浅谈崔贺庄水库大坝地震液化处理

侯中元滕红梅王 娟纪 伟杜 蓓

（1.江苏省徐州市水利建筑设计研究院 徐州 2210002.徐州市蔺家坝船闸管理所 徐州 221000）

1 工程概况

崔贺庄水库地处铜山县伊庄镇境内，废黄河北侧堰下，主坝3400m，副坝3300m，是一座以滞洪、分洪为主，结合蓄水灌溉的中型平原水库，总库容3549万m3，兴利库容2341万m3，设计洪水位34.34m，兴利水位33.5m，汛限水位32.5m，死水位29.00m。

水库大坝分主坝和副坝，主坝长3400m，坝顶高程37.00m，坝顶宽6m；副坝为废黄河北堰，坝长3300m，坝顶高程在37.80～36.60m之间，坝顶宽6～20m。

2 现状大坝地震动力安全性分析

2.1典型断面选择

典型剖面的选择主要根据坝高和坝基地质条件进行，以选择最不利的断面为原则，一方面考虑坝体高度较大的剖面，并兼顾围坝不同坝段，另一方面考虑地基液化土层较厚的剖面。崔贺庄水库选取了两个典型剖面，分别为：1+900（主坝）和 6+200（副坝）。

2.2计算方法和计算参数

2.2.1计算方法

坝体应力应变计算采用二维有效应力法和相应的EFESD程序进行。要点是先按Biot固结理论模拟初期坝施工填筑以及蓄水过程，得出正常蓄水位工况下坝基和坝体的应变、应力和孔隙水压力分布，然后假定某一时刻发生地震，把地震持续时间分成10个时段，对每一时段先进行动力分析，其动力方程采用wilsonθ的逐步积分法求解，积分步长为0.01s，每一时段结束后，求出各点的加速度和动应力、动应变，并用经验公式求得残余应变增量和剪应变增量，把上述这些应变增量作为初应变，然后按Biot固结理论进行一次静力计算，得出变形和孔隙水压力的发展，再转入下一时段的动力计算分析，如此反复进行直到地震结束。

2.2.2计算参数

该工程计算参数的土工试验是由南京水利科学研究院试验完成的。通过对计算选所截取的两个断面的①-1层素填土、②层粉土的c、φ、Rf、K、n等5个静力计算参数以及主坝 1+900断面②层粉土的 k1、k2、λmax、c1、c2、c3、c4、c5等 8个动力计算参数，根据上述试验确定，对计算模型涉及到的其他参数，则结合现场密度试验和静力触探资料根据工程类比法确定。

表1 崔贺庄水库主坝1+900

表2 崔贺庄水库主坝1+900

表3 崔贺庄水库副坝6+200

表4 崔贺庄水库副坝6+200

2.2.3计算工况

崔贺庄水库计算工况为正常蓄水位34.50m下发生7°地震。动力分析中输入地震波仍采用唐山迁安余震所记录的加速度曲线。由于坝址地震烈度为7°，将其最大加速度调整到1.0m/s2。计算时只考虑水平方向的地震波作用。

2.2.4大坝动力特性

主坝1+900断面在上游坝脚均存在较高的静孔隙水压力和超静孔隙水压力，由于上覆有效荷重较小，上游坝基粉土存在液化的可能性；而副坝6+200断面坝体内静孔隙水压力和超静孔隙水压力均较小，不存在液化的可能性。

主坝1+900指向上游侧的最大永久水平位移为6.7cm，指向下游侧的最大水平位移为5.3cm，最大永久沉降发生在坝顶，其值为7.8cm；副坝6+200指向上游侧的最大永久水平位移为4.3cm，指向下游侧的最大水平位移为2.7cm，最大永久沉降为6.4cm。

2.2.5坝坡动力稳定计算分析

动力稳定计算分析是研究坝体在发生地震情况下坝坡的稳定性，计算方法采用有效应力法，坝坡动力稳定分析所采用的强度指标如表1~4所示。

图1~2给出了主坝1+900和副坝6+200两个断面上、下坝坡动力稳定分析的结果。表5给出了采用Bishop法计算求得的上、下游坝坡的抗滑稳定安全系数。

由表5可见，静力情况下两个断面的上游坝坡其抗滑安全系数小于1.30，不满足《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定的要求，而下游坝坡具有较高的安全储备，满足《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定的要求；当发生7°地震时，两个断面的上游坝坡将可能失稳破坏，而下游坝坡的抗滑安全系数在动力情况下仍满足《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定的要求，具有较高的安全储备，地震时不会发生滑坡破坏。

表5 坝坡抗滑稳定安全系数

3 大坝抗震加固方案比选

根据大坝动力稳定计算结果，主坝断面1+900处上游坝坡在动力作用下的抗滑安全系数不满足规范要求，必须进行加固。加固方案以混凝土连续墙围封、振冲碎石桩和抛石压重等3种方案进行比选。

3.1混凝土连续墙围封方案

为解决坝基液化问题，沿大坝方向在上游坝脚外打一道塑性混凝土连续墙，以围封液化地基，墙的底部嵌入坝基粉砂土层以下1m，墙底高程23.8m，墙厚0.8m。

优点：具有良好的连续性和完整性，由于混凝土墙先成槽，后浇筑，施工质量有保证；适应变形能力强，可在狭窄场地条件下施工，对附近地面交通影响较小。缺点：该方案施工工艺复杂，施工速度慢；技术要求高，施工质量难以控制，须专业施工队伍施工；在上游坝脚外仍旧产生较大的超孔隙水压力，坝基存在液化的可能；工程投资相对较高。

3.2振冲碎石桩方案

将坝基液化区范围内土层进行振冲加固，在大坝迎水面坝脚向外打设5排碎石桩，在上游坝坡向上设3排碎石桩。桩径100cm，桩距2.5m，呈正三角形布置，振冲垂直深度平均为7m左右。

优点：采用振冲碎石桩加固地基后，由于碎石渗透系数较大，地震产生的孔隙水压力迅速消散，液化区域仅限于坝脚12m外，效果显著。缺点：振冲法对施工场地要求较高，必须将水库中的水放空或在水库上游构筑临时围堰并平整场地后方可施工；由于粉土颗粒较细，容易产生宽广的流态区；振冲加固对振冲电流、滞振时间、填料方式及提升速度均需严格控制，须专业施工队伍施工，技术要求高；土方开挖、回填量大，对现状坝身结构破坏较大，有一定风险性；投资较高。

3.3抛石压重方案

采用抛石对上游坝脚进行压重处理，迎水面采用堆石压重，压重范围为：距坝脚向外12m，抛石平均厚2.1m，迎水面边坡1∶2。

优点：在上游坡脚处抛石压重后，液化区域仅限于坝脚10m以外，效果显著；抛石压重可有效增加抗滑力，从而增加上游坝坡的抗滑安全系数；施工工艺简单，一般施工队均可满足工艺要求；投资最省。缺点：大坝上游坝坡、坝脚抛石压重，在一定程度上减少了少量库容。

4 结论与建议

通过大坝动力分析计算结果以及3种消液化方案比较，最终采用施工相对便利、投资节省且效果最为显著的抛石压重方案。

建议在水库除险加固时，如遇到地震液化的类似情况，在经过动力分析计算情况下，可优先考虑坝脚、坝坡采用抛石压重方案进行处理，既达到消液化效果，又能节省工程投资■