土石壩沉降及實測資料分析計算

王法西，張 彬，趙 峰

（1.黃河勘測設(shè)計有限公司，河南鄭州 450002；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450002；3.漯河市公路管理局，河南 漯河 462000）

0 前 言

水壩的安全運行關(guān)系到億萬人民的生命、財產(chǎn)安全，我國有8萬多座擋水壩，其中90%以上為土石壩。土石壩的沉降與不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫嚴重影響著壩的安全運行，因此，沉降是土石壩的主要監(jiān)測、監(jiān)控項目，也是評價土石壩安全和壩體質(zhì)量的主要指標。對于這樣一個重要指標，國內(nèi)壩工界普遍存在某些模糊認識，即將壩體某點的沉降測值視作整個壩體沉降量。筆者參加過多次土石壩工程蓄水和竣工驗收會議，建設(shè)單位提供的建設(shè)報告和安全鑒定報告等文件，普遍是將壩體某點沉降測值（1/2～1/3壩高處測點）作為壩體最大沉降量，并以此與壩高相比，得到壩體相對沉降率。該值遠小于壩體、壩基總沉降量，也遠小于國外同類壩的沉降量及相對沉降率，以此評價壩體填筑輾壓質(zhì)量顯然是不恰當?shù)?，對工程驗收是一種誤導(dǎo)。

1 設(shè)計規(guī)范所定義的土石壩沉降量

設(shè)計規(guī)范所定義的土石壩總沉降量系全壩體（高）、壩基的總沉降量。它是將壩體、壩基分為若干層（n層），分層計算壩體、壩基的沉降量（）,然后用求和法得出壩體、壩基的總沉降量（St）。

對于粘性土：

式中：

St——壩體壩基總沉降量；

eio——第i層起始孔隙比；

eit——第i層相應(yīng)豎向有效應(yīng)力作用下的孔隙比；

hi——第i土層厚度 ；

n——土層分層數(shù)。

對于非粘性土：

式中：

S∞——非粘性壩體壩基總沉降量；

Pi——第i計算土層由壩體荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力；

Ei——第i計算土層變形模量。

眾所周知，上述計算理論和公式，由于存在諸多假定和簡化以及受計算條件、參數(shù)限制，與原型土石壩實測沉降變形存在較大的差異，比如：

（1）計算僅計固結(jié)沉降，忽略初始沉降和次固結(jié)沉降，對于粘性土，次固結(jié)沉降在總沉降中占有可觀比例；對于非粘性土，初始沉降也不可忽略；

（2）對于非粘性土，計算公式（E.3.4）把非粘性土假定為變形模量為常量（Ei）的彈性體，假定應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系變化，對于沙土、砂礫石、堆石等壩體材料，顯然與實際存在較大的差異。

對于粘性土（E.3.3）計算公式，也存在將計算土層厚度內(nèi)e～p關(guān)系簡化為線性變化關(guān)系，也有上述相似問題；

（3）計算初始、邊界、應(yīng)力條件以及取用計算參數(shù)等均與原型壩體有較大差異。

由于設(shè)計計算存在以上問題，需要在土石壩內(nèi)設(shè)置觀測儀器進行觀測。

2 土石壩沉降量的原型觀測

當前，我國土石壩壩體內(nèi)的沉降監(jiān)測大多采用電磁式沉降儀和水管式沉降儀，兩者均采用沿監(jiān)測斷面布置測點，每個監(jiān)測斷面一般布置1～3個豎直測線。水管式沉降儀測點，一般沿壩高布置3個高程，分別設(shè)在1/3、1/2、2/3壩高處。沉降儀測點沉降變化通過液壓管路水平引向下游壩坡監(jiān)測房內(nèi)進行監(jiān)測（可人工、自動化監(jiān)測）。由于監(jiān)測房設(shè)在壩坡變形區(qū)，需對監(jiān)測房基礎(chǔ)設(shè)水準基點，與岸邊水準基點聯(lián)測，進行監(jiān)測房基準點變形改正，求得壩體絕對沉降變形。

采用電磁式沉降儀觀測，需在壩體、壩基內(nèi)埋設(shè)豎直可伸縮的沉降（固結(jié)）測管，管外設(shè)金屬環(huán)作沉降測點，測點間距一般為1.0～3.0 m。沉降管底部應(yīng)深入埋設(shè)于壩基穩(wěn)定巖石（土）內(nèi)，可作為沉降變形基準點（零點）。觀測時，將電磁式沉降儀測頭放入沉降測管底部，自下而上用測繩拉動沉降儀測頭，讀出沉降測點（金屬環(huán)）變化位置（高程），減去初始值，即可測得壩體壩基沉降變形值。由于沉降測管底部深入穩(wěn)定基巖內(nèi)，管底部可作變形基準點（零點），每次觀測自管底起測，直接測得絕對變形值，無需進行基準值改正、測量、計算。

3 土石壩實測沉降量的分析計算

3.1 壩體實測沉降量使用中存在的問題

如前言所述，國內(nèi)壩工界普遍不經(jīng)分析計算，直接采用壩體測點沉降量作為壩體、壩基總沉降量，且取1/2～1/3壩高處測點值作為壩體、壩基的最大沉降量，并以此值與壩高相比得壩體相對沉降率。壩體某點沉降量與全壩體（高）的沉降量，兩者在概念上、數(shù)值上完全不同，前者是后者一部分，其值永遠小于后者，也遠遠小于設(shè)計計算值。比如，我國近期修建的100 m以上高土石壩，按規(guī)范計算壩體總沉降量一般在2～3 m以上，而1/2～1/3壩高處測點實測沉降量僅0.3～0.4 m以內(nèi)，以此計算相對全壩高的相對沉降率僅0.3%以下。

將壩體測點沉降量視作壩體、壩基總沉降量評價土石壩壩體填筑輾壓質(zhì)量，顯然是錯誤的，遺憾的是這種錯誤認識被某些技術(shù)支持單位和專家權(quán)威所認可。這種錯誤做法對大壩的安全評估、壩體填筑質(zhì)量評價以及工程驗收造成了嚴重的誤導(dǎo)，需要澄清、改正。

3.2 壩體測點沉降量及其過程線

現(xiàn)以某混凝土面板壩最大壩高斷面為例，該壩在壩頂下游側(cè)設(shè)一豎直測線，于40 m、70 m、100 m高程分別布設(shè)了3層沉降儀測點，編號分別為T01、T02、T03，并在壩頂布設(shè)表面沉降測點T04，見圖1。

圖1 某混凝土面板壩沉降測點分布Fig.1 Distribution of settlement monitoring points on an em-bankment dam

2002年8月1日，該壩開始壩體填筑，2003年3月底，壩體填筑至40 m高程后安裝埋設(shè)沉降測點T01,開始連續(xù)觀測，繪制T01測點沉降過程線，如圖2所示。

圖2 測點T01沉降過程線Fig.2 Graph of settlement at the monitoring point T01

繼續(xù)填筑40 m高程以上壩體，至2003年7月底，壩體填筑至70 m高程，安置T02沉降測點，并開始連續(xù)觀測，繪制T02測點沉降過程線，如圖3所示。

圖3 測點T02沉降過程線Fig.3 Graph of settlement at the monitoring point T02

至2004年1月底，壩體填至100m高程，安置T03測點，并開始連續(xù)觀測，繪制T03測點沉降過程線，如圖4所示。

圖4 測點T03沉降過程線Fig.4 Graph of settlement at the monitoring point T03

至2004年8月15日，壩體填至130 m高程（壩頂），安置壩體表面沉降測點T04，并開始連續(xù)觀測，繪制T04測點沉降過程線，如圖5所示。

圖5 測點T04沉降過程線Fig.5 Graph of settlement at the monitoring point T04

綜上所述，壩體測點沉降量及其過程線有以下特點：

（1）各層測點過程線只能反映其測點設(shè)置高程以下的壩體、壩基沉降量。而且，隨著測點的連續(xù)測讀，沉降量及其過程線永遠延續(xù)下去，不會因上層測點設(shè)置而停止觀測。但其測點高程以上的壩體沉降量該測點無法測得和顯示。

（2）只有開始觀測后，才有該層測點的沉降量及其過程線。自開始壩體填筑至首次觀測期間，該層所發(fā)生的沉降量被漏測，稱“漏測沉降量”。比如：40 m高程以下壩體，自2002年8月1日開始填筑至2003年3月底T01首次觀測期間，該層發(fā)生的沉降量被丟掉了。同樣，其他各層均有被漏測的沉降量發(fā)生。

壩體測點沉降過程線，實質(zhì)上是一個“缺頭”“少尾”不完整的壩體沉降過程線。

以上得出壩體各測點沉降量及其過程線，截至2006年12月底，T01、T02、T03、T04測點的沉降值分別為40 cm、36 cm、30 cm、22 cm，其中T01測點沉降量最大（40 cm），發(fā)生在1/3壩高處。該工程亦沿用了國內(nèi)壩工界的錯誤做法，將該值（40 cm）視作壩體、壩基最大沉降量，并用該值與壩高相比得相對沉降率為0.3%，顯然，這是誤導(dǎo)。

3.3 壩體壩基總沉降的分析計算方法——分層疊加求和法

本文推薦方法是將各層測點的實測沉降過程線按相同觀測時間相對應(yīng)，把T01、T02、T03、T04依次疊加繪制外包絡(luò)線，即為全壩高的壩體、壩基實測總沉降量過程線，如圖6所示，這與設(shè)計規(guī)范中分層求和計算方法概念相吻合，但不是簡單的算術(shù)累加。

圖6 大壩實測總沉降量過程線Fig.6 Graph of total settlement monitored of the embankment dam

按照相同觀測時間對應(yīng)的原則：首先以T01過程線（圖2）為基圖，以T02首次觀測時間（20030730）及相應(yīng)沉降量（15 cm）為坐標原點，將T02過程線平移疊加到T01過程線上，如圖6所示。

同樣，以2004年1月底和2004年8月15日及其相應(yīng)沉降量37 cm、60 cm分別為坐標原點，依次將T03、T04過程線平移疊加，得出壩體壩基總實測沉降過程線，即圖6所示的外包線（實線），這就是壩體、壩基的總實測過程線。該總沉降量及其過程線與某測點沉降量及其過程線顯然不是一回事，其測值比后者要大得多。截至2006年12月底，壩體、壩基總沉降量為81 cm，比T01實測值（40 cm）大一倍，該值與壩高相比得相對沉降率為0.62%，這個結(jié)果與設(shè)計計算和國外大壩的實測成果相近，比較合理。

由圖6知，各層測點沉降量有重疊部分，如在2003年7月底以后，T02開始觀測，T02測值是70 m高程以下壩體壩基沉降量。而同時，T01仍在測讀40 m高程以下壩體壩基沉降量，這部分新增沉降量包含在T02沉降量內(nèi)，以此類推，T03測得沉降量包含T02測得的新增沉降量，壩頂測點T04測得沉降量包含了T03測得新增沉降量，從而得出以下兩點：

（1）采用各層沉降過程線疊加所得的總沉降量不是算術(shù)相加，而有部分沉降量測值相重疊。

（2）下層測點測得的沉降量永遠小于上層測點測得沉降量，由此可見，將1/3壩體測點沉降量視為壩體、壩基的最大沉降量是錯誤的。

4 壩體漏測沉降量及實測沉降量精度問題

壩體沉降測點系分層安裝埋設(shè)、觀測，對于水管式沉降儀測點，測點間距較大，一般高達30～40 m，每層填筑時間較長，自開始填筑至層頂安置儀器設(shè)備，開始觀測，多達0.5～1 a以上，在此期間，該層發(fā)生的沉降量無法觀測，稱漏測沉降量。由于壩體沉降量（特別是非粘性土），初期發(fā)展速度很快，每層填筑時間間隔很長，這種漏測沉降量就不可忽略，估計高達每層沉降量的20%～40%，嚴重影響了實測沉降量觀測精度，對于這種漏測沉降量，目前尚無法解決，推薦采用電磁式沉降儀，加密測點間距。目前，電磁式金屬環(huán)間距可加密至1.0 m以內(nèi)，這樣漏測量就大大減少，實測沉降量觀測精度就大大提高。

對于水管式沉降儀測點間距較大造成的漏測沉降量，筆者提出一個不太成熟的方法，即按沉降過程線發(fā)展趨勢變化率，用向前補插延長的辦法作粗略推估，如圖2～5虛線部分所示。按此推估，T01、T02、T03、T04漏測沉降量分別為17 cm、14 cm、14 cm、13 cm，總漏測沉降量為58 cm，前文疊加總沉降量為81 cm，顧及該漏測量，壩體（含壩基）最大沉降量為81 cm+58 cm=139 cm，相對壩高的沉降率為1.39 m/130 m=1.07%。這個數(shù)據(jù)更接近設(shè)計計算沉降量，也更與國外土石沉降實測資料相吻合。

壩體填筑期沉降量的漏測嚴重影響了實測成果的精度，目前尚無很好的解決方案。采用電磁式沉降儀觀測法，可盡力加密測點，減小測點間距，減少漏測量，提高實測成果精度。同時，設(shè)計中可將沉降固結(jié)管底部深入穩(wěn)定巖基內(nèi)，作為觀測基點，不需進行基點校測改正，提高了工效和觀測精度，設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先選用。

5 結(jié) 語

壩體沉降是土石壩的重要指標。對于這樣重要的一個指標，當前國內(nèi)壩工界有部分人將壩體測點沉降量視為壩體最大沉降量（與壩高相比得相對沉降率），并以此作為評價壩體填筑質(zhì)量和評估大壩安全的依據(jù)是不恰當?shù)摹?/p>

本文采用分層疊加求和法求得壩體、壩基總沉降量，與設(shè)計計算和國外實測資料在概念、數(shù)值上較吻合，應(yīng)予應(yīng)用。

壩體填筑期間，漏測沉降量嚴重影響了實測沉降量精度，應(yīng)予以高度重視，可優(yōu)先選用電磁式沉降儀，盡力減小測點間距，減少漏測沉降量，并對漏測沉降量計算進行探討，提高觀測精度。

[1]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2]SL60-94，土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，1994.