三里莊水庫西副壩0+560～0+780壩基液化評價

2016-08-22 09:59:04付大慶王子祥曹連朋

地球 2016年3期

■　付大慶　王子祥　曹連朋

(1濰坊市水利建筑設計研究院山東濰坊261205；2濰坊市宏興地質工程勘察有限公司山東濰坊261041)

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(1濰坊市水利建筑設計研究院山東濰坊261205；2濰坊市宏興地質工程勘察有限公司山東濰坊261041)

本文運用Seed簡化法、規范法和工程地質判別法三種方法，對三里莊水庫西副壩壩基礫粗砂地震液化性進行分析，得出副壩壩基飽和礫粗砂在地震動峰值加速度0.15g時無液化可能。

三里莊水庫壩基液化評價

0　引言

三里莊水庫位于諸城市南外環處，總庫容6912萬m3，興利庫容2334萬m3，控制流域面積240km2，是一座集防洪、供水、灌溉等多功能于一體的重點中型水庫。1999年8月12日該水庫遭受歷史罕見特大暴雨襲擊，水庫出現重大險情，同年9月進行除險加固，2005年8月通過主體工程驗收。

1999年9月30日，山東水利學會科學技術咨詢服務中心對《諸城市三里莊水庫除險加固工程可行性研究報告》進行評估，認為“西副壩壩基屬雙層結構，現有地質資料不足以說明實際發生的滲透變形、壩坡失穩的原因和壩基地震液化的可能性。應在收集有關地質資料的基礎上進一步分析論證。西副壩加固方案應在補充地質勘探資料后進行優化?！?009年2月20日～3月11日，國家審計署審計除險加固工程，發現初步設計階段沒有進行補充地質勘探，評估意見在《諸城市三里莊水庫除險加固工程初步設計報告》中沒有得到落實，該工程重點隱患沒有得到徹底消除。

本文采用三種方法對副壩壩基礫粗砂地震液化性進行分析評價。

1　壩基地質概況

通過加固，西副壩壩頂寬15m，路肩綠化帶寬4m，防浪墻高0.95m，上下游坡比1∶2.5，壩后草皮護坡，壩前干砌塊石護坡，水體污染較輕。壩前漁塘數個，是由修建非常溢洪道開挖導流溝廢棄而成，單個東西長±85m，南北寬±40m。自南向北分布于整個壩前，只在0+780處附近因1999年出現管涌險情而填平植滿楊樹。

壩基分布兩層土，下伏泥巖。層①粉質黏土：黃褐色～深黃褐色，飽和，可塑，塑性指數14.8，黏粒含量平均17.4%，粉粒含量平均82.6%，滲透系數1.3×10-5cm/s，弱透水，近微透水，中等壓縮性。該層分布連續，層厚穩定，厚達9.10m～12.20m，平均厚度±10m，層底高程58.54m～60.61m，為壩基良好的相對隔水層。層②礫粗砂：淺黃褐色，飽和，標貫擊數平均34擊，呈密實狀態。在豎向上砂粒分布不均，上部呈中細砂狀，中部呈中粗砂狀，下部呈礫砂、礫石狀，礫石大者直徑達60mm，呈偏平狀?？扇〕芍鶢顜r心，含±5%的黏粒。該層分布連續，層厚穩定，厚達2.30m～3.80m，平均厚度±3m，層底高程55.04m～57.51m。滲透系數3.9×10-2cm/s，強透水等級。

2　壩基地震液化評價

飽和砂土液化，指土體喪失原有強度而表現出類似于液體狀態的現象。美國土木工程師協會巖土工程分會土動力學委員會1978年對液化的定義是：“液化——任何物質轉化為液體的行為或過程”[1]。影響液化的主要因素有土性條件、初始應力條件、動荷載條件與排水條件等。目前，液化判別方法達數十種之多，比較成熟且無須做大量動力性試驗的的主要有Seed簡化法、規范法。工程地質判別法從地質條件控制砂土液化區域分布規律的原理出發，按工程地質工程程序在查明環境地質條件的基礎上，運用數學地質的統計分析預測液化與否，同樣，無須做大量動力性試驗，易于掌握，方便實用。

2.1Seed簡化法

2.1.1原理

通過計算由地震作用產生的等效平均剪應力τeq，以及在等效循環周數作用下飽和砂土單元發生液化所需的剪應力τd(砂土單元的抗液化強度)的比較，來判別砂土液化的可能性[2]。若

則砂土單元不發生液化，反之發生液化。由地震作用產生的等效平均剪應力τeq

式中：γd—與深度有關的應力折減系數；γ—土的重度，地下水位以下取飽和重度；h—土柱高度；g—重力加速度。

抗液化強度τd

式中：Cr—應力修正系數；Dr—砂土相對密度；σ′v—有效上覆壓力。

—相對密度Dr=50%的液化應力比；

根據平均粒徑d50和等效循環周數，由相關圖表求得相對密度Dr=50%的液化應力比，代入上式即可求得τd。

2.1.2分析

壩址附近抗震設防烈度Ⅶ度，地震動峰值加速度0.15g，采用30周荷載循環引起砂土液化的應力條件。砂土通過標準貫入試驗依據TB10002.5確定其相對密度[3]。液化分析成果見表1。

表1　Seed簡化法壩基層②礫粗砂液化判別

由表1知，除ZK3-1與ZK4-1兩試驗點存在液化可能外，其余無液化可能。

2.2規范法

現行的飽和砂土液化判別的規范方法大多是建立在大量的地震液化現場調查資料上的經驗方法[4-9]，利用國標規范GB50487[8]進行判析。

液化判別標準貫入擊數臨界值按下式計算：

式中：No—液化判別標準貫入擊數基準值；ds—標準貫入點深度/m；dw—地下水位深度/m；ρc—黏粒含量質量百分率；

根據現場測得的標準貫入擊數N63.5進行液化判別，若N63. 5＜Ncr，則砂土發生液化，否則不發生。液化分析見表2。

表2　規范法壩基礫粗砂液化判別

由表2知，壩基礫粗砂全部試驗點無液化可能。

2.3工程地質判別法

2.3.1原理

地質對象可以用二態變量描述。所謂“二態”，指兩種狀態，如某種地質因素的“有”或“無”、“是”或“非”，某種地質現象“發生”或“不發生”等。在數學地質的多元統計分析中，為了進行判別(分類)，將一些定性的地質因素用二態描述其變化 (通常用0與1表示，0表示無，1表示有),并作為變量來進行判別分析。[10]該判別分析法采用線性判別函數式：

式中：Ri—判別函數值；Xi—地質變量；λi—變量系數。

該法用“迭代法”求得各變量的系數，以RC=0為判別臨界值分析砂土液化與否。在研究已知區分類(如規定非液化屬A類，液化屬B類)的基礎上，區分出“非液化”(A類)與“液化”(B類)兩總體。在選定了控制砂土液化的定性地質因素作為二態變量后，按各變量在兩總體中的反應情況，分別取得若干有代表性的子樣。這樣，就由兩類(A類或B類)對各變量有不同反應(0或1)組合的若干子樣按一定順序排列成原始矩陣，然后用迭代法求解待定系數λi，建立二態變量判別函數式。經過對原始矩陣采用“訓練迭代法”和“松弛法”兩種迭代方法求解出各個變量的系數值λi(表3)。

應用判別函數式進行判別時，只需把場地或區域的地貌單元及成因類型確定后，對照判別式中的各變量，屬于某一變量者反應為1，不屬于者反應為0，將各變量的系數λi和變量Xi代入線性判別函數式，然后得出函數值Ri，大于0時為非液化，小于0時為液化。

2.3.2分析

據諸城幅區域地質調查報告，三里莊水庫附近地貌單元及成因類型為山前沖洪積平原(X1)，礫粗砂地層時代為晚更新世Q3(X7)。諸城市區附近抗震設防烈度為Ⅶ區(X14)。這幾個變量連同偽變量(X14)在判別式中反應均為1，其余變量反應均為0，采用訓練迭代法求解：