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        陡河水庫(kù)壩基抗震液化分析與治理

        2010-10-25 02:15:58孟文琦
        中國(guó)水利 2010年4期
        關(guān)鍵詞:主壩砂層壤土

        孟文琦

        (河北省唐山市陡河水庫(kù)管理處,063001,唐山)

        陡河水庫(kù)位于唐山市陡河上游,是河北省在新中國(guó)成立后興建的第一座大型水庫(kù)。1956年建成投入運(yùn)用后,經(jīng)歷了1970年續(xù)建、1976年震后修復(fù)、1989年工程加固建設(shè),2003年開(kāi)展了國(guó)家級(jí)水管單位的達(dá)標(biāo)建設(shè)。其后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)20年的運(yùn)行管理,目前已經(jīng)發(fā)展成具有防洪、供水等多種功能的大型水利樞紐工程。陡河水庫(kù)在主壩壩基抗震液化與治理方面所積累的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)可為類(lèi)似水庫(kù)壩基抗震液化治理提供參考。

        一、陡河水庫(kù)壩基地質(zhì)概況

        1.壩基工程地質(zhì)概況

        陡河水庫(kù)大壩坐落在砂層地基上,大壩全長(zhǎng) 7 364 m,其中主壩長(zhǎng)1 700 m,位于河床一級(jí)臺(tái)地上;副壩長(zhǎng)5 664 m,位于二級(jí)臺(tái)地上。主壩地基普遍分布有輕壤土,地基表面高程25.0~26.0 m, 下有4.0~5.0 m輕壤土,再下為細(xì)砂層。

        2.壩基砂土層特點(diǎn)

        (1)壩基砂層埋藏淺

        陡河水庫(kù)0+167壩段地基輕壤土層厚4.0~5.0 m,上覆黏土層僅1.0 m(不計(jì)壩坡厚度),0+300壩段橫剖面地基輕壤土層厚2.5 m,上覆黏土層厚3.5 m(不計(jì)壩坡厚度)。主壩段表層黏土層最厚為7 m。0+167壩段液化層上覆土厚度最小,抗液化能力最低,地震后加劇了輕壤土和砂層的液化破壞程度,引發(fā)了下游壩體滑坡。因此易液化土層埋藏的深淺是造成主壩各段液化震害差異的一個(gè)重要原因。

        (2)壩基砂層分布厚而廣

        陡河水庫(kù)一級(jí)臺(tái)地表層土下部為厚度約20m的中細(xì)砂,分布極為廣泛,與河槽漫灘及二級(jí)臺(tái)地下部的砂層相連通,其下為黏性土與中細(xì)砂呈互層分布。易液化土層排水條件不良,孔隙水不易消散,因而會(huì)促進(jìn)液化的發(fā)展,延長(zhǎng)液化的持續(xù)時(shí)間,加劇震害程度。

        (3)壩基砂土層抗震液化強(qiáng)度低

        陡河水庫(kù)壩基輕壤土(或砂壤土)抗地震液化強(qiáng)度低,且主壩段輕壤土層位于地下水水位以下,處于飽和狀態(tài)。其飽和含水量與液限含水量之比大于0.9,液性指數(shù)大于0.75;塑性指數(shù)大于3。按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(SDJ 10—78)規(guī)定的對(duì)飽和少黏性土判別指標(biāo),認(rèn)為輕壤土層地基在地震時(shí)易發(fā)生液化。

        二、壩基砂土的液化判別試驗(yàn)

        1.采用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)判別

        按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—99)規(guī)定,飽和砂或飽和少黏性土的N63.5值小于按公式算出的液化臨界擊數(shù)Ncr時(shí),可判為液化土。

        根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)液化判別臨界值公式:

        式中,N0為液化判別標(biāo)貫擊數(shù)基準(zhǔn)值;d0為標(biāo)貫點(diǎn)在地面下的深度(m);dw為工程正常運(yùn)用時(shí),地下水水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度(m),當(dāng)?shù)孛嫜蜎](méi)于水面以下時(shí),dw取 0;ρc代表土的黏粒含量百分率(%),當(dāng)其小于3時(shí),取3。核算陡河水庫(kù)壩基砂層頂部標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)臨界值,見(jiàn)表1。

        表1 壩基砂層頂部標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)臨界值

        1976年震后對(duì)樁號(hào) 0+350、0+500、0+700、0+900 壩軸線(xiàn)位置壩基砂土頂層所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)所得錘擊數(shù)分別為 19、13、40、15。 由此推斷壩基砂土發(fā)生7度地震時(shí)不發(fā)生液化;當(dāng)發(fā)生8度地震時(shí),部分壩段壩基砂層開(kāi)始液化;當(dāng)發(fā)生9度以上地震時(shí),壩基淺部砂土基本全部液化。

        2.估算輕壤土層及砂層液化的可能性

        可通過(guò)兩公式估算。

        等效地震水平剪應(yīng)力:

        相應(yīng)的抗震剪應(yīng)力:

        式中,σy為地基中某點(diǎn)水平面上的垂直壓力,假定等于該處單位面積上部土柱的重量為與σy相應(yīng)的垂直有效壓力,假定等于該處單位面積上部土柱的有效重量(浸潤(rùn)線(xiàn)以下采用土的浮容重);αmax為地面最大地震加速度(9度地震采用0.4 g,8度地震采用0.2 g,7度地震采用 0.1 g);(△τf/)cr為根據(jù)土層三軸震動(dòng)試驗(yàn)資料求得發(fā)生液化時(shí)的震動(dòng)剪應(yīng)力比,取cr為40次。

        若τc大于τsc則表示土層在地震時(shí)會(huì)液化破壞;若τc小于τsc則表示不致液化破壞。

        計(jì)算結(jié)果表明:壩基輕壤土(或砂壤土)在地震烈度7度時(shí),就有開(kāi)始破壞的可能性,在8度及其以上時(shí)地表下砂壤土全部液化及地表下10 m范圍內(nèi)中細(xì)砂層開(kāi)始液化。飽和輕壤土(或砂壤土)抗震穩(wěn)定性最差,是引起地基液化破壞的主要土層。

        3.利用有限單元法計(jì)算地基液化的發(fā)展范圍

        有限單元法計(jì)算結(jié)果表明:①地震烈度越高,地基液化的范圍越大,發(fā)展的速度也越快。②地基液化的發(fā)展都是先從壩趾開(kāi)始,然后向內(nèi)部和深度發(fā)展。在7度地震時(shí)土壩中間部分的地基完好無(wú)液化;8度地震時(shí)地基液化速度及范圍迅速擴(kuò)大,在相當(dāng)于20次“等效振動(dòng)”時(shí)即全部液化;9度地震時(shí)地基則經(jīng)不住一次“等效振動(dòng)”即全部液化。

        三、震后壩基抗液化治理措施

        1.震后修復(fù)

        1976年,對(duì)河床段壩基采用反濾排水加圍封,對(duì)一級(jí)臺(tái)地段安設(shè)排水暗管及減壓井,培厚下游壩坡16 m。反濾排水加圍封處理范圍在地基高程24.4~24.8 m處,設(shè)置排水褥墊,并設(shè)砂坑,砂坑間距5.0 m,直徑2.0 m,深2.0 m。砂坑中靠坑壁和坑底處回填細(xì)砂,中部回填粗砂,填好砂坑后鋪設(shè)砂褥墊。底部和上部是厚0.2 m的細(xì)砂,中間是厚0.4的粗砂,褥墊以1/100坡度將液化層排出的孔隙水引向下游堆石排水棱體。堆石棱體不但起排水作用,同時(shí)起到圍封作用,可將高程21.0 m以上的輕壤土堵住,防止遇8度地震時(shí)砂土液化流失。

        一級(jí)臺(tái)地排水暗管分為縱向管與橫向管。縱向管沿舊壩腳布設(shè),總長(zhǎng)2 147 m,橫向管垂直于縱向管,通到壩后排水溝,共12條,總長(zhǎng)380 m。

        下游壩腳設(shè)減壓井一排,井深25 m,每200 m一個(gè),設(shè)在與排水暗管縱、橫向管交接部位,目的是減輕壩后滲水壓力,防止砂層隨滲水流失。

        2.提高保壩標(biāo)準(zhǔn)

        陡河水庫(kù)1976年震后修復(fù)時(shí)只把土壩恢復(fù)到41.0 m高程,未能按設(shè)計(jì)44.0 m高程實(shí)施,防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低,1978年被水電部列為全國(guó)43座重點(diǎn)病險(xiǎn)水庫(kù)之一。1989年提高保壩標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),土壩加高3 m。首先對(duì)1970年震后修建的壩體回填質(zhì)量在不同的斷面鉆孔取樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn),其結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此加高前僅將表層土清除,選與原壩料相同的土料進(jìn)行壩體加高填筑。土方施工基本機(jī)械化,在土方填筑碾壓后采用核子密度儀進(jìn)行質(zhì)檢。經(jīng)檢驗(yàn),土壩碾壓干容重控制點(diǎn)1 159個(gè),干容重皆遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)干容重1.75 t/m3的要求。

        3.國(guó)家級(jí)水管單位標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

        2003年開(kāi)展國(guó)家級(jí)水管單位標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)后,開(kāi)始對(duì)陡河水庫(kù)壩體護(hù)坡及下游排水系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。2003—2006年,先后完成河床段、一級(jí)臺(tái)地段排水溝護(hù)坡、主壩段下游壩體護(hù)坡表層砌石及其內(nèi)部反濾層的更新改造。改造工程于每年的主汛來(lái)臨前完成。首先清除原有護(hù)坡(或壩坡)表層砌石及下部失效反濾料至護(hù)坡(或壩坡)土面;然后按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》《碾壓式土石壩施工規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范的要求,在土面以上依次鋪設(shè)等效粒徑為O95的反濾土工布、5 cm厚的寸碴;最后選用厚25 cm、塊徑30 cm的質(zhì)地堅(jiān)硬、不易風(fēng)化的新鮮塊石進(jìn)行表層壓蓋砌筑。另外對(duì)排水溝的底部及下游壩坡的反濾土工布下增設(shè)厚5 cm的砂層,以增加其反濾滲水、避免土粒流失的保護(hù)功效。

        四、陡河水庫(kù)壩基抗震安全評(píng)價(jià)

        1.壩基砂層內(nèi)部孔隙水壓力有效釋放

        陡河水庫(kù)主壩段壩基砂層采用反濾排水加圍封及一級(jí)臺(tái)地設(shè)減壓井的方法,有效地減輕了壩基內(nèi)部砂層的孔隙水壓力,及時(shí)排出砂層滲水。近年先后完成了下游壩體反濾護(hù)坡、一級(jí)臺(tái)地排水溝、三角堰的反濾層更新改造建設(shè),進(jìn)一步提高了壩體壩基排水效果,使壩基砂層內(nèi)部孔隙水壓力得到有效釋放。

        2.壩基砂層密實(shí)度有了顯著增加

        陡河水庫(kù)壩基下砂層頂部埋藏深度為5~10m,建庫(kù)前所作的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)為10~20擊,相應(yīng)的相對(duì)密度Dr為0.6~0.75,其密實(shí)度屬中密上限或密實(shí)下限。遇到9~10度地震,仍將發(fā)生液化。對(duì)建庫(kù)時(shí)與震后修復(fù)后在壩基砂層所作的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果進(jìn)行比對(duì),壩基砂層密實(shí)度有了顯著的提高。

        3.正常蓄水位下壩基滲流逐年下降

        增加壩基砂土層的上覆有效壓力,再加以設(shè)置排水措施,加速輕壤土的排水固結(jié)。2002年中國(guó)水利水電科學(xué)研究院對(duì)陡河水庫(kù)壩基壩體滲流穩(wěn)定分析結(jié)果顯示壩基滲流在正常蓄水位下呈下降趨勢(shì)。

        4.壩基砂層抗液化能力得到明顯增強(qiáng)

        陡河水庫(kù)經(jīng)震后修復(fù)及提高保壩標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),大壩加高3m,壩體向下游培厚16m,在提高可液化砂層的埋藏深度的同時(shí),有利于加速輕壤土的排水固結(jié),增加土壤密實(shí)度,提高砂土的抗液化能力,從而提高其抗震能力。

        [1]水利電力部水利調(diào)度研究所.唐山地震陡河水庫(kù)土壩地基破壞土層三軸振動(dòng)試驗(yàn)報(bào)告[R].1976.

        [2]李志云.關(guān)于陡河水庫(kù)主壩地基液化問(wèn)題的探討[J].河北水利水電技術(shù),1998(4).

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