花凉山水库坝基砂地震液化分析

花凉山水库坝基砂地震液化分析

1拦河大坝压地源地花亭水库位于安徽省太湖县安徽支流的长河上。属于长江水系。是一项集防洪、灌溉、发电于一体的大型节水项目，包括渔业、交通运输、旅游开发等综合效益。控制流域面积1880km2,总库容23.93亿m3。水库枢纽工程由拦河大坝、溢洪道、泄洪隧洞、发电引水隧洞及电站厂房等组成。拦河大坝为碾压式粘土心墙砂壳坝,大坝采用水平粘土铺盖加粘土心墙防渗,坝顶高程99.4m,最大坝高57.9m,坝顶长566m、宽6.7m。水库于1958年动工兴建,1960年开始蓄水,1970年续建,到1976年主体建筑物基本完成。由于大坝存在质量问题,水库一直未能正常蓄水,近期按蓄水位82.8m控制运行。2003年6月进行了大坝安全鉴定,评定为Ⅲ类坝。坝址区基岩为太古界大别山群桥岭组(Arq)系列片麻岩,岩体风化较强烈,强风化埋深4～16m。区内断层、裂隙不发育。坝基有约3～12m厚砂层,进行了爆炸密实处理,据勘察资料分析,坝基砂土颗粒组成较均匀,结构较紧密,相对密度0.50～0.68。大坝上、下游坝坡为中粗砂和部分风化土。工程区地震动反映谱特征周期0.35s,峰值加速度为0.05g,对应地震基本烈度为6度,水库工程按7度设防。饱和状态的坝基砂层和坝壳砂土,在7度地震时,可能产生振动液化。2地震作用方面造成饱和砂土层液化的因素,从砂土地质条件考虑,主要包括土的相对密度、颗粒组成、松密程度、结构强度、排水条件等;从地震作用方面,主要包括振动幅值、振动历时、频率等。花凉亭水库大坝砂土地震液化判别包括饱和状态的坝基砂层和坝壳砂土两个方面。2.1坝壳砂质及初判结果1959年建坝时,坝基砂层进行了爆炸密实方法处理。坝基土主要为灰黄色粉质壤土、粉细砂、中粗砂,厚度一般为3～12m。坝基砂层颗粒较均匀,表层疏松,厚度与密实度分布不一致。坝基砂土取样试验成果见表1。从统计结果来看,坝基砂土干密度平均值1.64g/cm3,孔隙比平均值0.65,处于中密状态,不均匀系数2.56,压缩系数平均值0.33MPa-1,压缩模量平均值12.2MPa,具中等压缩性。坝壳砂料主要为中、粗砂,以及片麻岩全风化砂土(简称风化土),上游坝壳砂干密度平均值1.50g/cm3,孔隙比平均值0.69,处于密实状态,坝壳中、粗砂粒径小于5mm颗粒含量均在99%以上,粘粒含量最大值为7.6%。坝壳风化土砂粒小于5mm的颗粒含量均在99%以上,粘粒含量1.5%～13.9%,平均值为6.8%。坝壳砂土主要物理性质指标见表2。依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99)土的液化判别标准和大量的工程实验,对坝基砂土和坝壳砂土进行液化初判。花凉亭水库抗震设防烈度为7度,对坝基和坝壳砂土层地震液化初判结果见表3。从表3中看出,在地震烈度为7度时,初判下游坝壳砂土为不液化土;坝基砂液化可能性较小和上游坝壳砂土土存在液化的可能性较大,应进行地震液化复判。2.2震液化复判对初判可能发生液化的土层,应进行地震液化复判。对坝基砂土和坝壳砂土主要利用标准贯入锤击数法、相对密度复判法、相对含水量或液限指数复判法进行复判。(1)坝基、坝壳砂复判结果坝基标贯试验钻孔3个,加之前期6个钻孔,共28段次,基本对坝基埋藏深度在20m以内范围的砂土有钻孔控制。按标准贯入锤击数法判别部分结果见表4。设计阶段上游坝坡补充4个钻孔,在2.5～15m深度内共进行了17段次标准贯入锤击试验,考虑库水位目前限制运行高水位82.8m及正常蓄水位88.0m两种情况,试验数据及判别评价结果详见表5、6。从坝基和坝壳砂复判结果来看,排除部分标准贯入点在地面以下15m以上深度的标贯点,坝基砂校正后的标准贯入锤击数N63.5仍均大于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr,不存在液化可能;坝壳砂土在库水位82.8m时无液化现象产生,库水位88m时,利用实测标准贯入锤击数法进行复判N63.5<Ncr,坝壳砂土局部存在液化可能。(2)砂体砂相对密度在坝基标准贯入试验钻孔中,共取了6组砂土原状样进行试验,坝基砂最大干密度平均值为1.95g/cm3,最小干密度平均值为1.44g/cm3,见表7。根据试验结果,上游坝壳砂最大干密度平均值为1.77g/cm3、最小干密度平均值为1.30g/cm3,上游坝体砂的平均干密度为1.54g/cm3,对应相对密度约为Dr=0.59,表层砂土属于中密状态,深部砂土相对密度较大,为密实状态,见表8。在地震设防烈度7度时,饱和无粘性土的液化临界相对密度为70%,坝基有二组样、上游坝壳大部分砂土相对密度值小于0.7,表明在7度地震作用下,部分饱和坝基砂和坝体砂有液化的可能,但坝基砂据标贯击数判定为不液化土,且坝基砂在坝体以下,坝基砂应不存在液化的可能。(3)坝壳砂相对含水量或液性指数无明显差异上游坝壳对应于标准贯入试验钻孔CZK08、CZH18、CZK19的砂土取原状样,进行土工试验。坝体砂土的粘粒含量Pc=1.5%～13.9%、孔隙比0.62～0.87,塑性指数Ip=14.7%～17.2%,为少粘性土,当相对含水量大于或等于0.9时,或液性指数大于或等于0.75时判别法对砂土液化判别评价见表9。从表9可以看出,坝壳砂土相对含水量或液性指数液化判别评价上游坝壳砂土在目前限制水位运行工况不存在液化的可能。通过标准贯入锤击数法、相对密度复判法、相对含水量或液限指数复判法,对坝基砂层和坝壳砂土振动液化进行了复判,虽然坝基砂局部相对密度不符合地震设防烈度7度时的要求,但据标准贯入击数判定坝基砂为不液化土,且坝基砂在坝体以下压实多年、建坝之前又进行了爆炸振密处理,由于坝基上覆有效荷载较大,坝基砂不存在地震液化的可能。在地震设防烈度7度时,上游坝壳砂土相对密度Dr大部分小于0.7,在正常蓄水位88m时,校正后的标准贯入锤击数N63.5部分小于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr,局部存在液化可能性较大。3坝体地震反应分析大坝砂土液化判别表明,水库正常运行时,在7度地震作用下上游坝体砂可能发生液化,使上游坝坡会发生失稳破坏。由于花凉亭水库规模较大,为全面分析和评价水库大坝在地震作用下的抗震安全性,对坝基砂层、坝体砂土进行了静、动三轴等动力特性试验,并采用有限元法进行地震动力反应分析,评价地震动力反应的程度、动孔隙水压力分布,对存在液化土的情况进行液化可能性判别、结合动力分析结果进行坝坡稳定性分析。动力分析由水利部南京水利科学研究院承担,计算采用Biot固结理论有效应力法。方法的要点是:先按Biot固结理论模拟坝体的施工及蓄水过程,得出各个阶段的坝体变形、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振动孔隙水压力增量,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。各个时刻的孔隙水压力分布求出后,即可用Bishop的简化有效应力法进行抗滑稳定分析,从而获得相应的安全度评价。动力反应共对大坝现状断面进行以下4种工况的计算:①正常水位88.0m,相应下游水位44.98m;②设计水位95.35m,相应下游水位51.50m;③校核水位97.63m,相应下游水位53.00m;④正常蓄水位(88.0m)下发生7度地震,相应下游水位44.98m。动力分析中输入地震波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度,将其最大加速度调整到1.0m/s2,持续时间为20s,计算时只考虑水平方向的地震波作用。通过分析地震结束后坝体内超静孔隙水压力及液化度的大小评价地震液化情况,见图1、2。地震液化度等于超静孔隙水压力与震前上覆有效荷重的比值,如地震液化度小于0.9,则认为该区域为不液化;如地震液化度为0.9～1.0,则认为该区域为可能液化区域;如地震液化度不小于1.0,则认为该区域为液化区域。从图1、2动力分析结果表明,地震引起的最大超静孔隙水压力为28.6m,位于靠近上游心墙的坝体砂中,上游坝壳中振动孔隙水压力由表向里递增,坝基砂层最大超静孔隙水压力不大于10m。在7度地震作用下,坝基地震液化度小于0.3,不产生液化;上游坝体表层砂土地震液化度在0.9～1.0之间,砂土可能发生液化,最大液化深度约为10m。4坝体液化可能(1)坝基砂层局部相对密度不符合地震设防烈度7度时的要求,但据标准贯入击数判定坝基砂为不液化土,且坝基砂在坝体以下压实