太平水庫攔河壩地基液化處理措施研究

姜麗娜

（遼寧省丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 遼寧 丹東 118000）

1 工程概況

太平水庫位于東港市馬家店鎮(zhèn)太平村，距東港市25km，距馬家店鎮(zhèn)3.0km。水庫屬于多年調(diào)節(jié)，是以灌溉為主，結(jié)合防洪養(yǎng)殖等綜合利用的中型水利樞紐工程。水庫由攔河土壩、溢洪道、輸水洞組成。其中攔河壩為均質(zhì)壩，壩頂高程14.10m～14.50m，壩頂寬2.5m～2.9m，最大壩高為8.2m，壩長945m；溢洪道工程為開敞實(shí)用堰，堰頂高程11.45m，堰頂寬度40m，凈寬32m，閘墩孔數(shù)16孔，陡坡消能；輸水洞無壓單孔涵洞，洞長30m，工程等別為Ⅲ等工程。

太平水庫除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中攔河壩、溢洪道、輸水洞和防洪墻等主要建筑物為三級(jí)，臨時(shí)建筑物為五級(jí)。本著節(jié)約的原則，考慮永臨結(jié)合，施工用水直接從庫區(qū)抽取，電站施工用電供應(yīng)利用電站永久輸電線路供應(yīng)。馬家店鎮(zhèn)太平村已架設(shè)通訊線路，施工通訊可從此接引。施工營地在工程開工時(shí)根據(jù)需要可隨時(shí)申請(qǐng)安裝有線電話，對(duì)外通訊較方便，同時(shí)結(jié)合臨時(shí)無線對(duì)講通迅系統(tǒng)。主要建筑材料鋼筋、木材及燃料采購自東港市，水泥購自本溪市。

2 攔河壩安全鑒定結(jié)論及存在主要問題

太平水庫攔河壩經(jīng)安全鑒定復(fù)核，為三類壩，主要復(fù)核結(jié)論如下：

（1）大壩壩頂及防浪墻高程滿足防洪要求，但下游渠道防沖不滿足消能要求。

（2）壩頂寬度不足，上游水位變動(dòng)區(qū)護(hù)坡塊石破壞。壩頂防浪墻有裂縫、錯(cuò)位。壩體有一段滑坡區(qū)域，在下游采用兩條丁壩支撐。下游坡面無排水設(shè)施，未護(hù)砌，壩腳貼坡排水部分石料風(fēng)化。大壩部分?jǐn)嗝鎵纹路€(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值。

（3）壩基滲漏量較明顯，壩體下游可見滲水區(qū)域。高水位下壩體下游坡滲流出逸點(diǎn)位置高于排水體頂高程。壩體下游坡排水體無反濾層。溢洪道與壩體連接處存在繞壩滲漏。

（4）壩址區(qū)地震烈度為Ⅶ度，壩體背水坡腳部分區(qū)域壩基中粗砂層存在中等液化，部分?jǐn)嗝嫦掠尾粷M足抗震穩(wěn)定要求。

3 壩基地震液化判別

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（GB50487-2008）中的附錄N的規(guī)定，經(jīng)初判本壩基飽和的細(xì)砂層和中粗砂層可能發(fā)生液化，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法進(jìn)行復(fù)判。

經(jīng)計(jì)算，本壩基在局部背水坡腳處的中粗砂層在地震設(shè)防烈度為7度時(shí)有液化現(xiàn)象，其液化指數(shù)為6.94～13.55，液化等級(jí)為中等。經(jīng)復(fù)核，液化范圍基本在0+710m～0+865m的壩背水坡腳，并往壩中軸線擴(kuò)延8.00m左右，且向下游延伸。

4 地基液化的影響

松散的砂性土如果是飽和的，其孔隙為水所充滿，在遇到強(qiáng)烈地震時(shí)，會(huì)產(chǎn)生急劇的狀態(tài)變化，導(dǎo)致孔隙水壓力驟然上升，當(dāng)這種水壓力來不及消散，就使得原來通過砂?；ハ嘟佑|所傳遞的壓力減少乃至消失，顆粒處于懸浮狀態(tài)，使原砂土結(jié)構(gòu)受到破壞，抗剪強(qiáng)度喪失成為液體狀態(tài)，造成砂性土的承載能力部分或全部喪失，此即土層液化現(xiàn)象。

地基的液化會(huì)引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的類型有：地基喪失承載力；液化土向低凹處流動(dòng)，高孔壓導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上??；噴沙孔的形成以及導(dǎo)致側(cè)向壓力增加。當(dāng)覆蓋土層破裂，則受壓水挾帶砂粒噴出地面，出現(xiàn)噴水、冒砂現(xiàn)象，常常導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生大量不均勻沉降，造成建筑物開裂、傾斜或破壞。在過去發(fā)生的地震中，由于砂土液化造成的各種災(zāi)害已成為一種不可忽視的地震破壞現(xiàn)象。

5 地基液化沉陷的處理措施

液化地基的處理，其出發(fā)點(diǎn)是改變它的內(nèi)在條件，增加土體密度和改善排水條件，常見的方法有：

在一個(gè)月黑風(fēng)高，伸手不見五指的夜晚，我，正躺在床上快要進(jìn)入夢(mèng)鄉(xiāng)，它，扇動(dòng)著一對(duì)透明的翅膀，闖入了我的房間，在我耳邊叫囂著。我不耐煩地?fù)]了揮手，他繞過我的“如來神掌”飛走了?？蛇@只蚊子，過了一會(huì)兒又飛過來反復(fù)“騷擾”我。我心煩意亂，干脆不睡覺了，睜著惺忪的睡眼，從被窩里爬了出來，與它“開戰(zhàn)”！

（1）強(qiáng)夯法：根據(jù)不同的土質(zhì)條件和夯擊能，可處理4m～10m深度范圍，處理的寬度范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)的范圍，每邊超出基礎(chǔ)外緣寬度宜為基底下設(shè)計(jì)處理深度的1/2～1/3，且不宜小于3m。

（2）樁基或深基礎(chǔ)：采用樁基礎(chǔ)時(shí)，樁端伸入液化濃度以下穩(wěn)定土層中的長度應(yīng)按計(jì)算確定，且對(duì)碎石土、礫、粗、中砂、堅(jiān)硬粘性土和密實(shí)度粉土不應(yīng)少于0.5m，對(duì)其他非巖石不宜少于1.5m。

（3）加密法：包括振沖法、砂石樁法等，應(yīng)處理至液化深度下界，采用振沖法和砂石樁法加固后，樁間土的標(biāo)貫擊數(shù)應(yīng)大于液化判別標(biāo)貫臨界擊數(shù)。處理的寬度范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)的范圍，每邊超出基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大寬度不應(yīng)小于可液化土層厚度的1/2且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5，砂石樁還不應(yīng)小于5m。

（4）換填法：用非液化土替換全部液化土層。液化地基土的處理范圍，在基礎(chǔ)外緣以外的處理寬度應(yīng)超過基礎(chǔ)底面下處理深度的1/2，且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。

按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）中要求對(duì)可能液化的土層應(yīng)挖除或換土，在挖除比較困難或很不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可采取加密措施。對(duì)淺層可能液化的土層宜用表面振動(dòng)壓密，對(duì)深層可能液化的土層宜用振沖、強(qiáng)夯等方法加密，還可結(jié)合振沖處理設(shè)置砂石樁加強(qiáng)壩基排水，以及采取蓋重等防護(hù)措施。

針對(duì)太平水庫的實(shí)際情況，如對(duì)壩基進(jìn)行振沖或強(qiáng)夯，勢(shì)必對(duì)壩體造成影響，經(jīng)比較最終采取排水蓋重的防護(hù)措施。

首先計(jì)算大壩的滲流穩(wěn)定計(jì)算。安全鑒定中提及的“壩基滲漏量較明顯，壩體下游可見滲水區(qū)域”。本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)對(duì)大壩重新進(jìn)行野外鉆探、測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壩身透水性等級(jí)為弱-微透水性。壩基地層中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為微透水性，厚度較大（約2.00m～6.50m）。下部的礫砂層，密實(shí)度不高，為強(qiáng)透水性；再往下為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化黑云斜長片麻巖，雖然其強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好，但風(fēng)化巖層裂隙很發(fā)育，巖體很破碎，滲透性較強(qiáng)。因上層存在一定厚度的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，是良好的天然鋪蓋，不易產(chǎn)生滲透變形，水庫壩基基本不漏水，但由于下游地下水位較高，壩基液化層段壩后有魚塘，導(dǎo)致可見滲水區(qū)域，水庫降低標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行期間魚塘對(duì)大壩沒有造成不良影響，經(jīng)計(jì)算本次加固采取排水蓋重的措施將魚塘填滿。

因水庫沒有進(jìn)行滲流觀測(cè)，無法進(jìn)行滲流觀測(cè)分析，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)規(guī)定，現(xiàn)采用理論計(jì)算的方法進(jìn)行滲流分析。

水庫大壩迎水坡坡度為1∶2.72，背水坡為1∶1.81～1∶2.53，頂寬2.75m，無貼坡排水，下游無水，處于有限透水地基上。地基為雙層，壩體素填土底部為粉質(zhì)粘土，厚1.5m～3.0m，粉質(zhì)粘土下方中粗砂層較厚，達(dá)5.0m～8.5m，底部為風(fēng)化巖。壩體斷面見圖1。

參考建壩時(shí)的地質(zhì)勘察及由丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察、試驗(yàn)結(jié)果綜合分析確定各部位計(jì)算參數(shù)列于表1。

斷面上部粉質(zhì)粘土鋪蓋較薄，厚度約為1.8m，下部為中粗砂，厚度約為8m。當(dāng)壩基表層土的滲透系數(shù)小于下層土的滲透系數(shù)，而下游滲透出逸比降又符合 Ja-x＞（Gs-1）（1-n1）K時(shí)，應(yīng)設(shè)排水蓋重層或排水減壓井。

排水蓋重層的厚度t可按下式計(jì)算：

式中，Ja-x——表層土在壩下游坡腳點(diǎn)a至a以下范圍x點(diǎn)的滲透比降，可按表層土上下表面的水頭差除以表層土層厚度t1得出；

Gs——表層土的土粒比重，取2.67；

n1——表層土的孔隙比，0.491；

K——安全系數(shù)，取1.5；

t1——表層土的厚度，1.8m；

γ——排水蓋重的容重；

γw——水的容重，m；

采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究院開發(fā)的《理正滲流分析軟件》進(jìn)行滲流分析有限元等勢(shì)線計(jì)算來校核下游排水穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可以看出現(xiàn)狀正常情況下Ja-x＞（Gs-1）（1-n1）K，但實(shí)際運(yùn)行沒有發(fā)生擊穿現(xiàn)象，分析原因?yàn)樗畮旖档蜆?biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，未經(jīng)過大水考驗(yàn)，但隱患仍然存在，因此增加排水蓋重層，將下游中粗砂地基層較厚段魚塘全部填滿，從而解決了地基液化問題。

6 結(jié)語

結(jié)合水庫運(yùn)行多年的情況，地震作用下砂土液化后的性狀較為復(fù)雜，經(jīng)綜合分析比較，對(duì)土壩基礎(chǔ)采取蓋重加固處理方案，蓋重高度2.30m，頂寬18.2m，坡比1∶2.5，填滿壩后魚塘，從而消除了太平水庫的地基液化沉陷造成安全隱患，保障水庫大壩安全穩(wěn)定的運(yùn)行。陜西水利

圖1 太平水庫大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

表1 滲流計(jì)算參數(shù)表

表2 斷面壩基比降成果表

[1]丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.東港市太平水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].遼寧：丹東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2008.

[2]GB 50487-2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].中國計(jì)劃出版社，2009.

[3]顧曉魯，錢鴻縉.地基與基礎(chǔ)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[4]牛琪瑛，張素姣.砂土地基液化與液化后結(jié)果的研究[J].山西建筑，2001，（6）:43-44.

[5]SL 274-2001，水工碾壓混凝土施工規(guī)范[S].中國水利水電出版社，2001.