新泰市田村水庫壩基砂液化的判別與預(yù)防措施

曹仁斌

1 概述

田村水庫位于新泰市禹村鎮(zhèn)田村南，柴汶河支流禹村河上游，水庫于1979年5月建成，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫，水庫總庫容1084萬m3，興利庫容640萬m3，興利水位182.74m，死庫容60萬m3，死水位174.80m。水庫流域面積15.0km2，主河道長度6.6km，河道干流平均坡降9%。

田村水庫庫區(qū)地震基本烈度為VII度，地震動峰值加速度0.10g，需判定壩基砂是否存在液化的可能。

2 砂土液化機理與影響因素

松散的砂土受到震動時有變得更緊密的趨勢，但飽和砂土的孔隙全部為水充填，因此，這種趨于緊密的作用將導(dǎo)致孔隙水壓力的驟然上升，而在地震過程的短暫時間內(nèi)，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，這就使原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的壓力（有效壓力）減小，當(dāng)有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣的狀態(tài)，即通常所說的砂土液化現(xiàn)象。砂土液化表示在靜壓力或周期應(yīng)力作用上產(chǎn)生并保持很高的孔隙水壓力，使有效壓力降低到很小的數(shù)值，導(dǎo)致砂土在很低的，不變的殘余強度或沒有殘余強度的情況上發(fā)生連續(xù)的變形。砂土液化是一種相當(dāng)復(fù)雜的現(xiàn)象，它的產(chǎn)生、發(fā)展和消散主要由土的物理性質(zhì)、受力狀態(tài)和邊界條件所制約。存在著許多影響因素，例如土的顆粒特征、相對密度、埋藏條件和動荷條件等。

（1）顆粒特征:顆粒愈細愈容易液化，平均粒徑d50在0.1mm左右的抗液化性最差。不均勻系數(shù)愈小，抗液化愈差，黏性土含量愈高，愈不容易液化。

（2）相對密度:密度愈高，液化可能性愈小。

（3）埋藏條件:上覆土層愈厚，土的上覆有效壓力愈大；排水條件良好，就愈不易液化。

（4）動荷條件:地震烈度高，地面加速度大，震動時間長，就愈液化。

3 田村水庫壩基砂液化判別

田村水庫庫區(qū)地震基本烈度為VII度，地震動峰值加速度0.10g，需判定壩基砂是否存在液化的可能。土的地震液化判別工作可分為初判和復(fù)判兩個階段，初判應(yīng)排除不會發(fā)生液化的土層，對初判可能發(fā)生液化的土層，應(yīng)進行復(fù)判。

3.1 初判標(biāo)準(zhǔn)

（1）地層年代為第四紀(jì)晚更新世Q3或以前的土，可判為不液化。

（2）土的粒徑小于5mm顆粒含量的質(zhì)量百分率小于或等于30%時，可判為不液化。

（3）對粒徑小于5mm顆粒含量質(zhì)量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005mm的顆粒含量質(zhì)量百分率（ρc）相應(yīng)于地震動峰值加速度為0.10g不小于16%時，可判為不液化。

（4）工程正常運用后，地上水位以上的非飽和土，可判為不液化。

3.2 復(fù)判標(biāo)準(zhǔn)

（1）標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法，工程運用時，標(biāo)準(zhǔn)貫入點在當(dāng)時地面以上深度處的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)（N）小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值（Ncr），即可判為液化土。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗貫入點深度和地上水位在試驗地面以上的深度，不同于工程正常運用時，實測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)應(yīng)按上式進行校正，并應(yīng)以校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)作為復(fù)判依據(jù)。

式中:N′-實測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；ds-工程正常運用時，標(biāo)準(zhǔn)貫入點在當(dāng)時地面以上的深度（m）；dw-工程正常運用時，地上水位在當(dāng)時地面以上的深度（m），當(dāng)?shù)孛嫜蜎]于水面以上時，dw取0；ds′-標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗時，標(biāo)準(zhǔn)貫入點在當(dāng)時地面以上的深度（m）；dw′-標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗時，地上水位在當(dāng)時地面以上的深度（m），若當(dāng)時地面淹沒于水面以上時，dw′取0。

液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值按上式計算:

式中:ρc-土的黏粒顆粒含量百分率（%），當(dāng)ρc＜3%，ρc取3%；N0-液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，本工程取8；ds-當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入點在地面以上5m以內(nèi)的深度時，應(yīng)采用5m計算。

（2）相對密度法

對于VII度區(qū)，當(dāng)飽和無黏性土的相對密度小于0.7時可判為可能液化。

砂層顆粒分析統(tǒng)計表見表1。

表1 砂層顆粒分析統(tǒng)計表

砂層均為粒徑小于5mm顆粒含量質(zhì)量百分率大于30%的土，粒徑小于0.005mm的顆粒含量質(zhì)量百分率ρc均小于16%，因此，壩基砂層初判為可能液化。

壩基砂標(biāo)準(zhǔn)貫入法液化判別表見表2。

表2 壩基砂標(biāo)準(zhǔn)貫入法液化判別表

經(jīng)計算，校正標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)小于臨界值的有2組，占25%，因此，發(fā)生VII度地震時，壩基砂層發(fā)生液化可能性較大。

在壩后探槽采用灌水法測得壩基砂的天然密度，室內(nèi)測得干密度和最大、最小干密度，壩基砂相對密度法液化判別表見表3。

表3 壩基砂相對密度法液化判別表

從相對密度來看，壩基砂相對密實度為0.60～0.74，小于0.7占75%，在發(fā)生VII度地震時，壩基砂層存在液化可能。

綜合以上分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入法和相對密實度法判別，壩基砂層存在液化的可能性。

4 砂殼液化的預(yù)防措施

研究地震作用上砂土液化的重要目的是預(yù)防砂土液化，減少由它造成的損害。飽和砂土液化現(xiàn)象是在排水條件不利的情況上松散的砂骨架由于振動作用造成松弛，粒間應(yīng)力逐漸傳給孔隙水，使孔隙水壓力不斷升高而帶來的后果，因此，要防止砂土產(chǎn)生液化，其根本途徑是消除液化產(chǎn)生的條件，最重要的措施是提高砂土的相對密度和盡量消除發(fā)展的孔隙水壓力。具體到雨村水庫而言，首先應(yīng)盡快實施水庫的除險加固工程，結(jié)合壩基砂的地質(zhì)條件，采用相應(yīng)的加固措施，以提高壩基砂的相對密度，消除壩基砂液化隱患，這是解決問題的根本途徑。其次，加強壩基砂液化的預(yù)防配套措施，加強防震減災(zāi)意識，增大對壩體、放水洞等設(shè)施的投入與管理力度。同時應(yīng)與地震預(yù)測、防震減災(zāi)部門建立長效聯(lián)系機制，做到早預(yù)防、早判斷、早解決，防患于未然。