第五节　重力坝的地基处理

重力坝工作时，作用在坝上的水压力、浪压力、泥沙压力、地震力及坝体自重等荷载使坝体产生应力。同时，通过坝体将这些荷载传给地基，使地基受到很大的压力和剪力作用。因此重力坝的地基应有足够强度，受力后有较小的变形；有较小的透水性和较强的抗侵蚀性；岩基应完整，没有难以处理的断层、破碎带等，而天然地基由于长期经受地质作用，一般存在风化节理裂隙等缺陷，有时还有断层、破碎带和软弱夹层，一般较难满足上述要求，因此需要采取适当的处理措施。

地基处理的主要任务有：①防渗和排水，降低扬压力，减少渗漏量；②提高基岩的强度和整体性，满足强度和抗滑稳定的要求。

地基处理的主要内容有：①坝基开挖及清理；②坝基加固处理；③坝基防渗处理；④坝基排水。

一、坝基的开挖清理

地基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的岩基上。开挖深度应根据坝基应力、岩体强度以及坝基整体性、均匀性、抗渗性和耐久性等，结合上部结构对地基的要求和地基加固处理的效果、工期和费用等研究确定。按照《混凝土重力坝设计规范》（SD 319—2005），100m以上的混凝土重力坝需建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上；坝高50～100m时，可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化的中部至上部基岩上；两岸地形较高部位的坝段，可适当放宽。为保护坝基面完整，宜采用梯段爆破、预裂爆破，最后0.5～1.0m用小药量爆破。

重力坝的基坑形状应根据地形地质条件及上部结构的要求确定，坝段的基础面上、下游高差不宜过大，并略向上游倾斜，若基础面高差过大或向下游倾斜，应开挖成带钝角的大台阶状。

在坝体混凝土浇筑之前需用风镐或撬棍清除坝基面起伏度很大的和松动的岩块，用混凝土回填封堵勘探钻孔、竖井和探洞等，对坝基面进行彻底清理和冲洗，保证混凝土与岩基面黏结牢固。

（1）对断层破碎带的处理。对于倾角较陡、走向近于顺河流流向的断层破碎带可采用开挖回填混凝土的措施做成混凝土塞，如图4-31所示。在选择坝址时，应尽量避开走向近于垂直河流流向的断层破碎带，因为它将导致坝基渗透压力或坝体位移增大，如难以避开，其开挖深度应适当加大。

（2）对软弱夹层处理。当夹层埋藏较浅时可在坝踵或坝趾部位做混凝土深齿墙，切断软弱夹层直达完整基岩，对埋藏较深较厚、倾角平缓的软弱夹层，可在夹层内设置混凝土塞，或在岩体内设置预应力锚索，如图4-32所示。

（3）对溶洞的处理。浅层溶洞可直接开挖清除充填物，冲洗干净后回填混凝土，深层溶洞如尺寸不大可进行帷幕灌浆，规模较小时可采用回填方法处理。

对岸坡较陡的坝段，在平行坝轴线方向宜开挖成有足够宽度的台阶状，并使水平台阶位于坝段的下部，斜坡位于坝段的上部，如图4-33（a）所示；避免在同一坝段内的岩基面出现较大的凸角，如图4-33（b）所示。若岸坡特别陡，可采取其他结构措施，如锚筋、横缝灌浆等，以确保坝段的侧向稳定。对于岸坡特别陡的中低坝情况，如果岸边岩体没有倾向河床的结构面，可将岸坡开挖成较大的台阶，使每一坝段基本建在各自的平台上，将横缝设置在台阶的凸角处，如图4-33（c）所示，不需作横缝灌浆处理。

二、坝基的加固

对重力坝地基加固的有效措施除开挖清理外就是固结灌浆。

固结灌浆是在坝基大面积范围内布置浅孔，用低压水泥浆或水泥砂浆进行灌注以提高基岩的整体性和强度的地理处理方法。

固结灌浆的目的是：提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。现场试验表明，在节理裂隙较发育的基岩内进行固结灌浆后，基岩的弹性模量可提高2倍甚至更多，在帷幕范围内先进行固结灌浆可提高帷幕灌浆的压力和灌浆效果。

固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近以及节理裂隙发育和破碎带范围内。灌浆孔呈梅花状或方格状布置（图4- 34）：孔距、排距和孔深取决于坝高和基岩的构造情况。孔距一般为2～4m，孔深5～8m，必要时还可适当加深。帷幕上游区的孔深一般为8～15m。钻孔方向垂直于基岩面。当存在裂隙时，为了提高灌浆效果，钻孔方向尽可能正交于主要裂隙面，但不宜太缓。灌浆时先用稀浆，而后逐步加大浆液的稠度，灌浆压力一般为0.2～0.4MPa，以不掀动岩石为限。必要时，应先浇筑部分坝体混凝土，加大盖重，灌浆压力可达0.4～0.7MPa。

地基下如有溶洞、溶槽，除必要的部位进行回填混凝土或浆砌石之外，还应对其顶部和周围岩体加强回填灌浆、接触灌浆和固结灌浆。

三、坝基的防渗与排水

1.坝基的防渗

帷幕灌浆是在岩基内平行坝轴线钻一排或几排孔，用高压将水泥浆灌入孔中，并把周围裂隙充填起来，胶结成整体，形成一道防渗帷幕。

帷幕灌浆的目的是：降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量。灌浆材料最常用的是水泥浆，有时也采用化学灌浆。化学灌浆的优点是可灌性好、抗渗性强，但较昂贵，且污染地下水质，使用时需慎重，目前已较少采用。

防渗帷幕一般布置在靠近上游坝踵附近或在坝踵与坝内灌浆廊道之间，自河床向两岸延伸。靠近岸坡处也可在坝顶、岸坡或平洞内进行。平洞还可以起排水作用，有利于岸坡的稳定。钻头若为铁砂钻头，则钻孔方向一般为铅直，或略向上倾斜，与竖向夹角一般小于10°，防止钻孔弯曲；若为金刚石钻头，必要时也可有一定斜度，或与主裂隙面垂直，以便穿过主节理裂隙，提高灌浆效果。

当坝下相对隔水层埋藏较深或分布无规律时，可采用悬挂式帷幕，帷幕深度为0.3～0.7倍水头。当坝基下有明显隔水层且埋深较浅时，防渗帷幕应深入到隔水层内3～5m。防渗帷幕靠近坝上游面布置，自河床向两岸延伸，伸入两侧岸坡的范围、深度以及方向应根据工程地质及水文地质条件确定。帷幕的防渗标准和相对隔水层的透水率应根据不同坝高采用下列控制标准：当坝高大于100m时，透水率q＝1～3Lu；当坝高为100～50m时，透水率q＝3～5Lu；当坝高小于50m时，透水率q＝5Lu。透水率的单位Lu（吕容）是指当水压力为1MPa时，每米钻孔长度内注水流量为1L/min时，其透水率为1Lu。

帷幕由一排或几排灌浆孔组成。一般坝高100m以上（含100m）的坝可采用两排，坝高在100m以下可采用一排，对地质条件较差的地段，可考虑增加排数以加强防渗效果。当帷幕由几排灌浆孔组成时，一般仅将其中的一排孔钻灌至设计深度，其余各排孔的深度取设计深度的1/2～2/3。帷幕孔距一般为1.5～3m，排距比孔距略小。施工时，采用逐步加密法，开始孔距可大些，然后在中间加检查孔，如检查孔透水率仍大于允许值，则将检查孔作为灌浆孔继续灌浆，直至满足要求为止。

帷幕灌浆必须在坝体浇筑到一定厚度作为盖重后进行，以保证岩基表层的灌浆压力。但为了使坝能连续浇筑，帷幕灌浆一般都在廊道内进行。帷幕灌浆的压力应通过试验确定，通常在表层部分，灌浆压力不小于1～1.5倍坝前水头；孔底部分不宜小于2～3倍坝前水头，但以不抬动坝体混凝土和不破坏坝基岩体为原则。灌浆材料一般多用普通硅酸盐水泥，灌浆时浆液由稀逐渐变稠。

2.坝基的排水

坝基排水与帷幕灌浆相结合是降低坝基渗透压力的重要措施。重力坝坝基排水通常用排水孔幕，即在坝基面的帷幕孔下游2m左右钻一排主排水孔。对于中等高度的坝，除主排水孔外，还可设1～2排辅助排水孔；高坝可设2～3排辅助排水孔。主排水孔孔距为2～3m，辅助排水孔孔距为3～5m，如图4-35所示。孔深应根据防渗帷幕和固结灌浆深度及地质条件确定。

主排水孔深度约为防渗帷幕深度的0.4～0.6倍；高、中坝坝基主排水孔深度不应小于10m；辅助排水孔深度一般为6～12m。如坝基有透水层，排水孔应穿过透水层。排水孔应在灌浆之后钻孔，以免浆液堵塞排水孔。

对于重要工程，当坝基基岩裂隙发育，单靠排水孔幕尚不足以减少坝基渗透压力时，可做坝基面排水。

四、两岸处理

若岸坡平缓稳定，岸坡坝段可直接建在开挖的岸坡基岩上，如图4-36（a）所示；若岸坡较陡，但基岩稳定，为使岸坡坝段稳定，可考虑把岸坡开挖成梯级，利用基岩和混凝土的抗剪强度增加坝段的抗滑稳定，但应避免把岸坡挖成大梯级，以防在梯级突变处引起应力集中，产生裂缝，如图4-36（b）所示。

当河岸较陡又有顺坡剪切裂隙时，要校核岸坡沿裂隙的稳定性，必要时应开挖削坡，若开挖量大，也可采用预应力锚系钢筋固定岸坡，如图4-36（c）、（d）所示。

有时河岸十分陡峻，以致岸坡段的一部分建在河床，另一部分坐落在岸坡上，如图4-36（d）所示。此时，坝段主要由河床支承，岸坡受力较小，坝段混凝土冷却收缩后，易脱离岸壁产生裂缝。因此，可先在岸壁做钢筋混凝土层，并用钢筋锚系在河岸基岩上，在钢筋混凝土层与坝段之间设临时温度横缝和键槽，而后进行灌浆处理；也可不设横缝，使岸坡段与河岸直接接触，但加设锚系钢筋，以承受温度引起的拉应力。