陡河水庫壩基抗震液化分析與治理

孟文琦

（河北省唐山市陡河水庫管理處，063001，唐山）

陡河水庫位于唐山市陡河上游，是河北省在新中國成立后興建的第一座大型水庫。1956年建成投入運用后，經(jīng)歷了1970年續(xù)建、1976年震后修復、1989年工程加固建設，2003年開展了國家級水管單位的達標建設。其后經(jīng)過長達20年的運行管理，目前已經(jīng)發(fā)展成具有防洪、供水等多種功能的大型水利樞紐工程。陡河水庫在主壩壩基抗震液化與治理方面所積累的經(jīng)驗和教訓可為類似水庫壩基抗震液化治理提供參考。

一、陡河水庫壩基地質概況

1.壩基工程地質概況

陡河水庫大壩坐落在砂層地基上，大壩全長 7 364 m，其中主壩長1 700 m，位于河床一級臺地上；副壩長5 664 m,位于二級臺地上。主壩地基普遍分布有輕壤土，地基表面高程25.0～26.0 m， 下有4.0～5.0 m輕壤土，再下為細砂層。

2.壩基砂土層特點

（1）壩基砂層埋藏淺

陡河水庫0+167壩段地基輕壤土層厚4.0～5.0 m，上覆黏土層僅1.0 m（不計壩坡厚度），0+300壩段橫剖面地基輕壤土層厚2.5 m，上覆黏土層厚3.5 m（不計壩坡厚度）。主壩段表層黏土層最厚為7 m。0+167壩段液化層上覆土厚度最小，抗液化能力最低，地震后加劇了輕壤土和砂層的液化破壞程度，引發(fā)了下游壩體滑坡。因此易液化土層埋藏的深淺是造成主壩各段液化震害差異的一個重要原因。

（2）壩基砂層分布厚而廣

陡河水庫一級臺地表層土下部為厚度約20m的中細砂，分布極為廣泛，與河槽漫灘及二級臺地下部的砂層相連通，其下為黏性土與中細砂呈互層分布。易液化土層排水條件不良，孔隙水不易消散，因而會促進液化的發(fā)展，延長液化的持續(xù)時間，加劇震害程度。

（3）壩基砂土層抗震液化強度低

陡河水庫壩基輕壤土（或砂壤土）抗地震液化強度低，且主壩段輕壤土層位于地下水水位以下，處于飽和狀態(tài)。其飽和含水量與液限含水量之比大于0.9，液性指數(shù)大于0.75；塑性指數(shù)大于3。按《水工建筑物抗震設計規(guī)范（試行）》（SDJ 10—78）規(guī)定的對飽和少黏性土判別指標，認為輕壤土層地基在地震時易發(fā)生液化。

二、壩基砂土的液化判別試驗

1.采用標準貫入擊數(shù)判別

按《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB 50287—99）規(guī)定，飽和砂或飽和少黏性土的N63.5值小于按公式算出的液化臨界擊數(shù)Ncr時，可判為液化土。

根據(jù)標準貫入擊數(shù)液化判別臨界值公式：

式中，N0為液化判別標貫擊數(shù)基準值；d0為標貫點在地面下的深度（m）；dw為工程正常運用時，地下水水位在當時地面以下的深度（m)，當?shù)孛嫜蜎]于水面以下時，dw取 0；ρc代表土的黏粒含量百分率（%），當其小于3時，取3。核算陡河水庫壩基砂層頂部標準貫入試驗擊數(shù)臨界值，見表1。

表1 壩基砂層頂部標貫試驗擊數(shù)臨界值

1976年震后對樁號 0+350、0+500、0+700、0+900 壩軸線位置壩基砂土頂層所進行的標準貫入試驗所得錘擊數(shù)分別為 19、13、40、15。 由此推斷壩基砂土發(fā)生7度地震時不發(fā)生液化；當發(fā)生8度地震時，部分壩段壩基砂層開始液化；當發(fā)生9度以上地震時，壩基淺部砂土基本全部液化。

2.估算輕壤土層及砂層液化的可能性

可通過兩公式估算。

等效地震水平剪應力：

相應的抗震剪應力：

式中，σy為地基中某點水平面上的垂直壓力，假定等于該處單位面積上部土柱的重量為與σy相應的垂直有效壓力，假定等于該處單位面積上部土柱的有效重量（浸潤線以下采用土的浮容重）；αmax為地面最大地震加速度（9度地震采用0.4 g，8度地震采用0.2 g，7度地震采用 0.1 g）；（△τf/）cr為根據(jù)土層三軸震動試驗資料求得發(fā)生液化時的震動剪應力比，取cr為40次。

若τc大于τsc則表示土層在地震時會液化破壞；若τc小于τsc則表示不致液化破壞。

計算結果表明：壩基輕壤土（或砂壤土）在地震烈度7度時，就有開始破壞的可能性，在8度及其以上時地表下砂壤土全部液化及地表下10 m范圍內中細砂層開始液化。飽和輕壤土（或砂壤土）抗震穩(wěn)定性最差，是引起地基液化破壞的主要土層。

3.利用有限單元法計算地基液化的發(fā)展范圍

有限單元法計算結果表明：①地震烈度越高，地基液化的范圍越大，發(fā)展的速度也越快。②地基液化的發(fā)展都是先從壩趾開始，然后向內部和深度發(fā)展。在7度地震時土壩中間部分的地基完好無液化；8度地震時地基液化速度及范圍迅速擴大，在相當于20次“等效振動”時即全部液化；9度地震時地基則經(jīng)不住一次“等效振動”即全部液化。

三、震后壩基抗液化治理措施

1.震后修復

1976年，對河床段壩基采用反濾排水加圍封，對一級臺地段安設排水暗管及減壓井，培厚下游壩坡16 m。反濾排水加圍封處理范圍在地基高程24.4～24.8 m處，設置排水褥墊，并設砂坑，砂坑間距5.0 m，直徑2.0 m，深2.0 m。砂坑中靠坑壁和坑底處回填細砂，中部回填粗砂，填好砂坑后鋪設砂褥墊。底部和上部是厚0.2 m的細砂，中間是厚0.4的粗砂，褥墊以1/100坡度將液化層排出的孔隙水引向下游堆石排水棱體。堆石棱體不但起排水作用，同時起到圍封作用，可將高程21.0 m以上的輕壤土堵住，防止遇8度地震時砂土液化流失。

一級臺地排水暗管分為縱向管與橫向管?？v向管沿舊壩腳布設，總長2 147 m，橫向管垂直于縱向管，通到壩后排水溝，共12條，總長380 m。

下游壩腳設減壓井一排，井深25 m，每200 m一個，設在與排水暗管縱、橫向管交接部位，目的是減輕壩后滲水壓力，防止砂層隨滲水流失。

2.提高保壩標準

陡河水庫1976年震后修復時只把土壩恢復到41.0 m高程，未能按設計44.0 m高程實施，防洪標準偏低，1978年被水電部列為全國43座重點病險水庫之一。1989年提高保壩標準建設，土壩加高3 m。首先對1970年震后修建的壩體回填質量在不同的斷面鉆孔取樣進行物理力學試驗，其結果滿足設計要求。因此加高前僅將表層土清除，選與原壩料相同的土料進行壩體加高填筑。土方施工基本機械化，在土方填筑碾壓后采用核子密度儀進行質檢。經(jīng)檢驗，土壩碾壓干容重控制點1 159個，干容重皆遠超過設計干容重1.75 t/m3的要求。

3.國家級水管單位標準建設

2003年開展國家級水管單位標準建設后，開始對陡河水庫壩體護坡及下游排水系統(tǒng)進行更新改造。2003—2006年，先后完成河床段、一級臺地段排水溝護坡、主壩段下游壩體護坡表層砌石及其內部反濾層的更新改造。改造工程于每年的主汛來臨前完成。首先清除原有護坡（或壩坡）表層砌石及下部失效反濾料至護坡（或壩坡）土面；然后按《碾壓式土石壩設計規(guī)范》《碾壓式土石壩施工規(guī)范》等相關規(guī)范的要求，在土面以上依次鋪設等效粒徑為O95的反濾土工布、5 cm厚的寸碴；最后選用厚25 cm、塊徑30 cm的質地堅硬、不易風化的新鮮塊石進行表層壓蓋砌筑。另外對排水溝的底部及下游壩坡的反濾土工布下增設厚5 cm的砂層，以增加其反濾滲水、避免土粒流失的保護功效。

四、陡河水庫壩基抗震安全評價

1.壩基砂層內部孔隙水壓力有效釋放

陡河水庫主壩段壩基砂層采用反濾排水加圍封及一級臺地設減壓井的方法，有效地減輕了壩基內部砂層的孔隙水壓力，及時排出砂層滲水。近年先后完成了下游壩體反濾護坡、一級臺地排水溝、三角堰的反濾層更新改造建設，進一步提高了壩體壩基排水效果，使壩基砂層內部孔隙水壓力得到有效釋放。

2.壩基砂層密實度有了顯著增加

陡河水庫壩基下砂層頂部埋藏深度為5～10m，建庫前所作的標準貫入試驗擊數(shù)為10～20擊，相應的相對密度Dr為0.6～0.75，其密實度屬中密上限或密實下限。遇到9～10度地震，仍將發(fā)生液化。對建庫時與震后修復后在壩基砂層所作的標準貫入試驗成果進行比對，壩基砂層密實度有了顯著的提高。

3.正常蓄水位下壩基滲流逐年下降

增加壩基砂土層的上覆有效壓力，再加以設置排水措施，加速輕壤土的排水固結。2002年中國水利水電科學研究院對陡河水庫壩基壩體滲流穩(wěn)定分析結果顯示壩基滲流在正常蓄水位下呈下降趨勢。

4.壩基砂層抗液化能力得到明顯增強

陡河水庫經(jīng)震后修復及提高保壩標準建設，大壩加高3m，壩體向下游培厚16m，在提高可液化砂層的埋藏深度的同時，有利于加速輕壤土的排水固結，增加土壤密實度，提高砂土的抗液化能力，從而提高其抗震能力。

[1]水利電力部水利調度研究所.唐山地震陡河水庫土壩地基破壞土層三軸振動試驗報告[R].1976.

[2]李志云.關于陡河水庫主壩地基液化問題的探討[J].河北水利水電技術，1998（4）.