基于坝坡稳定复核的土石坝整体填筑质量评价

胡赛潇 张云发 刘超 隆文非

摘要：土石壩的填筑质量直接影响大坝安全。传统的土石坝填筑质量评价方法大多以控制碾压参数和土石填筑料压实参数为主，不能定量反映大坝的安全性。对此，以四川省九龙潭黏土心墙石渣坝为实例，提出了基于坝坡稳定复核的土石坝整体填筑质量评价方法，通过施工期土石填筑料检测资料的分析，得到各填筑料的物理力学指标，据此复核坝坡抗滑稳定安全系数，并与原设计和规范允许值进行对比，从而评判施工填筑质量。该评价方法的关健是获取坝体填筑料的物理力学指标，对比分析基于大样抽检试验直接获取和基于部分杭剪强度力学指标（黏聚力和内摩擦角）与物理指标（含水率和干密度）的相关性分析获取这两类方法的优缺点。结果表明，该评价方法具有可操作性，能定量反映大坝的安全性，对类似工程填筑质量评价具有参考价值。

关键词：填筑质量；杭剪强度；多元回归；质量评价；坝坡稳定；土石坝

中图分类号：TV641.2+5；TU443 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.029

土石坝取材方便、对地形适应性强，是常见坝型之一。土石坝填筑质量的好坏对其是否能够安全运行至关重要。《碾压式土石坝施工规范》规定，在施工过程中，需对碾压参数（铺层厚度、碾压遍数、碾压频率、碾压行车速度等）进行控制，以控制压实质量，即“事中控制”；仓面施工结束后，为了评价其压实质量是否满足要求，需对试坑土体的含水率、干密度等压实参数抽样检测，即“事后控制”。通常认为，碾压参数和填筑料的压实参数满足设计要求，则填筑质量满足要求。

当前，土石坝填筑质量评价的研究主要集中在对碾压参数的实时监控和压实参数的快速评估。在碾压参数的实时监控方面，黄声享等研制了GPS监控系统，钟登华等研制了土石坝填筑碾压监控系统，实现了施工过程中碾压参数（压实厚度、击振状态、碾压遍数、行车速度等）的实时监控。然而，碾压参数的实时监控并不能直接得到填筑料的压实参数（如干密度、孔隙率或压实度等），为了快速、实时获取填筑料的压实参数，以评价其压实质量，Jiunnren Lai和IloriA.O.等利用应力波传播速度与纵波反射结果实现了填筑料压实参数的快速获取，Caterpillar公司通过实时监测碾压机械对土层的输出功率得到压实参数的动态估计，Amma朋公司利用机测土体刚度获得了土料压实参数。

《水利水电工程施工质量检验与评定规程》规定，工程划分为单元工程、分部工程、单位工程三级，依次按级对施工质量进行评价。通常每一填筑层即为一个单元工程，先通过填筑料压实参数（如干密度、孔隙率或压实度等）合格率是否满足规范要求来评价，再按单元工程的合格率依次对分部工程、单位工程进行评价。这种评价方法实质上属施工质量“过程评价”，往往只能在工程的某个阶段定性地评判大坝填筑质量，并不能得到坝坡的抗滑稳定系数值，不能对大坝整体安全性做出定量评价。因此，在坝体填筑完工后，能否基于坝坡稳定性来定量评价土石坝坝体填筑质量，其评价结果能否同时作为工程竣工验收的依据？值得思考。

要进行坝坡稳定性分析，首先需获取坝体填筑料的物理力学指标。一般来讲，在坝体施工过程中，对每一填筑层，根据填筑方量的不同，均抽样测定了填筑料的压实物理指标（如干密度、孔隙率或含水率等）。同时，质量监管部门往往还要求按照一定频率测定坝体填筑料的力学指标，例如《四川省水利工程土石坝施工质量第三方检测规范》规定，沿坝高每填筑5～10m做一次室内大样试验，检测指标包括坝体土料干密度、渗透系数、抗剪强度及压缩特性等。也就是说，根据土石坝施工质量抽样检测成果，可以获得各填筑层的物理指标，同时可获得沿坝高每5～10m填筑料的物理、力学指标。

根据土石坝施工质量抽样检测成果，进行坝坡抗滑稳定计算，坝体填筑料的物理、力学指标可采用两种方式获取：一是直接采用沿坝高每填筑5～10m的室内大样试验所获得的坝体填筑料物理、力学指标，即认为每5～10m填筑层的物理、力学指标相同；二是结合检测资料，通过相关性分析，尽可能得到每一填筑层的物理、力学指标。近年来不少学者采用人工神经网络或多元回归方法分析表明，土石填筑料的物理指标与力学指标有较好的相关性。如果能够采用大样试验资料建立土体物理指标与抗剪强度指标的相关关系，则可以利用每一填筑层的物理指标，模拟得到每一填筑层的抗剪强度力学参数。

本文结合四川省九龙潭水库土石坝工程，采用上述两种方式获得相应的坝体填筑料物理、力学指标，再通过GeoStudio 2007的SLOPE/W土坡分析软件，计算得到坝坡的抗滑稳定系数，进而评价该土石坝的施工填筑质量。

1 工程概况

九龙潭水库是一座以灌溉和城镇供水为主的中型水库，正常蓄水位370.92m、死水位354.00m。大坝为黏土心墙土石坝，最大坝高50.15m，上游坝坡自上而下坡比分别为1：2.50、1：2.75和1：3.00，下游坝坡自上而下坡比分别为1：2.3、1：2.5和1：2.6。坝体心墙采用黏土材料填筑，上游坝壳和下游坝壳干燥区采用砂质泥岩石渣料填筑，下游坝壳底部采用砂岩石渣料填筑。坝体最大断面（横剖面）见图1。

2 施工质量检测结果

坝面施工按心墙及反滤过渡料、上游坝壳料和下游坝壳料3个施工区分段流水作业。施工单位在施工过程中严格控制碾压参数（碾压现场控制标准见表1），每层碾压完毕后，按照《碾压式土石坝施工规范》川要求，按相应频率测量试坑的干密度和含水率，检测结果见表2。

施工过程中，第三方检测单位按照《四川省水利工程土石坝施工质量第三方检测规范》对压实质量进行独立抽样检测。对黏土心墙区，沿坝高每填筑约5m做一次室内大样试验，对反滤过渡区、上下游坝壳区，沿坝高每填筑约10m做一次室内大样试验。试样以实测坝料级配中线为原型级配，以施工台账中该高程以下5m（黏土心墙）、10m（反滤过渡区、上下游坝壳区）范围内各碾压单元的实测干密度与含水率的平均值为制样控制依据，试样级配采用等量替代法控制，大样试验可较为真实地反映该区域土体的性质。试验结果见表3。

3 基于大样试验直接获取填筑料物理力学指标的坝坡稳定计算

3.1 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》，控制坝坡稳定的有施工期（竣工期）、稳定渗流期、水库水位降落期等多种工况。选取两种较不利的工况进行稳定复核：①稳定渗流期（正常蓄水位370.92m）下游坝坡抗滑稳定性；②水库水位降落期（从正常蓄水位370.92m降至死水位354.00m）上游坝坡抗滑稳定性。

3.2 计算方法

采用GeoStudio Seep/W程序对两种复核工况进行坝体渗流分析，得到坝体浸润线，再采用SLOPE/W程序用简单毕肖普法进行坝坡稳定计算。

3.3 坝体材料分区

施工过程中，第三方检测单位沿坝高每填筑5～10m（黏土心墙5m，反滤过渡区和上下游坝壳区10m）进行室内大样试验。由于试验制样反映了该5～10m范围内各碾压单元的土料性质，因此可认为该5～10m填筑层的物理、力学指标相同，直接采用大样试验结果。根据第三方检测位置确定坝体计算剖面材料分区，例如黏土心墙沿坝高每填筑约5m做一次室内大样试验，共9次大样试验，故分为9个计算区，见图2。各区填筑料物理、力学指标按表3取值。

3.4 坝坡稳定复核

稳定渗流期下游坝坡最小抗滑稳定安全系数K1=1.936。水库水位降落期上游坝坡最小抗滑稳定安全系数K2=1.455。两种工况下坝坡抗滑稳定最危险滑弧见图2。

4 基于相关性分析获取填筑料物理力学指标的坝坡稳定计算

室内大样试验结果虽然有物理、力学指标，但样本数量较少（沿坝高间隔5～10m进行一次大样试验），不能准确反映大坝各碾压填筑层的情况。本文尝试通过对室内大样试验结果的物理、力学指标进行相关性分析，得到填筑土料物理参数与力学参数的回归方程，再根据各填筑层的抽检物理指标，推求得到其力学指标，从而得到各填筑层的物理、力学指标，据此进行坝坡稳定计算，进而评价坝体填筑质量。

4.1 坝体填筑料物理力学指标相关性分析

土石料抗剪强度指标包括黏聚力c和内摩擦角φ前者取决于土体颗粒之间的静电引力和胶结作用等因素，后者与土粒表面的粗糙程度和土体的压实程度、级配等有关。尽管土石料的抗剪强度受多种因素的影响，但已有的研究表明，其受含水率和干密度的影响较大，且有较好的相关关系。土石料越密实，颗粒间咬合越紧密，抗剪强度指标越大。随着含水率的降低，土颗粒之间的孔隙水压力消散，土的基质吸力变大，土的抗剪强度则增大。本文结合室内大样试验结果，分析填筑土石料抗剪强度指标与含水率和干密度的相关关系。

将干密度ρd和含水率ω作为自变量，抗剪强度指标（c，φ）作为因变量，采用多元非线性回归方法，建立回归方程。各土石料回归方程见表4，各土石料抗剪强度实测值与预测值对比见图3～图5。

由图3～图5可以看出，通过回归方程得到的预测值与实测值相近，表明回归方程中因变量（黏聚力、内摩擦角）与自变量（干密度、含水率）有良好的相关关系。表4中各回归方程表明，各填筑土石料的抗剪强度指标与干密度正相关、与含水率负相关，与文献的研究结果一致，符合各变量之间的物理关系。

4.2 各填筑层力学指标预测

九龙潭水库土石坝碾压施工各碾压层厚度见表1，施工抽样测定填筑料物理指标（如干密度、含水率等）的次数见表2。该工程施工抽样检测各填筑层物理指标时，对填筑方量较大的填筑层测定了1～5次，本次分析时取各次测定的平均值；对填筑方量较小的填筑层，填筑两层后测定1次，分析时则认为这两层土体物理指标相同，据此确定坝体计算剖面材料分区，见图6。将填筑料各分区物理指标代入回归方程，即得到各分区土体相应的力学指标。下游坝壳底部砂岩石渣料大样试验数据只有一组，其物理、力学指标直接采用大样试验结果。

4.3 坝坡稳定复核

坝坡抗滑稳定计算工况和计算方法与前述相同，经计算，稳定渗流期下游坝坡最小抗滑稳定安全系数K1=1.962，水库水位降落期上游坝坡最小抗滑稳定安全系数K2=1.483。两种工况下坝坡抗滑稳定最危险滑弧见图6。

5 分析与讨论

5.1 坝体填筑质量评价

九龙潭水库土石坝工程原设计报告中，稳定渗流期下游坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.329，规范要求1.300；水库水位降落期上游坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.313，规范要求1.300。本文采用两种方法，获取坝体填筑料的物理力学指标，计算得到相应工况下，上下游坝坡抗滑稳定最小安全系数值均大于原设计值，且均满足规范要求，表明该坝体填筑质量总体上满足要求。

本文提出了基于坝坡稳定复核的土石坝整体填筑质量评价方法，即通过对施工期土石填筑料检测资料的分析，得到各填筑料的物理力学指标，据此再复核坝坡抗滑稳定安全系数，并与原设计和规范允许值进行对比，从而评判施工质量。工程实例表明，该方法具有可操作性，与以往的采用碾压参数和填筑料压实参数评价方法相比，该方法能定量反映大坝的安全性。

5.2 两种评价方法的比较

基于大样试验直接获取各填筑区域的物理力学指标的方法简单易行，但该方法是根据各大样试验的组数（如本文工程实例中沿坝高5～10m一组）进行坝体材料分区，未反映每一填筑层的不均匀性。

基于相关性分析获取填筑料物理力学指标的方法能反映各填筑层的不均匀性，但其计算精度受制于填筑料物理指标与力学指标相关关系的建立，样本数量愈多，则建立的相关关系愈合理。一般来讲，样本量应不少于影响因素数量的5～10倍。本文工程实例中，黏土心墙料有9个样本，基本满足要求；但砂质泥岩石渣料和砂卵石过渡料仅有4个样本（即4组大样试验资料），存在样本数量不足的问题，这在一定程度上影响了计算的可靠性。解决样本数量不足问题的方法，一是在坝体填筑施工过程中，适当增加大样检测数量，建议每种土石料的大样检测次数不少于10次；二是收集各类填筑料的物理、力學指标资料，建立各类填筑料物理指标和力学指标更为准确的相关关系表达式。

参考文献：

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