《水文地质学-绪论》PPT课件.ppt

绪论,0.1工程地质学的研究对象与任务,0.1.1定义,0.1.2研究对象（工程建筑物与地质环境的关系）,0.1.3研究任务,0.1.4工程建筑对地质环境的作用,0.1.5工程地质条件,0.1.6工程地质问题,0.2工程地质学的研究内容（由研究任务决定）,0.3工程地质学的研究方法,0.4工程地质学与其它学科的关系,0.5工程地质学的发展,绪论,0.1工程地质学的研究对象与任务,0.1.1定义,“工程地质学”是地质学的分支学科，它研究与工程建设有关的地质问题，为工程建设服务，属于应用地质学的范畴。,工程建筑物建造于地壳表层一定的地质环境中。地质环境以一定的作用，影响建筑物的安全、经济和正常使用；,而建筑物又反馈作用于地质环境，使自然地质条件发生变化，最终又影响到建筑物本身。,0.1.2研究对象：工程建筑物与地质环境的关系（相互制约，相互联系）,绪论,二者处于既相互联系，又相互制约的矛盾之中。工程地质学研究二者之间的关系，促使二者之间的矛盾转化和解决。这一整套研究的核心是：工程建筑与地质环境二者之间的相互制约和相互作用，这就是工程地质学的研究对象。,工程地质研究,工程建筑,地质环境,协调,安全可靠经济合理运行正常,不会因工程的兴建而恶化,绪论,0.1.3工程建筑对地质环境的作用,绪论,绪论,绪论,0.1.5工程地质条件,绪论,工程建筑物类型多种多样，无论地面之上、之下，都脱离不了地壳，都与地质环境息息相关。随着科技的发展，工程建筑物向高、深、大、精变化，与地质环境的相互作用也愈来愈复杂。工程建筑对地质环境的作用，主要是：通过应力变化和地下水动力特征变化而表现出来的。例如：,建筑物自身重量对地基岩土体施加的荷载坝体所受库水位的水平推力开挖边坡和基坑形成的卸荷效应地下洞室开挖对围岩应力的影响都会引起岩土体内的应力状况发生变化，使岩土体产生变形甚至破坏。,一定量的变化是允许的，过量的变形甚至破坏建筑物使建筑物失稳。,绪论,建筑物的施工和建成经常会引起地下水的变化，从而给工程和环境带来危害，如：,工程建筑物对地质环境作用的性质和强度，取决于：,产生岩土的软化和泥化地基砂土液化道路冻害坝基渗透变形隧道涌水矿区地面塌陷。,建筑物的类型、规模和结构；场地的工程地质条件（往往起决定性的作用）,绪论,0.1.4工程地质条件,定义：指与工程建筑有关的地质因素的综合。地质因素包括：岩土类型及其工程性质、地质结构、地貌、水文地质、工程动力地质作用、天然建筑材料等方面，是一个综合概念。查明和认识建筑场区的工程地质条件（工程地质勘查）是兴建任何一建筑物的首要的任务。工程地质条件是在自然地质历史发展演化的过程中形成的，它反映地质发展过程及后生变化，即内、外动力地质作用的性质和强度。,绪论,认识工程地质条件必须从基础地质入手，了解研究区的地质发展历史，各要素的特征及其组合规律。工程地质条件的优劣取决于各个要素是否对工程有利。,1）岩土类型及性质岩坚硬完整的岩石（花岗岩等），强度高，性质良好；页岩、粘土岩及泥质胶结的砂砾岩和遇水膨胀、易溶解的盐类，软弱易变，性质不良。断层岩和构造破碎岩更软弱，这类岩石都不利于地基稳定。土颗粒的分选程度及排列状况，颗粒的稳定性。,绪论,2）地形地貌条件对建筑场地的选择，特别是对线性建筑如铁路、公路、运河、渠道等的线路方案意义重大如能合理利用这些地貌条件，不但能大量节省挖填土量，节约大量投资，而且对建筑物群体的合理布局、结构型式、规模以及施工条件等也有直接影响。,绪论,3）地质结构包含了地质构造、岩体结构、土体结构及地应力等它是一项控制性意义的要素，对岩体尤为重要。地质结构控制了一个地区的构造格架、地貌特征和岩土分布断层，有时活断层，常给建筑带来较大危害。在选择建筑物场地时，必须注意断层的规模、产状及其活动性。,土体结构主要是指不同土层的组合关系，厚度及空间变化。岩体结构除构造外，更重要的各种构造面的类型、特征和分布规律。不同结构类型的岩体其力学性质和变形破坏的力学机制各部相同。结构面愈发育，特别是含有软弱结构面的岩体，其工程性质愈差。,绪论,4）水文地质条件是决定工程地质条件优劣的重要因素,地下水位较高，一般对工程不利，地基土含水量大，粘性土处于塑态甚至流态，容许承载力降低。道路易发生冻害；水库常造成浸没；隧洞、基坑开挖需进行排水。地质灾害的发生多与地下水的参与有关，甚至起主要作用。,绪论,5）物理性质现象是指对建筑物有影响的自然地质作用和现象地壳表层经常受到内、外动力地质作用的影响，对建筑物的安全威胁很大，所造成的破坏往往也是空前的。例如，地震的破坏性；滑坡、泥石流的灾难性。只考虑工程本身的坚固性是不行的，必须充分注意其周围存在哪些物理性质现象，对工程的安全有何影响，并研究其发生、发展的规律性（概率等），及时采取防止措施。,绪论,6）天然建筑材料是指供建筑用的土料和石料。天然建筑材料有无，对工程造价有较大的影响，其类型、质量、数量以及开采运输条件，往往成为选择场地，拟定工程结构类型的重要条件。,水利水电天然建筑材料勘察规程,绪论,0.1.5工程地质问题,定义：指工程地质条件与建筑物之间所存在的矛盾。,优良的工程地质条件能适应（满足）建筑物的安全、经济和正常使用的要求，其矛盾不会激化到对建筑物造成危害；然而工程地质条件往往有一定的缺陷，而对建筑物产生严重的，甚至灾难性的危害。,【视频】工程地质问题,绪论,所以，一定要将矛盾的两个方面联系起来进行分析，由于工程建筑的类型、结构型式和规模不同，对地质环境的要求也不同，所以工程地质问题复杂多样。例如：工业民用建筑地基承载力和地面沉降；露天采矿场边坡稳定坍塌；水力水电工程中：土石坝坝基渗透变形和渗漏；混凝土坝体坝基抗滑稳定；拱坝拱肩稳定,绪论,土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游,两端紧贴着峡谷壁。平面上向上游弯曲，呈曲线形、能把一部分水平荷载传给两岸的挡水建筑，是一个空间壳体结构。,绪论,绪论,重力坝：主要依靠自身重量抵抗外力作用，以保持稳定的混凝土坝或砌石坝。,绪论,工程地质问题分析：一方面，要了解工程的意图，即工程设计人员对建筑物的结构和规模的构想，以便了解工程的要求；另一方面，要充分分析工程地质条件，深入了解哪些因素是有利的，哪些因素是不利的，充分认识客观情况。工程地质问题分析还能够起到指导勘察的作用，为合理选用勘察手段，布置勘察工程量提供依据。,绪论,例1美国加利福尼亚州圣弗朗西斯坝为一高70m的混凝土坝，修成蓄水后两年，于1928年被冲垮。原因是坝基部分存在泥质胶结，并含有石膏脉的砾岩，遇水受溶蚀崩解，成为坝基岩体的软弱部位。如果做好地质工作，查清隐患，工程地质问题能够予以妥善处理的。,例2意大利瓦伊昂水库总库容1.69亿立方米，坝高265.5m，为混凝土双曲拱坝。水库左岸为潜在滑移区，施工中已发现岸坡不稳定，并做过一些稳定性研究工作，发现有蠕变现象，蓄水后又出现了局部崩塌，滑坡征兆明显。,绪论,但研究人员认识不足，而且作了错误判断，未能及时采取有效对策和措施。水库蓄水三年后的1963年10月，左岸2.7亿3.0亿立方米岩体突然下滑，巨大的滑体速度极快，冲力极大，落入水库激起的涌浪，超过坝顶100m，水流溢过坝面一泻而下，冲毁了下游的5个村镇，死亡近3000人，酿成了震惊世界的地质灾害。水库被滑坡体填满，成为石库，水库完全失效报废，举世最高的混凝土拱坝则屹立无恙。究其原因还是有由于工程地质工作没有做好。,工程地质条件,阐明,有利,不利,工程地质问题,论证,定性,定量,工程建筑物,拟定防治和改善方案措施,提供依据,建筑场址,配置建筑物,影响,预测发展演化趋势,提出对地质环境合理利用和保护的建议,保证建筑物正常使用所应注意的地质要求,建议,建筑类型、规模、结构和施工方法,矛盾,绪论,0.1.6研究任务,工程地质学为工程建设服务是通过工程地质勘察来实现的。工程地质学的主要任务是：1）阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利和不利的因素；2）论证建筑物所存在的工程地质问题，进行定性和定量的评价，做出确切的结论；3）选择地质条件优良的建筑场址，并根据场址的地质条件合理配置各个建筑物；,绪论,4）研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，并提出对地质环境合理利用和保护的建议；5）根据建筑场址的具体地质条件，提出有关建筑类型、规模、结构和施工方法的合理建议，以及保证建筑物正常使用所应注意的地质要求；6）为拟定防治和改善不良地质作用的措施方案提供地质依据；,工程地质师工程建设的基础工作，工程地质工作人员只有和工程设计人员、施工人员密切协作，才能完成上诉1-6条任务。,绪论,0.2工程地质学的研究内容（由研究任务决定）,1）岩土工程性质的研究地球上任何建筑均离不开岩土体，无论是分析工程地质条件，还是评价工程地质问题，首先要对岩土的工程地质性质进行研究。研究内容包括：岩土的工程地质性质及其形成变化规律，各项参数的测试技术和方法，岩土体的类型和分布规律，以及对其不良性质进行改善等。工程岩土力学（Scienceofergineeringrockandsoil）,绪论,0.2工程地质学的研究内容（由研究任务决定）,2）工程动力地质作用的研究地壳表层由于受到各种自然营力，包括地球内力和外力作用，还有人类的工程-经济活动，影响建筑物的稳定和正常使用。这种对工程建筑有影响的地质作用，即工程动力地质作用。习惯上将由于自然营力引起的各种地质现象叫做物理地质现象，由于人类工程-经济活动引起的地质现象叫做工程地质现象。研究工程动力地质作用（现象）的形成机制、规模、分布、发展演化的规律，所产生的有关工程地质问题，对它们进行定性和定量的评价，以及有效地进行防治、改造。工程动力地质学(Engineeringdynamicgeology),绪论,3）工程地质勘察理论和技术方法的研究为了查明建筑场区的工程地质条件，论证工程地质问题，正确地作出工程地质评价，以提供建筑物设计、施工和使用所需的地质资料，就需进行工程地质勘察。不同类型、结构和规模的建筑物，对工程地质条件的要求以及所产生的工程地质问题各不相同，因而勘察方法的选择、工作的布置原则以及工作量的使用也是不相同的。,绪论,为了保证各类建筑物的安全和正常使用，首先必须详细而深入地研究所能产生的工程地质问题，在此基础上安排勘察工作。应制订适用于不同类型工程建筑的各种勘察规范或工作手册，作为勘察工作的指南，以保证工程地质勘察的质量和精度。在当前工程地质勘察中，尤其要研究新颖的勘察理论和新技术方法的应用，使勘察工作更为快速、轻便、有效。专门工程地质学（Specialengineeringgeology）,绪论,4）区域工程地质的研究区域工程地质是为工程规划设计提供地质依据的。自然地质条件的区域性工程地质条件的区域性工程地址问题的区域性研究内容：认识并掌握广大地域工程地质条件的形成和分布规律，预测这些条件在“人类工程经济活动”影响下的变化规律，并按工程地质条件进行区划，作出工程地质区划图，为工程建设的区域规划、改造不良区域工程地质条件提供依据。区域工程地质学（Regionalengineeringgeology）,绪论,0.3工程地质学的研究方法,0.3.1自然历史分析法定性,是地质学的方法，是工程地质学最基本的一种研究方法。研究的对象地质体和各种地质现象，是自然地质历史过程中形成的，而且随着所处条件的变化，还在不断地发展演化着。对一个动力地质作用或建筑场地进行工程地质研究时，首先就要作好基础地质工作，查明各项自然地质条件和各种地质现象，以及它们之间的关系，预测其发展演化的趋势及结果。只有这样，才能真正查明研究地区的工程地质条件，并作为进一步研究工程地质问题的基础。,绪论,例如，对斜坡变形与破坏问题进行研究时，要从研究形态入手，确定斜坡变形与破坏的类型、规模及边界条件，分析斜坡变形、破坏的机制及各项影响、控制因素，以展现其空间分布格局，进而分析其形成、发展演化过程和发育阶段。从空间分布和时间序列上揭示其内在的规律；并且还要预测在人类工程经济活动下的变化情况，为深入进行斜坡稳定性工程地质评价奠定基础。,又如，研究坝基抗滑稳定性问题时，首先必须查明坝基岩体的地层岩性特点、地质结构及地下水活动条件，尤其要注意研究软弱泥化夹层的存在和岩体中其它各种破裂结构面的分布，及其组合关系，找出可能的滑移面和切割面以及它们与工程作用力的关系，研究滑移面的工程地质习性，以作为进一步研究坝基抗滑稳定的基础。局限：不能完全满足工程地质评价的要求的，因为它终究属于定性研究的范畴，并没有数量的概念。,绪论,0.3.2数学力学分析法,是在自然历史分析的基础上开展的。对某一工程地质问题或工程动力地质现象，在进行自然历史分析之后，根据所确定的边界条件和计算参数，运用理论公式或经验公式进行定量计算。,例如，在斜坡稳定性计算中通常采用的刚体极限平衡理论法，就是假定斜坡岩土体为刚体的前提下，将各种作用力以滑动力和抗滑力的形式集中作用予可能的滑移破坏面上，求出该面上的边坡稳定系数，作为定量评价的依据。为了搞清边界条件和合理地选用各项计算参数，就需要进行工程地质勘探、试验，有时则要耗费巨大的资金和人力。所以除大型或重要的建筑物外，一般建筑物往往采用经验数据类比进行计算。,绪论,由于自然地质条件比较复杂，在计算时时常需要把条件适当简化，并将空间问题简化为平面问题来处理。一般的情况是，先建立一地质模型(物理模型)，随后抽象为数学模型，代入各项计算参数进行计算。当前由于现代电子计算技术的发展，各种数学、力学计算模型愈来愈多地运用于工程地质领域中。弹性力学和弹塑性力学理论的有限单元法也日益广泛地应用于斜坡稳定性、坝基抗滑稳定性、地面沉降及水库诱发地震危险性等的分析计算。这种方法在计算空间问题、非均一，非线性的复杂课题时更显示它的优越性。此外，模糊数学、数量化方法、灰色理论、逻辑信息法等的引入，为工程地质定量评价开辟了新的途径。,绪论,0.3.3数学模拟试验法,模型模拟试验法在工程地质研究中也常被采用，它可以帮助我们探索自然地质作用的规律，揭示某一工程动力地质作用或工程地质问题产生的力学机制，发生，发展演化的全过程，以便我们作出正确的工程地质评价。因为，有些自然规律或建筑物与地质环境相互作用的关系可以用简单的数学表达式来表示；而有些数学表达式则十分复杂而难解，甚至因不易发现其作用的规律而无法用数学表达式来表示，在这种情况下，采用模型模拟试验则更为有益。,绪论,进行模型模拟试验必须要有理论作指导，除了工程力学、岩体力学、土力学、水力学、地下水动力学等理论指导外，还必须有量纲原理和相似原理作指导。地下水渗流的电网络模拟试验等。,量纲原理：任何物理量之间的关系式都应满足量度单位变换不变性,相似原理：由于许多力学问题很难用数学方法去解决，必须通过实验来研究。然而直接实验方法有很大的局限性，其实验结果只适用于某些特定条件，并不具有普遍意义，因而即使花费巨大，也难能揭示现象的物理本质，并描述其中各量之间的规律性关系。,绪论,还有许多现象不宜进行直接实验，例如飞机太大，不能在风洞中直接研究飞机原型的飞行问题；而昆虫的原型又太小，也不宜在风洞中直接进行吹风实验；况且，直接实验方法往往只能得出个别量之间的规律性关系，难以抓住现象的本质。我们更希望用缩小的飞机模型或放大的昆虫模型进行研究。那么我们最关心的问题就是从模型的实验结果所描述的物理现象能否真实再现原来物理现象？如果要使从模型实验中得到的精确的定量数据能够准确代表对应原型的流动现象，就必须在模型和原型之间满足以下的相似性。相似是指组成模型的每个要素必须与原型的对应要素相似，包括几何要素和物理要素，其具体体现为由一系列物理量组成的场对应相似。对于同一个物理过程，若两个物理现象的各个物理量在各对应点上以及各对应瞬间大小成比例，且各矢量的对应方向一致，则称这两个物理现象相似。,绪论,模型试验与模拟试验的区别，在于试验所依据的基础规律是否与实际作用的基础规律一致。例如用渗流槽进行坝基渗漏试验，是属于模型试验的方法，因为试验所依据的是达西定律，与实际控制坝基渗漏的基础规律相同。但若用电网络法进行这种试验，则属于模拟试验的方法，因为试验是以电学中的欧姆定律为依据的；欧姆定律与达西定律形式上虽然相似，而本质上则根本不同。,绪论,在工程地质中常见的模型试验有：地表流水和地下水渗流作用；斜坡稳定、地基稳定、水工建筑物抗滑稳定；地下洞室围岩稳定；其它工程岩土体稳定性的试验。常用的模拟试验有:光测弹性和光测塑性模拟试验；以及模拟地下水渗流的电网络模拟试验等。,绪论,绪论,0.3.4工程地质类比法,工程地质类比法在工程地质研究中也是常用的一种方法，可以用于定性评价，也可作半定量评价。它是将已建建筑物工程地质问题的评价经验运用到自然地质条件与之大致相同的拟建的同类建筑物中去。很显然，这种方法的基础是相似性，即自然地质条件、建筑物的工作方式、所预测的工程地质问题性质都应大致相同或近似。它往往受研究者的经验所限制。由于自然地质条件等不可能完全相同，类比时又往往把条件加以简化，所以这种方法是较为粗略的；一般适用于小型工程或初步评价。目前在评价斜坡稳定性中常用的“标准边坡数据法”“标准边坡数据法”即属此法。,绪论,0.4工程地质学与其它学科的关系,地质学的分支,动力地质学矿物学岩石学构造地质学地史学第四纪地质学地貌学水文地质学,工程地质学,力学,数学,高等数学应用数学,工程力学弹性力学土力学岩体力学,工程建筑学,环境学,生态学,物理学,普通化学,胶体化学,物理化学,基础,