莫桑比克昌巴水电站坝基砂层液化判别分析

胡 亚 东

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概述

砂土液化是指饱水的松散砂土在地震或机械振动荷载作用下，由于孔隙水压力升高和有效应力降低，由固态向液态转化的现象。当这种转化产生工程上不能容许的变形时，称为液化破坏。砂土液化的形成条件包括内外两方面因素，外部因素为地震，主要有场地烈度、持续时间和振动频率等；内部因素主要为砂土自身特性、埋藏条件和形成时代等。

根据国内外已有砂土液化资料记载，地震液化多发生在场地烈度8度及以上地区，但也有在6度地区发生轻微液化现象的记载。液化主要发生在开阔平坦的平原地区。液化土层主要为全新世的饱和砂土和粉土，还未见Q3及Q3以前年代的土层发生砂土液化的记载，如1966年3月邢台7.2级地震、1975年2月海城7.3级地震和1976年7月唐山7.8级地震，地震震中烈度达9度及以上，均未见Q3及Q3以前年代的土层发生砂土液化。液化土层埋深多在10 m以内，最大深度未超过20 m。砂土液化与平均粒径密切相关，平均粒径0.02 mm～1 mm的砂土容易液化，尤其是平均粒径在0.07 mm左右的粉细砂最易液化。

因此，砂土液化除了场地高烈度条件外，砂土自身的密实性、围压条件、排水条件等是决定砂土是否液化的主要因素。时代越老、埋藏越深，砂土就越密实，液化可能性就越小。通常通过增加围压提高土体密实性和改善排水条件是治理砂土液化的有效措施。

莫桑比克昌巴水电站位于赞比西河下游河段，为河床式电站，工程枢纽主要由左岸挡水坝+河床式厂房+泄洪建筑物+右岸挡水坝等建筑物组成。大坝轴线按直线布置，总长约9 000 m，最大坝高25 m。大坝坝基为中细砂，厚度15 m～20 m，下伏含砾砂岩。

2 液化判别

莫桑比克昌巴水电站坝址距东非大裂谷西支约40 km，大坝及泄洪消能等建筑物按照8度地震设防，地震峰值加速度取2.0 m/s2。地基主要由中细砂组成，且分布连续，厚度15 m～20 m，具有可能会产生地震液化的特征条件，所以需要对该中细砂层进行地震液化综合判别。

我国的GB 50287水力发电工程地质勘察规范中关于砂土的地震液化判别主要为基于国内工程经验总结，将土的地震液化判别分为初判和复判两个阶段，其中初判用来排除非液化的土层，对初判为可能液化的土层再进行复判。考虑到本项目为国际工程，国内的工程经验存在是否适合的问题，因此本工程同时采用了剪切波法和国际工程常用的美国NCEER判别法进行综合性的判别。

2.1 剪切波法地震液化判别

根据GB 50287水力发电工程地质勘察规范附录Q的规定，对土层进行剪切波实测Vs，并与计算的上限剪切速度Vst进行比较。如果Vs>Vst，可初步判断该土层为不液化土层。如果Vs≤Vst，则初步判断为可能液化土层，需要进行进一步的复判。上限剪切波深度计算公式如下：

Vst=291(KHZγd)1/2。

其中，Vst为上限剪切波速度,m/s；KH为地面水平地震峰值加速度系数，为水平地震动峰值加速度与动力加速度g之比；Z为土层深度，m；γd为深度折减系数，当土层深度Z=0 m～10 m时，深度折减系数为1Z～0.01Z，当土层深度Z=10 m～20 m时，深度折减系数为1Z～0.01Z，当土层深度Z=20 m～30 m时，深度折减系数为0.9Z～0.01Z。

在坝址区ZK201,ZK204和ZK217三个钻孔内进行了剪切波测试，对于同一深度的剪切波波速采取了平均值。判别成果见表1，图1，可以看出砂层在8度地震烈度条件下的实测剪切波速度(Vs)均小于上限剪切波速度(Vst)，故初步判定坝基砂层为可能液化土层。

表1 剪切波速法判别砂土液化成果表

2.2 美国NCEER简易判别法

美国NCEER简易判别法是一种简化的方法，用来判别砂性土是否产生地震液化。如果饱和砂土的抗液化安全系数Fs>1.0，即饱和砂土的抗液化强度(CRR)大于地震引起的等效循环应力比(CSR)，则判别该饱和砂土为不液化土层；反之，如果饱和砂土的抗液化安全系数Fs<1.0，则判别该饱和砂土为可液化土层。地震引起的等效循环应力比(CSR)计算公式如下：

其中,amax为2500年一遇的地震加速度，本工程取0.40g；Mw为矩震级，本工程按8.0级考虑，对应查表2，MSF取值0.84。

表2 震级标定系数值

其中，z为砂土埋深。

考虑到细粒含量会影响到抗液化强度，所以对含细粒砂土的N1值进行修正，修正公式如下：

N1,CS=α+βN1。

对实测标准贯入锤击数N进行修正，修正标准贯入锤击数N1根据下式进行换算：

N1=CNN。

计算结果见表3，坝基砂层的抗液化安全系数Fs=0.33～0.81，均小于1.0，故判别为可液化土层，表明坝基砂层发生液化的可能性较大，需进行相应的砂土液化处理。

表3 莫桑比克昌巴水电站坝基砂层砂土液化判别成果表

3 判别结果及应用

对于本工程坝基砂层液化判别同时采用了剪切波判别法和美国学者Seed提出的NCEER判别法，两种方法均表明砂层为可能液化土层。因此需根据该层土体的可能液化特征，采取必要的可靠处理措施。

国外针对场地抗液化处理措施主要为挤密砂桩、碎石桩及强夯等方法，且在场地地震烈度为8度时，经处理后场地抗液化处理是可靠的。根据NB 35047水电工程水工建筑物抗震设计规范的第4.2.7款规定，对于地基中的可能会产生液化的土层，可以选择采用的抗震措施有：1)将液化土层挖除并用非液化土置换；2)采用人工加密方法如振冲加密、强夯击实等；3)进行压重和排水；4)采用振冲挤密碎石桩等复合地基或采用桩基，其桩体需穿过液化土层进入非液化土层；5)围封可液化地基，如采用混凝土连续墙等方法。从已建的工程实例资料分析，振冲法是目前抗液化处理应用最多的措施，且施工快、效果好。因此，本工程选用振冲法作为砂层抗液化处理方案。

根据本工程的实际特点和砂层的可能液化特征，对于大坝基础砂层，主要采用振冲挤密砂桩，采用100 kW的振冲器成桩，桩径初拟为1.0 m，间排距取为3 m，梅花形布置。

4 结语

1)本文主要采用了剪切波法和NCEER判别法进行液化判别，两种方法都判定坝基砂层为可能液化土层。根据液化判别结果和砂层的可能液化特征，同时根据国内外对液化处理方案的分析，选择了振冲法的方案进行液化处理。

2)采取GB 50287水力发电工程地质勘察规范附录Q中的剪切波判别法进行地震液化判别时，需要获取剪切波波速。采用国外标准如美国NCEER判别法，需要获取标贯击数资料、动峰值加速度、地震参数以及粘粒含量等。

3)相比标贯击数，剪切波波速具有更明确的力学意义，但剪切波波速判别法仅考虑了动峰值加速度和砂土埋藏深度，目前主要用来进行砂土液化的初步判断，以提前排除非液化土层；对于易液化土层，需要进一步采取包括NCEER判别法在内的方法进行综合性的评判。