淺談新疆開都河博湖縣城區(qū)段應(yīng)急防洪工程砂土液化問題

買買提·色買提, 祖木來提·沙吾提

(巴州水利水電勘測設(shè)計(jì)院,新疆 庫爾勒 841000)

淺談新疆開都河博湖縣城區(qū)段應(yīng)急防洪工程砂土液化問題

買買提·色買提, 祖木來提·沙吾提

(巴州水利水電勘測設(shè)計(jì)院,新疆 庫爾勒 841000)

新疆開都河博湖縣城區(qū)段應(yīng)急防洪工程主要分布有第四系粉砂、細(xì)砂、中砂等易發(fā)生地震液化的土層,有的已產(chǎn)生破壞,對擬建的堤防具有較大的潛在威脅,影響堤防的正常生產(chǎn)運(yùn)行。通過查明液化土層的分布、深度、液化等級,對堤防地基土的液化土層進(jìn)行抗液化處理,避免地基土不均勻沉陷和開裂對堤防地基造成破壞,以期從根本上解決堤防地基的液化破壞,保證堤防的正常運(yùn)行。

砂土液化;標(biāo)準(zhǔn)貫入;液化性指數(shù)

1 概述

工程區(qū)位于開都河下游的沖積平原區(qū)與湖濱沼澤濕地區(qū)的過渡帶上,地形平坦開闊,開都河自西向東最終流入博斯騰湖。區(qū)內(nèi)分布有第四系沖積(Q4al)粘性土、粉土、粉細(xì)砂、中粗砂層,沼澤堆積(Q4f)的淤泥及鹽類物質(zhì)等易發(fā)生地震液化的土層,對堤防具有較大的潛在威脅。為確保工程運(yùn)行安全,這就要求必須對擬建堤防下伏粉細(xì)砂、中粗砂層進(jìn)行液化判別分析,并提出可行的處理方案。通過對博湖縣城區(qū)段應(yīng)急防洪工程地基砂土的勘察,查明可能液化土層的分布規(guī)律,劃分液化土層、液化等級并提出處理方案建議。

2 自然地理?xiàng)l件

工程區(qū)地處歐亞大陸腹地,在焉耆盆地的中部,具有內(nèi)陸盆地的一般特點(diǎn),屬中溫帶大陸性氣候。根據(jù)博湖縣氣象站資料,多年平均氣溫7.9℃,最熱月(7月)平均氣溫22.8℃,最冷月(1月)平均氣溫-12.7℃,絕對最高氣溫38.0℃,絕對最低氣溫-35.0℃,年平均降水量為64.5 mm,年平均蒸發(fā)量為1 881 mm;年平均風(fēng)速為2.3 m/s,最多風(fēng)向?yàn)槠鞅?最大風(fēng)速20 m/s,多出現(xiàn)于4—8月,無霜期平均178 d,最大凍土深度109 cm。

3 區(qū)域地質(zhì)概況

3.1 地形、地貌

工程區(qū)位于開都河下游的沖積平原區(qū)與湖濱沼澤濕地區(qū)的過渡帶上,地形平坦開闊,開都河自西向東最終流入博斯騰湖。縱觀工程區(qū)外圍地形,其北面40 km以外為近東西向延伸的天山山脈,西側(cè)約100 km為霍拉山,南面約40 km為庫魯克塔格山,東面為平坦開闊的湖積和沖積平原。工程區(qū)內(nèi),地形總趨勢是北高南低,地形起伏不大,縱坡較小,海拔高程一般為1 045～1 060 m。工程區(qū)主要地貌單元有沖積平原區(qū)和湖濱沼澤濕地區(qū)。沖積平原區(qū):位于開都河的下游,地勢平緩,高程一般1 050～1 070 m,沉積物質(zhì)變細(xì),地下徑流更替速度減弱,土壤鹽漬化相對較重。湖濱沼澤濕地區(qū):分布于博斯騰湖邊緣地帶,多生長蘆葦?shù)认菜脖?高程一般1 045～1 050 m,是博斯騰凹陷的低洼區(qū),也是區(qū)域地表水與地下水的匯集區(qū)。地下水礦化度較高,土壤積鹽重,沼澤分布普遍。

3.2 地層巖性

工程區(qū)位于開都河下游的沖積平原區(qū)與湖濱沼澤濕地區(qū)的過渡帶內(nèi),出露地層主要為第四系全新統(tǒng)地層(Q4)。工程區(qū)內(nèi)主要有:沖積(Q4al)粘性土、粉土、粉細(xì)砂、中粗砂層,沼澤堆積(Q4f)的淤泥及鹽類物質(zhì)等。

3.3 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)地處焉耆盆地,屬開都河流域范圍內(nèi)。開都河流域焉耆盆地內(nèi)有大小十余條雨雪混合補(bǔ)給的山溪性河溝均匯流開都河或博斯騰湖,主要有開都河、黃水溝等,諸河多年平均徑流總量為39.3億m3(大山口站、黃水溝站)。開都河是焉耆盆地內(nèi)最大的河流,河道全長560 km,其中平原區(qū)河段長126 km,多年平均徑流量35.18億m3(開都河大山口水文站)。開都河在出山口處的水質(zhì)礦化度平均為0.225 g/L,開都河末端入湖口處的礦化度增加至0.999 g/L。博斯騰湖作為焉耆盆地地表水與地下水的承泄區(qū),地表水水質(zhì)礦化度為1 g/L左右。

3.4 地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域穩(wěn)定性

工程區(qū)位于焉耆盆地中部,焉耆盆地在大地構(gòu)造單元上被稱為“博斯騰山間凹陷”,它的發(fā)育繼承了南天山向斜褶皺帶在海西晚期凹陷的位置,經(jīng)阿爾卑斯運(yùn)動,形成階梯狀凹陷基底,凹陷基底主要為晚古生代地層,山前帶和凹陷內(nèi)部深大斷裂的存在,控制和影響著盆地的演變。通過區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)測繪,距離工程區(qū)較近的斷層焉耆斷裂和博東斷裂均為隱伏斷裂,埋藏較深,且在工程區(qū)8.0 km范圍內(nèi)未見錯斷第四紀(jì)地層,對本次工程影響較小。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015),工程區(qū)50年超越概率為10%的地震動峰值加速度為0.20g,地震動反應(yīng)譜特征周期0.40 s,相應(yīng)的地震烈度為Ⅷ度。

4 堤防地基土地震液化性評價(jià)

4.1 堤防地基土地震液化可能性的判別

堤防地基土根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010),須考慮地面以下15 m以內(nèi)的飽和砂或飽和少粘性土的地震液化問題。

4.1.1 地震液化的初判

堤防地基土在勘探深度15 m范圍內(nèi)可分為三大層,其中①層、③層主要為粉質(zhì)粘土,②層主要為粉細(xì)砂層。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008),對它們的地震液化判定如下:

(1) 按地層顆粒組成判別:對粒徑<5 mm顆粒含量質(zhì)量百分率>30%的土,其中粒徑<0.005 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率(ρc)相應(yīng)于地震動峰值加速度為0.20g≥18%時,可判為不液化[1]。根據(jù)顆分資料得出①層、③層粉質(zhì)粘土中<0.005 mm的顆粒質(zhì)量百分率在18.6%～38.1%,由于該層<0.005 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率≥18%,據(jù)此①層、③層粉質(zhì)粘土可判為不液化;②層粉細(xì)砂中<0.005 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率在0～15.1%,由于該層<0.005 mm的顆粒含量質(zhì)量百分率<18%,據(jù)此判定存在液化的可能性。

(2) 根據(jù)地層年代和土的狀態(tài)判別:在勘探揭露的15 m深度范圍內(nèi),堤線地基土地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積層,工程運(yùn)行時均處于設(shè)計(jì)水位以下(飽和土),據(jù)此判斷該層存在液化的可能性。

4.1.2 地震液化的復(fù)判

(1) 按標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別:用取樣器在鉆孔中所取砂樣都有一定的壓密作用,它的相對密度試驗(yàn)值不能反映砂層的真實(shí)情況,下面依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的擊數(shù)對堤線區(qū)0～15 m的砂層進(jìn)行地震液化復(fù)判。堤線區(qū)ZK01、 ZK02、ZK03鉆孔的標(biāo)貫擊數(shù)見表1。

式中:Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值,地震動峰值加速度為0.20g近震取10;N63.5為實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);dw為工程正常運(yùn)行時,地下水位在當(dāng)時地面以下的深度(m);ds為工程正常運(yùn)行時,標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時地面以下深度(m),當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在地面以下5 m以內(nèi)深度時,應(yīng)采用5 m計(jì)算;ρc為土的粘粒含量質(zhì)量百分率,取3%。

根據(jù)上式對堤線區(qū)飽和砂層的液化臨界錘擊數(shù)(Ncr)進(jìn)行計(jì)算,由表1可以得出,堤線區(qū)②層粉細(xì)砂層除中間少量中密砂層不液化外,其余部分全部液化。

(2) 按靜力觸探試驗(yàn)判別:根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)中條文說明:當(dāng)實(shí)測計(jì)算比貫入阻力ps小于比貫入阻力臨界值pscr時,應(yīng)判為液化土[2]。

pscr=pso×aw×au×ap

aw=1-0.065(dw-2)

au=1-0.05(du-2)

表1 堤線區(qū)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)液化判別表

式中:pscr為飽和土比貫入阻力臨界值;pso為地下水深度dw=2 m,上覆非液化土層厚度du=2 m時,飽和土液化判別比貫入阻力基準(zhǔn)值,可按表2取值;aw為地下水埋深修正系數(shù),地面常年有水且與地下水有水力聯(lián)系時,取1.13;au為上覆非液化土層厚度修正系數(shù),對深基礎(chǔ),取1.0;dw為地下水位深度(m);du為上覆非液化土層厚度(m),計(jì)算時應(yīng)將淤泥和淤泥質(zhì)土層厚度扣除;ap為與靜力觸探摩阻比有關(guān)的土性修正系數(shù),可按表3取值。

表2 比貫入阻力基準(zhǔn)值pso

表3 土性修正系數(shù)ap值

表4 堤線區(qū)靜力觸探試驗(yàn)液化判別表

通過表4得出,②層粉細(xì)砂層除中間少量中密砂層不液化外,其余部分全部液化。

綜合以上初判和復(fù)判成果,判定堤線區(qū)②層粉細(xì)砂層全部液化。

4.2 堤線區(qū)液化等級判定

鄭淵潔是楊鵬的偶像，楊鵬從小學(xué)二年級開始讀鄭淵潔童話，他對皮皮魯近乎癡迷。楊鵬曾在多個場合談?wù)撈鹱约旱某砷L經(jīng)歷：“小學(xué)二年級，第一次讀到鄭淵潔老師的《臟話收購站》，我就認(rèn)定寫作是我未來一定要走的路?！?/p>

表5 液化性指數(shù)及液化等級判定表

4.3 綜合評價(jià)

工程區(qū)位于開都河下游的沖積平原區(qū)與湖濱沼澤濕地區(qū)的過渡帶上,地下水位較高,一般為地面下0.5～2.0 m,堤線區(qū)地基土,屬軟弱土—中軟土;擬建堤防工程為甲類建筑;液化等級屬輕中等—嚴(yán)重。綜合考慮,堤防區(qū)砂土液化對堤防地基危害性較大,可造成不均勻沉陷和開裂,須對建筑地基及上部結(jié)構(gòu)采取抗液化措施。

4.4 抗液化措施及建議

針對工程區(qū)已揭露的粉細(xì)砂層存在液化性的問題,需對工程區(qū)內(nèi)擬建堤防地基進(jìn)行抗液化處理,避免土層液化對堤防地基造成的破壞,確保開都河博湖縣城區(qū)段應(yīng)急防洪工程穩(wěn)定運(yùn)行。堤防區(qū)地下水位較高,地基土容易發(fā)生流砂現(xiàn)象,因此堤防地基處理時考慮基坑排水難度及節(jié)約工程投資前提下比較抗液化處理的方案:

(1) 對堤防地基進(jìn)行液化加固處理,采用擠密碎石樁方法加固液化土層。該方案可不考慮基坑排水問題和流砂現(xiàn)象,但投資相對較大。

(2) 采用水泥土樁格柵加固液化土層,水泥土樁格柵應(yīng)穿過液化層,格柵凈間距應(yīng)≥0.8倍液化層厚度。該方案需考慮基坑排水問題和流砂現(xiàn)象,且投資和施工難度相對較大。

(3) 采用沉井進(jìn)行抗液化處理。沉井是以現(xiàn)場澆筑、挖土下沉方式?jīng)]入地基中的基礎(chǔ)形式,尤其適合軟土地基[4]。該方案可不考慮基坑排水問題和流砂現(xiàn)象,且投資較省。

綜上所述,鑒于沉井進(jìn)行抗液化處理,投資較省,且施工方便,建議采用方案(3)。該堤防設(shè)計(jì)采用沉井基礎(chǔ)處理方案效果良好,運(yùn)行五年后堤防地基沒有發(fā)現(xiàn)沉陷和開裂,工程運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)論

(1) 工程區(qū)位于開都河下游的沖積平原區(qū)與湖濱沼澤濕地區(qū)的過渡帶上,地下水位較高,下伏砂土處于飽和狀態(tài),砂土液化對工程區(qū)內(nèi)已有水工建筑物造成較大破壞,需對地基土的液化問題進(jìn)行處理。

(2) 工程區(qū)內(nèi)粉砂和細(xì)砂液化土層分布廣泛,砂土液化對工程區(qū)內(nèi)的水工建筑物正常使用具有潛在危害。

(3) 建議對工程堤防地基進(jìn)行液化加固處理時優(yōu)先考慮沉井處理方案加固液化土層,同時對堤防上部結(jié)構(gòu)采取抗液化措施。

(4) 由于勘察手段的局限和勘探點(diǎn)數(shù)量有限,僅對開都河博湖縣城區(qū)段應(yīng)急防洪工程地基土進(jìn)行液化判別分析,對整個工程區(qū)內(nèi)液化土層的分布、深度范圍、液化等級、液化機(jī)理及處理方案還須進(jìn)一步研究。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB50487—2008[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范:GB50021—2001[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50011—2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4] 顧曉魯.地基與基礎(chǔ)[M].第三版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Preliminary Discussion on Sand Liquefaction of Flood Control EmergencyProject of Kaidu River in Bohu County,Xinjiang Province

MAIMAITI Semaiti, ZUMULAITI Shawuti

(BazhouInstituteofWaterConservancy&Hydropower,Korla,Xinjiang841000)

Flood control emergency project of Kaidu River in Bohu county is mainly distributed quaternary silt,fine sand,medium sand,and some have been damaged. It has a great potential threat to the proposed embankment,which affects the normal production and operation of the embankment.This paper attempts by identifying distribution,depth and liquefaction grade of liquified soil,avoid soil foundation uneven settlement and cracking damage of levee foundation,fundamentally solve the levee foundation liquefaction failure,ensure normal operation of embankment.

sand liquefaction; standard penetration; liquefaction index

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

買買提·色買提(1980-),男,工程師,農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:28848851@qq.com

TV87; P64

A

1671-1211(2016)03-0510-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.060

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.026.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31