水利水电工程施工手册第1卷地基与基础工程01综述

第一章综述第一节水工建筑物的地基与根底工程根底、地基与地基处理建筑物的根底根底是构成建筑物的一个组成局部，它位于建筑物的下部，常常是在地面以下或水下。根底的作用是将上部构造的自重及其所承受的荷载均衡地或依据设计要求的方式传递给地基，并与地基协调地共同工作，保持建筑物的稳定。水工建筑物中有一类构造物，它们处在根底的位置，其作用主要是为了截断或削减地基中的渗流，有的也兼有承重、传力的功能，例如各种防渗墙、防冲墙、齿墙等，这一类构造物，通常也归于根底工程之中。按埋置深度的深浅，根底可分为浅根底和深根底两大类。一般把埋深小于5m的，5m特别的根底形式将上部构造的重量传至地层深处的较坚硬的土层或岩层上，明显这样的根底都是深根底。如桩根底、防渗墙〔地下连续墙、沉井等。一个建筑物到底承受何种根底形式为宜，应当由上部建筑物对根底的功能要求、承受荷载的大小、地基的地质条件和施工单位的力量而定。地基与地基处理建筑物建筑在地基上，地基是承受由根底传来荷载的地层〔土层或岩层。由于水工建筑物规模通常都很大，其地基不仅要承受垂直荷载，还要承受水压力和土压力的作用，并且有防渗要求，受力状态常常比一般建筑物更简单，要求更高。而优良地━━━━━━━━━━━━━━━━━编写：夏可风 审稿：郝鸿禄基却越来越少，因此大多数地基都要经过人工处理，提高其强度、抗变形力量和抗渗力量。地基处理是指通过实行人工措施，改善或转变地基土〔或岩石〕的性质，使之能够满足上部构造物〔包括根底〕的要求的工程措施。水工建筑物对地基的要求一般有承载力量〔抗压强度、刚度〔变形模量、抗滑稳定性〔抗剪强度〕和抗渗性能〔渗透系数或透水率，渗透破坏比降〕等，针对不同的地层和不同的工程要求，地基处理有多种多样的方法。掩盖层地基的处理掩盖层地基处理的目的包括对软土地基的加固和对透水地基的防渗。加固地基的方法主要有：开挖置换，预压、排水、降水、夯实固结，注浆挤密，振冲挤密，深搅、高喷固结，土层锚杆等。防渗处理的方法主要有：设置灌浆帷幕，高喷灌浆防渗墙，深层搅拌防渗墙，各种槽孔型防渗墙〔混凝土防渗墙、自凝灰浆、固化灰浆防渗墙、桩柱式防渗墙等。岩石地基的处理岩石地基处理的目的包括从整体上改善岩基的强度、刚度和防渗性能，以及对局部脆弱岩体的加固。常用的方法有：水泥灌浆，化学灌浆，预应力锚固，以及对局部脆弱带的开挖置换等。地基的防渗处理除了“堵”的方法以外，有时还应辅以“排”的方法，即通过设置排水孔、减压井、排水沟、排水隧洞等工程措施，疏导、排解地层中的渗透水，以降低渗透压力，提高建筑物的安全度。在某些状况下，排水减压甚至是地基处理的主要措施。本手册仅介绍局部最常用的根底工程和地基处理施工技术。地基根底工程与岩土工程近代科学技术的进展与沟通，使得工业与民用建筑、水利水电、路桥隧道、港口工程、矿山井巷等各行业建筑工程领域内的，以岩土体的利用、改造与整治为对象的很多有关工程技术内容融合成一门综合性的技术科学——岩土工程〔GeotechnicalEngineerin一门自成体系的型学科，它以工程地质学、岩石力学、土力学和工程力学等为根底，包括对工程工程的勘察、试验、设计、施工和监测的全过程。明显，地基与根底工程、水利水电地基与根底工程施工都是属于岩土工程的一个组成局部。因此我国各行业岩土工程技术的进展和成就，对于水利水电建设的地基与根底工程都将具有指导和借鉴意义；同样水利水电行业地基与根底工程的任何技术进步，也是对岩土工程的奉献。地基与根底工程施工的特点地基与根底工程，通常是指建筑物地基的处理和建筑物的根底两项工程的统称，对于水利水电工程来说，通常具有如下特点。直接事关建筑物安危对于一般建筑物来说，地基与根底是格外重要的，而对于水工建筑物来说，由于其承受荷载简单，运行条件不利因素多，因此尤其重要。统计资料说明，水工建筑物的失事，约有一半是由于地基失稳，或地基险情引发的。我国9万座水库中的很多病险水库，其主要险情也是地基渗漏。地基或根底破坏的缘由，除了可能是勘察设计不周、运行治理不善之外，施工质量不良常常也是重要的或直接的缘由。设计正确、建筑质量好、结实耐久的地基与根底工程可以确保水工建筑物长期安全运行，给社会带来效益。反之，就会阻碍建筑物正常使用，甚至垮坝失事。技术简单，前期工作重要由于水工建筑物座落的位置受到地形地貌和枢纽建筑物间相互关系的制约，使得建筑物对地基条件的选择性很小。确定地基的地质条件往往是简单的和多样的，其上部构造物的要求也是简单多样的，因此地基与根底工程在很多状况下格外简单。由于地基的地质条件在勘探设计阶段难以做到完全清楚和准确，因此，根底与地基处理工程也很难预先提出周全完善的设计和施工方案。预先提出的方案在实践中发生变更甚至全盘修改是常常的现象。为了避开或削减大的失误，削减损失，地质勘探工作应当尽量做细，有的需要在施工前进展补充勘探或现场施工试验。通过试验检验和修正设计和施工方案。在施工开头以后，宜布置假设干先导孔先行施工，取得资料和阅历。隐蔽工程，施工过程质量重要地基与根底工程是隐蔽工程，有的在施工以后要掩盖起来，有的一开头就是在操作者不能直视的条件下施工。工程完成以后难以进展直观的质量检查和评定，其质量缺陷需要在运行使用阶段方能暴露出来，一旦发生质量缺陷或事故，返工修补格外困难。因此地基与根底工程施工应当特别重视施工过程质量的检查和掌握，以施工过程质量保证工程的最终质量。施工资料是评价隐蔽工程质量的重要依据。因此必需认真做好现场施工记录，有条件的工程宜对主要施工过程参数实行自动监测。工程规模大水工建筑物的地基与根底工程常常规模很大，工程量大。地基处理或根底工程的造价在整个工程的造价中占了很大的比重。不同的根底形式、施工方法、机具，对地层的适应性、工效、效果、造价差异很大。因此选择适宜的根底形式和施工方法对工程具有重大影响。施工工期短水工建筑物的地基与根底工程常常要利用枯水期施工，工期短暂。其上部建筑物的施工通常需要等待地基和根底工程完成前方可进展，有的需要安排穿插进展，因此工期紧迫，干扰大，需要进展周密的组织与安排，应当尽量选择工效高的施工方法和机械。留意环境保护地基与根底工程的施工方法，有的排弃废水、废渣很多，施工噪声很大，对接近建筑物的震惊大。因此，应当依据工程和环境要求，选择使用对环境污染小的施工方法，并实行必要的环保措施。留意施工阅历地基与根底工程施工工艺简单，工艺参数和操作技术随地层而异，地下作业状况不能直视，特别是对特别地层的处理、事故的处理，在很大程度上要依靠于施工阅历。因此，应当格外留意施工阅历的积存和重视发挥有阅历的工人和工程技术人员的作用。我国古代劳动人民很早就把握了运用人工手段和材料改造自然地基的技术，椐历史记载，两千多年以前，就已经承受过夯实法，在软土中夯入碎石或打入木桩，以及利用灰土和三合土加固地基等技术。中华人民共和国成立以后，随着大规模经济建设的开放，地基和根底工程技术也获得了飞速的进展。五十多年来，我国成功地建设了一批高坝大库或其它水工建筑物，在这些建筑物中有的地基处理和根底工程的难度很大，技术到达了很高的水平。特别是近二十年来，我国水利水电建设快速进展，建设工程的数量和规模前所未有。由于工程规模和功能的扩展，它们对建筑物地基的要求进一步提高。随着地质条件较好的工程工程的不断开发，有的建工程需要建在地质条件更为简单、脆弱的地基上。1998年特大洪水的巨大损失，使人们对江河湖海堤防的安全更加重视。这些都对地基与根底工程技术提出了的挑战，促进技术、工艺、设备相继涌现。岩石地基处理坝基灌浆我国已经能够在各种岩石地基上使用水泥灌浆或化学灌浆的方法，成功地进展防渗帷幕灌浆和固结灌浆。我国独创的孔口封闭灌浆法在乌江渡水电站首次应用后，已在全国推广，成为水利水电行业灌浆施工的主要方法，在很多大中型水利水电工程中建筑了高标准的防渗帷幕。世界最大的水利枢纽—长江三峡工程灌浆工程量多达数十万米，它开发和应用了各种先进有用的灌浆技术，其中岩基灌浆有孔口封闭高压灌浆技术、无盖重固结灌浆技术、化学灌浆技术、高压水泥灌浆与化学灌浆相结合的复合灌浆技术、湿磨水泥灌浆技术等。三峡二期工程的建成和挡水发电，标志着我国岩基灌浆技术总体上升到一个水平。二滩水电站和小浪底水利枢纽引进了国际上先进的灌浆技术，包括先进高效的钻孔灌浆机械、自下而上纯压式灌浆法、GIN灌浆法等，实现了与国际技术的接轨。自乌江渡大坝帷幕灌浆取得成功以后，我国岩溶地区的灌浆技术日趋成熟。先后建成了东风、隔河岩、观音阁、五里冲等多座水电站、水库，目前在建的还有洪家渡、索风营、水布垭等一大批工程。其中云南五里冲水库为建在岩溶盲谷的无坝水库，防渗帷幕为主要的建筑物，灌浆工程量21.6万米，该工程应用高压灌浆技术在强岩溶区和大型溶蚀塌陷体中建筑了高标准的防渗帷幕，在溶洞暗河区建筑了深达100.4m、长50m、厚2.0～2.5m的地下混凝土防渗墙，水库深超过100m。专家认为该项技术具有国际领先水平。为了封堵岩溶地窖中高流速的地下水，中国水科院和贵阳设计院共同开发了一种模袋灌浆技术，解决了在大溶洞、高流速状况下封堵岩溶通道的难题。隧洞灌浆由于一些水工隧洞需要承受较高水头的压力，隧洞围岩固结灌浆在向高压力进展。1992年广西天生桥二级水电站引水隧洞进展了6.0MPa高压固结灌浆，与此同时，广州6.1MPa的灌浆，1997年浙江天荒坪抽水蓄能电站进展了9MPa高压固结灌浆，这是我国水工隧洞灌浆承受的最高的灌浆压力。山西万家寨引黄工程输水隧洞大量承受了TBM管片，管片与洞壁之间充填豆砾石〔细骨料砌和灌浆的型式。灌浆材料随着材料工业技术的进步，我国的灌浆工程已转变了使用单一水泥浆的状况，而是依据工程需要和地质条件来设计浆液配比。在工程中一些使用一般水泥浆难以取得预期效果的部位，使用了改性灌浆水泥、超2小时析水率不大于5%的稳定浆液，0的膏状浆液。具有优异性能的多种灌浆材料如环氧树脂、聚氨酯、丙烯酸盐和水玻璃类浆液成为灌浆工程中不行缺少的一局部。灌浆施工机械化、自动化钻孔灌浆灌浆的施工机械的技术水平不断提高。几十年来，钻机由手把式进展为液压式，风动冲击式进展为风动和液动冲击回转式，钻粒钻进进展为合金钻进和金刚石钻进。灌浆泵的工作压力由4～5MPa提高到8～10MPa，以及可满足旋喷灌浆需要的60MPa。水泥浆液的搅拌逐步推广了高速搅拌和集中制浆。八十年月中期，灌浆自动记录仪在我国研制成功并逐步推广应用，至近年已根本普及。记录仪由初期的测记灌浆压力、注入率二项参数，进展到可以同时测记灌浆压力、注入率、浆液密度和岩体抬动四项参数；由一台记录仪测记一台灌浆机作业，到一个记录系统可以同时监测8～16台灌浆机工作；由单纯测记现场施工参数，到可以利用现场采集的数据直接生成灌浆标准要求的各种灌浆成果图表。我国还进展了灌浆自动掌握技术的争论，并在施工生产中试验性应用。预应力锚固自1965国应用范围越来越广，龙羊峡、葛洲坝、长江三峡、黄河小浪底、二滩、漫湾、李家峡、天生桥二级等等几乎全部的水利水电工程都承受了数量不等的预应力锚索；锚固吨位越来越大，青海李家峡水电站边坡单根锚索最大锚固吨位到达10MN，为水利水电工程中的最高纪录；型构造形式不断消灭，无粘结锚、对穿锚、拉力分散型、压力分散型、拉压复合型、环形预应力锚索等型锚固形式被开发出来并推广应用。掩盖层处理混凝土防渗墙1958年，我国在湖北省明山水库、山东省月子口水库最早承受连锁桩柱式防渗墙。1959年北京密云水库首创使用钻劈法建筑槽孔式混凝土防渗墙，取得良好效果。从今以后混凝土防渗墙技术快速推广，成为掩盖层地基防渗的主要措施。199781.9m的小浪底主坝混凝土防渗墙，1998年建成了深度为73.5m的长江三峡二期围堰防渗墙，202370m、防渗面积近30万m2的河北省黄壁庄水库副坝混凝土防渗墙102m的疆下坂地水利枢纽混凝土防渗墙现场施工试验。防渗墙的施工方法已由单一的钢绳冲击钻机进展为冲击反循环钻机、抓斗、液压铣槽机，制造了钻—抓、铣—抓、铣—抓—钻等的施工方法。墙段连接已攻克了拔管法的技术难关，最大拔管深度到达79m，制造了世界最深记录。在由我国承建的越南拜尚闸防渗墙中还使用了塑料止水片接头。目前我国的混凝土防渗墙技术已经到达了国际先进水平。掩盖层灌浆我国首次在砂砾石地基灌浆是在1957城水库等一些工程中应用。国外掩盖层灌浆多承受预埋花管法，我国在岳城水库首创了循环钻灌法。上世纪七八十年月，由于混凝土防渗墙技术进展较快，深厚掩盖层灌浆大大削减。近年来由于工程的需要和各项技术的进步，在堤防、围堰和病险水库的防渗处理工程中，各种灌浆的应用又有所增多。2023年完成的重庆小南海水库地震积存自然坝体防渗灌浆帷幕80m，承受泥浆固壁钻孔，循环钻灌法灌注水泥粘土浆，防渗效果良好。疆下坂地水利枢纽坝基掩盖层最大深度近150m，坝基防渗打算承受防渗墙下接帷幕灌浆的方案，2023155m，这是循环钻灌法在世界上的最大施工深度。高喷灌浆1978年，在四川省龚嘴水电站首次进展了承受高压旋喷桩用于掩盖层地基垂直防渗的工艺试验；1982年，山东省白浪河水库承受定喷防渗板墙试验成功，并在水利水电工程中普遍推广。九十年月外国承包商利用先进的技术和设备在二滩和小浪底工程中建筑了质量良好的高喷防渗墙。近年来，我国的高喷灌浆设备和工艺不断改进完善，在初期的单管法、二管法和三管法的根底上，开发了二管法、三管法和振孔高喷法，提高了旋喷桩或高喷防渗墙的质量。高喷灌浆的处理范围也不断拓宽，由中小型土石坝和浅层细颗粒掩盖层的防渗，进展到应用在某些深厚掩盖层和大粒径地层中，如处理河南林州弓上水库粘土心墙砂砾坝心墙及坝基渗漏，承受小孔距高压旋喷桩套接防渗，最大孔深83m是国内最深的高喷防渗墙。振冲加固振冲技术于上世纪七十年月引进我国，1978年使用振冲法进展北京官厅水库坝基沙层抗震加固获得成功，开创了振冲法在水利水电工程中应用的先例。30kW，近几年使用了大功率振冲器，如三峡二期围堰加固风化砂、广东飞来峡水利枢纽加固中粗砂地基，使用了150kW液压振冲器和120kW、75kW电动振冲器。振冲填料方法由以往的连续填料法或连续填料法进展为强迫填料法。质量掌握标准由原来的单一掌握加密电流，进展为同时掌握加密电流、留振时间、加密段长三个指标，使我国的振冲技术提高到一个水平。堤防工程垂直防渗25.8km1/3。堤防安危，关系国民经济的进展和人民生命财产的安全。上世纪七十年月，很多单位就开展了薄型防渗墙的试验争论并取得了一些成果。1998年长江、松花江等特大洪水后，国家投入巨资进展堤防整治，其中造成堤防险情或失事最多的堤身和堤基的防渗加固是整治的重点，一批有用高效的堤防垂直防渗技术应运而生，主要有深层搅拌水泥土防渗墙、置换式塑性混凝土防渗墙〔包括薄型抓斗挖槽、射水成槽、锯槽、气举反循环钻进、振动切槽、振动沉模、振动板桩等土工合成材料应用土工合成材料是一种型的工程材料，包括土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特种材料四类，它是以合成纤维、塑料以及合成橡胶为原材料制成的产品。具有质量轻、抗拉强度高、耐腐蚀、应变性能好，加工简洁，价格低廉等优点，可用于防渗、反滤、排水、防护、隔离、加筋等多种用途。兴旺国家使用土工合成材料较早，我国应用土工合成材料始于上世纪六十年月中期，但后来进展较慢。1998年后，国家大力推广土工合成材料的应用，水利部选定了一批应用示范工程，科学引导。此后土工合成材料在堤防、闸坝、渠道、险库加固等多方面得到应用，取得了巨大的经济和社会效益地基与根底工程检测技术由于地基与根底工程的隐蔽性，因此其质量和效果的检测始终是攻关的目标，随着物探技术和信息技术的进步，目前我国水电行业用于地基与根底工程质量检查的方法除传统的钻孔取芯、压水试验之外，很多兴的技术，如弹性波法、形变法、地质雷达和层析成像等越来越多地应用到了工程施工或现场试验中。技术开发争论与技术标准我国格外重视地基与根底工程理论和技术开发的争论