平原區(qū)土石壩可液化土地基地震液化研究

尤立委

（蘭山區(qū)施莊水庫(kù)管理所，山東 臨沂 276036）

1 引言

中國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，具有強(qiáng)度大、震源淺、分布廣等特點(diǎn)，由地震造成的人員死亡數(shù)目占全球地震死亡人數(shù)的1/2以上。由于中國(guó)水資源分布不均，為了解決用水危機(jī)，在許多人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的平原地區(qū)都興建了水庫(kù)，在地震作用下這些水庫(kù)堤壩往往會(huì)因?yàn)閴紊砘蛘邏位l(fā)生液化產(chǎn)生破壞性后果。液化使土體中的孔隙水壓力在極短的時(shí)間內(nèi)迅速加大，有效應(yīng)力急劇減小，土體的抗剪強(qiáng)度嚴(yán)重削弱，最終導(dǎo)致地面噴砂冒水、沉降不均勻、地基失效、滑坡、土壩潰決等一系列災(zāi)害[1，2]。1976年唐山大地震、1995年日本神戶大地震、2008年汶川地震、2011年日本東北地區(qū)大地震無(wú)一例外出現(xiàn)了大面積的砂土液化現(xiàn)象，致使人民群眾遭受了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失[3-5]。關(guān)于飽和砂土液化問(wèn)題，劉漢龍[6]等利用室外大型爆炸液化可控試驗(yàn)場(chǎng)地，對(duì)一系列飽和砂土中的單點(diǎn)以及多點(diǎn)開(kāi)展微差爆炸液化試驗(yàn)，分析了土中孔隙水壓力增加規(guī)律。陳育民[7]等開(kāi)展了爆炸液化場(chǎng)地上堤壩變形的大規(guī)模模型試驗(yàn)，研究筑壩材料以及堤壩地基加固措施對(duì)液化場(chǎng)地上堤壩變形以及裂縫生成的影響。董金玉[8]等利用數(shù)值模擬探討了南水北調(diào)中線工程砂土液化和變形破壞特點(diǎn)。魏星[9]等采用顆粒流軟件PFC模擬了飽和砂土的不排水剪切循環(huán)試驗(yàn)，研究不同因素對(duì)飽和砂土液化的影響以及飽和砂土液化后的宏觀變形規(guī)律。

筆者基于某平原水庫(kù)土石壩工程，采用巖土軟件Geo-slope對(duì)飽和砂土地基進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同上游庫(kù)水位以及有無(wú)設(shè)置壩腳壓重情況下壩基飽和砂土的液化規(guī)律、壩體典型節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)以及壩坡穩(wěn)定性，為類似工程提供一定的參考。

2 計(jì)算理論

進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)采用的是非線性材料模型，Geoslope中非線性材料模型計(jì)算地震過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力時(shí)采用MFS孔壓力模型，具體方程如下：

式中：Δu為孔隙水壓力增量（kPa）；Er為回彈模量（MPa）；Δεvd為排水加載情況下產(chǎn)生的體積應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

Geo-slope中MFS孔壓力函數(shù)表達(dá)式為：

式中：γ為土體的剪應(yīng)變，εvd為累積體積應(yīng)變，C1，C2，C3和C4為模型常量。根據(jù)地基土試驗(yàn)參數(shù)，動(dòng)孔壓模型常數(shù)近似取相對(duì)密度為45%的結(jié)晶二氧化硅砂常數(shù)，即C1=0.8、C2=0.79、C3=0.45、C4=0.73。

3 計(jì)算模擬

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型以山東某中型平原水庫(kù)圍壩為背景，該圍壩為砂壤土均質(zhì)壩，上游坡面鋪設(shè)的復(fù)合土工膜以及在離上游壩腳不遠(yuǎn)處設(shè)置的混凝土防滲墻構(gòu)成圍壩的防滲體。上下游坡度均為1∶3，壩頂高程為15 m，地面高程為3.5 m，水庫(kù)設(shè)計(jì)最高蓄水位為12.5 m、死水位為3.9 m，壩基長(zhǎng)200 m、高50 m，圍壩下游設(shè)有截滲溝。壩基土體共分為5層，根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)初步判斷第1、2、3層為可液化土層，第4、5層為非液化土層。同時(shí)，為了便于觀測(cè)，在壩體各處設(shè)置了數(shù)個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)地震作用下該點(diǎn)所在單元的動(dòng)力響應(yīng)情況。

圍壩的典型地質(zhì)剖面如圖1所示，相應(yīng)的網(wǎng)格剖分如圖2所示。該網(wǎng)格圖全局單元尺寸為2 m，單元類型為四邊形單元和三角形單元，整個(gè)模型一共剖分3 054個(gè)點(diǎn)、2 932個(gè)單元。

圖1 圍壩典型地質(zhì)剖面

圖2 模型網(wǎng)格

3.2 材料參數(shù)

由壩址現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘查以及室內(nèi)土體物理試驗(yàn)測(cè)得壩體以及壩基各土層的物理力學(xué)參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

根據(jù)可研性研究報(bào)告，圍壩所在庫(kù)區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，相應(yīng)的地震烈度為Ⅶ度。采用國(guó)際上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度時(shí)程曲線，截取地震振幅較大的前10 s作為輸入波，在對(duì)地震波進(jìn)行濾波以及基線校正處理的基礎(chǔ)上將其峰值調(diào)為0.15 g，如圖3所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 校正后的水平加速度時(shí)程曲線

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 未設(shè)置壓重情況

圖4（a）和4（b）分別為未設(shè)置壓重情況下正常蓄水位和死水位下飽和砂土地基的液化區(qū)域圖，圖中A區(qū)域表示土體發(fā)生液化。從圖4（a）可知，當(dāng)上游庫(kù)水位為正常蓄水位時(shí)，地震結(jié)束時(shí)刻除了大壩正下方區(qū)域外，飽和砂土層都發(fā)生了不同程度的液化：在遠(yuǎn)離上游壩腳的可液化土層發(fā)生中等面積的液化，上游壩腳附近的可液化土層也發(fā)生小范圍的液化；下游壩腳下方的可液化土層以及遠(yuǎn)離下游壩腳的可液化土層發(fā)生了大面積的液化。這是由于當(dāng)上游庫(kù)水位處于高水位時(shí)，上游迎水面的土工膜上承受了比較大的水壓力荷載，可液化土層中的飽和砂土所受的初始圍壓大，在地震的劇烈震動(dòng)下，可液化土層中的孔隙水壓力難以上升，土體不易發(fā)生液化；壩體正下方的可液化土層由于承受來(lái)自壩體自身的重力作用，孔隙水壓力上升最慢，此處土體最不易發(fā)生液化；雖然上游迎水面上鋪設(shè)了復(fù)合土工膜，但是在滲流的作用下，下游壩腳及遠(yuǎn)離壩腳下方的地下水位線升高，使得可液化土層的初始圍壓較小，土體易發(fā)生液化。

圖4 無(wú)壓重下不同庫(kù)水位壩基液化分布

如圖4（b）所示，當(dāng)上游庫(kù)水位為死水位時(shí)，地震結(jié)束時(shí)刻飽和砂土地基發(fā)生與圖4（a）相似的液化：從上游壩腳附近到遠(yuǎn)離上游壩腳的可液化土層發(fā)生大面積的液化，而且面積比正常蓄水位情況下要大；下游壩腳以及遠(yuǎn)離下游壩腳的可液化土層也發(fā)生了大面積液化，但是面積較正常蓄水位下要小。這是因?yàn)楫?dāng)上游水位處于低水位時(shí)，上游迎水面的復(fù)合土工膜上基本上不承受水壓力荷載，可液化土層的上覆壓力大大減小，在地震震動(dòng)作用下，孔隙水壓力急劇上升，有效應(yīng)力大幅度減小，土體極易發(fā)生液化。死水位情況下，下游壩腳以及遠(yuǎn)離壩腳的可液化土層雖然上覆壓力較正常蓄水位大，但是也無(wú)法避免液化的發(fā)生。

4.2 設(shè)置壓重情況

圖5（a）和圖5（b）分別為增加壓重情況下正常蓄水位和死水位下飽和砂土地基的液化區(qū)域圖。從圖5（a）可以很明顯地看出，增加上下游壓重后，正常蓄水位下地震結(jié)束時(shí)刻上下游壩腳下方的可液化土層幾乎不發(fā)生液化，其中上游壩腳處的液化區(qū)域幾乎為0，下游壩腳下方只有小范圍的液化區(qū)域，上下游遠(yuǎn)離壩腳的可液化土層的液化區(qū)域較無(wú)壓重情況下無(wú)明顯減小。從圖5（b）可以看出，死水位情況下，地震結(jié)束時(shí)刻上下游壩腳下方的液化區(qū)域大大減小，上下游遠(yuǎn)離壩腳的可液化土層液化區(qū)域較無(wú)壓重情況下無(wú)明顯變化。

圖5 有壓重下不同庫(kù)水位壩基液化分布

5 結(jié)論

（1）正常蓄水位下，當(dāng)上下游壩坡未設(shè)置壓重時(shí)，上下游壩腳處出現(xiàn)小范圍液化，遠(yuǎn)離上下游壩腳的可液化土層出現(xiàn)不同程度的液化；正常蓄水位下，當(dāng)上下游壩坡設(shè)置壓重時(shí)，上下游壩腳處幾乎不發(fā)生液化，但是遠(yuǎn)離上下游壩腳的可液化土層出現(xiàn)液化的范圍與大小幾乎與未設(shè)置壓重情況下相同。死水位下，上下游壩腳無(wú)論設(shè)置壓重與否，遠(yuǎn)離上下游壩腳的可液化區(qū)域都出現(xiàn)大面積的液化，但是設(shè)置壓重后上下游壩腳處的液化區(qū)域明顯減小。

（2）設(shè)置壓重在一定程度上能夠減輕壩基可液化土層的液化情況，但是工程實(shí)踐中，對(duì)于淺層液化土體，一般要挖除液化土層，并用非液化土替換，或者在壩腳處設(shè)置擠密樁，保證工程安全。