門樓水庫主壩壩殼抗震加固設計與應用

喬 兵 張大雷 柳 娜

（1.煙臺市水利建筑勘察設計院 山東煙臺 264001；2.煙臺市膠東地區引黃調水工程建設管理局 山東煙臺 264001）

1 工程概況

門樓水庫位于煙臺市福山區門樓鎮西南2km處，內夾河下游，是一座防洪、城市供水、灌溉、養殖等綜合運用的多年調節大（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。下游防洪保護區內有煙臺市福山區、芝罘區、煙臺經濟技術開發區的28萬人口，0.53萬hm2耕地，以及蘭煙鐵路等重要基礎設施。

水庫于1960年11月底建成，據大壩安全鑒定，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。

2 主壩砂殼質量及震動液化評價

2.1 主壩砂殼質量評價

根據地質勘察資料，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，標準貫入擊數為5～13擊，屬松散—稍密狀態。

2.2 主壩壩殼震動液化評價

主壩上游壩殼砂在庫水位以下呈飽和狀態，粒徑小于5mm顆粒含量質量百分率大于30%，其中粒徑小于0.005mm顆粒含量質量百分率小于地震設防烈度的界限值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判。

2.2.1 標準貫入試驗法

根據《水利水電工程地質勘察規范》，采用公式計算臨界標貫擊數值。計算及判別結果見表1。

2.2.2 相對密度法

根據《水利水電工程地質勘察規范》，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。判別結果見表2。

從表1、表2判別結果看，主壩上游壩殼砂多屬松散—稍密狀態，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。

3 主壩上游壩殼抗震加固方案

門樓水庫死水位 20.5m，河底高程 13.0m，由于水庫向煙臺市區供水，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，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）

3.1 水下壩殼抗震加固方案

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合。

3.2 水上壩殼抗震加固方案

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個方案進行技術經濟比較，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、技術可行、施工質量易保證、工期短、投資略省。為確保工程加固質量，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。

4 工程設計

4.1 水下拋石壓重工程設計

本著施工方便、節省投資的原則，設計中擬定了若干個拋石壓重體斷面，并經抗震動力穩定分析，確定拋石壓重體為復式斷面，設二級平臺。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。壓重體設計孔隙率為25%，干容重為20kN/m3。

4.2 水下壩殼振沖加固設計

4.2.1 振沖加固范圍和深度

根據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范圍內位于水下，無法進行碾壓，設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 DL/T5214—2005《水電水利工程振沖法地基處理技術規范》，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、性能穩定的硬質材料。門樓水庫主壩上游壩殼由礫細砂—中砂組成，結構松散，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

振沖孔距根據單位體積所需填料數量初步計算擬定，結合工程試驗最終確定。根據計算結果，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

根據工程施工經驗，選擇75kW振沖器，型號為BJ75型。初擬施工工藝參數為：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。

4.3 水上壩殼翻壓加固設計

圖1 主壩上游壩殼抗震加固設計圖

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。經對2個壩殼料方案進行技術經濟比較，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 壩殼碾壓參數設計

根據本工程特點，壩殼碾壓采用機械化作業，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，若遇砂料內夾有淤泥或大的石塊應全部清除。施工前應通過現場試驗確定其最優含水量、鋪土厚度及碾壓遍數，并根據試驗情況進行適當調整，使其達到設計的相對密度值。

主壩壩殼加固設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值圖

5 工程施工

5.1 拋石壓重工程施工

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，按設計斷面尺寸分別從左、右岸拋投。為保證施工質量，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，檢測結果均達到了設計要求。

5.2 壩殼振沖工程施工

工程施工前，根據壩殼地質情況分四個區進行了振沖試驗。按照試驗結果確定振沖施工參數如下：樁距 1.5m，排距 1.5m，填料方式為連續填料，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，滿足設計要求。

5.3 壩殼碾壓工程施工

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、碾壓遍數為 4～5遍，灑水量視填土含水量隨時進行調整，經測試相對密度均達到了0.75以上。

6 結語

門樓水庫除險加固工程已經通過了竣工驗收。經檢測，主壩上游壩殼加固質量完全達到了設計要求。從施工到運行情況看，設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，既節省了投資，縮短了工期，又保證了工程質量。