谈水位下降对地震砂土液化的影响

李瑞军 孙 伟，2 高存喜 刘超群

(1.西北综合勘察设计研究院，陕西西安 710003;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059)

0 引言

近十多年来由于渭河上游支流不断建坝进行城市供水和农田灌溉，渭河年平均径流量不断下降，致使渭河沿岸水位较历史水位大幅下降，水位下降幅度范围内及以下的第四纪覆盖层经历了固结压密作用、饱和砂土的液化等级降低或液化特性消失等现象，水位下降对砂土液化的影响也成为了工程实践中关注的重点问题之一。

1 区域地震构造特征

渭河咸阳—西安城市段在大地构造环境中位于渭河断陷带之内，渭河断陷带位于鄂尔多斯地块和秦岭褶皱带之间，西起宝鸡东，东达山西运城和河南灵宝一带，包括渭河盆地中的西安拗陷、固市拗陷、运城盆地、灵宝盆地。渭河断陷带总体上呈近EW向分布，向东逐渐变为NEE向。断陷带的南北两侧均受正倾滑的活动断层控制。南侧的华山山前断裂和秦岭北麓断裂是盆地的主控边界断裂。盆地内的固市拗陷则是第四纪沉积厚度最大，升降差异运动最强烈的地区。整个盆地带南深北浅，向南倾斜。近场区主要由西安拗陷、部分固拗陷、骊山隆起、咸阳隆起四部分组成。与渭河盆地东部地区相比，该区域地震活动较为强烈，断裂构造也较为发育。秦岭断褶带，位于华北地台与扬子地台之间，整体上呈近东西向伸展，是中国南北地质衔接和东西地质转化的一个枢纽地带，同时也是一个典型的复合型大陆造山带。秦岭褶皱带在地震区、带的划分上，属于我国华南地震区，地震活动水平较低，以中、小地震活动为主。渭河咸阳西安段近场区的主要断裂有渭河断裂、秦岭北缘断裂、口镇—关山断裂、礼泉—富平断裂、盆地北缘断裂、周至—余下断裂、临潼—长安断裂、骊山山前断裂，渭南塬前断裂、泾阳渭南断裂等，这些断裂的走向为近东西向和北东向，由盆地边缘向盆地中心逐级下降，形成阶梯状断层斜坡。由于断裂垂直差异运动的幅度不同，因而形成了盆地内部的相对上升区和下降区，在近场区形成了秦岭褶皱带、骊山隆起的明显上升区、礼泉—咸阳黄土台塬、富平—蒲城黄土台塬和骊山西南侧一系列黄土台塬如横岭塬、白鹿塬、少陵园、神禾塬的缓慢上升区和西安凹陷、固市凹陷的强烈下降区［1］。

2 地震液化历史

从公元前780年到2008年4月，工作区内共发生M≥43/4级地震42次，其中 8.0级 ～8.9级地震 1次，7.0级 ～7.9级地震2次，6.0级 ～6.9 级地震3次，5.0级 ～5.9 级地震 26 次，43/4级 ～4.9级地震10次，最大地震是1556年华县81/4级地震。

从1970年到2008年4月有地震台网记录以来，工作区域内共发生ML≥2.0级地震716次，其中5.0级～5.9级地震2次，4.0级 ～4.9级地震 7次，3.0级 ～3.9级地震 73次，2.0 级 ～2.9级地震634次，最大地震是1998年1月5日发生在陕西泾阳的5.2级地震。

历史地震周边大的地震记载有1556年1月23日晚12时左右的华县8.3级地震，震中烈度11度。据记载川源拆裂，郊墟迁移，或奎为港埠，或陷作沟渠，水涌砂溢，地面破坏延及千里，总受灾面积28万km2，波及12个省约180多县，堪称史载中震害最严重者。1568年5月15日，西安东北发生了6.7级地震，据记载，此震造成“西安市灞桥、柳巷，泾阳的回军、永乐各村镇，俱倒如平地。泾阳、咸阳、高陵城无完璧，人畜死伤甚重”。震中定在西安东北的草滩镇一带，破裂主轴呈北西向，烈度达9度。1487年8月10日临潼发生6.2级地震，据记载，临潼“地震如雷，屋舍多坏，男女死者甚众”;而西安“荐福寺塔中裂尺许”。震中约在西安市区与临潼间的田王村一带，位于临潼～长安断裂与渭河断裂交汇附近部位，震中烈度为8 度［1］。

基于上述的地震历史并结合渭河咸阳西安城市段存在地震液化的主要地段为渭河的一级阶地和高漫滩，也有渭河的一级支流河漫滩和一级阶地分布。建筑场地的液化等级一般为局部轻微液化或中等液化。

3 区域水位变化历史及变化趋势分析

渭河咸阳西安城市段可液化砂土层主要分布在渭河沿岸高漫滩和一级阶地上，历史水位较浅，据调查渭河历史最高水位高漫滩地下水位仅有1 m～2 m，一级阶地地下水位仅有3 m～4 m。由于建国以来渭河上游支流不断建截水大坝进行城市供水和农田灌溉，宝鸡、咸阳城市内建筑橡胶坝截水制造人工湖，渭河年平均流量不断减少，有数据显示1991年～2000年林家村和华县水文站测得的年平均径流量与1981年～1990年相比分别减少了53.9%和50.3%［2］。渭河水位近几年的总体趋势是在下降，仅局部城市人造人工湖景观段水位有可能上升。渭河水流量的减少，致使沿岸受渭河水补给的地下水位大幅下降。根据勘察资料，渭河北岸高漫滩20世纪80年代末地下水位为地表下2 m左右，2007年勘察时水位为地表下8 m，下降幅度达6 m。渭河北岸一级阶地80年代前地下水位为5 m左右，2010年勘察时水位为14 m左右，下降幅度9 m左右，和渭河水量的减少呈正相关性。

4 砂土液化历史对比

渭河北岸咸阳西安城市段历史记载中虽无地震液化的描述，但笔者在工程实践中发现了历史上地震液化的例证。2010年在渭河北岸(一级阶地)建筑工地的基坑开挖时发现大量的黄土状土中有填充砂带，砂带宽度1 cm～30 cm不等，且延伸至地面下2 m～3 m就消失了，并在消失的地方发现有砂帽。经专家实地鉴定，其形成原因为历史上砂土液化冲出地面后又被覆盖层掩埋，通过翻查历史地质资料也证实该区域历史上曾发生过6级以上烈度的大地震。但工地在2010年勘察时，地下水位在地表下14 m左右，经现场勘察及标贯数据分析认为已无液化的可能性。地震液化砂带见图1。

图1 地震液化砂带

同样在渭河北岸高漫滩上某工地，1990年以前盖的厂房因为勘察时水位较高，通过判定场地饱和砂土液化等级为中等级，施工期间进行了振冲挤密桩处理，但是2007年场地内勘察时，水位由原来2 m降至8.0 m，通过判定场地饱和砂土不液化，故不需要进行消除液化的振冲挤密桩施工，仅进行垫层换填即可，为建设方节约了大量资金。

5 影响砂土液化的因素分析

以上两个案例虽表明历史上有液化的地层，经过时间的推移和环境的变化，其液化特性亦可消失。砂土液化必需满足基本的2个条件，第一，必须是饱和砂土，非饱和砂土是不具备液化条件的。在工程实践中判断砂土饱和与否一般认为水位以上是非饱和的，水位以下是饱和的。故水位的变化对砂土液化的影响起到决定性作用。第二，松散砂土，砂土越密实地震时越不可能液化。地下水位的下降不仅使砂土由饱和变为非饱和，而且水位下降使砂土重度增大，砂土经历压密作用，砂土变密实，即使水位回升，砂土也比原来密实，使砂土液化的可能性降低，影响砂土液化的因素很多，笔者就不一一赘述，但笔者认为以上两点在工程实践中更值得关注。

6 砂土液化的预测分析

渭河西安咸阳城市段河道由于人工河堤的固定，河流对现有的地貌改造基本没有，故河道外的建筑用地不存在新增的高漫滩用地，原先形成的高漫滩和一级阶地地下的饱和砂层因地下水位的下降和时间的推移砂土液化的趋势越来越小，对于城市段局部地下水位上升地段，也因有过地下水位大幅下降砂层的固结作用使砂土趋于密实，液化等级也应有所降低。

［1］西安某建筑场地《地震安全性评价报告》［R］.

［2］武 玮，徐宗学，李发鹏.渭河关中段水文情势改变程度分析［J］.自然资源学报，2012，27(7):1124-1137.