门楼水库主坝坝壳抗震加固设计与应用

乔 兵 张大雷 柳 娜

（1.烟台市水利建筑勘察设计院 山东烟台 264001；2.烟台市胶东地区引黄调水工程建设管理局 山东烟台 264001）

1 工程概况

门楼水库位于烟台市福山区门楼镇西南2km处，内夹河下游，是一座防洪、城市供水、灌溉、养殖等综合运用的多年调节大（2）型水库。水库控制流域面积1079km2，总库容2.44亿m3，兴利库容1.264亿m3，死库容0.1亿m3。下游防洪保护区内有烟台市福山区、芝罘区、烟台经济技术开发区的28万人口，0.53万hm2耕地，以及兰烟铁路等重要基础设施。

水库于1960年11月底建成，据大坝安全鉴定，主坝上游坝壳和坝基砂相对密度分别为0.36～0.47、0.62，在地震设防烈度Ⅶ度条件下，存在液化的可能，影响大坝的安全。水利部大坝安全管理中心以坝函[2007]2563号文对门楼水库安全鉴定成果提出了核查意见。其中，主坝上游坝壳抗震加固是门楼水库除险加固的重中之重。

2 主坝砂壳质量及震动液化评价

2.1 主坝砂壳质量评价

根据地质勘察资料，主坝上游坝壳由含砾细砂—中砂填筑，砾石含量约 15%～20%。含砾细砂—中砂平均干容重1.49～1.57g/cm3，湿容重1.58～1.67g/cm3，相对密度0.44～0.47，标准贯入击数为5～13击，属松散—稍密状态。

2.2 主坝坝壳震动液化评价

主坝上游坝壳砂在库水位以下呈饱和状态，粒径小于5mm颗粒含量质量百分率大于30%，其中粒径小于0.005mm颗粒含量质量百分率小于地震设防烈度的界限值16%。初判坝壳砂存在地震液化的可能，按标准贯入试验法和相对密度法进行复判。

2.2.1 标准贯入试验法

根据《水利水电工程地质勘察规范》，采用公式计算临界标贯击数值。计算及判别结果见表1。

2.2.2 相对密度法

根据《水利水电工程地质勘察规范》，当饱和无黏性土的相对密度不大于液化临界相对密度0.70时，判为可能液化土。判别结果见表2。

从表1、表2判别结果看，主坝上游坝壳砂多属松散—稍密状态，综合评价为可液化土，必须进行抗震加固。加固范围为桩号0+050～1+050坝段，长1000m。

3 主坝上游坝壳抗震加固方案

门楼水库死水位 20.5m，河底高程 13.0m，由于水库向烟台市区供水，为保证城市供水安全，施工时库水位不能降得太低。根据城市供水要求，确定施工控制水位为23.0m，水深10m。为此，坝壳抗震加固不可能单独采用一种方法来实现，必须是一种综合的加固处理方案。

表1 主坝砂壳震动液化评价表（标准贯入试验法）

表2 主坝砂壳震动液化评价表（相对密度法）

3.1 水下坝壳抗震加固方案

对水下坝坡坝壳加固，提出了 2个加固方案：一是在坝前修筑一道13m高1000多米长的土石围堰，并作防渗处理，将围堰内的水排除、清淤后，坝坡采用振动碾压方法进行加固；二是对水下坝壳及坝脚进行抛石压重和振冲加固。经综合分析比较，水下坝壳加固方案为抛石压重和振冲加固相结合。

3.2 水上坝壳抗震加固方案

水上坝壳加固可行方案有振动水冲法和振动碾压法两种。通过对2个方案进行技术经济比较，其工程投资比较接近，振动碾压方案虽然较振冲加固方案施工期需要较大的施工场面，工程量大、工序间相互有一定的干扰，但其施工工艺简单、技术可行、施工质量易保证、工期短、投资略省。为确保工程加固质量，确定施工控制水位以上的坝壳抗震加固方案为振动碾压法。

4 工程设计

4.1 水下抛石压重工程设计

本着施工方便、节省投资的原则，设计中拟定了若干个抛石压重体断面，并经抗震动力稳定分析，确定抛石压重体为复式断面，设二级平台。底部一级平台顶高程为23.5m，顶宽18.40m，外边坡 1∶1.0，压重体外坡脚距坝脚水平距离不小于 8.0m；顶部二级平台顶高程为 25.00m，顶宽10.0m，外边坡为 1∶3.0。压重体设计孔隙率为25%，干容重为20kN/m3。

4.2 水下坝壳振冲加固设计

4.2.1 振冲加固范围和深度

根据坝体土料动力分析报告，上游坝壳23.50m 高程以上采用碾压加固，高程 23.50～17.00m范围内位于水下，无法进行碾压，设计采用振冲加固措施。振冲范围是桩号 0+050～0+950。

4.2.2 填料

根据 DL/T5214—2005《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》，振冲填料宜采用含泥量不大于 5%的碎石、卵石、砾石、砾（粗）砂、矿渣，或其他无腐蚀性、无污染、性能稳定的硬质材料。门楼水库主坝上游坝壳由砾细砂—中砂组成，结构松散，其相对密度值为0.46。填料选用碎石，并采用粒径为20～40mm和40～80mm二级配石子，两种石子的比例分别为 60%和40%，填料中含泥量不大于5%。

4.2.3 振冲孔布置

振冲孔距根据单位体积所需填料数量初步计算拟定，结合工程试验最终确定。根据计算结果，振冲孔采用梅花型布置，振冲孔顺坝轴线方向和垂直于坝轴线方向的孔距均为1.5m，共10排。

4.2.4 振冲器选择及参数

根据工程施工经验，选择75kW振冲器，型号为BJ75型。初拟施工工艺参数为：75kW振冲器加密电流80A，加密水压0.1～0.3MPa，至孔底时适当减小。提升速度每次0.2～0.3m，留振1.0m in。

4.3 水上坝壳翻压加固设计

图1 主坝上游坝壳抗震加固设计图

4.3.1 坝壳料选择

由于原坝壳砂料为含中砂细砂，无法进行压实，因此对坝壳翻压料有以下2种选择。一是将原坝壳砂料外运至弃土场，从料场采购符合标准的砂砾料上坝碾压；二是将原坝壳砂料部分利用与外购的砂砾料掺和后上坝碾压。经对2个坝壳料方案进行技术经济比较，方案2较方案1投资大，且原坝壳砂的利用率也不高，并需增加砂料掺和工作量，延长了工期，因此设计选用方案1，即坝壳料全部外购方案。

4.3.2 坝壳碾压参数设计

根据本工程特点，坝壳碾压采用机械化作业，利用100马力推土机配合135kN振动碾施工。采用从料场外购的砾砂进行压实，铺土厚度为40～60cm，碾压4～6遍，加水量为20%～40%，相对密度不小于0.75。坝壳碾压时，若遇砂料内夹有淤泥或大的石块应全部清除。施工前应通过现场试验确定其最优含水量、铺土厚度及碾压遍数，并根据试验情况进行适当调整，使其达到设计的相对密度值。

主坝坝壳加固设计断面及加固后坝体抗液化安全度分别见图1、图2。

图2 抗震加固后地震波作用下坝体抗液化安全系数值图

5 工程施工

5.1 抛石压重工程施工

拆除的旧护坡石采用人工或机械运输就近抛投。场外料场及溢洪道开采的石料由自卸汽车运输，按设计断面尺寸分别从左、右岸抛投。为保证施工质量，水下每抛投一段，定期派潜水员进行水下检测。该工程共检测断面 36个，每个断面测点 18个，水上采用灌砂法检测抛石体干密度，检测结果均达到了设计要求。

5.2 坝壳振冲工程施工

工程施工前，根据坝壳地质情况分四个区进行了振冲试验。按照试验结果确定振冲施工参数如下：桩距 1.5m，排距 1.5m，填料方式为连续填料，加密水压 0.2MPa，加密电流 80A，加密时间 12～16s，单孔振冲时间 12～15m in。从振冲检测结果看，加固后的上游坝壳相对密度均达到了0.75以上，满足设计要求。

5.3 坝壳碾压工程施工

在高程23.5m开挖工作面，宽度为25.27m，开挖边坡 1∶1.5。开挖出的土料运至溢洪道右岸堆放，然后将从料场外购的砾砂，推平压实。施工前针对土料和机械的实际情况现场进行了碾压试验，确定每层铺土厚度不大于 0.5m、碾压遍数为 4～5遍，洒水量视填土含水量随时进行调整，经测试相对密度均达到了0.75以上。

6 结语

门楼水库除险加固工程已经通过了竣工验收。经检测，主坝上游坝壳加固质量完全达到了设计要求。从施工到运行情况看，设计所采用的水下抛石压重、振冲，水上坝壳振动碾压的综合加固方案，完全适合本工程的实际情况，既节省了投资，缩短了工期，又保证了工程质量。