淺談崔賀莊水庫大壩地震液化處理

侯中元滕紅梅王 娟紀(jì) 偉杜 蓓

（1.江蘇省徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 徐州 2210002.徐州市藺家壩船閘管理所 徐州 221000）

1 工程概況

崔賀莊水庫地處銅山縣伊莊鎮(zhèn)境內(nèi)，廢黃河北側(cè)堰下，主壩3400m，副壩3300m，是一座以滯洪、分洪為主，結(jié)合蓄水灌溉的中型平原水庫，總庫容3549萬m3，興利庫容2341萬m3，設(shè)計(jì)洪水位34.34m，興利水位33.5m，汛限水位32.5m，死水位29.00m。

水庫大壩分主壩和副壩，主壩長3400m，壩頂高程37.00m，壩頂寬6m；副壩為廢黃河北堰，壩長3300m，壩頂高程在37.80～36.60m之間，壩頂寬6～20m。

2 現(xiàn)狀大壩地震動(dòng)力安全性分析

2.1典型斷面選擇

典型剖面的選擇主要根據(jù)壩高和壩基地質(zhì)條件進(jìn)行，以選擇最不利的斷面為原則，一方面考慮壩體高度較大的剖面，并兼顧圍壩不同壩段，另一方面考慮地基液化土層較厚的剖面。崔賀莊水庫選取了兩個(gè)典型剖面，分別為：1+900（主壩）和 6+200（副壩）。

2.2計(jì)算方法和計(jì)算參數(shù)

2.2.1計(jì)算方法

壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算采用二維有效應(yīng)力法和相應(yīng)的EFESD程序進(jìn)行。要點(diǎn)是先按Biot固結(jié)理論模擬初期壩施工填筑以及蓄水過程，得出正常蓄水位工況下壩基和壩體的應(yīng)變、應(yīng)力和孔隙水壓力分布，然后假定某一時(shí)刻發(fā)生地震，把地震持續(xù)時(shí)間分成10個(gè)時(shí)段，對(duì)每一時(shí)段先進(jìn)行動(dòng)力分析，其動(dòng)力方程采用wilsonθ的逐步積分法求解，積分步長為0.01s，每一時(shí)段結(jié)束后，求出各點(diǎn)的加速度和動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變，并用經(jīng)驗(yàn)公式求得殘余應(yīng)變?cè)隽亢图魬?yīng)變?cè)隽浚焉鲜鲞@些應(yīng)變?cè)隽孔鳛槌鯌?yīng)變，然后按Biot固結(jié)理論進(jìn)行一次靜力計(jì)算，得出變形和孔隙水壓力的發(fā)展，再轉(zhuǎn)入下一時(shí)段的動(dòng)力計(jì)算分析，如此反復(fù)進(jìn)行直到地震結(jié)束。

2.2.2計(jì)算參數(shù)

該工程計(jì)算參數(shù)的土工試驗(yàn)是由南京水利科學(xué)研究院試驗(yàn)完成的。通過對(duì)計(jì)算選所截取的兩個(gè)斷面的①-1層素填土、②層粉土的c、φ、Rf、K、n等5個(gè)靜力計(jì)算參數(shù)以及主壩 1+900斷面②層粉土的 k1、k2、λmax、c1、c2、c3、c4、c5等 8個(gè)動(dòng)力計(jì)算參數(shù)，根據(jù)上述試驗(yàn)確定，對(duì)計(jì)算模型涉及到的其他參數(shù)，則結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)密度試驗(yàn)和靜力觸探資料根據(jù)工程類比法確定。

表1 崔賀莊水庫主壩1+900

表2 崔賀莊水庫主壩1+900

表3 崔賀莊水庫副壩6+200

表4 崔賀莊水庫副壩6+200

2.2.3計(jì)算工況

崔賀莊水庫計(jì)算工況為正常蓄水位34.50m下發(fā)生7°地震。動(dòng)力分析中輸入地震波仍采用唐山遷安余震所記錄的加速度曲線。由于壩址地震烈度為7°，將其最大加速度調(diào)整到1.0m/s2。計(jì)算時(shí)只考慮水平方向的地震波作用。

2.2.4大壩動(dòng)力特性

主壩1+900斷面在上游壩腳均存在較高的靜孔隙水壓力和超靜孔隙水壓力，由于上覆有效荷重較小，上游壩基粉土存在液化的可能性；而副壩6+200斷面壩體內(nèi)靜孔隙水壓力和超靜孔隙水壓力均較小，不存在液化的可能性。

主壩1+900指向上游側(cè)的最大永久水平位移為6.7cm，指向下游側(cè)的最大水平位移為5.3cm，最大永久沉降發(fā)生在壩頂，其值為7.8cm；副壩6+200指向上游側(cè)的最大永久水平位移為4.3cm，指向下游側(cè)的最大水平位移為2.7cm，最大永久沉降為6.4cm。

2.2.5壩坡動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算分析

動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算分析是研究壩體在發(fā)生地震情況下壩坡的穩(wěn)定性，計(jì)算方法采用有效應(yīng)力法，壩坡動(dòng)力穩(wěn)定分析所采用的強(qiáng)度指標(biāo)如表1~4所示。

圖1~2給出了主壩1+900和副壩6+200兩個(gè)斷面上、下壩坡動(dòng)力穩(wěn)定分析的結(jié)果。表5給出了采用Bishop法計(jì)算求得的上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

由表5可見，靜力情況下兩個(gè)斷面的上游壩坡其抗滑安全系數(shù)小于1.30，不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定的要求，而下游壩坡具有較高的安全儲(chǔ)備，滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定的要求；當(dāng)發(fā)生7°地震時(shí)，兩個(gè)斷面的上游壩坡將可能失穩(wěn)破壞，而下游壩坡的抗滑安全系數(shù)在動(dòng)力情況下仍滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）規(guī)定的要求，具有較高的安全儲(chǔ)備，地震時(shí)不會(huì)發(fā)生滑坡破壞。

表5 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

3 大壩抗震加固方案比選

根據(jù)大壩動(dòng)力穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，主壩斷面1+900處上游壩坡在動(dòng)力作用下的抗滑安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，必須進(jìn)行加固。加固方案以混凝土連續(xù)墻圍封、振沖碎石樁和拋石壓重等3種方案進(jìn)行比選。

3.1混凝土連續(xù)墻圍封方案

為解決壩基液化問題，沿大壩方向在上游壩腳外打一道塑性混凝土連續(xù)墻，以圍封液化地基，墻的底部嵌入壩基粉砂土層以下1m，墻底高程23.8m，墻厚0.8m。

優(yōu)點(diǎn)：具有良好的連續(xù)性和完整性，由于混凝土墻先成槽，后澆筑，施工質(zhì)量有保證；適應(yīng)變形能力強(qiáng)，可在狹窄場(chǎng)地條件下施工，對(duì)附近地面交通影響較小。缺點(diǎn)：該方案施工工藝復(fù)雜，施工速度慢；技術(shù)要求高，施工質(zhì)量難以控制，須專業(yè)施工隊(duì)伍施工；在上游壩腳外仍舊產(chǎn)生較大的超孔隙水壓力，壩基存在液化的可能；工程投資相對(duì)較高。

3.2振沖碎石樁方案

將壩基液化區(qū)范圍內(nèi)土層進(jìn)行振沖加固，在大壩迎水面壩腳向外打設(shè)5排碎石樁，在上游壩坡向上設(shè)3排碎石樁。樁徑100cm，樁距2.5m，呈正三角形布置，振沖垂直深度平均為7m左右。

優(yōu)點(diǎn)：采用振沖碎石樁加固地基后，由于碎石滲透系數(shù)較大，地震產(chǎn)生的孔隙水壓力迅速消散，液化區(qū)域僅限于壩腳12m外，效果顯著。缺點(diǎn)：振沖法對(duì)施工場(chǎng)地要求較高，必須將水庫中的水放空或在水庫上游構(gòu)筑臨時(shí)圍堰并平整場(chǎng)地后方可施工；由于粉土顆粒較細(xì)，容易產(chǎn)生寬廣的流態(tài)區(qū)；振沖加固對(duì)振沖電流、滯振時(shí)間、填料方式及提升速度均需嚴(yán)格控制，須專業(yè)施工隊(duì)伍施工，技術(shù)要求高；土方開挖、回填量大，對(duì)現(xiàn)狀壩身結(jié)構(gòu)破壞較大，有一定風(fēng)險(xiǎn)性；投資較高。

3.3拋石壓重方案

采用拋石對(duì)上游壩腳進(jìn)行壓重處理，迎水面采用堆石壓重，壓重范圍為：距壩腳向外12m，拋石平均厚2.1m，迎水面邊坡1∶2。

優(yōu)點(diǎn)：在上游坡腳處拋石壓重后，液化區(qū)域僅限于壩腳10m以外，效果顯著；拋石壓重可有效增加抗滑力，從而增加上游壩坡的抗滑安全系數(shù)；施工工藝簡單，一般施工隊(duì)均可滿足工藝要求；投資最省。缺點(diǎn)：大壩上游壩坡、壩腳拋石壓重，在一定程度上減少了少量庫容。

4 結(jié)論與建議

通過大壩動(dòng)力分析計(jì)算結(jié)果以及3種消液化方案比較，最終采用施工相對(duì)便利、投資節(jié)省且效果最為顯著的拋石壓重方案。

建議在水庫除險(xiǎn)加固時(shí)，如遇到地震液化的類似情況，在經(jīng)過動(dòng)力分析計(jì)算情況下，可優(yōu)先考慮壩腳、壩坡采用拋石壓重方案進(jìn)行處理，既達(dá)到消液化效果，又能節(jié)省工程投資■