壩基地震液化土層處理設計

王仲良

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壩基地震液化土層處理設計

王仲良

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

攔河壩是水庫的重要建筑物，其基礎的處理直接關系壩體的安全與穩定。根據地質條件和壩體結構，對比了換填法、強夯法和砂樁擠密法等不同處理方法的設計方案，并進行了經濟、施工、社會環境等方面的比選，確定壩基地震液化土層采用換填法處理。

水庫；地震液化；換填法；攔河壩

1 概況

本工程水庫位于河北省北部山區，庫容6.05×107m3，屬中型水庫，工程等級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級建筑物，采用土質心墻壩，壩頂長度690 m，最大壩高43.2 m。

1.1 地形地質條件

壩址區為中山寬谷河流地貌，呈不對稱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，右岸側為一級階地，為居住區。

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風化凝灰巖和凝灰質角礫巖，強風化凝灰巖最大厚度約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，相對高差140～240 m。巖性為凝灰質角礫巖，表層為強風化，巖體完整性較好但強度較差，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，下伏凝灰質流紋巖和凝灰質角礫巖。

河床右側（壩0+450～0+610，起始樁號位于左岸）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；卵石級配不良，但呈密實狀態。

1.2 壩體結構

攔河壩為土質心墻壩，壩體采用土質心墻防滲，壩殼采用料場砂礫料和工程開挖料填筑。攔河壩壩頂高程952.2 m，最大壩高43.2 m；壩頂長690.0 m，寬7.0 m，采用厚8 cm的瀝青混凝土路面。壩頂上游側設高出壩頂1.2 m的混凝土防浪墻，墻頂高程953.4 m；壩頂下游側設混凝土路緣石。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、下游壩坡均設有馬道，上游壩坡在高程920.2 m、932.2 m各設一級馬道，下游壩坡在高程932.2 m設一級馬道，馬道均寬2 m。攔河壩上游壩面為厚45 cm的干砌石護坡，下設厚度40 cm的碎石墊層；下游壩坡為厚30 cm的干砌石護坡，下設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挖石碴。采用土質心墻防滲，心墻頂高程950.2 m，頂寬5.0 m，兩側坡比1∶0.2，最大底寬21.48 m；心墻上、下游側均設厚3.0 m的雙層反濾。下游壩腳設排水棱體，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 地震液化處理設計

工程區地震動峰值加速度為0.10 g，相當于地震基本烈度Ⅶ度區，抗震設防類別為丙類，攔河壩地震設計烈度為7度，壩基砂壤土遇地震土體體積縮小，有效應力減小，使土體抗剪強度迅速減小或喪失，影響壩體穩定，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。根據地質條件，擬采用換填法、強夯法和砂樁擠密法進行比較。

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，需要挖除壩體占壓范圍內的液化土層。根據地質條件，確定開挖至砂礫層和基巖，砂礫層高程907.0 m，基巖高程907.0～911.0 m，上游壩坡開挖寬度115.5 m，下游壩坡開挖寬度90.5 m，總寬度213.0 m，處理長度160.0 m。開挖部分按壩體結構填筑，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.25，上、下游壩坡均設干砌石和碎石墊層。上游壩殼填筑砂礫料，下游壩殼913.5以上填筑開挖料，以下填筑砂礫料，壩殼料壓實后相對密度不小于0.75；土質心墻底高程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，心墻防滲土壓實度不小于0.98，反濾料壓實后相對密度不小于0.75.根據結構設計，此方案主要工程量及直接費用如表1所示。

表1 不同處理方案主要工程量及直接費用表

項目換填法強夯法擠密法 土方開挖/m3439 500101 280 干砌石護坡/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/萬元2 2351 31013 235

2.1.2 強夯法

強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的狀態，產生壓實效應。根據工程經驗，強夯法處理深度在10 m左右。考慮到壩體占壓范圍內液化土層厚度較大，為了保證夯實效果，本次設計挖除2～8 m的砂壤土，開挖后底高程為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160 m。強夯范圍向四周外延5 m，總面積33 490 m2，單位夯擊能2 000 kN·m，滿夯2次。開挖部分按相應高程位置壩體結構及填筑標準，填筑壩殼砂礫料和土質心墻等。本方法實際為換填法與強夯法相結合的一種處理方法，主要工程量及直接費用如表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法向土中沉入樁管，然后邊拔管邊灌砂邊振動，形成一系列砂樁，使周圍土層產生振密作用，處理深度可達20 m。振沖碎石樁的實施高程為915.0～922.0 m。壩體上游壩坡占壓72.5～92.0 m，下游壩坡占壓寬度65.0～81.0 m，總寬144.5～180.0 m，長度160.0 m；擠密樁處理范圍為壩體占壓輪廓外延5 m，樁徑40 cm，正方形布置，孔距80 cm，樁端到達砂卵石層或基巖，處理后砂壤土層將成為復合地層，承載力及抗震性將明顯提高，此方案主要工程量及直接費用如表1所示。

注意：開挖、填筑比選基準面為河床清基2 m后壩基面。 由表1可知，砂樁擠密法直接費遠高于換填法和強夯法，換填法處理方案投資較強夯法方案多925萬左右，但換填法按壩體結構填筑壩殼砂礫料和土質心墻等，可與壩體施工同步進行，施工方法簡單，施工質量可靠度高，工期較短；同時，壩址下游600 m處為村莊，強夯對周邊環境及居民生活影響較大，實施過程中施工阻力和社會穩定風險將比較大，因此，本階段采用換填法對具地震液化性壩基砂壤土進行處理。

2.2 處理方案

根據地質勘探成果，對于河床右岸壩0+450～0+610、壩軸線上游119.0 m、下游94.0 m范圍內分布的砂壤土，本次設計將其挖除，然后按照壩體分區及結構尺寸，換填黏性土心墻、反濾料和壩殼砂礫料，心墻壓實度不小于0.98，反濾料及壩殼料壓實后相對密度不小于0.75，同時鋪設碎石墊層，砌筑護坡。

3 結束語

地震液化處理方法受地質條件、施工、投資、社會因素等多方面影響。為了確保工程順利實施，本工程采用投資較少、施工簡單、質量可靠、社會穩定風險小的換填法處理壩基地震液化土層。

［1］中華人民共和國水利部.SL 274—2001 碾壓式土石壩設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2002.

［2］索麗生，劉寧.水工設計手冊·土石壩［M］.第二版.北京：中國水利水電出版社，2011.

［3］中國建筑科學研究院.JGJ 79—2002 建筑地基處理技術規范［S］.［出版社不詳］，2002.

［4］中華人民共和國水利部.SL 228—2013 混凝土面板堆石壩設計規范［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〕