王富強，張建民

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084)

0 引 言

隨著我國水能資源開發(fā)的不斷深入，水電工程建設(shè)面臨著越來越復(fù)雜的建壩條件，深厚覆蓋層地基上建壩即是水電工程技術(shù)難題之一。我國已在覆蓋層上修建了一批土心墻堆石壩、瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩、混凝土閘壩等。小浪底(壩高160 m，覆蓋層最大厚度約70 m)、瀑布溝(壩高186 m，覆蓋層最大厚度77.9 m)、毛爾蓋(壩高147 m，覆蓋層最大厚度約50 m)和長河壩(壩高240 m，覆蓋層最大厚度約50 m)等高土心墻堆石壩，以及察汗烏蘇(壩高110 m，覆蓋層最大厚度40 m)和九甸峽(壩高136.5 m，覆蓋層最大厚度65 m)等高混凝土面板堆石壩工程的成功建設(shè)，表明我國在覆蓋層上建壩方面已取得了顯著成績，積累了豐富經(jīng)驗。隨著水電開發(fā)重點進一步向我國西南和西藏地區(qū)轉(zhuǎn)移，強震區(qū)超深厚覆蓋層上筑壩出現(xiàn)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如西藏某高壩工程的初選壩址處覆蓋層深度超過500 m、地震設(shè)防烈度達到9度，工程設(shè)計和建設(shè)存在很大難度。

已有工程經(jīng)驗表明，壩基覆蓋層土體多具有結(jié)構(gòu)松散、巖性不連續(xù)、成因復(fù)雜、物理力學(xué)性質(zhì)不均勻等特點。其中，透水層和不透水層通常相間分布，甚至出現(xiàn)較大體積的富含砂或粉細砂的透鏡體。一般認為，飽和無粘性土屬于可液化土，如飽和砂土或粉土等，飽和砂土地震液化方面也取得了一系列研究成果[1]。當(dāng)然，也有文獻報道了砂礫土液化現(xiàn)象[2]。在地震的作用下，覆蓋層中富含砂土層或砂性透鏡體中孔隙水壓力會上升，甚至出現(xiàn)地震液化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生強度弱化和較大的震動變形，對壩體產(chǎn)生不利影響。

針對強震區(qū)覆蓋層上建壩，工程師主要關(guān)心3個問題：①壩基覆蓋層是否會發(fā)生地震液化，即液化判別的問題；②如果覆蓋層中地層或透鏡體發(fā)生了地震液化，其穩(wěn)定性和震動變形會對大壩會產(chǎn)生何種影響，即壩基覆蓋層液化是否致災(zāi)；③針對覆蓋層液化問題，如何采取經(jīng)濟且有效的工程措施。因此，本文針對壩基覆蓋層地震液化問題，對液化判別方法進行了梳理，對壩基覆蓋層液化對穩(wěn)定性和變形影響進行了分析，并論述了壩基覆蓋層地震液化的處理措施。

1 壩基覆蓋層土體液化的判別方法

控制壩基覆蓋層土體地震液化的因素可歸結(jié)為動力條件(地震烈度和持續(xù)時間等)和土性條件(成分、密度和有效固結(jié)壓力等)。液化判別即是比較動力作用與覆蓋層土體極限抵抗能力的相對大小，當(dāng)動力作用強度大于土體極限抵抗能力時，就可能發(fā)生液化，反之則不會。實際應(yīng)用中，液化判別方法較多，如經(jīng)驗方法、臨界孔隙比法、振動穩(wěn)定密度法、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法、剪應(yīng)力法、剪應(yīng)變法、能量法等。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法和剪應(yīng)力法在水電工程實踐中應(yīng)用最廣泛，其中標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法已被我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范[3]、水力發(fā)電工程地質(zhì)勘查規(guī)范[4]等國家標(biāo)準(zhǔn)所采用。

1.1 經(jīng)驗方法

常用的經(jīng)驗方法包括根據(jù)覆蓋層土體所處的地質(zhì)年代、粒徑級配、相對密度以及含水率情況進行判別，還可根據(jù)土體的剪切波速等進行判別。經(jīng)驗方法多用于土體液化的初判[4]，其可靠性主要依賴于震害資料累積和統(tǒng)計分析等，有時還需要綜合考慮覆蓋層土體的埋深，即周圍壓力的影響。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法

該方法利用飽和土體的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5與液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr的大小關(guān)系進行液化判別。當(dāng)N63.5

1.3 剪應(yīng)力法

該方法由Seed和Idriss[5]提出的簡化方法發(fā)展而來，以地震在土層中引起的動剪應(yīng)力比(CSR)來表征動力作用的大小，以一定振次下達到液化時所需的動剪應(yīng)力比(CRR)來表征土抵抗液化的能力。地震在土層中引起的動剪應(yīng)力可由動力反應(yīng)計算分析得到，也可采用文獻[5]中的簡化公式計算，即

式中，amax為地表峰值水平加速度；g為重力加速度；τav為地震產(chǎn)生的平均循環(huán)剪應(yīng)力；σv0和σv0′分別為計算點的豎向總應(yīng)力和有效應(yīng)力；rd為應(yīng)力折減系數(shù)，其取值可參照美國國家地震委員會的建議。抗液化剪應(yīng)力比CRR可采用室內(nèi)試驗和震害調(diào)查確定，室內(nèi)試驗由于原位試樣取樣難度和代價較大應(yīng)用較少，震害調(diào)查則應(yīng)用相對較多。

1.4 液化判別方法的發(fā)展

上述液化判別方法更注重對天然地基土體的液化判別，對于上部結(jié)構(gòu)物的影響考慮較少。然而，對于大壩而言，壩基中的應(yīng)力條件與天然地基有明顯差別，其液化可能性也會有較大差別，因此門祿福等[6]曾提出一個用總應(yīng)力法分析建筑物地基液化的簡化方法。對于壩基覆蓋層中可液化土體，除采用相關(guān)規(guī)范規(guī)定的方法進行液化判別外，宜采用數(shù)值計算或震動試驗進行研究，數(shù)值計算可結(jié)合剪應(yīng)力法進行液化判別，也可基于有效應(yīng)力法計算。

2 壩基覆蓋層土體液化的影響

已有震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地震液化導(dǎo)致的破壞大致可以分為兩種類型：一種是流滑破壞，指的是在小于或等于靜剪切力的作用下，土體產(chǎn)生持續(xù)變形的現(xiàn)象；另一種是變形破壞，指的是在震動過程中或震動后產(chǎn)生了不可接受的較大永久變形。因此，地震液化影響主要包括2個方面：①液化穩(wěn)定問題，即液化對壩基和壩體穩(wěn)定性的影響，核心是評價地震作用時和作用后的土體強度；②液化變形問題，核心在于評價土體的動力變形特性。

2.1 液化穩(wěn)定

圖1為不排水條件下土體應(yīng)力應(yīng)變曲線的兩種類型，圖1a、1b為單調(diào)剪切作用，圖1c、1d則為循環(huán)剪切作用。其中，第1類土密實度較低，為剪縮性土，當(dāng)震動強度一旦超過其峰值強度，則土體發(fā)生漸進性破壞，孔壓持續(xù)上升，抗剪強度持續(xù)減小以致達到殘余強度Sus，殘余強度小于靜剪切力時則出現(xiàn)流滑。第2類土密實度相對較高，為剪脹性土，隨著剪切變形的發(fā)展，其強度逐漸增加，在不排水條件下一般不會出現(xiàn)流滑現(xiàn)象。

圖1 不排水剪切條件下土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的兩種類型

對于第1類土，穩(wěn)定分析中的液化土層宜采用不排水殘余強度Sus。對于第2類土，地震作用下一般表現(xiàn)為孔隙水壓力增大和有效應(yīng)力的降低，出現(xiàn)地震液化或弱化現(xiàn)象，隨著剪切變形的發(fā)展，該類土?xí)霈F(xiàn)剪脹和剪切吸水現(xiàn)象[7]。因此，第2類土在穩(wěn)定分析中應(yīng)考慮孔隙水轉(zhuǎn)移對強度和變形的影響，對其不排水強度進行一定程度的降低。

2.2 液化變形

數(shù)值分析方法是評價壩基震動變形的有效手段，用于地震液化分析的數(shù)值方法主要是動力反應(yīng)分析方法。根據(jù)所采用的本構(gòu)模型，動力反應(yīng)分析可分為等效線性分析和非線性分析。等效線性分析將土視為粘彈性體，僅適用于小變形、非線性和超靜孔壓不顯著的情況，在模擬地震液化及液化后大變形方面存在局限。

非線性分析根據(jù)本構(gòu)模型不同可分為直接非線性分析和彈塑性分析，根據(jù)超靜孔隙水壓力的考慮方式不同，又可分為總應(yīng)力分析、擬有效應(yīng)力分析和動力固結(jié)分析。總應(yīng)力分析不考慮振動過程中孔隙水壓力的增長、擴散和消散過程及其對土的動應(yīng)力應(yīng)變特性的影響，無法模擬地震液化及液化后大變形現(xiàn)象。擬有效應(yīng)力分析則在等效線性動力反應(yīng)分析基礎(chǔ)上，將不排水條件下的動荷載作用的孔壓發(fā)展模式與固結(jié)理論耦合，固結(jié)分析與動力反應(yīng)分析交替進行、相互分離。

在基于Biot動力固結(jié)方程的動力固結(jié)分析中，孔隙水壓力的產(chǎn)生、消散和擴散與土體應(yīng)力變形是完全耦合的，可以模擬實際的地震中土體變形與孔壓發(fā)展及消散情況，其模擬能力主要取決于本構(gòu)模型的有效性。文獻[1]介紹了一種砂土震動液化大變形本構(gòu)模型與相應(yīng)算法。

2.3 覆蓋層土體內(nèi)部孔隙水轉(zhuǎn)移的影響

已有震害調(diào)查分析表明，地基或者構(gòu)筑物發(fā)生的流滑破壞，有時并不是發(fā)生在地震過程中，而是發(fā)生在地震結(jié)束后的某一時段。例如，1971年美國圣菲爾南多地震中，圣菲爾南多壩的上游壩坡的流滑破壞大約發(fā)生在震動停止后約半分鐘[8]；1964年日本新瀉地震中由于地基土體的側(cè)向流動在震動后持續(xù)發(fā)展，Showa橋在震后約1 min發(fā)生了橋面垮塌[9]；1975年我國海城地震主震過后約數(shù)十分鐘，石門嶺土壩上游坡體才發(fā)生滑坡[10]。上述震害的共同特點是流滑破壞均發(fā)生在地震結(jié)束后的某一時段，震動引起的超孔隙水壓力的消散、擴散和轉(zhuǎn)移是延遲破壞的影響因素。

目前，一般采用不排水條件的剪切試驗評價地震液化中的土體狀態(tài)，這可能高估了土體強度同時低估了變形，在實際工程中由于部分排水引起的小范圍的體積膨脹也會使常規(guī)評價方法得到的結(jié)果偏于危險。壩基覆蓋層中常常呈現(xiàn)透水層和不透水層相間分布，土體的排滲條件對其是否液化及震后變形有很大影響。如圖2a為成層地基中地震作用下孔隙水轉(zhuǎn)移的情形，由于上覆粉土層滲透性相對很低，中間砂層可認為處于整體不排水條件，而在地震動過程中和結(jié)束后的一段時間內(nèi)由于存在孔壓梯度，孔隙水發(fā)生滲流，下部砂層(單元A)就會向上部砂層(單元B)滲流。那么，對于土單元A而言，其邊界條件就為部分排水，而土單元B則處于孔隙水流入的邊界條件或者稱為吸水條件。圖2b為該現(xiàn)象的極端情況，在一維管振動試驗中的砂層和粉土層之間出現(xiàn)“水膜”現(xiàn)象[11]?？紫端D(zhuǎn)移甚至水膜現(xiàn)象的出現(xiàn)，對成層地基的穩(wěn)定性和變形非常不利，因此，在液化穩(wěn)定和變形分析中考慮孔隙水轉(zhuǎn)移是非常必要的。

圖2 地震作用下覆蓋層土體中孔隙水轉(zhuǎn)移現(xiàn)象

因此，只有在充分認識土體液化的物理機制基礎(chǔ)上，采用可以統(tǒng)一描述飽和砂土初始液化前后應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型及相應(yīng)算法，并基于三維化和高效的計算模型，才能真正模擬覆蓋層土體的地震液化現(xiàn)象、準(zhǔn)確評價液化對壩體和壩基穩(wěn)定和變形的影響，進而可論證工程措施的有效性。

3 壩基覆蓋層土體液化的工程對策

對于判別為可能液化的壩基覆蓋層土體，一般可采取挖除、置換、加密、壓重、封閉等方法。對于重要工程，宜優(yōu)先采用挖除或置換處理，當(dāng)液化土層埋深較深、挖除困難或不經(jīng)濟時可考慮加密等其他措施。加密措施包括振沖、振動加密、擠密碎石樁、強夯等，由于土體加密以及局部碎石樁形成豎向排水通道等作用，可有效提高基礎(chǔ)承載力和砂層抗液化能力，降低液化影響。上、下游壓重也是處理壩基覆蓋層土體液化的常用措施，一方面增加壓重可以增強壩基土體的抗液化能力，另一方面也可增加壩體和壩基整體抗滑穩(wěn)定性。

我國在水電工程建設(shè)中積累了處理液化土層的豐富經(jīng)驗。長河壩礫石土心墻堆石壩壩基埋深4～30 m范圍內(nèi)存在厚0.75～12.5 m的可液化砂層，經(jīng)研究采取了全部挖除方案；獅子坪碎石土心墻堆石壩對心墻及下游堆石區(qū)基礎(chǔ)中的含碎礫石粉砂層進行了8～15 m深的振沖處理；龍頭石心墻壩針對壩基砂層采取了振沖碎石樁處理；黃金坪瀝青混凝土心墻堆石壩對壩基可液化砂層采取了基本挖除并設(shè)置下游壓重。硬梁包大壩分為閘壩和面板堆石壩兩部分，針對壩基覆蓋層中的可液化砂層，閘壩壩基擬采用振沖碎石樁、混凝土連接壩基礎(chǔ)采用地下連續(xù)墻方案，面板堆石壩擬采用振沖碎石樁與壓重結(jié)合的處理方案。對于混凝土壩，有時還可采用穿過液化土層的樁基，以降低液化對上部結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié) 語

(1)對于壩基覆蓋層中的可液化土體，除采用規(guī)范規(guī)定方法進行液化判別外，為了分析上部壩體附加應(yīng)力的影響，宜采用數(shù)值方法等開展液化判別。

(2)覆蓋層土體液化的主要影響包括液化穩(wěn)定問題和液化變形問題。對于剪縮性可液化土層，其地震穩(wěn)定性分析中宜采取不排水殘余強度；對于剪脹性可液化土層，其地震穩(wěn)定性分析中宜考慮地層中孔隙水轉(zhuǎn)移對強度和變形的影響，對其不排水強度進行一定程度的降低。

(3)只有在充分認識土體液化的物理機制基礎(chǔ)上，采用可以統(tǒng)一描述飽和砂土初始液化前后應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型及相應(yīng)算法，并基于三維化和高效的計算模型，才能真正模擬覆蓋層土體的地震液化現(xiàn)象、準(zhǔn)確評價液化對壩基和壩體變形的影響。

(4)我國在水電工程建設(shè)中積累了可液化土層處理的豐富實踐經(jīng)驗，但對處理措施的有效性仍缺乏定量的分析，隨著三維、高效的飽和砂土液化計算模型的建立和應(yīng)用，液化處理措施的有效性和定量化評價將成為可能。