【摘 要】 南水北调中线工程京石河北段属总干渠的一部分，工程安全事关重大。在完成10.45万m地质钻探和6万组（点）试验的基础上，对地基土液
化进行了评价、分析，优选了防治措施方案，为工程设计、建设提供了可靠的依据。
【关键词】 地基土；液化；治理措施；南水北调中线工程
中图分类号：TU441.8+TV68（222） 文献标识码：B 文章编号：1000-0860（2005）04-0028-03
Judgement and countermeasure for liquefaction of foundation soil:
Mid-route of South-to-North Water Transfer Project
Gu Hui
(Hebei Reseaech Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower, Tianjin 300250, China)
Abstract: With a duration of more than 30 years, the demonstration on the plan of dam safety and flood control for both Gangnan Re-
servoir and Huangbizhuang Reservoir has been made for over 10 times since the 70’s last century; in which the dam safety standard
for planning scheme has been converted from the design flood with the occurrence of 10000 years to the maximum probable flood and the
strengthening scale has been determined with both the result of the research on the ancient floods and the maximum probable flood with
occurrence of 10000 years. In the strengthening plan determined at last the dam of Gangnan Reservoir is to be heightened for 1.5m and
an additional emergency spillway with 5 holes is to be built for Huangbizhuang Reservoir.
Key words: flood control and dam safety; design flood; planning scheme
南水北调中线工程干渠穿过地区存在大量的区域特殊土问题，如黄土、非饱和砂土、膨胀土等，由于土体工程、力学性质引起的工程问题很多。在干
渠经过的河北段存在大量的砂土，特别是砂土液化问题将引起干渠基础的不均匀沉降，导致引水干渠发生开裂、失效， 从而影响工程的运营和稳定。 因
此，在研究该地区的砂土液化机理的基础上，如何确定工程治理措施直接关系到引水工程的经济与安全。针对该引水段的砂土液化机理进行研究，结合工
程特点进行治理措施的对策分析。
1 地质条件
该段工程位于太行山东麓与华北平原的接壤地带，地形总体呈西高东低之势。沿总干渠轴线地形最高点地面高程371.30m，地形最低点地面高程45.0
0m。处于倾斜平原及丘陵两种地貌形态，其间夹河谷地貌规模较大的滹沱河、沙河（北）、唐河、漕河、北拒马河等。河谷形态以宽浅式为主。地表多被
第四系地层覆盖，其长度达215.49km，占渠线总长的94.7%。 渠道穿过宽浅式较大河流，河滩多分布砂性土。以滹沱河段为例，桩号409+800～412+000渠
段在设计渠底板以下5～10m，多为第四系全新统砾砂及卵石层，局部地表有0.2～0.5m厚的中砂层，长611m。
本渠段桩号236+935～401+000地段地震动峰值加速度为0.05g，相当于地震基本断烈度Ⅵ度区；桩号401+000～452+000地段地震动峰值加速度为0.10
g，相当于地震基本烈度Ⅶ度区；桩号452+000～461+181地段地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震基本烈度Ⅶ度区。
2 地基土液化判别方法
判别程序先按地震、地质、埋藏、土质条件的一些限界指标进行初判，不液化的场地不再进行进一步的判别。判别为液化的场地则进一步通过现场测
试、剪应力对比或地震反应分析等方法进行定量判别。判别可能性之后，进一步判定后果的严重程度，用液化指数划分液化的严重程度，为设防措施提供
依据。
2.1 标贯判别法
根据我国8次大地震的震害调查和勘探分析，在砂土液化现场以砂层埋深3m、地下水埋深2m作为基本情况， 通过标贯试验找出不同地震烈度下的临界
贯入击数N0。当烈度为Ⅶ度时N0=6，Ⅷ度时N0=10。如果砂土埋深（H）和地下水埋深（h）与上述不同，则采用公式（1）修正。
 （1）
对于饱和砂土和轻亚粘土地震液化的判别，考虑粘粒含量这一因素，其判别式为：
 （2）
式中：PC为粘粒含量（%），当PC＜3%时取3，PC＞12%时取12。
2.2 剪切波速判别
利用剪切波速VS与标贯击数N值之间的相关性，将以N为判据的判别式转换为以VS为判据的判别式。根据现场研究与相关分析，VS与N之间：
 （3）
令VS′为液化临界剪切波速； 为液化临界剪切波速基准值，可转换为：
 （4）
与N0的对比值见表2。
表1 滹沱河河滩地段土的物理性质指标
表2 与N0的对应值
2.3 理论计算判别
引起砂土液化的地震剪应力超过砂土液化所需的剪应力时，即发生液化，也即当地震剪切波在砂土中引起的剪应力超过该砂土的抗剪强度时，即发生
液化。根据土的动三轴试验求出的应力比（σd/σa， 即最大动循环剪应力τmax与初其围限压力σa之比）和某一深度土层的实际应力状态（土层有效上
覆压力），计算出能引起该砂土层液化的剪应力（τ），而此剪应力就相当于该砂土层抵抗液化的抗剪强度，如果取得的值小于据地震加速度求得的等效
平均剪应力（σa），则可能液化，其表示式为：
 ＞  （5）
2.4 综合指标法
这是一种经验判别的方法，以宏观调查为基础，根据已有的历史地震实例，找出某些地震参数与土质特性指标之间的关系，提出判定砂土地震化可能
性的一些综合指标。参考国内外有关资料提供的可能液化指标见表3。
表3 地基砂土的可能液化指标
2.5 模糊聚类分析法
聚类分析可定量地对样品客观地分型划类。采用软划分模糊聚类分析方法可解决地基土液化类和非液化类的液化判别。此方法是设待分类的样本集合
为：
每个勘探点样本Xj有S个指标，则每个样本Xj可用行矩阵表示，即
若X有n个样本，要分成C类，（2≤c＜n），则它的软划分可用矩阵U求出。
而最佳分类的衡量标准是样本与聚类中心的距离平方和最小。
根据目标函数 与软划分矩阵 约束条件式，可求出软划分矩阵和聚类中心，即 与软划分矩阵
约束条件式，可求出软划分矩阵和聚类中心，即
 
用软划分聚类方法对大量样本进行分类，对轻亚粘土和砂土进行液化判别，结果比较直观、可靠。
3 总干渠地基土液化评价
3.1 土的类型及性质
土的类型及性质是地基土液化的内因。粉、细砂土最容易液化的主要原因是在振动作用下极易形成较高的超孔隙水压力，其次是这类土的天然孔隙比
与最小孔隙比的差值（e-emin）往往比较大，地震变密时有可能排挤出更多的孔隙水。粘粒含量较高的粘性土则是较强的粘聚力抑制了液化。而粗粒土，
尤其当其级配不均匀，结构较密实时，透水性较强，也是难以液化的。
总干渠京石段的地基土体大部分符合发生液化的内在条件：以滹沱河为例，地层的上部为粘性土，下部以细砂中砂为主，局部存在粘性土夹层；地基
土层的第2层为细砂层，厚度不均，最薄处几乎为0，最厚10m，颗粒较细，松散，中等透水性，设计渠底线穿过该层。
3.2 地震动的强度和历时
地震动的强度和历时是砂土液化的动力。地震愈强、历时愈长，则愈易引起砂土液化。
总干渠京石段32.8km渠段处于7度地震烈度区，为砂土液化提供了外部诱发因素。
3.3 在6度地震时的地基砂土液化评价
京石河北段194.56km渠段属6度地震区，一般情况下不进行判别和处理，但对于液化沉陷敏感的饱和砂土和粉土地层按7度进行判别和
处理。
3.4 地基地震液化潜势的初判
在地下水位以上的中细砂层、砂壤土不具备发生液化的条件。地基中存在的中细砂层具有中等透水性，在考虑渠道渗漏的情况下，则
地基砂土将有发生液化的可能性。
3.5 地震液化潜势的复判
据各标准贯试点的砂土、砂壤土的液化性进行判别，计算渠底的液化潜势。滹沱河液化土层判别结果见表4。
表4 液化土层判别结果
3.6 液化的等级划分
计算出其液化指数IlE后，判定各钻孔处位置的液化等级，结果列于表5。
表5 液化等级划分结果
3.7 滹沱河河滩地段地质评价
综合该地段各钻孔的液化判别结果、地质地貌及土层分布等情况，其工程地质条件较差，地基砂土具地震液化的可能性。尤其在滹沱河进出口连接渠
段细～中砂层分布连续，渠底稳定性较差，具中等渗漏，存在严重的液化潜势。
4 液化程度评价
4.1 地基土层液化程度在水平方向的比较
液化指数IlE随地震烈度的变化曲线见图1。当地震设防烈度由7度提高到8度时，地基土的液化程度增加了0.5倍左右；当提高到9度时，其液化程度较
之7度时增加了1倍左右。各钻孔的液化程度差异明显，反映了地基液化程度不均匀性。液化性及液化程度曲线所反映的液化潜势情况均可作为地基处理的
依据。
4.2 地基土层液化程度在垂直方向的比较
通过液化系数分析在垂直方向比较各土层的液化程度，从而探明液化程度最严重土层深度，为地基处理的设计和施工提供更明确的依据，其表达式如
下：
 （6）
式中，Y—液化系数；Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值；；N63.5—经地下水位校正后的贯入锤击数。
图1 各试验点液化指数随地震烈度的变化曲线
5 液化治理及对策
本段渠道地震液化基础处理措施主要对换土法、强夯法、土工膜垂直围封法、混凝土垂直帷幕围封法、振冲置换法等方案进行了比选分析。
5.1 换土方案
采用天然地基时，当上覆非液化土层厚度符合下列条件时，可不考虑液化影响：
 ＞  （7）
式中，du—上覆非液化土层厚度（m）；db—基础置深度（m）；d0—液化土特征深度（m），饱和粉土为6m，砂土为7m。
5.2 振冲碎石桩加固液化土地基
这种方法对提高饱和粉、细砂土抗液化能力效果较佳，可使砂土的Dr增加到0.80，且回填的碎石有利于消散空隙水压力。振冲挤密和排水减压的加固
机理能够完全消除液化，并提高地基承载力。
（1）桩径、桩长及桩位布置
碎石桩桩径80cm，碎石桩深入非液化土层100cm，成正方形布置。
（2）桩距确定
 （8）
 （9）
式中，e0—基础处理前砂土的孔隙比；e1—基础挤密后要求达到的孔隙比； emax、emin—砂土的最大和最小孔隙比；Dri—砂土挤密后达到的相对密
实度，取0.8。
5.3 板桩混凝土帷幕围封方案
采用22cm厚混凝土垂直帷幕围封液化土层，混凝土垂直挡墙要有一定刚度和强度且防渗，使液化砂层形成相对封闭体，可减缓地下水渗透速率，消除
和减轻液化破坏，保护渠道安全。混凝土垂直挡墙的深度至非液化土层下1m,最大挡墙深度为13m；为防止渠道填方部分渗漏，渠道填方外坡增加复合土工
膜防渗。
5.4 强夯处理粉细砂液化
强夯法处理粉细砂液化措施，国内有各种实施方法，而且对实施中一些重要措施也有一定的计算方法，如夯沉量的确定、夯击能量计算、夯击次数和
落距、夯锤重量与底面积等均有一定的确定方法和计算公式。
6 结 语
结合南水北调中线京石河北段地质条件，全面综合分析了砂土地震液化的影响因素、评价方法及防治措施，采用多种方法对该段地基砂土液化进行了
评判，研究结果表明，该渠段7条较大河流和7度地震区的地基存在不同程度的液化，为相应渠段的渠道设计、建筑物设计提供了充分的依据。 |
