壩基地震液化土層處理設(shè)計(jì)

王仲良

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壩基地震液化土層處理設(shè)計(jì)

王仲良

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

攔河壩是水庫(kù)的重要建筑物，其基礎(chǔ)的處理直接關(guān)系壩體的安全與穩(wěn)定。根據(jù)地質(zhì)條件和壩體結(jié)構(gòu)，對(duì)比了換填法、強(qiáng)夯法和砂樁擠密法等不同處理方法的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、施工、社會(huì)環(huán)境等方面的比選，確定壩基地震液化土層采用換填法處理。

水庫(kù)；地震液化；換填法；攔河壩

1 概況

本工程水庫(kù)位于河北省北部山區(qū)，庫(kù)容6.05×107m3，屬中型水庫(kù)，工程等級(jí)Ⅲ等，由攔河壩、溢洪道、泄洪洞、放水洞等4部分組成，擬建攔河壩為3級(jí)建筑物，采用土質(zhì)心墻壩，壩頂長(zhǎng)度690 m，最大壩高43.2 m。

1.1 地形地質(zhì)條件

壩址區(qū)為中山寬谷河流地貌，呈不對(duì)稱U形河谷，河谷寬度約560 m，地面高程913.0～921.0 m，河道主槽位于左岸側(cè)，右岸側(cè)為一級(jí)階地，為居住區(qū)。

河床覆蓋層厚6.0～21 m，河床及漫灘分布以卵礫石為主，覆蓋層下伏基巖巖性為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)角礫巖，強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r最大厚度約11 m，具有中等透水性。

左岸山體寬厚，山頂高程1 065.0 m左右，相對(duì)高差140～240 m。巖性為凝灰質(zhì)角礫巖，表層為強(qiáng)風(fēng)化，巖體完整性較好但強(qiáng)度較差，巖體具有微弱透水性。

右岸山體低緩單薄，山頂高程1 006.0 m，相對(duì)高差60～80 m。右岸第四系黃土狀壤土層厚22～51 m，具有中等濕陷性及中等透水性，下伏凝灰質(zhì)流紋巖和凝灰質(zhì)角礫巖。

河床右側(cè)（壩0+450～0+610，起始樁號(hào)位于左岸）地面高程為917.0～924.0 m，土層分別為砂壤土、礫砂和卵石，其中砂壤土厚10～16 m，具有低壓縮性、弱透水性和地震液化性；礫砂多埋藏于砂壤土底部，具有中等透水性；卵石級(jí)配不良，但呈密實(shí)狀態(tài)。

1.2 壩體結(jié)構(gòu)

攔河壩為土質(zhì)心墻壩，壩體采用土質(zhì)心墻防滲，壩殼采用料場(chǎng)砂礫料和工程開(kāi)挖料填筑。攔河壩壩頂高程952.2 m，最大壩高43.2 m；壩頂長(zhǎng)690.0 m，寬7.0 m，采用厚8 cm的瀝青混凝土路面。壩頂上游側(cè)設(shè)高出壩頂1.2 m的混凝土防浪墻，墻頂高程953.4 m；壩頂下游側(cè)設(shè)混凝土路緣石。壩體上游壩坡坡比自上而下分別為1∶2.25和1∶2.5，下游壩坡坡比為1∶2.0和1∶2.25.壩體上、下游壩坡均設(shè)有馬道，上游壩坡在高程920.2 m、932.2 m各設(shè)一級(jí)馬道，下游壩坡在高程932.2 m設(shè)一級(jí)馬道，馬道均寬2 m。攔河壩上游壩面為厚45 cm的干砌石護(hù)坡，下設(shè)厚度40 cm的碎石墊層；下游壩坡為厚30 cm的干砌石護(hù)坡，下設(shè)15 cm厚的碎石墊層。上游壩殼填筑砂礫料，下游壩殼高程913.5 m以下為砂礫料，以上為其他建筑物開(kāi)挖石碴。采用土質(zhì)心墻防滲，心墻頂高程950.2 m，頂寬5.0 m，兩側(cè)坡比1∶0.2，最大底寬21.48 m；心墻上、下游側(cè)均設(shè)厚3.0 m的雙層反濾。下游壩腳設(shè)排水棱體，排水棱體頂寬3.0 m，頂高程914.0 m，底高程909.0 m，上、下游邊坡分別為1∶1和1∶1.5.

2 地震液化處理設(shè)計(jì)

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，抗震設(shè)防類別為丙類，攔河壩地震設(shè)計(jì)烈度為7度，壩基砂壤土遇地震土體體積縮小，有效應(yīng)力減小，使土體抗剪強(qiáng)度迅速減小或喪失，影響壩體穩(wěn)定，需要采取地震液化處理措施。

2.1 處理方法的確定

地震液化處理措施可分為換填法、施加外力抵抗地震液化方法、降低地震孔隙壓力方法和提高壩基材料抗液化能力四大類。根據(jù)地質(zhì)條件，擬采用換填法、強(qiáng)夯法和砂樁擠密法進(jìn)行比較。

2.1.1 換填法

換填法是將砂壤土液化層挖除后填筑砂礫、卵石等非液化材料，此方法適用于液化層埋深淺、厚度不大的情況，需要挖除壩體占?jí)悍秶鷥?nèi)的液化土層。根據(jù)地質(zhì)條件，確定開(kāi)挖至砂礫層和基巖，砂礫層高程907.0 m，基巖高程907.0～911.0 m，上游壩坡開(kāi)挖寬度115.5 m，下游壩坡開(kāi)挖寬度90.5 m，總寬度213.0 m，處理長(zhǎng)度160.0 m。開(kāi)挖部分按壩體結(jié)構(gòu)填筑，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.25，上、下游壩坡均設(shè)干砌石和碎石墊層。上游壩殼填筑砂礫料，下游壩殼913.5以上填筑開(kāi)挖料，以下填筑砂礫料，壩殼料壓實(shí)后相對(duì)密度不小于0.75；土質(zhì)心墻底高程909.0～911.0 m，最大寬度21.48 m，墻底位于砂礫層部分下部回填反濾料，其余直接坐落于基巖，心墻防滲土壓實(shí)度不小于0.98，反濾料壓實(shí)后相對(duì)密度不小于0.75.根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，此方案主要工程量及直接費(fèi)用如表1所示。

表1 不同處理方案主要工程量及直接費(fèi)用表

項(xiàng)目換填法強(qiáng)夯法擠密法 土方開(kāi)挖/m3439 500101 280 干砌石護(hù)坡/m33 2001 020 礫石墊層/m32 400780 砂礫料/m3265 20055 220 反濾料/m310 00047 600 黏性土填筑/m325 4007 200 2 000 kN·m滿夯/m2 33 490 φ40 cm擠密樁/m 489 850 直接費(fèi)/萬(wàn)元2 2351 31013 235

2.1.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法可提高壩基材料抗液化能力，此方法適用于加固砂土、礫石土、雜填土等；夯擊時(shí)的巨大能量可引起砂壤土的短暫液化，重新沉積到更加密實(shí)的狀態(tài)，產(chǎn)生壓實(shí)效應(yīng)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)夯法處理深度在10 m左右?？紤]到壩體占?jí)悍秶鷥?nèi)液化土層厚度較大，為了保證夯實(shí)效果，本次設(shè)計(jì)挖除2～8 m的砂壤土，開(kāi)挖后底高程為915.0～916.0 m，上游壩坡占地寬度95 m，下游占地85 m，總寬187 m，長(zhǎng)160 m。強(qiáng)夯范圍向四周外延5 m，總面積33 490 m2，單位夯擊能2 000 kN·m，滿夯2次。開(kāi)挖部分按相應(yīng)高程位置壩體結(jié)構(gòu)及填筑標(biāo)準(zhǔn)，填筑壩殼砂礫料和土質(zhì)心墻等。本方法實(shí)際為換填法與強(qiáng)夯法相結(jié)合的一種處理方法，主要工程量及直接費(fèi)用如表1所示。

2.1.3 砂樁擠密法

砂樁擠密法是采用沖擊法或振動(dòng)法向土中沉入樁管，然后邊拔管邊灌砂邊振動(dòng)，形成一系列砂樁，使周圍土層產(chǎn)生振密作用，處理深度可達(dá)20 m。振沖碎石樁的實(shí)施高程為915.0～922.0 m。壩體上游壩坡占?jí)?2.5～92.0 m，下游壩坡占?jí)簩挾?5.0～81.0 m，總寬144.5～180.0 m，長(zhǎng)度160.0 m；擠密樁處理范圍為壩體占?jí)狠喞庋? m，樁徑40 cm，正方形布置，孔距80 cm，樁端到達(dá)砂卵石層或基巖，處理后砂壤土層將成為復(fù)合地層，承載力及抗震性將明顯提高，此方案主要工程量及直接費(fèi)用如表1所示。

注意：開(kāi)挖、填筑比選基準(zhǔn)面為河床清基2 m后壩基面。 由表1可知，砂樁擠密法直接費(fèi)遠(yuǎn)高于換填法和強(qiáng)夯法，換填法處理方案投資較強(qiáng)夯法方案多925萬(wàn)左右，但換填法按壩體結(jié)構(gòu)填筑壩殼砂礫料和土質(zhì)心墻等，可與壩體施工同步進(jìn)行，施工方法簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量可靠度高，工期較短；同時(shí)，壩址下游600 m處為村莊，強(qiáng)夯對(duì)周邊環(huán)境及居民生活影響較大，實(shí)施過(guò)程中施工阻力和社會(huì)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)將比較大，因此，本階段采用換填法對(duì)具地震液化性壩基砂壤土進(jìn)行處理。

2.2 處理方案

根據(jù)地質(zhì)勘探成果，對(duì)于河床右岸壩0+450～0+610、壩軸線上游119.0 m、下游94.0 m范圍內(nèi)分布的砂壤土，本次設(shè)計(jì)將其挖除，然后按照壩體分區(qū)及結(jié)構(gòu)尺寸，換填黏性土心墻、反濾料和壩殼砂礫料，心墻壓實(shí)度不小于0.98，反濾料及壩殼料壓實(shí)后相對(duì)密度不小于0.75，同時(shí)鋪設(shè)碎石墊層，砌筑護(hù)坡。

3 結(jié)束語(yǔ)

地震液化處理方法受地質(zhì)條件、施工、投資、社會(huì)因素等多方面影響。為了確保工程順利實(shí)施，本工程采用投資較少、施工簡(jiǎn)單、質(zhì)量可靠、社會(huì)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)小的換填法處理壩基地震液化土層。

［1］中華人民共和國(guó)水利部.SL 274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

［2］索麗生，劉寧.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)·土石壩［M］.第二版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

［3］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 79—2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.［出版社不詳］，2002.

［4］中華人民共和國(guó)水利部.SL 228—2013 混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.［出版社不詳］，2013.

2095－6835（2018）20－0122－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.122

〔編輯：張思楠〕