喬 兵 張大雷 柳 娜
(1.煙臺市水利建筑勘察設(shè)計院 山東煙臺 264001;2.煙臺市膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程建設(shè)管理局 山東煙臺 264001)
門樓水庫位于煙臺市福山區(qū)門樓鎮(zhèn)西南2km處,內(nèi)夾河下游,是一座防洪、城市供水、灌溉、養(yǎng)殖等綜合運用的多年調(diào)節(jié)大(2)型水庫。水庫控制流域面積1079km2,總庫容2.44億m3,興利庫容1.264億m3,死庫容0.1億m3。下游防洪保護區(qū)內(nèi)有煙臺市福山區(qū)、芝罘區(qū)、煙臺經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的28萬人口,0.53萬hm2耕地,以及蘭煙鐵路等重要基礎(chǔ)設(shè)施。
水庫于1960年11月底建成,據(jù)大壩安全鑒定,主壩上游壩殼和壩基砂相對密度分別為0.36~0.47、0.62,在地震設(shè)防烈度Ⅶ度條件下,存在液化的可能,影響大壩的安全。水利部大壩安全管理中心以壩函[2007]2563號文對門樓水庫安全鑒定成果提出了核查意見。其中,主壩上游壩殼抗震加固是門樓水庫除險加固的重中之重。
根據(jù)地質(zhì)勘察資料,主壩上游壩殼由含礫細砂—中砂填筑,礫石含量約 15%~20%。含礫細砂—中砂平均干容重1.49~1.57g/cm3,濕容重1.58~1.67g/cm3,相對密度0.44~0.47,標準貫入擊數(shù)為5~13擊,屬松散—稍密狀態(tài)。
主壩上游壩殼砂在庫水位以下呈飽和狀態(tài),粒徑小于5mm顆粒含量質(zhì)量百分率大于30%,其中粒徑小于0.005mm顆粒含量質(zhì)量百分率小于地震設(shè)防烈度的界限值16%。初判壩殼砂存在地震液化的可能,按標準貫入試驗法和相對密度法進行復(fù)判。
2.2.1 標準貫入試驗法
根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,采用公式計算臨界標貫擊數(shù)值。計算及判別結(jié)果見表1。
2.2.2 相對密度法
根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,當飽和無黏性土的相對密度不大于液化臨界相對密度0.70時,判為可能液化土。判別結(jié)果見表2。
從表1、表2判別結(jié)果看,主壩上游壩殼砂多屬松散—稍密狀態(tài),綜合評價為可液化土,必須進行抗震加固。加固范圍為樁號0+050~1+050壩段,長1000m。
門樓水庫死水位 20.5m,河底高程 13.0m,由于水庫向煙臺市區(qū)供水,為保證城市供水安全,施工時庫水位不能降得太低。根據(jù)城市供水要求,確定施工控制水位為23.0m,水深10m。為此,壩殼抗震加固不可能單獨采用一種方法來實現(xiàn),必須是一種綜合的加固處理方案。
表1 主壩砂殼震動液化評價表(標準貫入試驗法)
表2 主壩砂殼震動液化評價表(相對密度法)
對水下壩坡壩殼加固,提出了 2個加固方案:一是在壩前修筑一道13m高1000多米長的土石圍堰,并作防滲處理,將圍堰內(nèi)的水排除、清淤后,壩坡采用振動碾壓方法進行加固;二是對水下壩殼及壩腳進行拋石壓重和振沖加固。經(jīng)綜合分析比較,水下壩殼加固方案為拋石壓重和振沖加固相結(jié)合。
水上壩殼加固可行方案有振動水沖法和振動碾壓法兩種。通過對2個方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較,其工程投資比較接近,振動碾壓方案雖然較振沖加固方案施工期需要較大的施工場面,工程量大、工序間相互有一定的干擾,但其施工工藝簡單、技術(shù)可行、施工質(zhì)量易保證、工期短、投資略省。為確保工程加固質(zhì)量,確定施工控制水位以上的壩殼抗震加固方案為振動碾壓法。
本著施工方便、節(jié)省投資的原則,設(shè)計中擬定了若干個拋石壓重體斷面,并經(jīng)抗震動力穩(wěn)定分析,確定拋石壓重體為復(fù)式斷面,設(shè)二級平臺。底部一級平臺頂高程為23.5m,頂寬18.40m,外邊坡 1∶1.0,壓重體外坡腳距壩腳水平距離不小于 8.0m;頂部二級平臺頂高程為 25.00m,頂寬10.0m,外邊坡為 1∶3.0。壓重體設(shè)計孔隙率為25%,干容重為20kN/m3。
4.2.1 振沖加固范圍和深度
根據(jù)壩體土料動力分析報告,上游壩殼23.50m 高程以上采用碾壓加固,高程 23.50~17.00m范圍內(nèi)位于水下,無法進行碾壓,設(shè)計采用振沖加固措施。振沖范圍是樁號 0+050~0+950。
4.2.2 填料
根據(jù) DL/T5214—2005《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》,振沖填料宜采用含泥量不大于 5%的碎石、卵石、礫石、礫(粗)砂、礦渣,或其他無腐蝕性、無污染、性能穩(wěn)定的硬質(zhì)材料。門樓水庫主壩上游壩殼由礫細砂—中砂組成,結(jié)構(gòu)松散,其相對密度值為0.46。填料選用碎石,并采用粒徑為20~40mm和40~80mm二級配石子,兩種石子的比例分別為 60%和40%,填料中含泥量不大于5%。
4.2.3 振沖孔布置
振沖孔距根據(jù)單位體積所需填料數(shù)量初步計算擬定,結(jié)合工程試驗最終確定。根據(jù)計算結(jié)果,振沖孔采用梅花型布置,振沖孔順壩軸線方向和垂直于壩軸線方向的孔距均為1.5m,共10排。
4.2.4 振沖器選擇及參數(shù)
根據(jù)工程施工經(jīng)驗,選擇75kW振沖器,型號為BJ75型。初擬施工工藝參數(shù)為:75kW振沖器加密電流80A,加密水壓0.1~0.3MPa,至孔底時適當減小。提升速度每次0.2~0.3m,留振1.0m in。
圖1 主壩上游壩殼抗震加固設(shè)計圖
4.3.1 壩殼料選擇
由于原壩殼砂料為含中砂細砂,無法進行壓實,因此對壩殼翻壓料有以下2種選擇。一是將原壩殼砂料外運至棄土場,從料場采購符合標準的砂礫料上壩碾壓;二是將原壩殼砂料部分利用與外購的砂礫料摻和后上壩碾壓。經(jīng)對2個壩殼料方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較,方案2較方案1投資大,且原壩殼砂的利用率也不高,并需增加砂料摻和工作量,延長了工期,因此設(shè)計選用方案1,即壩殼料全部外購方案。
4.3.2 壩殼碾壓參數(shù)設(shè)計
根據(jù)本工程特點,壩殼碾壓采用機械化作業(yè),利用100馬力推土機配合135kN振動碾施工。采用從料場外購的礫砂進行壓實,鋪土厚度為40~60cm,碾壓4~6遍,加水量為20%~40%,相對密度不小于0.75。壩殼碾壓時,若遇砂料內(nèi)夾有淤泥或大的石塊應(yīng)全部清除。施工前應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定其最優(yōu)含水量、鋪土厚度及碾壓遍數(shù),并根據(jù)試驗情況進行適當調(diào)整,使其達到設(shè)計的相對密度值。
主壩壩殼加固設(shè)計斷面及加固后壩體抗液化安全度分別見圖1、圖2。
圖2 抗震加固后地震波作用下壩體抗液化安全系數(shù)值圖
拆除的舊護坡石采用人工或機械運輸就近拋投。場外料場及溢洪道開采的石料由自卸汽車運輸,按設(shè)計斷面尺寸分別從左、右岸拋投。為保證施工質(zhì)量,水下每拋投一段,定期派潛水員進行水下檢測。該工程共檢測斷面 36個,每個斷面測點 18個,水上采用灌砂法檢測拋石體干密度,檢測結(jié)果均達到了設(shè)計要求。
工程施工前,根據(jù)壩殼地質(zhì)情況分四個區(qū)進行了振沖試驗。按照試驗結(jié)果確定振沖施工參數(shù)如下:樁距 1.5m,排距 1.5m,填料方式為連續(xù)填料,加密水壓 0.2MPa,加密電流 80A,加密時間 12~16s,單孔振沖時間 12~15m in。從振沖檢測結(jié)果看,加固后的上游壩殼相對密度均達到了0.75以上,滿足設(shè)計要求。
在高程23.5m開挖工作面,寬度為25.27m,開挖邊坡 1∶1.5。開挖出的土料運至溢洪道右岸堆放,然后將從料場外購的礫砂,推平壓實。施工前針對土料和機械的實際情況現(xiàn)場進行了碾壓試驗,確定每層鋪土厚度不大于 0.5m、碾壓遍數(shù)為 4~5遍,灑水量視填土含水量隨時進行調(diào)整,經(jīng)測試相對密度均達到了0.75以上。
門樓水庫除險加固工程已經(jīng)通過了竣工驗收。經(jīng)檢測,主壩上游壩殼加固質(zhì)量完全達到了設(shè)計要求。從施工到運行情況看,設(shè)計所采用的水下拋石壓重、振沖,水上壩殼振動碾壓的綜合加固方案,完全適合本工程的實際情況,既節(jié)省了投資,縮短了工期,又保證了工程質(zhì)量。