基于壩坡穩定復核的土石壩整體填筑質量評價

胡賽瀟 張云發 劉超 隆文非

摘要：土石壩的填筑質量直接影響大壩安全。傳統的土石壩填筑質量評價方法大多以控制碾壓參數和土石填筑料壓實參數為主，不能定量反映大壩的安全性。對此，以四川省九龍潭黏土心墻石渣壩為實例，提出了基于壩坡穩定復核的土石壩整體填筑質量評價方法，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指標，據此復核壩坡抗滑穩定安全系數，并與原設計和規范允許值進行對比，從而評判施工填筑質量。該評價方法的關健是獲取壩體填筑料的物理力學指標，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指標（黏聚力和內摩擦角）與物理指標（含水率和干密度）的相關性分析獲取這兩類方法的優缺點。結果表明，該評價方法具有可操作性，能定量反映大壩的安全性，對類似工程填筑質量評價具有參考價值。

關鍵詞：填筑質量；杭剪強度；多元回歸；質量評價；壩坡穩定；土石壩

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

土石壩取材方便、對地形適應性強，是常見壩型之一。土石壩填筑質量的好壞對其是否能夠安全運行至關重要。《碾壓式土石壩施工規范》規定，在施工過程中，需對碾壓參數（鋪層厚度、碾壓遍數、碾壓頻率、碾壓行車速度等）進行控制，以控制壓實質量，即“事中控制”；倉面施工結束后，為了評價其壓實質量是否滿足要求，需對試坑土體的含水率、干密度等壓實參數抽樣檢測，即“事后控制”。通常認為，碾壓參數和填筑料的壓實參數滿足設計要求，則填筑質量滿足要求。

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

《水利水電工程施工質量檢驗與評定規程》規定，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（如干密度、孔隙率或壓實度等）合格率是否滿足規范要求來評價，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。這種評價方法實質上屬施工質量“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量，并不能得到壩坡的抗滑穩定系數值，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，能否基于壩坡穩定性來定量評價土石壩壩體填筑質量，其評價結果能否同時作為工程竣工驗收的依據？值得思考。

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

根據土石壩施工質量抽樣檢測成果，進行壩坡抗滑穩定計算，壩體填筑料的物理、力學指標可采用兩種方式獲取：一是直接采用沿壩高每填筑5～10m的室內大樣試驗所獲得的壩體填筑料物理、力學指標，即認為每5～10m填筑層的物理、力學指標相同；二是結合檢測資料，通過相關性分析，盡可能得到每一填筑層的物理、力學指標。近年來不少學者采用人工神經網絡或多元回歸方法分析表明，土石填筑料的物理指標與力學指標有較好的相關性。如果能夠采用大樣試驗資料建立土體物理指標與抗剪強度指標的相關關系，則可以利用每一填筑層的物理指標，模擬得到每一填筑層的抗剪強度力學參數。

本文結合四川省九龍潭水庫土石壩工程，采用上述兩種方式獲得相應的壩體填筑料物理、力學指標，再通過GeoStudio 2007的SLOPE/W土坡分析軟件，計算得到壩坡的抗滑穩定系數，進而評價該土石壩的施工填筑質量。

1 工程概況

九龍潭水庫是一座以灌溉和城鎮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采用砂質泥巖石渣料填筑，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 施工質量檢測結果

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個施工區分段流水作業。施工單位在施工過程中嚴格控制碾壓參數（碾壓現場控制標準見表1），每層碾壓完畢后，按照《碾壓式土石壩施工規范》川要求，按相應頻率測量試坑的干密度和含水率，檢測結果見表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量第三方檢測規范》對壓實質量進行獨立抽樣檢測。對黏土心墻區，沿壩高每填筑約5m做一次室內大樣試驗，對反濾過渡區、上下游壩殼區，沿壩高每填筑約10m做一次室內大樣試驗。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、上下游壩殼區）范圍內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，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域土體的性質。試驗結果見表3。

3 基于大樣試驗直接獲取填筑料物理力學指標的壩坡穩定計算

3.1 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》，控制壩坡穩定的有施工期（竣工期）、穩定滲流期、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定復核：①穩定滲流期（正常蓄水位370.92m）下游壩坡抗滑穩定性；②水庫水位降落期（從正常蓄水位370.92m降至死水位354.00m）上游壩坡抗滑穩定性。

3.2 計算方法

采用GeoStudio Seep/W程序對兩種復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定計算。

3.3 壩體材料分區

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

3.4 壩坡穩定復核

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

4 基于相關性分析獲取填筑料物理力學指標的壩坡穩定計算

室內大樣試驗結果雖然有物理、力學指標，但樣本數量較少（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大樣試驗結果的物理、力學指標進行相關性分析，得到填筑土料物理參數與力學參數的回歸方程，再根據各填筑層的抽檢物理指標，推求得到其力學指標，從而得到各填筑層的物理、力學指標，據此進行壩坡穩定計算，進而評價壩體填筑質量。

4.1 壩體填筑料物理力學指標相關性分析

土石料抗剪強度指標包括黏聚力c和內摩擦角φ前者取決于土體顆粒之間的靜電引力和膠結作用等因素，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。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，且有較好的相關關系。土石料越密實，顆粒間咬合越緊密，抗剪強度指標越大。隨著含水率的降低，土顆粒之間的孔隙水壓力消散，土的基質吸力變大，土的抗剪強度則增大。本文結合室內大樣試驗結果，分析填筑土石料抗剪強度指標與含水率和干密度的相關關系。

將干密度ρd和含水率ω作為自變量，抗剪強度指標（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測值與實測值相近，表明回歸方程中因變量（黏聚力、內摩擦角）與自變量（干密度、含水率）有良好的相關關系。表4中各回歸方程表明，各填筑土石料的抗剪強度指標與干密度正相關、與含水率負相關，與文獻的研究結果一致，符合各變量之間的物理關系。

4.2 各填筑層力學指標預測

九龍潭水庫土石壩碾壓施工各碾壓層厚度見表1，施工抽樣測定填筑料物理指標（如干密度、含水率等）的次數見表2。該工程施工抽樣檢測各填筑層物理指標時，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相同，據此確定壩體計算剖面材料分區，見圖6。將填筑料各分區物理指標代入回歸方程，即得到各分區土體相應的力學指標。下游壩殼底部砂巖石渣料大樣試驗數據只有一組，其物理、力學指標直接采用大樣試驗結果。

4.3 壩坡穩定復核

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

5 分析與討論

5.1 壩體填筑質量評價

九龍潭水庫土石壩工程原設計報告中，穩定滲流期下游壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.329，規范要求1.300；水庫水位降落期上游壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.313，規范要求1.300。本文采用兩種方法，獲取壩體填筑料的物理力學指標，計算得到相應工況下，上下游壩坡抗滑穩定最小安全系數值均大于原設計值，且均滿足規范要求，表明該壩體填筑質量總體上滿足要求。

本文提出了基于壩坡穩定復核的土石壩整體填筑質量評價方法，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指標，據此再復核壩坡抗滑穩定安全系數，并與原設計和規范允許值進行對比，從而評判施工質量。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和填筑料壓實參數評價方法相比，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域的物理力學指標的方法簡單易行，但該方法是根據各大樣試驗的組數（如本文工程實例中沿壩高5～10m一組）進行壩體材料分區，未反映每一填筑層的不均勻性。

基于相關性分析獲取填筑料物理力學指標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與力學指標相關關系的建立，樣本數量愈多，則建立的相關關系愈合理。一般來講，樣本量應不少于影響因素數量的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。解決樣本數量不足問題的方法，一是在壩體填筑施工過程中，適當增加大樣檢測數量，建議每種土石料的大樣檢測次數不少于10次；二是收集各類填筑料的物理、力學指標資料，建立各類填筑料物理指標和力學指標更為準確的相關關系表達式。

參考文獻：

[1]國家能源局.碾壓式土石壩施工規范：DL/T 5129-2013[S].北京：中國電力出版社，2014；20-25.

[2]黃聲享，劉經南，吳曉銘.GPS實時監控系統及其在堆石壩施工中的初步應用[J].武漢大學學報（信息科學版），2005，30（9）：813-816.

[3]吳曉銘，黃聲享.水布婭水電站大壩填筑碾壓施工質量監控系統[J].水力發電，2008，34（3）：47-49.

[4]鐘登華，劉東海，崔博.高心墻堆石壩碾壓質量實時監控技術及應用[J].中國科學：技術科學，2011，41（8）：1027-1034.

[5]劉東海，李子龍，王愛國.基于碾壓機做功的堆石壩壓實質量實時監測與快速評估[J].水利學報，2014，45（10）：1223-1230.

[6]劉東海，王光烽.實時監控下土石壩碾壓質量全倉面評估[J].水利學報，2010，41（6）：720-726.