雙江口水電站壩址區(qū)砂層液化特性研究

田 雄，徐 旭

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

雙江口水電站是大渡河干流上游控制性水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位2 500m，心墻堆石壩最大壩高314m，為目前世界上同類壩型中擬建的最高大壩，對(duì)應(yīng)庫(kù)容約27.32億m3，電站裝機(jī)容量2 000MW。壩基位于深厚覆蓋層上，除深厚覆蓋層上筑壩常出現(xiàn)的滲漏、滲透穩(wěn)定、沉陷等工程地質(zhì)問題外，壩基覆蓋層中還分布不同層次和規(guī)模的砂層透鏡體，可能存在砂層液化問題。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

工程區(qū)位于由鮮水河斷裂帶、瑪沁—修溝斷裂帶和岷江斷裂—雪山斷裂—虎牙斷裂—龍門山斷裂帶所圍限的川青斷塊區(qū)的東南部。區(qū)內(nèi)構(gòu)造型式由一系列線狀緊密弧形復(fù)式褶皺組成，斷裂不發(fā)育。挽近時(shí)期以來(lái)，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為大面積的間歇性整體抬升，地殼形變微弱，庫(kù)壩區(qū)除松崗斷裂通過的足木足河熱腳以北庫(kù)區(qū)和熱腳以東梭磨河支庫(kù)區(qū)處于次穩(wěn)定區(qū)以外，其余均處于構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定區(qū)。壩址區(qū)及其外圍50km范圍內(nèi)除距壩區(qū)30～40km的撫邊河斷裂外，無(wú)活動(dòng)斷層分布，地震活動(dòng)性微弱。工程區(qū)距離外圍強(qiáng)震帶遠(yuǎn)達(dá)100km以上，受其波及影響小，地震危險(xiǎn)性主要來(lái)自近場(chǎng)的松崗(震級(jí)上限6.5級(jí))、兩河口(撫邊河)(震級(jí)上限7.0級(jí))潛在震源區(qū)強(qiáng)震的影響。據(jù)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所《雙江口水電站工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，雙江口電站壩址區(qū)50年超越概率10%的一般場(chǎng)地條件下計(jì)算概率基巖地震動(dòng)峰值加速度均為87gal，對(duì)應(yīng)烈度為Ⅶ度；100年超越概率2%的一般場(chǎng)地條件下計(jì)算概率地震烈度均為Ⅷ度，基巖地震動(dòng)峰值加速度為205gal。

3 壩址區(qū)砂層透鏡體的分布特征

雙江口水電站壩址河段長(zhǎng)約1.5km，河谷狹窄陡峻，屬典型的高山峽谷地形。據(jù)鉆孔揭示，壩址區(qū)河床覆蓋層一般厚48～57m，最大厚度達(dá)67.8m。根據(jù)其物質(zhì)組成、層次結(jié)構(gòu)，從下至上(由老至新)可分為3層，各層中均有不同規(guī)模的砂層透鏡體分布。第①層為漂卵礫石層，砂層透鏡體主要位于壩址軸線下游側(cè)，為黏土質(zhì)砂，厚2.42～6.69m，頂面埋深45.96～49.79m，推測(cè)順河向長(zhǎng)232m，橫河向?qū)?1m。第②層為(砂)卵礫石層，其中分布7個(gè)較厚的砂層透鏡體，以砂層②-a和②-b規(guī)模較大，且距離壩軸線很近。砂層②-a位于壩軸線下游側(cè)，為級(jí)配良好的粉土質(zhì)砂，厚3.6～3.73m，頂面埋深19.8～20.5m，推測(cè)順河向長(zhǎng)約322m，橫河向?qū)捈s45m。砂層②-b位于大壩底部，為級(jí)配良好的粉土質(zhì)砂，厚0.64～7.93m，頂面埋深14.18～21.75m，縱向長(zhǎng)約390m，橫河向?qū)捈s102m。第③層為漂卵礫石層，主要分布三個(gè)砂層透鏡體，其中③-b貫穿整個(gè)壩址區(qū)，為含細(xì)粒土砂或粉土質(zhì)砂，厚1.1～7.65m，頂面埋深0～3.2m，推測(cè)順河向長(zhǎng)462m，橫向最大寬度112m。各砂層的分布位置見圖1。

圖1 壩址區(qū)主要砂層分布

4 壩址區(qū)砂層液化的判別過程及方法

根據(jù)壩址區(qū)砂層的地質(zhì)年代、顆粒組成級(jí)配、埋藏條件初判均為可液化砂土，并對(duì)Ⅲ、Ⅳ勘探線附近分布范圍較大的砂層③-b和②-b剪切波速試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初判(見表1)。試驗(yàn)結(jié)果表明：③-b砂層可判定不液化，②-b可能液化。為進(jìn)一步研究各砂層的液化特性，對(duì)不同的砂層進(jìn)行了一系列標(biāo)貫試驗(yàn)，參照GB50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中提供的下列公式對(duì)各砂層進(jìn)行液化復(fù)判：

在地面下15m深度范圍內(nèi)采用

(1)

在地面下15～20m范圍內(nèi)采用

(2)

20m深度以下的砂層結(jié)合顆粒級(jí)配試驗(yàn)、密實(shí)度及其它方法綜合判定。

標(biāo)貫試驗(yàn)復(fù)判成果見表2。表2顯示：②-b、②-c、②-e、③-b、③-c砂層透鏡體均可能液化。為進(jìn)一步研究砂層的液化特性，對(duì)分布范圍較大的②-b進(jìn)行了動(dòng)三軸液化試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3～5。

動(dòng)三軸振動(dòng)液化試驗(yàn)表明；對(duì)于SZK7和SZK23兩組鉆孔，取KC=1、振次為10和KC=1、振次為20時(shí)，砂層②-b現(xiàn)場(chǎng)抗液化剪應(yīng)力比分別為0.14～0.152、0.125～0.133。當(dāng)50年超越概率為10%時(shí)，一般場(chǎng)地條件下的計(jì)算概率地震烈度6.9度、基巖地震加速度為87gal時(shí)，其引起的等效剪應(yīng)力比為0.057～0.063，砂層不液化；當(dāng)大壩抗震設(shè)防烈度按100年超越概率為2%時(shí)，一般場(chǎng)地條件下的計(jì)算概率地震烈度為8度、基巖地震動(dòng)峰值加速度為205gal時(shí)，其引起的等效剪應(yīng)力比為0.138～0.150，液化安全系數(shù)0.88(等效循環(huán)周次為20)～1.0(等效循環(huán)周次為10)，經(jīng)判別砂層②-b在天然狀態(tài)下的抗振動(dòng)液化能力處于可液化～液化臨界狀態(tài)。對(duì)于SZK61、SZK63鉆孔中砂層②-b液化安全系數(shù)僅有0.35～0.41(基巖地震動(dòng)峰值加速度為205gal，等效循環(huán)周次為20)、0.38～0.46(基巖地震動(dòng)峰值加速度為205gal，等效循環(huán)周次為10)，判別為液化砂。

表1 壩址河床砂層地震液化剪切波速初判

綜上多種試驗(yàn)成果，雙江口水電站壩基的砂層透鏡體②-b、②-c、②-e、③-b、③-c均有可能發(fā)生液化。其中范圍較大的砂層③-b埋藏淺，結(jié)構(gòu)較松散，地震液化的可能性較大，建議予以挖除；砂層②-b在天然狀態(tài)下的抗振動(dòng)液化能力處于臨界狀態(tài)或液化狀態(tài)，建議結(jié)合心墻部位地基開挖亦予以全部挖除；對(duì)其它可能液化砂層建議采取挖除或其它有效工程處理措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

砂土液化的影響因素很多，所以在對(duì)砂土層液化評(píng)判時(shí)不能單純的用某一種試驗(yàn)方法或單一統(tǒng)計(jì)公式來(lái)簡(jiǎn)單評(píng)判，應(yīng)綜合應(yīng)用多種試驗(yàn)方法、結(jié)合規(guī)范技術(shù)要求及借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，才能對(duì)砂土液化做出較為客觀的判斷。

文中在比較清晰認(rèn)識(shí)雙江口水電站壩基下砂層透鏡體的分布及規(guī)模的基礎(chǔ)上，在重點(diǎn)部位布置了相對(duì)集中的勘探及試驗(yàn)，依據(jù)勘探及試驗(yàn)成果，結(jié)合規(guī)范技術(shù)要求及工程經(jīng)驗(yàn)，最終判定出了可能液化的土層，并提出合理有效的工程處理措施。

表2 壩址河床砂層液化標(biāo)貫試驗(yàn)判別成果

表3 壩址河床砂層動(dòng)三軸振動(dòng)液化試驗(yàn)成果

表4 壩址河床②-b、②-d砂層液化安全系數(shù)

表5 壩址河床②-b砂層液化安全系數(shù)

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊建,路學(xué)忠,陳慶壽.砂土液化因素及其判別方法[J].地基基礎(chǔ)工程,2003(9).

[2] 謝幼龍,石定國(guó).獅泉河水電站壩基液化砂層的判別[J].水電站設(shè)計(jì),2006,22(2).

[3] 宋寶玉,司富安.哈達(dá)山水利樞紐砂層震動(dòng)液化研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2003(3).