土石坝下游坝坡填筑料的稳定性分析

朱关震 何芳婵

摘 要：土石坝坝坡土体颗粒之间存在一些间隙，在蓄水之后，会沿着间隙产生一定的不稳定性，如果不稳定性比较大，细颗粒就会被水带出坝体，导致空隙的形成，在水压的作用下，等到空隙达到了一定程度，就会对坝坡的安全性和稳定性造成威胁。某水库工程进行日常巡查时，管理单位发现大坝下游坡面出现有局部塌陷与隆起，初步分析原因可能是下部垫层填料不密实随着时间的推移逐步沉陷引起的。为查明下游坝坡脱空区下部的垫层是否密实，同时查明下游坝坡塌陷、隆起区下部是否有滑动面，确定坝坡隐患是滑动破坏还是冲刷破坏，通过选择部分典型的预制块塌陷、隆起区域，在对护坡表层进行详细测量后，开挖探坑，按照分层取样，进行实地探察，进而进行相关试验及粒径级配分析、填筑料的颗粒分析比对试验，查明了粒径的分布特点，初判降雨水流冲刷是坝坡隐患出现的主要原因。

关键词：土石坝;坝坡;颗粒分析

中图分类号：TV641 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）22-0066-04

Abstract： Earth and rockfill dam dam slope has some space between the soil particles， after water storage， can produce certain instability， along the clearance if instability is bigger， fine particles can be hose out of dam body， lead to the formation of the gap， under the action of water pressure， until the gap reached a certain level， will pose a threat to the security and stability of dam slope. During the daily inspection of a reservoir project， the management unit found local collapse and uplift on the downstream slope of the dam， which may be caused by the gradual subsidence over time due to the uncompacted padding of the lower cushion. The purpose of this paper is to find out whether the cushion layer under the downstream dam slope void area is dense， and whether there is sliding surface under the downstream dam slope collapse and uplift area， and determine whether the hidden danger of dam slope is sliding failure or scouring failure. By choosing some typical preform subsidence， uplift area， after a detailed measurements in the surface layer of slope protection， excavation pit， according to the stratified sampling， field exploration， then the relevant test and grain size grading， filling material particle analysis comparison test， find out the distribution characteristics of grain size， initial flow washout for the rainfall is the main reason for the dam slope hazard occurred.

Keywords： earth-rock dam; dam slope; grain size analysis

土石壩泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝[1]。土石坝坝坡土体颗粒之间存在一些间隙，水库在蓄水之后受到水压力的作用，会沿着间隙产生一定的不稳定性，在背水坡可能会有出逸点形成。如果不稳定性比较大，细颗粒就会被水带出坝体形成空隙，时间一久就会导致不稳定性通道形成，空隙变大，渗流量和不稳定性也就不断增大。在水压的作用下，等到空隙达到了一定程度，就会对坝坡的安全性和稳定性造成威胁。土石坝坝坡一旦失稳，产生滑坡现象，对于人们生命财产、工程设施、地质环境等的危害都比较大[2]。

1 研究背景

某水库工程等别和规模属Ⅱ等大（2）型，其主要建筑物大坝、溢洪道、泄洪洞和输水洞进水口为2级，次要建筑物为3级[3]。大坝为土石坝，分为左岸台地、河槽及漫滩、右岸坝肩3个坝段。在管理单位进行日常巡查时，发现大坝下游坡面出现有面积不等的局部塌陷与隆起，马道局部有砂料和砂砾料存集等现象。初步分析，原因可能是下部垫层填料不密实，随着时间的推移逐步沉陷，这可能是一种渗透破坏现象，也可能是一种局部的破坏，只要及时修补，并不会导致溃坝。

因此，针对该水库下游坝坡局部出现的预制块下部脱空的现象，需要及时查明原因，提出处理方案，及时进行处理，防止危害扩大，保证大坝的安全运行。

2 试验方法及内容

根据对坝坡坡面的检查发现，在大坝桩号4+300～4+650部位，大坝下游坡面出现局部塌陷或隆起区域，多分布在一、二级马道的中部，即高程98.0～104.0 m。

针对下游坝坡出现局部塌陷或隆起的隐患区，为查明下游坝坡脱空区下部的垫层是否密实，要同时查明下游坝坡塌陷、隆起区下部是否有滑动面，确定坝坡隐患是滑动破坏还是冲刷破坏。本试验选择部分典型的预制块塌陷、隆起区域，通过打开该区域混凝土砌块的方式，在对护坡表层进行详细测量后，为查勘下部情况开挖探坑，按照分层取样进行实地探察，进而进行相关试验及粒径级配分析，查明粒径的分布特点，以便合理地评价坝坡局部稳定的安全性。

颗粒分析试验通过测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法来了解颗粒大小分布情况[4]。通过对破坏区域的土体进行颗粒分析试验，进而与其施工设计值进行对比，可直观判断坝坡内部是否出现渗漏。

根据现场打开区域及坝体的填料情况，分3层取样。其中：第1层为垫层料表层，深度为5～15 cm;第2层为垫层料层，深度为20～40 cm;第3层为任意料层，深度为45～65 cm。

由于第1层最先受到破坏和其中大粒径砾石的存在，因此主要对其进行塌陷区、隆起区的尺寸测量及颗粒分析试验。通过深度、长度、形状的测量，可以初步判断出产生破坏的类型。通过颗粒分析试验，可以初步确定破坏发生的诱因。就塌陷区的观察及测量结果可知，该塌陷无明显的滑动面存在，它的破坏形状呈沟状，是典型的冲沟破坏。其形成原因是降雨入渗冲刷还是坝体内部渗漏冲刷，有待对第2层、第3层进行试验分析后再判别。

第2层及第3层相对破坏程度较小，主要进行含水率试验、干密度试验和颗粒分析试验。通过一系列的试验检测，对是否存在滑动面进行确定，从内部进一步分析判别其破坏形式和诱因。

3 试验结果对比分析

3.1 垫层料表层砂砾料渗透变形判别

土的渗透变形特征应根据土的颗粒组成、密度和结构状态等因素综合分析确定。土的渗透变形可分为流土、管涌、接触冲刷和接触流失等4种类型。本次试验所涉及的表面砂砾料大部分为无黏性土，共进行了18组颗粒分析试验。根据颗粒分析试验试验结果和《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）附录G判定的局部破坏的类型如表1所示。

由表1可知，本项目所取表面砂砾料试样可能发生渗透破坏的3种类型管涌、流土和过渡型的试样占总试样数的百分比分别为38.9%、27.8%和33.3%。仅从颗粒级配分析表面砂砾料试样发生管涌的可能性非常大，再从下部表面出现的大面积涌砂，表明土体内部渗漏通道形成，细颗粒流失导致土体结构疏松，经过内部复杂的水土作用后表现在渗流出口的颗粒涌出。主要原因可能为在表面水流或渗流的冲刷作用下，土体中的细颗粒被表面水流从孔隙中被带走，从而导致土体形成贯通的渗流通道，进而造成上部砌块塌陷、下部隆起。

综上所述，该塌陷隆起区域主要是冲刷造成的，但其形成原因究竟是降雨入渗冲刷还是坝体内部渗漏冲刷，还需要从该区域垫层料及任意料的含水率分布来进行初步判断。

3.2 垫层料及任意料层含水率试验对比分析

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），依据土的性质和工程情况，本试验采用烘干法测定土的含水率。根据冲沟的形状，共选取了12处取样位置，按照垫层料及任意料进行分层测量，含水率试验共进行了48组，根据试验结果，以取样位置的高程为横坐标，土样含水率为纵坐标，绘制不同深度的不同高程垫层料及任意料含水率分布曲线，如图1所示。

由图1可知：随着高程的增大，不同深度的含水率均呈减小的趋势;下部含水率之所以大，主要与降雨有关。之所以有这种现象，是由于降雨。部分雨水在砌块表面由坝顶向下流动渗入砌块，部分在上部渗入砌块的雨水，沿砌块下的冲沟下渗和向下流动。相比之下，下部的渗透水量更大。在高程相同的情况下，深度25 cm的土样含水率明显小于深度为35 cm、50 cm、60 cm的土样，深度为35 cm的土样则明显小于深度为50 cm和60 cm的土样。主要因为深度25 cm的土样相比于其他深度的土样最先受到冲刷，其含泥量明显小于其他层土样。深度为50 cm的土样和深度为65 cm的土样含水率相比：在高程约小于100 m时，深度为50 cm的土样的含水率大于深度为65 cm的土样含水率;在高程大于100 m时，深度为50 cm的土样的含水率则在开始阶段小于深度为65 cm的土樣含水率，之后基本趋于一致。究其原因主要在于高程小于100 m时，其上层含水率较大，向下的渗透水量相对较大，而在高程大于100 m时，由于其上层含水率的明显减小，其向下的渗透水量也就自然减少。

从图1分布曲线趋于规律性的变化和对其变化的分析，基本可以判别其主要受降雨的影响。至于到底有没有受内部渗漏的影响，或者是受内部渗漏的影响但影响相对较少，还有待对土样进行颗粒分析试验。

3.3 垫层料及任意料层颗粒分析试验对比分析

管涌是指在渗流水作用下，填充在土体骨架孔隙中的细颗粒被水流带走并形成渗漏通道的一种渗透破坏现象。若不及时排除，随着泥沙不断涌出，通道直径将越来越大，致使发生不均匀沉陷并导致崩堤的严重后果。管涌的产生具有多变、难以预测等特点，但其产生的最直接影响是对土体颗粒级配的影响[5]。颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法借以明了颗粒大小分布情况。通过对破坏区域的土体进行颗粒分析试验，进而与其施工设计值进行对比，可直观判断其内部是否出现渗漏。

根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）选取相应土料，用筛分法进行颗粒分析试验，粗筛孔径分别为60.0 mm、40.0 mm、20.0 mm、10.0 mm、5.0 mm、2.0 mm，细筛孔径分别为2.000 mm、1.000 mm、0.5000 mm、0.250 mm、0.075 mm。颗分试验共进行了48组，根据试验结果可知：16组为含细粒土砾，3组为级配良好砾，29组为级配不良砾，级配不良砾的占比达到60.4%，综合评判填料的级配连续性不好。通过对颗分成果表的分析统计，可得出不同高程的垫层料和任意料不同颗粒粒径所占百分比。这里选取比较典型的粒径（粒径大于20 mm和粒径小于2 mm）进行对比分析，如图2和图3所示，含泥量分布如图4所示。

由图2可知，大于20 mm的粒径所占百分比并不随高程的变化而呈规律性变化;垫层料中大于20 mm的粒径所占百分比明显大于任意料中大于20 mm的粒径所占百分比;垫层料中大于20 mm的粒径所占百分比平均约为24%，任意料中大于20 mm的粒径所占百分比平均约为19%。

由图3可知，随高程的变化，颗粒粒径小于2 mm的粒径所占百分比基本没有太大变化;相同高程的垫层料中小于2 mm的粒径所占百分比与任意料中小于2 mm的粒径所占百分比相差不大;垫层料中小于2 mm的粒径所占百分比平均约为42%，任意料中小于2 mm的粒径所占百分比平均约为46%。

由图4可知，随高程变化，其不同料层的含泥量无规律性变化，其中高程为100.8～104.0 m，其含泥量明显小于其他高程，原因在高程为100.8～104 m，区域冲蚀破坏较严重;相同高程的垫层料的含泥量与任意料的含泥量基本没有太大差别;垫层料的含泥量平均约为3.5%，任意料的含泥量平均约为4%。

3.4 垫层料及任意料层压实度试验分析

粗粒料作为土石坝的主要填筑材料，粗粒料的强度和变形特性一直以来是大坝稳定性研究的重点。而粗粒料密实程度的变化对其强度和变形特性的影响是不可忽视的。粗粒料密实程度的检测主要依据压实度试验。本次采用灌砂法进行压实度的试验检测。按照不同深度取样，共进行48组试验，试验结果如图5所示。

由图5可知，深度相同时，随着高程的变化，各层的干密度并没有明显的改变，其走势基本趋于一条平行的直线，说明各层均处于较稳定状态，未受到明显破坏;高程相同时，深度为50 cm和深度为60 cm试样干密度相差不大，深度为样干密度相差也不大;随着深度的增加，下部试样干密度少于上部，主要原因是垫层料和任意料的材料及其深度有关。在材料上，垫层料主要以小粒径为主，且级配不连续，相互间空隙大，而任意料层的级配连续，且黏粒含量较大。在深度上，随着深度的增加和混凝土砌块的自重，在重力作用下，越往下其受到的压力越大，再加上长年累月的积累，其影响也随之加大。

4 结语

结合水库下游坝坡现状和坝坡现场查勘结果，分析砂砾料存集区域和砌块隆起、塌陷区域的分布特点、出沙粒径的分布特点。通过打开预制砌块，开挖探坑，分层取样试验，分析坝坡隐患出现的原因如下：①坝坡预制块出现塌陷的主要原因是受降雨水流冲刷的影响，垫层料中粒径较小的砂砾料被水流带走，留下的大粒徑砂砾石因对上部预制块支撑强度的不同，以及垫层料中混有预制块的影响，使得预制块出现局部塌陷;②坝坡出现隆起的主要原因是垫层料中细砂砾料在受水流冲刷的过程中沿坝坡向下搬运，遇到预制块垫层密实区域时会在此堆积，长期堆积会使得预制块局部隆起。

参考文献：

[1]黄侄祥.降雨入渗及库水位升降对出山店水库土石坝渗流场的影响研究[D].郑州：华北水利水电大学，2018：23.

[2]杨薇.坝坡稳定性研究[J].建筑工程技术与设计，2014（34）：733.

[3]李建.燕山水库变形观测[J].河南水利与南水北调，2013（10）：32-33.

[4]邓美红.土工颗粒分析试验结果误差影响因素分析[J].城市建设理论研究，2015（1）：1534-1535.

[5]姚志雄，周健，张刚，等.颗粒级配对管涌发展的影响试验研究[J].水利学报，2016（2）：200-208.