陡河水库坝基抗震液化分析与治理

2010-10-25孟文琦

中国水利 2010年4期

孟文琦

（河北省唐山市陡河水库管理处，063001，唐山）

陡河水库位于唐山市陡河上游，是河北省在新中国成立后兴建的第一座大型水库。1956年建成投入运用后，经历了1970年续建、1976年震后修复、1989年工程加固建设，2003年开展了国家级水管单位的达标建设。其后经过长达20年的运行管理，目前已经发展成具有防洪、供水等多种功能的大型水利枢纽工程。陡河水库在主坝坝基抗震液化与治理方面所积累的经验和教训可为类似水库坝基抗震液化治理提供参考。

一、陡河水库坝基地质概况

1.坝基工程地质概况

陡河水库大坝坐落在砂层地基上，大坝全长 7 364 m，其中主坝长1 700 m，位于河床一级台地上；副坝长5 664 m,位于二级台地上。主坝地基普遍分布有轻壤土，地基表面高程25.0～26.0 m，下有4.0～5.0 m轻壤土，再下为细砂层。

2.坝基砂土层特点

（1）坝基砂层埋藏浅

陡河水库0+167坝段地基轻壤土层厚4.0～5.0 m，上覆黏土层仅1.0 m（不计坝坡厚度），0+300坝段横剖面地基轻壤土层厚2.5 m，上覆黏土层厚3.5 m（不计坝坡厚度）。主坝段表层黏土层最厚为7 m。0+167坝段液化层上覆土厚度最小，抗液化能力最低，地震后加剧了轻壤土和砂层的液化破坏程度，引发了下游坝体滑坡。因此易液化土层埋藏的深浅是造成主坝各段液化震害差异的一个重要原因。

（2）坝基砂层分布厚而广

陡河水库一级台地表层土下部为厚度约20m的中细砂，分布极为广泛，与河槽漫滩及二级台地下部的砂层相连通，其下为黏性土与中细砂呈互层分布。易液化土层排水条件不良，孔隙水不易消散，因而会促进液化的发展，延长液化的持续时间，加剧震害程度。

（3）坝基砂土层抗震液化强度低

陡河水库坝基轻壤土（或砂壤土）抗地震液化强度低，且主坝段轻壤土层位于地下水水位以下，处于饱和状态。其饱和含水量与液限含水量之比大于0.9，液性指数大于0.75；塑性指数大于3。按《水工建筑物抗震设计规范（试行）》（SDJ 10—78）规定的对饱和少黏性土判别指标，认为轻壤土层地基在地震时易发生液化。

二、坝基砂土的液化判别试验

1.采用标准贯入击数判别

按《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—99）规定，饱和砂或饱和少黏性土的N63.5值小于按公式算出的液化临界击数Ncr时，可判为液化土。

根据标准贯入击数液化判别临界值公式：

式中，N0为液化判别标贯击数基准值；d0为标贯点在地面下的深度（m）；dw为工程正常运用时，地下水水位在当时地面以下的深度（m)，当地面淹没于水面以下时，dw取 0；ρc代表土的黏粒含量百分率（%），当其小于3时，取3。核算陡河水库坝基砂层顶部标准贯入试验击数临界值，见表1。

表1 坝基砂层顶部标贯试验击数临界值

1976年震后对桩号 0+350、0+500、0+700、0+900 坝轴线位置坝基砂土顶层所进行的标准贯入试验所得锤击数分别为 19、13、40、15。由此推断坝基砂土发生7度地震时不发生液化；当发生8度地震时，部分坝段坝基砂层开始液化；当发生9度以上地震时，坝基浅部砂土基本全部液化。

2.估算轻壤土层及砂层液化的可能性

可通过两公式估算。

等效地震水平剪应力：

相应的抗震剪应力：

式中，σy为地基中某点水平面上的垂直压力，假定等于该处单位面积上部土柱的重量为与σy相应的垂直有效压力，假定等于该处单位面积上部土柱的有效重量（浸润线以下采用土的浮容重）；αmax为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为根据土层三轴震动试验资料求得发生液化时的震动剪应力比，取cr为40次。

若τc大于τsc则表示土层在地震时会液化破坏；若τc小于τsc则表示不致液化破坏。

计算结果表明：坝基轻壤土（或砂壤土）在地震烈度7度时，就有开始破坏的可能性，在8度及其以上时地表下砂壤土全部液化及地表下10 m范围内中细砂层开始液化。饱和轻壤土（或砂壤土）抗震稳定性最差，是引起地基液化破坏的主要土层。

3.利用有限单元法计算地基液化的发展范围

有限单元法计算结果表明：①地震烈度越高，地基液化的范围越大，发展的速度也越快。②地基液化的发展都是先从坝趾开始，然后向内部和深度发展。在7度地震时土坝中间部分的地基完好无液化；8度地震时地基液化速度及范围迅速扩大，在相当于20次“等效振动”时即全部液化；9度地震时地基则经不住一次“等效振动”即全部液化。

三、震后坝基抗液化治理措施

1.震后修复

1976年，对河床段坝基采用反滤排水加围封，对一级台地段安设排水暗管及减压井，培厚下游坝坡16 m。反滤排水加围封处理范围在地基高程24.4～24.8 m处，设置排水褥垫，并设砂坑，砂坑间距5.0 m，直径2.0 m，深2.0 m。砂坑中靠坑壁和坑底处回填细砂，中部回填粗砂，填好砂坑后铺设砂褥垫。底部和上部是厚0.2 m的细砂，中间是厚0.4的粗砂，褥垫以1/100坡度将液化层排出的孔隙水引向下游堆石排水棱体。堆石棱体不但起排水作用，同时起到围封作用，可将高程21.0 m以上的轻壤土堵住，防止遇8度地震时砂土液化流失。

一级台地排水暗管分为纵向管与横向管。纵向管沿旧坝脚布设，总长2 147 m，横向管垂直于纵向管，通到坝后排水沟，共12条，总长380 m。

下游坝脚设减压井一排，井深25 m，每200 m一个，设在与排水暗管纵、横向管交接部位，目的是减轻坝后渗水压力，防止砂层随渗水流失。

2.提高保坝标准

陡河水库1976年震后修复时只把土坝恢复到41.0 m高程，未能按设计44.0 m高程实施，防洪标准偏低，1978年被水电部列为全国43座重点病险水库之一。1989年提高保坝标准建设，土坝加高3 m。首先对1970年震后修建的坝体回填质量在不同的断面钻孔取样进行物理力学试验，其结果满足设计要求。因此加高前仅将表层土清除，选与原坝料相同的土料进行坝体加高填筑。土方施工基本机械化，在土方填筑碾压后采用核子密度仪进行质检。经检验，土坝碾压干容重控制点1 159个，干容重皆远超过设计干容重1.75 t/m3的要求。

3.国家级水管单位标准建设

2003年开展国家级水管单位标准建设后，开始对陡河水库坝体护坡及下游排水系统进行更新改造。2003—2006年，先后完成河床段、一级台地段排水沟护坡、主坝段下游坝体护坡表层砌石及其内部反滤层的更新改造。改造工程于每年的主汛来临前完成。首先清除原有护坡（或坝坡）表层砌石及下部失效反滤料至护坡（或坝坡）土面；然后按《碾压式土石坝设计规范》《碾压式土石坝施工规范》等相关规范的要求，在土面以上依次铺设等效粒径为O95的反滤土工布、5 cm厚的寸碴；最后选用厚25 cm、块径30 cm的质地坚硬、不易风化的新鲜块石进行表层压盖砌筑。另外对排水沟的底部及下游坝坡的反滤土工布下增设厚5 cm的砂层，以增加其反滤渗水、避免土粒流失的保护功效。