一种土石坝水下砂层地震液化压重加固结构及方法技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，更加具体来说是一种土石坝水下砂层地震液
化压重加固结构及方法。
背景技术
我国位于世界两大地震带―环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、
印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃。新中国成立后，我国兴建了大量的
土石坝，其中粘土心墙坝占很大的比例。由于历史原因，这些工程多属于“三边”工程，大坝
填筑采用“人海战术”，因此坝壳料在施工时碾压质量不好，密实度较低，抗震性能很差，尤
其是经过几十年的运行，老化病害严重，坝体浸润线以下饱和区，在地震时由于孔隙水压力
急剧上升，坝体或坝基砂土极易液化，使砂粒颗粒处于悬浮状态，丧失抗剪强度，对大坝安
全构成极大的威胁。
根据已有工程经验，砂体抗地震液化加固方法基本可分为置换法、加密法等。置换
法的加固思路是，挖除液化区砂体，换填抗液化性能好的材料如石渣料等，并碾压密实；加
密法的加固思路是，采用振冲加密方法，提高砂体的密实度，使砂体的抗液化能力显著增
强，从而达到抗震加固的效果。但对于土石坝水下砂层液化问题，采用置换法或加密法需要
大范围大深度扰动坝体或坝基，不仅非常不经济，而且受库水影响较大，难以应用于类似工
程中。
发明内容
本发明的第一目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种土石坝水下砂
层地震液化压重加固结构。
本发明的第一目的是通过如下技术方案来实现的：土石坝水下砂层地震液化压重
加固结构，在水面上方的一侧设置有水上石渣帮坡，所述的水面的下方设置有水下抛石区；
同时在已经完成抛石作业的水下抛石区上方临近坝体侧修建有临时堆料平台；
在坝体横向上等间距安装有定位木桩，在所述的定位木桩上引出绳索，所述的绳
索竖直平铺在水面上，并在另一端上设置有定位浮箱。
在上述技术方案中：在所述的绳索上等间距设置有浮漂，所述的浮漂之间的间距
为0.5米-2米。
在上述技术方案中：所述的浮漂之间的间距为1米。
在上述技术方案中：所述的水下抛石区按照每隔10-30米进行抛石。
在上述技术方案中：所述的水下抛石区按照每隔20米进行抛石。
本发明的第二目的是通过如下技术方案来实现的：一种土石坝水下砂层地震液化
压重加固方法，其特征在于：包括如下步骤；
①、水下抛投块石压重和抛石试验：
正式抛石施工前，应选取河床部位进行“抛石挤淤”现场试验，由所述的坝体的坝
坡向库内方向推进施工；
进行抛石试验区域，在抛石试验前对抛石试验区域水下地形进行测量，然后根据
设计断面图计算出抛石试验区的设计抛石量m；
试验抛石区完成后，可根据抛石顶面实际上升高程H1和理论上升高程H2，得出抛
石压入淤泥深度，检测抛石挤淤效果，并指导调整下一步的抛石方法；
②、抛石挤淤施工：综合使用探地雷达、钻孔勘探、钢管钎探的方法检测坝前淤泥
堆积情况及性状；
③、为方便装料，在已完成抛石作业的水下抛石区上方临近坝体侧修建有临时堆
料平台，即利用已实施过抛石的坝段形成的平台堆料，汽车直接上平台卸料，推土机供料，
挖掘机装船；
④、抛石定位控制：在平行于所述的坝体的轴线设x轴，垂直于坝体的轴线为y轴，
利用x、y轴线将抛石区划成网格状；
⑤、由经纬仪指挥抛石：在所述的坝体的x轴基准线控制点上布置布置木桩；
同时架设经纬仪，控制抛石区位，在木桩拉若干条互相平行的绳索，所述的绳索和
y轴将库内的抛石区域划分成若干相同大小的工作区域，所述的绳索另一端用定位浮箱，每
条绳索上按y轴控制线上每隔l米间距挂浮漂作标志点，并标明所述的浮漂距坝体轴线的距
离；
⑥、定位船和抛石驳船抛石：预先将定位船停靠在绳索上；指挥定位船沿绳索竖向
移动，始终保持抛石驳船与定位船位于同一条水平线上，待所述的抛石驳船进入预定的抛
石区域后，所述的抛石驳船按照经纬仪、定位船指挥的区位和排位航行，进行抛石作业；
⑦、抛石驳船到达现场后，用钢卷尺量出石料的体积，注意甲板上的石料是否平
铺，严禁石料架空；
⑧、由坡脚向库区内顺序抛石，利用抛石驳船进行抛石施工，便于挤淤；
⑨、每完成3-4层抛石后应进行一次水下地形测量，检查抛石效果，同时控制抛石
量m1；
⑩、施工完后采用超声波探测仪进行水下地形测量，测出水下地形分布图，检查抛
投效果。
在上述技术方案中：待水下抛石完毕后，再沿上游坝体上的原坝坡面的表面进行
水上石渣帮坡处理。
在上述技术方案中：原坝坡面的表面必须清除植物及根茎。
在上述技术方案中：在水上石渣帮坡上逐层放出各区的分界线，采用洒白灰线明
显的标记，同时对所述的水上石渣帮坡进行1m3反铲配合人工修坡；接着采用HD100型推土
机进行平料摊铺，整个铺料层在所述的坝体的坝面法线方向向两侧各超填20cm。
本发明具有如下优点：1、在水库蓄水的情况下能进行施工，不需要放空水库，对水
库的运行影响小。
2、相比其他的传统液化加固方法，具有不扰动原坝体、工程投资少、质量容易控
制、加固效果显著、环境影响小等优点。
3、可放缓坝坡，有效提高坝坡的抗滑稳定安全系数。
附图说明
图1为本发明土石坝水下砂层地震液化压重加固方法示意图。
图2为本发明中的水下格栅抛石的压重示意图。
图3为本发明中的水上石渣帮坡的结构示意图。
图中：水下抛石区1、水上石渣帮坡2、原坝坡面2.1、水面3、绳索3.1、浮漂3.1.1、定
位浮箱3.2、临时堆料平台4、抛石驳船5、坝体6、木桩6.1、定位船7。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅
作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
抛石料有如下要求：石料由弱风化、微新岩石组成，石质较坚硬，不易软化破碎；②
块石干容重大于26kN/m3，立方体抗压强度大于40MPa，软化系数不低于0.8；③石料中不含
石粉、土块、树根等杂质；④不使用薄片、条状、尖角等形状的块石及风化石与泥岩等；⑤底
层挤淤块石参考级配：最大粒径为200-300mm，中值粒径100-170mm，不均匀系数大于7，小于
20mm粒径石料重量百分比小于5％；⑥其余抛石参考级配：最大粒径不大于600mm，中值粒径
为150mm-240mm，不均匀系数大于10，小于10mm粒径重量百分比应小于5％。
参照图1-3所示：土石坝水下砂层地震液化压重加固结构，其特征在于：在水面3上
方的一侧设置有水上石渣帮坡2，所述的水面3的下方设置有水下抛石区1；在水上石渣帮坡
2临近水下抛石区1处设置有临时堆料平台4；在所述的水面3上设置有抛石驳船5；
在坝体6横向上等间距安装有定位木桩6.1，在所述的定位木桩6.1上引出绳索
3.1，所述的绳索3.1竖直平铺在水面3上，并在另一端上安装有定位浮箱3.2；在所述的绳索
3.1上等间距设置有浮漂3.1.1，所述的浮漂3.1.1之间的间距为0.5米-2米；所述的浮漂
3.1.1之间的间距最优为1米；所述的水下抛石区1按照每隔10-30米进行抛石；所述的水下
抛石区1按照每隔20米进行抛石(20米的抛抛石区域只是一个最优的值，在理论情况下，当
然是越小越精细)。
本发明一种土石坝水下砂层地震液化压重加固方法，包括如下步骤；
①、水下抛投块石压重和抛石试验：可综合使用探地雷达、钻孔勘探、钢管钎探等
多种方法检测坝前淤泥堆积情况及其性状。钢管钎探为潜水员用Φ33mm钢管对淤泥厚度进
行钎探，同时潜水员查清原坝面淤积分布情况；正式抛石施工前，应选取河床部位进行“抛
石挤淤”现场试验，由坝坡向水库方向推进施工。
正式抛石施工前，应选取河床部位进行“抛石挤淤”现场试验，由所述的坝体6的坝
坡向库内方向推进施工。土石坝坝前淤泥是由于水中泥沙沉积形成的，淤泥处于流塑状态，
抗剪指标低，需进行处理。“抛石挤淤”的原理是将抛石抛入水中，抛石体形成受力骨架，大
部分淤泥被抛石挤压寻找出路，由坝坡向水库方向推进，可将这部分淤泥“赶”进库内，还有
一部分淤泥在抛石的压力作用下发生变形，淤泥逐渐被挤密，孔隙水压力降低，土体中有效
应力提高，不易发生地震液化问题；
进行抛石试验区域，在抛石试验前对抛石试验区域水下地形进行测量，然后根据
设计断面图计算出抛石试验区的设计抛石量m；
试验抛石区完成后，可根据抛石顶面实际上升高程H1和理论上升高程H2，得出抛
石压入淤泥深度，检测抛石挤淤效果，并指导调整下一步的抛石方法；
②、抛石挤淤施工：综合使用探地雷达、钻孔勘探、钢管钎探的方法检测坝前淤泥
堆积情况及性状；
③、为方便装料，在已完成抛石作业的水下抛石区1上方临近坝体6侧修建有临时
堆料平台4，即利用已实施过抛石的坝段形成的平台堆料，汽车直接上平台卸料，推土机供
料，挖掘机装船；
④、抛石定位控制：在平行于所述的坝体6的轴线设x轴，垂直于坝体6的轴线为y
轴，利用x、y轴线将抛石区划成网格状；
⑤、由经纬仪指挥抛石：在所述的坝体6的x轴基准线控制点上布置布置木桩6.1；
同时架设经纬仪，控制抛石区位，在木桩6.1拉若干条互相平行的绳索3.1，所述的
绳索3.1和y轴将库内的抛石区域划分成若干相同大小的工作区域，所述的绳索3.1另一端
用定位浮箱3.2，每条绳索3.1上按Y轴控制线上每隔l米间距挂浮漂3.1.1作标志点，并标明
所述的浮漂3.1.1距坝体6轴线的距离(图中的箭头表示水流的流向，朝向坝坡)；
⑥、定位船和抛石驳船抛石：预先将定位船7停靠在绳索3.1上；指挥定位船7沿绳
索3.1竖向移动，始终保持抛石驳船5与定位船7位于同一条水平线上，待所述的抛石驳船5
进入预定的抛石区域后，所述的抛石驳船5按照经纬仪、定位船7指挥的区位和排位航行，进
行抛石作业；
⑦、抛石驳船到达现场后，用钢卷尺量出石料的体积，注意甲板上的石料是否平
铺，严禁石料架空；
⑧、由坡脚向库区内顺序抛石，利用开体式底卸机动石驳船进行抛石施工，便于挤
淤；
⑨、每完成3-4层抛石后应进行一次水下地形测量，检查抛石效果，(同时控制抛石
量m1比较H1和H2的高度差以及m和m1的抛石量，每三次或四次的抛投后进行一次校准，对后
续的抛投量进行校正；)
⑩、施工完后采用超声波探测仪进行水下地形测量，测出水下地形分布图，检查抛
投效果。
待水下抛石完毕后，再沿上游坝体6上的原坝坡面2.1的表面进行水上石渣帮坡2
处理。
原坝坡面2.1的表面必须清除植物及根茎。
在水上石渣帮坡2上逐层放出各区的分界线，采用洒白灰线明显的标记，同时对所
述的水上石渣帮坡2进行1m3反铲配合人工修坡；接着采用HD100型推土机进行平料摊铺，为
保证边缘压实度、预留接头部位碾压收边量，整个铺料层在所述的坝体6的坝面法线方向向
两侧各超填20cm。
某大型水库兴建于上世纪50年代，由于当时施工技术落后，坝体砂层相对密度低，
存在地震液化问题，影响坝坡稳定。鉴于加固期间水库无法放空，研究采用“水下抛石、水上
石渣料帮坡”压重法加固，有效解决了坝体液化带来的坝坡稳定问题，相比放空水库后采取
置换法加固，节省投资约700万元。
上述未详细说明的部分均为现有技术。