浅谈新疆开都河博湖县城区段应急防洪工程砂土液化问题

买买提·色买提, 祖木来提·沙吾提

(巴州水利水电勘测设计院,新疆 库尔勒 841000)

浅谈新疆开都河博湖县城区段应急防洪工程砂土液化问题

买买提·色买提, 祖木来提·沙吾提

(巴州水利水电勘测设计院,新疆 库尔勒 841000)

新疆开都河博湖县城区段应急防洪工程主要分布有第四系粉砂、细砂、中砂等易发生地震液化的土层,有的已产生破坏,对拟建的堤防具有较大的潜在威胁,影响堤防的正常生产运行。通过查明液化土层的分布、深度、液化等级,对堤防地基土的液化土层进行抗液化处理,避免地基土不均匀沉陷和开裂对堤防地基造成破坏,以期从根本上解决堤防地基的液化破坏,保证堤防的正常运行。

砂土液化;标准贯入;液化性指数

1 概述

工程区位于开都河下游的冲积平原区与湖滨沼泽湿地区的过渡带上,地形平坦开阔,开都河自西向东最终流入博斯腾湖。区内分布有第四系冲积(Q4al)粘性土、粉土、粉细砂、中粗砂层,沼泽堆积(Q4f)的淤泥及盐类物质等易发生地震液化的土层,对堤防具有较大的潜在威胁。为确保工程运行安全,这就要求必须对拟建堤防下伏粉细砂、中粗砂层进行液化判别分析,并提出可行的处理方案。通过对博湖县城区段应急防洪工程地基砂土的勘察,查明可能液化土层的分布规律,划分液化土层、液化等级并提出处理方案建议。

2 自然地理条件

工程区地处欧亚大陆腹地,在焉耆盆地的中部,具有内陆盆地的一般特点,属中温带大陆性气候。根据博湖县气象站资料,多年平均气温7.9℃,最热月(7月)平均气温22.8℃,最冷月(1月)平均气温-12.7℃,绝对最高气温38.0℃,绝对最低气温-35.0℃,年平均降水量为64.5 mm,年平均蒸发量为1 881 mm;年平均风速为2.3 m/s,最多风向为偏西北,最大风速20 m/s,多出现于4—8月,无霜期平均178 d,最大冻土深度109 cm。

3 区域地质概况

3.1 地形、地貌

工程区位于开都河下游的冲积平原区与湖滨沼泽湿地区的过渡带上,地形平坦开阔,开都河自西向东最终流入博斯腾湖。纵观工程区外围地形,其北面40 km以外为近东西向延伸的天山山脉,西侧约100 km为霍拉山,南面约40 km为库鲁克塔格山,东面为平坦开阔的湖积和冲积平原。工程区内,地形总趋势是北高南低,地形起伏不大,纵坡较小,海拔高程一般为1 045～1 060 m。工程区主要地貌单元有冲积平原区和湖滨沼泽湿地区。冲积平原区:位于开都河的下游,地势平缓,高程一般1 050～1 070 m,沉积物质变细,地下径流更替速度减弱,土壤盐渍化相对较重。湖滨沼泽湿地区:分布于博斯腾湖边缘地带,多生长芦苇等喜水植被,高程一般1 045～1 050 m,是博斯腾凹陷的低洼区,也是区域地表水与地下水的汇集区。地下水矿化度较高,土壤积盐重,沼泽分布普遍。

3.2 地层岩性

工程区位于开都河下游的冲积平原区与湖滨沼泽湿地区的过渡带内,出露地层主要为第四系全新统地层(Q4)。工程区内主要有:冲积(Q4al)粘性土、粉土、粉细砂、中粗砂层,沼泽堆积(Q4f)的淤泥及盐类物质等。

3.3 水文地质条件

工程区地处焉耆盆地,属开都河流域范围内。开都河流域焉耆盆地内有大小十余条雨雪混合补给的山溪性河沟均汇流开都河或博斯腾湖,主要有开都河、黄水沟等,诸河多年平均径流总量为39.3亿m3(大山口站、黄水沟站)。开都河是焉耆盆地内最大的河流,河道全长560 km,其中平原区河段长126 km,多年平均径流量35.18亿m3(开都河大山口水文站)。开都河在出山口处的水质矿化度平均为0.225 g/L,开都河末端入湖口处的矿化度增加至0.999 g/L。博斯腾湖作为焉耆盆地地表水与地下水的承泄区,地表水水质矿化度为1 g/L左右。

3.4 地质构造及区域稳定性

工程区位于焉耆盆地中部,焉耆盆地在大地构造单元上被称为“博斯腾山间凹陷”,它的发育继承了南天山向斜褶皱带在海西晚期凹陷的位置,经阿尔卑斯运动,形成阶梯状凹陷基底,凹陷基底主要为晚古生代地层,山前带和凹陷内部深大断裂的存在,控制和影响着盆地的演变。通过区域地质调查和工程地质测绘,距离工程区较近的断层焉耆断裂和博东断裂均为隐伏断裂,埋藏较深,且在工程区8.0 km范围内未见错断第四纪地层,对本次工程影响较小。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015),工程区50年超越概率为10%的地震动峰值加速度为0.20g,地震动反应谱特征周期0.40 s,相应的地震烈度为Ⅷ度。

4 堤防地基土地震液化性评价

4.1 堤防地基土地震液化可能性的判别

堤防地基土根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)及《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010),须考虑地面以下15 m以内的饱和砂或饱和少粘性土的地震液化问题。

4.1.1 地震液化的初判

堤防地基土在勘探深度15 m范围内可分为三大层,其中①层、③层主要为粉质粘土,②层主要为粉细砂层。依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008),对它们的地震液化判定如下:

(1) 按地层颗粒组成判别:对粒径<5 mm颗粒含量质量百分率>30%的土,其中粒径<0.005 mm的颗粒含量质量百分率(ρc)相应于地震动峰值加速度为0.20g≥18%时,可判为不液化[1]。根据颗分资料得出①层、③层粉质粘土中<0.005 mm的颗粒质量百分率在18.6%～38.1%,由于该层<0.005 mm的颗粒含量质量百分率≥18%,据此①层、③层粉质粘土可判为不液化;②层粉细砂中<0.005 mm的颗粒含量质量百分率在0～15.1%,由于该层<0.005 mm的颗粒含量质量百分率<18%,据此判定存在液化的可能性。

(2) 根据地层年代和土的状态判别:在勘探揭露的15 m深度范围内,堤线地基土地层岩性为第四系全新统冲洪积层,工程运行时均处于设计水位以下(饱和土),据此判断该层存在液化的可能性。

4.1.2 地震液化的复判

(1) 按标准贯入试验判别:用取样器在钻孔中所取砂样都有一定的压密作用,它的相对密度试验值不能反映砂层的真实情况,下面依据标准贯入试验的击数对堤线区0～15 m的砂层进行地震液化复判。堤线区ZK01、 ZK02、ZK03钻孔的标贯击数见表1。

式中:Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值;N0为液化判别标准贯入锤击数基准值,地震动峰值加速度为0.20g近震取10;N63.5为实测标准贯入锤击数;dw为工程正常运行时,地下水位在当时地面以下的深度(m);ds为工程正常运行时,标准贯入点在当时地面以下深度(m),当标准贯入点在地面以下5 m以内深度时,应采用5 m计算;ρc为土的粘粒含量质量百分率,取3%。

根据上式对堤线区饱和砂层的液化临界锤击数(Ncr)进行计算,由表1可以得出,堤线区②层粉细砂层除中间少量中密砂层不液化外,其余部分全部液化。

(2) 按静力触探试验判别:根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)中条文说明:当实测计算比贯入阻力ps小于比贯入阻力临界值pscr时,应判为液化土[2]。

pscr=pso×aw×au×ap

aw=1-0.065(dw-2)

au=1-0.05(du-2)

表1 堤线区标准贯入试验液化判别表

式中:pscr为饱和土比贯入阻力临界值;pso为地下水深度dw=2 m,上覆非液化土层厚度du=2 m时,饱和土液化判别比贯入阻力基准值,可按表2取值;aw为地下水埋深修正系数,地面常年有水且与地下水有水力联系时,取1.13;au为上覆非液化土层厚度修正系数,对深基础,取1.0;dw为地下水位深度(m);du为上覆非液化土层厚度(m),计算时应将淤泥和淤泥质土层厚度扣除;ap为与静力触探摩阻比有关的土性修正系数,可按表3取值。

表2 比贯入阻力基准值pso

表3 土性修正系数ap值

表4 堤线区静力触探试验液化判别表

通过表4得出,②层粉细砂层除中间少量中密砂层不液化外,其余部分全部液化。

综合以上初判和复判成果,判定堤线区②层粉细砂层全部液化。

4.2 堤线区液化等级判定

郑渊洁是杨鹏的偶像，杨鹏从小学二年级开始读郑渊洁童话，他对皮皮鲁近乎痴迷。杨鹏曾在多个场合谈论起自己的成长经历：“小学二年级，第一次读到郑渊洁老师的《脏话收购站》，我就认定写作是我未来一定要走的路。”

表5 液化性指数及液化等级判定表

4.3 综合评价

工程区位于开都河下游的冲积平原区与湖滨沼泽湿地区的过渡带上,地下水位较高,一般为地面下0.5～2.0 m,堤线区地基土,属软弱土—中软土;拟建堤防工程为甲类建筑;液化等级属轻中等—严重。综合考虑,堤防区砂土液化对堤防地基危害性较大,可造成不均匀沉陷和开裂,须对建筑地基及上部结构采取抗液化措施。

4.4 抗液化措施及建议

针对工程区已揭露的粉细砂层存在液化性的问题,需对工程区内拟建堤防地基进行抗液化处理,避免土层液化对堤防地基造成的破坏,确保开都河博湖县城区段应急防洪工程稳定运行。堤防区地下水位较高,地基土容易发生流砂现象,因此堤防地基处理时考虑基坑排水难度及节约工程投资前提下比较抗液化处理的方案:

(1) 对堤防地基进行液化加固处理,采用挤密碎石桩方法加固液化土层。该方案可不考虑基坑排水问题和流砂现象,但投资相对较大。

(2) 采用水泥土桩格栅加固液化土层,水泥土桩格栅应穿过液化层,格栅净间距应≥0.8倍液化层厚度。该方案需考虑基坑排水问题和流砂现象,且投资和施工难度相对较大。

(3) 采用沉井进行抗液化处理。沉井是以现场浇筑、挖土下沉方式没入地基中的基础形式,尤其适合软土地基[4]。该方案可不考虑基坑排水问题和流砂现象,且投资较省。

综上所述,鉴于沉井进行抗液化处理,投资较省,且施工方便,建议采用方案(3)。该堤防设计采用沉井基础处理方案效果良好,运行五年后堤防地基没有发现沉陷和开裂,工程运行稳定。

5 结论

(1) 工程区位于开都河下游的冲积平原区与湖滨沼泽湿地区的过渡带上,地下水位较高,下伏砂土处于饱和状态,砂土液化对工程区内已有水工建筑物造成较大破坏,需对地基土的液化问题进行处理。

(2) 工程区内粉砂和细砂液化土层分布广泛,砂土液化对工程区内的水工建筑物正常使用具有潜在危害。

(3) 建议对工程堤防地基进行液化加固处理时优先考虑沉井处理方案加固液化土层,同时对堤防上部结构采取抗液化措施。

(4) 由于勘察手段的局限和勘探点数量有限,仅对开都河博湖县城区段应急防洪工程地基土进行液化判别分析,对整个工程区内液化土层的分布、深度范围、液化等级、液化机理及处理方案还须进一步研究。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.水利水电工程地质勘察规范:GB50487—2008[S].北京:中国计划出版社,2009.

[2] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范:GB50021—2001[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:GB50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4] 顾晓鲁.地基与基础[M].第三版.北京:中国建筑工业出版社,2003.

(责任编辑：陈姣霞)

Preliminary Discussion on Sand Liquefaction of Flood Control EmergencyProject of Kaidu River in Bohu County,Xinjiang Province

MAIMAITI Semaiti, ZUMULAITI Shawuti

(BazhouInstituteofWaterConservancy&Hydropower,Korla,Xinjiang841000)

Flood control emergency project of Kaidu River in Bohu county is mainly distributed quaternary silt,fine sand,medium sand,and some have been damaged. It has a great potential threat to the proposed embankment,which affects the normal production and operation of the embankment.This paper attempts by identifying distribution,depth and liquefaction grade of liquified soil,avoid soil foundation uneven settlement and cracking damage of levee foundation,fundamentally solve the levee foundation liquefaction failure,ensure normal operation of embankment.

sand liquefaction; standard penetration; liquefaction index

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

买买提·色买提(1980-),男,工程师,农业水利工程专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:28848851@qq.com

TV87; P64

A

1671-1211(2016)03-0510-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.060

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.026.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31