陈 晓 东

(甘肃省水利水电勘测设计研究院， 甘肃 兰州 730000)

1 概 况

红崖山水库位于甘肃省河西走廊东北部武威市民勤县境内，石羊河6条主要支流汇集出山口下游尾闾，武威与民勤两盆地过渡带黑山与红崖山山前谷地，属于典型的沙漠与平原型水库，规模位居亚洲前茅，南距武威市区60.0 km，北距民勤县城 30.0 km。水库枢纽始建于上世纪1958年，1959年开始蓄水，历经三期建设扩建，已运行半个多世纪，由东西挡水大坝，以及西坝左坝肩溢洪道、东坝左坝肩输水洞与中部泄洪闸等泄洪输水建筑物构成，主要以农田与生态林草灌溉为主，兼有生态补水、防洪、旅游及水产养殖等综合功能，枢纽总平面布置见图1。

图1 水库枢纽总平面布置示意

红崖山水库加高扩建工程为全国“十三五”期间分步建设的172项重大水利项目之一，主要任务是通过对库区清淤及大坝加高扩建，并结合防风固沙林带风沙治理，增大总库容与调蓄供水量，保障供水区各行业用水及青土湖生态补水，并对泄洪输水建筑物改扩建，提高安全运行可靠度，南部浸没区垫高防护。工程设计为Ⅱ等大(2)型规模，主要建筑物为2级，Ⅶ度抗震设防；库区清淤总量670.0万m3；东西大坝总坝长7.29 km，最大坝高17.1m；总库容 1.48亿m3；兴利库容9 030万m3，多年调节运用；年供水总量2.23亿m3。

2 坝基与闸基工程地质

水库工程区50年基准期内超越概率10%风险水平下的地震烈度为Ⅶ度，水平动峰值加速度0.158 g，动反应谱特征周期0.55 s，区域构造稳定性较差。大坝坝基与泄洪闸闸基地下水位高，普遍埋深1.0～6.0 m，大部分处于饱和状态。

2.1 东西大坝

东西大坝北端接黑山加里东期粗粒花岗岩体，东坝坝基及泄洪闸闸基为第四系(Q4alp)冲洪积细砂与中砂强透水层，厚约150.0～200.0 m，含有淤泥质黏土透镜体。西坝坝基表层为第四系(Q4alp)冲洪积细砂、中砂和含砾砂强透水层，厚1.0～8.0 m，下伏新近系(N2)砂岩与泥岩、加里东期粗粒花岗岩。

2.2 泄洪闸

闸基上部深6.1m为细砂层，其下为中砂层。细砂层垂直渗透系数0.88×10-5cm/s；饱和C=58.7 kPa、φ=18°12′、压缩系数0.22 MPa-1、压缩模量8.84 MPa。中砂层干密度1.80 g/cm3；自然休止角30°55′；垂直渗透系数10.88×10-2cm/s；临界水力坡降1.12。含砾砂与中粗砂层允许承载力0.13～0.17 MPa，与混凝土摩擦系数0.45～0.55，内摩擦角23.0°～27.0°，无凝聚力。

2.3 地基砂层液化问题研究

大坝及泄洪闸主要工程地质问题为地基渗漏与渗透稳定性，以及地震液化，东坝尤为突出。地基砂层液化问题分析研究对于准确判定其液化层位、颗分特性、敏感性与危险性，以及为地基液化处理设计提供技术支撑依据具有重要意义。其主要是通过深度大于20.0 m代表性钻孔分层取样多组颗分试验初判，以及钻孔内标准贯入锤击数法实测、修正锤击数与液化判别标准贯入锤击数临界值对比分析复判的技术路线和方法进行分析研究。

2.3.1 颗分试验初判分析研究

东西大坝坝基与泄洪闸闸基颗分试验初判分析研究依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)的规定，当砂土粒径d<5.0 mm颗粒含量的质量百分率ρc>30.0%时，可判为可能液化；对粒径d<5.0 mm颗粒含量的质量百分率ρc>30.0%的砂土，相应于地震动峰值加速度0.15 g，其中粒径d<0.005 mm颗粒含量的质量百分率ρc<17.0%时，可判为可能液化；地下水位以下的饱和砂土可判别为可能液化。

(1)东坝坝基。细砂层颗分试验颗粒粒径d及其平均含量的质量百分率ρc为无小于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%。以粒径0.075～0.25 mm砂粒为主，有效粒径d10=0.02～0.09 mm；不均匀系数Cu=2.15～5.99；孔隙率31.6%～37.4%。

中砂层颗分试验颗粒粒径d及其平均含量的质量百分率ρc为无小于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%。以粒径0.075～0.5 mm砂粒为主，有效粒径d10=0.1～0.15 mm；不均匀系数Cu=3.03～3.68。

坝基中下层呈饱和状态，由颗分试验分析研究可知，细砂及中砂层粒径d<5.0 mm颗粒含量的质量百分率ρc>>30.0%，且相应于地震动峰值加速度0.15g无粒径d<0.005 mm黏粒。由此，依据颗分试验分析研究初判东坝坝基细砂及中砂层为可能液化及其敏感层。

(2)西坝坝基。坝基颗分试验颗粒无粒径d<0.005 mm黏粒，粒径d<5.0 mm颗粒含量的质量百分率ρc=97.0%>>30.0%，同理，分析研究初判西坝坝基为可能液化及其敏感层。

(3)泄洪闸闸基。泄洪闸闸基颗分试验颗粒粒径d及其平均含量的质量百分率ρc分别为：细砂层粒径小于0.005 mm黏粒13.4%、0.005～0.075 mm粉粒49.1%、其余为砂粒、曲率系数3.60、不均匀系数68.5；中砂层粒径小于0.005 mm黏粒2.6%、0.25～2.0 mm砂粒84.5%、2.0～60.0 mm砾粒12.9%、曲率系数1.29、不均匀系数3.21。

闸基中下层呈饱和状态，由颗分试验分析研究可知，细砂及中砂层粒径d<5.0 mm颗粒含量的质量百分率ρc>>30.0%，且相应于地震动峰值加速度0.15 g时，粒径d<0.005 mm黏粒的质量百分率ρc=(2.6%～13.4%)<17.0%。由此，依据颗分试验分析研究初判泄洪闸闸基细砂及中砂层为可能液化及其敏感层。

2.3.2 标贯试验复判分析研究

东西大坝坝基与泄洪闸闸基钻孔标准贯入试验复判分析研究依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)的规定，大坝加高扩建后地面以下深度ds处的标准贯入锤击数N小于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr，即N

(1)

式中N0——液化判别标准贯入锤击数基准值，相应于地震动峰值加速度0.15 g时为近震8击、远震10击；

ds——标准贯入点地面以下深度，m，小于5.0 m时取5.0 m；

dw——地下水埋深，m，当地面被淹没时取0；

ρc——砂土黏粒含量质量百分率，%，当小于3.0%时取3.0%。

东坝中南部长约4.0 km，且包含高坝体坝段坝基及泄洪闸闸基的8个代表性钻孔内标贯试验实测锤击数N′值在3～22击间，西坝坝基两个代表性钻孔内标贯试验实测锤击数N′为13击与9击，大坝加高扩建及泄洪闸改建后修正锤击数N与液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr对比，以及标准贯入锤击数法砂土液化复判分析研究成果分别见表1、2。

分析研究表明，大坝与泄洪闸现状，以及加高扩建与改建后，东坝除局部坝段坝基细砂层较密实，不发生液化外，绝大部分坝段坝基与泄洪闸闸基细砂及中砂层标准贯入实测锤击数N′或修正锤击数N小于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr，且地下水位高，复判判定为发生液化，存在不同程度振动液化危险性。西坝坝基含砾砂层复判判定为发生液化，但层厚较薄，颗粒相对较粗，振动液化危险性相对较轻。

表1 东坝坝基与泄洪闸闸基标贯液化复判成果

表2 西坝坝基标贯液化复判成果

3 大坝坝基液化处理设计

水库大坝加高扩建总坝长7.29 km，其中：东坝长5.99 km；西坝长1.30 km，主要利用库区清淤料，按照坝顶加高及后坝坡培厚方式扩建。根据坝基砂层地震液化分析研究，对东西大坝全坝段坝基均采取振动液化处理措施，依据库区清淤料与各类建筑物改扩建开挖弃碴的综合平衡利用，充分利用清淤及弃碴料，采用施工简单、可靠有效及投资节省的压(盖)重方式技术方案。结合大坝加高培厚扩建与坝后坡坡脚新建排水系统，采取在下游坝坡坡脚新建排水系统上部及其之外现状地面以上，夯实填筑压(盖)重层消除坝基地震液化危险性。库区坝前500.0 m范围淤积层厚3.5～4.0 m且不清淤，满足振动液化压重要求，上游坝基不处理。

按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)及《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)的砂土层振动液化上覆有效压强划界标准，Ⅶ度地震时有效压强大于100.0 kPa(10.0 t/m2)可消除液化，结合地下水位，分别计算确定东西大坝各坝段坝基有效压(盖)重层厚度。

(2)

式中σc′——有效覆盖压力，第一层砂土以上自重压力，t；

ds——地表至第一层砂土顶板深度，m；

dw——地下水位埋深，m；

γ——地下水位以上砂土层天然容重，t/m3；

γ′——地下水位以下砂土层浮容重，t/m3；

γ″——压(盖)重层砂土容重，t /m3；

dz——压(盖)重层厚度，m；

K——安全系数，取1.1。

经计算，东西大坝坝后有效压(盖)重层厚度为6.0～6.2 m，基本相等，压(盖)重宽度以新建排水系统暗涵中心以外20.0 m控制，外侧填筑坡比1 ∶1.5，填筑技术指标为黏性土压实度不小于93.0%，非黏性土相对密度不低于0.65。

坝后压(盖)重层与新建排水系统相结合，排水系统周边设置反滤排水体，通过有效排水辅助措施，可进一步消除坝基地震液化影响，增强大坝稳定安全。坝基地震液化压(盖)重处理标准横剖面见图2。

图2 坝基液化处理标准横剖面示意

4 泄洪闸闸基液化处理设计

4.1 闸基液化处理技术方案

水库枢纽泄洪闸根据现状与改建设计标准，闸室改建为3孔带胸墙潜孔现浇C25钢筋混凝土整体式箱型结构，孔口净尺寸7.0 m×3.0 m(宽×高)，长19.5 m，总宽28.1 m。闸室两侧各长15.0 m坝段，自坝顶中部增设厚0.5 m塑性混凝土防渗与截渗刺墙，墙体伸入坝基以下不小于8.0 m，以增强坝体与闸室接触面、坝体及坝基抗渗性。改建闸室纵横剖面分别见图3、4。

图3 改建闸室纵剖面示意(单位：mm)

图4 改建闸室横剖面示意(单位：mm)

根据闸基砂层地震液化分析研究，振动液化敏感与危险层深厚，考虑闸基地质特性，参考类似地基固结、抗渗、增强与液化处理的成功工程实践，结合泄洪闸拆除改建，确定闸基地震液化处理措施采用单道双排深孔高压旋喷桩“网格围封法”技术方案。以高压将水泥浆液强制旋喷至深层地基中，形成大深度高强连续墙体，平面布置采用网格围封型式，闸基深层高压旋喷墙体纵横相互交叉，通过围封形成封闭网格柱，平面形成网格封闭块，增强地层抗滑移稳定性，限制并消除地层振动液化扩散与流动滑移，高压旋喷使浆液在地层中产生渗透扩散，同时起到对地基深层固结凝聚，提高承载力、抗渗性与渗透稳定安全的多重作用。

高压旋喷桩网格围封闸室内按照闸前与闸后纵向延伸11.3～11.9 m，两侧距不拆除现状边墩1.5 m控制，布置范围总长42.7 m、总宽25.1 m，纵向4道、横向5道，每道均为双排，网格共计12块，平面尺寸(纵8.0～10.3 m)×(横4.7～6.25 m)；闸室外两侧纵向距现状边墩1.5 m各增加1道予以加强。旋喷桩桩径1.0 m，桩长按2倍闸室高度确定为20.0 m，单道双排布置，桩身单排中心距1.0 m，双排相互搭接咬合中心距(排距)0.8 m。闸基地震液化处理高压旋喷桩围封网格平面布置及其大样分别见图5、6。

旋喷桩技术指标为单桩桩体28 d龄期垂直极限载荷50.0～60.0 t；水平极限载荷3.0～4.0 t；平均抗折强度2.0～4.0 MPa；最大抗压强度8.0～10.0 MPa；弹性模量1 000.0～8 000.0 MPa；干密度不低于1.6～2.0 t/m3；渗透系数不大于1.0×(10-5～10-6)cm/s。

图5 闸基液化处理高压旋喷桩围封网格平面布置示意(单位：mm)

图6 闸基液化处理高压旋喷桩平面布置示意(单位：mm)

4.2 旋喷桩简要施工技术要求

高压旋喷桩按照单道双排间隔分期、单排间隔分序方式进行施工，分期与分序要求间隔时间不少于2周，以确保旋喷桩凝固成型并达到一定强度，采用42.5级普通硅酸盐水泥浆液，比重1.5，初始水灰比0.6～0.8。采用单管法施工，主要工艺流程为造孔、下旋喷注浆管、旋喷浆液三个步骤。注浆压力20.0～35.0 MPa；浆液流量75.0～100.0 L/min；喷管提升速度15.0～30.0 cm/min；孔口浆液回浆密度不小于1.3 g/cm3；旋喷转速取喷管提升速度的0.8～1.0倍，为12.0～30.0 r/min，单喷嘴取上限，双喷嘴取下限。施工前通过现场试验，修正确定压力、浆液水灰比与流量、提升速度及转速等技术参数。

旋喷注浆浆液须搅拌均匀，按一次连续注浆量随用随制备，自制备至用完时间不超过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%。采取边低压送浆边孔内下注浆管，以防喷嘴堵塞。待喷管下至要求深度后，开始高压注浆连续旋喷1.0～3.0 min，当孔口有浆液溢出时，按设定速度提升喷管连续旋转，直至旋喷注浆完成，并及时利用回浆回灌至孔口浆液面不再下降。全过程须注重观察并记录浆液流量、压力、提升速度与转速等参数及其变化是否满足要求。

高压旋喷桩连续墙体达28 d龄期后，按一定比例采取钻孔取芯、压水及无侧限抗压强度等三种方法，对比设计技术指标，以及针对完整性、有无夹泥、是否存在断裂等进行施工质量试验检测，不满足技术质量要求时返工处理。

5 结 语

红崖山水库加高扩建工程大坝坝基及泄洪闸闸基为第四系冲洪积中细砂强透水层，地下水位高，地基细砂层深厚，通过颗分试验初判及标准贯入锤击数法试验复判的地基砂层液化问题分析研究，绝大部分坝段坝基与泄洪闸闸基细砂及中砂层发生地震液化，存在不同程度振动液化危险性。

大坝坝基地震液化处理采用在后坝坡坡脚新建排水系统上部及其之外现状地面以上夯实填筑压(盖)重层技术方案，按砂土层振动液化上覆有效压强划界标准，确定厚度为6.0～6.2 m，宽度以新建排水系统暗涵中心以外20.0 m控制。泄洪闸闸基地震液化处理采用单道双排深孔高压旋喷桩连续墙体“网格围封法”技术方案，闸室内纵向4道、横向5道布置，总长42.7 m、总宽25.1 m，网格共计12块，平面尺寸(纵8.0～10.3 m)×(横4.7～6.25 m)，闸室外两侧纵向各增加1道予以加强。旋喷桩桩径1.0 m，桩长20.0 m，单排中心距1.0 m，排距0.8 m，按双排间隔分期、单排间隔分序方式施工。

红崖山水库加高扩建工程大坝坝基与泄洪闸闸基地震液化处理设计技术方案合理，实施效果良好，全面有效增强大坝与泄洪闸稳定安全，达到预期目的。其设计为水库枢纽建筑物，以及其他类似工程地基地震液化敏感地层处理提供借鉴。