第3章基础处理工程_水利工程施工

第三章基础工程,基础按地层的性质可分为岩基和软基两大类，天然地基由于存在不同程度的缺陷，需要采取工程措施进行处理。本章主要从施工的角度介绍不同类型的地基处理，包括基础开挖、防渗和加固。根据水利水电建设经验，由于地基基础方面的原因引起水工建筑物失事占相当大的比例，必须十分重视地基处理，做好基础工程，以确保水工建筑物的安全运行。,第一节基础开挖,第二节岩基灌浆,第三节岩基锚固,第五节防渗墙施工,第四节砂砾地基灌浆,第六节其它地基处理技术,第一节基础开挖,基础开挖是一种最常见的基础处理方式，即将不合设计要求的基础挖掉。,一、水工建筑物对地基基础的基本要求,二、开挖处理,三、开挖处理注意的问题,第一节基础开挖,一、水工建筑物对地基基础的基本要求,（1）具有足够的强度，能够承担上部结构传递的应力。（2）具有足够的整体性和均一性，能够防止基础的滑动和不均匀沉陷。（3）具有足够的抗渗性，以免发生严重的渗漏和渗透破坏。（4）具有足够的耐久性，以防在地下水长期作用下发生侵蚀破坏。,二、开挖处理,开挖处理是将不合要求的覆盖层、风化破碎有缺陷的岩层挖掉。对岩石地基而言，主要的方法是爆破开挖，采取控制爆破，分层向下，预留保护层的方式。爆破开挖的基本要求是：保证质量、注重安全、方便施工、综合平衡。对软基和覆盖层直接挖除。,三、开挖处理注意的问题,1.及时排除基坑渗水、积水和地表水，确保开挖工作在不受水的干扰下进行。2.合理安排开挖程序，保证施工安全。3.通盘规划运输线路，组织好出渣运输工作。4.正确选择开挖方法，保证坝基开挖的质量。5.合理组织弃渣的堆放，充分利用开挖的土石方。,料场开挖,坝基开挖,坝肩开挖,第二节岩基灌浆,岩基灌浆是提高岩基强度，加强岩基整体性和抗渗性的有效措施。,一、岩基灌浆,二、钻孔及冲洗,三、压水试验,四、灌浆施工,五、化学灌浆,第二节岩基灌浆,一、岩基灌浆,定义岩基灌浆是提高岩基强度，加强岩基整体性和抗渗性的有效措施。岩基灌浆处理是将某种具有流动性和胶凝性的浆液，按一定的配比要求，通过钻孔用灌浆设备压入岩层的空隙中，经过硬化胶结以后，形成结石，以达到改善基岩物理力学性能的目的。,灌浆技术的应用的场合,大坝基岩处理；水工隧洞围岩固结；水工隧洞衬砌回填；隧洞施工超前支护；混凝土坝体接缝；建筑物或构筑物补强、堵漏。,一、岩基灌浆,分类岩基灌浆按目的不同，有固结灌浆、帷幕灌浆和接触灌浆。岩基灌浆按灌注材料不同，主要有水泥灌浆、水泥粘土灌浆和化学灌浆。,一、岩基灌浆,帷幕灌浆位置：靠近上游迎水面的坝基内；作用：减少坝基渗流量，降低渗透压力，保证基础渗透稳定；灌浆时间：一般安排在水库蓄水前完成，这样有利于灌浆质量；帷幕灌浆常采用单孔灌浆，灌浆压力通常较大。帷幕灌浆孔深较固结灌浆要深很多，因此灌浆工程量巨大，为避免灌浆工作与坝体施工的冲突，因此安排在基础灌浆廊道内进行，从而实现与坝体上升同步进行；同时混凝土压重有利于提高灌浆压力，保证灌浆质量；高坝的灌浆帷幕常要深入两岸坝肩较大范围的岩体中；坝肩岩体灌浆是通过在两岸分层开挖灌浆平洞实现的。,一、岩基灌浆,固结灌浆作用：提高基岩的整体性与强度，同时降低基础透水性。位置：基岩地质条件好：在坝基上下游应力较大部位布置固结灌浆孔；基岩地质条件差：对坝基进行全面灌浆，甚至在坝基以外上、下游一定范围内也要进行固结灌浆。一般安排在一定厚度的坝体基层混凝土上进行在浇注坝体砼时预埋灌浆管，带混凝土浇筑到一定厚度后再灌浆。通常采用群孔冲洗和群孔灌浆。同一地段的基岩灌浆必须按先固结灌浆后帷幕灌浆的顺序进行。,一、岩基灌浆,接触灌浆作用：加强坝体混凝土与坝基或坝肩之间的结合力，提高坝体抗滑稳定性。一般是通过混凝土钻孔压浆或预先在接触面埋设灌浆盒及相应的管道系统，也可结合固结灌浆进行。灌浆时间：应安排在坝体混凝土达到稳定温度以后进行，以防止混凝土收缩产生拉裂。,一、岩基灌浆,灌浆材料灌浆材料要求应具有良好的可灌性、流动性和稳定性；硬化后具有良好的防渗性能、必要的强度及粘结力、较好的耐久性和抗侵蚀能力。岩基灌浆主要为水泥浆。水泥的品种、水泥颗粒的细度、外加剂的种类和掺量。对注入量大强度要求不高的，可在水泥浆中掺入粘土、砂或粉煤灰。对一些特殊地质条件的，可灌化学浆液。（辅助措施）如断层、破碎带、细微裂隙等，采用普通水泥浆液难以达到要求。,灌浆施工原理,灌浆施工原理,灌浆施工原理,灌浆施工,灌浆施工,灌浆施工,二、钻孔及冲洗,钻孔钻孔机械宜采用回转式钻机；钻头宜采用金刚石或硬质合金钻头。钻孔质量包括：确保孔深、孔向、孔位符合要求；力求孔径上下均一、孔壁平顺；钻进过程产生的岩粉细屑较少。钻孔方向和钻孔深度是保证帷幕灌浆质量的关键。钻孔结束后，应对孔深、孔斜和孔底残留物进行检查，不符合要求应采取补救措施。,二、钻孔及冲洗,冲洗目的将残存在孔底和粘滞在孔壁的岩粉铁末冲出孔外；并将岩层裂隙和孔中的填充物冲洗干净。冲洗工作通常分为1）钻孔冲洗2）岩层裂隙冲洗冲洗方法高压压水冲洗、高压脉动冲洗、扬水冲洗和群孔冲洗等。,三、压水试验,压水试验概念压水试验是在一定的压力之下，通过钻孔将水压入到孔壁四周的缝隙中，根据压水量和压水的时间，计算出代表岩层渗透特性的技术参数。透水率q-单位为：吕荣（Lu）透水率q表示岩层的渗透特性。其公式为：q=Q/LPQ-单位时间内试验孔段的注水总量，L/min；P-压水试验的计算压力，Mpa；L-压水试验实验孔段的长度，m；q-单位吸水量，L/(minmMpa)或Lu；透水率q代表的含义透水率q是在单位时间内通过单位长度试验段在单位压力作用下所压入的水量。,三、压水试验,压水试验目的压水试验的主要目的是确定地层的渗透特性，为岩基处理的设计和施工提供技术资料。同时还可检查施工质量。,三、压水试验,注意事项1)试验压力一般为同段灌浆压力的80%，且一般不大于1MPa。2)流量在预定压力下，隔一段时间记录一次，直到流量稳定3060min，取最后稳定流量。3)试验段的长度应根据具体情况确定。5)应注意q与k之间的关系。,渗透系数（K）(hydraulicconductivity)V=KJ，当J=1时，V=K，即K在数值上等于渗流速度，具有速度的单位，它又可以称为水力传导系数，反映含水介质对渗流阻力大小的系数。常用单位：m/d，cm/s。渗透系数是反映岩石透水性的指标，可以根据渗透系数的大小进行岩石透水性分级（表1-1）。,表1-1岩石透水性划分,四、灌浆施工,1、钻孔灌浆次序分序加密原则；单排灌浆先钻灌序孔，再钻灌、序孔；多排孔排间也应按逐渐加密的次序钻灌。地基灌浆一般按照先固结后帷幕的顺序。双排帷幕灌浆先灌下游排，再上游排。多排的也是先灌下游排，再上游排，最后中间排。灌浆各序孔距与排距根据地质情况确定。,四、灌浆施工,2、灌浆方法按照灌浆时浆液灌注和流动的特点，灌浆方法有纯压式和循环式两种。纯压式：概念：一次将浆液压入钻孔，并扩散到岩层裂隙中去。优点：设备简单，操作方便；缺点：浆液流动速度慢，容易沉淀，造成管路与岩层缝隙的堵塞，影响浆液扩散；纯压式多用于吸浆量大，有大裂隙存在、孔深不超过12-15m的情况。,四、灌浆施工,2、灌浆方法按照灌浆时浆液灌注和流动的特点，灌浆方法有纯压式和循环式两种。纯压式：循环式：概念：灌浆机把浆液压入钻孔后，浆液一部分被压入岩层缝隙中，另一部分由回浆管返回拌浆筒中。优点：一是使浆液保持流动状态，减少浆液沉淀；二是可根据进浆和回浆浆液比重的差别，来了解岩层吸收情况，并作为灌浆结束的一个条件。,四、灌浆施工,2、灌浆方法按照钻孔灌浆的顺序，有全孔一次灌浆和分段灌浆两种。分段灌浆又分为自上而下法、自下而上法、综合灌浆法及孔口封闭法等。,四、灌浆施工,3、灌浆压力灌浆压力通常是指作用在灌浆段中部的压力，灌浆压力是控制灌浆质量的一个主要指标。由下式来确定P=P1+P2Pf式中P-灌浆压力，Pa；P1-灌浆管路中压力表的指示压力，Pa；P2-计入地下水水位影响以后的浆液自重压力，按最大的浆液比重进行计算，Pa；Pf-浆液在管路中流动时的压力损失，Pa。,四、灌浆施工,灌浆压力是控制灌浆质量，提高灌浆经济效益的重要因素。其大小与孔深、岩层性质、有无压重及灌浆质量要求等有关。确定灌浆压力的原则：在不致破坏基础和坝体的前提下，尽可能采用较高的压力。高压灌浆可以使浆液更好的压入微小缝隙内，增大浆液扩散半径，析出多余的水分，提高灌注材料的密实度。当然灌浆也不能过高，以致使裂隙扩大，引起岩层或坝体的抬高变形。,四、灌浆施工,4、灌浆压力和浆液稠度的控制提高灌浆质量的重要因素：合理的灌浆压力和浆液稠度。灌浆压力的控制基本上两种类型：一次升压法和分次升压法。灌浆时应适时调整灌浆稠度，其控制原则是先稀后浓，水灰比一般为七个比级。,四、灌浆施工,5、灌浆的结束条件和封孔灌浆的结束条件两个控制指标：残余吸浆量，又称最终吸浆量，即灌到最后的限定吸浆量；闭浆时间，即在残余吸浆量的条件下保持设计规定压力的延续时间。灌浆结束后进行封孔。灌浆的质量检查检查孔压水试验和浆液注入率实验；检查孔、岩芯、钻孔照相或钻孔电视检查；开挖平洞、竖井或大口径钻孔，进行检查和实验；地球物理勘探技术。(如重力勘探、电法勘探、地震勘探、磁力勘探等）,岩石物理性质是指岩石的导电性、磁性、密度、地震波传播等特性。如导电性不同的岩石在相同的电压作用下，具有不同的电流分布；磁性不同的岩石，对同一磁铁的作用力不同；密度不同的岩石，可以引起重力的差异；振动波在不同岩石中传播速度不同等。运用现代技术，完全可以记录到上述物理现象的变化，进而可以了解地下岩石的性质及其分布规律，达到寻找地下油气的目的。把这种以岩石间物理性质差异为基础，以物理方法为手段的油气勘探技术，称为地球物理勘探技术，简称物探技术。,地球物理勘探技术介绍,搅拌及灌浆设备,搅拌及灌浆设备,五、化学灌浆,概念：化学灌浆是将有机高分子材料配制成的浆液灌入地基或建筑物的裂隙中，经胶结固化以后，达到防渗、堵漏、补强、加固的目的。1、化学灌浆的特点（1）粘度低、流动性好、可灌性高；（2）聚合时间可以比较准确的控制；（3）聚合体渗透系数小；（4）强度和粘结强度高；（5）稳定性和耐久性较好；（6）有一定毒性。,五、化学灌浆,2、施工由于不存在沉淀问题，多采用纯压式灌浆。钻孔、冲洗及灌浆施工工艺与水泥灌浆基本相同。按混合方式不同，有单液法和双液法两种灌浆方法。浆液的混合可采用电动式比例泵。,化学灌浆施工,第三节岩基锚固,第三节岩基锚固,一、岩基锚固,二、锚固的结构型式,三、锚固施工,一、岩基锚固,用预应力锚束对岩基施加主动预压应力的一种锚固技术，常和建筑物的加固结合起来，以期加固或改善其受力条件。锚固技术效果可靠，施工方便，经济合理，广泛运用在锚固边坡、抗滑稳定加固、洞室支护、大坝加高、提高抗震性能、裂缝和缺陷修补等方面。,岩基锚固,岩基锚固,岩坑锚固,二、锚固的结构型式,锚固的结构型式很多，但都由锚孔、锚束两部分组成，其中锚束又由外锚头、锚束自由段和内锚固段构成。,三、锚固施工,锚固施工工艺因锚固结构的型式不同而不同，常用的工艺流程如下图。,锚索施工,锚索施工,锚索施工机具,第四节砂砾地基灌浆,第四节砂砾地基灌浆,一、砂砾石地基的可灌性,二、灌浆材料,三、灌浆方法,一、砂砾石地基的可灌性,砂砾石地基的可灌性是指砂砾石地层能否接受灌浆材料灌入的一种特性。它是决定灌浆效果的先决条件。影响可灌性的因素主要决定于地层的颗粒级配、灌浆材料的细度、灌浆压力和灌浆工艺等因素。,一、砂砾石地基的可灌性,2、参数在工程实践中，常以可灌比来进行衡量。M=D15/d85M-可灌比；D15-砂砾石地层颗粒级配曲线上含量为15%的粒径，mm；d85-灌浆材料颗粒级配曲线上含量为85%的粒径，mm；可灌比M越大，可灌性越好。M15可灌水泥浆，M=1015时宜灌水泥粘土浆。,二、灌浆材料,岩基灌浆多用水泥浆，而砂砾石地基灌浆往往用来防渗，所以采用水泥粘土浆为好。它具有稳定性和可灌性好，费用低的优点，但析水率低，排水固结时间长，结石强度低，抗冲和抗渗性差。配制浆液所用粘土要求遇水能迅速崩解分散，具有一定稳定性和粘结力。一般水泥与粘土的比例（重量比）为1:11:4，水和干料的比例（重量比）为1:11:3，此外还可加入少量的外加剂。,三、灌浆方法,砂砾石地层的钻孔灌浆方法有：1)打管灌浆灌浆花管打入灌浆设计深度冲洗灌浆起拔一个灌浆高度下一循环。具有设备简单，操作方便的优点，适用于砂砾石较浅、结构松散、颗粒不大，易于打拔的场合。2)套管灌浆边钻边下套管冲洗下灌浆管起拔套管安止浆塞灌浆下一循环。不会坍孔，但易冒浆，时间长会使起拔困难。,三、灌浆方法,3)循环钻灌自上而下，钻一段灌一段，无需待凝，循环钻灌。4)预埋花管灌浆钻孔清孔安设花管下填料待凝下双栓灌浆塞循环灌浆。可保证灌浆质量，但费用高。,第五节防渗墙施工,第五节防渗墙施工,一、防渗墙,二、防渗墙的基本型式,四、防渗墙的施工,三、防渗墙墙体材料,五、防渗墙的质量检查,一、防渗墙,防渗墙是修建在挡水建筑物和透水地层中防止渗透的地下连续墙。应用场合：控制闸坝基础、土石围堰及其基础的渗流还用于坝体的防渗加固；泄水建筑物下游基础的防冲；水工建筑物基础的承重，地下水库的修筑等。注意：工民建的地下连续墙是防渗墙的另外型式。,防渗墙在水电工程中的应用,防渗墙在水电工程中的应用,混凝土防渗墙,防渗墙在建筑工程中的应用,防渗墙在建筑工程中的应用,二、防渗墙的基本型式,从构造特点上可分为槽孔（板）型和桩柱型，从立面布置分有封闭式与悬挂式。防渗墙的基本型式是槽孔型。它是由一段段槽孔套接而成的地下墙。先施工的槽孔称一期槽孔，后施工的称二期槽孔。防渗墙的厚度主要由防渗要求、抗渗耐久性、墙体的应力与强度、施工设备等因素确定。,二、防渗墙的基本型式,墙体厚度防渗墙墙体厚度主要由防渗要求、抗渗耐久性、墙体的应力与强度及施工设备等因素确定。防渗墙的耐久性是指抵抗渗流侵蚀和化学溶蚀的性能，它与水力梯度有关，从防渗的角度防渗墙的厚度（m）由下式确定：=H/JpJp=Jmax/K式中H防渗墙工作水头；Jp防渗墙的允许水力梯度；Jmax防渗墙破坏的最大水力梯度；K安全系数。,桩柱型防渗墙,槽孔型防渗墙,槽孔型防渗墙,三、防渗墙墙体材料,墙体材料有刚性材料和柔性材料，可根据工程性质及技术经济比较后选用，常用的有以下几种：1.普通混凝土2.粘土混凝土3.粉煤灰混凝土4.塑性混凝土：以粘土或膨润土取代大部分水泥。5.自凝灰浆：在固壁浆液中加入水泥和缓凝剂。6.固化灰浆：在固壁泥浆中加入水泥、砂子、粉煤灰、水玻璃等，经机械搅拌或压缩空气搅拌后，凝固成墙体。7.钢板。,固化灰浆防渗墙,钢板防渗墙,钢板防渗墙,四、防渗墙的施工,地下防渗墙的施工过程1、造孔准备(1)必须根据防渗墙的设计要求和槽孔长度的划分，作好槽孔的测量定位工作，并在此基础上，设置导向槽。(2)导向槽安置好后，在槽侧铺设造孔钻机的轨道，安装钻机，修筑运输道路，架设动力和照明线路以及供水供浆管道，做好排水、排浆系统。(3)向槽内充满泥浆，保持泥浆面在槽顶以下30-50cm。,造孔准备,造孔准备,造孔准备,造孔准备,造孔准备,四、防渗墙的施工,2、泥浆和泥浆系统泥浆固壁为了确保防渗墙的施工质量，在造孔成墙的过程中必须维持槽孔孔壁的稳定。工程中常用泥浆固壁来解决这个问题。泥浆固壁的作用泥浆除了固壁作用外，在造孔过程中，尚有悬浮岩屑和冷却润滑钻头的作用；成墙以后，渗入孔壁的泥浆和胶结在孔壁的泥皮，还有防渗作用。,四、防渗墙的施工,泥浆的固壁原理泥浆压力高于地层的水压力，会渗入槽壁介质中，较细的颗粒进入空隙，较粗的颗粒附在孔壁上，形成泥皮。泥皮将泥浆与地层隔开，阻碍了地下水的流动，同时泥浆具有较大密度，侧压力通过泥皮作用在孔壁上保证了槽壁的稳定。（如图）,【例】砾石地基中开挖槽孔深度10m。地下水位低于槽口2m。用泥浆固壁，泥浆面低于槽口0.5m。砂砾石的内摩擦角为32，干容重2.2tm3，比重2.69。求所需固壁泥浆的容重。解：泥浆深度H=10-0.5=9.5(m)地下水面距地表a2m，槽中地下水深h10-28m砂砾地层的饱和容重（t/m3）设泥浆容重为d，则9.5d812.22（2.381）80.3073故d1.34,四、防渗墙的施工,3、造孔施工机械：(1)用钻挖机械开挖槽孔，修筑混凝土或粘土防渗墙。(2)用一般土方机械挖槽，修筑泥浆槽级配料防渗墙。(3)振动沉桩成槽，修筑板桩防渗墙。,3、造孔施工方法：（1）钻劈法主孔钻进，副孔劈打冲击式钻机钻凿主孔，冲击钻劈打副孔。出渣方式：一种是利用泵吸设备吸出；一种是用抽砂筒及接砂斗出渣。适合于砂砾地层。（2）钻抓法主孔钻进，副孔抓取粒径较小的松散软弱地层；（3）分层钻进法回转式钻机造孔适合于均质细颗粒地层。（4）铣削法采用液压双轮铣槽机两组相向旋转的铣刀导轮，以抵消地层反作用力，保持设备稳定。离心泥浆泵出渣。,冲击钻,冲击钻,冲击钻,双轮铣,双轮铣,抓斗,抓斗,抓斗,抓斗,四、防渗墙的施工,四）终孔验收和清孔换浆造孔以后，浇筑以前，要做好终孔验收和清孔换浆工作。终孔验收主要验收槽位偏差、槽宽、槽孔孔斜、一二期槽孔搭接偏差、槽孔水平断面及槽孔入岩深度。清孔换浆是对留在孔底的沉渣进行清除，换上新鲜泥浆，以保证混凝土和不透水地层的连接。,四、防渗墙的施工,五)混凝土浇筑混凝土防渗墙的混凝土浇筑和一般的混凝土浇筑不同，是在泥浆液面下进行的。泥浆下浇筑混凝土常用直升导管法。导管由钢管连接而成，沿槽孔轴线按要求布置；浇筑严格遵循先深后浅的顺序；开始浇筑时下导注塞，保证混凝土不与泥浆掺混；浇筑的过程中应保证埋入深度和上升速度，同时维持混凝土面均衡上升，一气呵成。,四、防渗墙的施工,五)混凝土浇筑每个导管开浇时，先下入导注塞，并在导管中灌入适量的水泥砂浆，准备好足够好数量的混凝土，将导注塞压到导管底部，使管内泥浆挤出管外。然后将导管稍微上提，使导注塞浮出，一举将导管底端被泻出的砂浆和混凝土埋住，保证后续浇筑混凝土不致与泥浆掺混。在浇筑过程中，应保证连续供料，一气呵成；保证导管埋入混凝土的深度不小于1m，但不超过6m，以防泥浆掺混和埋管；维持全槽混凝土面均衡上升，上升速度不应小于2m/h，高差控制在0.5m范围内。,混凝土浇筑,混凝土浇筑,四、防渗墙的施工,现行施工规范为：水电水利工程混凝土防渗墙施工规范(DL/T5199-2004),五、防渗墙的质量检查,应按规范和设计对防渗墙进行质量检查，主要检查：（1）槽孔检查（2）清孔检查（3）混凝土质量检查（4）墙体质量检查,第六节其它地基处理技术,一、高压喷浆,第六节其它地基处理技术,二、振冲加固,一、高压喷浆,一）原理高压喷浆（简称高喷）是将含喷嘴的注浆管下到预定位置，高压的浆液从喷嘴按预定的方向喷射出来，冲击破坏周围的介质，使一部分细小的颗粒随浆液冒出地面，其余的颗粒在喷射流束的冲击力、离心力和重力的作用下与浆液搅拌混合，有规律的重新排列，待浆液凝固后形成一定形状的固结体。其作用和机理有以下几方面：1）冲切搅拌作用2）升扬置换作用3）挤压渗透作用4）位移握裹作用,一、高压喷浆,高喷不仅可以提高基础的承载力，而且可以成为一种有效的防渗体。高喷具有对地层条件适应广、浆液可控性好、施工简单、施工速度快等优点，近年来应用日益广泛。特别在大颗粒地层、动水、淤泥地层、堆石坝等场合，高喷具有显著的技术经济效益。,喷嘴,一、高压喷浆,二）喷浆方式1）定喷2）摆喷3）旋喷三）施工方法1）单管法2）双管法3）三管法）多管法,旋喷桩,旋喷墙,旋喷墙,单管法,双管法,三管法,一、高压喷浆,四）施工工序与工艺1）造孔2）下喷管3）喷射灌浆,BohrenmitWassersplung,BeginnderHochdruckinjektion,FertiggestellterInjektionskrper,Wiederholungmitberschneidung,施工工艺,旋喷施工,旋喷施工,旋喷施工,旋喷施工,旋喷施工,旋喷施工,旋喷施工,二、振冲加固,一）定义是利用机械振动和水力冲射加固地基的一种方法。二）机械