坝基地震液化土层处理设计

2018-11-29王仲良

科技与创新 2018年20期

关键词：砂砾坝基壤土

王仲良

坝基地震液化土层处理设计

王仲良

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

拦河坝是水库的重要建筑物，其基础的处理直接关系坝体的安全与稳定。根据地质条件和坝体结构，对比了换填法、强夯法和砂桩挤密法等不同处理方法的设计方案，并进行了经济、施工、社会环境等方面的比选，确定坝基地震液化土层采用换填法处理。

水库；地震液化；换填法；拦河坝

1 概况

本工程水库位于河北省北部山区，库容6.05×107m3，属中型水库，工程等级Ⅲ等，由拦河坝、溢洪道、泄洪洞、放水洞等4部分组成，拟建拦河坝为3级建筑物，采用土质心墙坝，坝顶长度690 m，最大坝高43.2 m。

1.1 地形地质条件

坝址区为中山宽谷河流地貌，呈不对称U形河谷，河谷宽度约560 m，地面高程913.0～921.0 m，河道主槽位于左岸侧，右岸侧为一级阶地，为居住区。

河床覆盖层厚6.0～21 m，河床及漫滩分布以卵砾石为主，覆盖层下伏基岩岩性为强风化凝灰岩和凝灰质角砾岩，强风化凝灰岩最大厚度约11 m，具有中等透水性。

左岸山体宽厚，山顶高程1 065.0 m左右，相对高差140～240 m。岩性为凝灰质角砾岩，表层为强风化，岩体完整性较好但强度较差，岩体具有微弱透水性。

右岸山体低缓单薄，山顶高程1 006.0 m，相对高差60～80 m。右岸第四系黄土状壤土层厚22～51 m，具有中等湿陷性及中等透水性，下伏凝灰质流纹岩和凝灰质角砾岩。

河床右侧（坝0+450～0+610，起始桩号位于左岸）地面高程为917.0～924.0 m，土层分别为砂壤土、砾砂和卵石，其中砂壤土厚10～16 m，具有低压缩性、弱透水性和地震液化性；砾砂多埋藏于砂壤土底部，具有中等透水性；卵石级配不良，但呈密实状态。

1.2 坝体结构

拦河坝为土质心墙坝，坝体采用土质心墙防渗，坝壳采用料场砂砾料和工程开挖料填筑。拦河坝坝顶高程952.2 m，最大坝高43.2 m；坝顶长690.0 m，宽7.0 m，采用厚8 cm的沥青混凝土路面。坝顶上游侧设高出坝顶1.2 m的混凝土防浪墙，墙顶高程953.4 m；坝顶下游侧设混凝土路缘石。坝体上游坝坡坡比自上而下分别为1∶2.25和1∶2.5，下游坝坡坡比为1∶2.0和1∶2.25.坝体上、下游坝坡均设有马道，上游坝坡在高程920.2 m、932.2 m各设一级马道，下游坝坡在高程932.2 m设一级马道，马道均宽2 m。拦河坝上游坝面为厚45 cm的干砌石护坡，下设厚度40 cm的碎石垫层；下游坝坡为厚30 cm的干砌石护坡，下设15 cm厚的碎石垫层。上游坝壳填筑砂砾料，下游坝壳高程913.5 m以下为砂砾料，以上为其他建筑物开挖石碴。采用土质心墙防渗，心墙顶高程950.2 m，顶宽5.0 m，两侧坡比1∶0.2，最大底宽21.48 m；心墙上、下游侧均设厚3.0 m的双层反滤。下游坝脚设排水棱体，排水棱体顶宽3.0 m，顶高程914.0 m，底高程909.0 m，上、下游边坡分别为1∶1和1∶1.5.

2 地震液化处理设计

工程区地震动峰值加速度为0.10 g，相当于地震基本烈度Ⅶ度区，抗震设防类别为丙类，拦河坝地震设计烈度为7度，坝基砂壤土遇地震土体体积缩小，有效应力减小，使土体抗剪强度迅速减小或丧失，影响坝体稳定，需要采取地震液化处理措施。

2.1 处理方法的确定

地震液化处理措施可分为换填法、施加外力抵抗地震液化方法、降低地震孔隙压力方法和提高坝基材料抗液化能力四大类。根据地质条件，拟采用换填法、强夯法和砂桩挤密法进行比较。

2.1.1 换填法

换填法是将砂壤土液化层挖除后填筑砂砾、卵石等非液化材料，此方法适用于液化层埋深浅、厚度不大的情况，需要挖除坝体占压范围内的液化土层。根据地质条件，确定开挖至砂砾层和基岩，砂砾层高程907.0 m，基岩高程907.0～911.0 m，上游坝坡开挖宽度115.5 m，下游坝坡开挖宽度90.5 m，总宽度213.0 m，处理长度160.0 m。开挖部分按坝体结构填筑，上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶2.25，上、下游坝坡均设干砌石和碎石垫层。上游坝壳填筑砂砾料，下游坝壳913.5以上填筑开挖料，以下填筑砂砾料，坝壳料压实后相对密度不小于0.75；土质心墙底高程909.0～911.0 m，最大宽度21.48 m，墙底位于砂砾层部分下部回填反滤料，其余直接坐落于基岩，心墙防渗土压实度不小于0.98，反滤料压实后相对密度不小于0.75.根据结构设计，此方案主要工程量及直接费用如表1所示。

表1 不同处理方案主要工程量及直接费用表

项目换填法强夯法挤密法土方开挖/m3439 500101 280 干砌石护坡/m33 2001 020 砾石垫层/m32 400780 砂砾料/m3265 20055 220 反滤料/m310 00047 600 黏性土填筑/m325 4007 200 2 000 kN·m满夯/m2 33 490 φ40 cm挤密桩/m 489 850 直接费/万元2 2351 31013 235

2.1.2 强夯法

强夯法可提高坝基材料抗液化能力，此方法适用于加固砂土、砾石土、杂填土等；夯击时的巨大能量可引起砂壤土的短暂液化，重新沉积到更加密实的状态，产生压实效应。根据工程经验，强夯法处理深度在10 m左右。考虑到坝体占压范围内液化土层厚度较大，为了保证夯实效果，本次设计挖除2～8 m的砂壤土，开挖后底高程为915.0～916.0 m，上游坝坡占地宽度95 m，下游占地85 m，总宽187 m，长160 m。强夯范围向四周外延5 m，总面积33 490 m2，单位夯击能2 000 kN·m，满夯2次。开挖部分按相应高程位置坝体结构及填筑标准，填筑坝壳砂砾料和土质心墙等。本方法实际为换填法与强夯法相结合的一种处理方法，主要工程量及直接费用如表1所示。

2.1.3 砂桩挤密法

砂桩挤密法是采用冲击法或振动法向土中沉入桩管，然后边拔管边灌砂边振动，形成一系列砂桩，使周围土层产生振密作用，处理深度可达20 m。振冲碎石桩的实施高程为915.0～922.0 m。坝体上游坝坡占压72.5～92.0 m，下游坝坡占压宽度65.0～81.0 m，总宽144.5～180.0 m，长度160.0 m；挤密桩处理范围为坝体占压轮廓外延5 m，桩径40 cm，正方形布置，孔距80 cm，桩端到达砂卵石层或基岩，处理后砂壤土层将成为复合地层，承载力及抗震性将明显提高，此方案主要工程量及直接费用如表1所示。

注意：开挖、填筑比选基准面为河床清基2 m后坝基面。由表1可知，砂桩挤密法直接费远高于换填法和强夯法，换填法处理方案投资较强夯法方案多925万左右，但换填法按坝体结构填筑坝壳砂砾料和土质心墙等，可与坝体施工同步进行，施工方法简单，施工质量可靠度高，工期较短；同时，坝址下游600 m处为村庄，强夯对周边环境及居民生活影响较大，实施过程中施工阻力和社会稳定风险将比较大，因此，本阶段采用换填法对具地震液化性坝基砂壤土进行处理。