水利水电施工组织设计专项方案模块111断层破碎带处理.docx

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水利水电施工组织设计专项方案模块111断层破碎带处理

断层破碎带处理

第一节概述

水利水电工程的地基常会遇到节理发育的岩层、软弱夹层、断层破碎带或断层交汇带，这些地质缺陷均需进行妥善处理，以保证施工过程及工程建成后运行的安全。

断层破碎带的处理是水工建筑物地基处理的重要内容之一。

在确定处理方案之前，必须具有详细的地质勘测资料和试验数据，主要内容有：

（1）断层破碎带的规模、产状及其与水工建筑物在平面和空间位置上的相互关系；

（2）构造岩的物理性质，力学性质和水理性质；

（3）断层破碎带的渗透特性等。

根据地质和试验资料，按断层类型和构造岩的特点及其对坝基的影响（见表11-1-1、表11-1-2、表11-1-3）由设计结合建筑物等级、规模和形式进行分析研究，确定处理方案和工程技术处理措施。

表11-1-1断层类型

按断层两盘相对位移的方向

按断层形成时受力状态

类型

特性

类型

特性

正断层

上盘顺重力作用方向下降，倾角50°～60°以上

张性断层

结构面粗糙不平,常具有次生物质充填

逆断层

上盘逆重力方向上升

倾角大于45°,称冲断层

压性断层

结构面多呈波状起伏,并具有相当规模

倾角小于45°,称逆掩断层

平移断层

两侧岩体仅作相对的水平位移,倾角陡直

扭（剪）性断层

破裂面光滑、平整，多呈闭合状

正（逆）平移断层

兼有复合断层的特性，依次序、规模有主次或不同组合之分

张性（压性）兼扭性断层

兼有复合断层的特性，依次序、规模不同有主次之分

断层破碎带的处理，工程技术复杂，施工难度大，质量要求高，安全问题突出。

为确保处理工作经济、合理、按期实施，重大断层破碎带处理应编制专门的施工组织设计。

表11-1-2构造岩的特性

名称

形成环境

性质

工程地质特性

断层泥

在构造作用下形成的，由微细颗粒组成的粘土岩遇水泥化而成

隔水性能强，厚度变化大，有数厘米到数十厘米，有的可达1m～2m，紧靠断层主滑移面，在巨大破碎带中有许多断层面组合，每个断层面上均有泥质物，有的呈层状分布

岩体结构面抗剪强度参数c、ø值很低，常是抗滑稳定分析中的控制因素

糜棱岩

在结晶岩中的断层居多数

岩块研磨作用后，失去结晶岩石原有的外貌，大都由研磨的碎屑粉以及各微小的岩粒胶结而成，一般胶结较牢

抗压强度由数兆帕到十余兆帕

角砾岩

被挤压碎，并有一定转动。

其中未胶结的角砾岩多发生于软硬相间的岩体之中

多为有棱角的岩块及半浑圆形岩块，大小几何形态不一，岩块一般均较坚硬

有胶结的

硅质、钙质、铁质等胶结者则较坚牢，泥质胶结者则不坚牢

方解石、石英等岩脉所充填胶结不太坚牢

一般较好，其中软弱泥化夹层的工程地质性能较差

未胶结的

为杂乱无章的碎屑岩块及岩粉和泥质物的复杂组成物。

岩块之间的空间为泥质物所充填或坚硬的岩块被较弱泥质物所包裹

性质很差，若有地下水存在问题更严重

压碎岩

多发生在坚硬岩层中，被切割成带棱角的岩块

不规则的网状裂隙常充填松散的碎屑和粉粒；或充填各种岩脉，如方解石脉、石英脉、绿帘石脉等

一般彼此镶嵌咬合甚牢，工程地质特性较好。

如存在软弱泥化结构面仍有塌方可能，需具体分析

劈理带破碎岩

多发生于硬脆的岩体中

呈高密度的裂隙带，基本上是原地破裂的。

裂隙面无明显擦痕及光滑镜面，如压劈理或破劈理。

较压碎岩要完整些，但有明显的方向性

开挖面与其平行，易滑坍；受垂直力时易压缩变形，沿劈理带易渗水

褶皱扭曲带破碎岩

多发生在软弱柔韧的薄层岩层中

与构造破碎带紧密相连，可为断层拖拉影响，也可为与其它构造岩同时卷入的破碎带，往往伴生一系列小断层。

岩石扭曲破碎并有泥质条带

具有连续变形的特点，本身阻水，接壤部常有渗水

表11-1-3断层对坝基可能产生的不利影响

断层

可能产生的不利影响

走向

部位

倾角，以及与不利构造面组合

重力式、支墩坝型

拱坝、拱型重力坝

走向与河流平行或接近平行（斜切）

贯穿河床坝基

倾角≥50°

集中渗漏，坝基不均匀变形

贯穿岸坡坝基

倾角≥60°

集中渗漏，墩基岩体裂隙侧向张拉变形或削弱下游坡脚

集中渗漏，侧向压缩变形，下游边坡岩体应力集中

倾向河床，与其他构造组合，或被下游冲刷深坑深切

防渗帷幕破裂。

构成局部滑动或边坡不稳定

防渗帷幕破裂，拱座局部不稳定

贯穿坝头（或坝肩）

倾角陡直，倾向河床，与不利构造面结合

施工期坝肩岩体失稳，绕坝渗漏

坝头压缩变形过量，坝肩整体不稳定

走向与河流垂直或接近垂直（斜切）

坝前沿（坝踵）

倾角≥60°或倾向下游

防渗帷幕被拉裂。

坝基不均匀变形

坝基

倾角≥60°

坝基不均匀变形。

阻隔渗流，恶化渗压

阻隔渗流，恶化渗压。

拱座变形不均匀或岩体应力集中

倾角≥60°，上游有反倾角构造面组合

向断层压缩位移

梁向断层压缩变形

倾角平缓，倾向下游。

坝后不利构造面组合

构成滑动面

梁的抗滑稳定安全系数降低

坝后

倾向上游，延伸入基础应力扩散范围内

压缩位移

拱座变形过量，降低整体安全度

倾向下游，被大构造或冲刷坑深切

形成深层滑动临空面

拱座岩体单薄或不稳定

1.断层破碎带的处理原则

（1）处理工作应安排在工程蓄水运行之前完成，最好在其上部（或邻近）建筑物施工以前进行。

（2）断层破碎带处理，应尽量采用明挖、回填混凝土的方式。

对坝基深部缓倾角或位于坝头、坝肩部位的断层，可采用洞挖混凝土置换、水泥灌浆、化学灌浆、预应力锚固等方法。

（3）在设计、施工中要防止由于断层破碎带的处理而引起岩体的应力释放、变形或爆破扰动、松动滑移等问题，并采取相应的有效措施。

（4）断层破碎带开挖要遵循自上而下的施工原则，并作好安全支护，必要时应分段、分层开挖、回填。

（5）在组织实施断层破碎带处理的全过程中，设计、地质、施工和质量检查及监理部门要密切配合，及时研究处理施工中出现的问题。

（6）断层处理往往是建筑物地基开挖清理的延续和混凝土浇筑的前一道工序，其施工布置和主要机械设备、辅助设施等，一般可在这两个工序的基础上进行调整、充实和配套。

为便于在断层带的狭窄槽坑内施工，宜采用轻便、灵巧、效率高的通用机具和设备。

2.断层处理的要求和类型

2.1断层处理要求

断层经过处理后，应满足下列要求：

（1）具有足够的强度，能直接或通过岩体承受和传递坝体的荷载；

（2）与围岩接触良好，具有相似的弹性模量，减少地基不均匀沉陷或限制地基变形；

（3）提高岩基的整体性，确保坝体或岩体在施工、运行期间的抗滑稳定性；

（4）具备良好的抗渗性，防止集中渗漏，降低渗透压力，防止产生渗透变形。

（5）具备排水条件，降低扬压力。

2.2断层处理的型式和适用范围

断层处理必须结合具体工程的实际情况，综合考虑下列因素：

（1）断层所处部位、产状、宽度，破碎带组成物和周围岩体的性质、力学指标，断层和其它弱面（构造面、临空面等）的不利组合对岩体和水文地质等构成的影响，及与此有关的不同破坏机理、方式；

（2）水工建筑物的工作条件、布局和对地基提出的要求，以及调整上部结构使之与地基工作条件相协调的可能性；

（3）现场施工条件，施工技术水平、设备，可能达到的工程实际效果和已有的工程经验等。

按断层缺陷对坝体、坝基可能构成的主要问题，断层处理的主要目的，断层处理可以采取的各种型式分别如表11-1-4、表11-1-5和表11-1-6所示。

表11-1-4直接承受和传递坝体荷载的断层处理形式

措施

图示

适用范围

1.主要承受垂直荷载

1.1混凝土塞

断层宽度0.6m～2.0m，倾角陡

1.2混凝土拱

断层宽度大于4m，倾角陡，两侧岩面坚硬且较完整

1.3混凝土梁

断层宽度2m～4m，或缓倾角

1.4混凝土深塞（梁）

断层宽度大于4m，位于高坝坝趾或防渗帷幕轴线段

续表11-1-4

措施

图示

适用范围

1.5混凝土洞挖浅塞

狭谷河床，深槽或者施工特殊需要。

要有充分回填灌浆条件

1.6混凝土支

撑体或垫座

深挖基坑的坝趾（踵）外岩体坚硬可靠。

断层狭小，荷载不大的支墩基础

2.主要承受水平荷载

2.1混凝土塞（或梁）

断层窄且陡

2.2混凝土

深塞

陡坡段断层窄，倾角陡，荷载大

2.3混凝土

深梁

陡坡段断层宽或者倾角缓荷载大

2.4混凝土传力洞

荷载大。

坝头有断层组，影响带宽，裂隙发育，或断层间岩石较坚硬，施工开挖困难，工作量大

续表11-1-4

措施

图示

适用范围

2.5混凝土传力槽

坝头地形狭窄，岩体较硬，荷载大或坝头有断层组

2.6混凝土剪力洞

坝肩有不利的地质构造组，断层产状陡、狭、平整，岩性坚硬尚完整

表11-1-5传递基岩中荷载的断层处理形式

措施

图示

适用范围

1用于控制地基压缩或沉陷变形

1.1混凝土深塞（梁）

断层横（斜）切高坝的坝趾或拱座下游侧，倾向上游倾角较缓或者倾角陡，但有平缓反倾角构造组合

1.2洞挖整体式混凝土墙体

切割坝肩、坝趾的断层，延伸到坝底（拱座）应力工作范围内，倾角平缓，贯穿河床坝基，岩体不完整，但地基应力仍不小

续表11-1-5

措施

图示

适用范围

1.3洞挖框架式（竖井加平洞）混凝土体

同上情况，但围岩较完整、坚硬

1.4防沉井

断层平缓，倾向岸坡，围岩较完整坚硬

1.5大口径直孔混凝土管柱群

河床段断层窄、陡、较平整

1.6钻孔混凝土连锁桩

坝基内断层窄小，较平整，围岩完整坚硬

1.7高压水泥灌浆或化学灌浆

灌后构造岩变形模量提高，能满足工程需要，或与其它措施配合使用

2.用于保持坝体和岩体稳定

2.1洞挖整体式抗滑混凝土墙

倾角较陡，有反倾角平缓构造组合，承受坝基压力和剪力，荷载大。

或岩体较破碎

2.2抗滑键或框架式抗滑键群

倾角平缓，较平整，岩体坚硬。

受水平剪力

2.3抗滑斜井或框架式井群

纵贯岸坡或坝肩，倾角陡，改善边坡稳定

2.4剪力洞

纵贯坝肩陡直断层或断层交汇带，围岩坚硬完整。

在抗剪基础上改善应力状态

2.5预应力锚束

断层倾角较陡，围岩完整，不宜作开挖、置换处理

2.6预应力锚固洞

断层倾角较陡，围岩完整

2.7喷锚结合

断裂不发育，不需开挖处理，防止断裂发展

2.8抗滑桩

断层倾角较缓，围岩较完整

表11.1.6防止集中渗漏、排水降低渗透压力的断层处理形式

序号

措施

适用范围

1

混凝土竖（斜）井

纵贯河床、岸坡坝基。

断层较陡、较宽或破碎带松散、渗透稳定差。

围岩稳定

2

混凝土塞下接水泥或化学帷幕灌浆

破碎带属相对弱透水体，结构挤压较紧密，不同程度被胶结，两侧集中渗漏

3

混凝土截水深墙

构造面平缓，夹泥，分布广而无可灌性

4

排水孔（幕）

布置在横（斜）切断层的上游一侧

5

排水隧洞或排水孔、洞系统

布置在纵贯坝头断层的迎河床一侧或横切坝肩断层的迎上游一侧岩体

第二节断层混凝土塞

1.断层开挖

1.1开挖深度

确定断层开挖深度的方法有：

（1）按混凝土塞结构尺寸决定的开挖深度。

见表11-2-1。

（2）按固端梁确定开挖深度。

一般适用于宽度大于4m的断层破碎带。

开挖深度根据坝基应力值，构造岩与新鲜完整岩石的弹性模量的比值，以及断层破碎带的产状、宽度等因素通过计算确定，一般为断层破碎带底部宽度的0.5～1.0倍，可按图11-2-1查得断层开挖深度。

或按经验公式确定开挖深度，经验公式见表11-2-2。

表11-2-1断层开挖