花涼山水庫(kù)黏土心墻砂殼壩抗震加固設(shè)計(jì)

花涼山水庫(kù)黏土心墻砂殼壩抗震加固設(shè)計(jì)

0大壩抗震問題花亭水庫(kù)位于安徽流域赤河支流的上游。這是一個(gè)集防洪和灌溉于一體的大型水庫(kù)（1）。壩址位于安徽省太湖縣境內(nèi),水庫(kù)控制流域面積1870km2,總庫(kù)容約24億m3,工程由大壩、溢洪道、泄洪洞、引水洞、電站等組成。大壩為碾壓式黏土心墻砂殼壩,最大壩高58m?；鐾に畮?kù)大壩興建于20世紀(jì)50年代末至60年代初,由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制,對(duì)土石壩抗震問題認(rèn)識(shí)不足,未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)[1~2],經(jīng)過對(duì)花涼亭水庫(kù)大壩進(jìn)行地質(zhì)勘察取樣試驗(yàn)和液化分析,由于大壩砂殼填筑相對(duì)密度較低,上游壩坡水下飽和砂土在7度地震作用下可能產(chǎn)生一定范圍的液化,并產(chǎn)生滑坡。大壩抗震安全不滿足要求,需要進(jìn)行抗震加固處理。由于水庫(kù)承擔(dān)有供水功能,大壩抗震加固必須在不放空水庫(kù)的條件下進(jìn)行。我國(guó)目前已進(jìn)行過抗震加固的土石壩不多,在土石壩的抗震加固方面的經(jīng)驗(yàn)較少,還沒有成熟的加固設(shè)計(jì)方法和技術(shù)規(guī)范。本工程根據(jù)砂土動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)成果采用進(jìn)行動(dòng)力有限元分析方法對(duì)大壩抗震加固方案進(jìn)行技術(shù)論證,并提出了幫坡壓重的抗震加固方案,即在上游壩坡的水下部分拋塊石幫坡壓重和水上部分填筑石渣料幫坡壓重,有效解決了水庫(kù)蓄水條件下的大壩上游壩坡的抗震加固問題,其經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒使用。1水庫(kù)抗洪性能分析1.1壩體不液化土的復(fù)判壩體土地震液化判別采用文獻(xiàn)的判別方法,先進(jìn)行初判,對(duì)初判可能發(fā)生液化的土層進(jìn)行復(fù)判。(1)初判花涼亭水庫(kù)壩殼砂顆粒小于5mm含量的質(zhì)量百分率在99%以上,黏粒含量的質(zhì)量百分率最大值10.1%,平均值為0.72%,皆在地震設(shè)防烈度7度液化界線16%以下,不能判定其為不液化土,再進(jìn)行復(fù)判。(2)復(fù)判a)按文獻(xiàn)的鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)進(jìn)行復(fù)判。即符合N63.5<Ncr要求的土應(yīng)判為液化土,N63.5為工程運(yùn)用時(shí),標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下ds(m)深度處的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù),Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。花涼亭水庫(kù)上游正常高水位為88.0m高程,上游壩坡現(xiàn)場(chǎng)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)復(fù)判結(jié)果見表1所示。結(jié)果表明7度地震時(shí),部分上游壩殼料的風(fēng)化土可能液化。b)按文獻(xiàn)相對(duì)密度法進(jìn)行復(fù)判。即在7度地震作用下,當(dāng)飽和無黏性土的相對(duì)密度Dr不大于0.7時(shí),可判別為可能液化土。花涼亭水庫(kù)大壩上游壩坡現(xiàn)場(chǎng)勘探鉆孔取樣檢測(cè)結(jié)果見表2,即相當(dāng)一部分壩體砂土相對(duì)密度小于0.7,故在7度地震作用下,有部分上游壩體為可液化土。上述兩種復(fù)判方法均顯示,部分上游壩殼料的風(fēng)化土和砂土為可能液化土。1.2壩體結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)分析為了解大壩現(xiàn)狀條件下遇7度地震時(shí)大壩上游坡水下砂土的液化情況,并驗(yàn)證壩體抗震加固方案可行性,委托南京水利科學(xué)研究院進(jìn)行了大壩地震液化的動(dòng)力有限元計(jì)算分析。(1)計(jì)算方法計(jì)算采用Biot固結(jié)理論有效應(yīng)力法。該方法的要點(diǎn)是:先按Biot固結(jié)理論模擬壩體的施工及蓄水過程,得出各個(gè)階段的壩體變形、應(yīng)力和孔隙水壓力分布,然后假定某一時(shí)刻發(fā)生地震,把地震持續(xù)時(shí)間分成10個(gè)時(shí)段,對(duì)每一時(shí)段先進(jìn)行動(dòng)力分析,其動(dòng)力方程采用Wilson的逐步積分法求解,積分步長(zhǎng)為0.01s,每一時(shí)段結(jié)束后,求出各點(diǎn)的加速度和動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變,并用經(jīng)驗(yàn)公式求得殘余應(yīng)變?cè)隽亢驼駝?dòng)孔隙水壓力增量,然后按Biot固結(jié)理論進(jìn)行一次靜力計(jì)算,得出變形和孔隙水壓力的發(fā)展,再轉(zhuǎn)入下一時(shí)段的動(dòng)力計(jì)算分析,如此反復(fù)進(jìn)行直到地震結(jié)束。動(dòng)力分析中輸入地震波采用唐山遷安余震所記錄的加速度曲線,由于壩址地震烈度為7度,將其最大加速度調(diào)整到1.0m/s2,持續(xù)時(shí)間為20s,見圖1。動(dòng)力分析中將輸入的地震波再分成10個(gè)小段,每一段由200個(gè)0.01s的時(shí)間增量組成,計(jì)算時(shí)只考慮水平方向的地震波作用。(2)成果分析大壩加固前正常水位作用下遇7度地震時(shí)的壩體地震液化度和液化區(qū)分布見圖2。其中地震液化度定義為超靜孔隙水壓力和震前上覆有效荷重的比值,如地震液化度<0.9,則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)椴灰夯?如0.9≤地震液化度<1.0,則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)榭赡芤夯瘏^(qū)域;如地震液化度≥1.0,則認(rèn)為該區(qū)域?yàn)橐夯瘏^(qū)域。抗震分析結(jié)果表明,大壩加固前,地震引起的最大超靜孔隙水壓力為28.6m,位于靠近上游心墻的壩體砂土中,上游壩殼中振動(dòng)孔隙水壓力由表向里遞增。由于上覆有效荷重較小,上游壩體砂土存在液化的可能性,見圖2中陰影部分,上游壩體砂土最大液化深度達(dá)10m。2在加固方法的研究中2.1大壩上游地區(qū)幫坡壓重和放坡措施根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn),砂土抗地震液化加固方法基本可分為置換法、加密法和壓重法等3類。置換法的加固思路是,將液化區(qū)砂土挖去,重新填筑石渣料等抗液化性能較好材料;加密法的加固思路是,采用振沖加密密方法,提高砂土的密實(shí)度,使砂土密實(shí)度達(dá)到抗地震液化的能力;壓重法的加固思路是,在液化區(qū)砂土上加壓重,提高砂土的有效應(yīng)力,從而使砂土達(dá)到抵抗地震液化的能力。如北京密云水庫(kù)潮河土壩上游壩坡存在地震液化問題,其抗震加固采取水下部分拋石壓坡(施工期水位以下)、水上部分置換石渣料的綜合方法加固;山東岸堤水庫(kù)大壩上游壩坡存在地震液化問題,其抗震加固中,水下部分采取拋石壓坡(施工期水位以下)、水上部分采用振沖加密的綜合方法加固?；鐾に畮?kù)上游壩坡抗震加固方案研究中,曾比較過將大壩上游坡水下表層4~10m液化區(qū)的砂土全部置換成抗震性能較好的石渣料,且上部結(jié)合壩坡穩(wěn)定要求和壩頂寬度要求適當(dāng)幫坡放緩壩坡的方案。因該方案需要放空水庫(kù),引起水庫(kù)周圍城鎮(zhèn)供水難以解決、電站發(fā)電損失較大及需要做導(dǎo)流圍堰等問題,且投資較大,予以放棄。也研究過采用振沖加密液化區(qū)砂土的加固方案,因振沖設(shè)備在壩坡上移動(dòng)存在較大難度,同時(shí)水下壩體中砂難以加密到相對(duì)密度達(dá)到0.75以上的抗液化要求,也予以放棄。經(jīng)研究比較,最后確定采用幫坡壓重方案。即上游壩坡采取幫坡壓重和放緩壩坡的措施來提高壩坡水下砂土的抗液化能力及壩坡的穩(wěn)定性。其中高程66.5m以下的水下部分采取拋填塊石料,高程66.5m以上的水上部分填筑石渣料。加固后壩坡坡比為1∶2.75,1∶3.0,1∶3.0,1∶4.0,1∶4.0,并于高程88.5m設(shè)置2.7m寬?cǎi)R道,高程79.0m設(shè)置2.0m寬?cǎi)R道,高程70m設(shè)置18.0m寬平臺(tái)(該處原高程66.5m設(shè)置20.0m寬平臺(tái)),高程58.5m設(shè)置12.75m寬平臺(tái)(該處原高程55.0m設(shè)置18.0m寬平臺(tái)),見圖3。經(jīng)過對(duì)大壩上游砂土的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)及大壩地震液化動(dòng)力有限元分析,上游壩坡表層施加3.5m厚的石渣料幫坡加重后,液化區(qū)完全消失,因此幫坡壓重厚度按不小于3.5m控制。加固后壩體典型斷面地震液化度分布見圖3。2.2拋填塊石粒徑及級(jí)配壓重料分水下拋填塊石料和水上填筑石渣料兩個(gè)部分。由于它們位于壩體砂土的上部表面,為了滿足抗震加固要求,壓重材料一方面要求其達(dá)到較好的密實(shí)性,即具有較高的強(qiáng)度,同時(shí)還要求具有較好的透水性。(1)水下拋填塊石料水下拋填塊石體的強(qiáng)度和透水性比較容易達(dá)到要求,但花涼亭水庫(kù)壩前庫(kù)底存在厚約1m的淤泥。為了使水下拋填塊石能嵌入到淤泥層底部,并使淤泥能較好固結(jié),從而使拋石體底部淤泥層具有較好的穩(wěn)定性,根據(jù)潮河土壩水下拋塊石料試驗(yàn)及施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)拋填塊石的粒徑和級(jí)配提出如下要求:最大粒徑不小于600mm,中值粒徑為150~240mm,不均勻系數(shù)大于10,小于10mm粒徑重量百分比應(yīng)小于5%。(2)水上填筑石渣料為了使填筑石渣料的強(qiáng)度和透水性達(dá)到要求,對(duì)石渣料提出如下要求:具有良好級(jí)配,最大粒徑應(yīng)小于鋪層厚的2/3(小于40mm),粒徑<0.1mm的顆粒(含泥量)小于5%,粒徑>5mm的含量大于70%,干重度大于20.5kN/m3,孔隙率不大于20%。3抗滑壩加固處理經(jīng)過對(duì)花涼亭水庫(kù)黏土心墻砂殼壩進(jìn)行地質(zhì)勘察取樣試驗(yàn)和液化分析,由于其上游壩坡砂土密實(shí)度不夠,在7度地震時(shí),水下部分可能發(fā)生液化并產(chǎn)生滑坡,需要進(jìn)行抗震加固處理。我國(guó)