渭南北灣水庫(kù)庫(kù)壩地基砂礫土液化判別淺議

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(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院勘察分院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

砂礫土是指礫粒含量最多，在33%～50%之間，且砂粒含量多于粉粘粒的礫類土。在以往地震中很少出現(xiàn)砂礫土的液化現(xiàn)象,因此對(duì)砂礫土在地震中是否發(fā)生液化問(wèn)題存在很大爭(zhēng)議。汶川地震發(fā)生以后，有學(xué)者對(duì)地震主震區(qū)的砂礫土進(jìn)行了研究分析，認(rèn)為8級(jí)地震下砂礫土存在液化問(wèn)題[1]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)砂礫土液化的震害研究不多，現(xiàn)有的液化判別方法也不成熟。其判別方法主要是建立在砂土液化判別方法的基礎(chǔ)上，對(duì)砂礫土能否適用還尚不可知。另外，砂礫土(粗粒土)場(chǎng)地上不能實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，因此現(xiàn)有規(guī)范中采用標(biāo)貫試驗(yàn)的液化判別方法并不適用于砂礫土。

目前國(guó)外對(duì)砂礫土的液化判別方法有：日本學(xué)者提出的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)方法[2]和美國(guó)學(xué)者提出了基于貝克貫入試驗(yàn)(BPT，Becker Penetration Test)的砂礫土液化判別方法[3]。這兩種方法都有其自身局限性，砂礫土動(dòng)三軸液化實(shí)驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用上受到很大限制；BPT試驗(yàn)方法國(guó)內(nèi)很少使用。

鑒于此，我國(guó)學(xué)者通過(guò)對(duì)汶川8級(jí)地震主震區(qū)的砂礫土液化現(xiàn)象進(jìn)行研究，以規(guī)范[4]中砂土的剪切波速液化判別方法為基礎(chǔ)，建立了一個(gè)新的模型公式[5]判別砂礫土的液化性。本文以渭南市蒲城北灣水庫(kù)工程現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)試為基礎(chǔ)，采用該模型公式對(duì)工程區(qū)的砂礫土進(jìn)行液化判別。

1 工程地質(zhì)背景

北灣水庫(kù)工程位于洛河渡槽下游右岸的一級(jí)階地上，利用岸邊自然邊坡，臨河右側(cè)修建堤防而成。北灣水庫(kù)工程總庫(kù)容為944萬(wàn) m3，正常蓄水位371 m，淤積水位359.8 m。大壩類型初選為當(dāng)?shù)夭牧系谭?，按照均質(zhì)土壩標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

選定壩址在北灣村，大壩線起于北灣坡下村以北750 m左右，沿著洛河右岸河堤向下游延伸，止于龍陽(yáng)南一抽水站附近，大壩線長(zhǎng)約1.6 km。工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。

1.1 地形地貌

工程區(qū)位于黃河西岸的渭河盆地中，北部緊鄰北山，南部為渭河沖洪積平原，西部與石川河接壤，地形總體表現(xiàn)為北高南低，地面高程在1 100～320 m之間，南北高差懸殊，呈階梯狀向渭河傾降。

庫(kù)壩區(qū)大部分位于洛河一級(jí)階地上，東側(cè)局部為洛河高漫灘，西側(cè)為后期土料場(chǎng)開挖后部分為二級(jí)階地。

1.2 地層巖性

據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和鉆孔揭示，庫(kù)區(qū)、大壩所處地層主要為第四系上更新統(tǒng)～全新統(tǒng)河流相沖洪積堆積的砂壤土、壤土、卵礫石、細(xì)砂等，具體如下：

④全新統(tǒng)沖積堆積(Q42al)為洛河河漫灘及庫(kù)區(qū)西南處沖溝堆積物，按不同地段及巖性分為四層：

④-1層為洛河河漫灘砂壤土，厚度11～12 m，灰色，濕，硬塑狀態(tài)，含少量砂質(zhì)，土質(zhì)疏松，層位穩(wěn)定，分布在河漫灘上部；

④-2為礫石層，厚1.7～3.5 m，雜色，以灰?guī)r，砂巖等為主，最大粒徑約6 cm，中細(xì)砂充填，稍密狀態(tài)，具強(qiáng)透水性，分布在河漫灘下部，層位較穩(wěn)定，夾層穩(wěn)定性差；

④-3為細(xì)砂層，厚0.9 m，灰黃色，成分以石英、長(zhǎng)石為主，具水平層理，稍密～中密，呈透鏡體狀分布在河漫灘下部。

⑤全新統(tǒng)沖積堆積(Q41al)為一級(jí)階地堆積物，分為四層：

⑤-1層砂壤土：分布在階地上部，灰色，稍濕，硬塑，含少量砂質(zhì)，土質(zhì)疏松，層位穩(wěn)定；

⑤-2層砂礫石：分布在階地下部，雜色，厚0.4～4.2 m，雜色，以灰?guī)r，砂巖等為主，最大粒徑約6 cm，中細(xì)砂充填，稍密，具強(qiáng)透水性，層位基本穩(wěn)定，局部相變?yōu)榧?xì)砂層，在ZK4鉆孔中可見，厚度小，其為一級(jí)階地的基底。

⑤-3為細(xì)砂層，成分以石英、長(zhǎng)石為主，具水平層理，稍密～中密，呈透鏡體狀分布在一級(jí)階地下部。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于中朝準(zhǔn)臺(tái)地(Ⅰ)中汾渭斷陷(Ⅰ2)區(qū)內(nèi)的渭河斷凹(Ⅰ21)帶上，屬新生代復(fù)雜的“箕狀”地塹式斷塊凹陷，受斷凹北緣北山山前與南緣秦嶺山前兩大斷裂所控制。此帶西起寶雞，東到潼關(guān)，長(zhǎng)約300余公里，寬約30～60 km，表面陸相堆積層厚度大于7 000 m，與秦嶺地形高差3 000多米，總斷距上萬(wàn)米。

1.4 地震基本烈度

工程區(qū)位于中朝準(zhǔn)臺(tái)地汾渭斷陷區(qū)內(nèi)的渭河斷凹帶上,依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015(1:400萬(wàn))，工程區(qū)Ⅱ類場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度a為0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期T為0.40 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。在庫(kù)區(qū)南約幾百米處為地震動(dòng)峰值加速度0.15 g與0.20 g的分界線，其以南地區(qū)相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度，建議調(diào)蓄水池工程區(qū)地震基本烈度按Ⅷ度考慮。

1.5 水文地質(zhì)特征

庫(kù)區(qū)水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，地下水類型為松散層孔隙潛水，含水層為一、二級(jí)階地的壤土、砂壤土、細(xì)砂及礫石層等，由西側(cè)黃土塬地下水、降水及灌溉等補(bǔ)給，由西至東向洛河排泄，水量頗豐，據(jù)調(diào)查多年前洛河漫灘前緣泉水眾多，且流量較大，最近幾年由于村民在二級(jí)階地前緣打井取水，泉水消失，單井出水量可達(dá)60～80 m3/h，一方面說(shuō)明含水層水量豐富，另一方面也說(shuō)明含水層滲透性能強(qiáng)。

在本次勘察觀測(cè)地下水位均高于河水位，即地下水補(bǔ)給河水。水庫(kù)建成后，水文地質(zhì)環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，尤其是關(guān)閉了西側(cè)岸邊的機(jī)井后，水位會(huì)有較大幅度的恢復(fù)，地下水位會(huì)抬升。

圖1 液化以及非液化點(diǎn)砂層埋深與地下水位深度關(guān)系

2 砂礫土液化判別模型的介紹

在相同波速條件下，砂礫土與砂土密實(shí)度不同，這也是采用砂土液化判別方法來(lái)判別砂礫土液化產(chǎn)生誤判的原因。例如，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的剪切波速超過(guò)220 m/s后，對(duì)砂土來(lái)說(shuō)是密實(shí)的，不發(fā)生液化；但對(duì)砂礫土場(chǎng)地來(lái)說(shuō)土層仍處于松散狀態(tài)，存在液化的可能。因此，砂土剪切波速液化判別方法對(duì)砂礫土的液化判別并不適用。

雖然規(guī)范砂土的液化判別方法不適于砂礫土，但仍可將砂礫土的液化判別方法分為初判和復(fù)判兩個(gè)部分。

2.1 初判條件

對(duì)符合下列三個(gè)條件的砂礫土，初步判定不會(huì)發(fā)生液化或者可不考慮液化影響：

(1)土層地質(zhì)時(shí)代條件。第四紀(jì)更新世QP(含更新世QP )以前的地層，可判為不液化。

(2)土層埋藏條件。將地震砂礫土液化及非液化點(diǎn)砂層埋深與地下水位深度繪于圖1，上覆非液化土層厚度和地下水位深度大于圖1的數(shù)值，可不考慮液化影響。

(3)土層含礫量。當(dāng)7、8、9度時(shí)含礫量分別超過(guò)70% 、75% 和 80% ，可判為不液化。

2.2 復(fù)判公式

采用剪切波速判別砂礫土層的液化時(shí)，可將復(fù)判計(jì)算公式寫為

Vs-cr=Vs-0[1+αw(dw-2) +αs(ds-3)][1+αp(P5-50%)]

式中：Vs-cr為臨界剪切波速；Vs-0為剪切波速基準(zhǔn)值；αw為地下水位影響系數(shù)，αs為砂礫層埋深影響系數(shù)，αp為含礫量影響系數(shù)。根據(jù)汶川地震主震區(qū)附近 45 個(gè)砂礫土液化場(chǎng)地的數(shù)據(jù)研究，提出αw、αs、αp分別為0.06、-0.06 、0.5。

在完成初判條件后，當(dāng)實(shí)測(cè)的剪切波速Vs大于臨界的剪切波速Vs-cr時(shí)，可判為不液化，否則判為液化。

2.3 剪切波速基準(zhǔn)值

通過(guò)對(duì)汶川8級(jí)地震主震區(qū)砂礫土層液化數(shù)據(jù)研究，砂礫土的埋深與地下水位的深度密切相關(guān)，為建立剪切波速與地震烈度之間關(guān)系，采用國(guó)內(nèi)外對(duì)剪切波速的修正關(guān)系[6]，將實(shí)測(cè)的剪切波速修正至同一水平下的修正剪切波速 (即地下水位埋深為 2 m，砂礫土層埋深為3 m) ，修正公式為：

Vs′=Vs(47/σv′)0.25

式中：Vs′為修正剪切波速，Vs為實(shí)測(cè)剪切波速，σv′為有效上覆壓力。修正剪切波速與地震烈度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 修正剪切波速與烈度對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過(guò)直觀方法確定圖2液化點(diǎn)與非液化點(diǎn)的臨界曲線，以此作為砂礫層埋深3 m 、地下水位2 m時(shí)區(qū)分液化與非液化的界線，相應(yīng)的剪切波速即為基準(zhǔn)值，結(jié)果如表1所示。

3 庫(kù)區(qū)及大壩地基砂礫土液化判別

3.1 砂礫土的地震液化初判

根據(jù)顆分試驗(yàn)資料：河漫灘④-2層礫石層2～60 mm顆粒含量質(zhì)量百分率為79.7%，可判為不液化土層。一級(jí)階地⑤-2層礫石層2～60 mm顆粒含量質(zhì)量百分率為73.8%，略小于75%的界限值，可能液化，應(yīng)進(jìn)行復(fù)判。

3.2 砂礫土的地震液化復(fù)判

根據(jù)上述復(fù)判計(jì)算模型公式，對(duì)⑤-2層礫石層進(jìn)行液化計(jì)算，結(jié)果見表2。由表2可知⑤-2砂礫石層為液化土層。

表1 剪切波速基準(zhǔn)值

表2 土層剪切波速液化判別成果表

4 液化土處理措施及地質(zhì)建議

綜上所述，蓄水后庫(kù)區(qū)及大壩地基中分布的砂礫石層屬液化土。

目前對(duì)液化土處理措施可以大致分為兩種，一種是對(duì)液化土進(jìn)行改良，如常規(guī)措施中的擠密、置換等；一種為采取工程措施。由于本項(xiàng)目中砂礫土埋深3.5～6.0 m，天然狀態(tài)下地下水位多位于其中，即部分為非飽和狀態(tài)，部分為飽和狀態(tài)。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012，若采取常規(guī)的擠密或置換方法處理，不但施工難度及經(jīng)濟(jì)代價(jià)大而且難以完全消除其影響，單從適應(yīng)條件及有效加固深度衡量，局部段預(yù)處理地層深度位于有效加固深度下限范圍，處理效果有待驗(yàn)證。

故建議首選工程設(shè)計(jì)措施予以防范，第一種方法即盡可能的加大上覆非液化型土厚度，從汶川地震國(guó)家震后調(diào)查情況看，當(dāng)上覆非液化性土厚度有保證時(shí)即使在高水位條件下，其效應(yīng)可以忽略。對(duì)應(yīng)本區(qū)地震背景，安全的上覆非液化性土特征厚度應(yīng)不小于7.0 m。其次減低或不改變液化性土含水狀態(tài)，使液化性土轉(zhuǎn)化為非液化性土。這就要求庫(kù)區(qū)防滲治理保證率高，才能達(dá)到此要求。但一般工程要達(dá)到如此保證率較難，從目前地質(zhì)條件分析，最好的處理措施是加大上覆非液化性土特征厚度，結(jié)合大壩特征分析，造成大壩因液化而失穩(wěn)的部位是靠近堤腳的一定范圍，因此建議以大壩腳為起點(diǎn)鋪填素填土，加大鋪填厚度應(yīng)不低于1.5 m，增長(zhǎng)鋪填寬度(范圍)。另一種方法就是增加飽和土孔隙水的消散通道，即將堤防下游排水棱體建基面座于液化土層的中下部。兩種方法建議設(shè)計(jì)綜合比較考慮。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用的砂礫土液化的剪切波速判別方法，采用前人在汶川地震實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的砂礫土液化的剪切波速判別模型公式，判別了北灣水庫(kù)庫(kù)區(qū)及大壩地基砂礫土的液化性，為設(shè)計(jì)方案提供了處理依據(jù)。

原位測(cè)試土層剪切波速技術(shù)應(yīng)用日益普及，我國(guó)一些地區(qū)砂礫土分布廣泛，工程建設(shè)中又大量使用砂礫土，因此發(fā)展基于剪切波速的砂礫土液化判別方法十分必要。

[1]曹振中,袁曉銘,王維銘.汶川地震砂礫土液化分布及土性特征初步研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào).2010.43(S2)：312-319.

[2]劉惠珊.礫石的液化判別探討[C].第五屆全國(guó)地震工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文.北京.1998:183-188.

[3]YOUD T L, IDRISS I M. Liquefaction resistance of soils：summary report from the 1996 nceer and 1998 nceer/nsf workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering.2001.127(4):297-313.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB50011—2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2001.

[5]曹振中,袁曉銘.砂礫土液化的剪切波速判別方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2010.29(5)：943-951.

[6]SYKORA D W. Creation of a data base of seismic shear wave velocities for correlation analysis[R].Vicksburg.MI：GL-87-26.1987.