砂砾石地基处理技术研究

汤洪洁，关志诚

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

我国水利水电工程砂砾石地基建坝技术在复杂地层构造处理、古河槽灌浆减渗、超深防渗墙施工、有缺陷地基加固等方面均处于国际领先的水平。已建深厚覆盖层上代表性工程包括：长河砾质土心墙土石坝，最大坝高240m，河床覆盖层厚度约80m，地震设防烈度为Ⅸ度；冶勒沥青混凝土心墙土石坝，最大坝高124.5m，地基覆盖层厚度超过420m，地震设防烈度为Ⅸ度；阿尔塔什混凝土面板砂砾石坝，最大坝高164.8m，覆盖层最大厚度93.9m，地震设防烈度为Ⅸ度；大河沿沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高75m，覆盖层防渗处理最大深度185m，成墙深达186m，是目前世界最深坝基混凝土防渗墙。

利用砂砾石地基甚至是深厚覆盖层建坝，从技术经济合理性角度考虑是必然的，也是可行的。而砂砾石地基防渗、加固与增模、变形过渡等处理是土石坝工程建设关键技术之一，处理效果涉及工程运行期的安全。

1 砂砾石地基防渗处理技术

1.1 帷幕灌浆防渗技术

砂砾石地基帷幕灌浆的目的：一是确保设计标准工况下坝基覆盖层的渗透稳定性；二是减少或控制渗流量。对于坝基覆盖层的渗透稳定性，帷幕浆材与砂砾石胶结作为地基复合结构，起到消减上游水头、降低坝体浸润线等作用；需保持渗流作用下自身渗透稳定安全，即帷幕在运行期间不能产生破坏。

现阶段帷幕灌浆设计是按相关规范要求、类比已建工程经验、经现场灌浆试验复核和检验综合判断加以确定的。

1.1.1帷幕灌浆设计标准

DL/T 5267—2012《水电水利工程覆盖层灌浆技术规范》中规定，帷幕的设计标准应按渗透系数(K)控制，并根据工程的防渗要求和渗流控制标准确定。事实上，当砂砾石地层灌浆标准定的过高，工程实施难以达标、或经济成本过大时，在不影响坝基渗透稳定和坝体安全情况下，应调整或适当降低灌浆标准。如新疆大石门水利枢纽工程左岸古河槽宽度2.6 km，处理以防止左岸渗透破坏为主，原设计标准为灌浆幕体的透水率q≤3 Lu，经过帷幕灌浆试验后，很难达到原设计要求，在满足渗透稳定的提前提下，将设计标准调整为按照渗透系数控制，即灌后渗透系数K< 1×10-4cm/s。

1.1.2帷幕厚度拟定

帷幕厚度与帷幕的破坏比降有直接关系。砂砾石地层灌浆形成防渗构造体的实际厚度是极不均匀的，帷幕厚度选择只是一个技术概念，设计主要控制指标允许水力坡降值，防渗构造体的厚度是按最深部位防渗安全灌浆排数确定的；满足地基渗透稳定要求也有工程经验类比因素。帷幕允许水力坡降随着深度的增加而提高，DL/T 5267—2012中规定可采用3～6，实际工程中根据砂砾石地基构成特点也可采用较大值。

1.1.3帷幕灌浆质量检查与评定

灌浆效果的可靠性检查是一项综合技术，灌浆效果需要合理客观评定。目前常用的方法以检查孔注水试验来评定灌浆帷幕质量以及是否具备验收条件；辅助检查手段也有采用电、磁等物探方法；有条件时进行局部开挖直接确认。

根据砂砾石地基灌浆工程经验，在覆盖层中进行钻孔压水试验所取得的结果往往不准确，即使是长期透水试验的结果可信度也不高。因此在进行检查和评定前，宜先测定灌浆前的数据，并与灌浆后数据进行比较，已获得的数据需由经验丰富的技术人员进行综合分析判断。

1.2 超深防渗墙施工技术

我国是当前世界上应用混凝土防渗墙最多的国家，在防渗墙规模(面积)、防渗墙深度、防渗墙墙体材料、施工工艺、施工速度方面都达到了国际领先水平。近几年新建深厚覆盖层土石工程的防渗墙面积和投资规模均有所突破，如在建的青海那棱格勒水利枢纽沥青混凝土心墙土石坝，混凝土防渗墙最大深度145m、防渗面积3.4万m2；内蒙古赤峰东台子水库沥青混凝土心墙堆石坝，混凝土防渗墙最大深度122m、防渗面积10万m2。坝基渗漏及覆盖层地基的渗透稳定是砂砾石覆盖层地基存在的主要问题，垂直防渗是有效解决坝基渗流控制问题的可靠手段，目前中高土石坝基本采用垂直防渗或以垂直防渗为主的渗流控制措施。以中国水电基础局有限公司承担新疆大河沿水库工程防渗墙施工为例，介绍200m级超深防渗墙造孔成槽施工技术和工艺体系。

新疆大河沿水库工程区地震基本烈度为Ⅶ度，河床坝基第四系全新统覆盖层深厚，结构较松散，其中大于5mm粒径在70%以上，为不液化地基。设计混凝土防渗墙厚度1m，深入下部基岩1m，最大墙深186m，防渗墙成墙面积2.41万m2。

大河沿水库坝基砂砾石层物料构成和基本特性是建设超深防渗墙的必要条件。针对超深防渗墙施工技术难点，中国水电基础局有限公司承担防渗墙施工，研发了200m级超深防渗墙造孔成槽施工成套装备，形成了系统的施工技术和工艺体系，主河床段孔斜率控制在1‰，主要包括：①成套装备包括重型冲击反循环钻机、冲击钻机、钢丝绳抓斗、液压抓斗等；②针对国内同类工程建造防渗墙的各类疑难问题，研制的重型钢丝绳抓斗和重载破力器、重型冲击锤，最大施工深度为200m以上；③孤、漂(块)石和硬岩地层采用防渗墙成槽控制爆破处理技术，包括钻孔预爆、聚能爆破、槽内钻孔爆破等技术，其中发明的密封耐压性柱状定向聚能弹技术，解决了深200m槽孔水下爆破拒爆的难题；④“钻抓法”充分发挥钻机和抓斗的各自特长，与传统单一设备、单一工法技术相比，综合工效可提高10%；⑤采用陡坡基岩嵌岩技术解决了在大于70°硬岩陡坡内的墙体嵌岩施工难题；⑥首创了“限压拔管法”施工方法，实现限压拔管自动化，最大拔管直径达2.0m；⑦研发的超深槽孔“气举法”清孔换浆技术和泥浆下混凝土浇筑技术，创造了最大深度201m的浇筑成墙世界纪录。

防渗墙典型断面应力应变及相对挠度变形监测成果表明：不同高程部位的相对位移分别呈向上、向下游参差变形分布。大坝填筑前，最大向上游相对位移值出现在其中墙体上部约1/3处，其最大值为-80.1mm，最大向下游相对位移则出现墙体下部约1/3处，其最大值为38.9mm。大坝填筑后，受大坝盖重影响，上述2个部位均表现出相对位移量进一步扩大，截止2018年5月2日，2个部位的相对位移增至-93.9mm、50.1mm。大坝填筑后，坝体盖重对墙体和底部的相对位移量影响不大。

2 砂砾石地基加固处理技术

对坝基浅层一定范围内的砂砾石地基进行加固处理，可以降低坝体的沉降变形及不均匀变形。在分析论证和借鉴工程经验基础上，加固方式要确保防渗体结构安全，满足过渡和变形协调原则。

2.1 固结与增模处理措施

固结与增模处理的目是使地基达到变形总体协调，坝体与地基满足稳定和接触渗透稳定要求。对于沥青混凝土心墙土石坝，改善心墙过渡层与大坝变形过渡条件，提高防渗墙和心墙基座在水压力作用下刚度，提高抗变形能力；对于混凝土面板坝地基防渗墙、连接板段和趾板结构，考虑尽量减少地基变形量，增加局部地基整体刚度，把连接结构的变形量控制在可接受范围内；对于黏土直心墙基底处理，按满足地基、坝体、防渗体变形过渡协调控制，防止心墙与基础结合面发生集中渗流破坏，增强土质心墙下部覆盖层防渗性能及抗变形能力。

根据国内外利用覆盖层筑坝的实践，坝基覆盖层的处理技术主要有挖除法、强夯法、振冲加密法、固结灌浆法、高压旋喷桩等。地基固结或增模处理通常会采取上述1种或2种及以上的工程措施组合方案，如新疆阿尔塔什大坝对河床趾板下游20m及河床段趾板和连接板范围内进行固结灌浆加固处理，灌浆深度为10m，孔、排距3m，灌浆压力控制0.1～0.2MPa，检测方法采用地震波纵波波速检测，灌前、灌后平均波速提高24%；观测资料表明蓄水后沉降增加量较小，总沉降量亦较小，说明覆盖层变形不大。新疆大河沿水库工程考虑坝基不均匀性，为确保墙体与大坝变形协调一致，对防渗墙上游设置2排、下游侧设置4排孔深均为8～10m的低压固结灌浆；墙体上、下游各10m范围进行强夯处理。河口村水利枢纽覆盖层坝基采用振动碾+高压旋喷桩的地基处理方式，防渗墙下游侧布置5排间距2m的高压旋喷桩，桩长20m，桩径1.2m；监测资料表明，上游高压旋喷桩加固坝基沉降量较小，且收敛较快，下游仅采用强夯处理的覆盖层变形较大，后期趋于稳定。

2.2 砂砾石层位误判加固处理措施

在已建工程防渗墙施工过程中，发现多起将砂砾石覆盖层中大巨石误判为基岩面的情况，导致防渗体系不封闭，需进一步采取工程处理措施。

2.2.1下坂地大坝基础右岸防渗墙未封闭段处理

大坝河床坝基覆盖层采用“上墙下幕”垂直防渗方案，两岸坡及坝肩采用基岩灌浆帷幕防渗方案。右岸基础防渗墙0+319.50～0+352.50m段施工完毕，在防渗墙下帷幕灌浆钻孔钻孔时取出的芯样含砂，部分钻孔取芯全部为砂。通过进一步查明地质情况，发现右岸防渗墙岸坡段下基岩岩体较破碎，断层裂隙发育，尤其是岸边卸荷张性裂隙发育，河水冲蚀严重，局部出现基岩倒坡，导致右岸浅槽段已成防渗墙底与勘探的基岩面之间未封闭。

加固工程措施为：未封闭段部位原设计的单排帷幕(防渗墙及大坝轴线)上下游侧各增加2排帷幕灌浆，增加排与原设计单排形成5排帷幕体，第1、5排灌浆范围上下均超出天窗范围5.0m，第2、4排灌浆范围上下均超出天窗范围10.0m，第3排孔深应达到原设计帷幕底线。灌浆后检查孔渗透系数小于1.0×10-4cm/s，满足设计要求。

2.2.2阿尔塔什大坝左岸防渗墙端头基岩未接触段处理

左岸防渗墙端头现场开挖揭露，防渗墙左端与基岩未接触，上游侧基岩出露，基岩面下游侧与防渗墙斜交，呈上部宽30cm的窄槽，槽内充填砂卵砾石层，挖至3m左右深时，与防渗墙间距仅3cm，出露的基岩为弱风化岩体，为了保证防渗体系的完整，阻断渗漏通道，在该段设置现浇混凝土防渗墙。现浇混凝土防渗墙宽1.2m，左侧及底部嵌入岩石1m，混凝土指标为C30W12。

2.2.3东台子左岸坝基覆盖层高压旋喷帷幕灌浆处理

施工过程中出现了如下情况需要采用高喷防渗墙处理。①由于左坝端坝基存在片麻岩孤石层，导致桩号ZB0+008.000～ZB0+050.000段岸坡基座基础及防渗墙未达到设计深度，对上述部位采用高喷防渗墙进行防渗处理。②左岸坝基覆盖层帷幕灌浆主要包括上游排的搭接段灌浆以及下游排防渗墙和岸坡基座以下至基岩段的灌浆，根据覆盖层灌浆试验成果，覆盖层(中砂夹圆砾地层)水泥灌浆效果较差，达不到设计要求的防渗帷幕合格标准，采用高压喷射灌浆(以下简称高喷灌浆)进行覆盖层的帷幕灌浆施工，基岩面以下的帷幕灌浆仍采用原设计的水泥灌浆施工。

高喷防渗墙采用双排孔旋喷套接型式，帷幕上游排搭接段高喷灌浆采用单排孔旋喷套接型式，孔距0.75m。高喷灌浆合格标准为：下游排灌浆孔以检查孔压水试验为主要依据，合格标准为透水率不大于5Lu，上游排灌浆孔以检查孔注水试验为主要依据，合格标准为渗透系数K不大于5×10-5cm/s，结合施工成果资料和其他检验测试资料，进行综合评价。

3 砂砾石地基处理技术问题探讨

利用覆盖层建坝体现了因地制宜的工程设计理念，但由于深厚覆盖层形成的复式结构不能直观检查，帷幕灌浆效果不均衡，抽检结果具有不确定性；较深厚砂砾石地基变形对防渗结构及坝体变形的影响也只能通过设置监测点反馈信息，已建工程监测不到位，针对性差；而浅表层砂砾石地基加固和增模处理是可以直观检查的，尚无质量评定标准；振动碾压或夯击仅解决表部加密问题，对于高坝变形影响有待进一步研判。经过多年工程运行检验，在处理过程中可能存在以下问题值得进一步探讨和总结。

3.1 砂砾石地基帷幕灌浆控制标准及防渗效果研判

砂砾石覆盖层本身具有不均质且强度低的特点，灌浆形成的幕体多为原状地层与水泥结石相互层叠形成的不均质体。理想的帷幕灌浆设计应是依据工程地质学的理论计算，明确帷幕的厚度与强度，确定与之相适应的灌浆材料、灌浆方式、灌浆量。但现实中很难做到，渗透稳定性很难通过单一的计算确定。现阶段帷幕灌浆设计仍脱离不了过去的工程经验，对覆盖层灌浆帷幕，国内外通常都要求在灌浆试验的基础上通过工程类比确定，采取现场灌浆试验进行综合判断，可有条件避免因覆盖层土质性状和地下水状态等复杂情况；如果已有记录成果存在误导，后续进行砂砾石地层灌浆的有效性存在质疑。

3.2 深厚覆盖砂砾石地基变形对防渗结构及坝体变形的影响

深厚覆盖层坝基在工程运行期会发生明显变形，若干工程运行监测资料表明，集中变形部位位于较陡岸坡与覆盖层连接段。对于沥青混凝土心墙砂砾石坝，其影响导致该部位坝基廊道错位(以沉降剪断为主)，覆盖层中的防渗墙与沥青防渗结构为直连式，当地基墙体入岩与岸坡嵌固，地基沉降变形可产生通过过渡层的附加应力，对防渗体结构安全和防渗有效性影响不大，但对悬挂式墙体可能存在变形与应力不连续情况，尚无证据表明防渗结构发生破坏；对于混凝土面板坝，岸坡趾板地基稳定刚度较大，与之过渡的深覆盖层陡边坡连接板运行期会发生沉降变形，需对该部位地基进行模量过渡处理，以规避其不均匀变形和结构应力不连续变化。新疆的下坂地水库及西藏的旁多水利枢纽工程均为深厚覆盖层上的沥青混凝土心墙砂砾石坝，且均在心墙下游侧设置了纵向廊道，运行初期均出现了近岸廊道沿分缝段错位变形情况(下坂地水库工程大于20cm)，以及廊道漏水现象；内蒙古的三座店水库沥青混凝土心墙坝基座与混凝土防渗墙连接段发生渗漏，也与覆盖层地基和混凝土防渗墙变形有关。

近几年新建土石坝的深厚覆盖层防渗墙工程防渗面积和规模均有增加趋势，应重视砂砾层地基处理，尽量避免因地层不均匀变形和墙体向下游水平变形引起基础防渗结构损伤，甚至导致渗漏流量偏大而影响工程安全和效益。

3.3 砂砾石地基渗流量监测的准确性

已建土石坝一般采取在坝后设置垂直截水墙及量水堰用以监测坝体、坝基渗流量。通过对已建工程坝体渗流量监测技术的调查、总结，传统的量水堰布置方案存在堰槽水流不畅、渗流水源不清、测值不准等问题。尤其对于深厚覆盖层，坝后截水墙一般不可能对砂砾石地基完全封闭，量水堰不能准确反映坝基的渗流情况；且工程运行期大坝下游设置截水墙存在壅高大坝基础水位的问题，可能影响土石坝坝体稳定。

3.4 砂砾石地基特性参数拟定

由于土石坝填筑材料和砂砾石地基层材料力学性能的复杂性，以及人们对其的认知有限所致，目前应力变形计算所采用的E-μ模型、E-B模型、沈珠江的双屈服面弹塑性模型等还不能反映大坝及覆盖层的真实工作性态，尤其是覆盖层特性参数的合理确定，是工程界面临的疑难问题。

选择和测定覆盖层特性参数途径如下：进行现场载荷试验和旁压试验，依据得到的荷载-变形曲线，进行计算模型参数反演；现场测定土层剪切波速、标准贯入击数、旁压模量等特性参数，在室内研究级配、密度(包括干密度或相对密度)与这些特性参数的关系，标定原位密度，然后以该密度进行室内相应力学试验，测定所需要的计算模型参数；统计有代表性的已建或在建工程各种材料物理力学参数的合理取值范围，并根据变形监测资料进行参数反演分析，完善本构模型。

4 结语

进入21世纪以来，我国新疆、西藏等西部地区的深厚覆盖层上建坝技术快速发展，砂砾石地基处理技术日趋完善，特别是超深防渗墙的技术突破目前处于国际领先水平。

工程技术与建设经验有一个积累过程，也需要有运行检验的过程。面对砂砾石深厚覆盖层这种建设条件极为复杂的技术挑战，重要工程的地基处理和坝体结构适用性仍需探索和不断创新，有待解决的问题包括：根据大坝安全性要求，需对砂砾石地基进行增模与灌浆加固、以及帷幕防渗处理时，由于砂砾料颗粒状态在灌浆工艺作用下的表现，其实施效果具有不确定性，有待进一步深入探讨。从应用技术角度看，涉及问题包括砂砾石地基处理相关控制和评价标准的确定、有缺陷表层砂砾石地基和深部地层复杂构造处理方式选择、质量验收方法与验收评定标准等。