彌河朐山攔河閘礫石液化探討

付大慶，董德學(xué)，張修磊，孫浩東，史振銅，白書昕

(1.山東恒源勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，山東 濰坊 261000；2.濰坊市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濰坊 261205)

液化，泛指土體在現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)出的各種類似于液體性態(tài)的現(xiàn)象。美國(guó)土木工程師協(xié)會(huì)巖土工程分會(huì)土動(dòng)力學(xué)委員會(huì)1978年對(duì)“液化”一詞的定義是：“液化——任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過(guò)程，就無(wú)黏性土而言，這種由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)的轉(zhuǎn)化是孔隙水壓力增大和有效應(yīng)力減小的結(jié)果”[1- 3]。地基土液化問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外巖土工程界與地震工程界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[4- 6]，也是工程勘察行業(yè)查明各類建(構(gòu))筑物工程地質(zhì)條件重點(diǎn)評(píng)價(jià)的工程地質(zhì)問(wèn)題之一。最容易發(fā)生液化的地層無(wú)疑是粉細(xì)砂層和粉土層[7]，而對(duì)粒徑較粗的自然沉積的礫石(粒徑>2mm的礫粒含量>50%)，由于震例極少，普遍認(rèn)為不易液化[8]。實(shí)際上，人工堆積的砂礫石是液化的[9]；在汶川8.0級(jí)地震中，袁曉銘、曹振中等學(xué)者通過(guò)對(duì)液化點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘察測(cè)試、分析和研究，發(fā)現(xiàn)了自然沉積的砂礫石、礫石同樣是液化的[10- 11]。

1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)液化判別

我國(guó)的工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)劃分與工程地質(zhì)體制是20世紀(jì)50年代初期全面學(xué)習(xí)前蘇聯(lián)的結(jié)果?，F(xiàn)行的巖土工程體制，是20世紀(jì)70年代末80年代初國(guó)家建工總局在考察學(xué)習(xí)加拿大、墨西哥等西方巖土工程體制先進(jìn)國(guó)家的基礎(chǔ)上，以國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB 50021—94《巖土工程勘察規(guī)范》的頒布為標(biāo)志，初步建立巖土工程體制的雛形，至今40年的時(shí)間，并未徹底建立起巖土工程體制[12]。當(dāng)時(shí)設(shè)想是建立大一統(tǒng)的巖土工程體制，鑒于水利、水電、鐵路、公路行業(yè)專業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)有特殊要求，不執(zhí)行上述標(biāo)準(zhǔn)。由于我國(guó)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及地震條件的復(fù)雜性，致使水利水電、交通運(yùn)輸?shù)冉ㄔO(shè)工程的工程地質(zhì)條件非常復(fù)雜，上述行業(yè)的工程地質(zhì)體制不可能摒棄。不同行業(yè)不同標(biāo)準(zhǔn)的液化適用地層與初判不液化依據(jù)見表1。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)液化適用地層與初判不液化依據(jù)

國(guó)標(biāo)GB 50011的液化適用地層與初判依據(jù)應(yīng)用最廣，適用于煤炭、建筑、市政等八個(gè)行業(yè)的飽和粉土與飽和砂土，GB/T 51336與GB 51185分別適用于建筑、市政行業(yè)的地下工程與煤炭行業(yè)的飽和黃土。公路行業(yè)液化適用地層與初判依據(jù)同國(guó)標(biāo)GB 50011。水運(yùn)行業(yè)在鐵路行業(yè)適用地層的基礎(chǔ)上，同樣適用于混合土，即砂礫石與礫石；初判依據(jù)在鐵路行業(yè)的基礎(chǔ)上，對(duì)于質(zhì)量百分率(<5mm)顆粒含量大于30%的，同國(guó)標(biāo)GB 50011。鑒于核電廠抗震安全的重要性，國(guó)標(biāo)GB 50267液化適用地層嚴(yán)格于國(guó)標(biāo)GB 50011，初判不液化依據(jù)不限地質(zhì)時(shí)代、基本烈度與黏粒含量。水電行業(yè)與水利行業(yè)在2002年國(guó)家電力體制改革之前是水利水電行業(yè)，液化判別共同執(zhí)行國(guó)標(biāo)GB 50287—99。水電行業(yè)先后實(shí)施了國(guó)標(biāo)GB 50287—2006與國(guó)標(biāo)GB 50287—2016；水利行業(yè)2009年實(shí)施國(guó)標(biāo)GB 50487。兩個(gè)行業(yè)的液化判別適用地層一致；初判不液化依據(jù)除水電行業(yè)限于設(shè)計(jì)烈度小于Ⅸ度外，其余完全一致。少黏性土依據(jù)三角分類法，主要包括粉砂、粉土，輕、重砂壤土，輕、重粉質(zhì)砂壤土，輕壤土，輕粉質(zhì)壤土；無(wú)黏性土包括砂土、砂礫石、礫石。

2 礫石液化判別難點(diǎn)

水利、水電與水運(yùn)三個(gè)行業(yè)需對(duì)飽和礫石、砂礫石進(jìn)行液化判別。水運(yùn)行業(yè)無(wú)可操作的復(fù)判方法；水利與水電行業(yè)通過(guò)原位試驗(yàn)測(cè)試密度與孔隙率，室內(nèi)測(cè)試最大孔隙率與最小孔隙率，進(jìn)而計(jì)算相對(duì)密度。此方法不便于生產(chǎn)應(yīng)用，而且水下礫石、砂礫石難以獲取天然密度、含水率等指標(biāo)。而礫石、砂礫石分選性差，除含細(xì)顆粒外，常含有較大粒徑的卵粒與粗礫顆粒，無(wú)法通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)查明其松密程度，致使飽和礫石、砂礫石缺乏可靠的、有效的、易于操作的液化判別方法或標(biāo)準(zhǔn)。

3 礫石液化判別方法

曹振中等[22- 24]利用汶川地震礫石、砂礫石(礫性土)液化資料，提出了基于超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)的液化判別式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

Ncr-120=N0-120[095+005(ds-dw)][1+05(Gc-50%)]

(1)

式中，Ncr-120—液化判別超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)貫入30cm錘擊數(shù)臨界值，擊；N0-120—超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)基準(zhǔn)值，擊，烈度7°取9，8°取12，9°取16；ds—?jiǎng)恿τ|探試驗(yàn)時(shí)，飽和礫性土觸探點(diǎn)深度，m；dw—?jiǎng)恿τ|探試驗(yàn)時(shí)，地下水埋深，m；Gc—飽和礫性土中顆粒大于5mm的質(zhì)量百分含量。

當(dāng)實(shí)測(cè)的飽和礫性土超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)小于或等于液化判別超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)臨界值時(shí)，為液化土；反之，則不存在液化可能。黃茂松等[25]以2008年汶川地震礫石、砂礫石液化的研究為依據(jù)，認(rèn)為超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)可作為液化判別的試驗(yàn)方法。

4 工程實(shí)例

朐山攔河閘位于臨朐縣城駢邑路下游約300m處。2018年8月，受“摩羯”與“溫比亞”雙臺(tái)風(fēng)影響，彌河流域發(fā)生洪水，朐山攔河閘部分海漫沖毀，計(jì)劃2019年汛后改建；2019年8月10日，受強(qiáng)彌河流域再次發(fā)生洪水，朐山攔河閘主體結(jié)構(gòu)功能完全喪失，工程建設(shè)條件出現(xiàn)重大變化，由改建調(diào)整為原址折除重建。擬建攔河閘工程等別Ⅲ等，規(guī)模中型，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇的相應(yīng)設(shè)計(jì)流量4110m3/s，設(shè)計(jì)壩高4.00m，設(shè)計(jì)蓄水位87.00m，垂直水流方向總寬度228m，順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)度72.00m，工程總投資約5208.00萬(wàn)元。

4.1 閘址巖土分布及特征

閘址地層主要由新近系上統(tǒng)玄武巖與第四系松散堆積物組成，如圖1所示。層①系拆除原攔河閘壩堆積而成的素填土，層②礫石系持力層，顆粒呈棱角狀、次卵狀，分選性差，松散、稍密，母巖主要是灰?guī)r，分布連續(xù)，層頂高程81.05～83.28m，層底高程76.25～79.88m，厚度3.40～6.50m，平均厚度4.40m。建基面高程81.90m以下厚度2.02～5.65m，平均厚度3.50m。層③卵石系下臥層，顆粒呈卵狀、次卵狀，分選性差，中密、密實(shí)，母巖主要是灰?guī)r，分布連續(xù)，層頂高程76.25～79.88m，層底高程61.05～69.00m，厚度8.90～16.40m，平均厚度13.60m。層④～⑥層分別為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化玄武巖，深灰綠色，層頂高程61.05～69.00m，揭露底高程53.72～69.00m，揭露厚度5.40～8.40m。

圖1 閘址底板段工程地質(zhì)剖面

4.2 液化初判

在閘底板勘探孔旁利用機(jī)械開挖探坑人工采取持力層礫石擾動(dòng)樣，由顆粒分析成果見表2，閘基礫石粒徑小于5mm的顆粒質(zhì)量百分含量達(dá)50.8%～81.6%，粒徑小于0.005mm的黏粒含量極低，最大值小于4.2%，據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50487，初判該層存在液化可能，需進(jìn)一步判別。

表2 閘址建基面層②礫石液化初判

4.3 液化復(fù)判

根據(jù)閘址礫石層的顆粒組成、分布特征、地下水位等基本參數(shù)，進(jìn)行重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)。閘址附近設(shè)計(jì)烈度7°，參照DB51/T 5026[26]，采用進(jìn)一法將貫入深度30cm的重型圓錐動(dòng)力觸探擊數(shù)試驗(yàn)換算為超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)擊數(shù)，利用超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)的液化判別式，對(duì)觸探試驗(yàn)點(diǎn)采用四舍五入法計(jì)算超重型圓錐動(dòng)力觸探臨界擊數(shù)見表3。

由表3知，閘址持力層礫石超重型圓錐動(dòng)力觸探臨界擊數(shù)7.6～10.1擊。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的閘址礫石持力層超重型圓錐動(dòng)力觸探擊數(shù)4～5擊，均小于臨界值，礫石層存在全面液化現(xiàn)象。為保證攔河閘運(yùn)行安全，同時(shí)降低閘基滲漏與閘頭繞滲，在鋪蓋前端、底板下游齒墻以及兩岸翼墻岸墻設(shè)置厚0.4m、深入全風(fēng)化玄武巖1m的素混凝土防滲墻，將地下水降至層③卵石，用單擊夯擊能4000kN·m連續(xù)夯擊三遍，平均夯沉量0.5～0.6m，利用超重型圓錐動(dòng)力觸探檢測(cè)，試驗(yàn)擊數(shù)10～13擊，全面消除了閘基礫石液化的影響。

表3 閘址建基面層②礫石液化復(fù)判

5 結(jié)論

(1)水工建筑物砂礫石、礫石地基液化可嘗試重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)判別。

(2)朐山攔河閘礫石存在全面液化現(xiàn)象，采用強(qiáng)夯地基處理措施消除液化性是非常必要的。

(3)本研究成果對(duì)水工建筑物地基的砂礫石、礫石層液化判別進(jìn)行了嘗試性探討，對(duì)類似地基的液化判別具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)不同類型地基的液化判別，還需繼續(xù)深入探討。