三里庄水库西副坝0+560～0+780坝基液化评价

2016-08-22付大庆王子祥曹连朋

地球 2016年3期

关键词：砂土坝基工程地质

■　付大庆　王子祥　曹连朋

(1潍坊市水利建筑设计研究院山东潍坊261205；2潍坊市宏兴地质工程勘察有限公司山东潍坊261041)

三里庄水库西副坝0+560～0+780坝基液化评价

■付大庆1王子祥2曹连朋1

(1潍坊市水利建筑设计研究院山东潍坊261205；2潍坊市宏兴地质工程勘察有限公司山东潍坊261041)

本文运用Seed简化法、规范法和工程地质判别法三种方法，对三里庄水库西副坝坝基砾粗砂地震液化性进行分析，得出副坝坝基饱和砾粗砂在地震动峰值加速度0.15g时无液化可能。

三里庄水库坝基液化评价

0　引言

三里庄水库位于诸城市南外环处，总库容6912万m3，兴利库容2334万m3，控制流域面积240km2，是一座集防洪、供水、灌溉等多功能于一体的重点中型水库。1999年8月12日该水库遭受历史罕见特大暴雨袭击，水库出现重大险情，同年9月进行除险加固，2005年8月通过主体工程验收。

1999年9月30日，山东水利学会科学技术咨询服务中心对《诸城市三里庄水库除险加固工程可行性研究报告》进行评估，认为“西副坝坝基属双层结构，现有地质资料不足以说明实际发生的渗透变形、坝坡失稳的原因和坝基地震液化的可能性。应在收集有关地质资料的基础上进一步分析论证。西副坝加固方案应在补充地质勘探资料后进行优化。”2009年2月20日～3月11日，国家审计署审计除险加固工程，发现初步设计阶段没有进行补充地质勘探，评估意见在《诸城市三里庄水库除险加固工程初步设计报告》中没有得到落实，该工程重点隐患没有得到彻底消除。

本文采用三种方法对副坝坝基砾粗砂地震液化性进行分析评价。

1　坝基地质概况

通过加固，西副坝坝顶宽15m，路肩绿化带宽4m，防浪墙高0.95m，上下游坡比1∶2.5，坝后草皮护坡，坝前干砌块石护坡，水体污染较轻。坝前渔塘数个，是由修建非常溢洪道开挖导流沟废弃而成，单个东西长±85m，南北宽±40m。自南向北分布于整个坝前，只在0+780处附近因1999年出现管涌险情而填平植满杨树。

坝基分布两层土，下伏泥岩。层①粉质黏土：黄褐色～深黄褐色，饱和，可塑，塑性指数14.8，黏粒含量平均17.4%，粉粒含量平均82.6%，渗透系数1.3×10-5cm/s，弱透水，近微透水，中等压缩性。该层分布连续，层厚稳定，厚达9.10m～12.20m，平均厚度±10m，层底高程58.54m～60.61m，为坝基良好的相对隔水层。层②砾粗砂：浅黄褐色，饱和，标贯击数平均34击，呈密实状态。在竖向上砂粒分布不均，上部呈中细砂状，中部呈中粗砂状，下部呈砾砂、砾石状，砾石大者直径达60mm，呈偏平状。可取成柱状岩心，含±5%的黏粒。该层分布连续，层厚稳定，厚达2.30m～3.80m，平均厚度±3m，层底高程55.04m～57.51m。渗透系数3.9×10-2cm/s，强透水等级。

2　坝基地震液化评价

饱和砂土液化，指土体丧失原有强度而表现出类似于液体状态的现象。美国土木工程师协会岩土工程分会土动力学委员会1978年对液化的定义是：“液化——任何物质转化为液体的行为或过程”[1]。影响液化的主要因素有土性条件、初始应力条件、动荷载条件与排水条件等。目前，液化判别方法达数十种之多，比较成熟且无须做大量动力性试验的的主要有Seed简化法、规范法。工程地质判别法从地质条件控制砂土液化区域分布规律的原理出发，按工程地质工程程序在查明环境地质条件的基础上，运用数学地质的统计分析预测液化与否，同样，无须做大量动力性试验，易于掌握，方便实用。

2.1Seed简化法

2.1.1原理

通过计算由地震作用产生的等效平均剪应力τeq，以及在等效循环周数作用下饱和砂土单元发生液化所需的剪应力τd(砂土单元的抗液化强度)的比较，来判别砂土液化的可能性[2]。若

则砂土单元不发生液化，反之发生液化。由地震作用产生的等效平均剪应力τeq

式中：γd—与深度有关的应力折减系数；γ—土的重度，地下水位以下取饱和重度；h—土柱高度；g—重力加速度。

抗液化强度τd

式中：Cr—应力修正系数；Dr—砂土相对密度；σ′v—有效上覆压力。

—相对密度Dr=50%的液化应力比；

根据平均粒径d50和等效循环周数，由相关图表求得相对密度Dr=50%的液化应力比，代入上式即可求得τd。

2.1.2分析

坝址附近抗震设防烈度Ⅶ度，地震动峰值加速度0.15g，采用30周荷载循环引起砂土液化的应力条件。砂土通过标准贯入试验依据TB10002.5确定其相对密度[3]。液化分析成果见表1。

表1　Seed简化法坝基层②砾粗砂液化判别

由表1知，除ZK3-1与ZK4-1两试验点存在液化可能外，其余无液化可能。

2.2规范法

现行的饱和砂土液化判别的规范方法大多是建立在大量的地震液化现场调查资料上的经验方法[4-9]，利用国标规范GB50487[8]进行判析。

液化判别标准贯入击数临界值按下式计算：

式中：No—液化判别标准贯入击数基准值；ds—标准贯入点深度/m；dw—地下水位深度/m；ρc—黏粒含量质量百分率；

根据现场测得的标准贯入击数N63.5进行液化判别，若N63. 5＜Ncr，则砂土发生液化，否则不发生。液化分析见表2。

表2　规范法坝基砾粗砂液化判别

由表2知，坝基砾粗砂全部试验点无液化可能。

2.3工程地质判别法

2.3.1原理

地质对象可以用二态变量描述。所谓“二态”，指两种状态，如某种地质因素的“有”或“无”、“是”或“非”，某种地质现象“发生”或“不发生”等。在数学地质的多元统计分析中，为了进行判别(分类)，将一些定性的地质因素用二态描述其变化 (通常用0与1表示，0表示无，1表示有),并作为变量来进行判别分析。[10]该判别分析法采用线性判别函数式：

式中：Ri—判别函数值；Xi—地质变量；λi—变量系数。

该法用“迭代法”求得各变量的系数，以RC=0为判别临界值分析砂土液化与否。在研究已知区分类(如规定非液化属A类，液化属B类)的基础上，区分出“非液化”(A类)与“液化”(B类)两总体。在选定了控制砂土液化的定性地质因素作为二态变量后，按各变量在两总体中的反应情况，分别取得若干有代表性的子样。这样，就由两类(A类或B类)对各变量有不同反应(0或1)组合的若干子样按一定顺序排列成原始矩阵，然后用迭代法求解待定系数λi，建立二态变量判别函数式。经过对原始矩阵采用“训练迭代法”和“松弛法”两种迭代方法求解出各个变量的系数值λi(表3)。

应用判别函数式进行判别时，只需把场地或区域的地貌单元及成因类型确定后，对照判别式中的各变量，属于某一变量者反应为1，不属于者反应为0，将各变量的系数λi和变量Xi代入线性判别函数式，然后得出函数值Ri，大于0时为非液化，小于0时为液化。

2.3.2分析

据诸城幅区域地质调查报告，三里庄水库附近地貌单元及成因类型为山前冲洪积平原(X1)，砾粗砂地层时代为晚更新世Q3(X7)。诸城市区附近抗震设防烈度为Ⅶ区(X14)。这几个变量连同伪变量(X14)在判别式中反应均为1，其余变量反应均为0，采用训练迭代法求解：