莫桑比克昌巴水電站壩基砂層液化判別分析

胡 亞 東

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概述

砂土液化是指飽水的松散砂土在地震或機(jī)械振動(dòng)荷載作用下，由于孔隙水壓力升高和有效應(yīng)力降低，由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。當(dāng)這種轉(zhuǎn)化產(chǎn)生工程上不能容許的變形時(shí)，稱為液化破壞。砂土液化的形成條件包括內(nèi)外兩方面因素，外部因素為地震，主要有場地烈度、持續(xù)時(shí)間和振動(dòng)頻率等；內(nèi)部因素主要為砂土自身特性、埋藏條件和形成時(shí)代等。

根據(jù)國內(nèi)外已有砂土液化資料記載，地震液化多發(fā)生在場地烈度8度及以上地區(qū)，但也有在6度地區(qū)發(fā)生輕微液化現(xiàn)象的記載。液化主要發(fā)生在開闊平坦的平原地區(qū)。液化土層主要為全新世的飽和砂土和粉土，還未見Q3及Q3以前年代的土層發(fā)生砂土液化的記載，如1966年3月邢臺(tái)7.2級(jí)地震、1975年2月海城7.3級(jí)地震和1976年7月唐山7.8級(jí)地震，地震震中烈度達(dá)9度及以上，均未見Q3及Q3以前年代的土層發(fā)生砂土液化。液化土層埋深多在10 m以內(nèi)，最大深度未超過20 m。砂土液化與平均粒徑密切相關(guān)，平均粒徑0.02 mm～1 mm的砂土容易液化，尤其是平均粒徑在0.07 mm左右的粉細(xì)砂最易液化。

因此，砂土液化除了場地高烈度條件外，砂土自身的密實(shí)性、圍壓條件、排水條件等是決定砂土是否液化的主要因素。時(shí)代越老、埋藏越深，砂土就越密實(shí)，液化可能性就越小。通常通過增加圍壓提高土體密實(shí)性和改善排水條件是治理砂土液化的有效措施。

莫桑比克昌巴水電站位于贊比西河下游河段，為河床式電站，工程樞紐主要由左岸擋水壩+河床式廠房+泄洪建筑物+右岸擋水壩等建筑物組成。大壩軸線按直線布置，總長約9 000 m，最大壩高25 m。大壩壩基為中細(xì)砂，厚度15 m～20 m，下伏含礫砂巖。

2 液化判別

莫桑比克昌巴水電站壩址距東非大裂谷西支約40 km，大壩及泄洪消能等建筑物按照8度地震設(shè)防，地震峰值加速度取2.0 m/s2。地基主要由中細(xì)砂組成，且分布連續(xù)，厚度15 m～20 m，具有可能會(huì)產(chǎn)生地震液化的特征條件，所以需要對該中細(xì)砂層進(jìn)行地震液化綜合判別。

我國的GB 50287水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范中關(guān)于砂土的地震液化判別主要為基于國內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將土的地震液化判別分為初判和復(fù)判兩個(gè)階段，其中初判用來排除非液化的土層，對初判為可能液化的土層再進(jìn)行復(fù)判?？紤]到本項(xiàng)目為國際工程，國內(nèi)的工程經(jīng)驗(yàn)存在是否適合的問題，因此本工程同時(shí)采用了剪切波法和國際工程常用的美國NCEER判別法進(jìn)行綜合性的判別。

2.1 剪切波法地震液化判別

根據(jù)GB 50287水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范附錄Q的規(guī)定，對土層進(jìn)行剪切波實(shí)測Vs，并與計(jì)算的上限剪切速度Vst進(jìn)行比較。如果Vs>Vst，可初步判斷該土層為不液化土層。如果Vs≤Vst，則初步判斷為可能液化土層，需要進(jìn)行進(jìn)一步的復(fù)判。上限剪切波深度計(jì)算公式如下：

Vst=291(KHZγd)1/2。

其中，Vst為上限剪切波速度,m/s；KH為地面水平地震峰值加速度系數(shù)，為水平地震動(dòng)峰值加速度與動(dòng)力加速度g之比；Z為土層深度，m；γd為深度折減系數(shù)，當(dāng)土層深度Z=0 m～10 m時(shí)，深度折減系數(shù)為1Z～0.01Z，當(dāng)土層深度Z=10 m～20 m時(shí)，深度折減系數(shù)為1Z～0.01Z，當(dāng)土層深度Z=20 m～30 m時(shí)，深度折減系數(shù)為0.9Z～0.01Z。

在壩址區(qū)ZK201,ZK204和ZK217三個(gè)鉆孔內(nèi)進(jìn)行了剪切波測試，對于同一深度的剪切波波速采取了平均值。判別成果見表1，圖1，可以看出砂層在8度地震烈度條件下的實(shí)測剪切波速度(Vs)均小于上限剪切波速度(Vst)，故初步判定壩基砂層為可能液化土層。

表1 剪切波速法判別砂土液化成果表

2.2 美國NCEER簡易判別法

美國NCEER簡易判別法是一種簡化的方法，用來判別砂性土是否產(chǎn)生地震液化。如果飽和砂土的抗液化安全系數(shù)Fs>1.0，即飽和砂土的抗液化強(qiáng)度(CRR)大于地震引起的等效循環(huán)應(yīng)力比(CSR)，則判別該飽和砂土為不液化土層；反之，如果飽和砂土的抗液化安全系數(shù)Fs<1.0，則判別該飽和砂土為可液化土層。地震引起的等效循環(huán)應(yīng)力比(CSR)計(jì)算公式如下：

其中,amax為2500年一遇的地震加速度，本工程取0.40g；Mw為矩震級(jí)，本工程按8.0級(jí)考慮，對應(yīng)查表2，MSF取值0.84。

表2 震級(jí)標(biāo)定系數(shù)值

其中，z為砂土埋深。

考慮到細(xì)粒含量會(huì)影響到抗液化強(qiáng)度，所以對含細(xì)粒砂土的N1值進(jìn)行修正，修正公式如下：

N1,CS=α+βN1。

對實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N進(jìn)行修正，修正標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N1根據(jù)下式進(jìn)行換算：

N1=CNN。

計(jì)算結(jié)果見表3，壩基砂層的抗液化安全系數(shù)Fs=0.33～0.81，均小于1.0，故判別為可液化土層，表明壩基砂層發(fā)生液化的可能性較大，需進(jìn)行相應(yīng)的砂土液化處理。

表3 莫桑比克昌巴水電站壩基砂層砂土液化判別成果表

3 判別結(jié)果及應(yīng)用

對于本工程壩基砂層液化判別同時(shí)采用了剪切波判別法和美國學(xué)者Seed提出的NCEER判別法，兩種方法均表明砂層為可能液化土層。因此需根據(jù)該層土體的可能液化特征，采取必要的可靠處理措施。

國外針對場地抗液化處理措施主要為擠密砂樁、碎石樁及強(qiáng)夯等方法，且在場地地震烈度為8度時(shí)，經(jīng)處理后場地抗液化處理是可靠的。根據(jù)NB 35047水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的第4.2.7款規(guī)定，對于地基中的可能會(huì)產(chǎn)生液化的土層，可以選擇采用的抗震措施有：1)將液化土層挖除并用非液化土置換；2)采用人工加密方法如振沖加密、強(qiáng)夯擊實(shí)等；3)進(jìn)行壓重和排水；4)采用振沖擠密碎石樁等復(fù)合地基或采用樁基，其樁體需穿過液化土層進(jìn)入非液化土層；5)圍封可液化地基，如采用混凝土連續(xù)墻等方法。從已建的工程實(shí)例資料分析，振沖法是目前抗液化處理應(yīng)用最多的措施，且施工快、效果好。因此，本工程選用振沖法作為砂層抗液化處理方案。

根據(jù)本工程的實(shí)際特點(diǎn)和砂層的可能液化特征，對于大壩基礎(chǔ)砂層，主要采用振沖擠密砂樁，采用100 kW的振沖器成樁，樁徑初擬為1.0 m，間排距取為3 m，梅花形布置。

4 結(jié)語

1)本文主要采用了剪切波法和NCEER判別法進(jìn)行液化判別，兩種方法都判定壩基砂層為可能液化土層。根據(jù)液化判別結(jié)果和砂層的可能液化特征，同時(shí)根據(jù)國內(nèi)外對液化處理方案的分析，選擇了振沖法的方案進(jìn)行液化處理。

2)采取GB 50287水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范附錄Q中的剪切波判別法進(jìn)行地震液化判別時(shí)，需要獲取剪切波波速。采用國外標(biāo)準(zhǔn)如美國NCEER判別法，需要獲取標(biāo)貫擊數(shù)資料、動(dòng)峰值加速度、地震參數(shù)以及粘粒含量等。

3)相比標(biāo)貫擊數(shù)，剪切波波速具有更明確的力學(xué)意義，但剪切波波速判別法僅考慮了動(dòng)峰值加速度和砂土埋藏深度，目前主要用來進(jìn)行砂土液化的初步判斷，以提前排除非液化土層；對于易液化土層，需要進(jìn)一步采取包括NCEER判別法在內(nèi)的方法進(jìn)行綜合性的評(píng)判。