池堤地基液化問題的勘察與處理

成小勇

(陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000)

0 前言

渭南市抽黃供水北灣調(diào)蓄池工程，在池堤排水棱體地基開挖施工中，由于基礎底部存在液化的細砂層，基礎埋深較大，設計基礎底面基本與地下水位平齊，若處理不好則牽涉投資變化較大，因此需采用一個切實可行、經(jīng)濟的處理方案，以消除池堤地基液化的威脅。經(jīng)過對排水棱體基礎進行補充地質(zhì)勘察工作，其地基砂礫石層屬輕微液化地層，而細砂層為中等液化地層，必須采取工程處理措施。

本文結合工程實例對深基礎中液化地層的處理、前期勘察和設計存在的問題進行探討。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

北灣調(diào)蓄池工程位于蒲城縣龍陽鎮(zhèn)北灣坡下村的洛河岸邊，為解決黃河冰凌、柴草、沙限期間不能抽水及抽黃干渠檢修及冬季渠道小流量不能行水的問題，結合二期抽黃總體布置，在抽黃總干渠沿途設置的調(diào)蓄水池。工程主要由調(diào)蓄水池、進水系統(tǒng)、放空系統(tǒng)和洛河護岸四部分組成。調(diào)蓄水池建筑物級別為2級，總?cè)莘e944萬m3，正常蓄水位371 m。調(diào)蓄水池的池堤(相當于平原水庫的大壩)，采用均質(zhì)土堤，長1630 m，最大堤高24 m，堤底最大寬度146.6 m。在臨洛河側(cè)360 m高程設排水棱體，最大底寬48 m。堤形結構見圖1。

圖1 堤型結構橫斷面示意圖

1.2 基本地質(zhì)條件

根據(jù)施工開挖揭示，池堤及排水棱體地層結構總體分為兩個地質(zhì)時代，全新統(tǒng)一級階地沖積堆積(Q41al)以砂壤土、砂礫石為主，夾透鏡狀細砂層；上更新統(tǒng)沖積堆積(Q3al)以壤土為主。其中一級階地砂礫石層干密度ρd=2.13 cm3/g；相對密度Dr=0.65，呈中密狀態(tài)；滲透系數(shù)K=1.50×10-1cm/s，為強透水巖層；承載力fak=260 kPa，具有輕微液化特征。一級階地細砂層干密度ρd=1.55 cm3/g；相對密度Dr=0.53，呈中密狀態(tài)；滲透系數(shù)K=4.09×10-4cm/s，為中等透水巖層；承載力fak=130 kPa，具中等液化特征。上更新統(tǒng)壤土呈可塑狀，干密度ρd=1.67 g/cm3；壓縮系數(shù)av1-2=0.24，為中壓縮性土；滲透系數(shù)K=2.72 cm/s～5.29×10-5cm/s，屬弱透水巖層；承載力160 kPa。

從開挖后的實際情況可知，地下水位于排水棱體基礎面上下，即建基面稍深的地段地下水出露，建基面稍淺的地段則高于地下水位。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)，工程區(qū)Ⅱ類場地50年超越概率為10%時的地震動峰值加速度為0.2 g，地震動反應譜特征周期0.40 s，相應的地震基本烈度為Ⅷ度。

1.3 液化地層前期勘察結論

前期勘察對各層土進行了液化判別，經(jīng)初判認為一級階地砂礫石層及細砂層為可能液化地層，因此需進行復判。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2011)的液化判定標準，對細砂層采用標準貫入錘擊數(shù)法進行復判，確定其為液化土，液化等級中等。又根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)的液化判定標準，對砂礫石層采用相對密度法進行復判。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.20 g，相對密度不大于液化臨界相對密度0.75時，判為可能液化土。最終確定了一級階地砂礫石層為輕微液化，一級階地細砂層為中等液化，應進行工程處理的結論。

2 施工中出現(xiàn)的問題及處理

2.1 施工中出現(xiàn)的問題

由于池堤基礎只進行清表1.2 m，經(jīng)碾壓后直接進行堤身填筑，因此基礎開挖主要體現(xiàn)在排水棱體施工過程中。設計方案是將排水棱體基礎開挖至上更新統(tǒng)(Q3)壤土層上，將上部存在液化問題的全新統(tǒng)(Q4)砂礫石、細砂層全部挖除，然后采用砂及塊石做反濾排水體，使池堤基礎下液化地層中的水在地震時可沿排水棱體順暢排出而達到消除液化的目的。

實際施工開挖至設計深度后，發(fā)現(xiàn)排水棱體建基面的液化砂礫石及細砂層并沒有全部清除，超過一半的基礎還殘留有砂礫石或細砂層，且厚度從0.5 m到4.7 m不等，變化較大，與設計預期有一定差異。

2.2 對問題的原因分析

為何會出現(xiàn)本應該完全挖除的液化地層仍有殘留呢？分析原因認為主要有以下幾點：

1)河流沖積相沉積的地層本身就有著相變大、透鏡體多、層位不穩(wěn)定這些特征。從探坑及剖面圖可以看出，該層礫石、細砂為成層分布，但在分布深度、厚度、范圍上具有一定的隨機性，即相變較大、起伏明顯、礫石和細砂分布無明顯規(guī)律可循。從補充勘察所開挖的探坑中可以看到，一側(cè)坑壁分布的砂層厚達2 m之多，但另一壁則完全尖滅，這也說明了地層結構的復雜性。

2)勘察期鉆孔一般都以布置于建筑物軸線位置為主，該工程也不例外。就開挖的排水棱體基坑來說，基坑中線距池堤軸線的平均距離為58 m，基坑外邊線距池堤軸線則達到81米之多，即使有橫剖面勘探點也無法完全摸清地層情況，因此出現(xiàn)層位存在，但深度、厚度不同的現(xiàn)象亦在情理之中。

3)地質(zhì)勘察中地層連線的基本原理是兩點連線，其精度無法與直接開挖相比較，存在一定差異不可避免，因此大中型水利水電工程一般都設有施工地質(zhì)工作內(nèi)容，就是隨時處理現(xiàn)場出現(xiàn)的此類問題。

2.3 補充勘察

由于排水棱體基礎寬度、深度都較大，若處理方案不合理，則遷涉投資變化較大，因此需采用一個切實可行的處理方案，以消除液化問題對工程的影響，同時還要控制投資費用。制定合理的處理方案，前提是必須查明基礎殘留的砂礫石及細砂層的深度、厚度、分布范圍，以及密實程度等邊界條件，因此需要對排水棱體基礎進行補充勘察。經(jīng)業(yè)主組織各參建單位及邀請專家召開現(xiàn)場咨詢會，研究決定對基礎現(xiàn)存的砂礫石、細砂層有必要進行取樣分析，對液化問題進行復判，查明地質(zhì)條件，為優(yōu)化設計方案提供技術支撐。

經(jīng)補充勘察工作，采用探坑取樣、野外及室內(nèi)試驗等，查明了排水棱體基礎除砂礫石及細砂層的分布深度和厚度存在差異，地層層位、結構沒有大的變化，砂礫石層密實程度隨深度明顯增大。地質(zhì)剖面示意見圖2、相對密度統(tǒng)計見表1。

圖2 地質(zhì)剖面示意

表1 相對密度統(tǒng)計表

由表1可知，勘察期砂礫石層相對密度為0.24，呈稍密狀態(tài)，施工期相對密度則為0.65，接近中密程度的上限。細砂由于前期沒有相對密度試驗，無法對比，但從開挖揭示的實際情況來看，下部細砂層密實程度要大于上部。

根據(jù)補充勘察試驗成果，結合前期試驗資料，按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄P進行液化判定后認為，排水棱體基礎殘留的砂礫石及細砂顆粒組成與前期近似，雖密實程度有所增加，但還達不到質(zhì)的改變。因此認為砂礫石層仍有液化可能，只是程度更輕微，細砂層仍按中等液化考慮為宜，需要采取工程處理措施。

2.4 對殘留液化地層的處理方案

出現(xiàn)問題后，參建各方有幾種處理意見：①將殘留的液化砂礫石及砂層全部挖除；②采用震沖樁或碎石震沖樁，對揭露的地層全部處理；③震動碾壓加密處理，根據(jù)碾壓試驗確定處理深度；④在靠近池堤一側(cè)的排水棱體基礎上開挖深槽，回填塊石，做為池堤地基液化地層的排水通道，從而消除地震液化可能。

技術討論會上，各方提出處理方案后，設計人員針對認識上的誤區(qū)做了解釋：做為排水棱體來講本身就有反濾作用，又位于池堤堤腳部位，上部荷載不大，且液化地層大部分已挖除，因此針對排水棱體的液化處理意義不大。設計排水棱體的意義主要在于降低池堤(壩體)浸潤線、使池堤基礎地下水能在反濾的情況下順暢排出，防止地震時出現(xiàn)噴沙、冒水等液化現(xiàn)象危害池堤安全。

明確設計意圖后，針對不同的地層地質(zhì)條件，研究決定采用不同的處理方法，主要分為兩種：

(1)對局部存在的厚度不大的砂礫石層，要求對表面進行碾壓，0.5 m深度范圍內(nèi)相對密度不小于0.67(密實狀態(tài))。這是考慮到砂礫石層本身液化輕微，隨著深度的增加其密實程度亦隨之增加。再者由于厚度不大，砂礫石層可產(chǎn)生的液化勢能有限，因此設計方案僅對其進行碾壓處理，節(jié)約投資，能保證排水棱體安全即可。

(2)對厚度較大的砂礫石及細砂層，在靠近池堤一側(cè)采用排水齒槽明挖排降水，齒槽底寬3 m，開挖坡比1∶2.0，開挖深度按4 m控制。齒槽內(nèi)主要由塊石回填，在塊石底部及頂部各鋪墊30 cm厚碎石及砂層，起反濾作用。排水齒槽回填至建基面后按原設計施工，見圖1。之所以這樣處理，主要是解決池堤基礎部位的液化問題，設計的排水齒槽靠近池堤軸線一側(cè)，給池堤基礎下砂礫石層和細砂層中的地下水形成通道，使地下水能順利及時地排出，保證池堤安全。

圖1 拱壩整體模型示意圖

3 結論

1)前期勘察確定了一級階地砂礫石層為輕微液化，一級階地細砂層為中等液化，應進行工程處理。

2)施工開挖至設計深度后，發(fā)現(xiàn)排水棱體建基面的液化砂礫石及細砂層并沒有全部清除，超過一半的基礎還殘留有砂礫石或細砂層，與設計預期有一定差異。

3)經(jīng)補充勘察，查明排水棱體基礎除砂礫石及細砂層的分布深度和厚度存在差異，地層層位、結構沒有大的變化，認為砂礫石層仍有液化可能，只是程度更輕微，細砂層仍按中等液化考慮為宜，需要采取工程處理措施。

4)對局部的厚度不大的砂礫石層，要求對表面進行碾壓，0.5 m深度范圍內(nèi)相對密度不小于0.67(密實狀態(tài))。

5)對厚度較大的砂礫石及細砂層，在靠近池堤一側(cè)采用排水齒槽明挖排降水。排水齒槽內(nèi)回填塊石，回填至建基面后按原設計施工。

6)通過此案例，再次證明了前期勘察工作對設計方案的影響和對工程的重要性，也說明了理解設計方案、統(tǒng)一認識的重要性。