第六节 重力坝的地基处理

重力坝承受较大的荷载，对地基要求较高。然而天然基岩经受长期地质构造运动及外界因素的作用，多少存在着风化、节理、裂隙、破碎带等缺陷，在不同程度上破坏了基岩的整体性和均匀性，降低了基岩的强度和抗渗能力。因此，必须对地基进行适当的处理，以满足重力坝对地基的下列要求：具有足够的强度，以承受坝体的压力；具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷的要求；具有足够的抗渗性，以满足坝基渗透稳定和减少渗漏的要求；具有足够的耐久性，以防止在水的长期作用下基岩性质发生恶化。地基处理，一般包括坝基开挖清理，对基岩进行固结灌浆和防渗帷幕灌浆，设置基础排水系统，对特殊软弱带如断层、破碎带和溶洞等进行专门的处理。

一、坝基的开挖与清理

坝基开挖就是把覆盖层及风化破碎的岩石挖除，使大坝直接建在坚硬完整的基岩上。坝基开挖的深度，应根据坝基应力情况，岩石强度及其完整性，结合上部结构对基础的要求研究确定。对于高坝应挖到新鲜或微风化下部的基岩；中低高度的坝宜挖到微风化或弱风化下部的基岩；对两岸地形较高部位的坝段，其开挖基岩的标准可比河床部位适当放宽。

坝基开挖的边坡必须保持稳定；在顺河方向，为保持坝体的抗滑稳定，不宜开挖成向下游倾斜的斜面，必要时可挖成分级平台或向上游倾斜；两岸岸坡应开挖成台阶形，以利于坝块的侧向稳定；基坑开挖轮廓应尽量平顺，避免有高差悬殊的突变，以免应力集中造成坝体裂缝；当地基中有软弱夹层存在，且用其他措施无法解决时，也应挖除。

为保持基岩完整性，避免开挖爆破震裂，基岩应分层开挖。当开挖到距设计高程0.5～1.0m的岩层时，宜用手风钻造孔，小药量爆破。如岩石较软弱，也可用人工借助风镐清除。

基岩开挖后，在浇筑混凝土前，需进行彻底的清理和冲洗，清除一切松动的岩块，打掉突出的尖角。基坑中原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。

二、坝基的固结灌浆

混凝土坝工程中，采用浅孔低压灌注水泥浆的方法对坝基进行加固处理，称为固结灌浆，如图4-51所示。

固结灌浆的目的是：提高基岩的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，并提高基岩的抗压、抗剪强度；降低坝基的渗透性，减少渗漏量；在帷幕灌浆旁的固结灌浆还可以提高帷幕的灌浆压力。

固结灌浆的设计除确定范围外，还要确定灌浆孔深、孔距和孔的布置方式。图4-51为固结灌浆孔布置图。

图4-51 重力坝坝基的灌浆示意图

固结灌浆的范围根据大坝基础的地质条件，基岩的受力条件和岩石的破碎情况等而定。当基础岩石比较良好时，有的工程仅在坝基内的上游和下游应力较大的地区进行固结灌浆。在裂隙多、岩石破碎等地区要着重进行固结灌浆。在坝基岩石普遍较差，而坝又较高的情况下，则多进行坝基全面积固结灌浆。有的工程甚至在坝基以外的一定范围内，也进行固结灌浆，如印度的巴克拉重力坝，高226m，全基础面积和坝踵上游15m、坝趾下游18m的范围内均进行了固结灌浆。

固结灌浆孔的布设常采用方格形或梅花形的排列。孔距和排距应根据地质条件并参照灌浆试验确定，一般为3～6m。孔深一般5～8m。局部地区及坝基应力较大的高坝基础，必要时可适当加深，帷幕上游区宜配合帷幕深度确定，一般采用8～15m。为了提高灌浆效果，尽可能使钻孔方向与主要裂隙面相正交。

灌浆压力是决定灌浆效果的重要因素，应根据岩石裂隙发育程度、浆液的浓度以及孔深等因素确定。在不掀动基础岩层的前提下，以取较大的压力为好，一般无混凝土盖重时采用200～400kPa，有混凝土盖重时为400～700kPa。

三、坝基帷幕灌浆

帷幕灌浆是在靠近上游坝基布设一排或几排钻孔，利用高压灌浆填塞基岩内的裂缝和孔隙等渗水通道，在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。其作用是：降低坝基的渗透压力，减少渗透流量；防止坝基内产生机械或化学管涌，即防止基岩裂隙中的充填物被带走或溶滤。帷幕灌浆材料目前最常用的是水泥浆，该材料具有结石体强度高、材料价廉和施工较方便等优点。在基岩裂隙细密、水泥浆灌注困难的地方，可考虑采用化学灌浆材料。化学灌浆具有很好的灌注性能，能够灌入细小的裂隙，不仅抗渗性好，而且耐化学侵蚀性强，但价格昂贵，又易造成污染，使用时需慎重。帷幕灌浆的设计主要是确定帷幕深度、帷幕厚度、灌浆孔布置、灌浆压力等。

防渗帷幕的深度应根据基岩的透水性、坝体承受的水头和降低坝底渗透压力的要求来确定。当坝基下不深处存在明显的相对不透水层时，防渗帷幕应伸入相对不透水层内3～5m［图4-52（b）］，形成理论上的封闭阻水幕。不同坝高所要求的相对不透水层的单位吸水率ω值标准（ω为1m长的钻孔在0.1MPa压力作用下，在1min内的吸水量），见表4-10。对于特高的坝或有特殊情况的地基，相对不透水层的标准应专门研究。

当相对不透水层埋藏较深，帷幕伸到相对不透水层有困难或不经济时，可将帷幕伸到一定深度成为“悬挂式帷幕”，如图4-52（a）所示。此时，帷幕深度可根据降低渗透压力和防止渗透变形等设计要求来确定，一般可在坝高的0.3～0.7范围内选取。若设计采用的渗透压力系数为α，近似假定水头沿渗径均匀削减，则其平均坡降为

L=L₁+2L₃+L₂

式中：L为渗径全长。

因此，要符合设计采用的α，帷幕深度L₃应为

为了保证不发生渗透变形，要求渗透坡降J应小于容许渗透坡降J_a，否则要加深帷幕L₃。

帷幕的设计厚度应根据帷幕灌浆允许的渗透坡降确定，可按下式计算

式中：α为渗透压力系数；H为上下游水位差；J_a为帷幕的允许渗透坡降，其值与帷幕灌浆区的单位吸水率ω或渗透系数有关，可按表4-11选用；（1-α）H为作用于帷幕上下游面的水头差。

图4-52 防渗帷幕的深度和厚度计算图

帷幕的实际厚度决定于灌浆孔的排数，可用下列公式估算

式中：c为孔距；c′=（0.6～0.7）c；c₁为排距，见图4-52（c）。

用式（4-77）确定的帷幕实际厚度应大于或等于按式（4-76）求得的设计帷幕厚度L₄，以满足帷幕渗透稳定的要求。一般情况下，高坝可设两排帷幕灌浆孔，中低坝则设一排，对地质条件较差的地段还可适当增加。由于最大的渗透坡降仅发生在帷幕的顶部，所以当帷幕由数排灌浆孔组成时，一般只需要将其中的一排孔钻灌至设计深度，其余各排的孔深可取设计深度的1/2～2/3。帷幕灌浆孔距一般为1.5～4.0m，具体数值需经现场试验确定。排距略小于孔距。钻孔方向尽可能做成垂直的，以利于施工。必要时也可使钻孔有一定倾斜度，以求穿过更多的裂隙，但倾角不宜过大，一般应在10°以下。

为了减少两岸绕坝渗流的不利影响，帷幕灌浆需要从河床向两岸延伸一定的范围，形成一道从左到右的防渗帷幕。当相对不透水层距地面较近时，帷幕可伸入岸坡与相对不透水层相衔接。当相对不透水层深入岸坡较远时，帷幕可以伸到原地下水位线与最高库水位相交点附近，如图4-53所示。在最高库水位以上的岸坡可设置排水孔以降低地下水位，增加岸坡的稳定性。

图4-53 防渗帷幕沿坝轴线布置示意图

1—灌浆廊道；2—山坡钻进；3—坝顶钻进；4—灌浆平洞；5—排水孔；6—最高库水位；7—原河水位；8—防渗帷幕底线；9—地下水位线；10—蓄水后地下水位线

帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混凝土作为盖重后施工。灌浆压力由试验确定，通常在帷幕顶段不宜小于1.0～1.5倍坝前静水头，在孔底段不宜小于2～3倍坝前静水头，但应以不破坏岩体为原则。水泥灌浆的水灰比常用10∶1～1∶1，在灌浆过程中，由稀浆逐渐加浓。

四、坝基排水设施

坝基虽已进行帷幕灌浆，但并不能完全截断渗流。为了收集并排走由地基渗透来的水，进一步降低坝底扬压力，需在防渗帷幕后设置排水系统，如图4-54所示。

坝基排水系统一般包括排水孔幕和基面排水。主排水孔一般设在基础灌浆廊道的下游侧，在帷幕灌浆完成后钻孔，以免被浆液堵塞。排水孔孔距2～3m，孔径15～20cm，孔深常采用帷幕深度的1/2～1/3，方向则略倾向下游。如地质条件允许，为了充分利用排水的作用，对于高坝，除主排水孔外，还可设辅助排水孔2～3排，中坝1～2排，孔距一般为3～5m，孔深为6～12m。当排水孔的孔壁有坍塌危险或穿过软弱夹层、夹泥裂隙时，为防止渗流冲刷，恶化坝基工作条件，防止排水孔淤堵失效，应采取相应的反滤保护措施。

图4-54 坝基排水系统示意图

1—灌浆排水廊道；2—纵向排水廊道；3—横向排水廊道；4—纵横排水管；5—主排水孔；6—灌浆帷幕；7—辅助排水孔

如基岩裂隙发育，还可在基岩表面设置排水廊道或排水沟、管作为辅助排水。排水沟、管纵横相连形成坝基排水网，但常因施工不慎而被堵塞，难以清理，不如排水廊道有效。纵向排水廊道在一定间距还设有横向排水廊道，以便相互沟通，并在坝基上选择最低处布置集水井，渗水汇入集水井后，用水泵抽水排向下游。

五、坝基软弱破碎带的处理

当坝基中存在较大的软弱破碎带时，如断层破碎带、软弱夹层、泥化层、裂隙密集带则需要进行专门的处理。其目的是：提高软弱带的力学性能，以防止坝基承受荷载时因局部承载能力低而使坝体产生应力集中、不均匀沉陷或滑动失稳；提高软弱带的抗渗能力以防止库水沿软弱带发生大量渗漏、管涌或增加坝基扬压力。其处理方式应根据软弱坝基中的位置、倾角的陡缓以及对强度和防渗的影响程度而定。

对于倾角较大或与基面接近垂直的软弱破碎带，常采用混凝土梁（塞）或混凝土拱加固。如图4-55所示。混凝土塞是将软弱破碎带挖除至一定深度后，回填混凝土，以提高局部地区的承载能力。当软弱带的宽度小于2～3m时，混凝土塞的高度（即开挖深度）一般可采用软弱带宽度的1～2倍，且不得小于1m。塞的两侧可挖成1∶1～1∶0.5的斜坡，以便将坝体的压力经混凝土塞（或拱）传到两侧完整的基岩上。若软弱破碎带延伸至坝体上下游边界线以外，为使坝体传来的荷载向上下游均匀扩散，则混凝土塞也应向上下延伸一定的范围，其延伸长度可取为1.5～2.0倍混凝土塞的深度。若软弱破碎带与上游水库连通，还必须做好防渗处理，常用的方法有钻孔灌浆或用大口径钻机钻成套孔，内填混凝土形成连续防渗墙；沿较大的软弱破碎带开挖竖井或斜井并回填混凝土，以截断渗流通道。

图4-55 破碎带处理示意图

1—破碎带；2—混凝土梁或混凝土塞；3—混凝土拱；4—回填混凝土；5—坝体荷载

图4-56 倾角较缓的断层破碎带处理

1—平洞回填；2—斜井回填；3—阻水斜塞；4—表面混凝土梁（塞）；5—破碎带；6—帷幕灌浆孔；7—阻水斜塞井壁固结灌浆

对倾角较小的软弱破碎带，如图4-56所示，由于在ABC范围内形成一个楔形体，其下为斜卧的软弱层，在强度、沉陷和抗渗等方面都存在问题，特别是当有节理裂隙穿过这个地段时，问题就更加严重。为此，除适当加深表层混凝土塞外，还要在较深的部位沿破碎带开挖若干个斜井和平洞，然后用混凝土回填密实，形成由混凝土斜塞和水平塞所组成的刚性支架，用以封闭该范围内的破碎充填物，限制其挤压变形，减少地下水对破碎带的有害作用。

当坝基面以下存在一层抗剪强度很低的软弱夹层，且无法进行明挖处理时，可采用抗滑混凝土洞塞［图4-57（a）］；如有两层以上的缓倾角软弱夹层时，也可采用混凝土抗滑桩或预应力锚索加固［图4-57（b）］，以提高坝体和坝基的抗滑稳定性。

图4-57 软弱夹层的处理两例