嫩江干流堤防工程地基土液化判別與防治措施

謝 亮，姚建欣，張書(shū)建，周經(jīng)緯，遲寶明

(1．防災(zāi)科技學(xué)院，河北三河 065201;2．河北聯(lián)測(cè)地基基礎(chǔ)公程有限公司，河北三河 065201)

0 引言

江河堤防是我國(guó)防洪工程體系的重要組成部分，是保障兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全的基本設(shè)施和最后屏障。堤防工程的穩(wěn)定性主要受堤身及地基土特性、堤身幾何特征、水的作用以及地震的影響。我國(guó)建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)從建國(guó)初照搬前蘇聯(lián)規(guī)范到89規(guī)范(GBJ 11－89)，經(jīng)歷了從無(wú)到有，不斷發(fā)展的過(guò)程，在這中間存在抵御災(zāi)害的能力不夠強(qiáng)，防洪標(biāo)準(zhǔn)不夠高等問(wèn)題，如由于堤壩建設(shè)時(shí)間早，當(dāng)時(shí)沒(méi)有出臺(tái)相應(yīng)的堤壩抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，后期雖然經(jīng)過(guò)數(shù)次修繕卻依然達(dá)不到抗震設(shè)防要求;許多大江大河的防洪標(biāo)準(zhǔn)只有10～20年一遇，中小型河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)更低，甚至是不設(shè)防，這些問(wèn)題導(dǎo)致堤防工程在地震發(fā)生時(shí)極易遭受破壞［1］。1966年邢臺(tái)地震導(dǎo)致滏陽(yáng)河及其支流沿岸地區(qū)出現(xiàn)噴水冒砂;1975年海城地震給遼河、太子河大堤造成嚴(yán)重破壞;1999年臺(tái)灣集集地震造成伸港鄉(xiāng)大笛溪河口堤防嚴(yán)重受損;2008年汶川地震中四川震損堤防共計(jì)500余處［2］。從以上堤防震害實(shí)例中發(fā)現(xiàn)，它們均存在著地基基礎(chǔ)條件差、抗震能力薄弱等問(wèn)題。因此，針對(duì)我國(guó)目前堤防工程地基土出現(xiàn)的這些問(wèn)題進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的液化預(yù)測(cè)判別，對(duì)提高我國(guó)堤防工程的防洪抗震性能，保障兩岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

嫩江干流堤防工程同樣存在上述問(wèn)題，而且由于嫩江流域夏季雨量集中，冬季低溫冰凍時(shí)間長(zhǎng)這種特殊的氣候條件，使得嫩江干流兩岸堤防的風(fēng)險(xiǎn)性相對(duì)于其他地區(qū)更高。本文首先以《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法對(duì)嫩江干流肇源區(qū)段的堤防地基土進(jìn)行液化判別，之后選擇判別分析法針對(duì)當(dāng)?shù)靥厥獾墓こ痰刭|(zhì)條件建立距離判別模型，從而為工程地基土的地震液化預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

黑龍江省嫩江干流堤防區(qū)位于松嫩平原中西部嫩江兩岸，地理坐標(biāo)為120o～126.5oE，45.5o～51.5oN，如圖1所示。主要地貌單元為河漫灘和一級(jí)階地，地勢(shì)總體呈北高南低趨勢(shì)。嫩江干流堤防區(qū)屬寒溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候，冬季長(zhǎng)而寒冷，夏季短而多雨，年平均氣溫2℃～4℃。冬季冰封期達(dá)150天左右，冰厚2 m左右。嫩江干流堤防區(qū)內(nèi)主要為第四系松散堆積層，厚度變化較大，一般在80～120m。主要巖性為黃色低液限黏土、含細(xì)粒土細(xì)砂，級(jí)配不良［5］。含水層巖性多為含細(xì)粒土細(xì)砂，顆粒較細(xì)，滲透性差，淺層(20～30m以內(nèi))地下水類型為孔隙潛水為主，局部具弱承壓性，地下水埋深一般小于5m。嫩江干流堤防區(qū)內(nèi)主要斷裂為嫩江斷裂，前期資料顯示，此斷裂近期無(wú)活動(dòng)。

表1 黑龍江省嫩江干流堤防地震動(dòng)參數(shù)Tab．1 List of seismic ground motion parameters of Nenjiang Mainstream Dyke in Heilongjiang Province

圖1 嫩江干流堤防工程地理位置分布圖Fig．1 Geographic location of Nenjiang Mainstream Dyke Project

2 地基土液化判別

標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法的砂土液化判別方法已經(jīng)非常成熟，在此不再贅述。而對(duì)于砂土液化的預(yù)測(cè)模型，近年來(lái)逐漸成為學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前用到的砂土液化預(yù)測(cè)方法如模糊數(shù)學(xué)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)等，然而這些方法或是因?yàn)槭諗克俣嚷?，或是因?yàn)閰?shù)選擇不合理最終影響判別效果。判別分析法是在已知研究對(duì)象分成若干類型(或組別)，并已取得各種類型的一批已知樣品的觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立判別式，然后對(duì)未知樣品進(jìn)行判別分類，是一種應(yīng)用性很強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)分析方法，已在經(jīng)濟(jì)、醫(yī)學(xué)、氣象等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域取得了很好的效果［3］。本文借鑒判別分析法的思想，建立距離判別分析模型，對(duì)嫩江干流堤防工程地基土進(jìn)行液化預(yù)測(cè)判別。

2.1 判別方法

判別分析方法是一種統(tǒng)計(jì)分析方法，利用該方法處理問(wèn)題時(shí)，通常要給出一個(gè)新樣品與各已知類別接近程度的描述指標(biāo)，即判別函數(shù)，同時(shí)也指定一種判別規(guī)則，以判定新樣品的歸屬。決定樣品歸屬時(shí)，只需考慮判別函數(shù)值的大小。距離判別的基本思想是:比較樣本和每個(gè)總體的馬氏距離，并將其判定屬于馬氏距離最近的那個(gè)總體。

設(shè)有兩個(gè)總體(或稱兩類)G1、G2，已知判別因子 X=x1，···，xk，來(lái)自總體 Gi(i=1，2)的訓(xùn)練樣本 Xi=(xi1，xi2，···，xik)'，i=1，2，···，n。定義Xi到兩類總體 G1、G2的馬氏距離分別為［11］

式中:μ(1)、μ(2)、V1、V2分別為兩類總體 G1、G2的均值向量和協(xié)方差矩陣，其樣本的估計(jì)公式為:

式中:n1、n2分別為 G1、G2的樣本容量;向量。

馬氏距離判別函數(shù)為:

判別規(guī)則:

計(jì)算步驟:設(shè)從 Gi中抽取的樣本為

①計(jì)算公式

②對(duì)待判別樣本X，計(jì)算馬氏距離判別函數(shù)值W(X)。

③按照判別規(guī)則，對(duì)待判別樣本 X進(jìn)行判別。

2.2 判別標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)

為考察上述判別準(zhǔn)則的優(yōu)良性，采用以訓(xùn)練樣本為基礎(chǔ)的回代估計(jì)法計(jì)算誤判率。以兩個(gè)總體G1、G2為例，來(lái)自總體 Gi(i=1，2)2，···，ni)，其中 ni為取自 Gi的樣本個(gè)數(shù)，且兩個(gè)總體的容量分別為n1和 n2。以全體訓(xùn)練樣本作為n1+n2個(gè)新樣本，逐個(gè)代入已建立的判別準(zhǔn)則中，判別其歸屬，這個(gè)過(guò)程稱為回判。用n12表示將屬于總體G1的樣本誤判為總體G2的個(gè)數(shù)，n21表示將屬于總體 G2的樣本誤判為總體G1的個(gè)數(shù)。誤判率η的回代估計(jì)為:

3 計(jì)算與分析

3.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)液化判別

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487－2008)，嫩江干流肇源區(qū)段地層均為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層，處于地震烈度Ⅶ度區(qū)，地震峰值加速度為0.15g。從老龍口地基土中飽和砂性土的顆粒組成上看，粒徑小于5mm的顆粒含量質(zhì)量百分比均大于30%，且粒徑小于0.005mm的顆粒含量質(zhì)量百分比均小于16%，初判為可能液化層，需要進(jìn)行復(fù)判。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的判別結(jié)果顯示，(鉆孔位置如圖2所示)13個(gè)鉆孔所處地層的實(shí)際標(biāo)貫擊數(shù)N小于臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr，存在液化風(fēng)險(xiǎn)，7個(gè)鉆孔所處地層的實(shí)際標(biāo)貫擊數(shù)N大于臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr，不存在液化風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)于存在液化風(fēng)險(xiǎn)的13個(gè)鉆孔所處地層進(jìn)行液化等級(jí)判定，4個(gè)鉆孔所處地層的液化指數(shù)IlE＞18嚴(yán)重液化，其余則為中度或輕微液化。液化判定結(jié)果見(jiàn)表2，液化指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 老龍口段堤防鉆孔位置分布示意圖Fig．2 Schematic diagram of distribution ofdrilling position of dike in Laolongkou section

標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)與地下水位和砂層埋深存在密切關(guān)系。地下水位埋深越淺，地震發(fā)生時(shí)在地表加速度的作用下越容易產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，從而使得土體更容易發(fā)生液化;反之則不易液化。砂層埋深越淺則上覆有效蓋層產(chǎn)生的壓力越小，發(fā)生砂土液化所需要積累的超靜孔隙水壓力越小，土體更容易液化;反之則不易液化。利用SPSS軟件對(duì)錘擊數(shù)N與地下水位和砂層埋深做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者具有較好的相關(guān)性，地下水位與錘擊數(shù)N的相關(guān)系數(shù)為0.712，砂層埋深與錘擊數(shù)N的相關(guān)系數(shù)為0.843。錘擊數(shù)N與砂層埋深的關(guān)系更為密切。錘擊數(shù)與地下水位和砂層埋深的分析結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖3 液化判別結(jié)果圖Fig．3 Result of liquefaction judgment

表2 嫩江干流堤防地基土液化判定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab．2 Statistical results of liquefaction of foundation soil in Nenjiang Mainstream Dyke

表4 距離判別模型與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表Tab．4 Comparison of distance discrimination model and standard penetration test

圖4 液化指數(shù)計(jì)算結(jié)果圖Fig．4 Calculation results of liquefaction index

圖5 地下水位與錘擊數(shù)相關(guān)分析圖Fig．5 Correlation analysis of groundwater level and hammer number

圖6 砂層埋深與錘擊數(shù)相關(guān)分析圖Fig．5 Correlation analysis between sand depth and hammer number

3.2 距離判別模型建立與驗(yàn)證

影響砂土液化的因素主要分為三類:土性條件(包括土的種類、級(jí)配和密實(shí)度等)、埋藏條件(包括砂層埋深和地下水位)、地震條件(烈度、震中距等)。鑒于研究區(qū)地層巖性主要為含細(xì)粒土細(xì)砂，地震烈度主要為Ⅶ，因此不考慮地層巖性與地震烈度的影響。根據(jù)歷史資料顯示，研究區(qū)附近主要潛在震源位于松原市，因此測(cè)量地震活動(dòng)較為頻繁的松原市與研究區(qū)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的距離作為震中距，選擇實(shí)際工程中更容易獲取的地下水位、砂層埋深、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)以及震中距作為距離判別分析模型的判別因子。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)報(bào)告中得到的數(shù)據(jù)選擇其中15個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)將砂土分為液化與不液化兩大類(1表示液化、2表示未液化)，建立了針對(duì)嫩江干流堤防工程地基土液化的判別函數(shù)，然后另外選擇5個(gè)樣本數(shù)據(jù)作為對(duì)判別函數(shù)的驗(yàn)證。假定量總體的協(xié)方差矩陣相等，按照距離判別法計(jì)算步驟，得到線性判別函數(shù)為:

式中:W(X)為馬氏距離判別函數(shù)，x1表示地下水位，x2表示砂層埋深，x3表示標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)，x4表示震中距。

將樣本數(shù)據(jù)的各因素值代入判別函數(shù)式(7)，結(jié)合判別準(zhǔn)則，當(dāng)W(X)＞0時(shí)判定為不液化，當(dāng)W(X)＜0時(shí)判定為液化。將20個(gè)學(xué)習(xí)樣本回代到判別函數(shù)中作為對(duì)判別模型準(zhǔn)確性的驗(yàn)證。各樣本數(shù)據(jù)的判別結(jié)果如表4所示，判別結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果情況一致，說(shuō)明該模型的誤判率為0。各樣本數(shù)據(jù)的判別結(jié)果見(jiàn)表4。

4 地基土液化防治措施

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)影響嫩江干流堤防工程地基土液化的主要因素為地下水位及砂層埋深?；谝夯乐未胧┑目尚行栽瓌t提出以下兩條建議:

(1)通過(guò)工程中常用的換填的方式將地基土液化砂層挖除1～2m，用非液化的黏土層填充并夯實(shí)。這在工程中較為常用，也容易實(shí)現(xiàn)。

(2)在堤防工程附近進(jìn)行打孔抽水，將地下水位降低2～3m，抽出來(lái)的水可直接排往嫩江。堤防工程附近為農(nóng)田，進(jìn)行打工抽水不會(huì)影響居民生活，可行性較高。

利用建立的液化判別模型對(duì)增加非液化地基土層厚度厚的情況進(jìn)行液化判別檢驗(yàn)液化防治措施的效果。在堤防工程地基土上部增加2m非液化粘性土后經(jīng)過(guò)判別模型檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)土層不再發(fā)生液化，只有3處仍然存在液化風(fēng)險(xiǎn)。而在地基土上部增加3m非液化粘性土層后，經(jīng)過(guò)判別模型顯示所有土層均不再發(fā)生液化，說(shuō)明上述兩條建議可有效防治砂土液化。具體預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果以及借鑒距離判別法思想針對(duì)嫩江干流堤防工程所建立的砂土液化判別模型的判別分析結(jié)果可得出以下結(jié)論:

(1)嫩江干流堤防工程地基土存在液化的風(fēng)險(xiǎn)，主要影響因素為地下水位與砂層埋深。地下水位越深、砂層埋深越深的地方不易液化，反之則更容易液化。

(2)針對(duì)嫩江干流堤防工程建立的砂土液化判別模型經(jīng)樣本驗(yàn)證誤判率為0，判別模型有效可行。

(3)在增大堤防工程地基土上覆非液化土層厚度2～3m或降低地下水位之后，經(jīng)砂土液化判別模型驗(yàn)證未發(fā)生砂土液化，說(shuō)明該防治措施可有效降低砂土液化的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 距離判別模型預(yù)測(cè)結(jié)果表Tab．5 Prediction results of distance discriminant model

本文借鑒距離判別法的思想針對(duì)嫩江干流堤防工程建立了一種砂土液化快速有效的判別方法，同時(shí)為堤防工程砂土液化的防治提供了有效可行的措施，為堤防工程的安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)提供了有力保障。

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