淺談崔賀莊水庫大壩地震液化處理

侯中元滕紅梅王 娟紀 偉杜 蓓

（1.江蘇省徐州市水利建筑設計研究院 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境內，廢黃河北側堰下，主壩3400m，副壩3300m，是一座以滯洪、分洪為主，結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，設計洪水位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 現狀大壩地震動力安全性分析

2.1典型斷面選擇

典型剖面的選擇主要根據壩高和壩基地質條件進行，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典型剖面，分別為：1+900（主壩）和 6+200（副壩）。

2.2計算方法和計算參數

2.2.1計算方法

壩體應力應變計算采用二維有效應力法和相應的EFESD程序進行。要點是先按Biot固結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變、應力和孔隙水壓力分布，然后假定某一時刻發生地震，把地震持續時間分成10個時段，對每一時段先進行動力分析，其動力方程采用wilsonθ的逐步積分法求解，積分步長為0.01s，每一時段結束后，求出各點的加速度和動應力、動應變，并用經驗公式求得殘余應變增量和剪應變增量，把上述這些應變增量作為初應變，然后按Biot固結理論進行一次靜力計算，得出變形和孔隙水壓力的發展，再轉入下一時段的動力計算分析，如此反復進行直到地震結束。

2.2.2計算參數

該工程計算參數的土工試驗是由南京水利科學研究院試驗完成的。通過對計算選所截取的兩個斷面的①-1層素填土、②層粉土的c、φ、Rf、K、n等5個靜力計算參數以及主壩 1+900斷面②層粉土的 k1、k2、λmax、c1、c2、c3、c4、c5等 8個動力計算參數，根據上述試驗確定，對計算模型涉及到的其他參數，則結合現場密度試驗和靜力觸探資料根據工程類比法確定。

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計算工況

崔賀莊水庫計算工況為正常蓄水位34.50m下發生7°地震。動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°，將其最大加速度調整到1.0m/s2。計算時只考慮水平方向的地震波作用。

2.2.4大壩動力特性

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

2.2.5壩坡動力穩定計算分析

動力穩定計算分析是研究壩體在發生地震情況下壩坡的穩定性，計算方法采用有效應力法，壩坡動力穩定分析所采用的強度指標如表1~4所示。

圖1~2給出了主壩1+900和副壩6+200兩個斷面上、下壩坡動力穩定分析的結果。表5給出了采用Bishop法計算求得的上、下游壩坡的抗滑穩定安全系數。

由表5可見，靜力情況下兩個斷面的上游壩坡其抗滑安全系數小于1.30，不滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）規定的要求，而下游壩坡具有較高的安全儲備，滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）規定的要求；當發生7°地震時，兩個斷面的上游壩坡將可能失穩破壞，而下游壩坡的抗滑安全系數在動力情況下仍滿足《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）規定的要求，具有較高的安全儲備，地震時不會發生滑坡破壞。

表5 壩坡抗滑穩定安全系數

3 大壩抗震加固方案比選

根據大壩動力穩定計算結果，主壩斷面1+900處上游壩坡在動力作用下的抗滑安全系數不滿足規范要求，必須進行加固。加固方案以混凝土連續墻圍封、振沖碎石樁和拋石壓重等3種方案進行比選。

3.1混凝土連續墻圍封方案

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。

優點：具有良好的連續性和完整性，由于混凝土墻先成槽，后澆筑，施工質量有保證；適應變形能力強，可在狹窄場地條件下施工，對附近地面交通影響較小。缺點：該方案施工工藝復雜，施工速度慢；技術要求高，施工質量難以控制，須專業施工隊伍施工；在上游壩腳外仍舊產生較大的超孔隙水壓力，壩基存在液化的可能；工程投資相對較高。

3.2振沖碎石樁方案

將壩基液化區范圍內土層進行振沖加固，在大壩迎水面壩腳向外打設5排碎石樁，在上游壩坡向上設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。

優點：采用振沖碎石樁加固地基后，由于碎石滲透系數較大，地震產生的孔隙水壓力迅速消散，液化區域僅限于壩腳12m外，效果顯著。缺點：振沖法對施工場地要求較高，必須將水庫中的水放空或在水庫上游構筑臨時圍堰并平整場地后方可施工；由于粉土顆粒較細，容易產生寬廣的流態區；振沖加固對振沖電流、滯振時間、填料方式及提升速度均需嚴格控制，須專業施工隊伍施工，技術要求高；土方開挖、回填量大，對現狀壩身結構破壞較大，有一定風險性；投資較高。

3.3拋石壓重方案

采用拋石對上游壩腳進行壓重處理，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。

優點：在上游坡腳處拋石壓重后，液化區域僅限于壩腳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；施工工藝簡單，一般施工隊均可滿足工藝要求；投資最省。缺點：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 結論與建議

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

建議在水庫除險加固時，如遇到地震液化的類似情況，在經過動力分析計算情況下，可優先考慮壩腳、壩坡采用拋石壓重方案進行處理，既達到消液化效果，又能節省工程投資■