陳 曉 東

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院， 甘肅 蘭州 730000)

1 概 況

紅崖山水庫位于甘肅省河西走廊東北部武威市民勤縣境內(nèi)，石羊河6條主要支流匯集出山口下游尾閭，武威與民勤兩盆地過渡帶黑山與紅崖山山前谷地，屬于典型的沙漠與平原型水庫，規(guī)模位居亞洲前茅，南距武威市區(qū)60.0 km，北距民勤縣城 30.0 km。水庫樞紐始建于上世紀(jì)1958年，1959年開始蓄水，歷經(jīng)三期建設(shè)擴建，已運行半個多世紀(jì)，由東西擋水大壩，以及西壩左壩肩溢洪道、東壩左壩肩輸水洞與中部泄洪閘等泄洪輸水建筑物構(gòu)成，主要以農(nóng)田與生態(tài)林草灌溉為主，兼有生態(tài)補水、防洪、旅游及水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合功能，樞紐總平面布置見圖1。

圖1 水庫樞紐總平面布置示意

紅崖山水庫加高擴建工程為全國“十三五”期間分步建設(shè)的172項重大水利項目之一，主要任務(wù)是通過對庫區(qū)清淤及大壩加高擴建，并結(jié)合防風(fēng)固沙林帶風(fēng)沙治理，增大總庫容與調(diào)蓄供水量，保障供水區(qū)各行業(yè)用水及青土湖生態(tài)補水，并對泄洪輸水建筑物改擴建，提高安全運行可靠度，南部浸沒區(qū)墊高防護。工程設(shè)計為Ⅱ等大(2)型規(guī)模，主要建筑物為2級，Ⅶ度抗震設(shè)防；庫區(qū)清淤總量670.0萬m3；東西大壩總壩長7.29 km，最大壩高17.1m；總庫容 1.48億m3；興利庫容9 030萬m3，多年調(diào)節(jié)運用；年供水總量2.23億m3。

2 壩基與閘基工程地質(zhì)

水庫工程區(qū)50年基準(zhǔn)期內(nèi)超越概率10%風(fēng)險水平下的地震烈度為Ⅶ度，水平動峰值加速度0.158 g，動反應(yīng)譜特征周期0.55 s，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。大壩壩基與泄洪閘閘基地下水位高，普遍埋深1.0～6.0 m，大部分處于飽和狀態(tài)。

2.1 東西大壩

東西大壩北端接黑山加里東期粗?；◢弾r體，東壩壩基及泄洪閘閘基為第四系(Q4alp)沖洪積細砂與中砂強透水層，厚約150.0～200.0 m，含有淤泥質(zhì)黏土透鏡體。西壩壩基表層為第四系(Q4alp)沖洪積細砂、中砂和含礫砂強透水層，厚1.0～8.0 m，下伏新近系(N2)砂巖與泥巖、加里東期粗?；◢弾r。

2.2 泄洪閘

閘基上部深6.1m為細砂層，其下為中砂層。細砂層垂直滲透系數(shù)0.88×10-5cm/s；飽和C=58.7 kPa、φ=18°12′、壓縮系數(shù)0.22 MPa-1、壓縮模量8.84 MPa。中砂層干密度1.80 g/cm3；自然休止角30°55′；垂直滲透系數(shù)10.88×10-2cm/s；臨界水力坡降1.12。含礫砂與中粗砂層允許承載力0.13～0.17 MPa，與混凝土摩擦系數(shù)0.45～0.55，內(nèi)摩擦角23.0°～27.0°，無凝聚力。

2.3 地基砂層液化問題研究

大壩及泄洪閘主要工程地質(zhì)問題為地基滲漏與滲透穩(wěn)定性，以及地震液化，東壩尤為突出。地基砂層液化問題分析研究對于準(zhǔn)確判定其液化層位、顆分特性、敏感性與危險性，以及為地基液化處理設(shè)計提供技術(shù)支撐依據(jù)具有重要意義。其主要是通過深度大于20.0 m代表性鉆孔分層取樣多組顆分試驗初判，以及鉆孔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法實測、修正錘擊數(shù)與液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值對比分析復(fù)判的技術(shù)路線和方法進行分析研究。

2.3.1 顆分試驗初判分析研究

東西大壩壩基與泄洪閘閘基顆分試驗初判分析研究依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)的規(guī)定，當(dāng)砂土粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>30.0%時，可判為可能液化；對粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>30.0%的砂土，相應(yīng)于地震動峰值加速度0.15 g，其中粒徑d<0.005 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc<17.0%時，可判為可能液化；地下水位以下的飽和砂土可判別為可能液化。

(1)東壩壩基。細砂層顆分試驗顆粒粒徑d及其平均含量的質(zhì)量百分率ρc為無小于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%。以粒徑0.075～0.25 mm砂粒為主，有效粒徑d10=0.02～0.09 mm；不均勻系數(shù)Cu=2.15～5.99；孔隙率31.6%～37.4%。

中砂層顆分試驗顆粒粒徑d及其平均含量的質(zhì)量百分率ρc為無小于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%。以粒徑0.075～0.5 mm砂粒為主，有效粒徑d10=0.1～0.15 mm；不均勻系數(shù)Cu=3.03～3.68。

壩基中下層呈飽和狀態(tài)，由顆分試驗分析研究可知，細砂及中砂層粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>>30.0%，且相應(yīng)于地震動峰值加速度0.15g無粒徑d<0.005 mm黏粒。由此，依據(jù)顆分試驗分析研究初判東壩壩基細砂及中砂層為可能液化及其敏感層。

(2)西壩壩基。壩基顆分試驗顆粒無粒徑d<0.005 mm黏粒，粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc=97.0%>>30.0%，同理，分析研究初判西壩壩基為可能液化及其敏感層。

(3)泄洪閘閘基。泄洪閘閘基顆分試驗顆粒粒徑d及其平均含量的質(zhì)量百分率ρc分別為：細砂層粒徑小于0.005 mm黏粒13.4%、0.005～0.075 mm粉粒49.1%、其余為砂粒、曲率系數(shù)3.60、不均勻系數(shù)68.5；中砂層粒徑小于0.005 mm黏粒2.6%、0.25～2.0 mm砂粒84.5%、2.0～60.0 mm礫粒12.9%、曲率系數(shù)1.29、不均勻系數(shù)3.21。

閘基中下層呈飽和狀態(tài)，由顆分試驗分析研究可知，細砂及中砂層粒徑d<5.0 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率ρc>>30.0%，且相應(yīng)于地震動峰值加速度0.15 g時，粒徑d<0.005 mm黏粒的質(zhì)量百分率ρc=(2.6%～13.4%)<17.0%。由此，依據(jù)顆分試驗分析研究初判泄洪閘閘基細砂及中砂層為可能液化及其敏感層。

2.3.2 標(biāo)貫試驗復(fù)判分析研究

東西大壩壩基與泄洪閘閘基鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗復(fù)判分析研究依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)的規(guī)定，大壩加高擴建后地面以下深度ds處的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr，即N

(1)

式中N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，相應(yīng)于地震動峰值加速度0.15 g時為近震8擊、遠震10擊；

ds——標(biāo)準(zhǔn)貫入點地面以下深度，m，小于5.0 m時取5.0 m；

dw——地下水埋深，m，當(dāng)?shù)孛姹谎蜎]時取0；

ρc——砂土黏粒含量質(zhì)量百分率，%，當(dāng)小于3.0%時取3.0%。

東壩中南部長約4.0 km，且包含高壩體壩段壩基及泄洪閘閘基的8個代表性鉆孔內(nèi)標(biāo)貫試驗實測錘擊數(shù)N′值在3～22擊間，西壩壩基兩個代表性鉆孔內(nèi)標(biāo)貫試驗實測錘擊數(shù)N′為13擊與9擊，大壩加高擴建及泄洪閘改建后修正錘擊數(shù)N與液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr對比，以及標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法砂土液化復(fù)判分析研究成果分別見表1、2。

分析研究表明，大壩與泄洪閘現(xiàn)狀，以及加高擴建與改建后，東壩除局部壩段壩基細砂層較密實，不發(fā)生液化外，絕大部分壩段壩基與泄洪閘閘基細砂及中砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入實測錘擊數(shù)N′或修正錘擊數(shù)N小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr，且地下水位高，復(fù)判判定為發(fā)生液化，存在不同程度振動液化危險性。西壩壩基含礫砂層復(fù)判判定為發(fā)生液化，但層厚較薄，顆粒相對較粗，振動液化危險性相對較輕。

表1 東壩壩基與泄洪閘閘基標(biāo)貫液化復(fù)判成果

表2 西壩壩基標(biāo)貫液化復(fù)判成果

3 大壩壩基液化處理設(shè)計

水庫大壩加高擴建總壩長7.29 km，其中：東壩長5.99 km；西壩長1.30 km，主要利用庫區(qū)清淤料，按照壩頂加高及后壩坡培厚方式擴建。根據(jù)壩基砂層地震液化分析研究，對東西大壩全壩段壩基均采取振動液化處理措施，依據(jù)庫區(qū)清淤料與各類建筑物改擴建開挖棄碴的綜合平衡利用，充分利用清淤及棄碴料，采用施工簡單、可靠有效及投資節(jié)省的壓(蓋)重方式技術(shù)方案。結(jié)合大壩加高培厚擴建與壩后坡坡腳新建排水系統(tǒng)，采取在下游壩坡坡腳新建排水系統(tǒng)上部及其之外現(xiàn)狀地面以上，夯實填筑壓(蓋)重層消除壩基地震液化危險性。庫區(qū)壩前500.0 m范圍淤積層厚3.5～4.0 m且不清淤，滿足振動液化壓重要求，上游壩基不處理。

按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)的砂土層振動液化上覆有效壓強劃界標(biāo)準(zhǔn)，Ⅶ度地震時有效壓強大于100.0 kPa(10.0 t/m2)可消除液化，結(jié)合地下水位，分別計算確定東西大壩各壩段壩基有效壓(蓋)重層厚度。

(2)

式中σc′——有效覆蓋壓力，第一層砂土以上自重壓力，t；

ds——地表至第一層砂土頂板深度，m；

dw——地下水位埋深，m；

γ——地下水位以上砂土層天然容重，t/m3；

γ′——地下水位以下砂土層浮容重，t/m3；

γ″——壓(蓋)重層砂土容重，t /m3；

dz——壓(蓋)重層厚度，m；

K——安全系數(shù)，取1.1。

經(jīng)計算，東西大壩壩后有效壓(蓋)重層厚度為6.0～6.2 m，基本相等，壓(蓋)重寬度以新建排水系統(tǒng)暗涵中心以外20.0 m控制，外側(cè)填筑坡比1 ∶1.5，填筑技術(shù)指標(biāo)為黏性土壓實度不小于93.0%，非黏性土相對密度不低于0.65。

壩后壓(蓋)重層與新建排水系統(tǒng)相結(jié)合，排水系統(tǒng)周邊設(shè)置反濾排水體，通過有效排水輔助措施，可進一步消除壩基地震液化影響，增強大壩穩(wěn)定安全。壩基地震液化壓(蓋)重處理標(biāo)準(zhǔn)橫剖面見圖2。

圖2 壩基液化處理標(biāo)準(zhǔn)橫剖面示意

4 泄洪閘閘基液化處理設(shè)計

4.1 閘基液化處理技術(shù)方案

水庫樞紐泄洪閘根據(jù)現(xiàn)狀與改建設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，閘室改建為3孔帶胸墻潛孔現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土整體式箱型結(jié)構(gòu)，孔口凈尺寸7.0 m×3.0 m(寬×高)，長19.5 m，總寬28.1 m。閘室兩側(cè)各長15.0 m壩段，自壩頂中部增設(shè)厚0.5 m塑性混凝土防滲與截滲刺墻，墻體伸入壩基以下不小于8.0 m，以增強壩體與閘室接觸面、壩體及壩基抗?jié)B性。改建閘室縱橫剖面分別見圖3、4。

圖3 改建閘室縱剖面示意(單位：mm)

圖4 改建閘室橫剖面示意(單位：mm)

根據(jù)閘基砂層地震液化分析研究，振動液化敏感與危險層深厚，考慮閘基地質(zhì)特性，參考類似地基固結(jié)、抗?jié)B、增強與液化處理的成功工程實踐，結(jié)合泄洪閘拆除改建，確定閘基地震液化處理措施采用單道雙排深孔高壓旋噴樁“網(wǎng)格圍封法”技術(shù)方案。以高壓將水泥漿液強制旋噴至深層地基中，形成大深度高強連續(xù)墻體，平面布置采用網(wǎng)格圍封型式，閘基深層高壓旋噴墻體縱橫相互交叉，通過圍封形成封閉網(wǎng)格柱，平面形成網(wǎng)格封閉塊，增強地層抗滑移穩(wěn)定性，限制并消除地層振動液化擴散與流動滑移，高壓旋噴使?jié){液在地層中產(chǎn)生滲透擴散，同時起到對地基深層固結(jié)凝聚，提高承載力、抗?jié)B性與滲透穩(wěn)定安全的多重作用。

高壓旋噴樁網(wǎng)格圍封閘室內(nèi)按照閘前與閘后縱向延伸11.3～11.9 m，兩側(cè)距不拆除現(xiàn)狀邊墩1.5 m控制，布置范圍總長42.7 m、總寬25.1 m，縱向4道、橫向5道，每道均為雙排，網(wǎng)格共計12塊，平面尺寸(縱8.0～10.3 m)×(橫4.7～6.25 m)；閘室外兩側(cè)縱向距現(xiàn)狀邊墩1.5 m各增加1道予以加強。旋噴樁樁徑1.0 m，樁長按2倍閘室高度確定為20.0 m，單道雙排布置，樁身單排中心距1.0 m，雙排相互搭接咬合中心距(排距)0.8 m。閘基地震液化處理高壓旋噴樁圍封網(wǎng)格平面布置及其大樣分別見圖5、6。

旋噴樁技術(shù)指標(biāo)為單樁樁體28 d齡期垂直極限載荷50.0～60.0 t；水平極限載荷3.0～4.0 t；平均抗折強度2.0～4.0 MPa；最大抗壓強度8.0～10.0 MPa；彈性模量1 000.0～8 000.0 MPa；干密度不低于1.6～2.0 t/m3；滲透系數(shù)不大于1.0×(10-5～10-6)cm/s。

圖5 閘基液化處理高壓旋噴樁圍封網(wǎng)格平面布置示意(單位：mm)

圖6 閘基液化處理高壓旋噴樁平面布置示意(單位：mm)

4.2 旋噴樁簡要施工技術(shù)要求

高壓旋噴樁按照單道雙排間隔分期、單排間隔分序方式進行施工，分期與分序要求間隔時間不少于2周，以確保旋噴樁凝固成型并達到一定強度，采用42.5級普通硅酸鹽水泥漿液，比重1.5，初始水灰比0.6～0.8。采用單管法施工，主要工藝流程為造孔、下旋噴注漿管、旋噴漿液三個步驟。注漿壓力20.0～35.0 MPa；漿液流量75.0～100.0 L/min；噴管提升速度15.0～30.0 cm/min；孔口漿液回漿密度不小于1.3 g/cm3；旋噴轉(zhuǎn)速取噴管提升速度的0.8～1.0倍，為12.0～30.0 r/min，單噴嘴取上限，雙噴嘴取下限。施工前通過現(xiàn)場試驗，修正確定壓力、漿液水灰比與流量、提升速度及轉(zhuǎn)速等技術(shù)參數(shù)。

旋噴注漿漿液須攪拌均勻，按一次連續(xù)注漿量隨用隨制備，自制備至用完時間不超過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%。采取邊低壓送漿邊孔內(nèi)下注漿管，以防噴嘴堵塞。待噴管下至要求深度后，開始高壓注漿連續(xù)旋噴1.0～3.0 min，當(dāng)孔口有漿液溢出時，按設(shè)定速度提升噴管連續(xù)旋轉(zhuǎn)，直至旋噴注漿完成，并及時利用回漿回灌至孔口漿液面不再下降。全過程須注重觀察并記錄漿液流量、壓力、提升速度與轉(zhuǎn)速等參數(shù)及其變化是否滿足要求。

高壓旋噴樁連續(xù)墻體達28 d齡期后，按一定比例采取鉆孔取芯、壓水及無側(cè)限抗壓強度等三種方法，對比設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，以及針對完整性、有無夾泥、是否存在斷裂等進行施工質(zhì)量試驗檢測，不滿足技術(shù)質(zhì)量要求時返工處理。

5 結(jié) 語

紅崖山水庫加高擴建工程大壩壩基及泄洪閘閘基為第四系沖洪積中細砂強透水層，地下水位高，地基細砂層深厚，通過顆分試驗初判及標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法試驗復(fù)判的地基砂層液化問題分析研究，絕大部分壩段壩基與泄洪閘閘基細砂及中砂層發(fā)生地震液化，存在不同程度振動液化危險性。

大壩壩基地震液化處理采用在后壩坡坡腳新建排水系統(tǒng)上部及其之外現(xiàn)狀地面以上夯實填筑壓(蓋)重層技術(shù)方案，按砂土層振動液化上覆有效壓強劃界標(biāo)準(zhǔn)，確定厚度為6.0～6.2 m，寬度以新建排水系統(tǒng)暗涵中心以外20.0 m控制。泄洪閘閘基地震液化處理采用單道雙排深孔高壓旋噴樁連續(xù)墻體“網(wǎng)格圍封法”技術(shù)方案，閘室內(nèi)縱向4道、橫向5道布置，總長42.7 m、總寬25.1 m，網(wǎng)格共計12塊，平面尺寸(縱8.0～10.3 m)×(橫4.7～6.25 m)，閘室外兩側(cè)縱向各增加1道予以加強。旋噴樁樁徑1.0 m，樁長20.0 m，單排中心距1.0 m，排距0.8 m，按雙排間隔分期、單排間隔分序方式施工。

紅崖山水庫加高擴建工程大壩壩基與泄洪閘閘基地震液化處理設(shè)計技術(shù)方案合理，實施效果良好，全面有效增強大壩與泄洪閘穩(wěn)定安全，達到預(yù)期目的。其設(shè)計為水庫樞紐建筑物，以及其他類似工程地基地震液化敏感地層處理提供借鑒。