浅谈水利水电大坝工程基础的处理设计

浅谈水利水电大坝工程基础的处理设计
摘要：水利工程大坝基础是否良好关系到整个水利工程能否正常工作。

本文以某具体的大坝工程为例，就其存在的问题对其处理设计进行分析，望对其它存在类似问题大坝提供参考。

关键词：大坝工程；基础处理；帷幕灌浆
一、工程概述
某大坝坝址位于水库大坝下游500m山谷处，为碾压混凝土重力坝，对坝基进行固结灌浆和帷幕灌浆，并设置坝基排水及坝体排水。

坝基固结灌浆孔排距为3×3m，固结深度为6.0m，碾压混凝土重力坝基础防渗采用单排帷幕灌浆，孔距为1.5m，最大深度为59.9m，坝基排水孔孔径φ50mm，深入基岩2.0m，幕后主排水孔孔径φ150mm，深度为前一排主帷幕的1/2，且不小于10m。

左坝头混凝土重力坝基防渗采用混凝土防渗墙+帷幕灌浆方案，全风化土层采用C25混凝土防渗墙，厚800mm。

基岩采用帷幕灌浆，单排，灌浆孔距1.5m，深入相对不透水层3Lu线下5.0m。

左岸砼重力坝与碾压混凝土重力坝、左岸单薄分水岭混凝土心墙连成防渗整体。

二、基础开挖设计
（一）建基面利用高程
坝基Ⅱ、Ⅲ类岩体性状较好，进行常规固结灌浆处理即可满足要求，Ⅳ类页岩岩体强度满足建坝要求，但变形模量较低，需采取固结灌浆或其他工程处理措施，避免坝基产生不均匀变形。

根据各建筑物对地基的要求，建基面可利用微风化至弱风化中部岩体。

据现有地质勘探资料，河床最低基岩顶板高程为152.74m，弱一强风化下限高程为150.84m，结合坝基岩体质量分级、剪切带性状及建筑物布置需要，确定河床厂房坝段建基面高程为149.0--154.4m，溢流坝段建基面高程为149.0—175 m，左岸厂房安装问建基面高程154.4—169.0m；右岸受Q2+3灰岩层中溶洞影响，溢流坝段建基面高程175m，船闸坝段建基面高程176.5m，非溢流坝段建基面高程为169.0—221.5m，主要处于微新岩体。

（二）开挖形式
坝基及岸坡开挖均采用台阶式。

根据坝体侧向稳定计算成果，为便于施工，确定每坝段台阶总宽度应大于坝段总宽度的50％，且每一台阶宽度不小于4m。

岸坡开挖每15m高差设一马道，开挖坡比见表l，遇顺向坡或岩体产状不利时，适当放宽坡比并采取必要的支护措施，主要有表面喷护混凝土封闭保护、预应力锚索加固、锚杆支护、混凝土阻滑键、边坡截水沟及排水等，单一或综合处理措施，同时加强边坡变形监测。

三、地质缺陷处理设计
（一）断层及软弱夹层
对于宽度大于lm的较大断层、剪切交汇带及裂隙密集带，采取槽挖并置换混凝土的措施进行处理。

混凝土塞深度一般为1.0—1.5倍破碎带宽度，槽挖断面为梯形，两侧坡度l：0.5。

在坝踵、坝趾出露的断层，开挖回填范围适当延长和加深。

断层开挖、回填混凝土塞后，再对其周边一定深度范围进行固结灌浆，灌浆深度穿过断层下盘1-2m。

对岩石破碎、裂隙发育、剪切带性状差的重点地段。

全面进行固结灌浆，以加强地基完整性，增加承载力。

（二）岩溶处理
中奥陶(Q2+3)含泥质生物灰岩为强岩溶层，对于在坝基发育的浅层缓倾角溶蚀裂隙，在基坑开挖时即进行混凝土置换处理；对于埋藏较深、地表开挖回填混凝土处理较困难的溶蚀带。

进行固结灌浆处理或井挖追踪回填。

对右岸KW64岩溶系统及溶洞采用明挖或洞挖清除，回填一定厚度的混凝土。

对KW64岩溶系统水流设置专门管路引出坝基以外。

对平洞开挖过程中遇到的溶洞，进行追索掏槽或扩挖清理回填混凝土,并进行必要的固结灌浆和回填灌浆。

四、坝基渗流的控制设计
参照坝基稳定和消力池结构抗浮稳定的相关情况，并且对坝基渗流实施有效的处理方法。

这是为了能够减小低渗透压力及减少渗漏量。

确保坝基泥化软弱夹层的渗透较为稳定。

坝基渗控使用垂直灌浆帷幕的方法，由于河床泄洪坝段与水垫塘建基面开挖出现高程低、水头高、坝基扬压力大等问题，尤其是水垫塘的抗浮稳定性差，在设计时会出现一定的困难。

（一）防渗帷幕
水库坝基设双排灌浆帷幕，范围主要为桩号幕0+159．7~0+454．85，采用梅花型布设，孔、排距均为2m。

上游排灌浆深度15～25m，下游排灌浆深度52～65m，利用原坝基灌浆廊道进行灌浆。

坝基右岸，透水率：11～46Lu。

右岸坡帷幕灌浆采用单排，灌浆底线沿岸坡逐步上升，最小深度20m，为沿长绕坝渗流的渗径，帷幕从右坝头向右沿伸120m；坝基左岸坡基岩面以下20m为弱透水带，透水率1～4．9Lu，采用单排帷幕，深度16～70m，并与左岸单薄山梁灌浆帷幕相接。

(1)帷幕位置，坝体两排帷幕布置在上游内坡一级平台中心线及中心线上游侧距离1.Om处，坝体帷幕长210m，深入两坝肩各20m，使坝体及坝肩帷幕连接形成整体；
(2)帷幕的深度和厚度：一般情况下，帷幕深度直穿过蚀余红土层，这样可
以起到封闭渗流通道的作用，白云粉砂层由于其为不可灌地层，则采用高压喷射灌浆处理。

帷幕的厚度(T)主要是根据幕体内的允许坡降值来确定的。

但可按下式作初步估算：
T：H/J
式中：H——最大作用水头，m；
J——帷幕的容许比降，对一般粘土浆可采用J≤3～4。

对于蚀余红土层厚度较浅，一般设置1～2排灌浆孔即可，对基础承受的水头超过25～30m时，帷幕的组成才设置2～3排。

排数、排距、孔距：因水库水对混凝土有溶出性，分解性侵蚀，帷幕厚度不宜过小，经水质分析认为帷幕厚度不宜小于0.25m，故设计帷幕厚为0.25m。

为了提高帷幕的防渗效果，帷幕灌浆按双排孔设计，孔距2m，排距为lm；
(3)帷幕项部高程：上游排帷幕浆从205．5m高程开始往下灌，直至设计底高程。

下游排从195m开始灌浆，195m高程以上钻孔用O．5：1水泥浆或水泥砂浆封孔；
(4)坝体帷幕底部高程：上游排深入直到单位吸水量ω<O．05L／min·m·m 线．下游排深入直到单位吸水量ω<O．05L／min·m·in线以下5m。

左右岸坝肩存在厚度7-14m的碎裂石灰岩，是大坝的主要漏水区之一，帷幕厚度、排数、排距、孔距等与坝体一致，按双排孔设计，孔距2m，排距lm。

灌浆在内坡一级平台上进行，帷幕底高程：下游排深入单位吸水量ω<O．051／min．mm以下3～5m，上游排深入Cly3层下限1～1．5m。

（二）基础排水
通过排水方案比较，认为使用封闭帷幕抽水排水能够很好地削减地基扬压力，增加坝的安全度。

这就需要使用封闭抽排方案(图2)。

在分析计算地下渗流场得出，封闭抽排方案能够减小河床泄洪坝段及水垫塘坝基扬压力。

从而达到扬压力折减系数al=0.25、a2=0.4的标准。

两岸坝肩、山体及近岸地段使用的常规主帷幕排水方法。

能够达到足扬压力折减系数а：近岸地段0.25、两岸0.35的设计要求。

图2
基础排水孔能够发挥出很好的减小坝基扬压力作用，其作用主要体现在基础
主排水孔、封闭排水孔、辅助排水孔等方面。

为达到坝基扬压力的标准，在防渗主帷幕后设置一排基础主排水孔，沿水垫塘周边呈“U”型设置一排封闭排水孔，同时对封闭抽排区内纵横设置3道辅助排水孔来改善封闭抽排的效果。

排水孔关键设计参数：排水：排水孔孔距在3．Om，孔径大小9l-110mm，主排水孔和封闭排水孔均为斜孔，倾角为75。

，辅助排水孔则是垂直孔。

主排水孔孔深通常根据帷幕孔深的2／3进行调整，封闭排水孔深在10m，辅助排水孔深为8m。

根据室内渗透流变试验结果显示。

坝基软弱夹层抗渗透破坏的能力薄弱，临界渗透比较小至2，5—6，0。

破坏渗透比在20—46之间。

为防止软弱夹层，尤其是泥化夹层在坝基高渗透比降水力影响下出现的渗透破坏，各类排水孔可对这种破坏发挥出理想的保护作用。

五、坝基勘探平洞及大口径钻孔的回填处理
本工程坝基开挖后存在7条勘探平洞，2个大口径钻孔也依旧遗留于坝基。

参照大坝和防渗帷幕灌浆的相关条件，需对勘探平洞及大口径钻孔采取有效的清理回填混凝土进行处理。

（一）清理回填处理的规则
勘探平洞的回填需要结合应力分布、防渗的具体情况，并参照基础排水和坝基安全监测的标准采取相应的处理措施。

一般对贯穿帷幕线的勘探平洞应该于帷幕轴线上20m，下10m的范围采取清理后封堵回填；对勘探平洞揭示的岩溶洞穴实时处理之后将其与平洞同时回填。

还应对涉及的勘探平洞实施深部监测和排水处理，并根据具体情况进行混凝土衬砌。

坝基残留的大口径钻孔则应先清理再进行回填混凝土处理。

必要时，还可以有限元计算、拱座应力设置情况为参考，对两岸坝基勘探平洞的清理回填进行合理地调整。

（二）解决设计
进行回填混凝土处理时必须将废弃物、杂质进行彻底的清理，特别是遇到松动岩块要完全清除。

对平洞、溶洞实施观察，把灌浆管路放置到洞内，采取回填灌浆处理。

遇到狭缝状、脉状、管状等各种结构的裂缝时应该结合封堵回填配合灌浆回填的方式处理。

对贯穿防渗帷幕的勘探平洞和岩溶通道需通过设置止水片来增强防渗能力。

针对埋藏深、规模大的勘探平洞及溶洞，需对建基面设置相关的大口径钻孔，后进行泵送混凝土回填。

参考文献
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