8度地震区土坝坝基砂土液化判别及抗震设计

马志强，胡志刚

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程简介

哈达山水利枢纽工程位于第二松花江下游河段，距第二松花江与嫩江汇合口处约60 km。枢纽由挡水土坝、取水及门库段、溢流坝、河床式电站、重力坝连接段组成，工程属大（1）型，工程等别为Ⅰ等，主要建筑物级别为1级。坝址区地震基本烈度为8度，工程地震设防烈度采用8度。

挡水土坝为粘土均质坝，长2248 m，最大坝高13.55 m，基础覆盖层以粘性土和砂性土为主，覆盖层下基岩为夹粉砂岩薄层的泥岩。坝基基础砂层厚度15～25 m。

2 坝基砂土液化判别

土坝坝基为均匀中砂，经初步判别，土坝基础砂层为可液化砂层，在8度地震下将产生液化。为此，对坝基砂土进行复判。

2.1 标准贯入锤击数法

坝基砂土的复判，采用GB50287-99《水利水电工程地质勘查规范》中规定的标准贯入锤击数法。判别式为：

式中：N63.5——工程运用时，标准贯入点在当时地面以下ds（m）深度处的标准贯入锤击数；Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值。

式（1）表明，当处于地面以下ds深度处的标准贯入锤击数N63.5，小于该深度处的临界值Ncr时，该深度处的土层为可液化土层；反之，当N63.5＞Ncr时，该深度处的土层为不液化土层。

采用标准贯入锤击数法判别土层液化，按工程正常运用时的水库上、下游水位计算土层标准贯入锤击数。针对拟采取的工程处理措施，考虑了基础上部有、无压重分别进行了计算。总共选取了60个标贯孔，计403个测点进行计算，计算结果统计值见表1。

从表1统计结果看，在有压重时能明显提高坝基砂土的抗液化能力。按下游水位135.13 m作用看，有压重时全部非液化点占总统计点数比例达到74.9%，远高于无压重时的31.0%；按上游水位140.50 m作用看，有压重时全部非液化点占总统计点数比例为38.2%，亦高于无压重条件下的26.6%。

按标贯点的高程统计，随着土层越深，非液化点的比例也越高，特别是在上游水位140.50 m作用下，不论是在有压重的条件下，还是在无压重的条件下，效果明显。

2.2 液化等级判别法

标准贯入锤击数法，说明了处于地面以下ds深度处的土层是否为可液化土，若该深度处的土层经判别为可液化土层，则不论该层土以上是否采用了抗液化处理措施，对于该层土来讲，仍有遇地震液化的可能。那么是否对该层土还需要进行处理，或者说对整个地基处理到什么程度，如何评价地基的整体抗液化性能，根据标准贯入锤击数法是不容易说清楚的。

表1 标准贯入锤击数法液化判别结果统计表

GB50011-2001《建筑抗震设计规范》的液化等级判别法，是评价地基整体液化状况的一种可行的方法。液化等级判别见表2。

表2 液化等级

式中：ILE——液化指数；n——在判别深度范围内，每一个钻孔标准贯入试验点的总数；Ni，Ncri——分别为i点标注贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应取临界值的数值；di——i点所代表的土层厚度，m，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi——i土层单位土层厚度的层位影响权函数值，m-1。若判别深度为15 m，当该层中点深度不大于5 m时，应采用10；等于15 m时，应采用零值；5～15 m时，应按线性内插法取值。若判别深度为20 m，当该层中点深度不大于5 m时，应采用10；等于20 m时，应采用零值；5～20 m时，应按线性内插法取值。

根据标准贯入锤击数法判别结果，初步选用的基础处理方案为：坝体上、下游采用5 m压重，防渗墙上游基础振冲处理深度10 m，防渗墙下游基础处理振冲深度7 m。按实际运用统计各钻孔的液化等级判别，统计结果表明：其中液化等级严重1孔占1.7%，中等6孔占10%，轻微32孔占53.3%，无21孔占35%。从中可看出，基础处理在上部有5 m压重情况下，防渗墙上游基础处理深度10 m，防渗墙下游基础处理深度7 m，处理到轻微及以下程度达到了88.3%，基本能够消除地震带来的液化影响。

3 坝基抗液化设计

土坝基础砂层抗液化的主要工程措施有加密法、置换法、压重法等。根据该工程的特点，基础抗液化设计采用压重+基础加密相结合的方式。而基础加密方法包括振冲法、强夯法等。强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质黏土、素填土和杂填土等地基。对于较纯净的中、粗砂层，振冲法施工简便，加密效果好，强夯法受制于基础排水条件。

该工程地基处理深度最深需15 m，在有压重区域，地基处理深度亦达到10 m，而强夯法处理地基的有效深度一般在7～8 m，采用强夯法处理地基较困难。另外，该工程有提前发电要求，此时江水位在140.00 m运行，基础砂土基本处于饱和状态，而坝基砂土的渗透系数K=7.48×10-3～2.38×10-2cm/s，采用强夯法加密地基，没有天然排水条件，而采用振冲法加密地基不受此限制。

综合考虑，抗液化处理方案选用振冲+压重组合方案。压重厚度5 m，压重料采用碾压密实的天然砂料或一期基坑内可利用的开挖弃料。在防渗墙上游基础振冲处理深度为10 m，防渗墙下游基础振冲处理深度为7 m。

基础处理标准依据《碾压式土石坝设计规范》的规定，同时结合《水工建筑物抗震设计规范》的规定，要求处理后坝基砂土的相对密度大于等于0.8，压重料压实标准同样达到相对密度0.8。

经现场试验，振冲桩间排距2 m×1.7 m，正三角形布置，振冲桩直径0.8 m，振冲方式为无填料振冲。

4 结语

可液化地基的抗震设计，是较为复杂的。文中分别根据GB50287-99《水利水电工程地质勘查规范》中提出的标准贯入锤击数法、GB50011-2001《建筑抗震设计规范》提出的的液化等级判别法，对哈达山土坝基础液化状况进行了判别，两种判别方法各有特点。标准贯入锤击数法，能分析出处于地面以下一定深度土层是否为可液化土，但不利于评价地基的整体抗液化性能。而液化等级判别法是评价地基整体液化状况的一种可行的方法，但对于具体土层的液化状态无法判别。通过两者结合使用，更有利于分析工程设计方案的合理性。