新泰市田村水庫壩基砂液化的判別與預防措施

曹仁斌

1 概述

田村水庫位于新泰市禹村鎮田村南，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致孔隙水壓力的驟然上升，而在地震過程的短暫時間內，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，即通常所說的砂土液化現象。砂土液化表示在靜壓力或周期應力作用上產生并保持很高的孔隙水壓力，使有效壓力降低到很小的數值，導致砂土在很低的，不變的殘余強度或沒有殘余強度的情況上發生連續的變形。砂土液化是一種相當復雜的現象，它的產生、發展和消散主要由土的物理性質、受力狀態和邊界條件所制約。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判兩個階段，初判應排除不會發生液化的土層，對初判可能發生液化的土層，應進行復判。

3.1 初判標準

（1）地層年代為第四紀晚更新世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顆粒含量質量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005mm的顆粒含量質量百分率（ρc）相應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 復判標準

（1）標準貫入錘擊數法

根據標準貫入錘擊數法，工程運用時，標準貫入點在當時地面以上深度處的標準貫入擊數（N）小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值（Ncr），即可判為液化土。當標準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，實測標準貫入錘擊數應按上式進行校正，并應以校正后的標準貫入錘擊數作為復判依據。

式中:N′-實測標準貫入錘擊數；ds-工程正常運用時，標準貫入點在當時地面以上的深度（m）；dw-工程正常運用時，地上水位在當時地面以上的深度（m），當地面淹沒于水面以上時，dw取0；ds′-標準貫入試驗時，標準貫入點在當時地面以上的深度（m）；dw′-標準貫入試驗時，地上水位在當時地面以上的深度（m），若當時地面淹沒于水面以上時，dw′取0。

液化判別標準貫入錘擊數臨界值按上式計算:

式中:ρc-土的黏粒顆粒含量百分率（%），當ρc＜3%，ρc取3%；N0-液化判別標準貫入錘擊數基準值，本工程取8；ds-當標準貫入點在地面以上5m以內的深度時，應采用5m計算。

（2）相對密度法

對于VII度區，當飽和無黏性土的相對密度小于0.7時可判為可能液化。

砂層顆粒分析統計表見表1。

表1 砂層顆粒分析統計表

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

壩基砂標準貫入法液化判別表見表2。

表2 壩基砂標準貫入法液化判別表

經計算，校正標準貫入擊數小于臨界值的有2組，占25%，因此，發生VII度地震時，壩基砂層發生液化可能性較大。

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%，在發生VII度地震時，壩基砂層存在液化可能。

綜合以上分析，根據標準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 砂殼液化的預防措施

研究地震作用上砂土液化的重要目的是預防砂土液化，減少由它造成的損害。飽和砂土液化現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，要防止砂土產生液化，其根本途徑是消除液化產生的條件，最重要的措施是提高砂土的相對密度和盡量消除發展的孔隙水壓力。具體到雨村水庫而言，首先應盡快實施水庫的除險加固工程，結合壩基砂的地質條件，采用相應的加固措施，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防配套措施，加強防震減災意識，增大對壩體、放水洞等設施的投入與管理力度。同時應與地震預測、防震減災部門建立長效聯系機制，做到早預防、早判斷、早解決，防患于未然。