基于筑坝土料力学指标衰减条件的双龙水库健康诊断体系研究

杨建荣，彭树明，和春香，任恒钦

（1.晋宁县水务局水利勘测设计队，云南晋宁 650600；2.云南农业大学水利水电与建筑学院，云南昆明 650201；3.云南省滇池补水工程协调领导小组办公室，云南昆明 650051）

1 工程概况

双龙水库位于昆明市晋宁县昆阳镇宝丰双龙村后双龙河谷，系长江水系东大河上游，距县城8 km。大坝由1座主坝、4座副坝组成，除第四副坝为粘土心墙土坝外，其余为均质土坝。最大坝高30 m，坝轴线长444 m，坝顶宽6.0 m。该工程兴建于1954年，是一座以城市供水、灌溉为主，兼顾防洪的综合利用中型水库，控制径流面积66.7 km2，库容1 224万m3。

双龙水库运行不久就出现病害，如坝土浸润线位置异常、背水坡渗流出逸点位置偏高，这主要由坝体填土质量较差引起。土样的物理实验成果是土坝稳定性评价的一项重要指标，土是一种复杂的分散体，其中大大小小的固相颗粒均直接或通过液相间接地联结在一起[1-3]。据资料，施工时单层铺土厚、成分杂、土块大、碾压不实、层间结合差。筑坝土主要为壤土、粘土、防渗土料、坝壳料，其颗粒分析及物理性质指标见表1。

2 基于筑坝土料力学指标衰减条件下的土石坝健康评价模型

建立土石坝健康评价模型的主要内容有：（1）根据筑坝土料的类型，分析多项力学指标相关性，从中选择对土料力学性质影响明显的主要力学指标研究其衰减规律；（2）依据衰减规律，建立衰减方程；（3）以力学衰减规律为基础，综合多项影响指标建立土石坝健康诊断模型。

2.1 力学指标相关性分析

表1 坝体土物理性质实验结果Table 1:Physical properties of the dam soil

现代坝工技术日新月异，筑坝材料几乎已不受限制。工程上习惯将土料分为无粘性土和粘性土两大类，再往下细分则种类十分庞杂。不同土类的力学指标对其力学性质的影响差异明显，因而在分析力学指标相关性时首先要明确土料的类型，有针对性地进行分析。通常建立线性回归方程：

式中：β0，β1，β2为回归方程系数，用最小二乘法估算系数。

通过以上式子对土的多项力学指标进行相关性分析，选择相关性明显的若干个指标来分析土料力学性质衰减的基本规律。

2.2 衰减方程的建立与优化

2.3 建立评价模型

土料力学指标的衰减主要针对土坝力学性质的变化，仅以此来评价大坝健康状态显然不够科学，主要问题如下：（1）大坝发生事故的地点可能没有进行地勘，出事点土料力学指标衰减规律与所建模型不符。（2）各力学指标对土料力学性质影响权重会转化，原来是次要影响因素，随着时间和环境的变化，可能转化为主要影响因素[5]。（3）影响土石坝安全的因素众多，如施工质量、设计标准、环境变化等。因此，采用单项衰减数学模型进行大坝健康诊断还存在局限性，还必须对各种资料（包括设计、施工、管理、现场巡视、监测、水情）进行综合分析，才能全面认识大坝的结构性态和健康状况。

土石坝健康评价体系是对影响土石坝安全的多项指标进行综合分析，分清权重，通过专家分析系统为大坝的健康状况给予评判。土石坝健康评价模型：P=ΣrkEk。式中：P为土石坝的综合评价指数，反映某一土石坝的健康状况，指数越大，土石坝越安全；rk为各指标的权重；Ek为各指标评分，分为3个等级：A为5分以上，B为2.5～5分，C为2.5分以下。图1为土石坝健康状态评价体系框图。依据实际情况可由多位经验丰富的工程师分别对各指标评分，然后取平均值输入，最后得到土石坝的综合评价指数P，其评价标准见表2。

图1 土石坝健康状态评价框图Fig.1 Frame chart of the health evaluation for earth dams

表2 土石坝健康评价标准Table 2:Criteria of the health evaluation for earth dams

综合评定为A级的大坝处于安全理想状态，它满足国家现行设计规范要求，具有足够的承载能力，不必采取除险加固措施；C级大坝处于不安全状态，它不能满足有关规范的要求，抵御破坏的承载能力不足，必须采取相应的除险加固措施；B级大坝的安全状态处于A级与C级之间。事实上，A级大坝不一定绝对安全，不一定不存在失事风险；同样，C级大坝也不一定就会发生溃坝失事，只是失事的可能性较高，因而要加强实时监测及运行管理。

2.4 建立诊断模型的意义

以SL258-2000《水库大坝安全评价导则》为理论基础，结合工程实际，分析多项物理力学指标的相关性，重点研究对土料力学性质影响明显的凝聚力、内摩擦角、压缩模量等衰减规律[6]，建立衰减模型，试图建立基于土料力学指标衰减规律的土石坝健康诊断体系，为大坝安全运行提供依据，防止事故发生，避免不必要的经济损失和对社会生活造成严重影响，对土石坝长效性评价意义十分重大。

3 双龙水库健康诊断分析过程

为研究筑坝土料特性变化对大坝安全的影响，2005年3月，在现状坝体通过钻探取原状土样18组，探坑取扰动土样4组，进行土工试验，室内土工试验主要物理力学指标有：比重、密度、含水量、液限、塑限、颗粒分析、压缩系数、内摩擦角和粘聚力；现场原位试验有：压（注）水试验、标准贯入（动力触探）试验、坝土坝基水位分层观测。对比分析取1985年12月施工时筑坝土料的土工试验成果：原状土样10组、坝体填筑层扰动土样27组及1995年除险加固的部分成果，作为衰减规律的建立依据。

对大坝原筑坝土料和现状土多项物理力学指标采用一元线性回归分析表明：压缩系数和孔隙比的相关性较明显，与其他物理指标的相关性不明显；粘聚力与孔隙比、含水量、塑限、塑性指数、容重的相关性较好，与其他物理指标的相关性不明显；内摩擦角与塑性指数、孔隙比、含水量、容重、比重的相关性较好，与其他物理指标的相关性不明显；压缩模量与液限、塑限和液限指标相关性较好，与其他物理指标的相关性不明显。以往研究[7]表明，现状坝土力学指标的变异性相较于物理指标大，根据本工程所能获取的试验指标值，最后采用压缩模量、粘聚力和内摩擦角三项对大坝力学性质影响较大的力学指标建立衰减方程。建立方程如下：y=bxa，式中y为现状物理力学指标值，x为原筑坝土料物理力学指标值，a为衰减指数，b为时间影响系数。根据双龙水库力学指标统计计算：压缩模量衰减指数a=0.940，内摩擦角衰减指数a=0.935，粘聚力衰减指数a=0.926，时间影响系数b=1。

将建立的衰减规律方程作为一项影响指标考虑，综合评定大坝的安全状态。双龙水库安全影响指标权重见表3，安全影响指标评分见表4。

经计算，现状双龙水库综合评分P=2.75，处于亚健康状态，并预计10 a以后的综合评分P=2.4，综合评定为病害水库。建议对水库采取相应的工程措施、进行必要的实时监测和加强运行管理，以使工程达到亚健康以上，最大限度地发挥工程效益。

表3 双龙水库安全影响指标权重Table 3:Weights of the influence indicators for Shuanglong res-ervoir safety

表4 双龙水库安全影响指标评分Table 4:Scores of the influence indicators for Shuanglong res-ervoir safety

4 结论分析

初步建立了一套适用于土石坝健康安全诊断的体系，并将此体系应用于实际工程，研究结果体现了一定的科学性与可操作性。由于受试验频次的限制，所获取的试验值相对有限，建立的衰减模型精度也有待进一步修正。希望后期能对某特定地区不同筑坝土料的力学衰减规律进行统计，不断完善，使该体系能快速有效地评定不同类型土坝的健康状态，为土坝的安全运行提供保障。

[1]林宗元.岩土工程实验监测手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]李天科,刘斌,李君，等.土石坝老化评价方法研究[J].中国农村水利水电.2007,(4):100～102.

[3]SL258-2000，水库大坝安全评价导则[S].北京：中国水利水电出版社.

[4]林志祥,龚爱民,宋天文.基于筑坝土料物理力学指标衰减条件下的土坝长效性研究[J].人民长江，2008，39（19）.

[5]侯英杰.影响土石坝水库健康因素的分析[J].水科学与工程技术，2010，52（1）.

[6]王晶,朱清科,朱首军.筑坝土料的击实和直剪试验研究[J].安徽农业科学，2009，37（5）.

[7]王兆农.鸭子荡水库宽级配筑坝士料效果分析[J].中国农村水利水电，2006，109（11）.