1、1第一章 综 述第一节 水工建筑物的地基与基础工程1 基础、地基与地基处理11 建筑物的基础基础是构成建筑物的一个组成部分，它位于建筑物的下部，常常是在地面以下或水下。基础的作用是将上部结构的自重及其所承受的荷载均衡地或按照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结构物，它们处在基础的位置，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，这一类结构物，通常也归于基础工程之中。按埋置深度的深浅，基础可分为浅基础和深基础两大类。一般把埋深小于 5m 的，称为浅基础，大于 5m 的成为深基础。建筑在软弱
2、或透水地基上的水工建筑物通常要采用特殊的基础形式将上部结构的重量传至地层深处的较坚硬的土层或岩层上，显然这样的基础都是深基础。如桩基础、防渗墙（地下连续墙） 、沉井等。一个建筑物究竟采用何种基础形式为宜，应当由上部建筑物对基础的功能要求、承受荷载的大小、地基的地质条件和施工单位的能力而定。12 地基与地基处理建筑物建造在地基上，地基是承受由基础传来荷载的地层（土层或岩层） 。地基有天然地基和人工地基两类。前者指不需人工加固即可满足建筑物要求的地基。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复杂，要求更高。而优
3、良地编写：夏可风 审稿：郝鸿禄2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、抗变形能力和抗渗能力。地基处理是指通过采取人工措施，改善或改变地基土（或岩石）的性质，使之能够满足上部结构物（包括基础）的要求的工程措施。水工建筑物对地基的要求一般有承载能力（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。1.2.1 覆盖层地基的处理覆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
4、、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。1.2.2 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，以及对局部软弱岩体的加固。常用的方法有：水泥灌浆，化学灌浆，预应力锚固，以及对局部软弱带的开挖置换等。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、排除地层中的渗透水，以降低渗透压力，提高建筑物的安全度。在某些情况下，排水减压甚至是地基处理的主要措施。本手册仅介绍部
5、分最常用的基础工程和地基处理施工技术。1.3 地基基础工程与岩土工程近代科学技术的发展与交流，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许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（Geotechnical 3Engineering） 。岩土工程具有区别于结构工程的特殊性和不同行业岩土问题的共同性，是一门自成体系的新型学科，它以工程地质学、岩石力学、土力学和工程力学等为基础，包括对工程项目的勘察、试验、设计、施工和监测的全过程。显然，地基与基础工程、水利水电地基与基础工程施工都是属于岩土工程的一个组成部分。因
6、此我国各行业岩土工程技术的发展和成就，对于水利水电建设的地基与基础工程都将具有指导和借鉴意义；同样水利水电行业地基与基础工程的任何技术进步，也是对岩土工程的贡献。2 地基与基础工程施工的特点地基与基础工程，通常是指建筑物地基的处理和建筑物的基础两项工程的统称，对于水利水电工程来说，通常具有如下特点。（1） 直接事关建筑物安危对于一般建筑物来说，地基与基础是非常重要的，而对于水工建筑物来说，由于其承受荷载复杂，运行条件不利因素多，因此尤其重要。统计资料表明，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 万座水库中的许多病险水库，其主要险情也是地基渗漏。地基或基础破坏的原因
7、，除了可能是勘察设计不周、运行管理不善之外，施工质量不良常常也是重要的或直接的原因。设计正确、建筑质量好、坚固耐久的地基与基础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，就会妨碍建筑物正常使用，甚至垮坝失事。（2）技术复杂，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复杂的和多样的，其上部结构物的要求也是复杂多样的，因此地基与基础工程在许多情况下十分复杂。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精确，因此，基础与地基处理工程也很难预先提出周全完美的设计和施工方案。预先提出的方案在
8、实践中发生变更甚至全盘修改是经常的现象。4为了避免或减少大的失误，减少损失，地质勘探工作应当尽量做细，有的需要在施工前进行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。在施工开始以后，宜布置若干先导孔先行施工，取得资料和经验。（3）隐蔽工程，施工过程质量重要地基与基础工程是隐蔽工程，有的在施工以后要覆盖起来，有的一开始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行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，返工修补十分困难。因此地基与基础工程施工应当特别重视施工过程质量的检查和控制，以施工过程质量保证工程的最终质量。施工资料是评价
9、隐蔽工程质量的重要依据。因此必须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。（4）工程规模大水工建筑物的地基与基础工程常常规模很大，工程量大。地基处理或基础工程的造价在整个工程的造价中占了很大的比重。不同的基础形式、施工方法、机具，对地层的适应性、工效、效果、造价差别很大。因此选择适宜的基础形式和施工方法对工程具有重大影响。（5）施工工期短水工建筑物的地基与基础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基础工程完成后方可进行，有的需要安排交叉进行，因此工期紧迫，干扰大，需要进行周密的组织与安排，应当尽量选择工效高的施工方法和机械。（6）注重
10、环境保护地基与基础工程的施工方法，有的排弃废水、废渣很多，施工噪声很大，对临近建筑物的震动大。因此，应当根据工程和环境要求，选择使用对环境污染小的施工方法，并采取必要的环保措施。（7）注重施工经验地基与基础工程施工工艺复杂，工艺参数和操作技术随地层而异，地下作业情况不5能直视，特别是对特殊地层的处理、事故的处理，在很大程度上要依赖于施工经验。因此，应当十分注重施工经验的积累和重视发挥有经验的工人和工程技术人员的作用。第二节 水利水电建设地基与基础工程技术的发展和成就我国古代劳动人民很早就掌握了运用人工手段和材料改造天然地基的技术，椐历史记载，两千多年以前，就已经采用过夯实法，在软土中夯入碎石或
11、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展开，地基和基础工程技术也获得了飞速的发展。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基础工程的难度很大，技术达到了很高的水平。特别是近二十年来，我国水利水电建设快速发展，建设项目的数量和规模前所未有。由于项目规模和功能的扩展，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项目的不断开发，有的新建工程需要建在地质条件更为复杂、软弱的地基上。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。这些都对地基与基础工程技术提出了新的挑战，促进
12、新技术、新工艺、新设备相继涌现。1 岩石地基处理1.1 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，成功地进行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，在许多大中型水利水电工程中建造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实用的灌浆技术，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。6三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
13、新水平。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造了高标准的防渗帷幕，在溶洞暗河区建造了深达 100.4m、长 50m、厚2.02.5m 的地下混凝土防渗墙，水库深超过 1
14、00m。专家认为该项技术具有国际领先水平。为了封堵岩溶洞穴中高流速的地下水，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、高流速情况下封堵岩溶通道的难题。1.2 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发展。1992 年广西天生桥二级水电站引水隧洞进行了 6.0MPa 高压固结灌浆，与此同时，广州抽水蓄能电站输水洞进行了 6.1MPa 的灌浆，1997 年浙江天荒坪抽水蓄能电站进行了9MPa 高压固结灌浆，这是我国水工隧洞灌浆采用的最高的灌浆压力。山西万家寨引黄工程输水隧洞大量采用了 TBM 掘进成洞，隧洞衬砌采用预制混凝土管片，管片与洞壁
15、之间充填豆砾石（细骨料） ，之后对豆砾石进行灌浆。这是水工隧洞衬砌和灌浆的新型式。1.3 灌浆材料随着材料工业技术的进步，我国的灌浆工程已改变了使用单一水泥浆的状况，而是根据工程需要和地质条件来设计浆液配比。在工程中一些使用普通水泥浆难以取得预期效果的部位，使用了改性灌浆水泥、超细水泥和湿磨水泥。小浪底工程使用了掺有稳定剂、2 小时析水率不大于 5%的稳定浆液，红枫堆石坝使用了流动度为 0 的膏状浆液。7化学灌浆一方面作为水泥灌浆的补充，一方面越来越独立地成为一种地基处理技术。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可缺少的一部分。1.4 灌浆施工机
16、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，钻机由手把式发展为液压式，风动冲击式发展为风动和液动冲击回转式，钻粒钻进发展为合金钻进和金刚石钻进。灌浆泵的工作压力由 45MPa 提高到 810MPa，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。八十年代中期，灌浆自动记录仪在我国研制成功并逐步推广应用，至近年已基本普及。记录仪由初期的测记灌浆压力、注入率二项参数，发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 816 台灌浆机工作；由单纯测记现场施工参数，到可以利用现
17、场采集的数据直接生成灌浆规范要求的各种灌浆成果图表。我国还进行了灌浆自动控制技术的研究，并在施工生产中实验性应用。1.5 预应力锚固自 1965 年安徽梅山水库运用预应力锚索解决坝肩稳定问题之后，预应力锚固技术在我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所有的水利水电工程都采用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达到 10MN，为水利水电工程中的最高纪录；新型结构形式不断出现，无粘结锚、对穿锚、拉力分散型、压力分散型、拉压复合型、环形预应力锚索等新型锚固形式被开发出来并推广应用。2 覆盖层处理
18、2.1 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采用连锁桩柱式防渗墙。1959 年北京密云水库首创使用钻劈法建造槽孔式混凝土防渗墙，取得良好效果。从此以8后混凝土防渗墙技术迅速推广，成为覆盖层地基防渗的主要措施。1997 年我国建成了深度为 81.9m 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， 2003 年完成了最大深度 70m、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，和深度为 102m 的新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发展为冲击反循环钻机、抓
19、斗、液压铣槽机，创造了钻抓、铣抓、铣抓钻等新的施工方法。墙段连接已攻克了拔管法的技术难关，最大拔管深度达到 79m，创造了世界最深记录。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达到了国际先进水平。2.2 覆盖层灌浆我国首次在砂砾石地基灌浆是在 1957 年的北京上马岭水电站。以后在密云水库、岳城水库等一些工程中应用。国外覆盖层灌浆多采用预埋花管法，我国在岳城水库首创了循环钻灌法。上世纪七八十年代，由于混凝土防渗墙技术发展较快，深厚覆盖层灌浆大大减少。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
20、多。2001 年完成的重庆小南海水库地震堆积天然坝体防渗灌浆帷幕，最大灌浆深度80m，采用泥浆固壁钻孔，循环钻灌法灌注水泥粘土浆，防渗效果良好。新疆下坂地水利枢纽坝基覆盖层最大深度近 150m，坝基防渗计划采用防渗墙下接帷幕灌浆的方案，2003 年进行了现场灌浆试验，采用循环钻灌法，灌浆深度达到155m，这是循环钻灌法在世界上的最大施工深度。2.3 高喷灌浆1978 年，在四川省龚嘴水电站首次进行了采用高压旋喷桩用于覆盖层地基垂直防渗的工艺试验；1982 年，山东省白浪河水库采用定喷防渗板墙试验成功，并在水利水电工程中普遍推广。九十年代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造了质
21、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9的单管法、二管法和三管法的基础上，开发了新二管法、新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覆盖层的防渗，发展到应用在某些深厚覆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，采用小孔距高压旋喷桩套接防渗，最大孔深 83m，施工后效果较好，这是国内最深的高喷防渗墙。2.4 振冲加固振冲技术于上世纪七十年代引进我国，1978 年使用振冲法进行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。多年来振冲设备
22、和工艺不断改进。振冲器的功率初期多为 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间断填料法或连续填料法发展为强迫填料法。质量控制标准由原来的单一控制加密电流，发展为同时控制加密电流、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新水平。2.5 堤防工程垂直防渗我国江河湖海堤防总长度约 25.8 万 km，保护全国耕地和人口达 1/3。堤防安危，关系国民经济的发展和人民生命财产的安全。上世纪七十年代，许多单位就开展了薄型防渗墙的试验研究并取得了一些
23、成果。1998 年长江、松花江等特大洪水后，国家投入巨资进行堤防整治，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，一批实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） ，以及高喷灌浆防渗墙、袖阀灌浆帷幕等，各种工法大放异彩。3 土工合成材料应用10土工合成材料是一种新型的工程材料，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，加工简单，价格低廉等优点，可
24、用于防渗、反滤、排水、防护、隔离、加筋等多种用途。发达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代中期，但后来发展较慢。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。 。4 地基与基础工程检测技术由于地基与基础工程的隐蔽性，因此其质量和效果的检测一直是攻关的目标，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基础工程质量检查的方法除传统的钻孔取芯、压水试验之外，许多新兴的技术，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
25、工程施工或现场试验中。5 技术开发研究与技术标准我国十分重视地基与基础工程理论和技术开发的研究。在国家的科技攻关计划中，多次列入了有关高坝地基处理技术和深厚覆盖层处理技术研究的课题。几十年来，特别是改革开放以来，结合多项重点水利水电工程建设中的技术难题，通过科研设计单位、施工单位、高等学校和建设单位的联合攻关，同时积极引进国外先进技术，取得了大量的成果。这些技术成果广泛应用于工程中，产生了巨大的经济效益和社会效益。现在我们完全有能力在任何复杂的地基上建造所需要的各种水工建筑物。可以预期，随着我国水利水电建设的进一步发展，水工建筑物的地基与基础工程技术也必将得到更大的发展。技术标准是实践的结晶，
26、又是指导实践的指南。建国初期我国主要依靠学习和照搬前苏联的技术规范，近二十年来，国家高度重视标准化体系的建设，水利水电行业地基与基础工程的技术标准从无到有，从不全到基本齐全，初步形成了可满足工程建设要求的标准体系。116 今后面临的任务虽然我国水利水电建设地基与基础工程技术的水平有了很大的提高，在许多方面取得了令人骄傲的成就，但是与发达国家或者其他行业比较起来还有一定的差距，而这些正是今后努力的方向。（1）与其它工程技术比较起来，地基与基础工程理论上不够成熟、不够完善，或不实用，在很大程度上处于经验和半经验状态，属于一种技艺。因此，加强理论研究，争取在地基与基础工程理论上取得实用性成果，仍然是
27、一项长期的任务。 （2）与发达国家比较起来，我们的施工的机械化和自动化程度整体上仍然落后，大型基础工程设备的生产能力落后。一些施工方法或其中的工序仍然属于笨重体力劳动。今后应当大力研制开发先进的地基处理和基础工程机械，提高施工的机械化和自动化水平。（3）大多数地基与基础工程施工技术的生产效率仍然低于发达国家，单位工程产品的能源和材料消耗高于发达国家。今后要努力开发新的工艺方法，降低物耗，提高劳动效率。（4）虽然我们完成了许多非常出色的工程，但由于施工原因导致的工程质量事故也时有发生。检测技术有了长足的进步，但仍然不能满足工程建设的需要。加强施工管理，改善监测和检验手段，努力提高工程质量，是十分重要的任务。
