什么是水工基础工程?

什么是水工基础工程?

[拼音]：shuigong jichu gongcheng

[外文]：foundation engineering of hydraulic structure

为满足水工建筑物基础稳定及强度要求而采取的地基处理，及水工建筑物下部结构的设计与施工的统称。基础稳定（包括抗滑、抗倾，变形及渗透稳定）是水工建筑物正常运行的根本保证。基础工程处理不当往往是水工建筑物失事的主要原因之一。根据1974年国际大坝委员会发表的有关大坝事故调查材料，在混凝土坝与土石坝中，由于基础工程问题而造成的大小事故共95次，占各种事故总次数的36％，其中重大事故29次（包括垮坝在内），占各种重大事故总次数33.3％。如法国坝高60m的马尔帕塞双曲拱坝，于1959年12月2日左岸岩石裂隙由于渗水压力作用构成坝肩滑动，导致垮坝，造成数百人死亡，及大量物质损失。美国1975年建成的蒂顿土坝，因基岩渗水，底部齿槽回填被管涌冲刷破坏，于1976年6月5日溃决，造成重大损失。此外还有一些水库由于基础问题而影响蓄水。总的说来，水工建筑物因基础原因而失事的多于其他工程。从以上失事实例，说明基础工程的成败直接关系到整个水工建筑物的安危与经济效益。基础工程不单设计时要正确妥善，施工尤应高度重视。如水工基础工程设计不当，没有采取有效的工程措施或由于施工草率，没有达到设计要求，往往会导致工程溃决。水利工程的地质情况复杂，岩基由于地壳岩层在构造应力作用下，产生位移与变形，形成褶皱构造与断裂构造，致使岩体构造复杂化。硬软岩石互层时，随着褶皱作用而出现层间错动、层间塑性变形及层间破裂面等褶皱构造。断裂构造主要表现为节理与断层。这些地质缺陷使岩层丧失连续性，强度降低，变形增大，并出现岩溶渗漏、断层破碎带及裂隙的渗漏、 基坑涌水、 坝基承压水及扬压力升高等。对于软基，构造运动所产生的断裂，破坏了土体的连续性，降低了土的强度。地基土颗粒较细、级配不良或抗剪强度较低时易发生管涌、液化及滑动。土的压缩性大时，易产生不均匀沉降。这些现象，都将恶化建筑物基础的稳定和承载力，并带来其他不利影响，故必需慎重对待基础工程。

设计原则

基础工程一般包括两部分：

（1）使建筑物本身适应或满足地基要求，如加大建筑物底部断面或增设必要设施；

（2）地基处理，如采用灌浆、排水或增设桩基等。因此，在设计中应注意下列要求。

大坝若为岩基，则基础的稳定性主要取决于岩体的抗剪强度、变形及渗透稳定。结构形式不同的建筑物，对基础要求亦各有侧重。如岩基上的各种混凝土坝，各种荷载都作用于地基上，故对地基的加固设计便要求达到：

（1）岩体尽量趋于均一，其抗压强度与变形模量无显著差异，并具有足够的强度，以承受坝体的压力。

（2）具有足够的整体性和均匀性，以便有足够的抗剪强度，以满足坝基抗滑稳定要求。

（3）满足渗透稳定要求，一般高坝在防渗帷幕内的单位吸水量应小于0.01L/(min·m·m)。帷幕下游应设排水幕，以降低扬压力，断层破碎带与软弱夹层等渗漏通道更不能产生机械管涌或化学管涌。

（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，使强度降低。

有软弱夹层的岩体，其抗剪强度则取决于夹层的特性。抗滑稳定除研究沿坝体与岩体接触面外，还要研究沿坝基中软弱结构面产生的深层或浅层滑动问题，包括可能滑动面的形式，抗滑稳定的计算方法，计算参数的选择，安全系数的确定及模型试验等。另外，坝基荷载超过地基的承载能力，将使坝基岩体压缩面发生超过允许的沉降或不均匀沉降或局部岩体由于应力集中而破裂。这对各种坝都是危险的，故在研究变形时，应在大坝和岩基的联合作用下，研究坝基变形对坝体应力的影响，不均匀沉降引起坝体应力集中，水平位移对防渗帷幕的作用等。而软弱夹层、强风化层和断层破碎带又是导致坝基产生变形的主要因素，因此也是主要研究对象。

对于拱坝地基除上述要求外，还要求岩体有更高的承载力，岩体变形模量均一，岩体与混凝土的d性模量接近。对两岸坝肩要研究其稳定与变形，对两岸发育的断层、节理、裂隙要深入研究在力系与绕坝渗流同时作用下能否构成滑动块体。土石坝对地基的要求比混凝土坝低，但从解决地基渗水、承载能力小、压缩性大、抗剪强度低以及振动液化等问题方面考虑，也需要对地基采取必要的处理措施，做到既安全又经济合理。在岩溶地区修建水库与大坝，应分析水库渗漏的范围、主要渗水通道，估计渗漏量等并提出治理方案。对岩溶区坝址，除应查明上述问题外，还要注意岩溶发育深度，溶洞与岩溶通道的具体分布、填充情况，对坝基与坝肩稳定的影响等。中国岩溶发育地区面积约占全国面积七分之一，故对岩溶渗漏问题需予重视。

主要技术措施

基础工程设计内容包括建筑物基础及地基处理两部分，一般有下列三种情况。

对基础采取结构措施

通过建筑物下部结构（即基础）的调整，可改善水工建筑物基础及地基的应力状态。如①设置混凝土底座:日本大川坝地质条件非常复杂，采用先铺筑厚20m、长245m的混凝土平板式基础底座，再在底座上修建高58m的混凝土重力坝，以适应坝址区复杂的地质条件。另外，中国贵州猫跳河（四级）窄巷口水电站的拦河坝，是在厚20～30m的河床覆盖层上先修建跨度40m以上的混凝土拱形基础底座(又称基础拱桥)，然后在其上修建高54.8m的双曲拱坝，避免了河床大量开挖并简化了地基受力条件。

（2）设置拱坝周边垫座：在地形很不规则的河谷或局部有深槽或地质上有软弱带的情况，而欲修建拱坝时，可在岩基上先修建混凝土周边垫座(人工基础)形成周边缝（图1），然后在周边垫座上修建坝体。缝沿周边的形式可按需要选定，使垫座以上的坝体能保持一定的对称性，可减少上述各种不利因素的影响并改善拱坝的支承条件。意大利于1939年建成的奥西尔埃塔双曲拱坝，以及1961年建成的坝高262m的瓦依昂拱坝，都采用了人工周边垫座。由于周边缝的存在，坝体即使开裂，延伸到缝边就会停止发展；若垫座有开裂，也不致影响到坝体；如垫座厚度适当加大，还可使拱端推力更均匀地分布到较大面积的基岩上，可改善地基的受力条件。

（3）设置重力墩：当河谷岸边基岩面高程低于坝顶，为减少宽高比，避免岸坡大量开挖（图2），可设置重力墩，以使拱坝坝体基本上保持对称。

（4）采用桩基础（见桩工）：这也是一种改善地基受力条件的结构措施。松软地基不能承受上部传来的荷载时，可以选择桩基础，将上部荷载通过承台、群桩而传到地基土层或底部基岩，以避免引起松散土层产生不均匀沉降。

（5）设立传力墙：拱坝对两岸坝肩整体性要求很高。中国贵州高165m的乌江渡水电站重力拱坝，右坝肩被裂隙严重切割，后选定在该处设置一个断面尺寸为 12m×20m×45m的大型混凝土传力墙。传力墙按顺坝肩推力方向穿透裂隙密集带布置，使应力有效地向山里坚硬灰岩传递扩散，解决了拱端与地基力系平衡稳定的问题。

岩基加固和防渗措施

其目的基本上是提高强度、增大变形模量、减少扬压力。主要手段为①坝基开挖（见地基开挖）。

（2）固结灌浆。

（3）混凝土置换：是加固岩基断层破碎带及软弱夹层常用的措施，一般根据所在的部位、产状、宽度、充填物性质，通过计算或模型试验确定开挖一定深度和宽度的槽、井、洞，再回填混凝土塞，并加强接触灌浆和固结灌浆。若基岩有深层滑动面，灌浆又不能解决抗滑稳定要求时，可考虑由基岩面打竖井到滑动面高程开挖置换洞，再回填混凝土，如印度高144m的斯里赛勒姆坝。由于置换开挖对基岩有一定的破坏作用，故可尽量使用灌浆改善断层，但灌浆对提高变形模量有效，而对提高抗剪指标作用不大。因此，在拱坝基础处理中，当断层与推力方向近于垂直时，用灌浆处理断层为好；若断层与推力斜交或近于平行时，则用混凝土置换处理断层为好。

（4）预应力锚固。

（5）岩溶处理。

（6）岩基防渗（见帷幕灌浆、化学灌浆）。

软基加固与防渗措施

软基主要是指砂砾、黄土、软粘土、细砂层等地基。对砂砾地基的处理，主要是控制渗透流速、渗透流量，保证坝基渗透稳定。办法是采用垂直防渗与水平防渗。垂直防渗采用粘土截水墙、混凝土防渗墙及帷幕灌浆等。水平防渗多采用粘土铺盖，有时在坝下游还需采用排水减压等手段。对软粘土或冲积层，因基特点是含水量高，压缩性大，透水性小，抗压、抗剪强度低，可采用加速排水固结办法，提高其抗剪强度，如砂垫层排水、真空抽气加固、砂井预压等措施。对黄土地基，主要是湿陷性黄土，因其沉降量大，可能引起坝的失稳及开裂，可采用挖除、预先浸水或表面强夯等措施。总之，除控制渗流外，还要提高地基强度和稳定性，减少总沉降量和沉降差。对细砂层，则应防止管涌与振动液化现象，近年来发展较快的是利用振冲法加固砂土地基。20世纪70年代初，在软基加固技术中，又出现了高压喷射灌浆，即钻杆边旋转边高压喷射水泥浆，制成的旋喷桩直径可达1.5～2.0m。沉井在中国水利工程中，多用作防冲结构，60年代初，曾在四川映秀湾水电站首次使用，并在砾石层与粉细砂层中下沉，不但解决了防冲，也解决了渗透稳定与砂层液化等问题。铜街子水电站导流明渠左导墙及出口处于1985年布置了16个沉井，每个最大尺寸为 16m×30m，井壁厚1.6～2.0m，总深35m，以防止明渠水流冲刷左岸山体坡脚而造成塌方。荷兰以软基工程著称于世，1986年在最大水深45m的海口软基上建成高53m、总长3000m的东斯海尔德挡潮闸工程，闸基开挖、砂基振实、卵石回填等均在水下进行。这是软基处理工程的一个飞跃。

见地基处理。