复杂岩基条件下重力坝的地基处理措施

2022-09-02刘星星邵阳市水利水电勘测设计院

珠江水运 2022年15期

◎刘星星邵阳市水利水电勘测设计院

重力坝是一种常见的水工建筑物，具有良好的耐久性能，施工简单，能够抵抗地震等突发事件。水利工程中重力坝承载的负荷大，对基础的要求也很高。但由于受长期地质构造活动和外部环境的影响，基岩中或多或少都有风化、节理、裂隙、破碎带等问题，使基岩的整体稳定性和均匀性受到一定的影响，从而导致基岩的强度、抗渗性下降。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：能经受住大坝的荷载；保证了坝基的整体、均匀性，能有效地降低坝基的不均匀沉降；能充分地保证大坝的渗透性，并能降低大坝的渗透率；充分的耐用性，使基岩长期在水中不会变质。地基的处理，主要是坝基开挖清理，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。

1.坝基的开挖与清理

坝基开挖是将坝体表层和风化破裂的岩石挖除，从而将水坝直接建立在坚实而完好的基岩上。坝基的开挖深度要考虑地基的受力状况、岩体的强度和整体性能以及对地基的需求。对高坝，要挖掘到新鲜的或稍有风化下部的基岩；中低高度的坝，要挖到微风化或弱风化下部的基岩；对于地势高处的坝段，其开挖的岩体比河底位置应适当放宽。

坝基开挖时，应保证边坡的稳定性；在顺流方向，为了保证大坝的抗滑稳定性，不能开挖到下游的斜坡，如有需要，可以挖出分层平台或斜坡；为了保证大坝的横向稳定性，两岸边坡可开挖为阶梯状；基坑的施工外形应尽可能平滑，避免出现高差差异较大的突变，防止因应力集中而导致坝体开裂；如果有软弱夹层，且其它方法不能解决时，则要进行开挖处理。

为了保证基岩的完整性，防止爆破产生的裂缝，应采用分层开挖的方法。在开挖至设计高度0.5～1.0 m范围内时，应采用手工钻孔，采用小剂量爆破。如果岩体比较脆弱，可以用手工如风镐来清理。

在基岩开挖完毕后，必须对其进行全面的清洗，要清除所有的松散岩石，要把凸起的棱角敲下来，然后再进行混凝土浇筑。对已勘探的钻孔、井、洞等进行了回填和封堵。

2.坝基的固结灌浆

在混凝土坝施工中，采用浅孔低压注浆技术对坝基进行加固，称为固结灌浆，如图1所示。

灌浆的主要作用是：改善基岩的整体强度和弹性模量，减小基岩的受压变形，并使其抗压、剪强度得到改善；降低坝体渗透率，减小渗漏；在帷幕灌浆边进行固结灌浆，也能增加帷幕灌浆的压力。

固结灌浆的设计除了确定注浆区域，还应确定注浆孔深、注浆孔距、注浆孔的设置。图1所示为固结灌浆孔的布置图。

图1 重力坝坝基的灌浆示意图

注浆的范围取决于坝基的地质状况、基岩的受力状况、岩体破碎状况等。在地基岩性较好的情况下，有些则只需在坝基上游、下游受力较强的区域进行加固。在裂隙多、岩石破碎的区域，应加强固结灌浆。在坝基岩石一般条件下，坝体高度较高时，对坝基进行全面固结灌浆是比较常见的。有些项目还在大坝外的某一区域也要进行加固注浆。

在注浆过程中，一般采用方格形或梅花型布置。钻孔间距和排距要依据现场的地质情况，参考注浆试验，通常为3～4m。孔深通常为5～8m。在坝基有较大应力的地方，可以根据需要进行深挖，而在帷幕的上游，则要根据帷幕的深度来决定，通常为8～15m。在保证注浆质量的前提下，应尽量将井眼的方位垂直于主裂缝面。

注浆压力对注浆的影响很大，其影响程度取决于裂缝发育程度、浆液浓度和孔深。在不掀动基岩的情况下，应尽量选择相对大的压强。无砼盖重时，通常在200～400 kPa之间，有砼盖重时，通常在400～700 kPa之间。

3.坝基帷幕灌浆

帷幕灌浆技术是在在靠近上游坝基附近设置一组或多组的孔洞，通过对基岩内部的裂隙、孔洞等进行高压注浆充填，从而在基岩内部形成较为致密的挡水帘。其目的为：减小坝基渗透压，减小渗流；防止坝基发生机械或化学管涌，也就是阻止基岩裂缝中的填料被排出或溶解。帷幕注浆材料中，水泥是目前应用最广泛的一种，它的特点强度高，材料便宜，施工简单。在基岩裂缝密集、水泥浆难以灌注时，可以考虑使用化学灌浆。它可以注入微小的裂缝中，具有良好的抗渗透能力。但是，它的成本很高，而且容易引起环境的污染，所以要谨慎使用。帷幕灌浆设计包括帷幕深度、帷幕厚度、灌浆孔布局、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。如果不渗透层埋藏较浅，宜将帷幕伸出至相对不渗透层3～5m，见图2（b），从而构成一种理论上的封闭式挡水帷幕。不同坝高所需的相对防水层的单位吸水率 w值（w为1米长的钻孔，在0.1 MPa的压力下，1分钟的吸水量），如表1所示。

表1 帷幕伸入相对不透水层要求

如果相对不渗透层埋得比较深，且帷幕难以触及到相对不渗透的地层，则可以将帷幕伸出一定的深度，形成“悬挂式帷幕”，如图2(a)所示。此时，可根据设计需要，如减小渗透压、防止渗流变形等，深度通常为坝高为0.3～0.7倍。当设计中的渗透压系数是α时，假设水头沿渗径均匀减小，那么它的平均坡降为

式中：L为渗径全长。

因此，要符合设计采用的α，唯幕深度L应为

渗透坡降J须比允许的渗透坡降J小，否则就要使帷幕L加深，以确保不会出现渗透变形。

帷幕的设计厚度由帷幕灌浆容许渗透坡降决定，其计算公式如下

式中，α为渗透压力系数，H为上下游水位差；J为帷幕的允许渗透坡降，其值与帷幕灌浆区的单位吸水率w或渗透系数有关，可按表2选用；（1-α）H为作用于帷幕上下游面的水头差。

表2 防渗帷幕的容许坡降

灌浆孔的数量取决于帷幕的实际厚度，估算公式如下：

式中，c为孔距；c=(0.6～0.7）c；c1为排距，见图2(c)。

图2 防渗帷幕的深度和厚度计算图

用式(2)确定的帷幕实际厚度应大于或等于按式(1)求得的设计帷幕厚度L4，以满足帷幕渗透稳定的要求。通常，在高坝上可以设置两列帷幕注浆孔，而在中下游可设置一列，在地质条件较差时，可适当增设。由于渗流坡降最大值在帷幕顶部，因此，在由多排注浆孔构成的幕墙中，通常，仅需一排孔钻灌到设计深度，其它几排的钻孔深度可钻至设计深度的1/2～2/3，帷幕灌浆孔间距通常为1.5～3.0m，具体数值要通过实地测试来确定。为了便于施工，钻孔的方位尽量为竖直，如果需要，还可以对钻孔进行一定的倾斜，但倾斜角度不能太大，通常小于10度。

4.坝基排水设施

尽管坝基已采用了帷幕灌浆，但仍不能彻底阻止渗透。为了排出地基渗透的水流，降低大坝底部的扬压，须在大坝后增设排水系统。

坝基的排水系统通常由排水孔和基面排水两部分组成。主排水孔通常设置于基础灌浆通道下游，在帷幕注浆结束后，进行钻孔，以避免泥浆堵塞。孔深一般为2～3m，直径15～20cm，一般为帷幕深度的1/2～1/3，其方向略向下游。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。

在基岩裂缝发育的情况下，可以在基岩的表层布置排水廊道、排水沟等作为辅助排水措施。排水沟、管道纵横连接，构成坝基排水网络，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，同时，在坝基的最低点设置了集水井，将渗漏的水引入集水井，再用水泵将其抽至下游。

5.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，如断裂破碎带、软弱夹层、泥化层、裂隙密集带等，需要进行专门的治理。其作用是：改善软弱区的力学特性，避免由于坝顶在加载过程中由于局部承载力较低而导致坝体力集中、不均匀沉降和滑移；为了避免库区内大量渗漏、管涌或增加坝扬压力，须加强软弱区的统渗能力。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。

在软弱破碎区，倾斜度大或接近垂直基底的情况下，通常使用混凝土梁（塞）或混凝土拱进行加固。混凝土塞是指在开挖到一定深度后，进行混凝土浇筑，以增加局部区域的承载力。在软弱带宽度小于2～3 m的情况下，混凝土塞的高度（即挖深）通常是软弱带宽度的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。

对倾角较小的软弱破碎带，如图3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，除了对表面的混凝进行土塞适度的深度之外，在深部的岩体上应采用多个倾斜井和平洞，再进行混凝土充填，从而构成一个由混凝土斜塞和横向塞构成的刚性支撑。用于在此区域对已破裂的充填材料进行密封，并能抑制其挤压变形，降低地下水对破碎带域的破坏。