嫩江干流堤防工程地基土液化判别与防治措施

谢 亮，姚建欣，张书建，周经纬，迟宝明

(1．防灾科技学院，河北三河 065201;2．河北联测地基基础公程有限公司，河北三河 065201)

0 引言

江河堤防是我国防洪工程体系的重要组成部分，是保障两岸人民生命财产安全的基本设施和最后屏障。堤防工程的稳定性主要受堤身及地基土特性、堤身几何特征、水的作用以及地震的影响。我国建筑抗震设防标准从建国初照搬前苏联规范到89规范(GBJ 11－89)，经历了从无到有，不断发展的过程，在这中间存在抵御灾害的能力不够强，防洪标准不够高等问题，如由于堤坝建设时间早，当时没有出台相应的堤坝抗震设防标准，后期虽然经过数次修缮却依然达不到抗震设防要求;许多大江大河的防洪标准只有10～20年一遇，中小型河流的防洪标准更低，甚至是不设防，这些问题导致堤防工程在地震发生时极易遭受破坏［1］。1966年邢台地震导致滏阳河及其支流沿岸地区出现喷水冒砂;1975年海城地震给辽河、太子河大堤造成严重破坏;1999年台湾集集地震造成伸港乡大笛溪河口堤防严重受损;2008年汶川地震中四川震损堤防共计500余处［2］。从以上堤防震害实例中发现，它们均存在着地基基础条件差、抗震能力薄弱等问题。因此，针对我国目前堤防工程地基土出现的这些问题进行准确可靠的液化预测判别，对提高我国堤防工程的防洪抗震性能，保障两岸居民的生命财产安全具有极其重要的现实意义。

嫩江干流堤防工程同样存在上述问题，而且由于嫩江流域夏季雨量集中，冬季低温冰冻时间长这种特殊的气候条件，使得嫩江干流两岸堤防的风险性相对于其他地区更高。本文首先以《建筑设计抗震规范》中标准贯入锤击数法对嫩江干流肇源区段的堤防地基土进行液化判别，之后选择判别分析法针对当地特殊的工程地质条件建立距离判别模型，从而为工程地基土的地震液化预测提供数据支持。

1 场地工程地质条件

黑龙江省嫩江干流堤防区位于松嫩平原中西部嫩江两岸，地理坐标为120o～126.5oE，45.5o～51.5oN，如图1所示。主要地貌单元为河漫滩和一级阶地，地势总体呈北高南低趋势。嫩江干流堤防区属寒温带半湿润大陆性气候，冬季长而寒冷，夏季短而多雨，年平均气温2℃～4℃。冬季冰封期达150天左右，冰厚2 m左右。嫩江干流堤防区内主要为第四系松散堆积层，厚度变化较大，一般在80～120m。主要岩性为黄色低液限黏土、含细粒土细砂，级配不良［5］。含水层岩性多为含细粒土细砂，颗粒较细，渗透性差，浅层(20～30m以内)地下水类型为孔隙潜水为主，局部具弱承压性，地下水埋深一般小于5m。嫩江干流堤防区内主要断裂为嫩江断裂，前期资料显示，此断裂近期无活动。

表1 黑龙江省嫩江干流堤防地震动参数Tab．1 List of seismic ground motion parameters of Nenjiang Mainstream Dyke in Heilongjiang Province

图1 嫩江干流堤防工程地理位置分布图Fig．1 Geographic location of Nenjiang Mainstream Dyke Project

2 地基土液化判别

标准贯入锤击数法的砂土液化判别方法已经非常成熟，在此不再赘述。而对于砂土液化的预测模型，近年来逐渐成为学者们关注的焦点。目前用到的砂土液化预测方法如模糊数学法、人工神经网络法、支持向量机等，然而这些方法或是因为收敛速度慢，或是因为参数选择不合理最终影响判别效果。判别分析法是在已知研究对象分成若干类型(或组别)，并已取得各种类型的一批已知样品的观测数据的基础上建立判别式，然后对未知样品进行判别分类，是一种应用性很强的统计分析方法，已在经济、医学、气象等多个学科领域取得了很好的效果［3］。本文借鉴判别分析法的思想，建立距离判别分析模型，对嫩江干流堤防工程地基土进行液化预测判别。

2.1 判别方法

判别分析方法是一种统计分析方法，利用该方法处理问题时，通常要给出一个新样品与各已知类别接近程度的描述指标，即判别函数，同时也指定一种判别规则，以判定新样品的归属。决定样品归属时，只需考虑判别函数值的大小。距离判别的基本思想是:比较样本和每个总体的马氏距离，并将其判定属于马氏距离最近的那个总体。

设有两个总体(或称两类)G1、G2，已知判别因子 X=x1，···，xk，来自总体 Gi(i=1，2)的训练样本 Xi=(xi1，xi2，···，xik)'，i=1，2，···，n。定义Xi到两类总体 G1、G2的马氏距离分别为［11］

式中:μ(1)、μ(2)、V1、V2分别为两类总体 G1、G2的均值向量和协方差矩阵，其样本的估计公式为:

式中:n1、n2分别为 G1、G2的样本容量;向量。

马氏距离判别函数为:

判别规则:

计算步骤:设从 Gi中抽取的样本为

①计算公式

②对待判别样本X，计算马氏距离判别函数值W(X)。

③按照判别规则，对待判别样本 X进行判别。

2.2 判别标准评价

为考察上述判别准则的优良性，采用以训练样本为基础的回代估计法计算误判率。以两个总体G1、G2为例，来自总体 Gi(i=1，2)2，···，ni)，其中 ni为取自 Gi的样本个数，且两个总体的容量分别为n1和 n2。以全体训练样本作为n1+n2个新样本，逐个代入已建立的判别准则中，判别其归属，这个过程称为回判。用n12表示将属于总体G1的样本误判为总体G2的个数，n21表示将属于总体 G2的样本误判为总体G1的个数。误判率η的回代估计为:

3 计算与分析

3.1 标准贯入试验液化判别

据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487－2008)，嫩江干流肇源区段地层均为第四系全新统(Q4)地层，处于地震烈度Ⅶ度区，地震峰值加速度为0.15g。从老龙口地基土中饱和砂性土的颗粒组成上看，粒径小于5mm的颗粒含量质量百分比均大于30%，且粒径小于0.005mm的颗粒含量质量百分比均小于16%，初判为可能液化层，需要进行复判。

标准贯入试验的判别结果显示，(钻孔位置如图2所示)13个钻孔所处地层的实际标贯击数N小于临界标准贯入击数Ncr，存在液化风险，7个钻孔所处地层的实际标贯击数N大于临界标准贯入击数Ncr，不存在液化风险。而对于存在液化风险的13个钻孔所处地层进行液化等级判定，4个钻孔所处地层的液化指数IlE＞18严重液化，其余则为中度或轻微液化。液化判定结果见表2，液化指数计算结果见表3。

图2 老龙口段堤防钻孔位置分布示意图Fig．2 Schematic diagram of distribution ofdrilling position of dike in Laolongkou section

标准贯入锤击数与地下水位和砂层埋深存在密切关系。地下水位埋深越浅，地震发生时在地表加速度的作用下越容易产生超静孔隙水压力，从而使得土体更容易发生液化;反之则不易液化。砂层埋深越浅则上覆有效盖层产生的压力越小，发生砂土液化所需要积累的超静孔隙水压力越小，土体更容易液化;反之则不易液化。利用SPSS软件对锤击数N与地下水位和砂层埋深做相关性分析发现，二者具有较好的相关性，地下水位与锤击数N的相关系数为0.712，砂层埋深与锤击数N的相关系数为0.843。锤击数N与砂层埋深的关系更为密切。锤击数与地下水位和砂层埋深的分析结果见图5、图6。

图3 液化判别结果图Fig．3 Result of liquefaction judgment

表2 嫩江干流堤防地基土液化判定结果统计表Tab．2 Statistical results of liquefaction of foundation soil in Nenjiang Mainstream Dyke

表4 距离判别模型与标准贯入试验结果对比表Tab．4 Comparison of distance discrimination model and standard penetration test

图4 液化指数计算结果图Fig．4 Calculation results of liquefaction index

图5 地下水位与锤击数相关分析图Fig．5 Correlation analysis of groundwater level and hammer number

图6 砂层埋深与锤击数相关分析图Fig．5 Correlation analysis between sand depth and hammer number

3.2 距离判别模型建立与验证

影响砂土液化的因素主要分为三类:土性条件(包括土的种类、级配和密实度等)、埋藏条件(包括砂层埋深和地下水位)、地震条件(烈度、震中距等)。鉴于研究区地层岩性主要为含细粒土细砂，地震烈度主要为Ⅶ，因此不考虑地层岩性与地震烈度的影响。根据历史资料显示，研究区附近主要潜在震源位于松原市，因此测量地震活动较为频繁的松原市与研究区各个标准贯入试验点的距离作为震中距，选择实际工程中更容易获取的地下水位、砂层埋深、标准贯入锤击数以及震中距作为距离判别分析模型的判别因子。

根据标准贯入试验报告中得到的数据选择其中15个样本数据进行学习将砂土分为液化与不液化两大类(1表示液化、2表示未液化)，建立了针对嫩江干流堤防工程地基土液化的判别函数，然后另外选择5个样本数据作为对判别函数的验证。假定量总体的协方差矩阵相等，按照距离判别法计算步骤，得到线性判别函数为:

式中:W(X)为马氏距离判别函数，x1表示地下水位，x2表示砂层埋深，x3表示标准贯入锤击数，x4表示震中距。

将样本数据的各因素值代入判别函数式(7)，结合判别准则，当W(X)＞0时判定为不液化，当W(X)＜0时判定为液化。将20个学习样本回代到判别函数中作为对判别模型准确性的验证。各样本数据的判别结果如表4所示，判别结果与标准贯入试验结果情况一致，说明该模型的误判率为0。各样本数据的判别结果见表4。

4 地基土液化防治措施

通过上述研究发现影响嫩江干流堤防工程地基土液化的主要因素为地下水位及砂层埋深。基于液化防治措施的可行性原则提出以下两条建议:

(1)通过工程中常用的换填的方式将地基土液化砂层挖除1～2m，用非液化的黏土层填充并夯实。这在工程中较为常用，也容易实现。

(2)在堤防工程附近进行打孔抽水，将地下水位降低2～3m，抽出来的水可直接排往嫩江。堤防工程附近为农田，进行打工抽水不会影响居民生活，可行性较高。

利用建立的液化判别模型对增加非液化地基土层厚度厚的情况进行液化判别检验液化防治措施的效果。在堤防工程地基土上部增加2m非液化粘性土后经过判别模型检验发现绝大多数土层不再发生液化，只有3处仍然存在液化风险。而在地基土上部增加3m非液化粘性土层后，经过判别模型显示所有土层均不再发生液化，说明上述两条建议可有效防治砂土液化。具体预测结果见表5。

5 结论

经过标准贯入试验的数据分析结果以及借鉴距离判别法思想针对嫩江干流堤防工程所建立的砂土液化判别模型的判别分析结果可得出以下结论:

(1)嫩江干流堤防工程地基土存在液化的风险，主要影响因素为地下水位与砂层埋深。地下水位越深、砂层埋深越深的地方不易液化，反之则更容易液化。

(2)针对嫩江干流堤防工程建立的砂土液化判别模型经样本验证误判率为0，判别模型有效可行。

(3)在增大堤防工程地基土上覆非液化土层厚度2～3m或降低地下水位之后，经砂土液化判别模型验证未发生砂土液化，说明该防治措施可有效降低砂土液化的风险。

表5 距离判别模型预测结果表Tab．5 Prediction results of distance discriminant model

本文借鉴距离判别法的思想针对嫩江干流堤防工程建立了一种砂土液化快速有效的判别方法，同时为堤防工程砂土液化的防治提供了有效可行的措施，为堤防工程的安全稳定运营提供了有力保障。

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