青草沙水库围堤地基液化危害分析与治理研究

周 元，刘荣毅，夏朝娟，张鹤川

（中船勘察设计研究院有限公司，上海 200063）

基金项目: 南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室项目(H10756); 上海市科技委与上海市住建委科研项目“上海市长江口青草沙水源地原水工程研究”

青草沙水库工程位于长江口北港，包括长兴岛北侧和西侧的中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域范围，是上海以长江为原水的重要的城市供水水源地，也是上海境内水质最好、最稳定的饮用水源地。其供水规模占全上海原水供应总规模的50%以上。是上海市“十一五规划”的重要项目，与黄浦江上游水源地、长江口边滩水源地形成“两江并举，三足鼎立”的水源地供水格局。青草沙水库是我国目前最大的江心水库。

青草沙水库环库大堤由东堤、西堤、南堤、北堤及海塘大堤组成。环库大堤堤基普遍存在砂质粉土和粉砂地层，这两层渗透性大，又是液化危害土层，抗渗透变形能力弱，是围堤地基的薄弱环节，应采取相应的治理措施[1]。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中第1.0.7规定，位于地震烈度7度及其以上地区的1级堤防工程，应进行抗震液化危害治理[2]。为此，笔者及其所在单位根据现场勘探及液化判别结果，对液化等级进行了分区，对液化土层进行统计分析，针对各堤段的特点、位置、液化等级和液化土层分布，对各种常用的液化危害治理方法进行综合比较研究，推荐了最经济、合适的液化危害治理方法，对青草沙水库工程设计和安全运行起到了积极作用。事实证明，这些治理方法不仅经济效果好，而且围堤的地基液化危害和渗漏问题也得到了很好的改善，可为同类项目提供重要借鉴。本文据此予以系统回顾与总结，以促进学术交流与进步。

1 工程概况

青草沙水库环库大堤总长48.79km，其中南堤、西堤分别长7.65km和2.82km，海塘大堤长16.35km，新建北堤、东堤分别长18.96km和3.01km。工程起点与长兴岛头部石沙西侧小围堤连接，终点与长兴岛陆域梦思园度假村外侧电厂灰场上游处海塘连接，与长兴岛海塘加高加固后的堤线形成环库围堤（图1）。

图1 青草沙水库新建围堤示意图Fig.1 Schematic diagram of new dam of Qingcaosha Reservoir

1.1 水文条件

青草沙水库位于长江口，河床呈现宽而浅的特征，暗沙众多，砂体多呈流动状，河势多变，水域和航道不稳定。在徐六泾以下，长江口段呈三级分岔、四口入海的格局。即由崇明岛将长江分隔为南支和北支，南支又被长兴岛分隔为南港和北港，南港被九段沙分隔为南槽和北槽。长江口为中等强度的潮汐河口，口外为正规半日潮，口内潮波逐渐变形，为非正规半日浅海潮。根据本场址附近的长兴岛水文观测站的潮位资料，实测最高潮位5.88m，实测最低潮位-0.29m，平均高潮位3.30m，平均低潮位0.84m，平均潮差2.34m，平均涨潮历时4时45分，平均落潮历时7时40分。长江口属大径流、中潮差的河段，受径流和潮流的双重作用。受海岸、河槽的约束，进入青草沙区域潮流的运动形式以往复流为主，且落潮流历时长于涨潮流历时，落潮流流速大于涨潮流流速。长江口水质中含泥沙量较大，泥沙来源主要为流域携沙[3-5]。

1.2 工程地质条件

根据土层的地质年代、成因类型、埋藏深度、空间分布规律及其工程地质特征等，将滩面以下20m深度内的勘探揭露土层分为①、②、④等大层。

①0堤身填土：为海塘及堤身土，厚5.30~6.80m，以灰黄色黏性土为主，夹少量粉土及粉砂，较密实，表层含砼、砖块、碎石及植物根系等。

①1淤泥质黏性土：为新近淤积层，分布于近海塘堤外滩面，厚0.90~4.00m，灰色，夹粉砂，饱和，以流塑状为主，含芦苇根茎。

①3粉砂层：为新近沉积，广泛分布于场地区水域滩面表层，厚薄不均，厚度1.10~11.99m，呈灰黄色，饱水，多呈松散状，厚度较大地段底部呈稍密状，砂质较均匀，局部夹粉土及黏性土团块或条带。

②1粉质黏土：主要分布于海塘堤内表层，厚度1.00~4.10m，灰黄色，以粉质黏土为主，软塑至可塑状，局部夹薄层粉砂，含黄褐色氧化铁斑点。

②2淤泥质粉质黏土：分布于北堤上段及海塘，厚度0.70~9.90m，灰色，流塑状，局部夹较多薄层粉土、粉砂，土质不均匀。

②3砂质粉土：广泛分布于场地区浅表层，厚度2.60~14.50m，滩面受江水冲刷剥蚀，厚度变化较大，局部缺失。上部以砂质粉土为主，局部呈砂质粉土与粉砂互层，松散至稍密状。该层工程地质性质相对较好，其分布对控制围堤沉降有利。

④淤泥质黏土：广泛分布于场地区，层位稳定，厚度7.70~16.00m，顶板标高-6.00~-20.60m，灰色，饱和，流塑状，局部夹薄层粉砂，含云母，局部贝壳碎屑富集。该层为围堤的主要压缩层。

地基土的主要物理性质如表1所示。

表1 地基土的物理性质简表Table 1 The physical properties of foundation soil

2 场地液化危害分析

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015），该水库工程区50年超越概率10%地震动峰值加速度为0.10g，相应的地震基本烈度为7度。据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（2016版）附录A，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度0.10g，设计特征周期0.9s。

场区浅表层普遍分布第①3层新淤积粉砂及第②3层灰色砂质粉土，厚度一般3.20~17.00m，饱和，松散至稍密状，局部呈中密状。根据以上两土层的颗分试验成果，第①3、②3层的黏粒含量平均值分别为2.8%、5.0%，即普遍小于10%，属可液化土层，需进行液化判别[6-7]。

现场采用标准贯入法进行液化判别，根据堤身位置、性质及土层分布和特点，将水库围堤分为北堤、东堤、西堤、南堤及海塘大堤段五个工程地质区段进行液化判别。液化情况如表2所示，液化等级分区图见图2所示。

表2 青草沙水库新建围堤地基土液化判别表Table 2 The liquefaction discrimination of foundation soil of new embankment of Qingcaosha Reservoir

图2 液化等级分区图Fig.2 Map of liquefaction grade

根据液化判别结果可知，南堤和海塘大堤段为轻微液化，东堤、西堤和北堤段为中等液化。这是由于南堤和海塘大堤均为已有岸堤，且上部未分布①3层新近淤积粉砂层。液化的主要土层为长江水域上部分布的①3层新近淤积粉砂层，从地基土的物理性质简表中可见①3层属含水量较高、孔隙比较大、易液化砂层。土层液化统计见图3所示。

图3 土层液化统计Fig.3 Statistical map of soil liquefaction area

3 液化治理方法

按照砂土液化的基本理论，砂土地基受到地震作用时，在惯性力作用下，砂土有挤密趋势，由于地震时间很短暂，孔隙水来不及排出，使得孔隙水压力急剧升高，从而导致有效应力减少。当有效应力降为零时，土粒处于失重状态，砂土层完全丧失抗剪强度和承载能力，即为液化[8]。随着地震的持续，超静孔压的增加会使处于液化范围向四周扩展，当超静孔压在上覆土层薄弱处找到突破口，悬浮状态的砂土随水喷出地面，造成地基承载失效、地面沉陷和开裂而致灾。从地基土液化机理可以看出，砂土与粉土在地震作用下发生液化的充分必要条件是：饱和土，结构疏松，不能迅速排水。因此，只要采用人工方法改变其中任何一个条件就能提高地基上的抗液化能力。目前常用的液化危害治理的方法有围封法、振动挤密法、振动沉管挤密法、强夯法、砂井排水法、填土压重法、爆炸振密法、灌浆胶结法等[9-12]。各种液化治理方法的适用范围、优点和缺点见表3所示。

表3 液化治理方法Table 3 The liquefaction treatment method

4 工程方案比选与应用实效

4.1 治理方法比较

青草沙水库围堤水动力条件复杂，沿线堤基滩面高程变化较大，为-10.00~1.50m，均低于多年平均潮位。液化土层为滩面以下新淤积粉砂及砂质粉土，厚度一般3.20~17.00m，河床滩面以下粉砂在水流的作用下极易运动。因此，液化危害治理措施需适用以上工程特点和施工环境。

由于需在动水条件下且水下施工，强夯法和灌浆法已不适宜；爆炸振密法适用于大面积的均匀、疏松的饱和细砂的深层地基，但治理浅层液化土层时效果比较差，也较难满足；振动挤密法适合于加密地下水以下的松砂，以0.10~0.01mm粒径最佳，治理深度可达20m，参考类似工程大坝地基振冲法治理的试验数据，振冲挤密前后上部砂质粉土的均匀程度、密实度和地基承载力等指标变化显著，振冲挤密治理后的土层为非液化土层，治理效果明显。但对于可液化的浅层粉细砂和粉土，在施工过程中表层土粒流失较大，振冲治理后地基沉降量约为1.40~2.00m。青草沙新建围堤沿新近淤积沙脊线滩面布置，受涨落潮水流影响明显，振冲治理施工过程中可能造成周边冲刷。同时，振冲治理所需工期较长，对整体工程目标影响较大。因此，不太适宜采用。

堤身填土压重作用可以增加可液化土层上覆有效压力，在一定程度上降低地基的液化势、降低砂土液化临界相对密度。相关理论分析与振动试验表明，堤坝修筑前后地基的液化势分布情况是不同的[13]。堤坝修筑前天然地基液化势均同，堤坝修筑后使得堤基底部液化势变小，整体呈现底部液化势较小而两侧坡脚部位液化势较大的分布状态。围封法，由于工程量和工程造价大，仅适用于液化地层在平面上范围小，受冲刷严重堤段。砂井、塑料板排水法中的砂石桩或塑料板的排水作用可以缩短孔隙水的排水路径，有效降低地震所产生的超静孔隙水压力，提高地基土的抗剪强度和抗液化能力。因此，在液化场地受客观条件限制而采用全部消除地基液化沉陷措施在技术、经济发展水平上不适宜时，可采用部分消除地基液化危害的措施。

4.2 治理方法选择

针对青草沙各堤段的特点、位置和液化土层分布情况，南堤和海塘大堤属轻微液化堤段，主要液化土层为②3砂质粉土，该层为轻微液化土层，可选用填土压重法进行液化危害治理，仅利用围堤自身填土压重产生的固结作用逐步提高地基土的抗剪强度和抗液化能力，不采取其他专门措施。

东堤和西堤属中等液化地段，主要液化土层为新近沉积的①3粉砂层，由于东堤和西堤长度较短，且分别分布于长江水域上游和下游，易受到潮水冲刷，根据这些特点该两段可采用围封法进行液化危害治理。具体方法为：在堤身基础（堤脚）两侧布置宽15.5m的隔栅状搅拌桩墙，形成围封结构，结构底部穿透可液化土层，进入稳定土层0.5m。同时，在坡脚设置反滤排水压重结构，包括一道反滤布、上覆碎石垫层以及块石压重，以保护堤脚薄弱环节，防止地震时堤脚处的液化土的流动出逸、喷水冒浆。

北堤属中等液化地段，主要液化土层为新近沉积的①3粉砂，且长度较长，采用围封法等进行液化危害治理费用很高，可采用塑料板排水法进行液化危害治理。具体方法为：先在围堤基底下进行吹填，形成一定宽度、露出水面的堤基，再在围堤基础外缘10m至基础内缘10m的范围内，设置塑料排水板，塑料排水板长度约10~15m，间距1.0m，呈梅花形布置，板底高程至淤泥质黏土顶面；在已采用塑料排水板与堤身自重加载预压相结合作软基处理的堤段，局部加密了排水板；堤基按塑料排水板排水法工艺要求铺设了一层水平排水砂被，形成排水通道，取得良好的治理效果。

4.3 合理性分析

液化地基的抗震治理原则应考虑工程的重要性、震后继发灾害发生与否、修复的难易程度等因素；决策因素应综合抗震措施的投入、地震造成的直接损失和间接损失三个方面，实现三者的最佳平衡。根据《土坝设计》《国内外大坝失事或水电站事故典型案例原因汇集》等相关资料[14-15]，青草沙水库采用的土石坝是所有坝型中抗震性能最好的坝型，因地震而溃坝的实例极少。地震会给抗震措施考虑不足的坝造成裂缝、沉陷或局部滑坡，但这些较容易及时修补，一般不会造成土石坝失事。低坝断面较小是不利因素，但作用水头小、震害容易及时修补又是有利因素。对于不经常高水位蓄水的水库，地震不太容易与短时期或高水位蓄水遇到一起，即使发生地震破坏也不会对水库供水和下游水域造成较大影响。与其花费大量资金去治理轻微液化的地基，不如将其用于治理地震灾害和应急救灾措施上。

根据类似工程的经验和实测验证，若地基土为欠固结的砂性土时，在围堤填土压重施工和排水固结过程中及施工后，其地基土的性状也会随之改变，由欠固结土变为固结土，砂性土的液化指数将大大降低。浦东国际机场围堤局部堤段中等液化堤基土在围堤建设后逐渐改变为轻微液化[16]。青草沙水库围堤已运行多年，事实证明：围堤的地基液化危害和渗漏问题得到了很好的改善。

5 结语

本文系统回顾与总结了我国目前最大的江心水库——上海青草沙水库工程在建设之初所作的围堤地基液化判定及其工程治理，并通过安全运行至今的实际效果，验证了液化分析与危害判定的科学性和准确性，以及治理措施的针对性和有效性。

根据液化判别结果，对液化等级进行了分区，对液化土层进行了统计分析，发现液化的主要土层为长江水域上部分布的①3层新近淤积粉砂层。针对各堤段的特点、位置、液化等级和液化土层分布，对各种常用的液化危害治理方进行综合比较研究，推荐了最经济、合适的液化危害治理方法，对青草沙水库工程设计和安全运行起到了积极作用。

青草沙水库围堤已运行多年，本文推荐的围堤填土压重法、围封法和塑料板排水法等液化危害治理方法已成功运用到青草沙水库围堤工程中。事实证明，这些治理方法不仅经济效果好，而且围堤的地基液化危害和渗漏问题也得到了很好的改善，可为同类项目提供重要借鉴。