水工基礎工程

為滿足水工建築物基礎穩定及強度要求而採取的地基處理，及水工建築物下部結構的設計與施工的統稱。基礎穩定（包括抗滑、抗傾，變形及滲透穩定）是水工建築物正常運行的根本保證。基礎工程處理不當往往是水工建築物失事的主要原因之一。根據1974年國際大壩委員會發表的有關大壩事故調查材料，在混凝土壩與土石壩中,由於基礎工程問題而造成的大小事故共95次,佔各種事故總次數的36%，其中重大事故29次（包括垮壩在內）,佔各種重大事故總次數33.3%。如法國壩高60m的馬爾帕塞雙曲拱壩,於1959年12月2日左岸岩石裂隙由於滲水壓力作用構成壩肩滑動，導致垮壩，造成數百人死亡,及大量物質損失。美國1975年建成的蒂頓土壩,因基岩滲水,底部齒槽回填被管湧沖刷破壞,於1976年6月5日潰決，造成重大損失。此外還有一些水庫由於基礎問題而影響蓄水。總的説來，水工建築物因基礎原因而失事的多於其他工程。從以上失事實例，説明基礎工程的成敗直接關係到整個水工建築物的安危與經濟效益。基礎工程不單設計時要正確妥善，施工尤應高度重視。如水工基礎工程設計不當，沒有采取有效的工程措施或由於施工草率，沒有達到設計要求，往往會導致工程潰決。水利工程的地質情況複雜，岩基由於地殼岩層在構造應力作用下，產生位移與變形，形成褶皺構造與斷裂構造，致使巖體構造複雜化。硬軟岩石互層時，隨着褶皺作用而出現層間錯動、層間塑性變形及層間破裂面等褶皺構造。斷裂構造主要表現為節理與斷層。這些地質缺陷使岩層喪失連續性，強度降低，變形增大，並出現岩溶滲漏、斷層破碎帶及裂隙的滲漏、基坑湧水、 壩基承壓水及揚壓力升高等。對於軟基，構造運動所產生的斷裂，破壞了土體的連續性，降低了土的強度。地基土顆粒較細、級配不良或抗剪強度較低時易發生管湧、液化及滑動。土的壓縮性大時,易產生不均勻沉降。這些現象,都將惡化建築物基礎的穩定和承載力，並帶來其他不利影響，所以必須慎重對待這個項目。

基礎工程一般包括兩部分：①使建築物本身適應或滿足地基要求，如加大建築物底部斷面或增設必要設施；②地基處理，如採用灌漿、排水或增設樁基等。因此，在設計中應注意下列要求。

大壩若為岩基，則基礎的穩定性主要取決於巖體的抗剪強度、變形及滲透穩定。結構形式不同的建築物,對基礎要求亦各有側重。如岩基上的各種混凝土壩，各種荷載都作用於地基上，故對地基的加固設計便要求達到：①巖體儘量趨於均一，其抗壓強度與變形模量無顯著差異，並具有足夠的強度，以承受壩體的壓力。②具有足夠的整體性和均勻性，以便有足夠的抗剪強度，以滿足壩基抗滑穩定要求。③滿足滲透穩定要求，一般高壩在防滲帷幕內的單位吸水量應小於0.01/(min·m·m)。帷幕下游應設排水幕，以降低揚壓力，斷層破碎帶與軟弱夾層等滲漏通道更不能產生機械管湧或化學管湧。④具有足夠的耐久性，以防止巖體性質在水的長期作用下發生惡化，使強度降低。

有軟弱夾層的巖體，其抗剪強度則取決於夾層的特性。抗滑穩定除研究沿壩體與巖體接觸面外，還要研究沿壩基中軟弱結構面產生的深層或淺層滑動問題，包括可能滑動面的形式，抗滑穩定的計算方法，計算參數的選擇，安全係數的確定及模型試驗等。另外，壩基荷載超過地基的承載能力，將使壩基岩體壓縮面發生超過允許的沉降或不均勻沉降或局部巖體由於應力集中而破裂。這對各種壩都是危險的，故在研究變形時，應在大壩和岩基的聯合作用下,研究壩基變形對壩體應力的影響,不均勻沉降引起壩體應力集中，水平位移對防滲帷幕的作用等。而軟弱夾層、強風化層和斷層破碎帶又是導致壩基產生變形的主要因素，因此也是主要研究對象。

對於拱壩地基除上述要求外，還要求巖體有更高的承載力，巖體變形模量均一，巖體與混凝土的彈性模量接近。對兩岸壩肩要研究其穩定與變形，對兩岸發育的斷層、節理、裂隙要深入研究在力系與繞壩滲流同時作用下能否構成滑動塊體。土石壩對地基的要求比混凝土壩低，但從解決地基滲水、承載能力小、壓縮性大、抗剪強度低以及振動液化等問題方面考慮，也需要對地基採取必要的處理措施，做到既安全又經濟合理。在岩溶地區修建水庫與大壩，應分析水庫滲漏的範圍、主要滲水通道，估計滲漏量等並提出治理方案。對岩溶區壩址，除應查明上述問題外，還要注意岩溶發育深度，溶洞與岩溶通道的具體分佈、填充情況，對壩基與壩肩穩定的影響等。中國岩溶發育地區面積約佔全國面積七分之一，故對岩溶滲漏問題需予重視。

基礎工程設計內容包括建築物基礎及地基處理兩部分，一般有下列三種情況。

水工基礎工程對基礎採取結構措施　通過建築物下部結構（即基礎）的調整，可改善水工建築物基礎及地基的應力狀態。如①設置混凝土底座:日本大川壩地質條件非常複雜,採用先鋪築厚20m、長245m的混凝土平板式基礎底座,再在底座上修建高58m的混凝土重力壩,以適應壩址區複雜的地質條件。另外，中國貴州貓跳河（四級）窄巷口水電站的攔河壩,是在厚20～30m的河牀覆蓋層上先修建跨度40m以上的混凝土拱形基礎底座(又稱基礎拱橋),然後在其上修建高54.8m的雙曲拱壩,避免了河牀大量開挖並簡化了地基受力條件。②設置拱壩周邊墊座：在地形很不規則的河谷或局部有深槽或地質上有軟弱帶的情況，而欲修建拱壩時,可在岩基上先修建混凝土周邊墊座(人工基礎)形成周邊縫（圖1），然後在周邊墊座上修建壩體。縫沿周邊的形式可按需要選定，使墊座以上的壩體能保持一定的對稱性，可減少上述各種不利因素的影響並改善拱壩的支承條件。意大利於1939年建成的奧西爾埃塔雙曲拱壩，以及1961年建成的壩高262m的瓦依昂拱壩，都採用了人工周邊墊座。由於周邊縫的存在，壩體即使開裂，延伸到縫邊就會停止發展；若墊座有開裂,也不致影響到壩體；如墊座厚度適當加大,還可使拱端推力更均勻地分佈到較大面積的基岩上，可改善地基的受力條件。③設置重力墩：當河谷岸邊基岩面高程低於壩頂，為減少寬高比,避免岸坡大量開挖（圖2），可設置重力墩，以使拱壩壩體基本上保持對稱。④採用樁基礎（見樁工）：這也是一種改善地基受力條件的結構措施。鬆軟地基不能承受上部傳來的荷載時,可以選擇樁基礎,將上部荷載通過承台、羣樁而傳到地基土層或底部基岩，以避免引起鬆散土層產生不均勻沉降。⑤設立傳力牆：拱壩對兩岸壩肩整體性要求很高。中國貴州高165m的烏江渡水電站重力拱壩，右壩肩被裂隙嚴重切割，後選定在該處設置一個斷面尺寸為 12m×20m×45m的大型混凝土傳力牆。傳力牆按順壩肩推力方向穿透裂隙密集帶佈置，使應力有效地向山裏堅硬灰巖傳遞擴散，解決了拱端與地基力系平衡穩定的問題。

水工基礎工程岩基加固和防滲措施　其目的基本上是提高強度、增大變形模量、減少揚壓力。主要手段為①壩基開挖（見地基開挖）。②固結灌漿。③混凝土置換：是加固岩基斷層破碎帶及軟弱夾層常用的措施，一般根據所在的部位、產狀、寬度、充填物性質，通過計算或模型試驗確定開挖一定深度和寬度的槽、井、洞，再回填混凝土塞，並加強接觸灌漿和固結灌漿。若基岩有深層滑動面，灌漿又不能解決抗滑穩定要求時，可考慮由基岩面打豎井到滑動面高程開挖置換洞,再回填混凝土,如印度高144m的斯里賽勒姆壩。由於置換開挖對基岩有一定的破壞作用，故可儘量使用灌漿改善斷層，但灌漿對提高變形模量有效，而對提高抗剪指標作用不大。因此，在拱壩基礎處理中，當斷層與推力方向近於垂直時，用灌漿處理斷層為好；若斷層與推力斜交或近於平行時，則用混凝土置換處理斷層為好。④預應力錨固。⑤岩溶處理。⑥岩基防滲（見帷幕灌漿、化學灌漿）。

軟基加固與防滲措施　軟基主要是指砂礫、黃土、軟粘土、細砂層等地基。對砂礫地基的處理，主要是控制滲透流速、滲透流量，保證壩基滲透穩定。辦法是採用垂直防滲與水平防滲。垂直防滲採用粘土截水牆、混凝土防滲牆及帷幕灌漿等。水平防滲多采用粘土鋪蓋，有時在壩下游還需採用排水減壓等手段。對軟粘土或沖積層，因基特點是含水量高，壓縮性大，透水性小，抗壓、抗剪強度低，可採用加速排水固結辦法，提高其抗剪強度，如砂墊層排水、真空抽氣加固、砂井預壓等措施。對黃土地基,主要是濕陷性黃土,因其沉降量大，可能引起壩的失穩及開裂，可採用挖除、預先浸水或表面強夯等措施。總之，除控制滲流外，還要提高地基強度和穩定性，減少總沉降量和沉降差。對細砂層，則應防止管湧與振動液化現象，近年來發展較快的是利用振衝法加固砂土地基。20世紀70年代初，在軟基加固技術中，又出現了高壓噴射灌漿，即鑽桿邊旋轉邊高壓噴射水泥漿,製成的旋噴樁直徑可達1.5～2.0m。沉井在中國水利工程中，多用作防衝結構，60年代初，曾在四川映秀灣水電站首次使用，並在礫石層與粉細砂層中下沉，不但解決了防衝，也解決了滲透穩定與砂層液化等問題。銅街子水電站導流明渠左導牆及出口處於1985年佈置了16個沉井，每個最大尺寸為 16m×30m，井壁厚1.6～2.0m，總深35m,以防止明渠水流沖刷左岸山體坡腳而造成塌方。荷蘭以軟基工程著稱於世,1986年在最大水深45m的海口軟基上建成高53m、總長3000m的東斯海爾德擋潮閘工程，閘基開挖、砂基振實、卵石回填等均在水下進行。這是軟基處理工程的一個飛躍。

見地基處理。