基于三臺子水庫壩體結構設計及地震效應下砂土液化探析

孔祥東

(遼寧興建工程項目管理有限公司,沈陽 110032)

1 概 述

三臺子水庫位于沈陽市康平縣東關鎮三臺子村西，壩址在遼河一級支流李家河的上游。壩址以上集水面積143km2，總庫容4500×104m3，是一座以防洪為主、兼有灌溉、水產養殖和旅游功能的中型水庫。樞紐建筑物包括：主壩長度4120m，副壩長度900m，南輸水泄洪洞1.5m×1.5m×2孔，北輸水泄洪洞1.5m×1.5m×3孔。三臺子水庫在遼河一級支流李家河上游，壩址位于E123°21′，N42°38′。河道長21km。平均比降3.6‰。庫區為低山丘陵區，南部山勢較陡，分水嶺最高點高程342.5m。區內植被較多，其它地勢較緩。

三臺子水庫位于康平縣三臺子村西，是一座中型水庫，庫存水量受大氣降水影響較大。該水庫主要用于防洪、灌溉等。該水庫大壩為均質土壩，壩長約4120m，高7m，現狀壩頂寬3.5m，最大庫容量4500萬m3。根據設計要求，沿壩頂中心線共布勘探孔15個，孔間距250-300m，總共完成鉆探進尺205.2m，取原狀土樣52件，攪動土樣7件。標準貫入試驗19次[1]。

2 地質情況

三臺子水庫位于山間沖積-洪積的第四系沉積物(QP3)上，下伏地層為白堊系泉頭組泥巖、砂巖(K2Q)。大壩坐落在第四系沉積物上，庫區周邊地勢較為開闊。

2.1 壩體工程質量情況

根據鉆孔揭露可知，土壩主要為人工填土分層碾壓而成。

人工填土：以粉質黏土為主(上部為薄層碎石土)，呈黃褐色，稍濕-濕，稍密，呈可塑狀態，透水性差。 深度1.0-1.7m，滲透系數為1.65×10-6-2.80×10-6cm/s；深度5.0-7.0m，滲透系數為9.46×10-5-2.15×10-4cm/s。總厚度8.5-9.0m。物理、力學性質指標見表1。

2.2 壩基工程地質條件

根據鉆孔揭露，壩基土主要為粉砂和泥巖、砂巖。分述如下：

1)粉砂：呈黃色，松散-稍密，局部中密，濕-飽和，局部夾黃褐色可塑-硬塑粉土。粉砂顆粒均勻，偶見礫石，礦物以長石、石英為主。該層在大壩北側上部為黃色可塑粉土。透水性較差。

2)泥巖、砂巖：呈紫紅色、灰白色，為全風化-強風化狀態，大部分礦物已風化成土狀，原巖結構尚可辨別，用手可捏碎。砂巖被泥質、鈣質膠結，透水性較差，可視為不透水層。泥巖幾乎呈土狀，結構致密，透水性很差，可視為不透水層。該層在本次勘探中僅見于大壩兩端。

表1 壩體土物理、力學指標統計表

2.3 壩基水文地質條件

壩體土質為人工填土，主要由粉質黏土組成，其它雜質極少，滲透系數平均為3.62×10-6cm/s左右，最大值為4.5×10-6cm/s，滲透性較差，是較好的填土材料。

壩基主要為粉砂，滲透系數值最大為2.15×10-4cm/s，平均值為1.39×10-4cm/s。屬中等透水。大壩兩端壩基為全風化-強風化砂巖、泥巖，透水性很差。可以起到隔水作用[2]。

該區地下水為沖洪積物孔隙水，初見水位9.0m，穩定水位6.5m，具有一定的承壓性，穩定水位標高79.9m。通過原位測試得出了各層土的承載力值，各項指標見下表2：

表2 原位測試成果統計及土層承載力值表

3 壩體結構設計

3.1 壩頂高程的計算

主要建筑物的防洪標準見表3。

表3 主要建筑物防洪標準及相應水位

3.2 土壩壩頂高程

按照《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2001)規定，壩頂高程為水庫靜水位加壩頂超高，壩頂超高計算公式為：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風壅水面高度，m；A為安全加高，按規范規定：Ⅲ級建筑物正常運用情況下A=0.7m，非常運用情況下A=0.5m。

波浪爬高Rm按下式計算：

(2)

式中：Rm為波浪平均爬高值，m；K△為斜坡糙率滲透性系數；KW為經驗系數；m為斜坡坡度系數，取m=2.5；hm、Lm為波浪要素，平均波高和波長，按莆田試驗站公式計算hm、Lm值。

Tm=4.438hm0.5

(3)

式中：W為計算風速。非常運用條件下，采用多年平均年最大風速。W=V=12.6m/s；正常運用條件下，采用多年平均年最大風速的1.5倍；W=1.5V=18.9m/s；Tm為平均波周期；Hm為水域平均水深，m；D為吹程，由庫區地形圖量測， D=7000m。

風壅水面高度按下式計算：

(4)

式中：e為風壅水面高度，m；K為綜合摩阻系數；W為計算風速，m/s；D為從計算點作水域中線與對岸的交點到計算點的距離，m；β為風向與水域中線的夾角，°；設計爬高值取累積計概率P=1%的爬坡值：

R=2.08Rm

土壩壩頂高程計算成果見下表4。

表4 土壩壩頂高程計算成果表

壩頂高程按運用條件計算取其最大值，確定壩頂高程為85.78m。

4 壩基粉砂層在地震效應下砂土液化現象

根據GB50287-99水利水電工程地質規范液化判別標準貫入錘擊數臨界值計算公式如下：

(5)

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值。(按地震設防烈度7度近似取值)；ds為標準貫入點在地面以下的深度，m；dW為標準貫入試驗時，地下水位深度，m；ρC為飽和土黏粒含量百分率，ρC<3%，ρC取3%。

鉆孔標準貫入深度及實測貫入擊數見表5。

經計算得出：Ncr < N63.5

結果表明：壩基粉細砂層沒有發生砂土液化的可能，本地區地震基本裂度為Ⅵ度。壩體填土的擊實試驗采用RJS-1手動擊實儀，得出擊實曲線(圖略)，進而查得擊實性指標—最大干密度ρd和最優含水量Wo的值。

大壩由粉質黏土組成，呈可塑狀態，干密度為1.63-1.66 g/cm3，最優含水量Wo=19.6%。筑壩土的平均含水量22.42%，略>其最優含水量。其土質液性指數較小，抗剪強度高，壓縮性較低，滲透性弱，在水的浸泡下不易溶解、軟化或產生體積膨脹。壩體是較好的均質土[4]。

表5 鉆孔標準貫入深度及實測貫入擊數表

粉質黏土的滲透系數，采用變水頭滲透試驗方法，由公式：

KT=aL×ln﹙H1/H2﹚/AΔt、
Δt=t2-t1
K20=KTηT/η20

(5)

式中：KT為溫度為T℃時土的滲透系數,cm/s；a為變水頭管斷面積，cm2；L為試樣高度，cm；A為試樣斷面積，cm2；t2為結束時間，s；t1為開始時間，s；H為開始水頭；H2為結束水頭；ηT/η20為黏滯系數比；K20為標準溫度下滲透系數，cm/s。

粉砂的滲透系數，采用常水頭滲透試驗方法，由公式：

KT=QL/AHT
K20=KTηT/η2

(6)

式中：KT為溫度為T℃時土的滲透系數，cm/s；Q為時間在t秒內的滲出水量，cm3；L為兩側壓管中心間的距離，cm；A為試樣斷面積，cm2；H為平均水位差，cm；t為時間，s；K20為標準溫度下滲透系數，cm/s；ηT/η20為黏滯系數比。

5 結 語

由于壩體土質為人工填土，主要由粉質黏土組成，其它雜質極少，滲透系數平均為3.62×10-6cm/s左右，最大值為4.5×10-6cm/s，滲透性較差，是較好的填土材料[5]。

壩基主要為粉砂，滲透系數值最大為2.15×10-4cm/s，平均值為1.39×10-4cm/s。透水性較差。大壩兩端壩基為全風化-強風化砂巖、泥巖，透水性很差，故對壩基粉砂層在地震效應下砂土液化現象進行了分析。

[1]宮繼昌,王寧,葛明明,等.砂土液化判別的研究現狀及存在問題[J].吉林建筑工程學院學報，2010(03)：13-16.

[2]丁峰,劉月剛,邱象玉.液壓升降壩在城市河道中的選型設計[J].水利規劃與設計，2013(03)：59-61.

[3]王媛,姜樸,朱俊高,等.松粉砂地基地震后堤壩穩定性分析[J].水利學報，2000(11)：60-64，69.

[4]陶小林,秦江偉.地震作用下邊坡穩定預測方法的對比研究[J].水利規劃與設計，2007(05)：57-60.

[5]宋文搏.新疆下坂地水庫壩基砂土液化特性研究[D].西安：長安大學，2013