太平水库拦河坝地基液化处理措施研究

姜丽娜

（辽宁省丹东市水利勘测设计研究院 辽宁 丹东 118000）

1 工程概况

太平水库位于东港市马家店镇太平村，距东港市25km，距马家店镇3.0km。水库属于多年调节，是以灌溉为主，结合防洪养殖等综合利用的中型水利枢纽工程。水库由拦河土坝、溢洪道、输水洞组成。其中拦河坝为均质坝，坝顶高程14.10m～14.50m，坝顶宽2.5m～2.9m，最大坝高为8.2m，坝长945m；溢洪道工程为开敞实用堰，堰顶高程11.45m，堰顶宽度40m，净宽32m，闸墩孔数16孔，陡坡消能；输水洞无压单孔涵洞，洞长30m，工程等别为Ⅲ等工程。

太平水库除险加固设计中拦河坝、溢洪道、输水洞和防洪墙等主要建筑物为三级，临时建筑物为五级。本着节约的原则，考虑永临结合，施工用水直接从库区抽取，电站施工用电供应利用电站永久输电线路供应。马家店镇太平村已架设通讯线路，施工通讯可从此接引。施工营地在工程开工时根据需要可随时申请安装有线电话，对外通讯较方便，同时结合临时无线对讲通迅系统。主要建筑材料钢筋、木材及燃料采购自东港市，水泥购自本溪市。

2 拦河坝安全鉴定结论及存在主要问题

太平水库拦河坝经安全鉴定复核，为三类坝，主要复核结论如下：

（1）大坝坝顶及防浪墙高程满足防洪要求，但下游渠道防冲不满足消能要求。

（2）坝顶宽度不足，上游水位变动区护坡块石破坏。坝顶防浪墙有裂缝、错位。坝体有一段滑坡区域，在下游采用两条丁坝支撑。下游坡面无排水设施，未护砌，坝脚贴坡排水部分石料风化。大坝部分断面坝坡稳定安全系数小于规范允许值。

（3）坝基渗漏量较明显，坝体下游可见渗水区域。高水位下坝体下游坡渗流出逸点位置高于排水体顶高程。坝体下游坡排水体无反滤层。溢洪道与坝体连接处存在绕坝渗漏。

（4）坝址区地震烈度为Ⅶ度，坝体背水坡脚部分区域坝基中粗砂层存在中等液化，部分断面下游不满足抗震稳定要求。

3 坝基地震液化判别

根据《水利水电工程地质勘察规程》（GB50487-2008）中的附录N的规定，经初判本坝基饱和的细砂层和中粗砂层可能发生液化，采用标准贯入锤击数法进行复判。

经计算，本坝基在局部背水坡脚处的中粗砂层在地震设防烈度为7度时有液化现象，其液化指数为6.94～13.55，液化等级为中等。经复核，液化范围基本在0+710m～0+865m的坝背水坡脚，并往坝中轴线扩延8.00m左右，且向下游延伸。

4 地基液化的影响

松散的砂性土如果是饱和的，其孔隙为水所充满，在遇到强烈地震时，会产生急剧的状态变化，导致孔隙水压力骤然上升，当这种水压力来不及消散，就使得原来通过砂粒互相接触所传递的压力减少乃至消失，颗粒处于悬浮状态，使原砂土结构受到破坏，抗剪强度丧失成为液体状态，造成砂性土的承载能力部分或全部丧失，此即土层液化现象。

地基的液化会引起结构失稳的类型有：地基丧失承载力；液化土向低凹处流动，高孔压导致结构上浮；喷沙孔的形成以及导致侧向压力增加。当覆盖土层破裂，则受压水挟带砂粒喷出地面，出现喷水、冒砂现象，常常导致建筑物产生大量不均匀沉降，造成建筑物开裂、倾斜或破坏。在过去发生的地震中，由于砂土液化造成的各种灾害已成为一种不可忽视的地震破坏现象。

5 地基液化沉陷的处理措施

液化地基的处理，其出发点是改变它的内在条件，增加土体密度和改善排水条件，常见的方法有：

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（1）强夯法：根据不同的土质条件和夯击能，可处理4m～10m深度范围，处理的宽度范围应大于建筑物基础的范围，每边超出基础外缘宽度宜为基底下设计处理深度的1/2～1/3，且不宜小于3m。

（2）桩基或深基础：采用桩基础时，桩端伸入液化浓度以下稳定土层中的长度应按计算确定，且对碎石土、砾、粗、中砂、坚硬粘性土和密实度粉土不应少于0.5m，对其他非岩石不宜少于1.5m。

（3）加密法：包括振冲法、砂石桩法等，应处理至液化深度下界，采用振冲法和砂石桩法加固后，桩间土的标贯击数应大于液化判别标贯临界击数。处理的宽度范围应大于建筑物基础的范围，每边超出基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2且不小于基础宽度的1/5，砂石桩还不应小于5m。

（4）换填法：用非液化土替换全部液化土层。液化地基土的处理范围，在基础外缘以外的处理宽度应超过基础底面下处理深度的1/2，且不小于基础宽度的1/5。

按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中要求对可能液化的土层应挖除或换土，在挖除比较困难或很不经济时，可采取加密措施。对浅层可能液化的土层宜用表面振动压密，对深层可能液化的土层宜用振冲、强夯等方法加密，还可结合振冲处理设置砂石桩加强坝基排水，以及采取盖重等防护措施。

针对太平水库的实际情况，如对坝基进行振冲或强夯，势必对坝体造成影响，经比较最终采取排水盖重的防护措施。

首先计算大坝的渗流稳定计算。安全鉴定中提及的“坝基渗漏量较明显，坝体下游可见渗水区域”。本次除险加固设计对大坝重新进行野外钻探、测试及室内土工试验，发现坝身透水性等级为弱-微透水性。坝基地层中，淤泥质粉质粘土为微透水性，厚度较大（约2.00m～6.50m）。下部的砾砂层，密实度不高，为强透水性；再往下为全风化、强风化和中等风化黑云斜长片麻岩，虽然其强度较高，稳定性较好，但风化岩层裂隙很发育，岩体很破碎，渗透性较强。因上层存在一定厚度的淤泥质粉质粘土，是良好的天然铺盖，不易产生渗透变形，水库坝基基本不漏水，但由于下游地下水位较高，坝基液化层段坝后有鱼塘，导致可见渗水区域，水库降低标准运行期间鱼塘对大坝没有造成不良影响，经计算本次加固采取排水盖重的措施将鱼塘填满。

因水库没有进行渗流观测，无法进行渗流观测分析，根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)规定，现采用理论计算的方法进行渗流分析。

水库大坝迎水坡坡度为1∶2.72，背水坡为1∶1.81～1∶2.53，顶宽2.75m，无贴坡排水，下游无水，处于有限透水地基上。地基为双层，坝体素填土底部为粉质粘土，厚1.5m～3.0m，粉质粘土下方中粗砂层较厚，达5.0m～8.5m，底部为风化岩。坝体断面见图1。

参考建坝时的地质勘察及由丹东市水利勘测设计研究院勘察、试验结果综合分析确定各部位计算参数列于表1。

断面上部粉质粘土铺盖较薄，厚度约为1.8m，下部为中粗砂，厚度约为8m。当坝基表层土的渗透系数小于下层土的渗透系数，而下游渗透出逸比降又符合 Ja-x＞（Gs-1）（1-n1）K时，应设排水盖重层或排水减压井。

排水盖重层的厚度t可按下式计算：

式中，Ja-x——表层土在坝下游坡脚点a至a以下范围x点的渗透比降，可按表层土上下表面的水头差除以表层土层厚度t1得出；

Gs——表层土的土粒比重，取2.67；

n1——表层土的孔隙比，0.491；

K——安全系数，取1.5；

t1——表层土的厚度，1.8m；

γ——排水盖重的容重；

γw——水的容重，m；

采用北京理正软件设计研究院开发的《理正渗流分析软件》进行渗流分析有限元等势线计算来校核下游排水稳定性，计算结果见表2。

由表2可以看出现状正常情况下Ja-x＞（Gs-1）（1-n1）K，但实际运行没有发生击穿现象，分析原因为水库降低标准运行，未经过大水考验，但隐患仍然存在，因此增加排水盖重层，将下游中粗砂地基层较厚段鱼塘全部填满，从而解决了地基液化问题。

6 结语

结合水库运行多年的情况，地震作用下砂土液化后的性状较为复杂，经综合分析比较，对土坝基础采取盖重加固处理方案，盖重高度2.30m，顶宽18.2m，坡比1∶2.5，填满坝后鱼塘，从而消除了太平水库的地基液化沉陷造成安全隐患，保障水库大坝安全稳定的运行。陕西水利

图1 太平水库大坝标准断面图

表1 渗流计算参数表

表2 断面坝基比降成果表

[1]丹东市水利勘测设计研究院.东港市太平水库除险加固工程初步设计报告[R].辽宁：丹东市水利勘测设计研究院，2008.

[2]GB 50487-2008，水利水电工程地质勘察规范[S].中国计划出版社，2009.

[3]顾晓鲁，钱鸿缙.地基与基础[M].北京:中国建筑工业出版社，1996.

[4]牛琪瑛，张素姣.砂土地基液化与液化后结果的研究[J].山西建筑，2001，（6）:43-44.

[5]SL 274-2001，水工碾压混凝土施工规范[S].中国水利水电出版社，2001.