基于超重型動力觸探判別礫石土液化在工程中的應用

杜治洲, 張著彬, 呂康橋, 楊佳剛

(湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430064)

現有規范規定的砂土液化判別方法包括初判與復判,初判主要采用顆分法、地層時代判別法等,復判主要采用標準貫入法及相對密度法[1]。顆分法及地層時代法等均可用于飽和礫石土的液化初判;但由于礫石土中很難進行標準貫入試驗,取值難度很大,基于標準貫入試驗的砂土液化判別方法對礫石土的適宜性很差;對于相對密度判別法而言,由于實測礫石土的天然密度存在諸多困難,導致該判別方法實用性亦不強。因此,礫石土的地震液化復判目前仍處在探索階段。

2008年汶川地震中大面積發生的礫石土地震液化現象,引起業內廣泛關注。2009年中國地震局工程力學研究所袁曉銘等人在廣泛調查汶川地震礫石液化實例的基礎上,針對礫石液化開展了專項研究,提出了基于超重型動力觸探錘擊數判定礫石液化的計算模型與公式,經對汶川地震砂礫石液化實例回判準確性較高。在四川阿壩州俄日水電站工程閘基含粉土質礫液化復判中引用了這一計算模型與公式,計算出不同深度處土體臨界錘擊數值,并實測礫石土超重型動力觸探錘擊數,經深度與水位校正后,通過繪制臨界錘擊數曲線與校正后實測錘擊數曲線并進行比對分析,查明了閘基含粉土質礫層的地震液化勢,為閘基處理設計優化提供了依據。

1 工程概況

俄日水電站位于四川省阿壩州金川縣境內的俄日河上,工程由首部閘壩、引水隧洞和發電廠房三部分組成。閘壩壩頂高程3 092.0 m,長105.6 m,最大壩高17.0 m,總庫容44.4萬m3,總裝機69 MW。閘首從左至右依次布置左岸擋水壩段、3孔泄洪沖沙閘、右岸擋水壩段和進水口。泄洪閘沖沙閘布置于河床主流上,閘底高程為3 078.0 m,基本與河床平均高程一致;閘室建基面高程為3 075.0 m。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001),區內未來50年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.10g,地震動反應譜特征周期為0.45 s,相應的地震基本烈度為Ⅶ度[2]。

2 閘首土體分布及物理力學性質

閘基土體自上而下分布如下。

閘基土體分布情況詳見圖1,各土體物理力學參數建議值見表1[2]。

3 土體液化初判

依據《水力發電工程地質勘察規范》(GB50287—2016),結合室內顆分成果,對各土層進行了液化初判,初判結果如下。

②-1含砂卵礫石:該層粒徑<5 mm的礫砂平均含量14.1%,小于初判不液化標準的30%,初判不存在地震液化可能。

②-2含粉土質礫:該層粒徑<5 mm的礫砂平均含量53.9%,大于初判不液化標準的30%,初判存在地震液化可能。

②-3中粗砂透鏡體:該層粒徑<5 mm的顆粒含量70.5%,大于初判不液化標準的30%,且無粒徑<0.005 mm的粘粒,初判存在地震液化可能。

③第四系上更新統漂(塊)卵礫石層:根據《水力發電工程地質勘察規范》(GB50287—2016),地層年代為第四紀晚更新世(Q3)或以前時,可判定為不液化。因此,初判該層不存在地震液化可能。

圖1 俄日水電站閘基工程地質橫剖面圖Fig.1 Transverse section of engineering geology of sluice foundation of Eri hydropower station

土層及巖性(代號)天然容重/(kN·m-3)承載力標準值fk/kPa變形模量E0/MPa抗剪強度凝聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)滲透系數K/(cm·s-1)允許比降(J允)②-1含砂卵礫石層(Qal4)21.052026.9036.02.1×10-10.2②-2粉土質礫(Qal4)20.559031.0036.99.6×10-20.25～0.4②-3中粗砂層(Qal4)17.617610.5029.71.2×10-20.5③漂(塊)卵礫石層(Qfgl3)22.072542.8040.73.5×10-30.25～0.4

4 土體液化復判

根據初判,閘基②-2含粉土質礫和②-3中粗砂透鏡層均存在地震液化的可能,需要對其進行復判。②-3中粗砂透鏡層按標準貫入錘擊數法復判即可,在此不做介紹。本文重點就應用超重型動力觸探錘擊數法對②-2含粉土質礫層的地震液化復判進行論述。

由于②-2含粉土質礫層礫石含量高達48%,且埋藏于河床以下4～7 m,受礫石含量及埋藏等條件限制,既不能對該土層進行標準貫入試驗,也很難測定其相對密度,導致采用標準貫入臨界錘擊數法及相對密度法判定其地震液化遇到了困難。經查閱附近類似工程研究資料,2009年中國地震局工程力學研究所袁曉銘等人在廣泛調查汶川地震礫石液化實例的基礎上,提出了基于超重型動力觸探錘擊數判定礫石液化的計算公式。考慮到本工程區與汶川同屬川西高原峽谷地貌,地理位置較為接近,礫石土沉積環境具有相似性,因此本工程也采用這一計算公式對②-2含粉土質礫層進行液化復判。

超重型動力觸探錘擊數判定含粉土質礫液化的臨界錘擊數計算公式為[3]:

Ncr=N0[0.95+0.05(ds-dw)]×[1+0.5(p5-50%)]

式中:Ncr為貫入30 cm的臨界動探擊數;N0為臨界動探擊數基準值,7度區N0取9;ds為工程正常運用時,動探試驗點在當時地面以下深度;dw為工程正常運用時的地下水深度,本工程dw取0;p5為含礫量,即<5 mm顆粒的百分含量。

考慮到動探試驗點在試驗時的深度不同于工程正常運用時的深度,需對實測動探錘擊數進行校正。根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008),校正公式為[4]:

根據對ZK02和ZK03兩個試驗孔的超重型動力觸探試驗值分別進行校正并對照臨界動探錘擊數,其各深度處校正錘擊數與臨界錘擊數曲線圖見圖2和圖3。

圖2 ZK02校正錘擊數與臨界錘擊數曲線圖Fig.2 Curve of correction hammer number and critical hammer number of ZK02

由圖2可知,鉆孔ZK02內僅高程3 075～3 073.5 m范圍內校正錘擊數小于臨界錘擊數,判定為可液化土層;高程3 073.5 m以下校正錘擊數均大于臨界錘擊數,判定為不液化土層。

圖3 ZK03校正錘擊數與臨界錘擊數曲線圖Fig.3 Curve of correction hammer number and criticalhammer number of ZK03

由圖3可知,鉆孔ZK03所有校正錘擊數均大于臨界錘擊數,判定為不液化土層。

根據基于超重型動力觸探臨界錘擊數對②-2含粉土質礫的地震液化判別表明,除ZK02上部1.5 m范圍存在地震液化可能外,其它部位均為不液化土層。綜合本工程實際分析,由于②-2含粉土質礫層為中密狀態,上覆②-1含砂卵石層透水性均較好,有利于超孔隙水壓力的消散,且在壩體對地基土層的附加應力作用下,將有效約束土體的豎向變形,有利于提高土體抗液化作用,因此,綜合判定②-2含粉土質礫層為非液化土。

5 應用可靠性評估分析

本文引用的超重型動力觸探臨界錘擊數判別公式是中國地震局基于汶川地震砂礫石液化實例提出的。該判別公式由動探擊數基準值、含礫量、砂礫土埋深、地下水深度和地震烈度等5個參數組成。根據汶川地震液化砂礫土埋深及地下水位變化范圍較大的特點,采用歸一化方法導出動探擊數基準值,利用優化方法推導出砂礫土深度及地下水位的影響系數,較全面地考慮了砂礫土液化的影響因素,經汶川地震液化實例回判成功率較高,且與現有規范中標貫錘擊數判別法具有明顯對應關系。因此,該判別公式在理論上基本適用于礫石土地震液化復判。

由于俄日水電站所處位置金川縣與汶川同屬川西地槽區,為橫斷山系高山峽谷地形,地理位置接近,礫石土沉積環境具有相似性,因此,在本工程閘首含粉土質礫液化復判中引用了該公式,且已將液化復判結果應用于閘基處理設計優化中。但該判別公式尚未收錄進相關規范,說明其普適性有待進一步論證。其他類似工程在參考、引用該判別公式時,仍需在區域地質環境、沉積環境、礫石土特征、地震震級、地下水位特征等方面仔細斟酌,如有條件,可根據場區附近砂礫石液化實例對公式相關系數進行修正。

6 結論

飽和礫石土存在地震液化的可能,從有利于工程安全計,需采取措施消除其液化影響。在既不能對飽和礫石土進行標準貫入試驗,又難以檢測其相對密度的條件下,均無法采用現行的標準貫入臨界錘擊數法和相對密度法對地震液化進行復判。通過本工程的應用實踐表明,基于超重型動力觸探臨界錘擊數的判別方法解決了礫質土地震液化判別的困難,且具有操作簡單、數據連續、成果可靠等優點,為類似工程飽和礫石土液化判別具有很好的參考作用。