基于筑壩土料力學指標衰減條件的雙龍水庫健康診斷體系研究

楊建榮，彭樹明，和春香，任恒欽

（1.晉寧縣水務局水利勘測設計隊，云南晉寧 650600；2.云南農業大學水利水電與建筑學院，云南昆明 650201；3.云南省滇池補水工程協調領導小組辦公室，云南昆明 650051）

1 工程概況

雙龍水庫位于昆明市晉寧縣昆陽鎮寶豐雙龍村后雙龍河谷，系長江水系東大河上游，距縣城8 km。大壩由1座主壩、4座副壩組成，除第四副壩為粘土心墻土壩外，其余為均質土壩。最大壩高30 m，壩軸線長444 m，壩頂寬6.0 m。該工程興建于1954年，是一座以城市供水、灌溉為主，兼顧防洪的綜合利用中型水庫，控制徑流面積66.7 km2，庫容1 224萬m3。

雙龍水庫運行不久就出現病害，如壩土浸潤線位置異常、背水坡滲流出逸點位置偏高，這主要由壩體填土質量較差引起。土樣的物理實驗成果是土壩穩定性評價的一項重要指標，土是一種復雜的分散體，其中大大小小的固相顆粒均直接或通過液相間接地聯結在一起[1-3]。據資料，施工時單層鋪土厚、成分雜、土塊大、碾壓不實、層間結合差。筑壩土主要為壤土、粘土、防滲土料、壩殼料，其顆粒分析及物理性質指標見表1。

2 基于筑壩土料力學指標衰減條件下的土石壩健康評價模型

建立土石壩健康評價模型的主要內容有：（1）根據筑壩土料的類型，分析多項力學指標相關性，從中選擇對土料力學性質影響明顯的主要力學指標研究其衰減規律；（2）依據衰減規律，建立衰減方程；（3）以力學衰減規律為基礎，綜合多項影響指標建立土石壩健康診斷模型。

2.1 力學指標相關性分析

表1 壩體土物理性質實驗結果Table 1:Physical properties of the dam soil

現代壩工技術日新月異，筑壩材料幾乎已不受限制。工程上習慣將土料分為無粘性土和粘性土兩大類，再往下細分則種類十分龐雜。不同土類的力學指標對其力學性質的影響差異明顯，因而在分析力學指標相關性時首先要明確土料的類型，有針對性地進行分析。通常建立線性回歸方程：

式中：β0，β1，β2為回歸方程系數，用最小二乘法估算系數。

通過以上式子對土的多項力學指標進行相關性分析，選擇相關性明顯的若干個指標來分析土料力學性質衰減的基本規律。

2.2 衰減方程的建立與優化

2.3 建立評價模型

土料力學指標的衰減主要針對土壩力學性質的變化，僅以此來評價大壩健康狀態顯然不夠科學，主要問題如下：（1）大壩發生事故的地點可能沒有進行地勘，出事點土料力學指標衰減規律與所建模型不符。（2）各力學指標對土料力學性質影響權重會轉化，原來是次要影響因素，隨著時間和環境的變化，可能轉化為主要影響因素[5]。（3）影響土石壩安全的因素眾多，如施工質量、設計標準、環境變化等。因此，采用單項衰減數學模型進行大壩健康診斷還存在局限性，還必須對各種資料（包括設計、施工、管理、現場巡視、監測、水情）進行綜合分析，才能全面認識大壩的結構性態和健康狀況。

土石壩健康評價體系是對影響土石壩安全的多項指標進行綜合分析，分清權重，通過專家分析系統為大壩的健康狀況給予評判。土石壩健康評價模型：P=ΣrkEk。式中：P為土石壩的綜合評價指數，反映某一土石壩的健康狀況，指數越大，土石壩越安全；rk為各指標的權重；Ek為各指標評分，分為3個等級：A為5分以上，B為2.5～5分，C為2.5分以下。圖1為土石壩健康狀態評價體系框圖。依據實際情況可由多位經驗豐富的工程師分別對各指標評分，然后取平均值輸入，最后得到土石壩的綜合評價指數P，其評價標準見表2。

圖1 土石壩健康狀態評價框圖Fig.1 Frame chart of the health evaluation for earth dams

表2 土石壩健康評價標準Table 2:Criteria of the health evaluation for earth dams

綜合評定為A級的大壩處于安全理想狀態，它滿足國家現行設計規范要求，具有足夠的承載能力，不必采取除險加固措施；C級大壩處于不安全狀態，它不能滿足有關規范的要求，抵御破壞的承載能力不足，必須采取相應的除險加固措施；B級大壩的安全狀態處于A級與C級之間。事實上，A級大壩不一定絕對安全，不一定不存在失事風險；同樣，C級大壩也不一定就會發生潰壩失事，只是失事的可能性較高，因而要加強實時監測及運行管理。

2.4 建立診斷模型的意義

以SL258-2000《水庫大壩安全評價導則》為理論基礎，結合工程實際，分析多項物理力學指標的相關性，重點研究對土料力學性質影響明顯的凝聚力、內摩擦角、壓縮模量等衰減規律[6]，建立衰減模型，試圖建立基于土料力學指標衰減規律的土石壩健康診斷體系，為大壩安全運行提供依據，防止事故發生，避免不必要的經濟損失和對社會生活造成嚴重影響，對土石壩長效性評價意義十分重大。

3 雙龍水庫健康診斷分析過程

為研究筑壩土料特性變化對大壩安全的影響，2005年3月，在現狀壩體通過鉆探取原狀土樣18組，探坑取擾動土樣4組，進行土工試驗，室內土工試驗主要物理力學指標有：比重、密度、含水量、液限、塑限、顆粒分析、壓縮系數、內摩擦角和粘聚力；現場原位試驗有：壓（注）水試驗、標準貫入（動力觸探）試驗、壩土壩基水位分層觀測。對比分析取1985年12月施工時筑壩土料的土工試驗成果：原狀土樣10組、壩體填筑層擾動土樣27組及1995年除險加固的部分成果，作為衰減規律的建立依據。

對大壩原筑壩土料和現狀土多項物理力學指標采用一元線性回歸分析表明：壓縮系數和孔隙比的相關性較明顯，與其他物理指標的相關性不明顯；粘聚力與孔隙比、含水量、塑限、塑性指數、容重的相關性較好，與其他物理指標的相關性不明顯；內摩擦角與塑性指數、孔隙比、含水量、容重、比重的相關性較好，與其他物理指標的相關性不明顯；壓縮模量與液限、塑限和液限指標相關性較好，與其他物理指標的相關性不明顯。以往研究[7]表明，現狀壩土力學指標的變異性相較于物理指標大，根據本工程所能獲取的試驗指標值，最后采用壓縮模量、粘聚力和內摩擦角三項對大壩力學性質影響較大的力學指標建立衰減方程。建立方程如下：y=bxa，式中y為現狀物理力學指標值，x為原筑壩土料物理力學指標值，a為衰減指數，b為時間影響系數。根據雙龍水庫力學指標統計計算：壓縮模量衰減指數a=0.940，內摩擦角衰減指數a=0.935，粘聚力衰減指數a=0.926，時間影響系數b=1。

將建立的衰減規律方程作為一項影響指標考慮，綜合評定大壩的安全狀態。雙龍水庫安全影響指標權重見表3，安全影響指標評分見表4。

經計算，現狀雙龍水庫綜合評分P=2.75，處于亞健康狀態，并預計10 a以后的綜合評分P=2.4，綜合評定為病害水庫。建議對水庫采取相應的工程措施、進行必要的實時監測和加強運行管理，以使工程達到亞健康以上，最大限度地發揮工程效益。

表3 雙龍水庫安全影響指標權重Table 3:Weights of the influence indicators for Shuanglong res-ervoir safety

表4 雙龍水庫安全影響指標評分Table 4:Scores of the influence indicators for Shuanglong res-ervoir safety

4 結論分析

初步建立了一套適用于土石壩健康安全診斷的體系，并將此體系應用于實際工程，研究結果體現了一定的科學性與可操作性。由于受試驗頻次的限制，所獲取的試驗值相對有限，建立的衰減模型精度也有待進一步修正。希望后期能對某特定地區不同筑壩土料的力學衰減規律進行統計，不斷完善，使該體系能快速有效地評定不同類型土壩的健康狀態，為土壩的安全運行提供保障。

[1]林宗元.巖土工程實驗監測手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

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[3]SL258-2000，水庫大壩安全評價導則[S].北京：中國水利水電出版社.

[4]林志祥,龔愛民,宋天文.基于筑壩土料物理力學指標衰減條件下的土壩長效性研究[J].人民長江，2008，39（19）.

[5]侯英杰.影響土石壩水庫健康因素的分析[J].水科學與工程技術，2010，52（1）.

[6]王晶,朱清科,朱首軍.筑壩土料的擊實和直剪試驗研究[J].安徽農業科學，2009，37（5）.

[7]王兆農.鴨子蕩水庫寬級配筑壩士料效果分析[J].中國農村水利水電，2006，109（11）.