成小勇

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(chǔ)底部存在液化的細(xì)砂層，基礎(chǔ)埋深較大，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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(gè)切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)的處理方案，以消除池堤地基液化的威脅。經(jīng)過對(duì)排水棱體基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)勘察工作，其地基砂礫石層屬輕微液化地層，而細(xì)砂層為中等液化地層，必須采取工程處理措施。

本文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)深基礎(chǔ)中液化地層的處理、前期勘察和設(shè)計(jì)存在的問題進(jìn)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(jié)合二期抽黃總體布置，在抽黃總干渠沿途設(shè)置的調(diào)蓄水池。工程主要由調(diào)蓄水池、進(jìn)水系統(tǒng)、放空系統(tǒng)和洛河護(hù)岸四部分組成。調(diào)蓄水池建筑物級(jí)別為2級(jí)，總?cè)莘e944萬m3，正常蓄水位371 m。調(diào)蓄水池的池堤(相當(dāng)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(shè)排水棱體，最大底寬48 m。堤形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 堤型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)總體分為兩個(gè)地質(zhì)時(shí)代，全新統(tǒng)一級(jí)階地沖積堆積(Q41al)以砂壤土、砂礫石為主，夾透鏡狀細(xì)砂層；上更新統(tǒng)沖積堆積(Q3al)以壤土為主。其中一級(jí)階地砂礫石層干密度ρd=2.13 cm3/g；相對(duì)密度Dr=0.65，呈中密狀態(tài)；滲透系數(shù)K=1.50×10-1cm/s，為強(qiáng)透水巖層；承載力fak=260 kPa，具有輕微液化特征。一級(jí)階地細(xì)砂層干密度ρd=1.55 cm3/g；相對(duì)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(shí)際情況可知，地下水位于排水棱體基礎(chǔ)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(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)，工程區(qū)Ⅱ類場(chǎng)地50年超越概率為10%時(shí)的地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

1.3 液化地層前期勘察結(jié)論

前期勘察對(duì)各層土進(jìn)行了液化判別，經(jīng)初判認(rèn)為一級(jí)階地砂礫石層及細(xì)砂層為可能液化地層，因此需進(jìn)行復(fù)判。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2011)的液化判定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)細(xì)砂層采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法進(jìn)行復(fù)判，確定其為液化土，液化等級(jí)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)砂礫石層采用相對(duì)密度法進(jìn)行復(fù)判。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g，相對(duì)密度不大于液化臨界相對(duì)密度0.75時(shí)，判為可能液化土。最終確定了一級(jí)階地砂礫石層為輕微液化，一級(jí)階地細(xì)砂層為中等液化，應(yīng)進(jìn)行工程處理的結(jié)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(chǔ)只進(jìn)行清表1.2 m，經(jīng)碾壓后直接進(jìn)行堤身填筑，因此基礎(chǔ)開挖主要體現(xiàn)在排水棱體施工過程中。設(shè)計(jì)方案是將排水棱體基礎(chǔ)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(xì)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(chǔ)下液化地層中的水在地震時(shí)可沿排水棱體順暢排出而達(dá)到消除液化的目的。

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

2.2 對(duì)問題的原因分析

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

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(xì)砂為成層分布，但在分布深度、厚度、范圍上具有一定的隨機(jī)性，即相變較大、起伏明顯、礫石和細(xì)砂分布無明顯規(guī)律可循。從補(bǔ)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(dá)2 m之多，但另一壁則完全尖滅，這也說明了地層結(jié)構(gòu)的復(fù)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(dá)到81米之多，即使有橫剖面勘探點(diǎn)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(diǎn)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(shè)有施工地質(zhì)工作內(nèi)容，就是隨時(shí)處理現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的此類問題。

2.3 補(bǔ)充勘察

由于排水棱體基礎(chǔ)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(gè)切實(shí)可行的處理方案，以消除液化問題對(duì)工程的影響，同時(shí)還要控制投資費(fèi)用。制定合理的處理方案，前提是必須查明基礎(chǔ)殘留的砂礫石及細(xì)砂層的深度、厚度、分布范圍，以及密實(shí)程度等邊界條件，因此需要對(duì)排水棱體基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)充勘察。經(jīng)業(yè)主組織各參建單位及邀請(qǐng)專家召開現(xiàn)場(chǎng)咨詢會(huì)，研究決定對(duì)基礎(chǔ)現(xiàn)存的砂礫石、細(xì)砂層有必要進(jìn)行取樣分析，對(duì)液化問題進(jìn)行復(fù)判，查明地質(zhì)條件，為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供技術(shù)支撐。

經(jīng)補(bǔ)充勘察工作，采用探坑取樣、野外及室內(nèi)試驗(yàn)等，查明了排水棱體基礎(chǔ)除砂礫石及細(xì)砂層的分布深度和厚度存在差異，地層層位、結(jié)構(gòu)沒有大的變化，砂礫石層密實(shí)程度隨深度明顯增大。地質(zhì)剖面示意見圖2、相對(duì)密度統(tǒng)計(jì)見表1。

圖2 地質(zhì)剖面示意

表1 相對(duì)密度統(tǒng)計(jì)表

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

根據(jù)補(bǔ)充勘察試驗(yàn)成果，結(jié)合前期試驗(yàn)資料，按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)附錄P進(jìn)行液化判定后認(rèn)為，排水棱體基礎(chǔ)殘留的砂礫石及細(xì)砂顆粒組成與前期近似，雖密實(shí)程度有所增加，但還達(dá)不到質(zhì)的改變。因此認(rèn)為砂礫石層仍有液化可能，只是程度更輕微，細(xì)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(duì)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(duì)揭露的地層全部處理；③震動(dòng)碾壓加密處理，根據(jù)碾壓試驗(yàn)確定處理深度；④在靠近池堤一側(cè)的排水棱體基礎(chǔ)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(shù)討論會(huì)上，各方提出處理方案后，設(shè)計(jì)人員針對(duì)認(rèn)識(shí)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(duì)排水棱體的液化處理意義不大。設(shè)計(jì)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(chǔ)地下水能在反濾的情況下順暢排出，防止地震時(shí)出現(xiàn)噴沙、冒水等液化現(xiàn)象危害池堤安全。

明確設(shè)計(jì)意圖后，針對(duì)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(duì)局部存在的厚度不大的砂礫石層，要求對(duì)表面進(jìn)行碾壓，0.5 m深度范圍內(nèi)相對(duì)密度不小于0.67(密實(shí)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(shí)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(shì)能有限，因此設(shè)計(jì)方案僅對(duì)其進(jìn)行碾壓處理，節(jié)約投資，能保證排水棱體安全即可。

(2)對(duì)厚度較大的砂礫石及細(xì)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(shè)計(jì)施工，見圖1。之所以這樣處理，主要是解決池堤基礎(chǔ)部位的液化問題，設(shè)計(jì)的排水齒槽靠近池堤軸線一側(cè)，給池堤基礎(chǔ)下砂礫石層和細(xì)砂層中的地下水形成通道，使地下水能順利及時(shí)地排出，保證池堤安全。

圖1 拱壩整體模型示意圖

3 結(jié)論

1)前期勘察確定了一級(jí)階地砂礫石層為輕微液化，一級(jí)階地細(xì)砂層為中等液化，應(yīng)進(jìn)行工程處理。

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

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

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

5)對(duì)厚度較大的砂礫石及細(xì)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(shè)計(jì)施工。

6)通過此案例，再次證明了前期勘察工作對(duì)設(shè)計(jì)方案的影響和對(duì)工程的重要性，也說明了理解設(shè)計(jì)方案、統(tǒng)一認(rèn)識(shí)的重要性。