■　付大慶　王子祥　曹連朋

(1濰坊市水利建筑設(shè)計研究院山東濰坊261205；2濰坊市宏興地質(zhì)工程勘察有限公司山東濰坊261041)

三里莊水庫西副壩0+560～0+780壩基液化評價

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(1濰坊市水利建筑設(shè)計研究院山東濰坊261205；2濰坊市宏興地質(zhì)工程勘察有限公司山東濰坊261041)

本文運用Seed簡化法、規(guī)范法和工程地質(zhì)判別法三種方法，對三里莊水庫西副壩壩基礫粗砂地震液化性進行分析，得出副壩壩基飽和礫粗砂在地震動峰值加速度0.15g時無液化可能。

三里莊水庫壩基液化評價

0　引言

三里莊水庫位于諸城市南外環(huán)處，總庫容6912萬m3，興利庫容2334萬m3，控制流域面積240km2，是一座集防洪、供水、灌溉等多功能于一體的重點中型水庫。1999年8月12日該水庫遭受歷史罕見特大暴雨襲擊，水庫出現(xiàn)重大險情，同年9月進行除險加固，2005年8月通過主體工程驗收。

1999年9月30日，山東水利學會科學技術(shù)咨詢服務(wù)中心對《諸城市三里莊水庫除險加固工程可行性研究報告》進行評估，認為“西副壩壩基屬雙層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有地質(zhì)資料不足以說明實際發(fā)生的滲透變形、壩坡失穩(wěn)的原因和壩基地震液化的可能性。應(yīng)在收集有關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上進一步分析論證。西副壩加固方案應(yīng)在補充地質(zhì)勘探資料后進行優(yōu)化。”2009年2月20日～3月11日，國家審計署審計除險加固工程，發(fā)現(xiàn)初步設(shè)計階段沒有進行補充地質(zhì)勘探，評估意見在《諸城市三里莊水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》中沒有得到落實，該工程重點隱患沒有得到徹底消除。

本文采用三種方法對副壩壩基礫粗砂地震液化性進行分析評價。

1　壩基地質(zhì)概況

通過加固，西副壩壩頂寬15m，路肩綠化帶寬4m，防浪墻高0.95m，上下游坡比1∶2.5，壩后草皮護坡，壩前干砌塊石護坡，水體污染較輕。壩前漁塘數(shù)個，是由修建非常溢洪道開挖導(dǎo)流溝廢棄而成，單個東西長±85m，南北寬±40m。自南向北分布于整個壩前，只在0+780處附近因1999年出現(xiàn)管涌險情而填平植滿楊樹。

壩基分布兩層土，下伏泥巖。層①粉質(zhì)黏土：黃褐色～深黃褐色，飽和，可塑，塑性指數(shù)14.8，黏粒含量平均17.4%，粉粒含量平均82.6%，滲透系數(shù)1.3×10-5cm/s，弱透水，近微透水，中等壓縮性。該層分布連續(xù)，層厚穩(wěn)定，厚達9.10m～12.20m，平均厚度±10m，層底高程58.54m～60.61m，為壩基良好的相對隔水層。層②礫粗砂：淺黃褐色，飽和，標貫擊數(shù)平均34擊，呈密實狀態(tài)。在豎向上砂粒分布不均，上部呈中細砂狀，中部呈中粗砂狀，下部呈礫砂、礫石狀，礫石大者直徑達60mm，呈偏平狀。可取成柱狀巖心，含±5%的黏粒。該層分布連續(xù)，層厚穩(wěn)定，厚達2.30m～3.80m，平均厚度±3m，層底高程55.04m～57.51m。滲透系數(shù)3.9×10-2cm/s，強透水等級。

2　壩基地震液化評價

飽和砂土液化，指土體喪失原有強度而表現(xiàn)出類似于液體狀態(tài)的現(xiàn)象。美國土木工程師協(xié)會巖土工程分會土動力學委員會1978年對液化的定義是：“液化——任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體的行為或過程”[1]。影響液化的主要因素有土性條件、初始應(yīng)力條件、動荷載條件與排水條件等。目前，液化判別方法達數(shù)十種之多，比較成熟且無須做大量動力性試驗的的主要有Seed簡化法、規(guī)范法。工程地質(zhì)判別法從地質(zhì)條件控制砂土液化區(qū)域分布規(guī)律的原理出發(fā)，按工程地質(zhì)工程程序在查明環(huán)境地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，運用數(shù)學地質(zhì)的統(tǒng)計分析預(yù)測液化與否，同樣，無須做大量動力性試驗，易于掌握，方便實用。

2.1Seed簡化法

2.1.1原理

通過計算由地震作用產(chǎn)生的等效平均剪應(yīng)力τeq，以及在等效循環(huán)周數(shù)作用下飽和砂土單元發(fā)生液化所需的剪應(yīng)力τd(砂土單元的抗液化強度)的比較，來判別砂土液化的可能性[2]。若

則砂土單元不發(fā)生液化，反之發(fā)生液化。由地震作用產(chǎn)生的等效平均剪應(yīng)力τeq

式中：γd—與深度有關(guān)的應(yīng)力折減系數(shù)；γ—土的重度，地下水位以下取飽和重度；h—土柱高度；g—重力加速度。

抗液化強度τd

式中：Cr—應(yīng)力修正系數(shù)；Dr—砂土相對密度；σ′v—有效上覆壓力。

—相對密度Dr=50%的液化應(yīng)力比；

根據(jù)平均粒徑d50和等效循環(huán)周數(shù)，由相關(guān)圖表求得相對密度Dr=50%的液化應(yīng)力比，代入上式即可求得τd。

2.1.2分析

壩址附近抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，地震動峰值加速度0.15g，采用30周荷載循環(huán)引起砂土液化的應(yīng)力條件。砂土通過標準貫入試驗依據(jù)TB10002.5確定其相對密度[3]。液化分析成果見表1。

表1　Seed簡化法壩基層②礫粗砂液化判別

由表1知，除ZK3-1與ZK4-1兩試驗點存在液化可能外，其余無液化可能。

2.2規(guī)范法

現(xiàn)行的飽和砂土液化判別的規(guī)范方法大多是建立在大量的地震液化現(xiàn)場調(diào)查資料上的經(jīng)驗方法[4-9]，利用國標規(guī)范GB50487[8]進行判析。

液化判別標準貫入擊數(shù)臨界值按下式計算：

式中：No—液化判別標準貫入擊數(shù)基準值；ds—標準貫入點深度/m；dw—地下水位深度/m；ρc—黏粒含量質(zhì)量百分率；

根據(jù)現(xiàn)場測得的標準貫入擊數(shù)N63.5進行液化判別，若N63. 5＜Ncr，則砂土發(fā)生液化，否則不發(fā)生。液化分析見表2。

表2　規(guī)范法壩基礫粗砂液化判別

由表2知，壩基礫粗砂全部試驗點無液化可能。

2.3工程地質(zhì)判別法

2.3.1原理

地質(zhì)對象可以用二態(tài)變量描述。所謂“二態(tài)”，指兩種狀態(tài)，如某種地質(zhì)因素的“有”或“無”、“是”或“非”，某種地質(zhì)現(xiàn)象“發(fā)生”或“不發(fā)生”等。在數(shù)學地質(zhì)的多元統(tǒng)計分析中，為了進行判別(分類)，將一些定性的地質(zhì)因素用二態(tài)描述其變化 (通常用0與1表示，0表示無，1表示有),并作為變量來進行判別分析。[10]該判別分析法采用線性判別函數(shù)式：

式中：Ri—判別函數(shù)值；Xi—地質(zhì)變量；λi—變量系數(shù)。

該法用“迭代法”求得各變量的系數(shù)，以RC=0為判別臨界值分析砂土液化與否。在研究已知區(qū)分類(如規(guī)定非液化屬A類，液化屬B類)的基礎(chǔ)上，區(qū)分出“非液化”(A類)與“液化”(B類)兩總體。在選定了控制砂土液化的定性地質(zhì)因素作為二態(tài)變量后，按各變量在兩總體中的反應(yīng)情況，分別取得若干有代表性的子樣。這樣，就由兩類(A類或B類)對各變量有不同反應(yīng)(0或1)組合的若干子樣按一定順序排列成原始矩陣，然后用迭代法求解待定系數(shù)λi，建立二態(tài)變量判別函數(shù)式。經(jīng)過對原始矩陣采用“訓練迭代法”和“松弛法”兩種迭代方法求解出各個變量的系數(shù)值λi(表3)。

應(yīng)用判別函數(shù)式進行判別時，只需把場地或區(qū)域的地貌單元及成因類型確定后，對照判別式中的各變量，屬于某一變量者反應(yīng)為1，不屬于者反應(yīng)為0，將各變量的系數(shù)λi和變量Xi代入線性判別函數(shù)式，然后得出函數(shù)值Ri，大于0時為非液化，小于0時為液化。

2.3.2分析

據(jù)諸城幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，三里莊水庫附近地貌單元及成因類型為山前沖洪積平原(X1)，礫粗砂地層時代為晚更新世Q3(X7)。諸城市區(qū)附近抗震設(shè)防烈度為Ⅶ區(qū)(X14)。這幾個變量連同偽變量(X14)在判別式中反應(yīng)均為1，其余變量反應(yīng)均為0，采用訓練迭代法求解：

表3　二態(tài)變量參數(shù)

采用松馳法求解：

兩個判別式結(jié)果都大于零，即壩基礫粗砂在抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，或地震動峰值加速度0.15g的情況下不液化。

3　結(jié)論

采用規(guī)范法與工程地質(zhì)判別法對壩基飽和礫粗砂進行地震液化分析，在地震動峰值加速度時，礫粗砂無液化可能；采用Seed簡化法，僅兩試驗點存在液化可能。后者在發(fā)達國家應(yīng)用比較普遍，安全儲備較高，偏安全。

[1]吳世明,徐攸在.土動力學現(xiàn)狀與發(fā)展[J].巖土工程學報,1998,20(3): 125-131.

[2]吳世明.土動力學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.250-260.

[3]鐵道第三勘察設(shè)計院.TB10002.5鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.49-52.

[4]住建部.GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2010.23-27.

[5]住建部.GB50191-2012構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社, 2012.32-37.

[6]重慶交通科研設(shè)計院.JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].北京:人民交通出版社,2008.12-15.

[7]國家地震局.GB50267-97核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社, 1997.25-27.

[8]水利部.GB50487-2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2009.129-132.

[9]中國石油天然氣集團公司.GB50568-2010油氣田及管道巖土工程勘察規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2010.83-85.

[10]范士凱,粟怡然.砂土液化的工程地質(zhì)判別法[J].資源環(huán)境與工程,2006,20(增刊):595-600.

TV62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-3-342-1

付大慶（1974～），男，碩士，高級工程師，研究方向為地質(zhì)、巖土、土 (水)工結(jié)構(gòu)。