青草沙水庫圍堤地基液化危害分析與治理研究

周 元，劉榮毅，夏朝娟，張鶴川

（中船勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063）

基金項(xiàng)目: 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(H10756); 上海市科技委與上海市住建委科研項(xiàng)目“上海市長(zhǎng)江口青草沙水源地原水工程研究”

青草沙水庫工程位于長(zhǎng)江口北港，包括長(zhǎng)興島北側(cè)和西側(cè)的中央沙、青草沙以及北小泓、東北小泓等水域范圍，是上海以長(zhǎng)江為原水的重要的城市供水水源地，也是上海境內(nèi)水質(zhì)最好、最穩(wěn)定的飲用水源地。其供水規(guī)模占全上海原水供應(yīng)總規(guī)模的50%以上。是上海市“十一五規(guī)劃”的重要項(xiàng)目，與黃浦江上游水源地、長(zhǎng)江口邊灘水源地形成“兩江并舉，三足鼎立”的水源地供水格局。青草沙水庫是我國(guó)目前最大的江心水庫。

青草沙水庫環(huán)庫大堤由東堤、西堤、南堤、北堤及海塘大堤組成。環(huán)庫大堤堤基普遍存在砂質(zhì)粉土和粉砂地層，這兩層滲透性大，又是液化危害土層，抗?jié)B透變形能力弱，是圍堤地基的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)采取相應(yīng)的治理措施[1]。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）中第1.0.7規(guī)定，位于地震烈度7度及其以上地區(qū)的1級(jí)堤防工程，應(yīng)進(jìn)行抗震液化危害治理[2]。為此，筆者及其所在單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探及液化判別結(jié)果，對(duì)液化等級(jí)進(jìn)行了分區(qū)，對(duì)液化土層進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)各堤段的特點(diǎn)、位置、液化等級(jí)和液化土層分布，對(duì)各種常用的液化危害治理方法進(jìn)行綜合比較研究，推薦了最經(jīng)濟(jì)、合適的液化危害治理方法，對(duì)青草沙水庫工程設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行起到了積極作用。事實(shí)證明，這些治理方法不僅經(jīng)濟(jì)效果好，而且圍堤的地基液化危害和滲漏問題也得到了很好的改善，可為同類項(xiàng)目提供重要借鑒。本文據(jù)此予以系統(tǒng)回顧與總結(jié)，以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流與進(jìn)步。

1 工程概況

青草沙水庫環(huán)庫大堤總長(zhǎng)48.79km，其中南堤、西堤分別長(zhǎng)7.65km和2.82km，海塘大堤長(zhǎng)16.35km，新建北堤、東堤分別長(zhǎng)18.96km和3.01km。工程起點(diǎn)與長(zhǎng)興島頭部石沙西側(cè)小圍堤連接，終點(diǎn)與長(zhǎng)興島陸域夢(mèng)思園度假村外側(cè)電廠灰場(chǎng)上游處海塘連接，與長(zhǎng)興島海塘加高加固后的堤線形成環(huán)庫圍堤（圖1）。

圖1 青草沙水庫新建圍堤示意圖Fig.1 Schematic diagram of new dam of Qingcaosha Reservoir

1.1 水文條件

青草沙水庫位于長(zhǎng)江口，河床呈現(xiàn)寬而淺的特征，暗沙眾多，砂體多呈流動(dòng)狀，河勢(shì)多變，水域和航道不穩(wěn)定。在徐六涇以下，長(zhǎng)江口段呈三級(jí)分岔、四口入海的格局。即由崇明島將長(zhǎng)江分隔為南支和北支，南支又被長(zhǎng)興島分隔為南港和北港，南港被九段沙分隔為南槽和北槽。長(zhǎng)江口為中等強(qiáng)度的潮汐河口，口外為正規(guī)半日潮，口內(nèi)潮波逐漸變形，為非正規(guī)半日淺海潮。根據(jù)本場(chǎng)址附近的長(zhǎng)興島水文觀測(cè)站的潮位資料，實(shí)測(cè)最高潮位5.88m，實(shí)測(cè)最低潮位-0.29m，平均高潮位3.30m，平均低潮位0.84m，平均潮差2.34m，平均漲潮歷時(shí)4時(shí)45分，平均落潮歷時(shí)7時(shí)40分。長(zhǎng)江口屬大徑流、中潮差的河段，受徑流和潮流的雙重作用。受海岸、河槽的約束，進(jìn)入青草沙區(qū)域潮流的運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主，且落潮流歷時(shí)長(zhǎng)于漲潮流歷時(shí)，落潮流流速大于漲潮流流速。長(zhǎng)江口水質(zhì)中含泥沙量較大，泥沙來源主要為流域攜沙[3-5]。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)土層的地質(zhì)年代、成因類型、埋藏深度、空間分布規(guī)律及其工程地質(zhì)特征等，將灘面以下20m深度內(nèi)的勘探揭露土層分為①、②、④等大層。

①0堤身填土：為海塘及堤身土，厚5.30~6.80m，以灰黃色黏性土為主，夾少量粉土及粉砂，較密實(shí)，表層含砼、磚塊、碎石及植物根系等。

①1淤泥質(zhì)黏性土：為新近淤積層，分布于近海塘堤外灘面，厚0.90~4.00m，灰色，夾粉砂，飽和，以流塑狀為主，含蘆葦根莖。

①3粉砂層：為新近沉積，廣泛分布于場(chǎng)地區(qū)水域?yàn)┟姹韺?，厚薄不均，厚?.10~11.99m，呈灰黃色，飽水，多呈松散狀，厚度較大地段底部呈稍密狀，砂質(zhì)較均勻，局部夾粉土及黏性土團(tuán)塊或條帶。

②1粉質(zhì)黏土：主要分布于海塘堤內(nèi)表層，厚度1.00~4.10m，灰黃色，以粉質(zhì)黏土為主，軟塑至可塑狀，局部夾薄層粉砂，含黃褐色氧化鐵斑點(diǎn)。

②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：分布于北堤上段及海塘，厚度0.70~9.90m，灰色，流塑狀，局部夾較多薄層粉土、粉砂，土質(zhì)不均勻。

②3砂質(zhì)粉土：廣泛分布于場(chǎng)地區(qū)淺表層，厚度2.60~14.50m，灘面受江水沖刷剝蝕，厚度變化較大，局部缺失。上部以砂質(zhì)粉土為主，局部呈砂質(zhì)粉土與粉砂互層，松散至稍密狀。該層工程地質(zhì)性質(zhì)相對(duì)較好，其分布對(duì)控制圍堤沉降有利。

④淤泥質(zhì)黏土：廣泛分布于場(chǎng)地區(qū)，層位穩(wěn)定，厚度7.70~16.00m，頂板標(biāo)高-6.00~-20.60m，灰色，飽和，流塑狀，局部夾薄層粉砂，含云母，局部貝殼碎屑富集。該層為圍堤的主要壓縮層。

地基土的主要物理性質(zhì)如表1所示。

表1 地基土的物理性質(zhì)簡(jiǎn)表Table 1 The physical properties of foundation soil

2 場(chǎng)地液化危害分析

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015），該水庫工程區(qū)50年超越概率10%地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相應(yīng)的地震基本烈度為7度。據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（2016版）附錄A，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，設(shè)計(jì)特征周期0.9s。

場(chǎng)區(qū)淺表層普遍分布第①3層新淤積粉砂及第②3層灰色砂質(zhì)粉土，厚度一般3.20~17.00m，飽和，松散至稍密狀，局部呈中密狀。根據(jù)以上兩土層的顆分試驗(yàn)成果，第①3、②3層的黏粒含量平均值分別為2.8%、5.0%，即普遍小于10%，屬可液化土層，需進(jìn)行液化判別[6-7]。

現(xiàn)場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法進(jìn)行液化判別，根據(jù)堤身位置、性質(zhì)及土層分布和特點(diǎn)，將水庫圍堤分為北堤、東堤、西堤、南堤及海塘大堤段五個(gè)工程地質(zhì)區(qū)段進(jìn)行液化判別。液化情況如表2所示，液化等級(jí)分區(qū)圖見圖2所示。

表2 青草沙水庫新建圍堤地基土液化判別表Table 2 The liquefaction discrimination of foundation soil of new embankment of Qingcaosha Reservoir

圖2 液化等級(jí)分區(qū)圖Fig.2 Map of liquefaction grade

根據(jù)液化判別結(jié)果可知，南堤和海塘大堤段為輕微液化，東堤、西堤和北堤段為中等液化。這是由于南堤和海塘大堤均為已有岸堤，且上部未分布①3層新近淤積粉砂層。液化的主要土層為長(zhǎng)江水域上部分布的①3層新近淤積粉砂層，從地基土的物理性質(zhì)簡(jiǎn)表中可見①3層屬含水量較高、孔隙比較大、易液化砂層。土層液化統(tǒng)計(jì)見圖3所示。

圖3 土層液化統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistical map of soil liquefaction area

3 液化治理方法

按照砂土液化的基本理論，砂土地基受到地震作用時(shí)，在慣性力作用下，砂土有擠密趨勢(shì)，由于地震時(shí)間很短暫，孔隙水來不及排出，使得孔隙水壓力急劇升高，從而導(dǎo)致有效應(yīng)力減少。當(dāng)有效應(yīng)力降為零時(shí)，土粒處于失重狀態(tài)，砂土層完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，即為液化[8]。隨著地震的持續(xù)，超靜孔壓的增加會(huì)使處于液化范圍向四周擴(kuò)展，當(dāng)超靜孔壓在上覆土層薄弱處找到突破口，懸浮狀態(tài)的砂土隨水噴出地面，造成地基承載失效、地面沉陷和開裂而致災(zāi)。從地基土液化機(jī)理可以看出，砂土與粉土在地震作用下發(fā)生液化的充分必要條件是：飽和土，結(jié)構(gòu)疏松，不能迅速排水。因此，只要采用人工方法改變其中任何一個(gè)條件就能提高地基上的抗液化能力。目前常用的液化危害治理的方法有圍封法、振動(dòng)擠密法、振動(dòng)沉管擠密法、強(qiáng)夯法、砂井排水法、填土壓重法、爆炸振密法、灌漿膠結(jié)法等[9-12]。各種液化治理方法的適用范圍、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)見表3所示。

表3 液化治理方法Table 3 The liquefaction treatment method

4 工程方案比選與應(yīng)用實(shí)效

4.1 治理方法比較

青草沙水庫圍堤水動(dòng)力條件復(fù)雜，沿線堤基灘面高程變化較大，為-10.00~1.50m，均低于多年平均潮位。液化土層為灘面以下新淤積粉砂及砂質(zhì)粉土，厚度一般3.20~17.00m，河床灘面以下粉砂在水流的作用下極易運(yùn)動(dòng)。因此，液化危害治理措施需適用以上工程特點(diǎn)和施工環(huán)境。

由于需在動(dòng)水條件下且水下施工，強(qiáng)夯法和灌漿法已不適宜；爆炸振密法適用于大面積的均勻、疏松的飽和細(xì)砂的深層地基，但治理淺層液化土層時(shí)效果比較差，也較難滿足；振動(dòng)擠密法適合于加密地下水以下的松砂，以0.10~0.01mm粒徑最佳，治理深度可達(dá)20m，參考類似工程大壩地基振沖法治理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，振沖擠密前后上部砂質(zhì)粉土的均勻程度、密實(shí)度和地基承載力等指標(biāo)變化顯著，振沖擠密治理后的土層為非液化土層，治理效果明顯。但對(duì)于可液化的淺層粉細(xì)砂和粉土，在施工過程中表層土粒流失較大，振沖治理后地基沉降量約為1.40~2.00m。青草沙新建圍堤沿新近淤積沙脊線灘面布置，受漲落潮水流影響明顯，振沖治理施工過程中可能造成周邊沖刷。同時(shí)，振沖治理所需工期較長(zhǎng)，對(duì)整體工程目標(biāo)影響較大。因此，不太適宜采用。

堤身填土壓重作用可以增加可液化土層上覆有效壓力，在一定程度上降低地基的液化勢(shì)、降低砂土液化臨界相對(duì)密度。相關(guān)理論分析與振動(dòng)試驗(yàn)表明，堤壩修筑前后地基的液化勢(shì)分布情況是不同的[13]。堤壩修筑前天然地基液化勢(shì)均同，堤壩修筑后使得堤基底部液化勢(shì)變小，整體呈現(xiàn)底部液化勢(shì)較小而兩側(cè)坡腳部位液化勢(shì)較大的分布狀態(tài)。圍封法，由于工程量和工程造價(jià)大，僅適用于液化地層在平面上范圍小，受沖刷嚴(yán)重堤段。砂井、塑料板排水法中的砂石樁或塑料板的排水作用可以縮短孔隙水的排水路徑，有效降低地震所產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，提高地基土的抗剪強(qiáng)度和抗液化能力。因此，在液化場(chǎng)地受客觀條件限制而采用全部消除地基液化沉陷措施在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平上不適宜時(shí)，可采用部分消除地基液化危害的措施。

4.2 治理方法選擇

針對(duì)青草沙各堤段的特點(diǎn)、位置和液化土層分布情況，南堤和海塘大堤屬輕微液化堤段，主要液化土層為②3砂質(zhì)粉土，該層為輕微液化土層，可選用填土壓重法進(jìn)行液化危害治理，僅利用圍堤自身填土壓重產(chǎn)生的固結(jié)作用逐步提高地基土的抗剪強(qiáng)度和抗液化能力，不采取其他專門措施。

東堤和西堤屬中等液化地段，主要液化土層為新近沉積的①3粉砂層，由于東堤和西堤長(zhǎng)度較短，且分別分布于長(zhǎng)江水域上游和下游，易受到潮水沖刷，根據(jù)這些特點(diǎn)該兩段可采用圍封法進(jìn)行液化危害治理。具體方法為：在堤身基礎(chǔ)（堤腳）兩側(cè)布置寬15.5m的隔柵狀攪拌樁墻，形成圍封結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底部穿透可液化土層，進(jìn)入穩(wěn)定土層0.5m。同時(shí)，在坡腳設(shè)置反濾排水壓重結(jié)構(gòu)，包括一道反濾布、上覆碎石墊層以及塊石壓重，以保護(hù)堤腳薄弱環(huán)節(jié)，防止地震時(shí)堤腳處的液化土的流動(dòng)出逸、噴水冒漿。

北堤屬中等液化地段，主要液化土層為新近沉積的①3粉砂，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采用圍封法等進(jìn)行液化危害治理費(fèi)用很高，可采用塑料板排水法進(jìn)行液化危害治理。具體方法為：先在圍堤基底下進(jìn)行吹填，形成一定寬度、露出水面的堤基，再在圍堤基礎(chǔ)外緣10m至基礎(chǔ)內(nèi)緣10m的范圍內(nèi)，設(shè)置塑料排水板，塑料排水板長(zhǎng)度約10~15m，間距1.0m，呈梅花形布置，板底高程至淤泥質(zhì)黏土頂面；在已采用塑料排水板與堤身自重加載預(yù)壓相結(jié)合作軟基處理的堤段，局部加密了排水板；堤基按塑料排水板排水法工藝要求鋪設(shè)了一層水平排水砂被，形成排水通道，取得良好的治理效果。

4.3 合理性分析

液化地基的抗震治理原則應(yīng)考慮工程的重要性、震后繼發(fā)災(zāi)害發(fā)生與否、修復(fù)的難易程度等因素；決策因素應(yīng)綜合抗震措施的投入、地震造成的直接損失和間接損失三個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)三者的最佳平衡。根據(jù)《土壩設(shè)計(jì)》《國(guó)內(nèi)外大壩失事或水電站事故典型案例原因匯集》等相關(guān)資料[14-15]，青草沙水庫采用的土石壩是所有壩型中抗震性能最好的壩型，因地震而潰壩的實(shí)例極少。地震會(huì)給抗震措施考慮不足的壩造成裂縫、沉陷或局部滑坡，但這些較容易及時(shí)修補(bǔ)，一般不會(huì)造成土石壩失事。低壩斷面較小是不利因素，但作用水頭小、震害容易及時(shí)修補(bǔ)又是有利因素。對(duì)于不經(jīng)常高水位蓄水的水庫，地震不太容易與短時(shí)期或高水位蓄水遇到一起，即使發(fā)生地震破壞也不會(huì)對(duì)水庫供水和下游水域造成較大影響。與其花費(fèi)大量資金去治理輕微液化的地基，不如將其用于治理地震災(zāi)害和應(yīng)急救災(zāi)措施上。

根據(jù)類似工程的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，若地基土為欠固結(jié)的砂性土?xí)r，在圍堤填土壓重施工和排水固結(jié)過程中及施工后，其地基土的性狀也會(huì)隨之改變，由欠固結(jié)土變?yōu)楣探Y(jié)土，砂性土的液化指數(shù)將大大降低。浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)圍堤局部堤段中等液化堤基土在圍堤建設(shè)后逐漸改變?yōu)檩p微液化[16]。青草沙水庫圍堤已運(yùn)行多年，事實(shí)證明：圍堤的地基液化危害和滲漏問題得到了很好的改善。

5 結(jié)語

本文系統(tǒng)回顧與總結(jié)了我國(guó)目前最大的江心水庫——上海青草沙水庫工程在建設(shè)之初所作的圍堤地基液化判定及其工程治理，并通過安全運(yùn)行至今的實(shí)際效果，驗(yàn)證了液化分析與危害判定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，以及治理措施的針對(duì)性和有效性。

根據(jù)液化判別結(jié)果，對(duì)液化等級(jí)進(jìn)行了分區(qū)，對(duì)液化土層進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)液化的主要土層為長(zhǎng)江水域上部分布的①3層新近淤積粉砂層。針對(duì)各堤段的特點(diǎn)、位置、液化等級(jí)和液化土層分布，對(duì)各種常用的液化危害治理方進(jìn)行綜合比較研究，推薦了最經(jīng)濟(jì)、合適的液化危害治理方法，對(duì)青草沙水庫工程設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行起到了積極作用。

青草沙水庫圍堤已運(yùn)行多年，本文推薦的圍堤填土壓重法、圍封法和塑料板排水法等液化危害治理方法已成功運(yùn)用到青草沙水庫圍堤工程中。事實(shí)證明，這些治理方法不僅經(jīng)濟(jì)效果好，而且圍堤的地基液化危害和滲漏問題也得到了很好的改善，可為同類項(xiàng)目提供重要借鑒。