談水位下降對地震砂土液化的影響

李瑞軍 孫 偉，2 高存喜 劉超群

(1.西北綜合勘察設(shè)計研究院，陜西西安 710003;2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059)

0 引言

近十多年來由于渭河上游支流不斷建壩進(jìn)行城市供水和農(nóng)田灌溉，渭河年平均徑流量不斷下降，致使渭河沿岸水位較歷史水位大幅下降，水位下降幅度范圍內(nèi)及以下的第四紀(jì)覆蓋層經(jīng)歷了固結(jié)壓密作用、飽和砂土的液化等級降低或液化特性消失等現(xiàn)象，水位下降對砂土液化的影響也成為了工程實(shí)踐中關(guān)注的重點(diǎn)問題之一。

1 區(qū)域地震構(gòu)造特征

渭河咸陽—西安城市段在大地構(gòu)造環(huán)境中位于渭河斷陷帶之內(nèi)，渭河斷陷帶位于鄂爾多斯地塊和秦嶺褶皺帶之間，西起寶雞東，東達(dá)山西運(yùn)城和河南靈寶一帶，包括渭河盆地中的西安拗陷、固市拗陷、運(yùn)城盆地、靈寶盆地。渭河斷陷帶總體上呈近EW向分布，向東逐漸變?yōu)镹EE向。斷陷帶的南北兩側(cè)均受正傾滑的活動斷層控制。南側(cè)的華山山前斷裂和秦嶺北麓斷裂是盆地的主控邊界斷裂。盆地內(nèi)的固市拗陷則是第四紀(jì)沉積厚度最大，升降差異運(yùn)動最強(qiáng)烈的地區(qū)。整個盆地帶南深北淺，向南傾斜。近場區(qū)主要由西安拗陷、部分固拗陷、驪山隆起、咸陽隆起四部分組成。與渭河盆地東部地區(qū)相比，該區(qū)域地震活動較為強(qiáng)烈，斷裂構(gòu)造也較為發(fā)育。秦嶺斷褶帶，位于華北地臺與揚(yáng)子地臺之間，整體上呈近東西向伸展，是中國南北地質(zhì)銜接和東西地質(zhì)轉(zhuǎn)化的一個樞紐地帶，同時也是一個典型的復(fù)合型大陸造山帶。秦嶺褶皺帶在地震區(qū)、帶的劃分上，屬于我國華南地震區(qū)，地震活動水平較低，以中、小地震活動為主。渭河咸陽西安段近場區(qū)的主要斷裂有渭河斷裂、秦嶺北緣斷裂、口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂、禮泉—富平斷裂、盆地北緣斷裂、周至—余下斷裂、臨潼—長安斷裂、驪山山前斷裂，渭南塬前斷裂、涇陽渭南斷裂等，這些斷裂的走向?yàn)榻鼥|西向和北東向，由盆地邊緣向盆地中心逐級下降，形成階梯狀斷層斜坡。由于斷裂垂直差異運(yùn)動的幅度不同，因而形成了盆地內(nèi)部的相對上升區(qū)和下降區(qū)，在近場區(qū)形成了秦嶺褶皺帶、驪山隆起的明顯上升區(qū)、禮泉—咸陽黃土臺塬、富平—蒲城黃土臺塬和驪山西南側(cè)一系列黃土臺塬如橫嶺塬、白鹿塬、少陵園、神禾塬的緩慢上升區(qū)和西安凹陷、固市凹陷的強(qiáng)烈下降區(qū)［1］。

2 地震液化歷史

從公元前780年到2008年4月，工作區(qū)內(nèi)共發(fā)生M≥43/4級地震42次，其中 8.0級 ～8.9級地震 1次，7.0級 ～7.9級地震2次，6.0級 ～6.9 級地震3次，5.0級 ～5.9 級地震 26 次，43/4級 ～4.9級地震10次，最大地震是1556年華縣81/4級地震。

從1970年到2008年4月有地震臺網(wǎng)記錄以來，工作區(qū)域內(nèi)共發(fā)生ML≥2.0級地震716次，其中5.0級～5.9級地震2次，4.0級 ～4.9級地震 7次，3.0級 ～3.9級地震 73次，2.0 級 ～2.9級地震634次，最大地震是1998年1月5日發(fā)生在陜西涇陽的5.2級地震。

歷史地震周邊大的地震記載有1556年1月23日晚12時左右的華縣8.3級地震，震中烈度11度。據(jù)記載川源拆裂，郊墟遷移，或奎為港埠，或陷作溝渠，水涌砂溢，地面破壞延及千里，總受災(zāi)面積28萬km2，波及12個省約180多縣，堪稱史載中震害最嚴(yán)重者。1568年5月15日，西安東北發(fā)生了6.7級地震，據(jù)記載，此震造成“西安市灞橋、柳巷，涇陽的回軍、永樂各村鎮(zhèn)，俱倒如平地。涇陽、咸陽、高陵城無完璧，人畜死傷甚重”。震中定在西安東北的草灘鎮(zhèn)一帶，破裂主軸呈北西向，烈度達(dá)9度。1487年8月10日臨潼發(fā)生6.2級地震，據(jù)記載，臨潼“地震如雷，屋舍多壞，男女死者甚眾”;而西安“薦福寺塔中裂尺許”。震中約在西安市區(qū)與臨潼間的田王村一帶，位于臨潼～長安斷裂與渭河斷裂交匯附近部位，震中烈度為8 度［1］。

基于上述的地震歷史并結(jié)合渭河咸陽西安城市段存在地震液化的主要地段為渭河的一級階地和高漫灘，也有渭河的一級支流河漫灘和一級階地分布。建筑場地的液化等級一般為局部輕微液化或中等液化。

3 區(qū)域水位變化歷史及變化趨勢分析

渭河咸陽西安城市段可液化砂土層主要分布在渭河沿岸高漫灘和一級階地上，歷史水位較淺，據(jù)調(diào)查渭河歷史最高水位高漫灘地下水位僅有1 m～2 m，一級階地地下水位僅有3 m～4 m。由于建國以來渭河上游支流不斷建截水大壩進(jìn)行城市供水和農(nóng)田灌溉，寶雞、咸陽城市內(nèi)建筑橡膠壩截水制造人工湖，渭河年平均流量不斷減少，有數(shù)據(jù)顯示1991年～2000年林家村和華縣水文站測得的年平均徑流量與1981年～1990年相比分別減少了53.9%和50.3%［2］。渭河水位近幾年的總體趨勢是在下降，僅局部城市人造人工湖景觀段水位有可能上升。渭河水流量的減少，致使沿岸受渭河水補(bǔ)給的地下水位大幅下降。根據(jù)勘察資料，渭河北岸高漫灘20世紀(jì)80年代末地下水位為地表下2 m左右，2007年勘察時水位為地表下8 m，下降幅度達(dá)6 m。渭河北岸一級階地80年代前地下水位為5 m左右，2010年勘察時水位為14 m左右，下降幅度9 m左右，和渭河水量的減少呈正相關(guān)性。

4 砂土液化歷史對比

渭河北岸咸陽西安城市段歷史記載中雖無地震液化的描述，但筆者在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了歷史上地震液化的例證。2010年在渭河北岸(一級階地)建筑工地的基坑開挖時發(fā)現(xiàn)大量的黃土狀土中有填充砂帶，砂帶寬度1 cm～30 cm不等，且延伸至地面下2 m～3 m就消失了，并在消失的地方發(fā)現(xiàn)有砂帽。經(jīng)專家實(shí)地鑒定，其形成原因?yàn)闅v史上砂土液化沖出地面后又被覆蓋層掩埋，通過翻查歷史地質(zhì)資料也證實(shí)該區(qū)域歷史上曾發(fā)生過6級以上烈度的大地震。但工地在2010年勘察時，地下水位在地表下14 m左右，經(jīng)現(xiàn)場勘察及標(biāo)貫數(shù)據(jù)分析認(rèn)為已無液化的可能性。地震液化砂帶見圖1。

圖1 地震液化砂帶

同樣在渭河北岸高漫灘上某工地，1990年以前蓋的廠房因?yàn)榭辈鞎r水位較高，通過判定場地飽和砂土液化等級為中等級，施工期間進(jìn)行了振沖擠密樁處理，但是2007年場地內(nèi)勘察時，水位由原來2 m降至8.0 m，通過判定場地飽和砂土不液化，故不需要進(jìn)行消除液化的振沖擠密樁施工，僅進(jìn)行墊層換填即可，為建設(shè)方節(jié)約了大量資金。

5 影響砂土液化的因素分析

以上兩個案例雖表明歷史上有液化的地層，經(jīng)過時間的推移和環(huán)境的變化，其液化特性亦可消失。砂土液化必需滿足基本的2個條件，第一，必須是飽和砂土，非飽和砂土是不具備液化條件的。在工程實(shí)踐中判斷砂土飽和與否一般認(rèn)為水位以上是非飽和的，水位以下是飽和的。故水位的變化對砂土液化的影響起到?jīng)Q定性作用。第二，松散砂土，砂土越密實(shí)地震時越不可能液化。地下水位的下降不僅使砂土由飽和變?yōu)榉秋柡停宜幌陆凳股巴林囟仍龃?，砂土?jīng)歷壓密作用，砂土變密實(shí)，即使水位回升，砂土也比原來密實(shí)，使砂土液化的可能性降低，影響砂土液化的因素很多，筆者就不一一贅述，但筆者認(rèn)為以上兩點(diǎn)在工程實(shí)踐中更值得關(guān)注。

6 砂土液化的預(yù)測分析

渭河西安咸陽城市段河道由于人工河堤的固定，河流對現(xiàn)有的地貌改造基本沒有，故河道外的建筑用地不存在新增的高漫灘用地，原先形成的高漫灘和一級階地地下的飽和砂層因地下水位的下降和時間的推移砂土液化的趨勢越來越小，對于城市段局部地下水位上升地段，也因有過地下水位大幅下降砂層的固結(jié)作用使砂土趨于密實(shí)，液化等級也應(yīng)有所降低。

［1］西安某建筑場地《地震安全性評價報告》［R］.

［2］武 瑋，徐宗學(xué)，李發(fā)鵬.渭河關(guān)中段水文情勢改變程度分析［J］.自然資源學(xué)報，2012，27(7):1124-1137.