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第五章结合工程案例，对重力坝坝基的安全以及解决方法进行了研究，并针对存在的问题提出了防范措施；

最后是本文的结论和展望。

关键词：

抗抗滑稳定分析；

坝基开挖；

固结灌浆；

软弱岩层处理

我国水电事业在不断的蓬勃发展，目前我国的混凝土坝建设规模和数量跃居世界首位。

重力坝之所以在水利水电工程中得到了广泛的应用，因为它具有一点的优点，文中有所体现，这里就不一一陈述了；

看到它优点同时也有一定的局限性，

为了适应复杂的地基处理，总结我国以往的建坝施工经验，本文结合实际案例，从实践的角度分析了混凝土重力坝的地基稳定性并对具体工程实例的地基处理措施进行了总结论述。

1重力坝地基问题概述

1.1重力坝地基基础理论

1.1.1重力坝地基存在问题

地基是直接承受上部建筑物荷载作用的这一部分土体或岩体。

根据承载特点，地基通常可分为两类，第一类为一般工业民用建筑物的地基，即承受垂直荷载的地基；

第二类包括各类挡水建筑物，即承受斜向荷载（同时承受垂直荷裁与水平荷载）地基。

地基稳定是混凝土重力坝工程成败的关键。

因此，科学的分析重力坝地基的稳定性，采取高效、实用、经济的工程手段进行地基处理，是保证混凝土重力坝工程安全的关键，也是降低工程造价和成本的有效措施。

1.1.2重力坝地基的处理

重力坝地基处理需要满足如下要求：

（1）强度要求，能承受重力坝的压力；

达到抗渗要求，控制渗流损失和渗透稳定；

（2）耐久性要求，在工程寿命期内地基安全稳定；

（3）具有较好的整体性和均匀性，满足抗滑稳定和减低不均匀沉降。

1.2重力坝地基稳定性调查内容

地基稳定性是指与地基岩土体在承受建筑荷载条件下的沉降变形、深层滑动等对工程建设安全稳定的影响程度。

区域环境地质调查中对地基稳定性的调查内容主要有：

地基主要持力层和特殊性岩土体的分布、岩性、厚度、埋藏条件、工程地质特性；

现有建筑物基础类型和地基稳定性情况；

现有基坑类型、规模和坑壁、坑底稳定状况；

不良地基岩土体在工程作用下和基坑坑壁、坑底的变形对工程建设的危害和对周围环境影响的调查；

采取的工程防治措施及其效果调查。

混凝土重力坝工程一般建设在河道和山谷里，库区建设前要移民安置，附近很少有相邻建筑物。

混凝土重力坝底面积较大，一般建在较好的岩基上，坝基经过常规处理甚或不处理其抗压强度都能达到设计要求，坝基容易出现的问题是滑移失稳。

所以重力坝地基稳定性调查的主要内容是持力层和特殊岩体的分布、岩性、厚度与埋藏条件、工程地质特性，即地基内有无软弱夹层或缓倾角断面、基底岩体面与混凝土的摩擦系数、岩基的渗透性。

这些因素直接影响到坝体的滑移稳定性。

1.3重力坝地基问题处理措施

对于断层破碎带和软弱夹层地质缺陷的处理措施主要有：

洞挖、明挖处理。

利用混凝土塞。

大直径混凝土桩。

1.4重力坝地基问题处理综合评价

有针对性地对坝基进行加固，能很好地解决不同地质对造成坝基深层抗滑稳定、渗透稳定、不均匀变形问题，保障大坝的安全运行。

重力坝岩石地基经过固结灌浆、断层破碎带及软弱夹层加固、帷幕灌浆、排水等措施综合处理后，可以有效提高坝基承载力及弹性模量，减少渗流损失，降低坝底扬压力，避免发生滑动失稳或倾覆事故的发生，使地基达到设计标准，满足寿命期内的地基稳定性要求。

2坝基开挖

2.1建基岩体的利用和开挖要求

和其他建筑物一样，混凝土重力坝要求地基建基面具有足够承受上部建筑物荷载的强度，并具有一定的整体刚度，保证地基压载后有相对稳定的变形，沉降均匀、微量。

坝体对地基的要求与其他建筑物不同之处是对抗渗性的要求，混凝土坝的目的是阻水或蓄水，所以选择坝基还要具有抗渗性。

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。

开挖与清理、加固处理、坝基帷幕灌浆、基础排水是常用的处理方法。

重力坝的坝基应具有足够的强度和承载能力。

但地基总是存在着种种的缺陷，为了能在具有某些缺陷的岩基上修建重力坝，应对基岩进行必要的处理，以保证大坝的安全。

坝基处理的目的在于提高其强度、稳定性、耐久性和抗渗能力，具体的措施通常包括开挖、清理、灌浆、排水和特殊软弱地带的处理等。

2.2坝基开挖形状

重力坝的基坑轮廓形状主要根据设计和覆盖层地质条件确定，包括平面投影形状、横断面（垂直于坝轴线）形状和纵断面（平行于坝轴线）形状。

2.3地基表面地质缺陷处理

坝基开挖，按设计要求达到建基高程后，建基面和浅部岩体仍会出现某些地质缺陷，必须予以处理。

先期勘探可能勘测不到的建基面地质缺陷一般有断层破碎带、裂隙密集带、浅层溶洞等，处理方法应根据地质缺陷在坝基中的位置、形状、对强度和防渗性能的影响程度来确定。

表层缺陷埋深浅、规模小，处理相对方便，一般采取明挖换填混凝土的方式进行处理，处理简便经济。

2.4坝基开发程序

混凝土重力坝通常建在岩基上，为了保证将坝体建在较完整的微风化或更好的建基面上，重力坝基坑的开挖一般较深。

坝基开挖程序要遵循“先放线后开挖、自上而下、分层开挖、多次校核的原则”。

一般先开挖两岸，根据设计从两岸开始向河道方向逐级下挖，直至挖到坝基高程最低处。

2.5坝基爆破设计与施工

2.5.1爆破施工的一般规定

一般开挖爆破要求岩块均匀，大块率低，形成的台阶面平整，不留残埂。

爆破施工属于具有一定规模、危险性大的施工工艺，必须坚持安全第一的原则，爆破施工一定要取得当地公安部门的批准，并编制专项施工方案，专项方案经过有关专家评审通过后再进行施工。

并遵循爆破一般规定，爆破施工的一般规定内容较多就不一一陈述了。

2.5.2爆破实验

爆破实验十分重要，爆破施工前一定要进行爆破实验，科学合理的确认爆破参数。

2.5.3爆破施工方法

岩石爆破基本方法一般包括裸露爆破法、炮眼爆破法、药壶爆破法及洞室爆破法等方法。

3坝基固结灌浆设计

3.1固结灌浆的目的和要求

固结灌浆是加固坝基的一种常用工程措施，它是用适当的压力，将水泥浆液或其他化学固化材料灌注到地质缺陷部位，如断层破碎带、软弱夹层、深风化槽、裂隙密集带、卸荷带中去，待浆液固化后，起到增加岩体完整性，提高岩体弹性模量，减少坝基沉陷的作用。

布置在防渗帷幕前的坝基固结灌浆，并能起到提高坝基浅层的抗渗性，达到加强防渗帷幕的作用。

因此，固结灌浆已经成为坝基处理不可或缺的有效手段，在坝基处理中发挥着十分重要的作用。

3.2固结灌浆设计

一般采用浅孔低压灌注水泥浆的方法对地基进行加固处理，称为固结灌浆。

目的是提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。

一般在应力较大的坝踵和坝趾附近布置固结灌浆孔，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。

灌浆孔呈梅花形布置，孔距、排距和孔深根据坝高、基岩的构造情况确定，一般孔距3～4m，孔深5～8m。

帷幕上游区的孔深一般为8～15m，钻孔方向垂直于基岩面。

灌浆施工完成的控制指标有两个，一个是残余吸浆量，一个是闭浆时间。

当水泥浆液灌入率小于或等于0.4L/min且延续时间超过30min，该灌孔的施工即可结束。

3.3无盖重固结灌浆

近年来水利灌浆方法中新出现了一种新工艺无盖重固结灌浆技术，这种新方法主要用来解决大坝混凝土浇筑与固结灌浆相互干扰的问题。

因为不用增加混凝土盖重就可以开始固结灌浆施工，所以灌浆速度快。

坝体混凝土在固结灌浆完毕后可以顺序施工，避免了相互间的干扰与中断，都能保证施工的连续性，有利组织流水施工，加快主坝基础部位的混凝土施工速度，适当缩短施工周期。

无盖重固结灌浆施工与有盖重灌浆相比，有以下优点：

（1）灌浆面选择性大，提前分阶段灌浆可有效避免固结灌浆与坝体混凝土浇筑之间的相互干扰，保证坝体混凝土浇筑的连续性；

（2）可有效避免固结灌浆对已浇坝体混凝土内预埋设施的破坏；

（3）缩短坝体混凝土浇筑周期，对防止混凝土温度裂缝有利。

4坝基软弱岩层处理

4.1坝基软弱岩层处理的必要性

内部物质的强度和弹模均不能满足坝基稳定和变形要求的基岩称之为软弱岩体（层），需要进行处理后才能进行坝体施工。

坝基质量事故主要表现为三种情况：

（1）由于坝基不均匀沉降造成上部坝体开裂或设备损坏；

（2）坝体沿着坝基软弱岩层或建基面产生滑移造成坝体失稳；

（3）库区水沿着坝基软弱岩层或裂隙渗漏或管涌，造成坝基扬压力增加。

对坝基软弱岩层处理的目的是提高坝基的抗压、抗滑、抗渗性，提高坝基的整体性，改善坝基的受力性能，使坝基保持稳定。

4.2软弱岩层处理措施

软弱岩层的处理措施要根据其所处的部位、大小、走向等具体情况而定。

浅埋的软弱岩层相对好处理，一般采用直接挖除方式处理。

针对浅埋的软弱岩层一般采用直接挖除方式处理。

4.3断层破碎带和软弱夹层处理方法

一般情况下，首选是全部挖除，将其中软弱构造岩及两侧破碎岩体清除，然后回填混凝土，其作用是使坝体荷载经混凝土塞传到两岸新鲜完整基岩上。

5重力坝地基问题分析（结合案例）

5.1东升水电站总体介绍

5.1.1水库规模

校核洪水位为157.91m，相应库容为5016×

104m3；

正常蓄水位为156.00m，相应库容为3988×

104m3，调节库容为2867×

104m3，占总库容的57.16%，死水位148.00m，相应库容1121×

104m3，占总库容的22.35%。

5.1.2挡水建筑物

挡水建筑物为埋石混凝土重力坝，坝线总长度为340m，坝最大高度为33m。

5.1.3泄洪建筑物

溢流坝为开敞式河床溢洪道，布置在河谷右侧主河床，溢流坝两侧与非溢流重力坝段相连接。

溢流坝总净宽105m，分7孔，每孔净宽15m，中墩厚3.0m，边墩厚2.0m，溢流坝顺水流方向长22.65m。

5.1.4引水隧洞

混合式水电站引水建筑物布置在坝址右岸上游530m的山体内，采用一洞两机供水方式，由进水口、压力引水道、调压井、压力管道等组成，进水口采用岸塔式，进口底板高程136.5m，进水口设拦污栅和检修闸门。

5.2东升水电站地质问题产生原因

5.2.1上坝线地质情况

从区域地质构造看，没有大的断裂通过坝线区附近，本区的构造断裂多被第四系松散层所覆盖。

通过物探资料，此选坝线共发现2处断层破碎带（低速带），分布于坝基低漫滩底部及左岸低山脚下部位。

地层上部发育有第四系，第四系最大厚度11.8m，基底及两岸为花岗岩。

坝基为花岗岩。

岩体可分为强风化、弱风化、微风化～新鲜岩石。

强风化岩体在坝轴线上不连续分布，岩石的组织结构大部分已破坏，小部分岩石已分解成土，大部分岩石呈不连续的骨架或心石，除石英外，长石、云母和铁镁矿物已风化蚀变。

弱风化岩体连续分布，风化岩体钻探取芯呈碎块状和短柱状，岩体厚度2.10m～13.20m。

微风化～新鲜岩体在弱风化岩体之下连续分布，岩体钻探取芯多为柱状～长柱状。

5.2.2下坝线地质情况

从区域地质构造看，没有大的断裂通过坝址区附近，本区的构造断裂多被第四系松散层所覆盖。

通过物探资料，坝址区共发现3处断层破碎带（低速带），分布于坝基河床底部及左坝肩部位。

强风化岩体坝轴线上不连续分布，岩石的组织结构大部分已破坏，小部分岩石已分解成土，大部分岩石呈不连续的骨架或心石，除石英外，长石、云母和铁镁矿物已风化蚀变。

弱风化岩体连续分布，风化岩体钻探取芯呈碎块状和短柱状，岩体厚度2.10m～8.70m。

5.2.3溢洪坝段地质情况

溢流坝位于漫滩区的河床部位，地表高程在133.75m～138.53m，南高北低。

地表为第四系全新统冲洪积地层，岩性为级配不良中砂和卵石混合土，总厚度1.5m～5.3m。

第四系下部为燕山期侵入岩体，岩性为花岗岩：

灰白色-灰黑杂色，中细粒结构，块状构造，为酸性侵入岩。

强风化岩体钻探取芯呈砂土状，造岩矿物已蚀变，主要分布在溢流坝右边墙与重力坝相接部位，厚度为0.80m～5.40m，下限高程为127.83m～131.02m。

弱风化岩体钻探取芯呈碎块状和短柱状，厚度为1.00m～9.10m，下限高程为122.92m～129.92m。

微风化岩体钻探取芯多为柱状，岩芯获得率RQD=30%--80%。

5.3问题解决措施

重力坝左岸共12个坝段，重力坝的施工工艺为自密式堆石混凝土技术。

大体积混凝土特别是大坝混凝土，为了降低混凝土的水化热和成本，都希望降低水泥用量。

一般而言，可以采用降低用水量或采用大粒径骨料以增加骨料用量的方法。

前者，如碾压混凝土，即采用干硬混凝土，使用大功率的碾压机使混凝土密实。

后者，如大坝混凝土往往采用四级配骨料，骨料粒径可达150mm，但受到拌和与振捣能力的限制，难以使用更大的骨料[6]。

因此，在中小型工程中，也有采用混凝土砌石、毛石混凝土、堆石混凝土等方法筑坝。

本电站坝基固结灌浆为高压灌浆，灌浆施工所需的设备和机具包括钻机、搅拌机、高压灌浆泵和记录仪，及附件如耐腐蚀灌浆金属阀门、输送浆液的带钢丝编织层的高压胶管作为输送管路等。

根据本项目施工要求的相对应量程的压力表，该压力表的最大标定值应当选取所需要的最大灌浆压力值的2.0～2.5倍；

孔口封闭器（球状胶塞或气囊式胶塞）。

5.3.1固结灌浆施工

堆石混凝土重力坝左岸共12个坝段，每个坝段成为一仓，而各仓的堆石厚度为3m至5m不等，在固结灌浆中，一般要求灌入基岩5m，所以在左岸重力坝基础固结灌浆的孔深一般为8m～10m。

在这次的固结灌浆施工中，以10#坝段施工为例来总结一下堆石混凝土重力坝的固结灌浆施工工艺和流程，其孔位布置图如图5.1所示，10#盖板共设计钻孔31个，设计钻孔深度为8m。

（1）钻孔问题

钻孔采用风动潜孔锤钻进工艺，钻孔直径为75mm。

在进行堆石部分钻孔时，有时会发现孔口排料减少，钻进效率较低的情况，这种情况是堆石部分缝隙没有被自流混凝土填充密实，存在空洞现象，在钻进过程中，岩石碎屑不能很好排出孔外，风量随着空洞延展大量流失，影响钻孔施工正常进行或者严重时钻孔施工无法进行。

针对这种情况，我们在施工中决定在盖板上布置5个钻孔呈梅花状，钻孔深以钻穿抛石段为宜，而后对这5个钻孔进行灌浆，使浆液充份填满堆石混凝土段的裂隙和空洞，待裂隙和空洞被灌注的水泥浆充密实，经过初凝后钻孔可以顺利通过堆石段，可以完成整个造孔过程，钻孔达到设计深度后，根据施工方案的施工工序[8]，进行固结灌浆步骤的施工。

（2）抛石段灌浆施工

抛石段灌浆孔位确定后开始对这5个钻孔进行施工，施工难度仍较大，施工效率较低且对钻头钻具磨损严重。

这5个孔钻孔结束后，开始准备对其开始灌浆。

灌浆我们采用的是气囊式孔口封闭器。

工作时通过塑料导气管使用气筒向气囊式止浆塞中打气，止浆塞的橡胶段隆起，直径变大，撑住孔壁从而将钻孔进行封闭，工作结束后将气囊中气体放出，气囊收缩，橡胶段直径变小，便可以从钻孔中取出，图5.4为工作时止浆塞工作情况。

在10#坝段抛石段共5个灌浆孔，钻孔完毕后我们选取其中一个进行了简易单点式压水试验，设计压力为0.24MPa，止浆塞下到距孔口0.5m处，进行了30min的压水试验，观察到只有少量清水返回至回浆桶，压水压力无法升至设计压力。

压水试验数据如表5.1所示。

表5.1抛石段钻孔压水试验数据表

孔号

稳定时压力（Mpa）

稳定时流量（L/min）

吕容值（Lu）

1

0.05

32.37

50.38

在对10#坝段的5个孔进行压水试验结束后，用的水灰比分别为3：

1、2：

1、1：

1、0.8：

1、0.5：

1，初始水灰比为3：

1。

对抛石段进行了灌注，设计灌浆压力为0.3MPa[9]。

当对这5个孔灌浆时，一旦灌浆的各项参数达到预计数值时，即可结束灌浆，我们就视为对堆石部分内孔隙填灌完毕。

灌浆结束后，仍然采用全孔灌浆封孔法把这5个堆石坝灌浆孔进行封孔。

在这次施工中我们对10#坝段仓内抛石段5个灌浆孔共灌注水泥24.8t，在对抛石段灌浆结束后，使堆石内浆液凝结5～7天，待其达到一定强度后，在按照原来工序进行施工。

（3）对抛石段下面基岩层进行固结灌浆

①固结灌浆的成孔

对抛石段注入浆液后等待抛石内浆液凝固到一定强度，我们开始使用风动潜孔锤钻进工艺按照设计孔位进行钻孔施工，经过上步对堆石灌浆后这次钻孔成孔过程中，不排料和跑风现象明显减少，甚至已完全不跑风。

在对抛石段经过前期灌浆后在潜孔锤钻进施工的过程当中几乎没有再出现卡钻现象。

钻孔效率大大提高了，整个10#坝段共31个钻孔，总进尺有248m，用时2天就完成了所有钻孔成孔施工。

②裂隙冲洗和压水试验

在对10#坝段的31个灌浆孔前期施工工序全部结束后，我们开始对基岩段进行灌浆施工，在灌浆施工前我们先对各待灌浆孔进行应采用压力水冲洗孔内裂隙，在冲洗的过程中时刻观察回水管的孔内回水，直到孔内回水清净为止，在对孔内进行注水时的冲洗压力我们根据经验和计算把这个冲洗压了值设定为灌浆压力值的80%即可，即为0.24MPa。

③10#坝段水泥净浆液灌注

在对10#坝段进行压水试验结束后我们开始进行灌浆施工工序，在这次灌浆施工中将采用分序灌浆的方法，在单排中我们分为两序，分法为在每排中孔号为奇数的孔列为I序孔、孔号为偶数的孔列为II序孔，在实际的灌浆施工中为了尽可能的防止串浆现象的发生，首先对I序孔灌注，在对I序孔灌注结束后经过适当的初凝在进行灌注II序孔。

这次的固结灌浆方式我们采用的是孔口封闭全孔一次灌浆法，止浆胶塞下入距孔口约0.5m处。

（4）固结灌浆质量检查

①钻孔取芯检查

我们用金刚石回转钻进方法对设计的三个检查孔进行取芯钻探工作，如果从检查孔内取出的岩心完整，则可以初步判断固结灌浆施工起到了一定的效果。

从图5.5中可以看出，从检查孔中可以取出比较完整的岩心柱，岩石中的裂隙被灌注的水泥浆较完整的充填，在岩心柱中可见水泥结石夹层，证明固结灌浆效果很好。

②压水试验检查

通过压水试验检查是固结灌浆检查中一种常用的灌浆效果检查和认证的一种有效而且简单可行方式，我们对固结灌浆进行钻孔压水检查，如果检查孔通过压水试验所得到的透水率不大于5Lu[10]我们将视为固结灌浆检验结果是合格的。

为了检验注浆的效果，在该施工区域内的所有检查孔的合格率要求大于85%，而且不合格检查孔的透水率值不得超过相关设计规范要求范围值的1.5倍，在不合格的所有孔不是集中在某一实验块内，这样的灌浆质量我们就可认定此次固结灌浆为合格的灌浆。

表5.2检查孔压水试验数据表

#10-1JC

0.24

3.8

2.1

#10-2JC

4.2

2.3

#10-3JC

0.25

2.9

1.5

根据上表中数据我们可以看出这组三个检查孔压水试验的数据的吕容值均非常小，为2Lu左右，而对比固结灌浆前所做压水试验的吕容值均为8Lu～10Lu，可见固结灌浆效果明显，也达到了规范的要求。

由以上结论进行分析可见，选定这3个检查孔的透水率均较低，并且合格率为100%。

所以这次在东升水电站抛石混凝土重力坝的固结灌浆中效果明显，起到了减少岩体的变形与不均匀沉陷、提高岩体的整体性与均质性、从而提高坝基岩体的抗压强度之作用。

在对其余各个坝段进行施工中我们均使用与10#坝段相同的施工工艺和方法，均取得了较好的施工效果，达到了设计要求，圆满完成了此次施工任务。

结论与展望

本文首先阐述了重力坝地基基础理论、重力坝地基稳定性处理措施和重力坝地基稳定性处理综合评价；

接下来对坝基开挖时的相关理论和方法进行了论述；

然后对坝基固结灌浆的目的与要求以及设计进行了论述；

继而论述了坝基软弱岩层处理；

最后结合辽河铁岭大坝案例对重力坝地基稳定性进行了分析。

影响混凝土重力坝坝体安全最大的因素是地基稳定性，尤其是现场地质勘探无法揭露的深层隐患和软弱夹层等地质缺陷，是用理论的方式无法解决的。

作为当今混凝土坝建设规模和数量世界第一的国家，我国在混凝土坝施工领域中掌握了一整套行之有效的地基处理方法和施工工艺：

坝基开挖、软弱夹层处理、固结灌浆、防渗帷幕灌浆、排水措施等。

通过以上措施的综合利用，特别是具有我国特色的高压水泥灌浆技术，在对坝基采取全断面、深孔密布固结灌浆和帷幕灌浆处理后，即保证了坝基的抗滑稳定，又提高了坝基的防渗效果，对重力坝地基稳定安全性提供了有效保障。

在实践往往领先于理论工程领域，伴随着电脑技术的发展，混凝土坝建设全过程全仿真控制成为可能，以后在混凝土坝建设过程中会不断总结创造出新的地基处理方法和理论，必将进一步的提高混凝土坝坝基的稳定安全性，使我国的建坝技术领先世界，提高我国在国际水利工程建设领域的竞争力。

参考文献

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河海大学出版社，2012.70

[2]卜贵贤，朱显鸽.水利水电工程施工技术.第一版.北京：

中国水利水电出版社，2011.28

[3]周建平，钮新强，贾金生.重力坝设计二十年.第一版.北京：

中国水利水电出版社，2012.71

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中国水利水电出版社，2011.3

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中国电力出版社，2011.8

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水利水电出版社,1987.32.

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[8]李常升.水利工程质量监控与通病防治全书[M]．北京：

中