川西某电站深厚覆盖层坝基砂土液化分析

凡 亚，黄 春，闵勇章

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072）

本文介绍的某水库大坝位于大渡河中游右岸的一级支流上，大坝采用防渗墙联合复合土工膜防渗的堆石坝坝型。堆石坝坝顶高程为2934.00m，坝顶总长度843.87m，最大坝高约56m。工程区在大地构造上位于川滇南北向构造带与甘孜褶断带交汇部位，区域构造背景复杂，工程场地地震基本烈度为Ⅶ度，构造稳定性属基本稳定区。

1 坝址基本地质条件

该坝址地处高山峡谷区，河谷开阔呈“U”型，河道顺直，左岸山体浑厚，谷坡陡峻，地形较完整。右岸因干沟切割，山体较单薄。谷底分布为干沟洪积扇，横河宽400～600m，分布高程2886～2925m，坡度约5°。坝址谷底宽约680～720m，正常蓄水位2930m时，相应谷宽约800m。

两岸基岩为三叠系上统居里寺组第五岩段(T3j5)，深灰色中厚层～巨厚层变质砂岩夹薄层板岩。两岸岩体卸荷强烈，左岸弱风化，强卸荷水平深度范围为16～77m，弱卸荷深度85～93m；右岸弱风化、强卸荷水平深度30～64m，弱卸荷深度81～107m。

坝区位于贡嘎山复向斜核部，由多个褶皱组成，呈紧密尖棱状，复向斜轴线呈弧形褶曲，从左岸下游沿N30°E展布，往上游逐渐转为近EW向。第四纪以来的新构造运动以强烈的整体抬升为其特征，且冰水及冰水泥石流活动异常。区内未见大断层，发育较多小断层。

坝区地下水主要为第四系松散堆积孔隙潜水及基岩裂隙水。据分析资料，地下水及湖水、沟水对混凝土均无腐蚀性。

2 深厚覆盖层的工程地质特性

该堆石坝坝基河床覆盖层最大深度148m，层次结构复杂，自下而上可分为7层：

第①、②层：含孤块碎石土，分布于河谷底部，埋深大。据钻孔岩心及钻孔颗分试验，小于5mm约20.3%，基本由粗粒组成，结构密实，力学特性较好。

第③层：青灰色粉质土，系堰塞湖积(lQ33-1)，仅分布于河床左岸中部，呈透镜状展布，揭示厚度6.8m，顶面埋深60m，结构较密实，透水性弱。砾石占5.0%，砂47%，粉粒40.5%，粘粒7.5%，液限29.8%，塑限23.2%，塑性指数6.6%。

第④层：含块碎砾石土，系横向干沟冰水堆积(fglQ33-2)，分布于河床中上部，揭示厚度18.45m～53.88m，顶面埋深9.55m～51.18m。其间随机分布的含块碎砾石砂层(或中细砂层)呈透镜状展布，厚度十几厘米至一米左右不等，分布范围几米至十几米不等，细粒主要为粉粒及中细砂，粘粒比例较小（约占4.9%），小于5mm占61.5%.该层块石占13.7%，碎（卵）砾石占66.9%，砂占8.1%，粉粒7.5%，粘粒3.8%，有效粒径0.048mm，平均粒径36mm。

第⑤层：碎(卵)砾石砂层，系环河冲积和干沟冰水混合堆积(al+f gl Q33-3)。仅分布于河床左岸中上部。揭示厚度为4.74m～20.58m，顶面埋深8.20m～30.60m,碎砾石占72.84～81.03%，砂占12.75～20.83%，粉粒2.32～3.58%，粘粒2.49～3.10%，＜5mm占33.54～44.23%。

第⑥层：含块碎(卵)砾石土，系干沟洪积物(plQ41)，分布于河床左岸上部和右岸浅表，揭示厚度8.20m～30.60m，顶面埋深0～9.2m。偶有砂层透镜体，其性状与④层的透镜体类似，分布在不同的高程。以碎(卵)砾石为主，约占71.7%，块石占13%，粘粒含量占1.9%，粉粒占5.9%，小于5mm占18.6%，有效粒径2.3mm，平均粒径42mm。

第⑦层：灰色淤泥质壤土，系湖积(l Q42)，仅分布于河床左岸顶部，揭示厚度4.3m～15.6m，坝线附近横河方向宽160～240m，以细砂及粉粒为主，分别占38.62%、41.16%，粘粒占15.6%，孔隙比0.696～1.453，天然含水量36.6～43.8%，塑限26.35%，液限40.23%，塑性指数13.9%。

3 坝基砂层分布及地震液化判别

在川西地区，浅部饱和松散砂土层液化问题是覆盖层上建坝存在的一个重要的工程地质问题。对液化趋势和性质的判别，大多根据砂土层的天然结构、颗粒组成、松密程度、地震前和地震时的受力状态、边界条件和排水条件以及地震历史等因素，结合现场勘察和室内试验进行综合分析评价。该水电站坝址区覆盖层以漂卵砾石等粗粒土为主，但存在砂土层以及砂土透镜体;为确保工程安全，有必要对址区覆盖层浅部饱和松散砂土层透镜体进液化评价。

本工程坝基覆盖层中存在第③层堰塞湖积青灰色粉质土、第④、⑥层中随机分布透镜状的含块碎砾石砂层(或中细砂层)，以及第⑦层湖积灰色淤泥质壤土。按照现行规范《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2006）技术要求，依据砂层的颗粒组成、沉积年代、标贯击数等标准，分别对以上各层进行了砂( 土) 层液化判别。

3.1 砂土层液化初判

液化初判主要应用已有的勘察资料或较简单的测试手段对土层进行初步鉴定，以排除不会发生液化的土层。按照现行规范《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2006）技术要求，初判一般采用地层年代、粘土含量、剪切波速等来判断。

1）地层年代判断：地层年代为第四纪晚更新世Q3或以前可判为不液化。第③层堰塞湖积(lQ33-1) 青灰色粉质土分布于河床左岸中部，呈透镜状展布，厚度6.8m，顶面埋深60m，为Q3时期冰川冰水时期形成的覆盖层，可判断为不液化层，第④层为Q3时期横向干沟冰水堆积(fglQ33-2)，分布于河床中上部，厚度18.45m～53.88m，顶面埋深9.55m～51.18m，可判断为不液化层。

2）黏粒含量判别（该工程地震设防烈度七度）：土的粒径大于5mm，颗粒含量的质量百分比大于或等于70%时可判为不液化；粒径大于5mm，颗粒含量的质量百分率小于70%时，若无其它整体判别方法时，可按粒径小于5mm的这部分判定其液化性能。对粒径小于5mm，颗粒含量质量百分率大于30%的土，其中粒径小于0.005mm的颗粒，含量质量百分率相应于地震设防烈度七度、八度和九度，分别不小于16%、18%和20%时可判为不液化。

第③层粉粒40.5%，粘粒7.5%，即小于5mm的颗粒大于30%，小于0.005mm的黏粒含量小于16%，可判断为可能液化层；第④层块碎石土层，块石占13.7%，碎（卵）砾石占66.9%，即大于5mm颗粒大于70%，可判断为不液化层，但是其砾石砂层透镜体，小于5mm的颗粒占61.5%（大于30%），黏粒含量平均为4.9%（小于16%），该透镜体可能为液化层。同样第⑥层砂层透镜体可能为液化层；第⑦层淤泥质壤土，以细砂及粉粒为主，分别占38.62%、41.16%，即小于5mm的颗粒大于30%，粘粒占15.6%（小于16%），可判断为该层为可能液化层。

3.2 砂层液化复判

初判为可能液化的土层需进行复判，按照现行规范复判，采用相对密度复判法、相对含水量或液性指数法。

1）相对密度复判法

当饱和无黏性土（包括砂和粒径大于2mm的砾砂）的相对密度不大于表1中的液化临界相对密度时，可判断为液化土。根据表2中第⑥层中砂层透镜体相对密度试验，其相对密度为80%，大于7度地震设防烈度液化相对密度70%，可判断为非液化土。

表1 饱和无黏性土的液化临界相对密度(%)

2）相对含水量或液性指数复判法

当饱和少粘性土的相对含水量大于或等于0.9时，或液性指数大于或等于0.75时可判为可能液化土相对含水量按下式计算:

式中WU—相对含水量(%)WS—少粘性土的饱和含水量(%)WL—少粘性土的液限含水量(%)

液性指数应按下式计算:

式中IL—液性指数

Wp—少粘性土的塑限含水量(%)

根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB50287-2006）附录M条文说明，少黏性土黏粒含量ρc(%)大于3，但不大于25，塑性指数IP大于3，但不大于15.第⑦层泥质壤土，塑性指数13.9%，粘粒占15.6%，属于饱和少黏性土，其相对含水量为0.91～1.09，液性指数0.74～1.26，平均为1，判断第⑦层为可能液化土。

综上所述，砂土层初判和复判（表3）表明，第③、④、⑥中虽然存在沙土，但是其液化的可能性较小，第⑦层液化的可能性比较大。

4 液化处理措施

根据液化判断，第③、④、⑥中虽然存在沙土，但是其液化的可能性较小，第⑦层液化的可能性比较大。因此，只需第⑦层进行处理。针对第⑦层淤泥质壤土层的特性，可采用加固和全部挖除两种处理方案。

采用全部挖除方案，并填筑人工开采堆石料，技术上是稳妥可靠的。由于淤泥质壤土开挖及开挖后的堆放都有一定难度，而且堆放后可能造成水土流失，污染河道，对环保、水保不利。因此，建议重点研究坝基不挖除淤泥质壤土，采取工程加固处理措施技术。

表2 砂样相对密度试验表

表3 坝基砂类土体地震液化（经验）判别表

在对已建成运行的在淤泥质壤土上建堆石坝的云南雾坪水库进行了考察，收集相关资料的基础上，设计上最终采用振冲碎石桩加固处理坝基淤泥质壤土。并对第⑦层淤泥质壤土进行了现场振冲试验，并对复合地基进行了各项指标检测。根据试验检测结果，经计算分析认为：对第⑦层淤泥质壤土进行振冲加固处理后，能够满足建堆石坝的要求。

5 结论

该水电站河谷覆盖层深厚，结构层次复杂，坝基深厚覆盖层中存在第③层青灰色粉质土、第④、⑥层随机分布的透镜体状含块碎砾石砂层(或中细砂层)以及第⑦层灰色淤泥质壤土。采取多种方法对砂土层的液化情况进行初判和复判，最终确定只需处理第⑦层灰色淤泥质壤土，并提出了全部挖出和加固处理两种方案。在综合考虑技术、经济、环保的基础上建议采用振冲碎石桩加固处理的技术方案，通过现场试验和计算验证，该方案能满足建坝要求。

[1]GB 50287-2006[S]. 水力发电工程地质勘察规范.

[2]黎昌有, 邓卫东, 冯建明. 狮子坪水电站坝基砂层液化判别分析[J]. 四川水力发电, 2010. 29(4): 12-13.