第九节 重力坝的地基处理
一、重力坝对地基的要求
坝区天然基岩，不同程度地存在风化、节理、裂隙，甚至断层、破碎带和软弱夹层等缺陷，对这些不利的地质条件必须采取适当的处理措施。处理后的地基应满足下列要求：①应具有足够的抗压和抗剪强度，以承受坝体的压力；②应具有良好的整体性和均匀性，以满足坝基的抗滑稳定要求和减少不均匀沉降；③应具有足够的抗渗性和耐久性，以满足渗透稳定的要求和防止渗水作用下岩体变质恶化。统计资料表明，重力坝的失事有40%是因为地基问题造成的。地基处理对重力坝的经济、安全至关重要，要与工程的规模和坝体的高度相适应。
二、坝基的开挖与清理
坝基开挖与清理的最终目的是将坝体坐落在坚固、稳定的地基上。开挖的深度根据坝基应力、岩石强度、完整性、工期、费用、上部结构对地基的要求等综合研究确定。高坝需建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上；中坝可建在微风化至弱风化中部的基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化中部、上部的基岩上。同一工程中的两岸较高部位对岩基要求可适当放宽。
坝段的基础面上、下游高差不宜过大，并开挖成略向上游倾斜的锯齿状。若基础面高差过大或向下游倾斜时，应开挖成带钝角的大台阶状。两岸岸坡坝段基岩面尽量开挖成有足够宽度的台阶状，以确保坝体的侧向稳定，对于靠近坝基面的缓倾角、软弱夹层，埋藏不深的溶洞、溶蚀面等局部地质缺陷应予以挖除。开挖至距利用基岩面0.5～1.0m时，应采用手风钻钻孔，小药量爆破，以免破坏基础岩体，遇到易风化的页岩、黏土岩时，应留0.2～0.3m的保护层，待浇筑混凝土前再挖除。
坝基开挖后，浇筑混凝土前，要进行彻底、认真的清理和冲洗，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。
三、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。
（一）坝基的固结灌浆
当基岩在较大范围内节理裂隙发育或较破碎而挖除不经济时，可对坝基进行低压浅层灌浆加固，这种灌浆称为固结灌浆，固结灌浆可提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。工程试验表明，节理裂隙较发育的基岩固结灌浆后，弹性模量可提高2倍以上。一般在坝体浇筑5m左右时，采用较高强度等级的膨胀水泥浆进行固结灌浆。
图2－50 固结灌浆孔的布置（单位：m）
固结灌浆孔一般用梅花形和方格形布置，如图2－50所示。孔距、排距、孔深取决于坝高、基岩构造和位置。靠近坝踵和坝趾处密而深，远离坝踵和坝趾处疏而浅。排距从3～4m过渡到10～20m，孔深从8～15m过渡到5～8m。
固结灌浆宜在基础部位混凝土浇筑后进行，固结灌浆压力要在不掀动基岩的原则下取较大值，无混凝土盖重时取0.2～0.4MPa；有盖重时为0.4～0.7MPa，视盖重厚度而定。特殊情况应视灌浆压力而定。
（二）坝基断层破碎带的处理
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，若与水库连通可使渗透压力加大，易产生机械或化学管涌，危及大坝安全。
（1）垂直河流方向的陡倾角断层破碎带。这种情况对漏水影响不大，要改善其力学特性，采用混凝土塞（或混凝土拱）。当断层破碎带宽度小于2～3m时，取塞的厚度为1～2倍的破碎带宽度，两侧挖成1∶1～1∶0.5的斜坡，以便使坝体压力通过塞（或拱）传到两边完整的岩石上，如图2－51（a）所示。
图2－51 陡倾角断层破碎带的处理
1—坝段；2—伸缩缝；3—断层破碎带；4—混凝土塞；5—基岩面；6—坝体；7—灌浆帷幕
（2）顺河流方向的陡倾角断层破碎带。这种情况，首先沿整个坝基设置水平混凝土塞改善应力性能；其次在破碎带与防渗帷幕线交点处设置近似垂直而较深的混凝土塞；最后在塞下接较深的防渗帷幕，如图2－51（b）所示。
（3）缓倾角破碎带。这种情况同时存在强度、防渗和滑动问题，除加厚表层混凝土塞外，还应考虑其下面埋深部位对沉陷和稳定的影响。可以采用开挖若干个斜井和平洞，井和洞应大于破碎带宽度，回填混凝土，形成由混凝土斜塞和水平塞组成的刚性骨架，封闭该范围内的破碎物，以阻止其产生挤压变形和减少地下渗流的破坏作用。对于小而浅的破碎带，应彻底挖除，如图2－52所示。
图2－52 缓倾角断层破碎带的处理
1—断层破碎带；2—地表混凝土塞；3—阻水斜塞；4—加固斜塞；5—平洞回填；6—伸缩缝
（三）软弱夹层的处理
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。对浅埋的软弱夹层，将其挖除，回填与坝基强度等级相近的混凝土。对埋藏较深的软弱夹层，应根据埋深、产状、厚度、充填物的性质，结合工程具体情况采取相应不同的处理措施。
（1）设置混凝土塞。对埋藏较深、较厚，倾角平缓的软弱夹层，在层间打洞，设置混凝土塞，起到混凝土键的抗滑作用，如图2－53（a）所示。
图2－53 软弱夹层的处理（高程：m）
（2）设混凝土深齿墙。在坝趾处设置混凝土深齿墙，切断软弱夹层直达完整基岩，如图2－53（b）所示。这种方法在坝基上、下游均可采用，常用于软弱夹层相对较浅的坝基。
（3）用预应力锚索加固。对于层数较多、位置较深、走向平行、夹层较薄的坝基，在基岩内采用预应力锚索加固，以加大岩体抗滑力，如图2－53（c）所示。
（4）设钢筋混凝土抗滑桩。在坝趾下游侧岩体内设置钢筋混凝土抗滑桩，穿过软弱夹层固定在完整的基岩上，抗滑作用比较明显。
实践证明，在同一工程中，根据具体情况常采用多种不同的处理方法。
四、坝基的防渗和排水
（一）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2－54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2－54 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（相对隔水层的判断参见DL 5108—1999《混凝土重力坝设计规范》）3～5m。相对隔水层较深时，帷幕深度可根据防渗要求确定，常用坝高的0.3～0.7倍，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1/2～1/3。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，如图2－55所示。
图2－55 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—ϕ100排水钢管；6—ϕ100三通；7—ϕ75预埋钢管；8—坝体
图2－56 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
帷幕灌浆的时间，应在坝基固结灌浆后，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位线与最高库水位交点（图2－54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洞排出，增加岸坡的稳定性。
（二）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2－56）。
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，孔径约为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，中、高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，孔距约为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2－56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。
实践证明：我国新安江水库、丹江口水库、刘家峡水库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，收到了良好的效果。
五、重力坝设计实例
（一）基本资料
与第五节实例的基本资料相同。
（二）溢流孔口的设计
1.设计原则
溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸。较好体型的堰型以满足泄水要求，并使水流平顺不产生空蚀破坏，主要泄水方式有开敞溢流式和孔口溢流式。根据比较本设计采用开敞式溢流。
2.洪水标准确定
根据本章第二节中，山区、丘陵区水利水电枢纽工程永久性建筑洪水标准规范要求，采用50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。
3.设计流量的选择
确定设计流量时，先拟定溢流坝的泄水方式，然后进行调洪演算，求得各方案的防洪库容。确定设计洪水位和校核洪水位及相应的下泄流量，还必须考虑其他建筑物分担的泄洪任务。
4.单宽流量q的确定
单宽流量是确定孔口尺寸的重要依据，单宽流量大，溢流孔口的宽度可以缩短。有利于枢纽的布置，但增加下游消能的困难，下游的局部冲刷可能更严重。反之，单宽流量小，有利于下游消能，但溢孔口的宽度增大，对枢纽的布置不利。因此，一个经济而安全的单宽流量必须综合地质条件、下游河流水深、枢纽布置、消能等各种条件，经技术经济比较后确定。
工程实践证明对于软弱夹层岩石常取q＝20～50m3/（s·m），中等坚硬的岩石取q＝50～100m3/（s·m），特别坚硬的岩石q＝100～150m3/（s·m）。本设计取q＝80m3/（s·m）。
5.溢流孔口尺寸的确定
（1）孔口净宽的计算（表2－22）。
表2－22 孔口净宽计算表
取溢流坝孔口净宽为21m，假设每孔净宽为7m，孔数为3。
（2）溢流坝总长度的确定。根据工程经验，拟定闸墩的厚度初拟中墩厚d＝4m，边墩厚d＝3m，则溢流坝总长度（不包括边墩）B1为
B1＝nb＋（n－1）d＝21＋2×4＝29（m）
（3）闸门高度的确定。
闸门顶高程＝正常高水位＋（0.3～0.5）＝354＋0.5＝354.5（m）
门高＝闸门顶高程－堰顶高程＝354.5－348＝6.5（m）
门高取7m。
闸墩顶部高程与非溢流坝顶路面高程相同。
（4）堰顶高程的确定。根据下泄洪水流量计算公式
计算堰顶水头Hz。堰顶高程计算表见表2－23。
初拟时ε取0.95，mz取0.502，忽略行进流速水头，故堰顶高程即为设计洪水位减去堰顶水头Hz。
表2－23 堰顶高程计算表
根据以上计算取堰顶高程为348m。
（5）定型设计水头Hs的确定。
堰上最大水头Hmax＝校核洪水位－堰顶高程＝356.3－348＝8.3
取Hs＝7m，7/8.3＝0.843。查表2－14知，坝面最大负压为0.3Hs，即0.3Hs＝2.1m，小于规定的允许值（不超过3～6m水柱）。
（6）泄流能力校核。
1）确定侧收缩系数ε。闸墩用半圆形，则ξ0＝0.45，ξk＝0.4。
式中 n——溢流孔数；
b——每孔的净宽；
H0——堰顶水头；
ξ0——闸墩形状系数；
ξk——边墩形状系数。
2）确定流量系数m。
泄洪能力校核计算表见表2－24。
表2－24 泄洪能力校核计算表
（三）溢流坝剖面设计
溢流堰面曲线常采用非真空剖面线，采用较为广泛的非真空剖面曲线有克－奥曲线和WES曲线两种，经比较本工程选用WES曲线，溢流坝的基本剖面为三角形。一般其上游面为铅直，溢流面有顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。
1.上游堰面曲线
原点上游采用椭圆曲线，其方程为
根据计算为Hs＝7m，取a＝0.28，计算得b＝0.16。
上游曲线计算见表2－25。
表2－25 上游曲线计算表
2.WES曲线设计
原点下游采用WES曲线，其方程为
查表2－13得上游面垂直时，n＝ 1.85，k＝2.000。
顶部的曲线段确定后，中部的直线段与顶部的反弧段相切，其坡度一般与非溢流坝下游坡率相同，即为1ϒm，直线段与WES曲线相切时，切点横坐标xc为
表2－26 WES堰面曲线计算表
3.底部反弧段
根据工程经验，挑射角θ＝25°。挑流鼻坎应高出下游最高水位1～2m。鼻坎的高程为332.0＋1＝333.0m。
上游水面至挑坎顶部的高差H0＝校核水位－坎顶高程＝356.3－333＝23.3（m）
反弧段过流宽度B0＝21＋2×4＝29（m）
反弧段的圆心求法：先画一条与坝的下游面平行，且距圆弧半径为R的直线，再画一条与挑坝顶点相距为R cos25°的水平线，两线的交点即为圆心。
（四）消能防冲设计
1.消能方式选择
根据地形地质条件，选用挑流消能。
挑流消能的原理：一是空中挑距，即利用鼻坎挑射出的水流在空中扩散掺气消耗一部分功能；二是水下消能即利用扩散了的水舌落入下游河床时与下游河道水体发生碰撞，并在水舌入水点附近形成的两个漩滚消耗剩余的大部分功能。
挑流消能的优点：构造简单，不需修建大量的下游护坦，便于维修。但也有缺点，挑流引起的水流雾化严重，尾水波动大。
2.挑流消能计算
（1）挑射距离。
（2）最大冲坑水垫厚度。
可冲性类别属于可冲，冲刷系数取k＝1.1。
（3）消能防冲验算。
验算结果满足要求。
（五）溢流坝顶布置
1.闸墩
闸墩的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用半圆形，其中上游布置于工作桥顶部，高程取非溢流坝顶高程，总长14.3m。中墩的厚度为4m，边墩的厚度为3m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩，工作闸门槽深0.8m，宽1.3m，检修闸门槽深0.5m，宽0.5m。中墩横剖面图如图2－57所示。
图2－57 中墩横剖面图（单位：mm）
2.工作桥布置
工作桥布置固定或移动式启闭机，当采用移动式启闭机时，工作桥和交通桥可以合二为一，当采用固定式启闭机时，二者可以分开布置。工作桥和交通桥相互间的位置，应由非溢流坝坝顶的交通要求确定。本工程采用固定式启闭机，宽7m，高程为356.3m。
导墙布置，边墩向下游延伸成导墙，其中延伸到挑流鼻坎末端的导墙需分缝，间距为15m，其横断面为梯形，顶宽厚0.5m。
（六）重力坝细部构造
1.坝顶构造
（1）非溢流坝段。根据交通要求坝顶做混凝土路面，横坡为2%。两边每隔10m设置排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土。防浪墙设在坝体横缝处留有伸缩缝，墙高为1.2m，厚度为25cm，以满足运用安全的要求。坝顶公路两侧设有0.5m宽的人行道，并高出坝顶路面20cm。坝顶总宽度为5m，下游设置栏杆及路灯。
（2）溢流坝段。溢流坝的上部设有闸门、闸墩、门机。
（3）交通桥等结构和设备。
2.廊道的布置和尺寸。
（1）基础灌浆廊道。廊道底部距坝基面5m，上游侧距上游坝面4m。廊道形状为城门洞形。底宽2.5m，高3m。内部上游侧设排水沟，并在最底处设集水井。
（2）坝体廊道。自基础廊道沿坝高每隔12m设置一层廊道，共两层，底部高程分别为331m、343m。形状为城门洞形（图2－58），其上游侧距上游坝面3m，底宽2m，高2.5m。为了减小扬压力，在坝体内设置排水管，直径为15cm，间距为3m，为无砂多孔混凝土管。排水管将渗水收集到廊道内排出。
3.横缝布置
为了防止坝体因温度变化和地基不均匀沉陷而产生裂缝，坝体需要分缝。横缝垂直于坝轴线布置，缝距为20m，缝宽2cm，内有止水，溢流坝段横缝间距为17.5m，坝段总长35m。横缝止水构造如图2－59所示。
图2－58 廊道构造图
图2－59 横缝止水构造图
4.坝体止水
除横缝止水外，上游设两道防水片和一道防渗沥青等。止水片采用1.0mm厚的紫铜片。第一道止水片距上游坝面1.0m。两道止水片间距为1m，中间设置直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。
（七）地基处理
天然地基常存在着不同程度的缺陷，必须经过处理才可作为坝基础。
1.基础开挖
由于坝址处河床上有1～2m的覆盖层，地基开挖时应把覆盖层挖除。坝底面的最低高程为326.0m，顺水方向开挖成锯齿状，并在上下游坝基面开挖一个浅齿墙，沿坝轴线方向的两岸岸坡坝段基础，开挖成有足够宽度的分级平台，平台的宽度至少为1/3坝段长，相邻两级平台的高差不超过10m。
2.帷幕设计
帷幕作用：①防止坝底渗透压力；②防止坝基产生机械式化学管涌。在基础灌浆廊道内钻设防渗帷幕。防渗帷幕采用膨胀水泥浆做灌浆材料。其位置布置在靠近上游坝面的坝基及两岸。帷幕的深度取13m。河床部位深，两岸逐渐变浅。灌浆孔直径取80mm，方向垂直，孔距取2m，设置一排。
（八）绘制溢流坝剖面
重力坝溢流段剖面图如图2－60所示，绘制步骤如下。
（1）绘制非溢流坝剖面。
图2－60 重力坝溢流段剖面图（高程单位：m；尺寸单位：cm）
（2）绘制椭圆曲线和WES曲线。
（3）绘制直线段。
（4）绘制反弧段。
（5）剖面修正。
（6）绘制坝顶结构。
（7）绘制廊道等细部构造。
（8）标注。