基于壩坡穩(wěn)定復(fù)核的土石壩整體填筑質(zhì)量評價

胡賽瀟 張云發(fā) 劉超 隆文非

摘要：土石壩的填筑質(zhì)量直接影響大壩安全。傳統(tǒng)的土石壩填筑質(zhì)量評價方法大多以控制碾壓參數(shù)和土石填筑料壓實參數(shù)為主，不能定量反映大壩的安全性。對此，以四川省九龍?zhí)娥ね列膲κ鼔螢閷嵗?，提出了基于壩坡穩(wěn)定復(fù)核的土石壩整體填筑質(zhì)量評價方法，通過施工期土石填筑料檢測資料的分析，得到各填筑料的物理力學(xué)指標(biāo)，據(jù)此復(fù)核壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，并與原設(shè)計和規(guī)范允許值進行對比，從而評判施工填筑質(zhì)量。該評價方法的關(guān)健是獲取壩體填筑料的物理力學(xué)指標(biāo)，對比分析基于大樣抽檢試驗直接獲取和基于部分杭剪強度力學(xué)指標(biāo)（黏聚力和內(nèi)摩擦角）與物理指標(biāo)（含水率和干密度）的相關(guān)性分析獲取這兩類方法的優(yōu)缺點。結(jié)果表明，該評價方法具有可操作性，能定量反映大壩的安全性，對類似工程填筑質(zhì)量評價具有參考價值。

關(guān)鍵詞：填筑質(zhì)量；杭剪強度；多元回歸；質(zhì)量評價；壩坡穩(wěn)定；土石壩

中圖分類號：TV641.2+5；TU443 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.029

土石壩取材方便、對地形適應(yīng)性強，是常見壩型之一。土石壩填筑質(zhì)量的好壞對其是否能夠安全運行至關(guān)重要?！赌雺菏酵潦瘔问┕ひ?guī)范》規(guī)定，在施工過程中，需對碾壓參數(shù)（鋪層厚度、碾壓遍數(shù)、碾壓頻率、碾壓行車速度等）進行控制，以控制壓實質(zhì)量，即“事中控制”；倉面施工結(jié)束后，為了評價其壓實質(zhì)量是否滿足要求，需對試坑土體的含水率、干密度等壓實參數(shù)抽樣檢測，即“事后控制”。通常認為，碾壓參數(shù)和填筑料的壓實參數(shù)滿足設(shè)計要求，則填筑質(zhì)量滿足要求。

當(dāng)前，土石壩填筑質(zhì)量評價的研究主要集中在對碾壓參數(shù)的實時監(jiān)控和壓實參數(shù)的快速評估。在碾壓參數(shù)的實時監(jiān)控方面，黃聲享等研制了GPS監(jiān)控系統(tǒng)，鐘登華等研制了土石壩填筑碾壓監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了施工過程中碾壓參數(shù)（壓實厚度、擊振狀態(tài)、碾壓遍數(shù)、行車速度等）的實時監(jiān)控。然而，碾壓參數(shù)的實時監(jiān)控并不能直接得到填筑料的壓實參數(shù)（如干密度、孔隙率或壓實度等），為了快速、實時獲取填筑料的壓實參數(shù)，以評價其壓實質(zhì)量，Jiunnren Lai和IloriA.O.等利用應(yīng)力波傳播速度與縱波反射結(jié)果實現(xiàn)了填筑料壓實參數(shù)的快速獲取，Caterpillar公司通過實時監(jiān)測碾壓機械對土層的輸出功率得到壓實參數(shù)的動態(tài)估計，Amma朋公司利用機測土體剛度獲得了土料壓實參數(shù)。

《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)程》規(guī)定，工程劃分為單元工程、分部工程、單位工程三級，依次按級對施工質(zhì)量進行評價。通常每一填筑層即為一個單元工程，先通過填筑料壓實參數(shù)（如干密度、孔隙率或壓實度等）合格率是否滿足規(guī)范要求來評價，再按單元工程的合格率依次對分部工程、單位工程進行評價。這種評價方法實質(zhì)上屬施工質(zhì)量“過程評價”，往往只能在工程的某個階段定性地評判大壩填筑質(zhì)量，并不能得到壩坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)值，不能對大壩整體安全性做出定量評價。因此，在壩體填筑完工后，能否基于壩坡穩(wěn)定性來定量評價土石壩壩體填筑質(zhì)量，其評價結(jié)果能否同時作為工程竣工驗收的依據(jù)？值得思考。

要進行壩坡穩(wěn)定性分析，首先需獲取壩體填筑料的物理力學(xué)指標(biāo)。一般來講，在壩體施工過程中，對每一填筑層，根據(jù)填筑方量的不同，均抽樣測定了填筑料的壓實物理指標(biāo)（如干密度、孔隙率或含水率等）。同時，質(zhì)量監(jiān)管部門往往還要求按照一定頻率測定壩體填筑料的力學(xué)指標(biāo)，例如《四川省水利工程土石壩施工質(zhì)量第三方檢測規(guī)范》規(guī)定，沿壩高每填筑5～10m做一次室內(nèi)大樣試驗，檢測指標(biāo)包括壩體土料干密度、滲透系數(shù)、抗剪強度及壓縮特性等。也就是說，根據(jù)土石壩施工質(zhì)量抽樣檢測成果，可以獲得各填筑層的物理指標(biāo)，同時可獲得沿壩高每5～10m填筑料的物理、力學(xué)指標(biāo)。

根據(jù)土石壩施工質(zhì)量抽樣檢測成果，進行壩坡抗滑穩(wěn)定計算，壩體填筑料的物理、力學(xué)指標(biāo)可采用兩種方式獲?。阂皇侵苯硬捎醚貕胃呙刻钪?～10m的室內(nèi)大樣試驗所獲得的壩體填筑料物理、力學(xué)指標(biāo)，即認為每5～10m填筑層的物理、力學(xué)指標(biāo)相同；二是結(jié)合檢測資料，通過相關(guān)性分析，盡可能得到每一填筑層的物理、力學(xué)指標(biāo)。近年來不少學(xué)者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或多元回歸方法分析表明，土石填筑料的物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)有較好的相關(guān)性。如果能夠采用大樣試驗資料建立土體物理指標(biāo)與抗剪強度指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，則可以利用每一填筑層的物理指標(biāo)，模擬得到每一填筑層的抗剪強度力學(xué)參數(shù)。

本文結(jié)合四川省九龍?zhí)端畮焱潦瘔喂こ?，采用上述兩種方式獲得相應(yīng)的壩體填筑料物理、力學(xué)指標(biāo)，再通過GeoStudio 2007的SLOPE/W土坡分析軟件，計算得到壩坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，進而評價該土石壩的施工填筑質(zhì)量。

1 工程概況

九龍?zhí)端畮焓且蛔怨喔群统擎?zhèn)供水為主的中型水庫，正常蓄水位370.92m、死水位354.00m。大壩為黏土心墻土石壩，最大壩高50.15m，上游壩坡自上而下坡比分別為1：2.50、1：2.75和1：3.00，下游壩坡自上而下坡比分別為1：2.3、1：2.5和1：2.6。壩體心墻采用黏土材料填筑，上游壩殼和下游壩殼干燥區(qū)采用砂質(zhì)泥巖石渣料填筑，下游壩殼底部采用砂巖石渣料填筑。壩體最大斷面（橫剖面）見圖1。

2 施工質(zhì)量檢測結(jié)果

壩面施工按心墻及反濾過渡料、上游壩殼料和下游壩殼料3個施工區(qū)分段流水作業(yè)。施工單位在施工過程中嚴格控制碾壓參數(shù)（碾壓現(xiàn)場控制標(biāo)準見表1），每層碾壓完畢后，按照《碾壓式土石壩施工規(guī)范》川要求，按相應(yīng)頻率測量試坑的干密度和含水率，檢測結(jié)果見表2。

施工過程中，第三方檢測單位按照《四川省水利工程土石壩施工質(zhì)量第三方檢測規(guī)范》對壓實質(zhì)量進行獨立抽樣檢測。對黏土心墻區(qū)，沿壩高每填筑約5m做一次室內(nèi)大樣試驗，對反濾過渡區(qū)、上下游壩殼區(qū)，沿壩高每填筑約10m做一次室內(nèi)大樣試驗。試樣以實測壩料級配中線為原型級配，以施工臺賬中該高程以下5m（黏土心墻）、10m（反濾過渡區(qū)、上下游壩殼區(qū)）范圍內(nèi)各碾壓單元的實測干密度與含水率的平均值為制樣控制依據(jù)，試樣級配采用等量替代法控制，大樣試驗可較為真實地反映該區(qū)域土體的性質(zhì)。試驗結(jié)果見表3。

3 基于大樣試驗直接獲取填筑料物理力學(xué)指標(biāo)的壩坡穩(wěn)定計算

3.1 計算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，控制壩坡穩(wěn)定的有施工期（竣工期）、穩(wěn)定滲流期、水庫水位降落期等多種工況。選取兩種較不利的工況進行穩(wěn)定復(fù)核：①穩(wěn)定滲流期（正常蓄水位370.92m）下游壩坡抗滑穩(wěn)定性；②水庫水位降落期（從正常蓄水位370.92m降至死水位354.00m）上游壩坡抗滑穩(wěn)定性。

3.2 計算方法

采用GeoStudio Seep/W程序?qū)煞N復(fù)核工況進行壩體滲流分析，得到壩體浸潤線，再采用SLOPE/W程序用簡單畢肖普法進行壩坡穩(wěn)定計算。

3.3 壩體材料分區(qū)

施工過程中，第三方檢測單位沿壩高每填筑5～10m（黏土心墻5m，反濾過渡區(qū)和上下游壩殼區(qū)10m）進行室內(nèi)大樣試驗。由于試驗制樣反映了該5～10m范圍內(nèi)各碾壓單元的土料性質(zhì)，因此可認為該5～10m填筑層的物理、力學(xué)指標(biāo)相同，直接采用大樣試驗結(jié)果。根據(jù)第三方檢測位置確定壩體計算剖面材料分區(qū)，例如黏土心墻沿壩高每填筑約5m做一次室內(nèi)大樣試驗，共9次大樣試驗，故分為9個計算區(qū)，見圖2。各區(qū)填筑料物理、力學(xué)指標(biāo)按表3取值。

3.4 壩坡穩(wěn)定復(fù)核

穩(wěn)定滲流期下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1=1.936。水庫水位降落期上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K2=1.455。兩種工況下壩坡抗滑穩(wěn)定最危險滑弧見圖2。

4 基于相關(guān)性分析獲取填筑料物理力學(xué)指標(biāo)的壩坡穩(wěn)定計算

室內(nèi)大樣試驗結(jié)果雖然有物理、力學(xué)指標(biāo)，但樣本數(shù)量較少（沿壩高間隔5～10m進行一次大樣試驗），不能準確反映大壩各碾壓填筑層的情況。本文嘗試通過對室內(nèi)大樣試驗結(jié)果的物理、力學(xué)指標(biāo)進行相關(guān)性分析，得到填筑土料物理參數(shù)與力學(xué)參數(shù)的回歸方程，再根據(jù)各填筑層的抽檢物理指標(biāo)，推求得到其力學(xué)指標(biāo)，從而得到各填筑層的物理、力學(xué)指標(biāo)，據(jù)此進行壩坡穩(wěn)定計算，進而評價壩體填筑質(zhì)量。

4.1 壩體填筑料物理力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

土石料抗剪強度指標(biāo)包括黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ前者取決于土體顆粒之間的靜電引力和膠結(jié)作用等因素，后者與土粒表面的粗糙程度和土體的壓實程度、級配等有關(guān)。盡管土石料的抗剪強度受多種因素的影響，但已有的研究表明，其受含水率和干密度的影響較大，且有較好的相關(guān)關(guān)系。土石料越密實，顆粒間咬合越緊密，抗剪強度指標(biāo)越大。隨著含水率的降低，土顆粒之間的孔隙水壓力消散，土的基質(zhì)吸力變大，土的抗剪強度則增大。本文結(jié)合室內(nèi)大樣試驗結(jié)果，分析填筑土石料抗剪強度指標(biāo)與含水率和干密度的相關(guān)關(guān)系。

將干密度ρd和含水率ω作為自變量，抗剪強度指標(biāo)（c，φ）作為因變量，采用多元非線性回歸方法，建立回歸方程。各土石料回歸方程見表4，各土石料抗剪強度實測值與預(yù)測值對比見圖3～圖5。

由圖3～圖5可以看出，通過回歸方程得到的預(yù)測值與實測值相近，表明回歸方程中因變量（黏聚力、內(nèi)摩擦角）與自變量（干密度、含水率）有良好的相關(guān)關(guān)系。表4中各回歸方程表明，各填筑土石料的抗剪強度指標(biāo)與干密度正相關(guān)、與含水率負相關(guān)，與文獻的研究結(jié)果一致，符合各變量之間的物理關(guān)系。

4.2 各填筑層力學(xué)指標(biāo)預(yù)測

九龍?zhí)端畮焱潦瘔文雺菏┕じ髂雺簩雍穸纫姳?，施工抽樣測定填筑料物理指標(biāo)（如干密度、含水率等）的次數(shù)見表2。該工程施工抽樣檢測各填筑層物理指標(biāo)時，對填筑方量較大的填筑層測定了1～5次，本次分析時取各次測定的平均值；對填筑方量較小的填筑層，填筑兩層后測定1次，分析時則認為這兩層土體物理指標(biāo)相同，據(jù)此確定壩體計算剖面材料分區(qū)，見圖6。將填筑料各分區(qū)物理指標(biāo)代入回歸方程，即得到各分區(qū)土體相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)。下游壩殼底部砂巖石渣料大樣試驗數(shù)據(jù)只有一組，其物理、力學(xué)指標(biāo)直接采用大樣試驗結(jié)果。

4.3 壩坡穩(wěn)定復(fù)核

壩坡抗滑穩(wěn)定計算工況和計算方法與前述相同，經(jīng)計算，穩(wěn)定滲流期下游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K1=1.962，水庫水位降落期上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K2=1.483。兩種工況下壩坡抗滑穩(wěn)定最危險滑弧見圖6。

5 分析與討論

5.1 壩體填筑質(zhì)量評價

九龍?zhí)端畮焱潦瘔喂こ淘O(shè)計報告中，穩(wěn)定滲流期下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.329，規(guī)范要求1.300；水庫水位降落期上游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.313，規(guī)范要求1.300。本文采用兩種方法，獲取壩體填筑料的物理力學(xué)指標(biāo)，計算得到相應(yīng)工況下，上下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)值均大于原設(shè)計值，且均滿足規(guī)范要求，表明該壩體填筑質(zhì)量總體上滿足要求。

本文提出了基于壩坡穩(wěn)定復(fù)核的土石壩整體填筑質(zhì)量評價方法，即通過對施工期土石填筑料檢測資料的分析，得到各填筑料的物理力學(xué)指標(biāo)，據(jù)此再復(fù)核壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，并與原設(shè)計和規(guī)范允許值進行對比，從而評判施工質(zhì)量。工程實例表明，該方法具有可操作性，與以往的采用碾壓參數(shù)和填筑料壓實參數(shù)評價方法相比，該方法能定量反映大壩的安全性。

5.2 兩種評價方法的比較

基于大樣試驗直接獲取各填筑區(qū)域的物理力學(xué)指標(biāo)的方法簡單易行，但該方法是根據(jù)各大樣試驗的組數(shù)（如本文工程實例中沿壩高5～10m一組）進行壩體材料分區(qū)，未反映每一填筑層的不均勻性。

基于相關(guān)性分析獲取填筑料物理力學(xué)指標(biāo)的方法能反映各填筑層的不均勻性，但其計算精度受制于填筑料物理指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)相關(guān)關(guān)系的建立，樣本數(shù)量愈多，則建立的相關(guān)關(guān)系愈合理。一般來講，樣本量應(yīng)不少于影響因素數(shù)量的5～10倍。本文工程實例中，黏土心墻料有9個樣本，基本滿足要求；但砂質(zhì)泥巖石渣料和砂卵石過渡料僅有4個樣本（即4組大樣試驗資料），存在樣本數(shù)量不足的問題，這在一定程度上影響了計算的可靠性。解決樣本數(shù)量不足問題的方法，一是在壩體填筑施工過程中，適當(dāng)增加大樣檢測數(shù)量，建議每種土石料的大樣檢測次數(shù)不少于10次；二是收集各類填筑料的物理、力學(xué)指標(biāo)資料，建立各類填筑料物理指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)更為準確的相關(guān)關(guān)系表達式。

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