成小勇

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西 咸阳 712000)

0 前言

渭南市抽黄供水北湾调蓄池工程，在池堤排水棱体地基开挖施工中，由于基础底部存在液化的细砂层，基础埋深较大，设计基础底面基本与地下水位平齐，若处理不好则牵涉投资变化较大，因此需采用一个切实可行、经济的处理方案，以消除池堤地基液化的威胁。经过对排水棱体基础进行补充地质勘察工作，其地基砂砾石层属轻微液化地层，而细砂层为中等液化地层，必须采取工程处理措施。

本文结合工程实例对深基础中液化地层的处理、前期勘察和设计存在的问题进行探讨。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

北湾调蓄池工程位于蒲城县龙阳镇北湾坡下村的洛河岸边，为解决黄河冰凌、柴草、沙限期间不能抽水及抽黄干渠检修及冬季渠道小流量不能行水的问题，结合二期抽黄总体布置，在抽黄总干渠沿途设置的调蓄水池。工程主要由调蓄水池、进水系统、放空系统和洛河护岸四部分组成。调蓄水池建筑物级别为2级，总容积944万m3，正常蓄水位371 m。调蓄水池的池堤(相当于平原水库的大坝)，采用均质土堤，长1630 m，最大堤高24 m，堤底最大宽度146.6 m。在临洛河侧360 m高程设排水棱体，最大底宽48 m。堤形结构见图1。

图1 堤型结构横断面示意图

1.2 基本地质条件

根据施工开挖揭示，池堤及排水棱体地层结构总体分为两个地质时代，全新统一级阶地冲积堆积(Q41al)以砂壤土、砂砾石为主，夹透镜状细砂层；上更新统冲积堆积(Q3al)以壤土为主。其中一级阶地砂砾石层干密度ρd=2.13 cm3/g；相对密度Dr=0.65，呈中密状态；渗透系数K=1.50×10-1cm/s，为强透水岩层；承载力fak=260 kPa，具有轻微液化特征。一级阶地细砂层干密度ρd=1.55 cm3/g；相对密度Dr=0.53，呈中密状态；渗透系数K=4.09×10-4cm/s，为中等透水岩层；承载力fak=130 kPa，具中等液化特征。上更新统壤土呈可塑状，干密度ρd=1.67 g/cm3；压缩系数av1-2=0.24，为中压缩性土；渗透系数K=2.72 cm/s～5.29×10-5cm/s，属弱透水岩层；承载力160 kPa。

从开挖后的实际情况可知，地下水位于排水棱体基础面上下，即建基面稍深的地段地下水出露，建基面稍浅的地段则高于地下水位。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB 18306-2015)，工程区Ⅱ类场地50年超越概率为10%时的地震动峰值加速度为0.2 g，地震动反应谱特征周期0.40 s，相应的地震基本烈度为Ⅷ度。

1.3 液化地层前期勘察结论

前期勘察对各层土进行了液化判别，经初判认为一级阶地砂砾石层及细砂层为可能液化地层，因此需进行复判。

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2011)的液化判定标准，对细砂层采用标准贯入锤击数法进行复判，确定其为液化土，液化等级中等。又根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)的液化判定标准，对砂砾石层采用相对密度法进行复判。工程区地震动峰值加速度为0.20 g，相对密度不大于液化临界相对密度0.75时，判为可能液化土。最终确定了一级阶地砂砾石层为轻微液化，一级阶地细砂层为中等液化，应进行工程处理的结论。

2 施工中出现的问题及处理

2.1 施工中出现的问题

由于池堤基础只进行清表1.2 m，经碾压后直接进行堤身填筑，因此基础开挖主要体现在排水棱体施工过程中。设计方案是将排水棱体基础开挖至上更新统(Q3)壤土层上，将上部存在液化问题的全新统(Q4)砂砾石、细砂层全部挖除，然后采用砂及块石做反滤排水体，使池堤基础下液化地层中的水在地震时可沿排水棱体顺畅排出而达到消除液化的目的。

实际施工开挖至设计深度后，发现排水棱体建基面的液化砂砾石及细砂层并没有全部清除，超过一半的基础还残留有砂砾石或细砂层，且厚度从0.5 m到4.7 m不等，变化较大，与设计预期有一定差异。

2.2 对问题的原因分析

为何会出现本应该完全挖除的液化地层仍有残留呢？分析原因认为主要有以下几点：

1)河流冲积相沉积的地层本身就有着相变大、透镜体多、层位不稳定这些特征。从探坑及剖面图可以看出，该层砾石、细砂为成层分布，但在分布深度、厚度、范围上具有一定的随机性，即相变较大、起伏明显、砾石和细砂分布无明显规律可循。从补充勘察所开挖的探坑中可以看到，一侧坑壁分布的砂层厚达2 m之多，但另一壁则完全尖灭，这也说明了地层结构的复杂性。

2)勘察期钻孔一般都以布置于建筑物轴线位置为主，该工程也不例外。就开挖的排水棱体基坑来说，基坑中线距池堤轴线的平均距离为58 m，基坑外边线距池堤轴线则达到81米之多，即使有横剖面勘探点也无法完全摸清地层情况，因此出现层位存在，但深度、厚度不同的现象亦在情理之中。

3)地质勘察中地层连线的基本原理是两点连线，其精度无法与直接开挖相比较，存在一定差异不可避免，因此大中型水利水电工程一般都设有施工地质工作内容，就是随时处理现场出现的此类问题。

2.3 补充勘察

由于排水棱体基础宽度、深度都较大，若处理方案不合理，则迁涉投资变化较大，因此需采用一个切实可行的处理方案，以消除液化问题对工程的影响，同时还要控制投资费用。制定合理的处理方案，前提是必须查明基础残留的砂砾石及细砂层的深度、厚度、分布范围，以及密实程度等边界条件，因此需要对排水棱体基础进行补充勘察。经业主组织各参建单位及邀请专家召开现场咨询会，研究决定对基础现存的砂砾石、细砂层有必要进行取样分析，对液化问题进行复判，查明地质条件，为优化设计方案提供技术支撑。

经补充勘察工作，采用探坑取样、野外及室内试验等，查明了排水棱体基础除砂砾石及细砂层的分布深度和厚度存在差异，地层层位、结构没有大的变化，砂砾石层密实程度随深度明显增大。地质剖面示意见图2、相对密度统计见表1。

图2 地质剖面示意

表1 相对密度统计表

由表1可知，勘察期砂砾石层相对密度为0.24，呈稍密状态，施工期相对密度则为0.65，接近中密程度的上限。细砂由于前期没有相对密度试验，无法对比，但从开挖揭示的实际情况来看，下部细砂层密实程度要大于上部。

根据补充勘察试验成果，结合前期试验资料，按《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)附录P进行液化判定后认为，排水棱体基础残留的砂砾石及细砂颗粒组成与前期近似，虽密实程度有所增加，但还达不到质的改变。因此认为砂砾石层仍有液化可能，只是程度更轻微，细砂层仍按中等液化考虑为宜，需要采取工程处理措施。

2.4 对残留液化地层的处理方案

出现问题后，参建各方有几种处理意见：①将残留的液化砂砾石及砂层全部挖除；②采用震冲桩或碎石震冲桩，对揭露的地层全部处理；③震动碾压加密处理，根据碾压试验确定处理深度；④在靠近池堤一侧的排水棱体基础上开挖深槽，回填块石，做为池堤地基液化地层的排水通道，从而消除地震液化可能。

技术讨论会上，各方提出处理方案后，设计人员针对认识上的误区做了解释：做为排水棱体来讲本身就有反滤作用，又位于池堤堤脚部位，上部荷载不大，且液化地层大部分已挖除，因此针对排水棱体的液化处理意义不大。设计排水棱体的意义主要在于降低池堤(坝体)浸润线、使池堤基础地下水能在反滤的情况下顺畅排出，防止地震时出现喷沙、冒水等液化现象危害池堤安全。

明确设计意图后，针对不同的地层地质条件，研究决定采用不同的处理方法，主要分为两种：

(1)对局部存在的厚度不大的砂砾石层，要求对表面进行碾压，0.5 m深度范围内相对密度不小于0.67(密实状态)。这是考虑到砂砾石层本身液化轻微，随着深度的增加其密实程度亦随之增加。再者由于厚度不大，砂砾石层可产生的液化势能有限，因此设计方案仅对其进行碾压处理，节约投资，能保证排水棱体安全即可。

(2)对厚度较大的砂砾石及细砂层，在靠近池堤一侧采用排水齿槽明挖排降水，齿槽底宽3 m，开挖坡比1∶2.0，开挖深度按4 m控制。齿槽内主要由块石回填，在块石底部及顶部各铺垫30 cm厚碎石及砂层，起反滤作用。排水齿槽回填至建基面后按原设计施工，见图1。之所以这样处理，主要是解决池堤基础部位的液化问题，设计的排水齿槽靠近池堤轴线一侧，给池堤基础下砂砾石层和细砂层中的地下水形成通道，使地下水能顺利及时地排出，保证池堤安全。

图1 拱坝整体模型示意图

3 结论

1)前期勘察确定了一级阶地砂砾石层为轻微液化，一级阶地细砂层为中等液化，应进行工程处理。

2)施工开挖至设计深度后，发现排水棱体建基面的液化砂砾石及细砂层并没有全部清除，超过一半的基础还残留有砂砾石或细砂层，与设计预期有一定差异。

3)经补充勘察，查明排水棱体基础除砂砾石及细砂层的分布深度和厚度存在差异，地层层位、结构没有大的变化，认为砂砾石层仍有液化可能，只是程度更轻微，细砂层仍按中等液化考虑为宜，需要采取工程处理措施。

4)对局部的厚度不大的砂砾石层，要求对表面进行碾压，0.5 m深度范围内相对密度不小于0.67(密实状态)。

5)对厚度较大的砂砾石及细砂层，在靠近池堤一侧采用排水齿槽明挖排降水。排水齿槽内回填块石，回填至建基面后按原设计施工。

6)通过此案例，再次证明了前期勘察工作对设计方案的影响和对工程的重要性，也说明了理解设计方案、统一认识的重要性。