任务1.9 重力坝的地基处理
由于长期受地质作用，天然的坝基一般都存在风化、节理、裂隙等缺陷，有时也存在断层、破碎带和软弱夹层等，因此必须进行地基处理。地基处理的目的有3个方面，即渗流控制、强度控制和稳定控制。经过处理后坝基满足下列要求：①具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定，控制流量；②具有足够的强度，以承受坝体的压力；③具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基的抗滑稳定和减少不均匀沉陷；④具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。
地基处理的措施，包括开挖清理、固结灌浆、破碎带或软弱夹层的专门处理，断层防渗帷幕灌浆、钻孔排水等。
1.9.1 坝基的开挖与清理
坝基开挖清理的目的是将坝体坐落在稳定、坚固的地基上，坝基的开挖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。
对于超过100m的高坝应建在新鲜、微风化或弱风化层下部的基岩上；对一些中、小型工程，坝高50～100m时，也可考虑在微风化或弱风化上部-中部基岩上，对两岸较高部位的坝段，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，在顺河流方向基岩石尽可能略向上游倾斜，以增强坝体的抗滑稳定，必要时可挖成分段平台，两岸岸坡应开挖成台阶以利坝块的侧向稳定。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，当坝基中有软弱夹层存在且用其他措施无法解决时，也可挖掉。
坝基开挖应分层进行，避免爆破基岩被震裂，靠近底层应用小炮爆破，最后0.2～0.3m用风镐开挖，不用爆破。基岩表面应进行修整，使表面起伏不超过0.3m。
坝基开挖后，在浇筑混凝土前，要进行彻底、认真的清理和冲洗，包括清除松动的岩块，打掉凸出的尖角，封堵原有勘探钻洞、探井、探洞，清洗表面尘土、石粉等。
1.9.2 坝基的加固处理
坝基加固的目的：①提高基岩的整体性和弹性模量；②减少基岩受力后的不均匀变形；③提高基岩的抗压、抗剪强度；④降低坝基的渗透性。
1.坝基的固结灌浆
混凝土坝工程中，对岩石的节理裂隙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。
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，减少渗流量。在防渗帷幕范围内先进行固结灌浆可提高帷幕灌浆的压力。
固结灌浆的范围主要根据坝基的地质条件、岩石破碎程度及坝基受力情况而定。当基岩较好时，可仅在坝基上、下游应力较大的地区进行，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。灌浆孔的布置，采用梅花形排列，孔距、排距随岩石破碎情况而定，一般为3～4m，孔深一般为5～8m（图1.46）。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，在有混凝土盖重时为0.4～0.7MPa，以不掀动岩石为限。
2.坝基软弱破碎带的处理
图1.46 岩基固结灌浆孔布置示意图（单位：m）
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、裂隙密集带等。断层破碎带的强度低，压缩变形大，易产生不均匀沉降导致坝体开裂，若与水库连通，使渗透压力加大，易产生机械或化学管涌，危及大坝安全。岩石层间软弱夹层厚度较小，遇水容易发生软化或泥化，致使抗剪强度低，特别是倾角小于30°的连续软弱夹层更为不利。
对于侧角较大或与基面接近垂直的断层破碎带，需采用开挖回填混凝土的措施，如做成混凝土 （塞）或混凝土拱进行加固，如图1.47所示。当软弱带的宽度为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1～1.5倍，且不小于1m，或根据计算确定。混凝土塞的两侧可挖成1∶1～1∶0.5斜坡，以便将坝体的压力以混凝土塞（拱）传到两侧完整的基岩上。如破碎带延伸至坝体上、下游边界线以外，则混凝土塞也应向外延伸，延伸长度取1.5～2倍混凝土塞的高度。若软弱层破碎带与上游水库连通，还必须做好防渗处理。
图1.47 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
对于软弱的夹层，如浅埋软弱夹层要多用明挖换基的方法，将夹层挖除，回填混凝土。对埋藏较深的，应结合工程情况分别采用的坝踵部位做混凝土深齿土墙，切断软弱夹层直达完整基岩，如图1.48所示；在夹层内设置混凝土塞，如图1.48(a)所示；在坝趾处建混凝土深齿墙，如图1.48(b)所示；在坝趾下游侧岩体内设钢筋混凝土抗滑桩，或预应力钢索加固、化学灌浆等，如图1.48(c)所示，以提高坝体和坝基的抗滑稳定性。
在同一工程中，根据具体情况，常采用多种不同的处理方法。
图1.48 软弱夹层的处理
1.9.3 坝基的防渗和排水
1.帷幕灌浆
帷幕灌浆是最好的防渗方法，可降低渗透水压力，减少渗流量，防止坝基产生机械或化学管涌。常用的灌浆材料有水泥浆和化学浆，应优先采用膨胀水泥浆。化学浆可灌性好，抗渗性好，但价格昂贵。
防渗帷幕的位置布置在靠近上游坝面的坝轴线附近，自河床向两岸延伸，如图1.49所示。钻孔和灌浆常在坝体灌浆廊道内，靠近岸坡可以在坝顶、岸坡或平洞内进行。钻孔一般为铅直或向上游不大于10°的斜坡。
图1.49 防渗帷幕沿坝轴线的布置
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—正常蓄水位；7—原河水位；8—防渗帷幕底线；9—原地下水位线；10—蓄水后地下水位线
防渗帷幕的深度应根据作用水头、工程地质、地下水文特性确定；坝基内透水层厚度不大时，帷幕可穿过透水层，深入相对隔水层3～5m。相对隔水层较深时，帷幕深度可根据防渗要求确定，常采用（0.3～0.7）H，形成河床部位深、两岸渐浅的帷幕布置形式。
防渗帷幕的厚度应当满足抗渗稳定的要求，即帷幕内的渗透坡降应小于容许的渗透坡降(J)。防渗帷幕厚度应以浆液扩散半径组成区域的最小厚度为准，厚度与排数有关，中高坝可设两排以上，低坝设一排，多排灌浆时一排必须达到设计深度，两侧其余各排可取设计深度的1/3～1/2。孔距一般为1.5～4.0m，排距宜比孔距略小。还可以在上游坝踵处加一排补强。
帷幕灌浆的时间，应在坝基固结灌浆后并要求坝体混凝土浇筑到一定的高度（有盖重后）施工。灌浆压力在孔底应大于2～3倍坝前静水头，帷幕表层段应大于1～1.5倍坝前静水头，但应以不破坏岩体为原则。
防渗帷幕伸入两岸的范围由河床向两岸延伸一定距离，与两岸不透水层衔接起来，当两岸相对不透水层较深时，可将帷幕伸入原地下水线与最高库水位交点（图1.49中B点）处为止。岸坡在水库最高水位以上的水通过排水孔或平沿排出，增加岸坡的稳定性。
2.坝基排水
降低坝基底面的扬压力，可在防渗帷幕后设置主排水孔幕和辅助排水孔幕（图1.50）。
主排水孔幕在防渗帷幕下游一侧，在坝基面处与防渗帷幕的距离应大于2m。主排水孔幕一般向下游倾斜，与帷幕成10°～15°夹角。主排水孔孔距为2～3m，孔径为150～200mm，孔径过小容易堵塞，孔深可取防渗帷幕深度的0.4～0.6倍，高中坝的排水孔深不宜小于10m。
主排水孔幕在帷幕灌浆后施工。排水孔穿过坝体部分要预埋钢管，穿过坝基部分待帷幕灌浆后才能钻孔。渗水通过排水沟汇入集水井，自流或抽排向下游。
辅助排水孔幕高坝一般可设2～3排，中坝可设1～2排，布置在纵向排水廊道内，孔距为3～5m，孔深为6～12m。有时还在横向排水廊道或在宽缝内设排水孔。纵横交错、相互连通就构成了坝基排水系统，如图1.51所示。如下游水位较深，历时较长，要在靠近坝趾处增设一道防渗帷幕，坝基排水系统要靠抽排。
图1.50 防渗帷幕和排水孔幕布置
1—坝基灌浆排水廊道；2—灌浆孔；3—灌浆帷幕；4—排水孔幕；5—φ100mm排水钢管；6—φ100mm三通；7—φ75mm预埋钢管；8—坝体
图1.51 坝基排水系统
1—灌浆排水廊道；2—灌浆帷幕；3—主排水孔幕；4—纵向排水廊道；5—半圆混凝土管；6—辅助排水孔幕；7—灌浆孔
实践证明，我国新安江、丹江口、刘家峡等重力坝采用坝基排水系统，减压效果明显，较常规扬压力减小30%。浙江、湖南等地设计中采用了抽水减压，均收到了良好的效果。