◎劉星星 邵陽市水利水電勘測設(shè)計院

重力壩是一種常見的水工建筑物，具有良好的耐久性能，施工簡單，能夠抵抗地震等突發(fā)事件。水利工程中重力壩承載的負荷大，對基礎(chǔ)的要求也很高。但由于受長期地質(zhì)構(gòu)造活動和外部環(huán)境的影響，基巖中或多或少都有風(fēng)化、節(jié)理、裂隙、破碎帶等問題，使基巖的整體穩(wěn)定性和均勻性受到一定的影響，從而導(dǎo)致基巖的強度、抗?jié)B性下降。因此，必須對地基進行適當?shù)奶幚?，以滿足重力壩對地基的下列要求：能經(jīng)受住大壩的荷載；保證了壩基的整體、均勻性，能有效地降低壩基的不均勻沉降；能充分地保證大壩的滲透性，并能降低大壩的滲透率；充分的耐用性，使基巖長期在水中不會變質(zhì)。地基的處理，主要是壩基開挖清理，對基巖進行固結(jié)灌漿和防滲帷幕灌漿，設(shè)置基礎(chǔ)排水系統(tǒng)，對特殊軟弱帶如斷層、破碎帶和溶洞等進行專門的處理。

1.壩基的開挖與清理

壩基開挖是將壩體表層和風(fēng)化破裂的巖石挖除，從而將水壩直接建立在堅實而完好的基巖上。壩基的開挖深度要考慮地基的受力狀況、巖體的強度和整體性能以及對地基的需求。對高壩，要挖掘到新鮮的或稍有風(fēng)化下部的基巖；中低高度的壩，要挖到微風(fēng)化或弱風(fēng)化下部的基巖；對于地勢高處的壩段，其開挖的巖體比河底位置應(yīng)適當放寬。

壩基開挖時，應(yīng)保證邊坡的穩(wěn)定性；在順流方向，為了保證大壩的抗滑穩(wěn)定性，不能開挖到下游的斜坡，如有需要，可以挖出分層平臺或斜坡；為了保證大壩的橫向穩(wěn)定性，兩岸邊坡可開挖為階梯狀；基坑的施工外形應(yīng)盡可能平滑，避免出現(xiàn)高差差異較大的突變，防止因應(yīng)力集中而導(dǎo)致壩體開裂；如果有軟弱夾層，且其它方法不能解決時，則要進行開挖處理。

為了保證基巖的完整性，防止爆破產(chǎn)生的裂縫，應(yīng)采用分層開挖的方法。在開挖至設(shè)計高度0.5～1.0 m范圍內(nèi)時，應(yīng)采用手工鉆孔，采用小劑量爆破。如果巖體比較脆弱，可以用手工如風(fēng)鎬來清理。

在基巖開挖完畢后，必須對其進行全面的清洗，要清除所有的松散巖石，要把凸起的棱角敲下來，然后再進行混凝土澆筑。對已勘探的鉆孔、井、洞等進行了回填和封堵。

2.壩基的固結(jié)灌漿

在混凝土壩施工中，采用淺孔低壓注漿技術(shù)對壩基進行加固，稱為固結(jié)灌漿，如圖1所示。

灌漿的主要作用是：改善基巖的整體強度和彈性模量，減小基巖的受壓變形，并使其抗壓、剪強度得到改善；降低壩體滲透率，減小滲漏；在帷幕灌漿邊進行固結(jié)灌漿，也能增加帷幕灌漿的壓力。

固結(jié)灌漿的設(shè)計除了確定注漿區(qū)域，還應(yīng)確定注漿孔深、注漿孔距、注漿孔的設(shè)置。圖1所示為固結(jié)灌漿孔的布置圖。

圖1 重力壩壩基的灌漿示意圖

注漿的范圍取決于壩基的地質(zhì)狀況、基巖的受力狀況、巖體破碎狀況等。在地基巖性較好的情況下，有些則只需在壩基上游、下游受力較強的區(qū)域進行加固。在裂隙多、巖石破碎的區(qū)域，應(yīng)加強固結(jié)灌漿。在壩基巖石一般條件下，壩體高度較高時，對壩基進行全面固結(jié)灌漿是比較常見的。有些項目還在大壩外的某一區(qū)域也要進行加固注漿。

在注漿過程中，一般采用方格形或梅花型布置。鉆孔間距和排距要依據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況，參考注漿試驗，通常為3～4m?？咨钔ǔ?～8m。在壩基有較大應(yīng)力的地方，可以根據(jù)需要進行深挖，而在帷幕的上游，則要根據(jù)帷幕的深度來決定，通常為8～15m。在保證注漿質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量將井眼的方位垂直于主裂縫面。

注漿壓力對注漿的影響很大，其影響程度取決于裂縫發(fā)育程度、漿液濃度和孔深。在不掀動基巖的情況下，應(yīng)盡量選擇相對大的壓強。無砼蓋重時，通常在200～400 kPa之間，有砼蓋重時，通常在400～700 kPa之間。

3.壩基帷幕灌漿

帷幕灌漿技術(shù)是在在靠近上游壩基附近設(shè)置一組或多組的孔洞，通過對基巖內(nèi)部的裂隙、孔洞等進行高壓注漿充填，從而在基巖內(nèi)部形成較為致密的擋水簾。其目的為：減小壩基滲透壓，減小滲流；防止壩基發(fā)生機械或化學(xué)管涌，也就是阻止基巖裂縫中的填料被排出或溶解。帷幕注漿材料中，水泥是目前應(yīng)用最廣泛的一種，它的特點強度高，材料便宜，施工簡單。在基巖裂縫密集、水泥漿難以灌注時，可以考慮使用化學(xué)灌漿。它可以注入微小的裂縫中，具有良好的抗?jié)B透能力。但是，它的成本很高，而且容易引起環(huán)境的污染，所以要謹慎使用。帷幕灌漿設(shè)計包括帷幕深度、帷幕厚度、灌漿孔布局、灌漿壓力等。防滲帷幕的深度應(yīng)根據(jù)基巖的透水性、壩體承受的水頭和降低壩底滲透壓力的要求來確定。如果不滲透層埋藏較淺，宜將帷幕伸出至相對不滲透層3～5m，見圖2（b），從而構(gòu)成一種理論上的封閉式擋水帷幕。不同壩高所需的相對防水層的單位吸水率 w值（w為1米長的鉆孔，在0.1 MPa的壓力下，1分鐘的吸水量），如表1所示。

表1 帷幕伸入相對不透水層要求

如果相對不滲透層埋得比較深，且帷幕難以觸及到相對不滲透的地層，則可以將帷幕伸出一定的深度，形成“懸掛式帷幕”，如圖2(a)所示。此時，可根據(jù)設(shè)計需要，如減小滲透壓、防止?jié)B流變形等，深度通常為壩高為0.3～0.7倍。當設(shè)計中的滲透壓系數(shù)是α?xí)r，假設(shè)水頭沿滲徑均勻減小，那么它的平均坡降為

式中：L為滲徑全長。

因此，要符合設(shè)計采用的α，唯幕深度L應(yīng)為

滲透坡降J須比允許的滲透坡降J小，否則就要使帷幕L加深，以確保不會出現(xiàn)滲透變形。

帷幕的設(shè)計厚度由帷幕灌漿容許滲透坡降決定，其計算公式如下

式中，α為滲透壓力系數(shù)，H為上下游水位差；J為帷幕的允許滲透坡降，其值與帷幕灌漿區(qū)的單位吸水率w或滲透系數(shù)有關(guān)，可按表2選用；（1-α）H為作用于帷幕上下游面的水頭差。

表2 防滲帷幕的容許坡降

灌漿孔的數(shù)量取決于帷幕的實際厚度，估算公式如下：

式中，c為孔距；c=(0.6～0.7）c；c1為排距，見圖2(c)。

圖2 防滲帷幕的深度和厚度計算圖

用式(2)確定的帷幕實際厚度應(yīng)大于或等于按式(1)求得的設(shè)計帷幕厚度L4，以滿足帷幕滲透穩(wěn)定的要求。通常，在高壩上可以設(shè)置兩列帷幕注漿孔，而在中下游可設(shè)置一列，在地質(zhì)條件較差時，可適當增設(shè)。由于滲流坡降最大值在帷幕頂部，因此，在由多排注漿孔構(gòu)成的幕墻中，通常，僅需一排孔鉆灌到設(shè)計深度，其它幾排的鉆孔深度可鉆至設(shè)計深度的1/2～2/3，帷幕灌漿孔間距通常為1.5～3.0m，具體數(shù)值要通過實地測試來確定。為了便于施工，鉆孔的方位盡量為豎直，如果需要，還可以對鉆孔進行一定的傾斜，但傾斜角度不能太大，通常小于10度。

4.壩基排水設(shè)施

盡管壩基已采用了帷幕灌漿，但仍不能徹底阻止?jié)B透。為了排出地基滲透的水流，降低大壩底部的揚壓，須在大壩后增設(shè)排水系統(tǒng)。

壩基的排水系統(tǒng)通常由排水孔和基面排水兩部分組成。主排水孔通常設(shè)置于基礎(chǔ)灌漿通道下游，在帷幕注漿結(jié)束后，進行鉆孔，以避免泥漿堵塞?？咨钜话銥?～3m，直徑15～20cm，一般為帷幕深度的1/2～1/3，其方向略向下游。如地質(zhì)條件允許，為了充分利用排水的作用，對于高壩，除主排水孔外，還可設(shè)輔助排水孔2～3排，中壩1～2排，孔距一般為3～5m,孔深為6～12m。當排水孔的孔壁有坍塌危險或穿過軟弱夾層、夾泥裂隙時，為防止?jié)B流沖刷，惡化壩基工作條件，防止排水孔淤堵失效，應(yīng)采取相應(yīng)的反濾保護措施。

在基巖裂縫發(fā)育的情況下，可以在基巖的表層布置排水廊道、排水溝等作為輔助排水措施。排水溝、管道縱橫連接，構(gòu)成壩基排水網(wǎng)絡(luò)，但常因施工不慎而被堵塞，難以清理，不如排水廊道有效。縱向排水廊道在一定間距還設(shè)有橫向排水廊道，以便相互溝通，同時，在壩基的最低點設(shè)置了集水井，將滲漏的水引入集水井，再用水泵將其抽至下游。

5.壩基軟弱破碎帶的處理

當壩基中存在較大的軟弱破碎帶時，如斷裂破碎帶、軟弱夾層、泥化層、裂隙密集帶等，需要進行專門的治理。其作用是：改善軟弱區(qū)的力學(xué)特性，避免由于壩頂在加載過程中由于局部承載力較低而導(dǎo)致壩體力集中、不均勻沉降和滑移；為了避免庫區(qū)內(nèi)大量滲漏、管涌或增加壩揚壓力，須加強軟弱區(qū)的統(tǒng)滲能力。其處理方式應(yīng)根據(jù)軟弱壩基中的位置、傾角的陡緩以及對強度和防滲的影響程度而定。

在軟弱破碎區(qū)，傾斜度大或接近垂直基底的情況下，通常使用混凝土梁（塞）或混凝土拱進行加固?；炷寥侵冈陂_挖到一定深度后，進行混凝土澆筑，以增加局部區(qū)域的承載力。在軟弱帶寬度小于2～3 m的情況下，混凝土塞的高度（即挖深）通常是軟弱帶寬度的1～2倍，且不得小于1m。塞的兩側(cè)可挖成1：1～1：0.5的斜坡，以便將壩體的壓力經(jīng)混凝土塞（或拱）傳到兩側(cè)完整的基巖上。若軟弱破碎帶延伸至壩體上下游邊界線以外，為使壩體傳來的荷載向上下游均勻擴散，則混凝土塞也應(yīng)向上下延伸一定的范圍，其延伸長度可取為1.5～2.0倍混凝土塞的深度。若軟弱破碎帶與上游水庫連通，還必須做好防滲處理，常用的方法有鉆孔灌漿或用大口徑鉆機鉆成套孔，內(nèi)填混凝土形成連續(xù)防滲墻；沿較大的軟弱破碎帶開挖豎井或斜井并回填混凝土，以截斷滲流通道。

對傾角較小的軟弱破碎帶，如圖3所示，由于在ABC范圍內(nèi)形成一個楔形體，其下為斜臥的軟弱層，在強度、沉陷和抗?jié)B等方面都存在問題，特別是當有節(jié)理裂隙穿過這個地段時，問題就更加嚴重。為此，除了對表面的混凝進行土塞適度的深度之外，在深部的巖體上應(yīng)采用多個傾斜井和平洞，再進行混凝土充填，從而構(gòu)成一個由混凝土斜塞和橫向塞構(gòu)成的剛性支撐。用于在此區(qū)域?qū)σ哑屏训某涮畈牧线M行密封，并能抑制其擠壓變形，降低地下水對破碎帶域的破壞。

圖3 傾角較緩的斷層破碎帶處理

對于在壩基下面有一種較差的軟弱層，且不能進行開挖時，可采取抗滑混凝土洞塞；如果存在兩個或更多的斜坡軟夾層，則可以用混凝土抗滑樁或預(yù)應(yīng)力錨索進行加固，從而改善大壩及壩基的抗滑穩(wěn)定。

6.結(jié)語

水利工程中重力壩是一種常用的結(jié)構(gòu)，重力壩具有結(jié)構(gòu)簡單、體積大、自身負載大、自適應(yīng)能力強、但對基礎(chǔ)承載力的要求較高。在處理自然基礎(chǔ)時，必須針對不同的地質(zhì)情況，選用適當?shù)姆椒?，并定期監(jiān)測，以確保其運行和耐久性。