劉軍偉
(山西省水利水電勘測設計研究院太原030024)
該水庫壩址河谷寬120~140 m,河谷覆蓋層為全新統(tǒng)洪沖積物(Q4pal),巖性表層為低液限粉土和砂層,厚0~1m,其下為卵石混合土、混合土卵石,局部為砂層透鏡體。最大厚度15.1 m。兩岸及河谷下伏基巖主要為下太古界界河口群灰、灰白色混合花崗巖、變粒巖,厚度大于100 m。壩址河谷處水位埋深0~2 m。
該工程設計階段大壩選取面板堆石壩和混凝土重力壩壩型進行比選,壩基砂卵石的物理力學性質(zhì)及可能存在的工程地質(zhì)問題直接影響到壩型的選擇。勘察時在壩址河谷開挖大口探井,并取6組大型樣進行了篩分試驗,據(jù)篩分試驗資料可知壩址河谷混合土卵石、卵石混合土顆粒組成為:漂石含量9.9%~25.3%,卵石含量22.2%~45.2%,礫石含量19.9%~47.1%,砂含量11.2%~28.4%,粉黏粒含量為0.2%~2.2%,不均勻系數(shù)為68.0~261.9,曲率系數(shù)為0.2~12.4。屬級配不良。
據(jù)壩基砂卵礫石層現(xiàn)場含水率、干密度試驗成果,進行了室內(nèi)相對密度試驗,試驗成果見表1。由試驗成果可知,壩基砂卵礫石在干密度為1.97~2.19 g/cm3,平均值為2.07 g/cm3的狀態(tài)下,對應的相對密度為0.34~0.98,其中有2組屬中密,4組屬密實,平均值為0.71。
表1 壩基砂卵礫石相對密度試驗成果統(tǒng)計表
勘察時在6組大型試樣中進行了3組大型動三軸試驗,成果見表2。由表2知振動應力比值隨振次增加而降低。
1)壩址區(qū)地震動峰值加速度為0.1g,地震基本烈度為7度。據(jù)篩分資料,壩基(Q4pal)卵石混合土、混合土卵石層中大于5 mm顆粒含量約66.5%~81.0%,平均值為75.6%,多大于70%,且壩基覆蓋層滲透性強,具備良好排水條件。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》,分析壩基地震液化可能性較小。
2)根據(jù)大型動三軸及相對密度試驗資料,采用地震作用時的等效平均剪應力(τe)和抗液化剪應力(τ)的大小關系進行判別壩基(Q4pal)卵石混合土、混合土卵石層的震動液化問題。判別條件如下:
當 τe>τ,可能液化;τe<τ,不可能液化。
地震作用時的等效平均剪應力(τe)采用下式[1]進行計算:
表2 壩基砂卵礫石振動三軸試驗成果表
式中:τe—地震作用時的等效平均剪應力,kPa;
k—應力折減系數(shù),當 ds為 1m、3m、5m、7m、9m 時,分別取 0.985、0.975、0.965、0.935、0.915;
αmax—地面最大加速度,當?shù)卣鹆叶葹?度時,取值0.1g;
γ—深度ds以上的上覆土層的天然重度,地下水位以下為飽和重度,kN/m3;
ds—土層所處的深度,m。
抗液化剪應力采用下式[1]進行計算:
式中:τ—土層的抗液化剪應力,kPa;
Cr—應力校正系數(shù),相對密度為0.30、0.40時,取值0.55;
σ′v—地震前上覆土層自重有效壓力,kPa,采用下式進行計算;
式中:dw—地下水位埋深,m;
其余符號意義同前。
在計算判別時,按最不利情況考慮,采用上述試樣中干密度、相對密度及動應力比值較小的DJ-3號樣試驗結果進行計算。由試驗結果表1、表2知,DJ09-3號樣試驗干密度為1.97 g/cm3,對應的相對密度為0.34,震次N=10次、30次(側(cè)壓力為600 kPa)對應的動應力比值分別為0.222、0.189。采用上述公式分別進行計算地震作用時的等效平均剪應力(τe)和壩基砂卵礫石的抗液化剪應力(τ),參數(shù)取值及計算結果見表3。
表3 壩基砂卵礫石液化計算判別表
綜上可知,依據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范判別,根據(jù)大型動三軸試驗、相對密度試驗成果,采用抗液化剪應力計算判別,壩基卵石混合土、混合土卵石層為不可能液化土層。壩基卵石混合土、混合土卵石層震動液化問題的查清,為壩型選擇及工程設計提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。
[1]編寫委員會.工程地質(zhì)手冊(第四版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994:638.