红崖山水库加高扩建工程地基液化处理设计

陈晓东

（甘肃省水利水电勘测设计研究院，730000，兰州）

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，工程始建于1958年，1959年开始蓄水，已运行半个多世纪。红崖山水库加高扩建工程是国家172项节水供水重大水利工程之一，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670万m3；东西大坝总长7.29km，最大坝高17.1 m，总库容1.48亿m3，多年调节运用；正常蓄水位1 483.10 m（相对现状抬升1.23m），设计洪水位1483.30m，校核洪水位1484.07m，死水位1 476.50 m（与现状相同），年供水总量2.23亿m3。

一、坝基与闸基工程地质条件及存在的问题

1.东西大坝

东坝坝基及泄洪闸闸基为第四系冲洪积细砂与中砂强透水层，厚约150～200 m，含有淤泥质黏土透镜体。西坝坝基表层为第四系冲洪积细砂、中砂和含砾砂强透水层，厚1.0～8.0 m。

2.泄洪闸

闸基上部深6.1 m为细砂层，其下为中砂层。细砂层垂直渗透系数为0.88×10-5cm/s，中砂层垂直渗透系数为10.88×10-2cm/s，含砾砂与中粗砂层允许承载力为0.13～0.17 MPa。

3.主要工程地质问题

东西大坝坝基及泄洪闸闸基为第四系冲洪积中细砂强透水层，地下水水位高，东坝与泄洪闸地基中细砂层深厚，通过颗分试验初判及标准贯入锤击数法试验复判分析评价，大部分为地震液化敏感层，存在振动液化危险。

二、坝基液化处理设计

1.大坝加高扩建方式

大坝加高扩建总坝长7.29 km，其中东坝长5.99 km，各坝段坝体结构差异大，少量为黏土斜墙坝，绝大部分为重沙壤土与中细砂混合坝；西坝为黏土心墙坝，全长1.3 km。按照坝顶加高及后坝坡培厚方式扩建，主要采用库区清淤料及少量利用坝体新增防渗体部位开挖料填筑。坝顶总宽6 m，设1.2 m高防浪墙，加高0.3～1.2 m，后坝坡培厚坡度1∶3.5，现状坝坡清基后培厚 1～3 m（上薄下厚），最大坝高17.1 m。对坝体前坝坡上部进行开挖，结合加高扩建填筑防渗料新增防渗体，与现状防渗体或相对透水性较低下部重沙壤土结合，加高至防浪墙底与其相接，改善大坝整体防渗性能。东坝坝基存在渗透稳定安全隐患重点总长400 m坝段，自坝顶上游侧增设厚0.5 m塑性混凝土垂直防渗墙，墙体伸入坝基以下不小于8 m。东坝中北部长约3 km坝段及西坝全坝段沿坝体加高培厚后坝坡坡脚新建纵向排水系统，包含贴坡式反滤排水体及反滤层包裹渗漏水汇集暗涵两部分。

2.坝基液化处理

根据坝基地震液化评价，东西大坝加高扩建总坝长7.29 km全坝段坝基均采取振动液化处理。库区坝前500 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。坝基液化处理采用施工简单、投资节省的压重方式。在下游坝坡坡脚及其之外现状地面以上与新建排水系统上部，采取夯实填筑库区清淤料与各类建筑物改扩建开挖弃碴压（盖）重层，以消除坝基地震液化危险。

按 《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）及《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—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。经计算，东西大坝坝后有效压 （盖）重层厚度为6.0～6.2 m，其中东坝中北部长约2.9 km坝段现状已有厚2.2～3.5 m压（盖）重层，新增厚度不小于3.9 m；其他坝段按照不小于计算厚度实施。压（盖）重层宽度以新建排水系统暗涵中心以外20 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。

三、泄洪闸改建及闸基液化处理设计

1.现状

泄洪闸现状闸室长14.5 m，总宽31.7 m，闸孔7孔，孔口净尺寸3.0 m×3.3 m（宽×高），闸底板高程 1 476.7 m。闸室为钢筋混凝土闸墩与砌砖胸墙潜孔，闸墩与底板分离非整体式结构，闸底板主体为浆砌块石，平板单闸门控制无检修门，使用频率低。闸室及金属结构设备主要存在破损、开裂、冻融破坏、抗冰冻能力差、结构型式不尽合理、常年渗漏水、不均匀沉陷、闸前引渠段淤堵严重、承载力不足，同时还存在年久失修、老化严重、闸门不能正常启闭、整体安全运行可靠度低等问题。

现状闸后泄洪渠为多级变坡、三级扩散海漫及消力池，总长87.3 m，矩形断面，上中游渠段有跨渠公路桥2座，全断面结构主体表层为钢筋混凝土或混凝土，下层为浆砌块石，总体结构基本完好，断面满足要求。主要存在全线严重淤堵、杂草丛生、泄洪与消能功能基本失效、下游河道两岸坍塌、河床束窄、实际行洪断面与泄洪能力严重不足等问题。

2.闸室改建

泄洪闸改建为水库加高扩建工程主要建设内容之一，按照现状与设计标准，结合工程地质勘查成果及大坝加高培厚进行改建。由于下游河道行洪能力、村镇、生态环境，以及基础设施建设等限制与影响，改建泄洪量确定为160.0 m3/s。为防止两侧大坝坝体滑塌及底板软化与泥化影响，确保施工安全，采取保留闸室段现状两侧边墩及闸底板，拆除中墩及上部结构，重建整体式闸室与上部结构的改建技术方案，闸前引渠与两侧导墙及闸后泄洪渠均完整保留。

重建泄洪闸为带胸墙潜孔现浇C25钢筋混凝土整体式箱形结构，设闸3孔，孔口净尺寸7 m×3 m （宽×高），闸室中墩厚2.0 m，边墩厚1.55 m，底板厚 1.5 m，长 19.5m，总宽 28.1 m，底板高程1 478.2 m（高于水库死水位1.7 m），顶部钢筋混凝土板梁封闭，高程1 485.7 m（与两侧大坝加高扩建坝顶同高），上游侧设1.2 m高防浪墙，下游侧设净宽3.5 m上坝交通桥。闸室上部为框架砖混结构景观闸房启闭机室，总高11.4 m，工作门及检修门均采用平板钢闸门，分别采用固定式卷扬机与电动葫芦调控，闸后1跨泄洪渠现状底板表面现浇0.3 m厚C40粉煤灰抗磨混凝土补强。闸室两侧各长15 m，结合大坝重点特殊坝段防渗处理措施，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 m，以增强坝体与闸室接触面、坝体及坝基抗渗性。

塑性混凝土防渗与截渗刺墙技术指标为膨润土掺量占胶凝材料总量的12%～26%，砂率为50%～60%，一级配，28 d龄期干密度不低于2.1 g/cm3，抗压强度 1.5～5 MPa， 弹性模量300～2 000 MPa，渗透系数不大于 1.0×10-7cm/s。

闸后泄洪渠全线及下游河道全面开挖疏浚整治，清除淤堵与杂草，修复滑塌与破损，恢复原有断面及结构，满足泄洪安全。

3.闸基液化处理

泄洪闸闸基中细砂地震液化层深厚，处理措施采用双排高压旋喷桩，用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，平面布置型式采用 “网格围封法”，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。

高压旋喷桩采用1 m桩径，桩身长度按2倍闸室高度确定为20 m，单道双排布置，桩身单排中心距1 m，双排相互搭接咬合中心距（排距）0.8 m。泄洪闸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1和图2。

图1 闸基液化处理高压旋喷桩围封网格平面布置（单位：mm）

图2 闸基液化处理高压旋喷桩平面布置大样（单位：mm）

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，通过现场试验确定实施参数。旋喷桩技术指标为单桩桩体28 d龄期垂直极限载荷 50～60 t， 水平极限载荷 3～4 t，平均抗折强度2～4 MPa，最大抗压强度 8～10MPa， 弹性模量 1 000～8 000 MPa，干密度不低于 1.6～2 t/m3，渗透系数不大于 1.0×（10-5～10-6）cm/s。

4.旋喷桩简要施工技术要求

高压旋喷桩采用单管法施工，主要工艺流程包括造孔→下旋喷注浆管→旋喷浆液等3个步骤。注浆压力20～35 MPa， 浆液流量 75～100 L/min,喷管提升速度15～30 cm/min，孔口浆液回浆密度不小于1.3 g/cm3，旋喷转速一般取喷管提升速度的0.8～1倍，采用12～30 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小时。造孔孔位水平偏差不大于50 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，开始实施高压注浆连续旋喷1～3 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方法，对比设计技术指标进行施工质量试验检测，发现不满足技术质量要求的应及时返工处理。

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