第六节 土石坝的地基处理

土石坝是由散粒材料填筑而成，对地基变形的适应性比混凝土坝好。合理进行地基处理的目的主要是为了满足渗流控制（包括渗透稳定和控制渗流量）、动静力稳定以及容许沉降量等方面的要求，以保证坝的安全运行。

土石坝既可建在岩基上，也可建在土基上。总的说来，土石坝进行地基处理在强度和变形方面的要求要比混凝土坝低，而在防渗方面则与混凝土坝基本相同。《碾压式土石坝设计规范》要求，当坝基中遇有下列情况，须特别注意研究，并加以处理：①深厚或透水性强的砂砾石层；②软土；③湿陷性黄土；④疏松砂土和含粘粒量小于15%的粘性土，易于液化的土层；⑤岩溶；⑥断裂破碎带、透水性强或有不稳定泥化岩石夹层的岩基；⑦含有大量可溶盐的岩基或土基；⑧下游坝址处地基的表层有连续透水性差的覆盖，下卧有透水性强的土层或岩层。下面以三种典型地基为例介绍土石坝地基处理的基本方法。

一、砂砾石地基的处理

土石坝修建在砂卵石地基上时，地基的承载力通常是足够的，而且地基因压缩产生的沉降量一般也不大。总的说来，对砂卵石地基的处理主要是解决防渗问题，通过采取“上堵”、“下排”相结合的措施，达到控制地基渗流的目的。

土石坝渗流控制的基本方式有垂直防渗、水平防渗和排水减压等。前两者体现了“上堵”的基本原则，后者则体现了“下排”的基本原则。垂直防渗可采取粘性土截水槽、混凝土截水墙、混凝土防渗墙、水泥粘土灌浆帷幕、高压喷射灌浆等基本型式，水平防渗常用防渗铺盖。

坝基垂直防渗设施宜设在坝体防渗体底部位置，对均质坝来说，则可设于距上游坝脚1/3~1/2坝底宽度处。垂直防渗设施能可靠而有效地截断坝基渗透水流，解决坝基防渗问题，在技术条件可能而又经济合理时，应优先采用。

1、粘性土截水槽

粘土截水槽是均质坝部分坝体或斜墙或心墙向下延伸至不透水层而成的一种坝基垂直防渗措施。适用于透水砂卵石覆盖层深度在10~15m范围内，最多不超过20m时。由于其结构简单、工作可靠、防渗效果好，在我国得到广泛的应用。

截水槽开挖边坡约为1:1.5，当开挖深度较大时，在渗流作用下边坡不易稳定，可采用井点法排水，以降低浸润线、维持边坡稳定。截水槽顶宽应尽量和防渗心墙厚度相协调；其底部宽度应根据回填土料的允许渗透坡降而定，一般对砂壤土允许渗透坡降可取用3，壤土取用3~5，粘土取用5~10；另外，为便于施工，槽底宽还应不小于3.0m。槽底部与基岩连接时应把风化岩层挖除，并要求截水槽深入相对不透水的强风化或弱风化岩层0.5~1.0m。

在截水槽两侧边坡应铺设反滤层，以免槽内回填土颗粒被渗透水流带出。为保证截水槽与底部不透水基岩完整结合，应在槽底浇筑混凝土底板与齿墙，填土与底部混凝土接触面的长度也应根据允许渗透坡降确定；当基岩节理裂隙发育或有其他渗水通道时，还需在混凝土底板下进行灌浆处理，如图7-50所示。

2、混凝土截水墙

当砂卵石层深度在15m以上30m以下时，如果采用粘性土截水槽，则开挖工程量太大，施工排水比较困难；或由于砂卵石层中夹有细砂层，边坡难以保持稳定，可采用人工或机械方法开挖直槽，浇筑混凝土截水墙，或是将上部的12~15m厚的透水层进行敞口明槽开挖，填筑土截水墙，往下再开挖直槽，浇筑混凝土截水墙。

混凝土截水墙的厚度应由施工需要确定，一般为2~4m，顶部伸入土截水墙的齿墙高度和土截水墙的底部混凝土垫的宽度应根据接触面的允许渗透坡降确定。

3、混凝土防渗墙

当坝基砂卵石层深度大于30m时，如果仍采用混凝土截水墙，则施工困难，工期较长，造价也相应增加，因而可采用机械造孔的方法，浇筑混凝土防渗墙，以控制坝基渗流。

混凝土防渗墙可利用冲击钻机，在透水地基中建造槽孔直达基岩，并以泥浆固壁，采用直升导管，向槽孔内浇注混凝土，形成连续的混凝土墙，起到防渗的目的。早在20世纪50年代初，意大利和法国即开始采用混凝土防渗墙这一技术，随后各国相继引进和推广。我国密云水库白河土坝断面中采用混凝土防渗墙作为坝基防渗措施，取得很好的防渗效果。现已竣工的黄河小浪底工程覆盖层最深处80多米，坝基采用了混凝土防渗墙防渗，是目前国内最深的。

混凝土防渗墙顶部与坝体的防渗体相连接，接触渗径应满足允许渗透坡降的要求；防渗墙底部嵌入弱风化基岩深度不小于0.5~1.0m，若底下基岩是透水的，还需要对基岩做灌浆帷幕。防渗墙厚度选择应考虑以下几点：①满足渗透稳定要求，这主要决定于允许水力坡降，而允许水力坡降又随混凝土抗渗标号的提高而增强；②要考虑到机械施工条件；③考虑混凝土在渗水作用下的溶蚀速度；④按应力分析确定墙厚及是否配筋。我国已建混凝土防渗墙厚度均在0.6~1.3m范围内，一般厚度为0.8m。

防渗墙混凝土要求其抗渗性达到S8以上。为防止发生裂缝，实际采用时常在混凝土中加入一定数量的粘土、膨润土、粉煤灰或其他外加剂，以降低其弹性模量，使之与地基弹模相接近，同时也可减少水泥用量，降低防渗墙造价。

4、水泥粘土灌浆帷幕

当砂卵石层很深时，用上述处理方法都较困难或不够经济，可采用帷幕灌浆防渗，或在深层采用帷幕灌浆，上层采用明挖回填粘土截水槽或混凝土防渗墙等措施。

帷幕灌浆最常用的灌浆材料为水泥粘土浆和水泥浆，特殊情况下还可采用化学灌浆或超细水泥浆。当裂隙宽度大于0.15~0.25mm时采用水泥灌浆；裂隙宽度小于0.15mm时，普通水泥灌不进去，可采用细水泥浆或化学灌浆；当地下水具有侵蚀性时，应选择抗侵蚀性水泥或采用化学灌浆。

帷幕灌浆常设一排或几排平行于坝轴线的灌浆孔，布置于防渗体底部中心线偏上游部位。多排灌浆时，灌浆孔一般按梅花形布置，孔距、排距和灌浆压力可由现场试验成果或参照类似工程经验确定。

灌浆帷幕的渗透系数为10-4~10-5cm/s，允许渗透坡降一般为3~4。帷幕厚度应根据其所承受的最大水头及其允许的水力坡降由计算确定，对深度较大的帷幕，可沿深度采用不同厚度，做成上厚下薄型式。

帷幕深度应根据建筑物的重要性、水头大小、地基的地质条件、渗透特性等确定，一般应灌至相对不透水层内一定深度。关于相对不透水层的标准，一般以岩石的单位吸水率表示，规范规定：对Ⅰ、Ⅱ级坝及高坝，基岩的单位吸水率ω值一般小于或等于3~5Lu，对Ⅲ级及以下的中低坝ω值一般小于或等于5~10Lu。

帷幕灌浆的优点是灌浆深度大（可达100m以上），当覆盖层内有大孤石时，可以不受限制。缺点是对于粉砂、细砂地基不易灌进，对透水性太大的地基又因耗浆量过大而不经济。到目前为止，在砂砾石地基用灌浆帷幕进行防渗处理深度最深是阿斯旺高坝，其坝高111m，水泥粘土灌浆帷幕深达174m。

5、高压喷射灌浆

高压喷射灌浆是先利用机械在地基内造孔，然后把带有喷头的灌浆管下至土层的预定位置，用高压设备把水以30MPa（或更高）的高压射流从喷嘴中喷射出来，用该射流冲击和破坏地基土体，当能量大、速度高、呈脉动状态的射流动压超过土体强度时，土粒便从土体剥落下来，一部分细小的土粒随着浆液冒出地面，其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与灌入浆液掺搅混合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律地重新排列，在土体中形成连续的凝结体。凝结体的形状与喷射形式和喷嘴移动的方向及持续时间密切相关。喷嘴形式一般有旋（旋转喷射）、定（定向喷射）、摆（摆动喷射）三种。喷射时，若一面提升，一面旋转，则形成柱状体；若一面提升，一面摆动，则形成似哑铃体；当喷嘴一面提升一面喷射，喷射方向始终固定不变时，则形成板状体。

高压喷射灌浆可以在不破坏地面已有设施的情况下施工，灌浆帷幕自身及与地下建筑体或基岩可实现良好连接和结合，适用于各种天然松散地层，人工填筑土层，如砂层、砂砾层、砂卵石层、夹含漂石的超粒径地层及各类粘性土细颗粒地层。对存在异常渗漏情况的地基，

如出现集中漏水通道，漏水性特大的地层，在施工过程中，可先进行静压灌浆或采取冲砂措施，形成反滤条件，然后再进行高喷灌浆施工，在喷浆过程中当某一孔段发生异常浆液损耗，冒浆量减少时，则应停止提升，加灌稠浆或粗颗粒浆，以形成连续的板墙。

高压喷射灌浆与静压充填灌浆相比，两者的作用原理有根本区别。静压充填灌浆是借助于压力使浆液沿孔洞进入被灌地层，当被灌地层孔隙或裂缝较小或不连续时，则呈不可灌或可灌性不好，当孔隙裂隙和孔洞较大时，可灌性虽好，但往往是浆液在压力作用下，扩散很远，难于控制；高压喷射灌浆则是借助于高压射流冲切掺搅地层，浆液只是在高压射流作用范围内扩散充填，有较好的可灌性和可控性。

工程实践证明，高压喷射灌浆防渗技术防渗效果好，适应性强，设备简单，施工速度快，比较经济，有很广阔的应用前景。

6、防渗铺盖

铺盖是一种由粘性土等防渗材料做成的水平防渗设施，其防渗效果不如铅直防渗好，多用于透水层厚、采用垂直防渗措施有困难的场合，常与下游排水减压设施联合作用，以有效地控制渗流，保证渗透稳定。

用于铺盖的粘土，其渗透系数应小于1×10-5cm/s，地基与铺盖的渗透系数比至少应在100倍以上，最好达1000倍。铺盖长度和厚度应根据地基特性和抗渗要求通过计算确定，其长度一般不超过6~8倍水头；其厚度从上游向下游应逐渐增大，应满足构造和施工要求。前端厚度按构造要求不小于0.5~1.0m，末端与坝身或防渗斜墙连接厚度应由计算确定，以避免由于坝体或防渗体与铺盖间的不均匀沉陷而导致连接处的断裂。

另外还常将铺盖两端做成小槽伸入地基内。

铺盖与地基接触面应大体平整，底部应设置反滤层或垫层，以防止发生渗透破坏。另外，铺盖上面应设置保护层，以防发生干裂或冲刷破坏。铺盖两边与岸坡不透水层连接处必须密封良好。在连接处铺盖应局部加厚，以满足接触面的容许渗透坡降要求。当铺盖与岩石接触时，可加做混凝土齿墙；若岩层表面有裂隙透水，应事先用水泥砂浆封堵，然后再填筑铺盖。

7、坝基排水设施

根据渗流计算，如坝基中有较大渗透压力存在，则有可能引起坝基发生渗透破坏，影响坝体的稳定，可在下游坝基设置排水设施。坝基排水设施有水平排水层、反滤排水沟、排水减压井和透水盖重等型式。

排水减压井多用于不透水层较厚的情况，以将深层承压水导出水面，然后从排水沟排走。在钻孔中插入带孔眼的井管，井管的直径一般为20~750px，井距一般为20~30m。井管周围需包上反滤料。反滤料应满足以下要求：①坝基土料不被渗透水流带入井内；②应具有良好的透水性，使得渗流经过反滤料不产生过大的水头损失；③反滤料颗粒不会被带入花管内，保证减压井能在最大工作水头下正常工作。反滤料的粒径不应大于反滤层厚的1/5，不均匀系数不大于5~6，必要时可采用多层反滤。为了简化反滤层结构，也可用土工织物作为反滤料。

二、细砂及淤泥地基的处理

1、细砂地基处理

均匀饱和的细砂坝基在地震等动力荷载作用下极易发生液化，失去抗剪强度而导致工程失事。对此可供选用的加固处理措施如下：

(1)当细砂层较薄且接近地表面时可将其全部挖除，而下移坝基面于坚实地层。

(2)若细砂层较厚，可用上下游截水墙或板桩将其封闭，割断其液化流失的途径，但造价高。

(3)在坝址附近设置砂井排水，及时消散地震可能引起的超孔隙水压力，防止发生液化，但要注意砂井本身不被淤塞。

(4)选用新技术措施对松砂进行人工加密，如强夯法、爆炸振密法、振动水冲法等。强夯法是用8~30t的重锤从6~40m的高处落下以夯实地基，加固地基深度可达10m以上，比较经济有效。爆炸振密法是在钻孔中放置炸药，借爆炸振动而使松砂致密，使用于比较纯净的饱和松砂地基。振动水冲法是在振动器不断振动射水过程中，利用振挤、浮振、重新固结的作用来提高砂土紧密度。我国官厅水库曾对其土坝下游坝基表层2~4m厚的细砂采用振动水冲法加固，取得显著效果；砂层相对密度由原来的0.53，提高到0.80以上。振冲法加固地基深度可达20m，是一种速度快、工效高、效果好的细砂地基处理技术。

2、淤泥地基的处理

地基中的淤泥层，天然含水量高、重度小、抗剪强度低、承载力小，影响坝的稳定，一般不宜用作坝基；如淤泥层较薄，能在短时间内固结的，可不必清除；对分布范围不大、埋藏较浅的宜全部挖除。

软粘土抗剪强度低，压缩性高，当土层较薄时一般应予以清除。当厚度较大和分布较广，难以挖除时，可以进行预压以提高强度和承载力，或者通过铺垫透水材料（如土工织物）和设置砂井、插塑料排水带等加速土体排水固结，使大部分沉降在施工期发生，并调整施工速度，结合坝脚压重，使荷载的增长与地基土强度的增长相适应，以保证地基的稳定。

用于处理软粘土地基的砂井，直径一般为30~40 cm，呈梅花形网格布置，常用的井距与井径之比为6~8。砂井中填粗砂砾石作为排水料，砂井顶部地基面上铺粗砂垫层，厚度约1m，与坝趾排水棱体相连接。

三、软粘土和黄土地基的处理

1、软粘土地基处理

软粘土的特点是天然水含量大，压缩性高，透水性差，抗剪强度低，承载能力小，影响坝的稳定性。当软土层分布范围不大，埋藏较浅且层厚较薄时，一般应全部挖除；当软土层埋藏较深，厚度较大或分布较广，挖除及换土又有困难时，可在坝基中设置排水砂井，以加速地基排水固结，并控制填土进度，使其有足够的时间固结。

砂井的直径、间距和深度，可根据土层厚度、渗透和压缩性、天然排水条件、预压荷载及工期等因素来确定。砂井深度以穿过软土层为宜，但软土层较厚，则应穿过潜在最危险的滑动面或超过可能的塑流区。砂井直径为30~1000px，常用井距与井径比为6~8，在平面上采用梅花形布置。砂井顶面必须铺设砂垫层，其厚度为1m左右，以便排走井中渗水。砂井中的砂料宜选用良好级配的中粗砂，含泥量不得超过5%，以保证有较高的透水性和稳定性。

2、黄土地基处理

黄土地基在我国西北地区分布甚广，其主要问题是湿陷大，可能引起坝的开裂和失稳。处理的办法是：预先浸水使之湿陷；将表层较松软土层挖除，换土、压实；夯实表层土，破坏黄土的天然结构，使其密实。

四、岩石地基处理

土石坝修建在岩石地基上时，应进行清基，将表面覆盖层挖除。对Ⅰ、Ⅱ级坝坝基应把表面的风化岩层挖除，表面的松散石块也应挖除，把坝体建在弱风化层或微风化层上，防渗体应建在微风化或新鲜岩石上；对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级坝也可建在较好的强风化层或弱风化层上，防渗体可建在较完整的弱风化基岩上。

进行坝基开挖时，应尽量使得坝头岸坡基岩开挖平顺，坡度不宜过陡，不应挖成台阶状。开挖坡度过陡坝体会脱开岸坡，还易造成坝体裂缝。岸坡开挖坡度一般不陡于1:(0.5~0.7)，局部坡度不陡于1:0.3；在防渗体部位，岸坡一般不陡于1:0.75，局部坡度不陡于1:0.5。岸坡应开挖成顺坡，不宜有凸坡，也不允许有倒坡和陡壁。

当岩石坝基范围内有断层、破碎带、张开裂隙等不利地质构造时，应根据其产状、宽度、组成物性质、延伸深度和所在部位等研究其在渗漏、管涌、溶蚀等方面对坝体和坝基的影响。当岩石地基有较大透水性，以致通过地层的渗漏量影响水库效益，影响坝体及坝基的稳定或渗透稳定，或有化学溶蚀的可能性时，需要进行防渗处理。

岩基下断层的处理主要是考虑渗流、管涌及溶蚀的影响，在帷幕通过断层、破碎带等不利构造时，应适当加大帷幕厚度，或加做铺盖，必要时做混凝土防渗墙或进行高压喷射灌浆。处理方法可采用混凝土塞、铺盖、灌浆、扩大防渗体底面等措施以延长渗径，将断层与坝的防渗体隔开，以防止接触冲刷。在下游面断层出露处及与坝壳材料接触处，要设置反滤排水层，防止管涌破坏。

对处于地表或浅层的溶洞，可挖除洞内的破碎岩石和充填物，并用混凝土堵塞以达到防渗目的；如溶洞埋藏很深，挖除充填物有一定困难时，可采用灌浆方法处理。如灌浆有困难或效果不明显时，也可采用大口径钻机钻孔，回填混凝土，做成混凝土截水墙防渗。

五、土坝与坝基、岸坡及混凝土建筑物的接合

1、土坝坝体与坝基的接合 

在有防渗结构如心墙或斜墙等土坝中，坝体防渗结构与坝基的防渗结构应相连接。而坝体与坝基其余部分的接合，只要清除坝基表面腐植土以及工程性质不良的土便可。如为均质土坝，坝与基岩相接时，通常修建数道混凝土齿墙。粘性土坝体与粘性土坝基相接时，通常在坝基开挖几道顺坝轴线的浅沟，回填坝体土料。齿墙与浅沟的尺寸按使沿接合面的渗流速度不超过靠近接合面的坝体和坝基土的渗流速度来确定。沿接合面所增加的渗径，可采用为坝底总宽度的5-10%。

2、土坝与岸坡的接合 

土坝与岸坡的接合面是工程中较软弱的环节，应妥加处理，避免沿接合面发生集中渗流、土坝裂缝等现象。岸坡应削成倾斜面或倾斜折面，不应做成垂直台阶面。

岸坡倾斜面的坡度通常应缓于1:0.75，在特殊情况下也不要陡于1:0.5。特别是在岸坡上部因为填土压力小，容易发生裂缝，所以岸坡坡度还应更缓一些。一般情况下，过陡的接合坡度应是避免的，尤其是对于高坝。施工中应严格按照要求处理，切实做好土与岩基的接合，且填土要保证压实。对于较陡的岩石岸坡，尚应先在岩石面上涂刷粘土或水泥浆，以期回填粘土时能更紧密地接合。必要时，可用混凝土将岸坡陡岩镶填成较缓的斜坡，然后填土。

粘土心墙或斜墙与岸坡接合时，通常应将心墙或斜墙加宽，在岸坡上修建混凝土齿墙更是必要的。

3、土坝与混凝土建筑物的接合

士坝与混凝土建筑物的接合有两种类型:第一种类型是使土坝与混凝土翼墙式连接;第二种类型是混凝土坝插入土坝坝身中。

(1)翼墙式连接

翼墙式连接常用在较低的土石坝与溢流坝或泄洪闸的连接。由于土与混凝土接触部分的空隙一般比土体内部的孔隙大，且土与翼墙面贴得不紧，故容易沿此接触面发生集中渗流。为了防止集中渗流，通常在翼墙背面设置一至数道刺墙。刺墙厚度可以很小(小于1500px)。翼墙后的填土应仔细压实，翼墙背面的坡度不得陡于10:1，以便得到更紧密的接合。塑性心墙和斜墙与翼墙相接时往往都要加大断面，即使是均质土坝，其与翼墙相接处的断面也往往是加宽的。刚性心墙与翼墙的接合处应有不透水的伸缩缝。

由于混凝土溢流坝在溢流时发生振动，使翼墙与坝体土容易分离，故对高水头的土坝，用翼墙使土坝与混凝土溢流坝连接不十分可靠。

 (2)插入式连接

插入式连接较翼墙式连接可靠，因此高坝常采用这种连接方式。其做法便是将混凝土坝插入土坝中。这种连接方式简单，并且在很多情况下比翼墙式接合造价低。实践中，具有这种接合的土坝坝高达120m以上。

插入部分的混凝土应建筑在坝体填方上。为了减少插入部分混凝土坝的断面，应考虑土坝上下游侧的土压力对刺墙的作用。

粘土心墙与插入混凝土坝的连接可以在混凝土坝末端伸出一个刺墙插入心墙中。刚性心墙与混凝土坝的连接处必须有一不透水的伸缩缝，最好在接缝的下游侧设置视察廊道。