论大坝地基的坝基加固处理技术分析

　　摘要：通过分析各类型的大坝坝基，探讨、研究各种坝基的加固处理方法。
　　关键词：大坝坝基；加固；处理方法。
　　1.概述
　　1.1坝基分类：根据地基特征，一般分为岩石地基和覆盖层地基两大类。
　　1.2坝基对地基基础的要求：
　　①具有足够的强度，能够承受上部结构传递的应力，保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量不应超过设计允许范围。
　　②满足渗透稳定性和长期耐久性要求，控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量。
　　③具有足够的整体性和均一性，能够防止基础的滑动和不均匀沉陷。
　　1.3坝基加固处理方法：坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。其基本功用是挡水、防渗与排水。一般常用的处理方法有：
　　①基岩地基处理：在地基范围内将不合设计要求的覆盖层、分化破碎有缺陷的岩层挖掉，对基岩进行水泥灌浆或喷射混凝土处理不规则岩石、在岩石中以水泥灌浆进行固结和防渗帷幕、在岩基中建造排水帷幕。是一种最通用可靠的处理方法。
　　②断层、软弱夹层、破碎带地基处理：挖除置换混凝土、修筑截水槽、防渗墙。
　　③岩溶地基处理：常用堵塞孔洞、灌注混凝土浆等。
　　④土、砂砾石地基处理：通过设置排水褥垫和排水沟、打板桩、防渗墙、修建不透水铺盖等进行防渗处理；利用碾压、换砂、砂井、振动密实、打桩、灌浆等进行坝基加固。
　　2.坝基加固
　　基础加固的主要目的是保证大坝基础具有足够的强度和整体稳定性，大坝的基础处理不仅与基础本身的特性有关，如岩石基础、覆盖层基础等，还受大坝的形态、运行状况等因素的影响。因此大坝基础施工的技术方案应在施工前根据大坝型式、坝基的实际情况和施工条件制定，如具有稍高于填筑体本身变形模量的岩石地基，对土石坝而言是一种普通地基，但对混凝土重力坝来说这种地基就是复杂地基，而对于拱坝或支墩坝来说则是很复杂的地基。岩石地基中作为软弱面的层次能影响大坝的稳定性，但对混凝土大坝的影响要比对土石坝的影响更大
　　2.1土石坝坝基加固
　　土石坝的稳定性主要由下列因素决定：地基材料抗剪强度，或坝体下游部分的水力比降，其中抗剪强度问题主要与疏松散粒材料或软粘土地基有关。某些地基可能需要特殊加固措施或非常规的处理，同时改变或不改变坝的设计或几何形状。
　　2.1.1覆盖层地基土石坝坝基加固
　　砂砾石坝基河床段上部多为近代冲积的透水砾石层，具有明显的成层结构特性。在这种坝基上即使建造高土石坝，其地基承载力一般也是足够的，而且压缩性不大。但如果坝基土层中夹有松散砂层，淤泥层，软粘土层，则应考虑其抗剪强度与变形特性，在地震区还应考虑可能发生的振动液化造成坝基和坝体失稳的危险。大坝建在相对松软的地基上，需要进行专门的分析研究，要谨慎地评价其抗剪强度。如十字板剪切试验和动力触探试验为评价某些粘土层提供了很有用的数据，但是所得到的抗剪强度值必须考虑到粘土的性质和其所处的地区特性而加以调整。
　　1）松散性状材料地基
　　松散性状材料地基可采用多种压实方法或其他对地基材料进行改性的技术进行加固，例如，振动压密、振动锤加密或爆炸加密、静压灌浆、旋喷桩、振冲碎石桩等。如果地基层未被加密，则土坝外坡必须按地震条件加以调整。
　　旋喷桩是利用高压喷射在钻孔内将土与浆液混合，并形成特定直径的土一水泥桩。连续成排的旋喷桩在刚性较差的土体内构成刚性较大的单元，使整个土体可变得更加密实或增加刚度。搅拌桩技术为在钻孔内就地把水泥浆液与土混合，制成的柱体要比它周围介质更坚硬，而复合土体的性质就可以由搅拌桩柱数目来控制。但此技术不适用处理粗颗粒土。
　　碎石桩是以砾石或碎石置换由钻孔中挖出的材料而在土中制成桩体。桩体可以排列得很密，以形成稳定的地段。微型砾石桩，它是碎石桩的变体，桩体尺寸较小，且钻孔是由振动造成的。上述坝基处理技术在许多土石坝特别是中小型土石坝中被采用。
　　2）细砂等易液化土坝基
　　土坝基中的细砂等地震时易液化的土料对坝的稳定性危害很大。在坝基中发现可液化的材料时应尽可能挖除置换合适的材料，当挖除比较困难或很不经济时，可首先考虑采取人工加密措施以增强其抗液化能力，使之达到与设计地震烈度相适应的密实状态，然后采取加盖重、加强排水等附加防护设施。对于地震下易于液化失稳的松散软弱地层的抗震加固方法很多，例如，提高材料密度或结合增设排水的振冲加固法、强夯法等，以及改善地层的应力条件的压载法等。常规采用振冲加密、强夯或在松散体内加入更刚性的单元均可以达到加密的目的，用爆破方法加密无粘性松散土可达十几米或更深的深度，采用旋喷桩柱及就地搅拌土一水泥桩柱可形成网格方法来稳定可液化材料，采用碎石桩既可提高地基强度也可防止砂土液化。国外应用比较早的是著名的埃及阿斯旺高坝心墙两侧自坝基向上至坝高68m的水力冲填细砂填筑体的振冲加固，采用25kW振冲器水下填筑施工，砂的干密度由振冲前的156---160g／cm3提高到168g／cm3。尼日利亚杰巴水电工程主坝为分区填筑土石坝，最大坝高42m，但坝基冲积层厚达701m，为减少大坝不均匀沉降和防止地震液化，对砂层上部25m采用振冲加固法，以下采用爆破挤密法进行加固，采用97kW振冲器，加密深度一般为10～35m，加固后密度超过设计规范值。国内自20世纪70年代末采用试用于心墙砂壳坝抗震加固获得成功后，很快在水利工程中得到了推广应用。
　　3）高压缩性地层
　　对高压缩性地层，在坝体上部结构设计中可按如下方法进行处理：①采用柔性结构，以承受变形而不引起防渗和稳定性的问题；②采用较厚的心墙和反滤层，以保证在其开裂时仍有效；③消除或最大限度地减小能使地基或坝体产生拱作用的环境因素；④避免或减少一些能引起大量不均匀沉降的分区倒坡，在大坝结构设计中应设置过渡区，使一个区到另一个区的沉降逐渐转变过去；⑤设计适当的超高，以补偿沉降而不减少所需的超高。
　　4）软弱粘性土地基
　　软弱粘性土地基抗剪强度低，压缩性高，在这种地基上筑坝，会遇到下列问题：①天然地基承载力很低，例如，高度超过3～6m的坝就足以使地基发生局部破坏；②土的透水性很小，排水固结速率缓慢，地基强度增长不快，沉降变形持续时间很长，在建筑物竣工后仍将发生较大的沉降，地基长期处于软弱状态；③由于灵敏度较高，在坝体施工中不宜采用振动或挤压措施，否则易扰动土的结构，使土的强度迅速降低造成局部破坏和较大
　　变形。
　　软粘土地基一般不宜用作地基，仅在采取有效处理措施后，才可能修建高度不大的坝体。对软粘土，一般宜尽可能将其挖除。当厚度较大或分布较广，难以挖除时，可以通过排水固结(如砂井排水)或其他化学、物理方法(搅拌桩、振冲碎石桩)，以提高地基土的抗剪强度，改善土的变形特性。利用砂井加速排水，可使大部分沉降在施工期内完成，并调整施工进度，结合坝脚振压层，使地基土强度的增长与填土重量的增长相适应，以保持地基稳定。砂井直径约30~40cm，井距与井径之比为6～8，按梅花形布置，砂井顶面铺设厚约lm的砂垫层。例如，杜湖水库土坝(坝高175m)坝基表层有1l～13m厚的淤泥质粘土层，抗剪强度只有0.015MPa，采用砂井加固后，随坝体增高，坝基强度增长较快，当大坝填筑到14m高度时，坝基土的抗剪强度已增至0.05MPa，满足了稳定要求。修建软粘土地基上的坝，宜尽量减小坝基中的剪应力，防渗体填筑的含水量宜略高于最优含水量，以适应较大的不均匀沉降。
　　2.1.2岩石地基土石坝坝基加固
　　建在岩基上的土石坝很少有稳定问题。地基微小沉降不会对坝体有任何重大影响。但是，当岩石表面极不规整时，其剖面有急剧变化或局部有倒坡，则坝体内可能发生不均匀沉降、坝体产生开裂，并可能发生内部冲蚀。因此，在某些情况下，心墙下的岩石表面必须重新整形。
　　当岩基内有大软弱面时，必须采取防止滑动的措施，如设置戗台。如果软弱面坡度太陡，减少了摩擦阻力，也需进行地基加固。
　　2.2混凝土坝坝基加固
　　坝高是影响混凝土坝稳定问题的一个重要因素，对于一座小型混凝土坝，建在岩石地基或覆盖层地基上可能都是安全的，但是大型的混凝土坝只能建在岩石地基上。
　　2.2.1覆盖层地基上混凝土坝坝基加固
　　建在覆盖层上的小型混凝土坝经特殊处理后其稳定性可满足要求。不同的地质条件下其处理方式不同，如粘土地基并不需与冲积层地基做同样的处理。对于渗流而言，各向异性的地基材料可能引起坝下细颗粒的移动，在混凝土下造成空洞、坝体不均匀沉降和开裂。对于松散、饱和的细粒材料，地震荷载作用下的液化是主要考虑的因素。可采用旋喷桩、碎石桩进行处理。评价混凝土坝的稳定性时，必须考虑某些土的低承载能力。土的低粘聚力或缺少粘聚力以及在超载条件下特性的改变必须予以考虑。特别重要的是在开展一种特殊解决方案可行性论证工作前，必须对土体所有特性清楚地予以验证。
　　2.2.2岩石地基上混凝土坝坝基加固
　　岩石坝基的主要问题是断层破碎带和可能成为滑动面的大软弱面。
　　建在岩石地基上的大坝，岩石必须开挖到能支持预计载荷的坚实表面，且岩石的最终开挖面应尽量平整，以免导致混凝土内的应力集中。对基岩中软弱夹层普遍采用在岩基内掏挖并回填混凝土塞、回填灌浆等处理措施。
　　对于拱坝或支墩坝，岩石地基必须开挖到使之适应坝的地基。对于大型的重力坝、拱坝和支墩坝，其整个坝基与两坝头一般进行灌浆加固处理，以保证在应力作用下产生均匀反力。此项工作同时有利于减少渗流和降低扬压力，保证大坝的稳定。排水帷幕和排水隧洞一般位于灌浆帷幕下游，它可减少扬压力并保证坝体稳定性。举世闻名的三峡大坝，基岩为前震旦纪闪云斜长花岗岩，岩体质量好，优质和良好岩体占坝基岩体的98％。由于坝基开挖建基面浅部表层岩体受卸荷及爆破作用使一定范围的浅层基岩受到不同程度的损伤，影响岩体的完整性，为改善浅部表层岩体及地质缺陷部位的物理力学性能，提高岩体的均匀性和整体性，减少坝基不可恢复变形，为坝基提供必要的安全储备，并增强表层基岩的抗渗性能，对关键部位及地质缺陷开挖后的基岩进行固结灌浆处理。固结灌浆范围为坝踵及坝趾各1／4坝基宽度的区域，固结灌浆孔布置及深度为：①一般部位孔排距为2.5m×2.5m，梅花形布置，基岩灌浆深度为5～6m；②防渗帷幕前二排孔深10—20m，孔排距为2m×2m；③地质缺陷区段或有特殊要求的地段孔排距为2mX2m，梅花形布置，基岩灌浆深度为10～20m。固结灌浆材料以普通水泥浆材为主，必要时辅之磨细水泥和环氧类浆材，灌浆压力为：I序孔0.3~0.4MPa,Ⅱ序孔0.5～0.7MPa。主体建筑物基础固结灌浆工程量63.2万m。通过固结灌浆后岩体弹性波纵波波速提高10％，纵波速度一般不小于4500m／s。
　　另外，混凝土坝在施工中必须特别注意恰当地设置收缩缝和施工缝。在选择接缝位置时，地基条件经常是一个关键因素。在复杂地基上，坝体可能承受微小位移，收缩缝设置应根据允许发生的位移不会引起坝体过多的裂缝为原则来控制。一旦变形时期已过，这些缝可被灌死，于是结构在所有荷载作用下的反应恰如一个整体。
　　
　　参考文献：
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