新泰市田村水库坝基砂液化的判别与预防措施

曹仁斌

1 概述

田村水库位于新泰市禹村镇田村南，柴汶河支流禹村河上游，水库于1979年5月建成，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、养殖等综合利用的中型水库，水库总库容1084万m3，兴利库容640万m3，兴利水位182.74m，死库容60万m3，死水位174.80m。水库流域面积15.0km2，主河道长度6.6km，河道干流平均坡降9%。

田村水库库区地震基本烈度为VII度，地震动峰值加速度0.10g，需判定坝基砂是否存在液化的可能。

2 砂土液化机理与影响因素

松散的砂土受到震动时有变得更紧密的趋势，但饱和砂土的孔隙全部为水充填，因此，这种趋于紧密的作用将导致孔隙水压力的骤然上升，而在地震过程的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就使原来由砂粒通过其接触点所传递的压力（有效压力）减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样的状态，即通常所说的砂土液化现象。砂土液化表示在静压力或周期应力作用上产生并保持很高的孔隙水压力，使有效压力降低到很小的数值，导致砂土在很低的，不变的残余强度或没有残余强度的情况上发生连续的变形。砂土液化是一种相当复杂的现象，它的产生、发展和消散主要由土的物理性质、受力状态和边界条件所制约。存在着许多影响因素，例如土的颗粒特征、相对密度、埋藏条件和动荷条件等。

（1）颗粒特征:颗粒愈细愈容易液化，平均粒径d50在0.1mm左右的抗液化性最差。不均匀系数愈小，抗液化愈差，黏性土含量愈高，愈不容易液化。

（2）相对密度:密度愈高，液化可能性愈小。

（3）埋藏条件:上覆土层愈厚，土的上覆有效压力愈大；排水条件良好，就愈不易液化。

（4）动荷条件:地震烈度高，地面加速度大，震动时间长，就愈液化。

3 田村水库坝基砂液化判别

田村水库库区地震基本烈度为VII度，地震动峰值加速度0.10g，需判定坝基砂是否存在液化的可能。土的地震液化判别工作可分为初判和复判两个阶段，初判应排除不会发生液化的土层，对初判可能发生液化的土层，应进行复判。

3.1 初判标准

（1）地层年代为第四纪晚更新世Q3或以前的土，可判为不液化。

（2）土的粒径小于5mm颗粒含量的质量百分率小于或等于30%时，可判为不液化。

（3）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（ρc）相应于地震动峰值加速度为0.10g不小于16%时，可判为不液化。

（4）工程正常运用后，地上水位以上的非饱和土，可判为不液化。

3.2 复判标准

（1）标准贯入锤击数法

根据标准贯入锤击数法，工程运用时，标准贯入点在当时地面以上深度处的标准贯入击数（N）小于液化判别标准贯入锤击数临界值（Ncr），即可判为液化土。当标准贯入试验贯入点深度和地上水位在试验地面以上的深度，不同于工程正常运用时，实测标准贯入锤击数应按上式进行校正，并应以校正后的标准贯入锤击数作为复判依据。

式中:N′-实测标准贯入锤击数；ds-工程正常运用时，标准贯入点在当时地面以上的深度（m）；dw-工程正常运用时，地上水位在当时地面以上的深度（m），当地面淹没于水面以上时，dw取0；ds′-标准贯入试验时，标准贯入点在当时地面以上的深度（m）；dw′-标准贯入试验时，地上水位在当时地面以上的深度（m），若当时地面淹没于水面以上时，dw′取0。

液化判别标准贯入锤击数临界值按上式计算:

式中:ρc-土的黏粒颗粒含量百分率（%），当ρc＜3%，ρc取3%；N0-液化判别标准贯入锤击数基准值，本工程取8；ds-当标准贯入点在地面以上5m以内的深度时，应采用5m计算。

（2）相对密度法

对于VII度区，当饱和无黏性土的相对密度小于0.7时可判为可能液化。

砂层颗粒分析统计表见表1。

表1 砂层颗粒分析统计表

砂层均为粒径小于5mm颗粒含量质量百分率大于30%的土，粒径小于0.005mm的颗粒含量质量百分率ρc均小于16%，因此，坝基砂层初判为可能液化。

坝基砂标准贯入法液化判别表见表2。

表2 坝基砂标准贯入法液化判别表

经计算，校正标准贯入击数小于临界值的有2组，占25%，因此，发生VII度地震时，坝基砂层发生液化可能性较大。

在坝后探槽采用灌水法测得坝基砂的天然密度，室内测得干密度和最大、最小干密度，坝基砂相对密度法液化判别表见表3。

表3 坝基砂相对密度法液化判别表

从相对密度来看，坝基砂相对密实度为0.60～0.74，小于0.7占75%，在发生VII度地震时，坝基砂层存在液化可能。

综合以上分析，根据标准贯入法和相对密实度法判别，坝基砂层存在液化的可能性。

4 砂壳液化的预防措施

研究地震作用上砂土液化的重要目的是预防砂土液化，减少由它造成的损害。饱和砂土液化现象是在排水条件不利的情况上松散的砂骨架由于振动作用造成松弛，粒间应力逐渐传给孔隙水，使孔隙水压力不断升高而带来的后果，因此，要防止砂土产生液化，其根本途径是消除液化产生的条件，最重要的措施是提高砂土的相对密度和尽量消除发展的孔隙水压力。具体到雨村水库而言，首先应尽快实施水库的除险加固工程，结合坝基砂的地质条件，采用相应的加固措施，以提高坝基砂的相对密度，消除坝基砂液化隐患，这是解决问题的根本途径。其次，加强坝基砂液化的预防配套措施，加强防震减灾意识，增大对坝体、放水洞等设施的投入与管理力度。同时应与地震预测、防震减灾部门建立长效联系机制，做到早预防、早判断、早解决，防患于未然。