川西某電站深厚覆蓋層壩基砂土液化分析

凡 亞，黃 春，閔勇章

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072）

本文介紹的某水庫大壩位于大渡河中游右岸的一級支流上，大壩采用防滲墻聯(lián)合復合土工膜防滲的堆石壩壩型。堆石壩壩頂高程為2934.00m，壩頂總長度843.87m，最大壩高約56m。工程區(qū)在大地構造上位于川滇南北向構造帶與甘孜褶斷帶交匯部位，區(qū)域構造背景復雜，工程場地地震基本烈度為Ⅶ度，構造穩(wěn)定性屬基本穩(wěn)定區(qū)。

1 壩址基本地質條件

該壩址地處高山峽谷區(qū)，河谷開闊呈“U”型，河道順直，左岸山體渾厚，谷坡陡峻，地形較完整。右岸因干溝切割，山體較單薄。谷底分布為干溝洪積扇，橫河寬400～600m，分布高程2886～2925m，坡度約5°。壩址谷底寬約680～720m，正常蓄水位2930m時，相應谷寬約800m。

兩岸基巖為三疊系上統(tǒng)居里寺組第五巖段(T3j5)，深灰色中厚層～巨厚層變質砂巖夾薄層板巖。兩岸巖體卸荷強烈，左岸弱風化，強卸荷水平深度范圍為16～77m，弱卸荷深度85～93m；右岸弱風化、強卸荷水平深度30～64m，弱卸荷深度81～107m。

壩區(qū)位于貢嘎山復向斜核部，由多個褶皺組成，呈緊密尖棱狀，復向斜軸線呈弧形褶曲，從左岸下游沿N30°E展布，往上游逐漸轉為近EW向。第四紀以來的新構造運動以強烈的整體抬升為其特征，且冰水及冰水泥石流活動異常。區(qū)內未見大斷層，發(fā)育較多小斷層。

壩區(qū)地下水主要為第四系松散堆積孔隙潛水及基巖裂隙水。據(jù)分析資料，地下水及湖水、溝水對混凝土均無腐蝕性。

2 深厚覆蓋層的工程地質特性

該堆石壩壩基河床覆蓋層最大深度148m，層次結構復雜，自下而上可分為7層：

第①、②層：含孤塊碎石土，分布于河谷底部，埋深大。據(jù)鉆孔巖心及鉆孔顆分試驗，小于5mm約20.3%，基本由粗粒組成，結構密實，力學特性較好。

第③層：青灰色粉質土，系堰塞湖積(lQ33-1)，僅分布于河床左岸中部，呈透鏡狀展布，揭示厚度6.8m，頂面埋深60m，結構較密實，透水性弱。礫石占5.0%，砂47%，粉粒40.5%，粘粒7.5%，液限29.8%，塑限23.2%，塑性指數(shù)6.6%。

第④層：含塊碎礫石土，系橫向干溝冰水堆積(fglQ33-2)，分布于河床中上部，揭示厚度18.45m～53.88m，頂面埋深9.55m～51.18m。其間隨機分布的含塊碎礫石砂層(或中細砂層)呈透鏡狀展布，厚度十幾厘米至一米左右不等，分布范圍幾米至十幾米不等，細粒主要為粉粒及中細砂，粘粒比例較?。s占4.9%），小于5mm占61.5%.該層塊石占13.7%，碎（卵）礫石占66.9%，砂占8.1%，粉粒7.5%，粘粒3.8%，有效粒徑0.048mm，平均粒徑36mm。

第⑤層：碎(卵)礫石砂層，系環(huán)河沖積和干溝冰水混合堆積(al+f gl Q33-3)。僅分布于河床左岸中上部。揭示厚度為4.74m～20.58m，頂面埋深8.20m～30.60m,碎礫石占72.84～81.03%，砂占12.75～20.83%，粉粒2.32～3.58%，粘粒2.49～3.10%，＜5mm占33.54～44.23%。

第⑥層：含塊碎(卵)礫石土，系干溝洪積物(plQ41)，分布于河床左岸上部和右岸淺表，揭示厚度8.20m～30.60m，頂面埋深0～9.2m。偶有砂層透鏡體，其性狀與④層的透鏡體類似，分布在不同的高程。以碎(卵)礫石為主，約占71.7%，塊石占13%，粘粒含量占1.9%，粉粒占5.9%，小于5mm占18.6%，有效粒徑2.3mm，平均粒徑42mm。

第⑦層：灰色淤泥質壤土，系湖積(l Q42)，僅分布于河床左岸頂部，揭示厚度4.3m～15.6m，壩線附近橫河方向寬160～240m，以細砂及粉粒為主，分別占38.62%、41.16%，粘粒占15.6%，孔隙比0.696～1.453，天然含水量36.6～43.8%，塑限26.35%，液限40.23%，塑性指數(shù)13.9%。

3 壩基砂層分布及地震液化判別

在川西地區(qū)，淺部飽和松散砂土層液化問題是覆蓋層上建壩存在的一個重要的工程地質問題。對液化趨勢和性質的判別，大多根據(jù)砂土層的天然結構、顆粒組成、松密程度、地震前和地震時的受力狀態(tài)、邊界條件和排水條件以及地震歷史等因素，結合現(xiàn)場勘察和室內試驗進行綜合分析評價。該水電站壩址區(qū)覆蓋層以漂卵礫石等粗粒土為主，但存在砂土層以及砂土透鏡體;為確保工程安全，有必要對址區(qū)覆蓋層淺部飽和松散砂土層透鏡體進液化評價。

本工程壩基覆蓋層中存在第③層堰塞湖積青灰色粉質土、第④、⑥層中隨機分布透鏡狀的含塊碎礫石砂層(或中細砂層)，以及第⑦層湖積灰色淤泥質壤土。按照現(xiàn)行規(guī)范《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》（GB50287-2006）技術要求，依據(jù)砂層的顆粒組成、沉積年代、標貫擊數(shù)等標準，分別對以上各層進行了砂( 土) 層液化判別。

3.1 砂土層液化初判

液化初判主要應用已有的勘察資料或較簡單的測試手段對土層進行初步鑒定，以排除不會發(fā)生液化的土層。按照現(xiàn)行規(guī)范《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》（GB50287-2006）技術要求，初判一般采用地層年代、粘土含量、剪切波速等來判斷。

1）地層年代判斷：地層年代為第四紀晚更新世Q3或以前可判為不液化。第③層堰塞湖積(lQ33-1) 青灰色粉質土分布于河床左岸中部，呈透鏡狀展布，厚度6.8m，頂面埋深60m，為Q3時期冰川冰水時期形成的覆蓋層，可判斷為不液化層，第④層為Q3時期橫向干溝冰水堆積(fglQ33-2)，分布于河床中上部，厚度18.45m～53.88m，頂面埋深9.55m～51.18m，可判斷為不液化層。

2）黏粒含量判別（該工程地震設防烈度七度）：土的粒徑大于5mm，顆粒含量的質量百分比大于或等于70%時可判為不液化；粒徑大于5mm，顆粒含量的質量百分率小于70%時，若無其它整體判別方法時，可按粒徑小于5mm的這部分判定其液化性能。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，含量質量百分率相應于地震設防烈度七度、八度和九度，分別不小于16%、18%和20%時可判為不液化。

第③層粉粒40.5%，粘粒7.5%，即小于5mm的顆粒大于30%，小于0.005mm的黏粒含量小于16%，可判斷為可能液化層；第④層塊碎石土層，塊石占13.7%，碎（卵）礫石占66.9%，即大于5mm顆粒大于70%，可判斷為不液化層，但是其礫石砂層透鏡體，小于5mm的顆粒占61.5%（大于30%），黏粒含量平均為4.9%（小于16%），該透鏡體可能為液化層。同樣第⑥層砂層透鏡體可能為液化層；第⑦層淤泥質壤土，以細砂及粉粒為主，分別占38.62%、41.16%，即小于5mm的顆粒大于30%，粘粒占15.6%（小于16%），可判斷為該層為可能液化層。

3.2 砂層液化復判

初判為可能液化的土層需進行復判，按照現(xiàn)行規(guī)范復判，采用相對密度復判法、相對含水量或液性指數(shù)法。

1）相對密度復判法

當飽和無黏性土（包括砂和粒徑大于2mm的礫砂）的相對密度不大于表1中的液化臨界相對密度時，可判斷為液化土。根據(jù)表2中第⑥層中砂層透鏡體相對密度試驗，其相對密度為80%，大于7度地震設防烈度液化相對密度70%，可判斷為非液化土。

表1 飽和無黏性土的液化臨界相對密度(%)

2）相對含水量或液性指數(shù)復判法

當飽和少粘性土的相對含水量大于或等于0.9時，或液性指數(shù)大于或等于0.75時可判為可能液化土相對含水量按下式計算:

式中WU—相對含水量(%)WS—少粘性土的飽和含水量(%)WL—少粘性土的液限含水量(%)

液性指數(shù)應按下式計算:

式中IL—液性指數(shù)

Wp—少粘性土的塑限含水量(%)

根據(jù)《水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范》（GB50287-2006）附錄M條文說明，少黏性土黏粒含量ρc(%)大于3，但不大于25，塑性指數(shù)IP大于3，但不大于15.第⑦層泥質壤土，塑性指數(shù)13.9%，粘粒占15.6%，屬于飽和少黏性土，其相對含水量為0.91～1.09，液性指數(shù)0.74～1.26，平均為1，判斷第⑦層為可能液化土。

綜上所述，砂土層初判和復判（表3）表明，第③、④、⑥中雖然存在沙土，但是其液化的可能性較小，第⑦層液化的可能性比較大。

4 液化處理措施

根據(jù)液化判斷，第③、④、⑥中雖然存在沙土，但是其液化的可能性較小，第⑦層液化的可能性比較大。因此，只需第⑦層進行處理。針對第⑦層淤泥質壤土層的特性，可采用加固和全部挖除兩種處理方案。

采用全部挖除方案，并填筑人工開采堆石料，技術上是穩(wěn)妥可靠的。由于淤泥質壤土開挖及開挖后的堆放都有一定難度，而且堆放后可能造成水土流失，污染河道，對環(huán)保、水保不利。因此，建議重點研究壩基不挖除淤泥質壤土，采取工程加固處理措施技術。

表2 砂樣相對密度試驗表

表3 壩基砂類土體地震液化（經(jīng)驗）判別表

在對已建成運行的在淤泥質壤土上建堆石壩的云南霧坪水庫進行了考察，收集相關資料的基礎上，設計上最終采用振沖碎石樁加固處理壩基淤泥質壤土。并對第⑦層淤泥質壤土進行了現(xiàn)場振沖試驗，并對復合地基進行了各項指標檢測。根據(jù)試驗檢測結果，經(jīng)計算分析認為：對第⑦層淤泥質壤土進行振沖加固處理后，能夠滿足建堆石壩的要求。

5 結論

該水電站河谷覆蓋層深厚，結構層次復雜，壩基深厚覆蓋層中存在第③層青灰色粉質土、第④、⑥層隨機分布的透鏡體狀含塊碎礫石砂層(或中細砂層)以及第⑦層灰色淤泥質壤土。采取多種方法對砂土層的液化情況進行初判和復判，最終確定只需處理第⑦層灰色淤泥質壤土，并提出了全部挖出和加固處理兩種方案。在綜合考慮技術、經(jīng)濟、環(huán)保的基礎上建議采用振沖碎石樁加固處理的技術方案，通過現(xiàn)場試驗和計算驗證，該方案能滿足建壩要求。

[1]GB 50287-2006[S]. 水力發(fā)電工程地質勘察規(guī)范.

[2]黎昌有, 鄧衛(wèi)東, 馮建明. 獅子坪水電站壩基砂層液化判別分析[J]. 四川水力發(fā)電, 2010. 29(4): 12-13.