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(nóng)業(yè)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(xié)調(diào)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(zhèn)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)量較差引起。土樣的物理實驗成果是土壩穩(wěn)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(lián)結在一起[1-3]。據(jù)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(zhì)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(nèi)容有：（1）根據(jù)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(zhì)影響明顯的主要力學指標研究其衰減規(guī)律；（2）依據(jù)衰減規(guī)律，建立衰減方程；（3）以力學衰減規(guī)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(zhì)實驗結果Table 1:Physical properties of the dam soil

現(xiàn)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(zhì)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(shù)，用最小二乘法估算系數(shù)。

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(zhì)衰減的基本規(guī)律。

2.2 衰減方程的建立與優(yōu)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(zhì)的變化，僅以此來評價大壩健康狀態(tài)顯然不夠科學，主要問題如下：（1）大壩發(fā)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(guī)律與所建模型不符。（2）各力學指標對土料力學性質(zhì)影響權重會轉化，原來是次要影響因素，隨著時間和環(huán)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(zhì)量、設計標準、環(huán)境變化等。因此，采用單項衰減數(shù)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(xiàn)場巡視、監(jiān)測、水情）進行綜合分析，才能全面認識大壩的結構性態(tài)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(tǒng)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(shù)，反映某一土石壩的健康狀況，指數(shù)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(tài)評價體系框圖。依據(jù)實際情況可由多位經(jīng)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(shù)P，其評價標準見表2。

圖1 土石壩健康狀態(tài)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(tài)，它滿足國家現(xiàn)行設計規(guī)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(tài)，它不能滿足有關規(guī)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(tài)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(fā)生潰壩失事，只是失事的可能性較高，因而要加強實時監(jiān)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(zhì)影響明顯的凝聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量等衰減規(guī)律[6]，建立衰減模型，試圖建立基于土料力學指標衰減規(guī)律的土石壩健康診斷體系，為大壩安全運行提供依據(jù)，防止事故發(fā)生，避免不必要的經(jīng)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(xiàn)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(nèi)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(shù)、內(nèi)摩擦角和粘聚力；現(xiàn)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(guī)律的建立依據(jù)。

對大壩原筑壩土料和現(xiàn)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(shù)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(shù)、容重的相關性較好，與其他物理指標的相關性不明顯；內(nèi)摩擦角與塑性指數(shù)、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(xiàn)狀壩土力學指標的變異性相較于物理指標大，根據(jù)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(nèi)摩擦角三項對大壩力學性質(zhì)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(xiàn)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(shù)，b為時間影響系數(shù)。根據(jù)雙龍水庫力學指標統(tǒng)計計算：壓縮模量衰減指數(shù)a=0.940，內(nèi)摩擦角衰減指數(shù)a=0.935，粘聚力衰減指數(shù)a=0.926，時間影響系數(shù)b=1。

將建立的衰減規(guī)律方程作為一項影響指標考慮，綜合評定大壩的安全狀態(tài)。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(jīng)計算，現(xiàn)狀雙龍水庫綜合評分P=2.75，處于亞健康狀態(tài)，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(jiān)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(fā)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(xiàn)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(qū)不同筑壩土料的力學衰減規(guī)律進行統(tǒng)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(tài)，為土壩的安全運行提供保障。

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