坝基覆盖层土体地震液化评价与工程措施

2018-02-22王富强张建民

水力发电 2018年11期

王富强，张建民

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.清华大学土木水利学院，北京 100084)

0 引言

随着我国水能资源开发的不断深入，水电工程建设面临着越来越复杂的建坝条件，深厚覆盖层地基上建坝即是水电工程技术难题之一。我国已在覆盖层上修建了一批土心墙堆石坝、沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝、混凝土闸坝等。小浪底(坝高160 m，覆盖层最大厚度约70 m)、瀑布沟(坝高186 m，覆盖层最大厚度77.9 m)、毛尔盖(坝高147 m，覆盖层最大厚度约50 m)和长河坝(坝高240 m，覆盖层最大厚度约50 m)等高土心墙堆石坝，以及察汗乌苏(坝高110 m，覆盖层最大厚度40 m)和九甸峡(坝高136.5 m，覆盖层最大厚度65 m)等高混凝土面板堆石坝工程的成功建设，表明我国在覆盖层上建坝方面已取得了显著成绩，积累了丰富经验。随着水电开发重点进一步向我国西南和西藏地区转移，强震区超深厚覆盖层上筑坝出现了新的技术挑战，例如西藏某高坝工程的初选坝址处覆盖层深度超过500 m、地震设防烈度达到9度，工程设计和建设存在很大难度。

已有工程经验表明，坝基覆盖层土体多具有结构松散、岩性不连续、成因复杂、物理力学性质不均匀等特点。其中，透水层和不透水层通常相间分布，甚至出现较大体积的富含砂或粉细砂的透镜体。一般认为，饱和无粘性土属于可液化土，如饱和砂土或粉土等，饱和砂土地震液化方面也取得了一系列研究成果[1]。当然，也有文献报道了砂砾土液化现象[2]。在地震的作用下，覆盖层中富含砂土层或砂性透镜体中孔隙水压力会上升，甚至出现地震液化现象，从而产生强度弱化和较大的震动变形，对坝体产生不利影响。

针对强震区覆盖层上建坝，工程师主要关心3个问题：①坝基覆盖层是否会发生地震液化，即液化判别的问题；②如果覆盖层中地层或透镜体发生了地震液化，其稳定性和震动变形会对大坝会产生何种影响，即坝基覆盖层液化是否致灾；③针对覆盖层液化问题，如何采取经济且有效的工程措施。因此，本文针对坝基覆盖层地震液化问题，对液化判别方法进行了梳理，对坝基覆盖层液化对稳定性和变形影响进行了分析，并论述了坝基覆盖层地震液化的处理措施。

1 坝基覆盖层土体液化的判别方法

控制坝基覆盖层土体地震液化的因素可归结为动力条件(地震烈度和持续时间等)和土性条件(成分、密度和有效固结压力等)。液化判别即是比较动力作用与覆盖层土体极限抵抗能力的相对大小，当动力作用强度大于土体极限抵抗能力时，就可能发生液化，反之则不会。实际应用中，液化判别方法较多，如经验方法、临界孔隙比法、振动稳定密度法、标准贯入锤击数法、剪应力法、剪应变法、能量法等。标准贯入锤击数法和剪应力法在水电工程实践中应用最广泛，其中标准贯入锤击数法已被我国建筑抗震设计规范[3]、水力发电工程地质勘查规范[4]等国家标准所采用。

1.1 经验方法

常用的经验方法包括根据覆盖层土体所处的地质年代、粒径级配、相对密度以及含水率情况进行判别，还可根据土体的剪切波速等进行判别。经验方法多用于土体液化的初判[4]，其可靠性主要依赖于震害资料累积和统计分析等，有时还需要综合考虑覆盖层土体的埋深，即周围压力的影响。

1.2 标准贯入锤击数法

该方法利用饱和土体的标准贯入锤击数N63.5与液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr的大小关系进行液化判别。当N63.5

1.3 剪应力法

该方法由Seed和Idriss[5]提出的简化方法发展而来，以地震在土层中引起的动剪应力比(CSR)来表征动力作用的大小，以一定振次下达到液化时所需的动剪应力比(CRR)来表征土抵抗液化的能力。地震在土层中引起的动剪应力可由动力反应计算分析得到，也可采用文献[5]中的简化公式计算，即

式中，amax为地表峰值水平加速度；g为重力加速度；τav为地震产生的平均循环剪应力；σv0和σv0′分别为计算点的竖向总应力和有效应力；rd为应力折减系数，其取值可参照美国国家地震委员会的建议。抗液化剪应力比CRR可采用室内试验和震害调查确定，室内试验由于原位试样取样难度和代价较大应用较少，震害调查则应用相对较多。

1.4 液化判别方法的发展

上述液化判别方法更注重对天然地基土体的液化判别，对于上部结构物的影响考虑较少。然而，对于大坝而言，坝基中的应力条件与天然地基有明显差别，其液化可能性也会有较大差别，因此门禄福等[6]曾提出一个用总应力法分析建筑物地基液化的简化方法。对于坝基覆盖层中可液化土体，除采用相关规范规定的方法进行液化判别外，宜采用数值计算或震动试验进行研究，数值计算可结合剪应力法进行液化判别，也可基于有效应力法计算。

2 坝基覆盖层土体液化的影响

已有震害调查发现，地震液化导致的破坏大致可以分为两种类型：一种是流滑破坏，指的是在小于或等于静剪切力的作用下，土体产生持续变形的现象；另一种是变形破坏，指的是在震动过程中或震动后产生了不可接受的较大永久变形。因此，地震液化影响主要包括2个方面：①液化稳定问题，即液化对坝基和坝体稳定性的影响，核心是评价地震作用时和作用后的土体强度；②液化变形问题，核心在于评价土体的动力变形特性。

2.1 液化稳定

图1为不排水条件下土体应力应变曲线的两种类型，图1a、1b为单调剪切作用，图1c、1d则为循环剪切作用。其中，第1类土密实度较低，为剪缩性土，当震动强度一旦超过其峰值强度，则土体发生渐进性破坏，孔压持续上升，抗剪强度持续减小以致达到残余强度Sus，残余强度小于静剪切力时则出现流滑。第2类土密实度相对较高，为剪胀性土，随着剪切变形的发展，其强度逐渐增加，在不排水条件下一般不会出现流滑现象。

图1 不排水剪切条件下土体应力应变关系的两种类型

对于第1类土，稳定分析中的液化土层宜采用不排水残余强度Sus。对于第2类土，地震作用下一般表现为孔隙水压力增大和有效应力的降低，出现地震液化或弱化现象，随着剪切变形的发展，该类土会出现剪胀和剪切吸水现象[7]。因此，第2类土在稳定分析中应考虑孔隙水转移对强度和变形的影响，对其不排水强度进行一定程度的降低。

2.2 液化变形

数值分析方法是评价坝基震动变形的有效手段，用于地震液化分析的数值方法主要是动力反应分析方法。根据所采用的本构模型，动力反应分析可分为等效线性分析和非线性分析。等效线性分析将土视为粘弹性体，仅适用于小变形、非线性和超静孔压不显著的情况，在模拟地震液化及液化后大变形方面存在局限。

非线性分析根据本构模型不同可分为直接非线性分析和弹塑性分析，根据超静孔隙水压力的考虑方式不同，又可分为总应力分析、拟有效应力分析和动力固结分析。总应力分析不考虑振动过程中孔隙水压力的增长、扩散和消散过程及其对土的动应力应变特性的影响，无法模拟地震液化及液化后大变形现象。拟有效应力分析则在等效线性动力反应分析基础上，将不排水条件下的动荷载作用的孔压发展模式与固结理论耦合，固结分析与动力反应分析交替进行、相互分离。

在基于Biot动力固结方程的动力固结分析中，孔隙水压力的产生、消散和扩散与土体应力变形是完全耦合的，可以模拟实际的地震中土体变形与孔压发展及消散情况，其模拟能力主要取决于本构模型的有效性。文献[1]介绍了一种砂土震动液化大变形本构模型与相应算法。

2.3 覆盖层土体内部孔隙水转移的影响

已有震害调查分析表明，地基或者构筑物发生的流滑破坏，有时并不是发生在地震过程中，而是发生在地震结束后的某一时段。例如，1971年美国圣菲尔南多地震中，圣菲尔南多坝的上游坝坡的流滑破坏大约发生在震动停止后约半分钟[8]；1964年日本新泻地震中由于地基土体的侧向流动在震动后持续发展，Showa桥在震后约1 min发生了桥面垮塌[9]；1975年我国海城地震主震过后约数十分钟，石门岭土坝上游坡体才发生滑坡[10]。上述震害的共同特点是流滑破坏均发生在地震结束后的某一时段，震动引起的超孔隙水压力的消散、扩散和转移是延迟破坏的影响因素。

目前，一般采用不排水条件的剪切试验评价地震液化中的土体状态，这可能高估了土体强度同时低估了变形，在实际工程中由于部分排水引起的小范围的体积膨胀也会使常规评价方法得到的结果偏于危险。坝基覆盖层中常常呈现透水层和不透水层相间分布，土体的排渗条件对其是否液化及震后变形有很大影响。如图2a为成层地基中地震作用下孔隙水转移的情形，由于上覆粉土层渗透性相对很低，中间砂层可认为处于整体不排水条件，而在地震动过程中和结束后的一段时间内由于存在孔压梯度，孔隙水发生渗流，下部砂层(单元A)就会向上部砂层(单元B)渗流。那么，对于土单元A而言，其边界条件就为部分排水，而土单元B则处于孔隙水流入的边界条件或者称为吸水条件。图2b为该现象的极端情况，在一维管振动试验中的砂层和粉土层之间出现“水膜”现象[11]。孔隙水转移甚至水膜现象的出现，对成层地基的稳定性和变形非常不利，因此，在液化稳定和变形分析中考虑孔隙水转移是非常必要的。

图2 地震作用下覆盖层土体中孔隙水转移现象

因此，只有在充分认识土体液化的物理机制基础上，采用可以统一描述饱和砂土初始液化前后应力应变响应的弹塑性循环本构模型及相应算法，并基于三维化和高效的计算模型，才能真正模拟覆盖层土体的地震液化现象、准确评价液化对坝体和坝基稳定和变形的影响，进而可论证工程措施的有效性。

3 坝基覆盖层土体液化的工程对策

对于判别为可能液化的坝基覆盖层土体，一般可采取挖除、置换、加密、压重、封闭等方法。对于重要工程，宜优先采用挖除或置换处理，当液化土层埋深较深、挖除困难或不经济时可考虑加密等其他措施。加密措施包括振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等，由于土体加密以及局部碎石桩形成竖向排水通道等作用，可有效提高基础承载力和砂层抗液化能力，降低液化影响。上、下游压重也是处理坝基覆盖层土体液化的常用措施，一方面增加压重可以增强坝基土体的抗液化能力，另一方面也可增加坝体和坝基整体抗滑稳定性。

我国在水电工程建设中积累了处理液化土层的丰富经验。长河坝砾石土心墙堆石坝坝基埋深4～30 m范围内存在厚0.75～12.5 m的可液化砂层，经研究采取了全部挖除方案；狮子坪碎石土心墙堆石坝对心墙及下游堆石区基础中的含碎砾石粉砂层进行了8～15 m深的振冲处理；龙头石心墙坝针对坝基砂层采取了振冲碎石桩处理；黄金坪沥青混凝土心墙堆石坝对坝基可液化砂层采取了基本挖除并设置下游压重。硬梁包大坝分为闸坝和面板堆石坝两部分，针对坝基覆盖层中的可液化砂层，闸坝坝基拟采用振冲碎石桩、混凝土连接坝基础采用地下连续墙方案，面板堆石坝拟采用振冲碎石桩与压重结合的处理方案。对于混凝土坝，有时还可采用穿过液化土层的桩基，以降低液化对上部结构的影响。