水利水电基础工程施工中不良地基的处理技术

侯晓斌

(宁夏回族自治区水利工程定额和质量安全中心,宁夏 银川 750001)

0 引 言

随着我国国民经济飞速发展对电力等能源需求的持续增大，政府规划建设了大量水利水电工程。电站地基作为水利水电工程基础持力层，地质性能的好坏直接影响到水利水电工程整体的质量，更关系到水电设施长久运行的安全性、可靠性、耐久性。一般地，水利水电站选址与建设以选择在地质条件良好的场地为基本原则，但实际工程中往往会遭遇不良地质条件的情形，例如软土地基、强透水性地层、活动性断裂等，传统方法以规避这些不良地区为最优方案，但受地形地势、水利人文、工程经济等条件制约，无法避开不良地质条件的情形也越来越普遍，因此如何经济、安全、快速、有效地选择一种地基处理方法来改造不良地基成为当前迫切需要解决的问题。

1 水利水电工程地基处理的作用与重要性

地基是建(构)筑物坐落的用于支承基础的土体或岩体，对于水利水电工程而言，其主要有支撑水利水电工程设施与阻水隔水的作用。水利水电工程一般为水电站，其与一般建筑工程相似，均是人类工程建设在地基上的建筑体，但又不同于一般的建筑工程，主要表现在建筑不仅要承受水电站垂向压力，还须具有良好的防渗能力、较强的抗水侧压力能力。因此，良好的地基是水电站成败的关键，而良好地运用地基处理技术对保障建筑地基的受力性能、蓄水能力、工程整体稳定性有至关重要的作用，也直接影响到电站的产能。一般地，地基处理上的资金投入占总投资的10%～40%，这也在一定程度上反映出地基处理的重要性。

2 水利水电工程施工中不良地基的危害

2.1 造成土坡失稳

在不良地基中建设水利水电工程时，土坡天然稳定性差，平衡性易发生偏差，静水压力、波浪冲击力等外力长时间作用土坡，改变土坡内部结构，压迫土坡部分结构发生位移，逐步破坏瓦解土坡的整体稳定性，进而造成土坡失稳、水电工程的破坏。土坡失稳是工程施工过程中易遇到的问题，给工程安全带来极大隐患。

2.2 降低地基承载力

地基承载力是地基在不破坏自身内部结构的基础上，单位面积能够承受上部建筑物施加的荷载压力的能力，是确保水利水电工程顺利安全施工、保持长期稳定运行的关键。但当构筑物建设在不良地基上时，由于地基天然结构存在较大缺陷，例如淤泥质软土地基，地基承载力较低，地基不能满足承受上部建筑物压力的要求，建筑工程易于发生失稳、倾斜、倒塌、不均匀沉降等建筑质量问题，甚至引发严重的安全事故。

2.3 导致地基沉降

地基沉降是地基土层在附加应力作用下逐渐压密挤实而发生的一种地基表面下沉现象。地基沉降现象普遍存在，但过大的沉降以及不均匀沉降是建设工程所不能够容忍的问题，它会导致建筑物倾斜、开裂，进而影响其正常使用与安全。地基沉降的因素较多，但广泛分布的不良地质地基土是引发过大沉降的主要因素，局部分布的软弱夹层是导致不均匀沉降的重要诱因。地基沉降会显著增加水利水电工程施工风险，威胁施工人员生命财产安全，影响建筑耐久性，甚至造成重大建筑质量事故。

3 常见不良地基的处理技术

3.1 软土地基处理

软土是指天然含水量大、渗透性小、压缩性强、承载力低、抗剪强度低的一种软塑、流塑性饱和黏土，当软土中含有大量有机质，天然孔隙比大于1时又被称作淤泥质土或淤泥。软土广泛分布于长期处静水环境的湖相、海相、冲积相作用的沿海、内陆地区，而水利水电工程常需在这些软土上修建堤坝设施。软土天然属性决定了其易变形、侧向膨胀、滑动等变形，作为地基时，不加处理会威胁上层建筑的安全。

目前，软土地基处理技术较为成熟，主要方法有换填垫层法(图1)、强夯法、砂石桩法、振冲法、真空预压法(图2)、高压喷射注浆法、水泥粉煤灰碎石桩法等。目前普遍的处理方法有：采用换填垫层法，将软土置换为砂层，减少软土层厚度，并通过垂向预压加速下部软土固结排水，整体提高地基的地基承载力、减少地基沉积量，防止过大沉降的发生；通过施工砂石桩，并施压预压，加速软土的固结排水；当软土厚度较大时，可先施工砂井，铺装塑料排水带，并对地基进行真空预压，促使软土排水固结；对于小型工程，对承载力要求不严格时还可以采用抛石挤淤的方法，但当上部建筑重量大、对地基沉降要求严格、为大型水利水利工程时，宜选用桩基进行处理。桩基的处理方式有石灰桩法，灰土挤密法、CFG桩法等。例如，四川仁宗海水库电站(坝高50 m)对厚度达18 m的淤泥质软土进行处理时采用的是振冲碎石桩,浙江慈溪杜湖水库(坝高17.5 m)对16 m厚的软土进行处理时采用正三角形分布砂井,浙江绍兴汤浦水库(坝高37.2 m)对5 m厚的淤泥质软土进行处理时采用的是振冲碎石桩,云南务坪水库(坝高52 m)对33 m厚的湖积软土进行处理时采用的是振冲碎石桩,加拿大阿尔伯特Mildred水库(坝高43 m)对1 m多厚的泥炭土进行处理时时采用的是分层挖除泥炭土置换砂土的方法,英国贝尔法斯特水库(坝高20 m)对10厚的淤泥进行处理时采用的是砂井，等等。这些成功案例表明，针对不同软土、不同建筑物要求，可以因地制宜地选择不同的地基处理方法。

图1 换填垫层法示意图

3.2 可液化土层处理

砂土液化是指地震等震动源对含水层以下的饱和砂土、粉土颗粒施加强烈震动时，砂土颗粒之间发生相对位移并快速变密，但颗粒间孔隙水未能够排除、水压力急剧上升至接近土压力时，土颗粒的抗剪力急剧下降并接近于零，土像液体一样具备可流动性的一直现象，这时的地基会下沉、滑动，上层建筑失稳甚至倒塌。因此，可液化土层一般指含水层之下的几乎不含黏土的砂土、粉土。对于百年水利工程而言，液化砂土没有抵抗地震的能力，是需要进行地基处理的。可液化土层的地基处理方法主要有换填垫层法，即通过将地基中的饱和砂土开挖置换为具有良好防渗性能、较高强度土层、材料，然后在建筑地基区域建设混凝土防水设施进行封闭处理；也可采用砂石桩法，通过增加地基中砂石含量达到挤密砂石的作用，降低砂土颗粒之间位移能力。

3.3 坝基涌泉处理

坝基涌泉是指坐落于松散土层、发育裂隙、溶洞的基岩中的堤坝，坝内水沿着这些地基空隙向坝外渗水，并不断冲蚀破坏地基，久而久之造成大量水呈泉式在坝外涌出的现象。坝基涌泉危害性极大，不仅造成坝体存水能力下降，还会掏蚀地基本身造成地基破坏，造成坝体不均匀沉降，严重会造成坝身失稳。针对涌泉坝基为基岩的情况，一般采用填筑方法，即对基岩空隙充填防渗体，然后采用从细到粗的碎石分层对基岩空隙进行密实填筑；当涌泉水量过大，需采取引流措施改善填筑环境，也可在涌泉出口安装单向逆止阀门，降低空隙涌水量，直至基岩空隙处满足填筑要求时再进行填筑。

3.4 强透水层处理

强透水层是指地基土为砾石、卵石等强透水地层，地基开挖过程易出现大量的水流失，严重时会出现管涌，导致地基形成固定水流通道，严重威胁建筑物的稳定性。对强透水层的处理方式一般为进行防渗处理，具体的是，施工止水帷幕隔断水下渗途径，在大坝前铺设混凝土或者是黏土，延长渗水路径，对坝前混凝土帷幕灌浆，降低坝前混凝土渗透性，清除透水层中砾石、卵石并进行高压喷射修筑防渗墙。

3.5 弱夹层处理

(1)缓倾角软弱带的常规处理方法是通过开挖揭露软弱夹层，并在清除软弱地层后利用混凝土浇筑替换。如果软弱夹层上部土体较厚或者硬度较大，导致开挖工程量大或开挖不经济时，一般通过实施竖井或平硐的方式来对清除软弱层，并固结灌浆回填混凝土或铺设钢筋混凝土。另外，还可利用防滑齿墙贯穿处理软弱带并通过高压喷射来达到清除软弱层目的。

(2)高倾角软弱带的常规处理方法是挖除软弱带并回填制作混凝土塞。但当临层土质疏松且软弱夹层横向宽度较大时，则需设计混凝土拱、混凝土梁，将软弱层压力向两侧完整岩土体传递再行开挖。为保护坝身填土，可清除部分软弱带后利用黏土、混凝土再回填形成阻水盖板以防止其被渗流冲刷。

4 结束语

不良地基对水利水电工程质量安全造成巨大威胁，准确探测、分析、处理不良地基是保障工程安全的基础。因此，水利水电基础工程施工前，应先对地基进行详细勘察，准确测算地基土的各项力学指标，并对不良地基会对水利水电工程造成的作用能力进行事先预判，然后以科学、经济、安全为原则，根据不同不良地基类型选择合适的处理方案对不良地基进行有效的处理，这样才能保证水利水电工程的顺利完工和长久运行。