平原區土石壩可液化土地基地震液化研究

尤立委

（蘭山區施莊水庫管理所，山東 臨沂 276036）

1 引言

中國是一個地震頻發的國家，具有強度大、震源淺、分布廣等特點，由地震造成的人員死亡數目占全球地震死亡人數的1/2以上。由于中國水資源分布不均，為了解決用水危機，在許多人口稠密、經濟發達的平原地區都興建了水庫，在地震作用下這些水庫堤壩往往會因為壩身或者壩基發生液化產生破壞性后果。液化使土體中的孔隙水壓力在極短的時間內迅速加大，有效應力急劇減小，土體的抗剪強度嚴重削弱，最終導致地面噴砂冒水、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年日本東北地區大地震無一例外出現了大面積的砂土液化現象，致使人民群眾遭受了巨大的生命財產損失[3-5]。關于飽和砂土液化問題，劉漢龍[6]等利用室外大型爆炸液化可控試驗場地，對一系列飽和砂土中的單點以及多點開展微差爆炸液化試驗，分析了土中孔隙水壓力增加規律。陳育民[7]等開展了爆炸液化場地上堤壩變形的大規模模型試驗，研究筑壩材料以及堤壩地基加固措施對液化場地上堤壩變形以及裂縫生成的影響。董金玉[8]等利用數值模擬探討了南水北調中線工程砂土液化和變形破壞特點。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試驗，研究不同因素對飽和砂土液化的影響以及飽和砂土液化后的宏觀變形規律。

筆者基于某平原水庫土石壩工程，采用巖土軟件Geo-slope對飽和砂土地基進行數值模擬，分析了不同上游庫水位以及有無設置壩腳壓重情況下壩基飽和砂土的液化規律、壩體典型節點的加速度響應以及壩坡穩定性，為類似工程提供一定的參考。

2 計算理論

進行動力分析時采用的是非線性材料模型，Geoslope中非線性材料模型計算地震過程中產生的超孔隙水壓力時采用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生的體積應變增量。

Geo-slope中MFS孔壓力函數表達式為：

式中：γ為土體的剪應變，εvd為累積體積應變，C1，C2，C3和C4為模型常量。根據地基土試驗參數，動孔壓模型常數近似取相對密度為45%的結晶二氧化硅砂常數，即C1=0.8、C2=0.79、C3=0.45、C4=0.73。

3 計算模擬

3.1 計算模型

計算模型以山東某中型平原水庫圍壩為背景，該圍壩為砂壤土均質壩，上游坡面鋪設的復合土工膜以及在離上游壩腳不遠處設置的混凝土防滲墻構成圍壩的防滲體。上下游坡度均為1∶3，壩頂高程為15 m，地面高程為3.5 m，水庫設計最高蓄水位為12.5 m、死水位為3.9 m，壩基長200 m、高50 m，圍壩下游設有截滲溝。壩基土體共分為5層，根據地質勘測初步判斷第1、2、3層為可液化土層，第4、5層為非液化土層。同時，為了便于觀測，在壩體各處設置了數個監測點，用于監測地震作用下該點所在單元的動力響應情況。

圍壩的典型地質剖面如圖1所示，相應的網格剖分如圖2所示。該網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，整個模型一共剖分3 054個點、2 932個單元。

圖1 圍壩典型地質剖面

圖2 模型網格

3.2 材料參數

由壩址現場地質勘查以及室內土體物理試驗測得壩體以及壩基各土層的物理力學參數，詳見表1。

根據可研性研究報告，圍壩所在庫區的地震動峰值加速度為0.15 g，相應的地震烈度為Ⅶ度。采用國際上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度時程曲線，截取地震振幅較大的前10 s作為輸入波，在對地震波進行濾波以及基線校正處理的基礎上將其峰值調為0.15 g，如圖3所示。

表1 土層物理力學參數

圖3 校正后的水平加速度時程曲線

4 計算結果及分析

4.1 未設置壓重情況

圖4（a）和4（b）分別為未設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域圖，圖中A區域表示土體發生液化。從圖4（a）可知，當上游庫水位為正常蓄水位時，地震結束時刻除了大壩正下方區域外，飽和砂土層都發生了不同程度的液化：在遠離上游壩腳的可液化土層發生中等面積的液化，上游壩腳附近的可液化土層也發生小范圍的液化；下游壩腳下方的可液化土層以及遠離下游壩腳的可液化土層發生了大面積的液化。這是由于當上游庫水位處于高水位時，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，在地震的劇烈震動下，可液化土層中的孔隙水壓力難以上升，土體不易發生液化；壩體正下方的可液化土層由于承受來自壩體自身的重力作用，孔隙水壓力上升最慢，此處土體最不易發生液化；雖然上游迎水面上鋪設了復合土工膜，但是在滲流的作用下，下游壩腳及遠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，土體易發生液化。

圖4 無壓重下不同庫水位壩基液化分布

如圖4（b）所示，當上游庫水位為死水位時，地震結束時刻飽和砂土地基發生與圖4（a）相似的液化：從上游壩腳附近到遠離上游壩腳的可液化土層發生大面積的液化，而且面積比正常蓄水位情況下要大；下游壩腳以及遠離下游壩腳的可液化土層也發生了大面積液化，但是面積較正常蓄水位下要小。這是因為當上游水位處于低水位時，上游迎水面的復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，在地震震動作用下，孔隙水壓力急劇上升，有效應力大幅度減小，土體極易發生液化。死水位情況下，下游壩腳以及遠離壩腳的可液化土層雖然上覆壓力較正常蓄水位大，但是也無法避免液化的發生。

4.2 設置壓重情況

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束時刻上下游壩腳下方的可液化土層幾乎不發生液化，其中上游壩腳處的液化區域幾乎為0，下游壩腳下方只有小范圍的液化區域，上下游遠離壩腳的可液化土層的液化區域較無壓重情況下無明顯減小。從圖5（b）可以看出，死水位情況下，地震結束時刻上下游壩腳下方的液化區域大大減小，上下游遠離壩腳的可液化土層液化區域較無壓重情況下無明顯變化。

圖5 有壓重下不同庫水位壩基液化分布

5 結論

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

（2）設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，但是工程實踐中，對于淺層液化土體，一般要挖除液化土層，并用非液化土替換，或者在壩腳處設置擠密樁，保證工程安全。