水利水電工程地震液化等級劃分及處理措施

任 葦

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

地震液化是指在強烈地震作用下，處于地下水位以下的砂土等抗剪能力顯著降低直至為零，表現出類似液體特征的現象[1]。對于砂土液化判別，國內普遍按初判和復判兩個階段開展工作，初判一般按照年代法、粒徑法、地下水位法進行初判，在初判為不液化土后即可不進行復判；液化復判方法包括GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》標準貫入試驗(SPT)法、GB 50021-2001《巖土工程勘察規范》靜力觸探試驗(CPT)法、基于室內試驗的剪應力(SEED簡化法)等。事實上,不僅地震會引起砂土液化，爆炸、機械振動等都可以引起砂土產生液化現象。砂礫石也存在液化現象，在2008年“5·12”汶川大地震震后調查發現，約20%～30%的地表噴出物為中砂、粗砂，而礫、卵石噴出場地有十余處[2]，為此程汝恩等提出了采用重型動力觸探擊數N63.5進行砂礫石液化判別的方法[3]。

進入21世紀以來，中國地震研究不斷取得新進展，GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》中，通過計算液化指數，將液化分為輕微、中等、嚴重3個級別，同時結合工程設防類別，規定了不同設防類別、不同液化等級的抗液化措施。水利水電行業相關規范中，對液化判別方法提出了明確規定，回答了砂土是否發生液化的問題，但沒有明確液化等級劃分，工程設計中，對不同液化程度的判別及處理評價缺乏統一規定。本文將通過分析不同液化程度表征參數的特點，提出適用于水利水電工程的地震液化等級劃分方法及對應措施。

1 水利水電工程液化嚴重程度分析研究現狀

在部分水利水電工程實踐中，已經開展了相關各具特色的研究工作，目前，對于液化嚴重程度，基本形成了液化指數法、震陷量計算、液化度法3種。

1.1 液化指數法

液化指數法除在建筑行業廣泛應用外，也用于風電場建設中的液化等級劃分，梁海,趙志祥,楊飛等以平原風電場為例[4]，詳細分析了標貫試驗和雙橋靜探試驗在液化判別的中差異,認為雙橋靜探試驗影響因素小,提出雙橋靜探試驗法計確定液化指數和液化等級的方法思路。水利水電行業與此類似，液化指數常作為評判液化程度的指標，如符曉對大渡河丹巴水電站工程地基土開展了初判、復判[5]，認為③層砂層透鏡體存在局部液化可能，④層粉土質砂是主要的可能液化土層，為了進一步分析主要液化土層液化程度，進行了液化指數分析，計算數值在0.38～9.81，認為屬輕微～中等液化。荊海峰對石佛寺水庫開展液化評價，認為可能液化為中部不良級配砂，經計算液化指數在14.33～17.12[6]，屬中等液化。謝洪毅對大渡河硬梁包工程地基砂層液化進行研究[7]，根據初判認為②、④層堰塞沉積細粒土是主要的可能液化土層，由于第②層深度超過液化指數計算范圍，僅對④層分析計算液化指數在0.19～10.54，屬輕微～中等液化。

1.2 震陷量分析及評價

我國岷江上游修建的映秀灣、太平驛、福堂、姜射壩等閘壩工程，其壩基均為夾有砂層的深厚覆蓋層基礎，設計時工程區基本地震烈度為Ⅶ度或Ⅷ度，地質勘探結論為砂層在經受該地震烈度時均為可液化土層，建設過程中對該可液化砂層采取了挖除置換或圍封等處理措施。根據“5·12”汶川地震后對其12座工程進行調查成果，多表現為飛石砸損、邊坡崩塌等破壞，主體工程基本完好，震中的映秀灣、耿達兩座工程出現不均勻震陷現象，其中映秀灣5號泄洪閘和右岸混凝土門庫擋水壩段縫間豎向錯動約20 cm、上下游錯動約5 cm，耿達電站運行后右岸軟硬過渡壩段水平錯動由震前8 cm增加至20 cm。

對于軟基閘壩工程而言，液化的危害主要來自不均勻震陷，而由于抗剪參數降低導致抗滑失穩的情況尚未出現。震陷量主要決定于土層的液化程度和上部結構的荷載，由于液化指數不能反映上部結構的荷載影響，開展采用震陷量來評價液化的危害程度也是有效的方法，但筆者尚未收集到水利水電行業開展該方面研究的成果。在GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》中，依據實測震陷、振動臺試驗以及有限元法對一系列典型液化地基計算得出的震陷變化規律，發現震陷量取決于液化土的密度(或承載力)、基底壓力、基底寬度、液化層底面和頂面的位置和地震烈度等因素，提出估計砂土與粉土液化平均震陷量的經驗方法，但該方法是否對水利水電工程適用，值得進一步開展研究，而進一步根據震陷量計算作為判斷液化程度評價依據，尚待進一步研究實踐。

1.3 液化度概念及實踐

有效應力法定義液化度為振動超靜孔隙水壓力與上覆有效荷載的比值。

(1)

公式(1)中：Δu為超靜孔隙水壓力，kPa；σd為上覆有效荷載，kPa。

總應力法不考慮孔隙水壓力增長時砂土剪切剛度特性的變化，以Seed法為代表，采用總應力法定義液化度公式為：

(2)

公式(2)中:(τd)l為土體抗液化動剪應力，kPa；(τd)eff為單元實際動剪應力，kPa。

應該說，儀式感是對生活的重視，有儀式感的人，會將儀式感更多地體現在生活的細枝末節之中。比如出門前擦擦皮鞋，比如進餐時洗洗手，比如古人讀書前的沐浴焚香等等。可以說，儀式是在制造一種認知環境；而儀式感，是營造良好的認知環境的先導。看起來繁復的儀式感，是一種內在和外在的約束，正是這樣一種約束，讓一個人能變得更從容、強大、有張力。

根據公式(2)，容易推導如下：

(3)

可以看出，兩者內涵一致。

若IL>1.0，則認為會發生液化；一般認為IL>0.8即發生液化可能性逐漸增大，為可能液化區，需采取一定抗液化措施；IL<0.6不會發生液化[8]；若液化度在0.6～0.8時，產生局部液化。因此，采用液化度來評價液化等級，是行之有效的方法，需要開展試驗研究，結合動力分析計算作為依據。

圖1 方案1壩右0+220 m剖面壩基砂層(τd)eff/(τd)l分布

由圖1可以看出，根據動力分析計算的液化度成果不僅能反映地震作用與地基土特性、而且考慮了上部結構壓覆荷載的抗液化作用，其成果能更清晰的表征砂土液化的平面位置、深度以及液化程度，為進一步采取措施提供更為精確的指導。如賈巍,杜慧超針對巴塘瀝青混凝土心墻堆石壩壩基砂層地震液化研究中[10]，通過壩基三維有限元動力反應分析表明，壩后不設壓坡體情況下，設計地震情況時下壩基Ⅲ巖組液化度約為 0.79，校核地震情況下該巖組液化度達到 0.94，得到需要采取抗液化措施的結論。符曉在 “深厚覆蓋層攔河閘壩基礎特性分析及處理研究”一文中，對液化處理方案開展三維有限元動力計算分析表明，處理后建筑液化度小于0.6，僅在閘右0+10.00 m和閘右0+136.00 m斷面的上下游模型邊界、遠離建筑物的區域出現局部小于0.8的液化區，同時認為第③層中的砂層透鏡體不會對壩體穩定性產生影響，不對其進行抗液化處理。王麗艷等在采用液化度進行液化程度基礎上，進一步建議把液化度作為地震沉陷變形的評判標準，針對某沉箱基礎砂土液化開展進行了研究[11]。

2 水利水電工程液化等級劃分原則

結合上述分析可以發現，震陷量計算方法尚待進一步深入研究，目前不宜作為液化等級劃分依據；液化指數法只需要通過鉆孔標準貫入試驗即可計算，具有簡便易行、成本低廉的特點，雖然不能反映上部結構的相互作用，但已作為建筑行業規范普遍采用的方法、經驗較多，在水利水電行業也積累了部分實踐經驗；液化度評判方法需要開展三軸動力試驗取得動力參數，并進一步建立二維或三維動力模型進行分析，其成本較高，其成果不僅能反映地震作用與地基土特性、而且考慮了上部結構壓覆荷載的抗液化作用，可以獲得砂土液化平面位置、深度以及液化程度等較為精確的成果。

筆者在結合上述方法特點基礎上，借鑒《建筑抗震設計規范》相關經驗，提出對于設防類別、液化程度均較低的工程，采用液化指數開展等級劃分，而對于設防類別、液化程度高的工程，采用液化指數、液化度雙指標劃分方法，為水利水電工程液化處理提供參考，具體劃分方法見表1。

表1 液化等級劃分及工程處理要求

3 基于液化等級劃分的地基處理

水利水電工程土石壩抗液化措施中，采用下游壓坡體反壓是常見措施，如巴塘瀝青混凝土心墻堆石壩經分析，屬于表1中甲類中等工程，設置下游壓坡體后,設計、校核地震情況下下液化度分別降低到0.46、0.74；多布水電站土工膜防滲砂礫石壩屬于乙類中等工程，在增加下游壓坡體同時，采取下游坡腳振沖碎石樁方案，進一步提高抗液化效果，地震情況下下液化度降低到0.58，均滿足表1處理要求。本文結合GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》，對照上表處理措施，針對具有地基液化問題的閘壩建筑物，初步提出處理原則如下：

(1)對粗實線以上部分工程，要求對可能液化土層全部進行液化處理、全部消除液化沉陷。工程措施深度、平面范圍等布置方案宜采用動力分析開展液化度評價確定，采取工程措施后IL應滿足表1中要求。工程措施具體建議如下：

1)采用樁基時，樁端伸入液化深度以下穩定土層中的長度(不包括樁部分)，應按計算確定，且對碎石土，礫、粗、中砂，堅硬粘性土和密實粉土尚不應小于0.5 m，對其他非巖石土尚不宜小于1.5 m。

2)采用深基礎時，基礎底面應埋入液化深度以下的穩定土層中，其深度不應小于0.5 m。

3)采用加密法(如振沖、振動加密、擠密碎石樁、強夯等)加固時，應處理至液化深度下界，振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數不宜小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值。用非液化土替換全部液化土層.采用加密法或換土法處理時，在基礎邊緣以外的處理寬度，應超過基礎底面下處理深度的1/2且不小于基礎寬度的1/5。

(2)對粗實線以上部分開展動力分析評價后，認為液化土層難以全部進行液化處理的工程，應綜合采取上部結構等措施調整方案后復核，調整后動力分析液化度成果仍應滿足表1要求，綜合采取上部結構措施可包括：

1)選擇合適的基礎埋置深度；

2)調整上部結構及基礎底面積，降低重心位置，減少基礎偏心；

3)加強上部結構的整體性和剛度，減輕荷載；

4)合理設置沉降縫，必要時縫間填塞減震材料，避免采用對不均勻沉降敏感的結構形式；

5)電氣電纜、金屬結構、管道穿過建筑處應預留足夠尺寸并采用柔性連接。

(3)對表1中“采取基礎和上部結構措施部分消除液化”部分，宜借鑒《建筑抗震設計規范》中液化指數計算方法，部分消除地基液化沉陷，應符合下列要求：

1)處理深度應使處理后的地基液化指數減少，當判別深度為15 m時，其值不宜大于4，當判別深度為20 m時，其值不宜大于5，同時不應小于基礎底面下液化土特征深度和基礎寬度的較大值。

2)采用振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標準貫入錘擊數不宜小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值，基礎邊緣以外的處理寬度，應超過基礎底面下處理深度的1/2且不小于基礎寬度的1/5。

(4)工程措施選擇時，閘壩工程對判定為可能液化的土層，如果液化深度小于3 m，用采用挖除置換的措施；對于大于3 m，或上部有小于3 m的薄層砂礫石等非液化土，宜用振沖、砂石樁、強夯等方法加密，對于埋深大于3 m以上的液化土層，可采用旋噴樁、振沖樁進行處理。上部結構承載力要求需要設置混凝土灌注樁時，可結合液化要求復核灌注樁長、間距等布置。

4 結 語

本文通過分析，初步提出了液化指數、液化度雙指標分區液化等級劃分方法，同時初步出了全部或部分消除液化的地基處理措施要求，為水利水電工程不同抗震設防標準、液化程度、工程處理方案制定提供了思路。