水利水電基礎工程施工中不良地基的處理技術

侯曉斌

(寧夏回族自治區水利工程定額和質量安全中心,寧夏 銀川 750001)

0 引 言

隨著我國國民經濟飛速發展對電力等能源需求的持續增大，政府規劃建設了大量水利水電工程。電站地基作為水利水電工程基礎持力層，地質性能的好壞直接影響到水利水電工程整體的質量，更關系到水電設施長久運行的安全性、可靠性、耐久性。一般地，水利水電站選址與建設以選擇在地質條件良好的場地為基本原則，但實際工程中往往會遭遇不良地質條件的情形，例如軟土地基、強透水性地層、活動性斷裂等，傳統方法以規避這些不良地區為最優方案，但受地形地勢、水利人文、工程經濟等條件制約，無法避開不良地質條件的情形也越來越普遍，因此如何經濟、安全、快速、有效地選擇一種地基處理方法來改造不良地基成為當前迫切需要解決的問題。

1 水利水電工程地基處理的作用與重要性

地基是建(構)筑物坐落的用于支承基礎的土體或巖體，對于水利水電工程而言，其主要有支撐水利水電工程設施與阻水隔水的作用。水利水電工程一般為水電站，其與一般建筑工程相似，均是人類工程建設在地基上的建筑體，但又不同于一般的建筑工程，主要表現在建筑不僅要承受水電站垂向壓力，還須具有良好的防滲能力、較強的抗水側壓力能力。因此，良好的地基是水電站成敗的關鍵，而良好地運用地基處理技術對保障建筑地基的受力性能、蓄水能力、工程整體穩定性有至關重要的作用，也直接影響到電站的產能。一般地，地基處理上的資金投入占總投資的10%～40%，這也在一定程度上反映出地基處理的重要性。

2 水利水電工程施工中不良地基的危害

2.1 造成土坡失穩

在不良地基中建設水利水電工程時，土坡天然穩定性差，平衡性易發生偏差，靜水壓力、波浪沖擊力等外力長時間作用土坡，改變土坡內部結構，壓迫土坡部分結構發生位移，逐步破壞瓦解土坡的整體穩定性，進而造成土坡失穩、水電工程的破壞。土坡失穩是工程施工過程中易遇到的問題，給工程安全帶來極大隱患。

2.2 降低地基承載力

地基承載力是地基在不破壞自身內部結構的基礎上，單位面積能夠承受上部建筑物施加的荷載壓力的能力，是確保水利水電工程順利安全施工、保持長期穩定運行的關鍵。但當構筑物建設在不良地基上時，由于地基天然結構存在較大缺陷，例如淤泥質軟土地基，地基承載力較低，地基不能滿足承受上部建筑物壓力的要求，建筑工程易于發生失穩、傾斜、倒塌、不均勻沉降等建筑質量問題，甚至引發嚴重的安全事故。

2.3 導致地基沉降

地基沉降是地基土層在附加應力作用下逐漸壓密擠實而發生的一種地基表面下沉現象。地基沉降現象普遍存在，但過大的沉降以及不均勻沉降是建設工程所不能夠容忍的問題，它會導致建筑物傾斜、開裂，進而影響其正常使用與安全。地基沉降的因素較多，但廣泛分布的不良地質地基土是引發過大沉降的主要因素，局部分布的軟弱夾層是導致不均勻沉降的重要誘因。地基沉降會顯著增加水利水電工程施工風險，威脅施工人員生命財產安全，影響建筑耐久性，甚至造成重大建筑質量事故。

3 常見不良地基的處理技術

3.1 軟土地基處理

軟土是指天然含水量大、滲透性小、壓縮性強、承載力低、抗剪強度低的一種軟塑、流塑性飽和黏土，當軟土中含有大量有機質，天然孔隙比大于1時又被稱作淤泥質土或淤泥。軟土廣泛分布于長期處靜水環境的湖相、海相、沖積相作用的沿海、內陸地區，而水利水電工程常需在這些軟土上修建堤壩設施。軟土天然屬性決定了其易變形、側向膨脹、滑動等變形，作為地基時，不加處理會威脅上層建筑的安全。

目前，軟土地基處理技術較為成熟，主要方法有換填墊層法(圖1)、強夯法、砂石樁法、振沖法、真空預壓法(圖2)、高壓噴射注漿法、水泥粉煤灰碎石樁法等。目前普遍的處理方法有：采用換填墊層法，將軟土置換為砂層，減少軟土層厚度，并通過垂向預壓加速下部軟土固結排水，整體提高地基的地基承載力、減少地基沉積量，防止過大沉降的發生；通過施工砂石樁，并施壓預壓，加速軟土的固結排水；當軟土厚度較大時，可先施工砂井，鋪裝塑料排水帶，并對地基進行真空預壓，促使軟土排水固結；對于小型工程，對承載力要求不嚴格時還可以采用拋石擠淤的方法，但當上部建筑重量大、對地基沉降要求嚴格、為大型水利水利工程時，宜選用樁基進行處理。樁基的處理方式有石灰樁法，灰土擠密法、CFG樁法等。例如，四川仁宗海水庫電站(壩高50 m)對厚度達18 m的淤泥質軟土進行處理時采用的是振沖碎石樁,浙江慈溪杜湖水庫(壩高17.5 m)對16 m厚的軟土進行處理時采用正三角形分布砂井,浙江紹興湯浦水庫(壩高37.2 m)對5 m厚的淤泥質軟土進行處理時采用的是振沖碎石樁,云南務坪水庫(壩高52 m)對33 m厚的湖積軟土進行處理時采用的是振沖碎石樁,加拿大阿爾伯特Mildred水庫(壩高43 m)對1 m多厚的泥炭土進行處理時時采用的是分層挖除泥炭土置換砂土的方法,英國貝爾法斯特水庫(壩高20 m)對10厚的淤泥進行處理時采用的是砂井，等等。這些成功案例表明，針對不同軟土、不同建筑物要求，可以因地制宜地選擇不同的地基處理方法。

圖1 換填墊層法示意圖

3.2 可液化土層處理

砂土液化是指地震等震動源對含水層以下的飽和砂土、粉土顆粒施加強烈震動時，砂土顆粒之間發生相對位移并快速變密，但顆粒間孔隙水未能夠排除、水壓力急劇上升至接近土壓力時，土顆粒的抗剪力急劇下降并接近于零，土像液體一樣具備可流動性的一直現象，這時的地基會下沉、滑動，上層建筑失穩甚至倒塌。因此，可液化土層一般指含水層之下的幾乎不含黏土的砂土、粉土。對于百年水利工程而言，液化砂土沒有抵抗地震的能力，是需要進行地基處理的。可液化土層的地基處理方法主要有換填墊層法，即通過將地基中的飽和砂土開挖置換為具有良好防滲性能、較高強度土層、材料，然后在建筑地基區域建設混凝土防水設施進行封閉處理；也可采用砂石樁法，通過增加地基中砂石含量達到擠密砂石的作用，降低砂土顆粒之間位移能力。

3.3 壩基涌泉處理

壩基涌泉是指坐落于松散土層、發育裂隙、溶洞的基巖中的堤壩，壩內水沿著這些地基空隙向壩外滲水，并不斷沖蝕破壞地基，久而久之造成大量水呈泉式在壩外涌出的現象。壩基涌泉危害性極大，不僅造成壩體存水能力下降，還會掏蝕地基本身造成地基破壞，造成壩體不均勻沉降，嚴重會造成壩身失穩。針對涌泉壩基為基巖的情況，一般采用填筑方法，即對基巖空隙充填防滲體，然后采用從細到粗的碎石分層對基巖空隙進行密實填筑；當涌泉水量過大，需采取引流措施改善填筑環境，也可在涌泉出口安裝單向逆止閥門，降低空隙涌水量，直至基巖空隙處滿足填筑要求時再進行填筑。

3.4 強透水層處理

強透水層是指地基土為礫石、卵石等強透水地層，地基開挖過程易出現大量的水流失，嚴重時會出現管涌，導致地基形成固定水流通道，嚴重威脅建筑物的穩定性。對強透水層的處理方式一般為進行防滲處理，具體的是，施工止水帷幕隔斷水下滲途徑，在大壩前鋪設混凝土或者是黏土，延長滲水路徑，對壩前混凝土帷幕灌漿，降低壩前混凝土滲透性，清除透水層中礫石、卵石并進行高壓噴射修筑防滲墻。

3.5 弱夾層處理

(1)緩傾角軟弱帶的常規處理方法是通過開挖揭露軟弱夾層，并在清除軟弱地層后利用混凝土澆筑替換。如果軟弱夾層上部土體較厚或者硬度較大，導致開挖工程量大或開挖不經濟時，一般通過實施豎井或平硐的方式來對清除軟弱層，并固結灌漿回填混凝土或鋪設鋼筋混凝土。另外，還可利用防滑齒墻貫穿處理軟弱帶并通過高壓噴射來達到清除軟弱層目的。

(2)高傾角軟弱帶的常規處理方法是挖除軟弱帶并回填制作混凝土塞。但當臨層土質疏松且軟弱夾層橫向寬度較大時，則需設計混凝土拱、混凝土梁，將軟弱層壓力向兩側完整巖土體傳遞再行開挖。為保護壩身填土，可清除部分軟弱帶后利用黏土、混凝土再回填形成阻水蓋板以防止其被滲流沖刷。

4 結束語

不良地基對水利水電工程質量安全造成巨大威脅，準確探測、分析、處理不良地基是保障工程安全的基礎。因此，水利水電基礎工程施工前，應先對地基進行詳細勘察，準確測算地基土的各項力學指標，并對不良地基會對水利水電工程造成的作用能力進行事先預判，然后以科學、經濟、安全為原則，根據不同不良地基類型選擇合適的處理方案對不良地基進行有效的處理，這樣才能保證水利水電工程的順利完工和長久運行。