陳 曉 東

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 甘肅 蘭州 730000)

1 概 況

紅崖山水庫位于甘肅省河西走廊東北部武威市民勤縣境內(nèi)，石羊河6條主要支流匯集出山口下游尾閭，武威與民勤兩盆地過渡帶黑山與紅崖山山前谷地，屬于典型的沙漠與平原型水庫，規(guī)模位居亞洲前茅，南距武威市區(qū)60.0 km，北距民勤縣城 30.0 km。水庫樞紐始建于上世紀(jì)1958年，1959年開始蓄水，歷經(jīng)三期建設(shè)擴(kuò)建，已運(yùn)行半個(gè)多世紀(jì)，由東西擋水大壩，以及西壩左壩肩溢洪道、東壩左壩肩輸水洞與中部泄洪閘等泄洪輸水建筑物構(gòu)成，主要以農(nóng)田與生態(tài)林草灌溉為主，兼有生態(tài)補(bǔ)水、防洪、旅游及水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合功能，樞紐總平面布置見圖1。

圖1 水庫樞紐總平面布置示意

紅崖山水庫加高擴(kuò)建工程為全國“十三五”期間分步建設(shè)的172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一，主要任務(wù)是通過對庫區(qū)清淤及大壩加高擴(kuò)建，并結(jié)合防風(fēng)固沙林帶風(fēng)沙治理，增大總庫容與調(diào)蓄供水量，保障供水區(qū)各行業(yè)用水及青土湖生態(tài)補(bǔ)水，并對泄洪輸水建筑物改擴(kuò)建，提高安全運(yùn)行可靠度，南部浸沒區(qū)墊高防護(hù)。工程設(shè)計(jì)為Ⅱ等大(2)型規(guī)模，主要建筑物為2級(jí)，Ⅶ度抗震設(shè)防；庫區(qū)清淤總量670.0萬m3；東西大壩總壩長7.29 km，最大壩高17.1m；總庫容 1.48億m3；興利庫容9 030萬m3，多年調(diào)節(jié)運(yùn)用；年供水總量2.23億m3。

2 壩基與閘基工程地質(zhì)

水庫工程區(qū)50年基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率10%風(fēng)險(xiǎn)水平下的地震烈度為Ⅶ度，水平動(dòng)峰值加速度0.158 g，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.55 s，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。大壩壩基與泄洪閘閘基地下水位高，普遍埋深1.0～6.0 m，大部分處于飽和狀態(tài)。

2.1 東西大壩

東西大壩北端接黑山加里東期粗?；◢弾r體，東壩壩基及泄洪閘閘基為第四系(Q4alp)沖洪積細(xì)砂與中砂強(qiáng)透水層，厚約150.0～200.0 m，含有淤泥質(zhì)黏土透鏡體。西壩壩基表層為第四系(Q4alp)沖洪積細(xì)砂、中砂和含礫砂強(qiáng)透水層，厚1.0～8.0 m，下伏新近系(N2)砂巖與泥巖、加里東期粗粒花崗巖。

2.2 泄洪閘

閘基上部深6.1m為細(xì)砂層，其下為中砂層。細(xì)砂層垂直滲透系數(shù)0.88×10-5cm/s；飽和C=58.7 kPa、φ=18°12′、壓縮系數(shù)0.22 MPa-1、壓縮模量8.84 MPa。中砂層干密度1.80 g/cm3；自然休止角30°55′；垂直滲透系數(shù)10.88×10-2cm/s；臨界水力坡降1.12。含礫砂與中粗砂層允許承載力0.13～0.17 MPa，與混凝土摩擦系數(shù)0.45～0.55，內(nèi)摩擦角23.0°～27.0°，無凝聚力。

2.3 地基砂層液化問題研究

大壩及泄洪閘主要工程地質(zhì)問題為地基滲漏與滲透穩(wěn)定性，以及地震液化，東壩尤為突出。地基砂層液化問題分析研究對于準(zhǔn)確判定其液化層位、顆分特性、敏感性與危險(xiǎn)性，以及為地基液化處理設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐依據(jù)具有重要意義。其主要是通過深度大于20.0 m代表性鉆孔分層取樣多組顆分試驗(yàn)初判，以及鉆孔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法實(shí)測、修正錘擊數(shù)與液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值對比分析復(fù)判的技術(shù)路線和方法進(jìn)行分析研究。

2.3.1 顆分試驗(yàn)初判分析研究

東西大壩壩基與泄洪閘閘基顆分試驗(yàn)初判分析研究依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)的規(guī)定，當(dāng)砂土粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>30.0%時(shí)，可判為可能液化；對粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>30.0%的砂土，相應(yīng)于地震動(dòng)峰值加速度0.15 g，其中粒徑d<0.005 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc<17.0%時(shí)，可判為可能液化；地下水位以下的飽和砂土可判別為可能液化。

(1)東壩壩基。細(xì)砂層顆分試驗(yàn)顆粒粒徑d及其平均含量的質(zhì)量百分率ρc為無小于0.005 mm黏粒：0.005～0.075粉粒22.87%；0.075～0.25 mm砂粒50.52%；0.25～0.5 mm砂粒17.4%；0.5～2.0 mm砂粒0.01%～20.0%。以粒徑0.075～0.25 mm砂粒為主，有效粒徑d10=0.02～0.09 mm；不均勻系數(shù)Cu=2.15～5.99；孔隙率31.6%～37.4%。

中砂層顆分試驗(yàn)顆粒粒徑d及其平均含量的質(zhì)量百分率ρc為無小于0.005 mm黏粒：0.005～0.075粉粒5.19%；0.075～0.25 mm砂粒17.23%；0.25～0.5 mm砂粒45.06%；0.5～2.0 mm砂粒8.7%～23.3%。以粒徑0.075～0.5 mm砂粒為主，有效粒徑d10=0.1～0.15 mm；不均勻系數(shù)Cu=3.03～3.68。

壩基中下層呈飽和狀態(tài)，由顆分試驗(yàn)分析研究可知，細(xì)砂及中砂層粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>>30.0%，且相應(yīng)于地震動(dòng)峰值加速度0.15g無粒徑d<0.005 mm黏粒。由此，依據(jù)顆分試驗(yàn)分析研究初判東壩壩基細(xì)砂及中砂層為可能液化及其敏感層。

(2)西壩壩基。壩基顆分試驗(yàn)顆粒無粒徑d<0.005 mm黏粒，粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc=97.0%>>30.0%，同理，分析研究初判西壩壩基為可能液化及其敏感層。

(3)泄洪閘閘基。泄洪閘閘基顆分試驗(yàn)顆粒粒徑d及其平均含量的質(zhì)量百分率ρc分別為：細(xì)砂層粒徑小于0.005 mm黏粒13.4%、0.005～0.075 mm粉粒49.1%、其余為砂粒、曲率系數(shù)3.60、不均勻系數(shù)68.5；中砂層粒徑小于0.005 mm黏粒2.6%、0.25～2.0 mm砂粒84.5%、2.0～60.0 mm礫粒12.9%、曲率系數(shù)1.29、不均勻系數(shù)3.21。

閘基中下層呈飽和狀態(tài)，由顆分試驗(yàn)分析研究可知，細(xì)砂及中砂層粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>>30.0%，且相應(yīng)于地震動(dòng)峰值加速度0.15 g時(shí)，粒徑d<0.005 mm黏粒的質(zhì)量百分率ρc=(2.6%～13.4%)<17.0%。由此，依據(jù)顆分試驗(yàn)分析研究初判泄洪閘閘基細(xì)砂及中砂層為可能液化及其敏感層。

2.3.2 標(biāo)貫試驗(yàn)復(fù)判分析研究

東西大壩壩基與泄洪閘閘基鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)復(fù)判分析研究依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)的規(guī)定，大壩加高擴(kuò)建后地面以下深度ds處的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr，即N

(1)

式中N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，相應(yīng)于地震動(dòng)峰值加速度0.15 g時(shí)為近震8擊、遠(yuǎn)震10擊；

ds——標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)地面以下深度，m，小于5.0 m時(shí)取5.0 m；

dw——地下水埋深，m，當(dāng)?shù)孛姹谎蜎]時(shí)取0；

ρc——砂土黏粒含量質(zhì)量百分率，%，當(dāng)小于3.0%時(shí)取3.0%。

東壩中南部長約4.0 km，且包含高壩體壩段壩基及泄洪閘閘基的8個(gè)代表性鉆孔內(nèi)標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測錘擊數(shù)N′值在3～22擊間，西壩壩基兩個(gè)代表性鉆孔內(nèi)標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測錘擊數(shù)N′為13擊與9擊，大壩加高擴(kuò)建及泄洪閘改建后修正錘擊數(shù)N與液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr對比，以及標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法砂土液化復(fù)判分析研究成果分別見表1、2。

分析研究表明，大壩與泄洪閘現(xiàn)狀，以及加高擴(kuò)建與改建后，東壩除局部壩段壩基細(xì)砂層較密實(shí)，不發(fā)生液化外，絕大部分壩段壩基與泄洪閘閘基細(xì)砂及中砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)測錘擊數(shù)N′或修正錘擊數(shù)N小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr，且地下水位高，復(fù)判判定為發(fā)生液化，存在不同程度振動(dòng)液化危險(xiǎn)性。西壩壩基含礫砂層復(fù)判判定為發(fā)生液化，但層厚較薄，顆粒相對較粗，振動(dòng)液化危險(xiǎn)性相對較輕。

表1 東壩壩基與泄洪閘閘基標(biāo)貫液化復(fù)判成果

表2 西壩壩基標(biāo)貫液化復(fù)判成果

3 大壩壩基液化處理設(shè)計(jì)

水庫大壩加高擴(kuò)建總壩長7.29 km，其中：東壩長5.99 km；西壩長1.30 km，主要利用庫區(qū)清淤料，按照壩頂加高及后壩坡培厚方式擴(kuò)建。根據(jù)壩基砂層地震液化分析研究，對東西大壩全壩段壩基均采取振動(dòng)液化處理措施，依據(jù)庫區(qū)清淤料與各類建筑物改擴(kuò)建開挖棄碴的綜合平衡利用，充分利用清淤及棄碴料，采用施工簡單、可靠有效及投資節(jié)省的壓(蓋)重方式技術(shù)方案。結(jié)合大壩加高培厚擴(kuò)建與壩后坡坡腳新建排水系統(tǒng)，采取在下游壩坡坡腳新建排水系統(tǒng)上部及其之外現(xiàn)狀地面以上，夯實(shí)填筑壓(蓋)重層消除壩基地震液化危險(xiǎn)性。庫區(qū)壩前500.0 m范圍淤積層厚3.5～4.0 m且不清淤，滿足振動(dòng)液化壓重要求，上游壩基不處理。

按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)的砂土層振動(dòng)液化上覆有效壓強(qiáng)劃界標(biāo)準(zhǔn)，Ⅶ度地震時(shí)有效壓強(qiáng)大于100.0 kPa(10.0 t/m2)可消除液化，結(jié)合地下水位，分別計(jì)算確定東西大壩各壩段壩基有效壓(蓋)重層厚度。

(2)

式中σc′——有效覆蓋壓力，第一層砂土以上自重壓力，t；

ds——地表至第一層砂土頂板深度，m；

dw——地下水位埋深，m；

γ——地下水位以上砂土層天然容重，t/m3；

γ′——地下水位以下砂土層浮容重，t/m3；

γ″——壓(蓋)重層砂土容重，t /m3；

dz——壓(蓋)重層厚度，m；

K——安全系數(shù)，取1.1。

經(jīng)計(jì)算，東西大壩壩后有效壓(蓋)重層厚度為6.0～6.2 m，基本相等，壓(蓋)重寬度以新建排水系統(tǒng)暗涵中心以外20.0 m控制，外側(cè)填筑坡比1 ∶1.5，填筑技術(shù)指標(biāo)為黏性土壓實(shí)度不小于93.0%，非黏性土相對密度不低于0.65。

壩后壓(蓋)重層與新建排水系統(tǒng)相結(jié)合，排水系統(tǒng)周邊設(shè)置反濾排水體，通過有效排水輔助措施，可進(jìn)一步消除壩基地震液化影響，增強(qiáng)大壩穩(wěn)定安全。壩基地震液化壓(蓋)重處理標(biāo)準(zhǔn)橫剖面見圖2。

圖2 壩基液化處理標(biāo)準(zhǔn)橫剖面示意

4 泄洪閘閘基液化處理設(shè)計(jì)

4.1 閘基液化處理技術(shù)方案

水庫樞紐泄洪閘根據(jù)現(xiàn)狀與改建設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，閘室改建為3孔帶胸墻潛孔現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土整體式箱型結(jié)構(gòu)，孔口凈尺寸7.0 m×3.0 m(寬×高)，長19.5 m，總寬28.1 m。閘室兩側(cè)各長15.0 m壩段，自壩頂中部增設(shè)厚0.5 m塑性混凝土防滲與截滲刺墻，墻體伸入壩基以下不小于8.0 m，以增強(qiáng)壩體與閘室接觸面、壩體及壩基抗?jié)B性。改建閘室縱橫剖面分別見圖3、4。

圖3 改建閘室縱剖面示意(單位：mm)

圖4 改建閘室橫剖面示意(單位：mm)

根據(jù)閘基砂層地震液化分析研究，振動(dòng)液化敏感與危險(xiǎn)層深厚，考慮閘基地質(zhì)特性，參考類似地基固結(jié)、抗?jié)B、增強(qiáng)與液化處理的成功工程實(shí)踐，結(jié)合泄洪閘拆除改建，確定閘基地震液化處理措施采用單道雙排深孔高壓旋噴樁“網(wǎng)格圍封法”技術(shù)方案。以高壓將水泥漿液強(qiáng)制旋噴至深層地基中，形成大深度高強(qiáng)連續(xù)墻體，平面布置采用網(wǎng)格圍封型式，閘基深層高壓旋噴墻體縱橫相互交叉，通過圍封形成封閉網(wǎng)格柱，平面形成網(wǎng)格封閉塊，增強(qiáng)地層抗滑移穩(wěn)定性，限制并消除地層振動(dòng)液化擴(kuò)散與流動(dòng)滑移，高壓旋噴使?jié){液在地層中產(chǎn)生滲透擴(kuò)散，同時(shí)起到對地基深層固結(jié)凝聚，提高承載力、抗?jié)B性與滲透穩(wěn)定安全的多重作用。

高壓旋噴樁網(wǎng)格圍封閘室內(nèi)按照閘前與閘后縱向延伸11.3～11.9 m，兩側(cè)距不拆除現(xiàn)狀邊墩1.5 m控制，布置范圍總長42.7 m、總寬25.1 m，縱向4道、橫向5道，每道均為雙排，網(wǎng)格共計(jì)12塊，平面尺寸(縱8.0～10.3 m)×(橫4.7～6.25 m)；閘室外兩側(cè)縱向距現(xiàn)狀邊墩1.5 m各增加1道予以加強(qiáng)。旋噴樁樁徑1.0 m，樁長按2倍閘室高度確定為20.0 m，單道雙排布置，樁身單排中心距1.0 m，雙排相互搭接咬合中心距(排距)0.8 m。閘基地震液化處理高壓旋噴樁圍封網(wǎng)格平面布置及其大樣分別見圖5、6。

旋噴樁技術(shù)指標(biāo)為單樁樁體28 d齡期垂直極限載荷50.0～60.0 t；水平極限載荷3.0～4.0 t；平均抗折強(qiáng)度2.0～4.0 MPa；最大抗壓強(qiáng)度8.0～10.0 MPa；彈性模量1 000.0～8 000.0 MPa；干密度不低于1.6～2.0 t/m3；滲透系數(shù)不大于1.0×(10-5～10-6)cm/s。

圖5 閘基液化處理高壓旋噴樁圍封網(wǎng)格平面布置示意(單位：mm)

圖6 閘基液化處理高壓旋噴樁平面布置示意(單位：mm)

4.2 旋噴樁簡要施工技術(shù)要求

高壓旋噴樁按照單道雙排間隔分期、單排間隔分序方式進(jìn)行施工，分期與分序要求間隔時(shí)間不少于2周，以確保旋噴樁凝固成型并達(dá)到一定強(qiáng)度，采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥漿液，比重1.5，初始水灰比0.6～0.8。采用單管法施工，主要工藝流程為造孔、下旋噴注漿管、旋噴漿液三個(gè)步驟。注漿壓力20.0～35.0 MPa；漿液流量75.0～100.0 L/min；噴管提升速度15.0～30.0 cm/min；孔口漿液回漿密度不小于1.3 g/cm3；旋噴轉(zhuǎn)速取噴管提升速度的0.8～1.0倍，為12.0～30.0 r/min，單噴嘴取上限，雙噴嘴取下限。施工前通過現(xiàn)場試驗(yàn)，修正確定壓力、漿液水灰比與流量、提升速度及轉(zhuǎn)速等技術(shù)參數(shù)。

旋噴注漿漿液須攪拌均勻，按一次連續(xù)注漿量隨用隨制備，自制備至用完時(shí)間不超過4.0 h。造孔孔位水平偏差不大于50.0 mm，垂直孔斜不大于0.5%。采取邊低壓送漿邊孔內(nèi)下注漿管，以防噴嘴堵塞。待噴管下至要求深度后，開始高壓注漿連續(xù)旋噴1.0～3.0 min，當(dāng)孔口有漿液溢出時(shí)，按設(shè)定速度提升噴管連續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至旋噴注漿完成，并及時(shí)利用回漿回灌至孔口漿液面不再下降。全過程須注重觀察并記錄漿液流量、壓力、提升速度與轉(zhuǎn)速等參數(shù)及其變化是否滿足要求。

高壓旋噴樁連續(xù)墻體達(dá)28 d齡期后，按一定比例采取鉆孔取芯、壓水及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等三種方法，對比設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，以及針對完整性、有無夾泥、是否存在斷裂等進(jìn)行施工質(zhì)量試驗(yàn)檢測，不滿足技術(shù)質(zhì)量要求時(shí)返工處理。

5 結(jié) 語

紅崖山水庫加高擴(kuò)建工程大壩壩基及泄洪閘閘基為第四系沖洪積中細(xì)砂強(qiáng)透水層，地下水位高，地基細(xì)砂層深厚，通過顆分試驗(yàn)初判及標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法試驗(yàn)復(fù)判的地基砂層液化問題分析研究，絕大部分壩段壩基與泄洪閘閘基細(xì)砂及中砂層發(fā)生地震液化，存在不同程度振動(dòng)液化危險(xiǎn)性。

大壩壩基地震液化處理采用在后壩坡坡腳新建排水系統(tǒng)上部及其之外現(xiàn)狀地面以上夯實(shí)填筑壓(蓋)重層技術(shù)方案，按砂土層振動(dòng)液化上覆有效壓強(qiáng)劃界標(biāo)準(zhǔn)，確定厚度為6.0～6.2 m，寬度以新建排水系統(tǒng)暗涵中心以外20.0 m控制。泄洪閘閘基地震液化處理采用單道雙排深孔高壓旋噴樁連續(xù)墻體“網(wǎng)格圍封法”技術(shù)方案，閘室內(nèi)縱向4道、橫向5道布置，總長42.7 m、總寬25.1 m，網(wǎng)格共計(jì)12塊，平面尺寸(縱8.0～10.3 m)×(橫4.7～6.25 m)，閘室外兩側(cè)縱向各增加1道予以加強(qiáng)。旋噴樁樁徑1.0 m，樁長20.0 m，單排中心距1.0 m，排距0.8 m，按雙排間隔分期、單排間隔分序方式施工。

紅崖山水庫加高擴(kuò)建工程大壩壩基與泄洪閘閘基地震液化處理設(shè)計(jì)技術(shù)方案合理，實(shí)施效果良好，全面有效增強(qiáng)大壩與泄洪閘穩(wěn)定安全，達(dá)到預(yù)期目的。其設(shè)計(jì)為水庫樞紐建筑物，以及其他類似工程地基地震液化敏感地層處理提供借鑒。