水利水电工程地震液化等级划分及处理措施

任 苇

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

地震液化是指在强烈地震作用下，处于地下水位以下的砂土等抗剪能力显著降低直至为零，表现出类似液体特征的现象[1]。对于砂土液化判别，国内普遍按初判和复判两个阶段开展工作，初判一般按照年代法、粒径法、地下水位法进行初判，在初判为不液化土后即可不进行复判；液化复判方法包括GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》标准贯入试验(SPT)法、GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》静力触探试验(CPT)法、基于室内试验的剪应力(SEED简化法)等。事实上,不仅地震会引起砂土液化，爆炸、机械振动等都可以引起砂土产生液化现象。砂砾石也存在液化现象，在2008年“5·12”汶川大地震震后调查发现，约20%～30%的地表喷出物为中砂、粗砂，而砾、卵石喷出场地有十余处[2]，为此程汝恩等提出了采用重型动力触探击数N63.5进行砂砾石液化判别的方法[3]。

进入21世纪以来，中国地震研究不断取得新进展，GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中，通过计算液化指数，将液化分为轻微、中等、严重3个级别，同时结合工程设防类别，规定了不同设防类别、不同液化等级的抗液化措施。水利水电行业相关规范中，对液化判别方法提出了明确规定，回答了砂土是否发生液化的问题，但没有明确液化等级划分，工程设计中，对不同液化程度的判别及处理评价缺乏统一规定。本文将通过分析不同液化程度表征参数的特点，提出适用于水利水电工程的地震液化等级划分方法及对应措施。

1 水利水电工程液化严重程度分析研究现状

在部分水利水电工程实践中，已经开展了相关各具特色的研究工作，目前，对于液化严重程度，基本形成了液化指数法、震陷量计算、液化度法3种。

1.1 液化指数法

液化指数法除在建筑行业广泛应用外，也用于风电场建设中的液化等级划分，梁海,赵志祥,杨飞等以平原风电场为例[4]，详细分析了标贯试验和双桥静探试验在液化判别的中差异,认为双桥静探试验影响因素小,提出双桥静探试验法计确定液化指数和液化等级的方法思路。水利水电行业与此类似，液化指数常作为评判液化程度的指标，如符晓对大渡河丹巴水电站工程地基土开展了初判、复判[5]，认为③层砂层透镜体存在局部液化可能，④层粉土质砂是主要的可能液化土层，为了进一步分析主要液化土层液化程度，进行了液化指数分析，计算数值在0.38～9.81，认为属轻微～中等液化。荆海峰对石佛寺水库开展液化评价，认为可能液化为中部不良级配砂，经计算液化指数在14.33～17.12[6]，属中等液化。谢洪毅对大渡河硬梁包工程地基砂层液化进行研究[7]，根据初判认为②、④层堰塞沉积细粒土是主要的可能液化土层，由于第②层深度超过液化指数计算范围，仅对④层分析计算液化指数在0.19～10.54，属轻微～中等液化。

1.2 震陷量分析及评价

我国岷江上游修建的映秀湾、太平驿、福堂、姜射坝等闸坝工程，其坝基均为夹有砂层的深厚覆盖层基础，设计时工程区基本地震烈度为Ⅶ度或Ⅷ度，地质勘探结论为砂层在经受该地震烈度时均为可液化土层，建设过程中对该可液化砂层采取了挖除置换或围封等处理措施。根据“5·12”汶川地震后对其12座工程进行调查成果，多表现为飞石砸损、边坡崩塌等破坏，主体工程基本完好，震中的映秀湾、耿达两座工程出现不均匀震陷现象，其中映秀湾5号泄洪闸和右岸混凝土门库挡水坝段缝间竖向错动约20 cm、上下游错动约5 cm，耿达电站运行后右岸软硬过渡坝段水平错动由震前8 cm增加至20 cm。

对于软基闸坝工程而言，液化的危害主要来自不均匀震陷，而由于抗剪参数降低导致抗滑失稳的情况尚未出现。震陷量主要决定于土层的液化程度和上部结构的荷载，由于液化指数不能反映上部结构的荷载影响，开展采用震陷量来评价液化的危害程度也是有效的方法，但笔者尚未收集到水利水电行业开展该方面研究的成果。在GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中，依据实测震陷、振动台试验以及有限元法对一系列典型液化地基计算得出的震陷变化规律，发现震陷量取决于液化土的密度(或承载力)、基底压力、基底宽度、液化层底面和顶面的位置和地震烈度等因素，提出估计砂土与粉土液化平均震陷量的经验方法，但该方法是否对水利水电工程适用，值得进一步开展研究，而进一步根据震陷量计算作为判断液化程度评价依据，尚待进一步研究实践。

1.3 液化度概念及实践

有效应力法定义液化度为振动超静孔隙水压力与上覆有效荷载的比值。

(1)

公式(1)中：Δu为超静孔隙水压力，kPa；σd为上覆有效荷载，kPa。

总应力法不考虑孔隙水压力增长时砂土剪切刚度特性的变化，以Seed法为代表，采用总应力法定义液化度公式为：

(2)

公式(2)中:(τd)l为土体抗液化动剪应力，kPa；(τd)eff为单元实际动剪应力，kPa。

应该说，仪式感是对生活的重视，有仪式感的人，会将仪式感更多地体现在生活的细枝末节之中。比如出门前擦擦皮鞋，比如进餐时洗洗手，比如古人读书前的沐浴焚香等等。可以说，仪式是在制造一种认知环境；而仪式感，是营造良好的认知环境的先导。看起来繁复的仪式感，是一种内在和外在的约束，正是这样一种约束，让一个人能变得更从容、强大、有张力。

根据公式(2)，容易推导如下：

(3)

可以看出，两者内涵一致。

若IL>1.0，则认为会发生液化；一般认为IL>0.8即发生液化可能性逐渐增大，为可能液化区，需采取一定抗液化措施；IL<0.6不会发生液化[8]；若液化度在0.6～0.8时，产生局部液化。因此，采用液化度来评价液化等级，是行之有效的方法，需要开展试验研究，结合动力分析计算作为依据。

图1 方案1坝右0+220 m剖面坝基砂层(τd)eff/(τd)l分布

由图1可以看出，根据动力分析计算的液化度成果不仅能反映地震作用与地基土特性、而且考虑了上部结构压覆荷载的抗液化作用，其成果能更清晰的表征砂土液化的平面位置、深度以及液化程度，为进一步采取措施提供更为精确的指导。如贾巍,杜慧超针对巴塘沥青混凝土心墙堆石坝坝基砂层地震液化研究中[10]，通过坝基三维有限元动力反应分析表明，坝后不设压坡体情况下，设计地震情况时下坝基Ⅲ岩组液化度约为 0.79，校核地震情况下该岩组液化度达到 0.94，得到需要采取抗液化措施的结论。符晓在 “深厚覆盖层拦河闸坝基础特性分析及处理研究”一文中，对液化处理方案开展三维有限元动力计算分析表明，处理后建筑液化度小于0.6，仅在闸右0+10.00 m和闸右0+136.00 m断面的上下游模型边界、远离建筑物的区域出现局部小于0.8的液化区，同时认为第③层中的砂层透镜体不会对坝体稳定性产生影响，不对其进行抗液化处理。王丽艳等在采用液化度进行液化程度基础上，进一步建议把液化度作为地震沉陷变形的评判标准，针对某沉箱基础砂土液化开展进行了研究[11]。

2 水利水电工程液化等级划分原则

结合上述分析可以发现，震陷量计算方法尚待进一步深入研究，目前不宜作为液化等级划分依据；液化指数法只需要通过钻孔标准贯入试验即可计算，具有简便易行、成本低廉的特点，虽然不能反映上部结构的相互作用，但已作为建筑行业规范普遍采用的方法、经验较多，在水利水电行业也积累了部分实践经验；液化度评判方法需要开展三轴动力试验取得动力参数，并进一步建立二维或三维动力模型进行分析，其成本较高，其成果不仅能反映地震作用与地基土特性、而且考虑了上部结构压覆荷载的抗液化作用，可以获得砂土液化平面位置、深度以及液化程度等较为精确的成果。

笔者在结合上述方法特点基础上，借鉴《建筑抗震设计规范》相关经验，提出对于设防类别、液化程度均较低的工程，采用液化指数开展等级划分，而对于设防类别、液化程度高的工程，采用液化指数、液化度双指标划分方法，为水利水电工程液化处理提供参考，具体划分方法见表1。

表1 液化等级划分及工程处理要求

3 基于液化等级划分的地基处理

水利水电工程土石坝抗液化措施中，采用下游压坡体反压是常见措施，如巴塘沥青混凝土心墙堆石坝经分析，属于表1中甲类中等工程，设置下游压坡体后,设计、校核地震情况下下液化度分别降低到0.46、0.74；多布水电站土工膜防渗砂砾石坝属于乙类中等工程，在增加下游压坡体同时，采取下游坡脚振冲碎石桩方案，进一步提高抗液化效果，地震情况下下液化度降低到0.58，均满足表1处理要求。本文结合GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，对照上表处理措施，针对具有地基液化问题的闸坝建筑物，初步提出处理原则如下：

(1)对粗实线以上部分工程，要求对可能液化土层全部进行液化处理、全部消除液化沉陷。工程措施深度、平面范围等布置方案宜采用动力分析开展液化度评价确定，采取工程措施后IL应满足表1中要求。工程措施具体建议如下：

1)采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度(不包括桩部分)，应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于0.5 m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5 m。

2)采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中，其深度不应小于0.5 m。

3)采用加密法(如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等)加固时，应处理至液化深度下界，振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值。用非液化土替换全部液化土层.采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。

(2)对粗实线以上部分开展动力分析评价后，认为液化土层难以全部进行液化处理的工程，应综合采取上部结构等措施调整方案后复核，调整后动力分析液化度成果仍应满足表1要求，综合采取上部结构措施可包括：

1)选择合适的基础埋置深度；

2)调整上部结构及基础底面积，降低重心位置，减少基础偏心；

3)加强上部结构的整体性和刚度，减轻荷载；

4)合理设置沉降缝，必要时缝间填塞减震材料，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式；

5)电气电缆、金属结构、管道穿过建筑处应预留足够尺寸并采用柔性连接。

(3)对表1中“采取基础和上部结构措施部分消除液化”部分，宜借鉴《建筑抗震设计规范》中液化指数计算方法，部分消除地基液化沉陷，应符合下列要求：

1)处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判别深度为15 m时，其值不宜大于4，当判别深度为20 m时，其值不宜大于5，同时不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。

2)采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值，基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。

(4)工程措施选择时，闸坝工程对判定为可能液化的土层，如果液化深度小于3 m，用采用挖除置换的措施；对于大于3 m，或上部有小于3 m的薄层砂砾石等非液化土，宜用振冲、砂石桩、强夯等方法加密，对于埋深大于3 m以上的液化土层，可采用旋喷桩、振冲桩进行处理。上部结构承载力要求需要设置混凝土灌注桩时，可结合液化要求复核灌注桩长、间距等布置。

4 结 语

本文通过分析，初步提出了液化指数、液化度双指标分区液化等级划分方法，同时初步出了全部或部分消除液化的地基处理措施要求，为水利水电工程不同抗震设防标准、液化程度、工程处理方案制定提供了思路。