8度地震區(qū)土壩壩基砂土液化判別及抗震設(shè)計

馬志強，胡志剛

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021）

1 工程簡介

哈達(dá)山水利樞紐工程位于第二松花江下游河段，距第二松花江與嫩江匯合口處約60 km。樞紐由擋水土壩、取水及門庫段、溢流壩、河床式電站、重力壩連接段組成，工程屬大（1）型，工程等別為Ⅰ等，主要建筑物級別為1級。壩址區(qū)地震基本烈度為8度，工程地震設(shè)防烈度采用8度。

擋水土壩為粘土均質(zhì)壩，長2248 m，最大壩高13.55 m，基礎(chǔ)覆蓋層以粘性土和砂性土為主，覆蓋層下基巖為夾粉砂巖薄層的泥巖。壩基基礎(chǔ)砂層厚度15～25 m。

2 壩基砂土液化判別

土壩壩基為均勻中砂，經(jīng)初步判別，土壩基礎(chǔ)砂層為可液化砂層，在8度地震下將產(chǎn)生液化。為此，對壩基砂土進(jìn)行復(fù)判。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法

壩基砂土的復(fù)判，采用GB50287-99《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法。判別式為：

式中：N63.5——工程運用時，標(biāo)準(zhǔn)貫入點在當(dāng)時地面以下ds（m）深度處的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；Ncr——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。

式（1）表明，當(dāng)處于地面以下ds深度處的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5，小于該深度處的臨界值Ncr時，該深度處的土層為可液化土層；反之，當(dāng)N63.5＞Ncr時，該深度處的土層為不液化土層。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法判別土層液化，按工程正常運用時的水庫上、下游水位計算土層標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)。針對擬采取的工程處理措施，考慮了基礎(chǔ)上部有、無壓重分別進(jìn)行了計算?？偣策x取了60個標(biāo)貫孔，計403個測點進(jìn)行計算，計算結(jié)果統(tǒng)計值見表1。

從表1統(tǒng)計結(jié)果看，在有壓重時能明顯提高壩基砂土的抗液化能力。按下游水位135.13 m作用看，有壓重時全部非液化點占總統(tǒng)計點數(shù)比例達(dá)到74.9%，遠(yuǎn)高于無壓重時的31.0%；按上游水位140.50 m作用看，有壓重時全部非液化點占總統(tǒng)計點數(shù)比例為38.2%，亦高于無壓重條件下的26.6%。

按標(biāo)貫點的高程統(tǒng)計，隨著土層越深，非液化點的比例也越高，特別是在上游水位140.50 m作用下，不論是在有壓重的條件下，還是在無壓重的條件下，效果明顯。

2.2 液化等級判別法

標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法，說明了處于地面以下ds深度處的土層是否為可液化土，若該深度處的土層經(jīng)判別為可液化土層，則不論該層土以上是否采用了抗液化處理措施，對于該層土來講，仍有遇地震液化的可能。那么是否對該層土還需要進(jìn)行處理，或者說對整個地基處理到什么程度，如何評價地基的整體抗液化性能，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法是不容易說清楚的。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法液化判別結(jié)果統(tǒng)計表

GB50011-2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的液化等級判別法，是評價地基整體液化狀況的一種可行的方法。液化等級判別見表2。

表2 液化等級

式中：ILE——液化指數(shù)；n——在判別深度范圍內(nèi)，每一個鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點的總數(shù)；Ni，Ncri——分別為i點標(biāo)注貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值，當(dāng)實測值大于臨界值時應(yīng)取臨界值的數(shù)值；di——i點所代表的土層厚度，m，可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi——i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值，m-1。若判別深度為15 m，當(dāng)該層中點深度不大于5 m時，應(yīng)采用10；等于15 m時，應(yīng)采用零值；5～15 m時，應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。若判別深度為20 m，當(dāng)該層中點深度不大于5 m時，應(yīng)采用10；等于20 m時，應(yīng)采用零值；5～20 m時，應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法判別結(jié)果，初步選用的基礎(chǔ)處理方案為：壩體上、下游采用5 m壓重，防滲墻上游基礎(chǔ)振沖處理深度10 m，防滲墻下游基礎(chǔ)處理振沖深度7 m。按實際運用統(tǒng)計各鉆孔的液化等級判別，統(tǒng)計結(jié)果表明：其中液化等級嚴(yán)重1孔占1.7%，中等6孔占10%，輕微32孔占53.3%，無21孔占35%。從中可看出，基礎(chǔ)處理在上部有5 m壓重情況下，防滲墻上游基礎(chǔ)處理深度10 m，防滲墻下游基礎(chǔ)處理深度7 m，處理到輕微及以下程度達(dá)到了88.3%，基本能夠消除地震帶來的液化影響。

3 壩基抗液化設(shè)計

土壩基礎(chǔ)砂層抗液化的主要工程措施有加密法、置換法、壓重法等。根據(jù)該工程的特點，基礎(chǔ)抗液化設(shè)計采用壓重+基礎(chǔ)加密相結(jié)合的方式。而基礎(chǔ)加密方法包括振沖法、強夯法等。強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、素填土和雜填土等地基。對于較純凈的中、粗砂層，振沖法施工簡便，加密效果好，強夯法受制于基礎(chǔ)排水條件。

該工程地基處理深度最深需15 m，在有壓重區(qū)域，地基處理深度亦達(dá)到10 m，而強夯法處理地基的有效深度一般在7～8 m，采用強夯法處理地基較困難。另外，該工程有提前發(fā)電要求，此時江水位在140.00 m運行，基礎(chǔ)砂土基本處于飽和狀態(tài)，而壩基砂土的滲透系數(shù)K=7.48×10-3～2.38×10-2cm/s，采用強夯法加密地基，沒有天然排水條件，而采用振沖法加密地基不受此限制。

綜合考慮，抗液化處理方案選用振沖+壓重組合方案。壓重厚度5 m，壓重料采用碾壓密實的天然砂料或一期基坑內(nèi)可利用的開挖棄料。在防滲墻上游基礎(chǔ)振沖處理深度為10 m，防滲墻下游基礎(chǔ)振沖處理深度為7 m。

基礎(chǔ)處理標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，同時結(jié)合《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，要求處理后壩基砂土的相對密度大于等于0.8，壓重料壓實標(biāo)準(zhǔn)同樣達(dá)到相對密度0.8。

經(jīng)現(xiàn)場試驗，振沖樁間排距2 m×1.7 m，正三角形布置，振沖樁直徑0.8 m，振沖方式為無填料振沖。

4 結(jié)語

可液化地基的抗震設(shè)計，是較為復(fù)雜的。文中分別根據(jù)GB50287-99《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》中提出的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法、GB50011-2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提出的的液化等級判別法，對哈達(dá)山土壩基礎(chǔ)液化狀況進(jìn)行了判別，兩種判別方法各有特點。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法，能分析出處于地面以下一定深度土層是否為可液化土，但不利于評價地基的整體抗液化性能。而液化等級判別法是評價地基整體液化狀況的一種可行的方法，但對于具體土層的液化狀態(tài)無法判別。通過兩者結(jié)合使用，更有利于分析工程設(shè)計方案的合理性。