問題處理措施的建議;
3.進行施工地質工作;
4.提出施工期和運行期工程地質監測內容、布置方案和技術要求的建議;分析施工期工程地質監測資料。
其中，施工地質工作又包括以下內容：
(1)搜集建筑物場地在施工過程中揭露的地質現象，檢驗前期的勘察資料;
(2)編錄和測繪建筑物基坑、地下建筑物圍巖的地質問題;
(3)進行地質觀測和預報可能出現的地質問題;
(4)進行地基加固和不良工程地質問題處理措施的研究;
(5)進行與地質有關的工程驗收。
勘察的基本方法
工程地質及水文地質勘察工作中，常用的勘察方法有地質測繪與調查、勘探與取樣、原位測試、室內試驗、現場檢驗與觀測等。
(一)工程地質測繪與調查
工程地質測繪與調查一般在可行性研究勘察階段或初步勘察階段進行，其內容主要是綜合查明勘察區的工程地質條件，如地層巖性、地質構造、河谷地貌、水文地質、動力地質現象和工程地質現象等。
(二)勘探與取樣
根據勘察目的及巖土的特性，勘探方法一般包括鉆探、井探、槽探、洞探和地球物理勘探等。靜力觸探、動力觸探作為勘探手段時應與鉆探等其他勘探方法配合使用。
1.鉆探
鉆探方法一般包括回轉鉆探(如螺旋鉆探、無巖芯鉆探、巖芯鉆探)、沖擊鉆探(分沖擊和錘擊兩種)、振動鉆探和沖洗鉆探等。
勘探淺部土層可采用下列鉆探方法：
(1)小口徑麻花鉆(或提土鉆)鉆進;
(2)小口徑勺形鉆鉆進;
(3)洛陽鏟鉆進。
2.井探、槽探、洞探
當鉆探方法難以準確查明地下情況時，可采用探井、探槽進行勘探。在壩址、地下工程及大型邊坡等勘察中，當需詳細調查深部巖層性質及其構造特征時，可采用豎井或平洞。
探井的深度不宜超過地下水位。
3.巖土取樣
土試樣質量可按試驗目的分為王～Ⅳ級，其擾動程度分別為：不擾動、輕微擾動、顯著擾動和完全擾動。
I、Ⅱ、Ⅲ級土試樣妥善密封，防止濕度變化，并避免曝曬或冰凍。在運輸中應避免振動，保存時間不宜超過三周。對易于振動液化和水分離析的土試樣宜就近進行試驗。
巖石試樣可利用鉆探巖芯制作或在探井、探槽、豎井、平洞中刻取。采取的毛樣尺寸應滿足試塊加工的需要。
(三)原位測試
原位測試的方法一般包括：載荷試驗、靜力觸探試驗、圓錐動力觸探、標準貫入試驗、十字板剪切試驗、旁壓試驗、現場剪切試驗、波速測試、巖體原位應力測試、塊體基礎振動測試等。
(四)室內試驗
巖土的室內試驗一般包括：土的物理性質試驗、土的壓縮一固結試驗、土的抗剪強度試驗、。土的動力性質試驗和巖石試驗等。
(五)現場檢驗與監測
現場檢驗應根據施工的實際情況，對勘察成果進行補充修正。必要時應進行施工階段勘察。現場檢驗尚應對巖土工程施工質量進行控制和檢驗。
現場監測應主要包括以下內容：
1.對巖土性狀受施工影響而引起變化的監測;
2.對施工和使用中建筑物的監測;
3.對環境條件，包括工程地質、水文地質條件及相鄰結構、設施等可能發生的變化進行監測，并提出處理措施。
(六)施工地質工作
施工地質工作是水利水電工程技施設計階段勘察的主要內容之一，施工地質方法應采用觀察、素描、實測、攝影、錄像等手段編錄和測繪施工揭露的地質現象，并應進行巖土體波速、點荷載強度、回彈值等測試和監測工作。對影響變形和抗滑穩定的軟弱巖層、破碎帶及軟弱結構面應進行復核性巖土物理力學性質試驗。
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1.產狀三要素：走向、傾向和傾角。
2.斷裂構造分為：節理和斷層。
節理：沿斷裂面兩側的巖層未發生位移或僅有微小錯動。
斷層：在斷裂層兩側的巖塊發生了顯著位移。
斷層有：正斷層、逆斷層、平移斷層。
【技巧】正斷層——上下下上；逆斷層——上上下下。記住逆斷層即可。
3.壩基穩定問題：滲透穩定、沉降穩定和抗滑穩定。
壩區滲漏：壩基滲漏和繞壩滲漏。
4.邊坡變形破壞主要有：松弛張裂、蠕動變形、崩塌、滑坡等。
5.軟土基坑工程地質問題包括：土質邊坡穩定和基坑降排水。
6.解決邊坡失穩的措施有：設置合理坡度、邊坡護面、基坑支護、降低地下水位。
7.軟土基坑降排水的目的主要有：增加邊坡的穩定性；對于細砂和粉砂土層的邊坡，防止流砂和管涌的發生；對下臥承壓含水層的黏性土基坑，防止基坑底部隆起；保持基坑土體干燥，方便施工。
8.軟土基坑開挖的降排水途徑：明排法、人工降水（輕型井點或管井井點）。
9.滲透變形（滲透破壞）一般分為：管涌、流土、接觸沖刷、接觸管涌或接觸流土。
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