土石壩下游壩坡填筑料的穩(wěn)定性分析

朱關震 何芳嬋

摘 要：土石壩壩坡土體顆粒之間存在一些間隙，在蓄水之后，會沿著間隙產(chǎn)生一定的不穩(wěn)定性，如果不穩(wěn)定性比較大，細顆粒就會被水帶出壩體，導致空隙的形成，在水壓的作用下，等到空隙達到了一定程度，就會對壩坡的安全性和穩(wěn)定性造成威脅。某水庫工程進行日常巡查時，管理單位發(fā)現(xiàn)大壩下游坡面出現(xiàn)有局部塌陷與隆起，初步分析原因可能是下部墊層填料不密實隨著時間的推移逐步沉陷引起的。為查明下游壩坡脫空區(qū)下部的墊層是否密實，同時查明下游壩坡塌陷、隆起區(qū)下部是否有滑動面，確定壩坡隱患是滑動破壞還是沖刷破壞，通過選擇部分典型的預制塊塌陷、隆起區(qū)域，在對護坡表層進行詳細測量后，開挖探坑，按照分層取樣，進行實地探察，進而進行相關試驗及粒徑級配分析、填筑料的顆粒分析比對試驗，查明了粒徑的分布特點，初判降雨水流沖刷是壩坡隱患出現(xiàn)的主要原因。

關鍵詞：土石壩;壩坡;顆粒分析

中圖分類號：TV641 文獻標識碼：A 文章編號：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

土石壩泛指由當?shù)赝亮?、石料或混合料，?jīng)過拋填、輾壓等方法堆筑成的擋水壩[1]。土石壩壩坡土體顆粒之間存在一些間隙，水庫在蓄水之后受到水壓力的作用，會沿著間隙產(chǎn)生一定的不穩(wěn)定性，在背水坡可能會有出逸點形成。如果不穩(wěn)定性比較大，細顆粒就會被水帶出壩體形成空隙，時間一久就會導致不穩(wěn)定性通道形成，空隙變大，滲流量和不穩(wěn)定性也就不斷增大。在水壓的作用下，等到空隙達到了一定程度，就會對壩坡的安全性和穩(wěn)定性造成威脅。土石壩壩坡一旦失穩(wěn)，產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象，對于人們生命財產(chǎn)、工程設施、地質(zhì)環(huán)境等的危害都比較大[2]。

1 研究背景

某水庫工程等別和規(guī)模屬Ⅱ等大（2）型，其主要建筑物大壩、溢洪道、泄洪洞和輸水洞進水口為2級，次要建筑物為3級[3]。大壩為土石壩，分為左岸臺地、河槽及漫灘、右岸壩肩3個壩段。在管理單位進行日常巡查時，發(fā)現(xiàn)大壩下游坡面出現(xiàn)有面積不等的局部塌陷與隆起，馬道局部有砂料和砂礫料存集等現(xiàn)象。初步分析，原因可能是下部墊層填料不密實，隨著時間的推移逐步沉陷，這可能是一種滲透破壞現(xiàn)象，也可能是一種局部的破壞，只要及時修補，并不會導致潰壩。

因此，針對該水庫下游壩坡局部出現(xiàn)的預制塊下部脫空的現(xiàn)象，需要及時查明原因，提出處理方案，及時進行處理，防止危害擴大，保證大壩的安全運行。

2 試驗方法及內(nèi)容

根據(jù)對壩坡坡面的檢查發(fā)現(xiàn)，在大壩樁號4+300～4+650部位，大壩下游坡面出現(xiàn)局部塌陷或隆起區(qū)域，多分布在一、二級馬道的中部，即高程98.0～104.0 m。

針對下游壩坡出現(xiàn)局部塌陷或隆起的隱患區(qū)，為查明下游壩坡脫空區(qū)下部的墊層是否密實，要同時查明下游壩坡塌陷、隆起區(qū)下部是否有滑動面，確定壩坡隱患是滑動破壞還是沖刷破壞。本試驗選擇部分典型的預制塊塌陷、隆起區(qū)域，通過打開該區(qū)域混凝土砌塊的方式，在對護坡表層進行詳細測量后，為查勘下部情況開挖探坑，按照分層取樣進行實地探察，進而進行相關試驗及粒徑級配分析，查明粒徑的分布特點，以便合理地評價壩坡局部穩(wěn)定的安全性。

顆粒分析試驗通過測定干土中各種粒組所占該土總質(zhì)量的百分數(shù)的方法來了解顆粒大小分布情況[4]。通過對破壞區(qū)域的土體進行顆粒分析試驗，進而與其施工設計值進行對比，可直觀判斷壩坡內(nèi)部是否出現(xiàn)滲漏。

根據(jù)現(xiàn)場打開區(qū)域及壩體的填料情況，分3層取樣。其中：第1層為墊層料表層，深度為5～15 cm;第2層為墊層料層，深度為20～40 cm;第3層為任意料層，深度為45～65 cm。

由于第1層最先受到破壞和其中大粒徑礫石的存在，因此主要對其進行塌陷區(qū)、隆起區(qū)的尺寸測量及顆粒分析試驗。通過深度、長度、形狀的測量，可以初步判斷出產(chǎn)生破壞的類型。通過顆粒分析試驗，可以初步確定破壞發(fā)生的誘因。就塌陷區(qū)的觀察及測量結(jié)果可知，該塌陷無明顯的滑動面存在，它的破壞形狀呈溝狀，是典型的沖溝破壞。其形成原因是降雨入滲沖刷還是壩體內(nèi)部滲漏沖刷，有待對第2層、第3層進行試驗分析后再判別。

第2層及第3層相對破壞程度較小，主要進行含水率試驗、干密度試驗和顆粒分析試驗。通過一系列的試驗檢測，對是否存在滑動面進行確定，從內(nèi)部進一步分析判別其破壞形式和誘因。

3 試驗結(jié)果對比分析

3.1 墊層料表層砂礫料滲透變形判別

土的滲透變形特征應根據(jù)土的顆粒組成、密度和結(jié)構狀態(tài)等因素綜合分析確定。土的滲透變形可分為流土、管涌、接觸沖刷和接觸流失等4種類型。本次試驗所涉及的表面砂礫料大部分為無黏性土，共進行了18組顆粒分析試驗。根據(jù)顆粒分析試驗試驗結(jié)果和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）附錄G判定的局部破壞的類型如表1所示。

由表1可知，本項目所取表面砂礫料試樣可能發(fā)生滲透破壞的3種類型管涌、流土和過渡型的試樣占總試樣數(shù)的百分比分別為38.9%、27.8%和33.3%。僅從顆粒級配分析表面砂礫料試樣發(fā)生管涌的可能性非常大，再從下部表面出現(xiàn)的大面積涌砂，表明土體內(nèi)部滲漏通道形成，細顆粒流失導致土體結(jié)構疏松，經(jīng)過內(nèi)部復雜的水土作用后表現(xiàn)在滲流出口的顆粒涌出。主要原因可能為在表面水流或滲流的沖刷作用下，土體中的細顆粒被表面水流從孔隙中被帶走，從而導致土體形成貫通的滲流通道，進而造成上部砌塊塌陷、下部隆起。

綜上所述，該塌陷隆起區(qū)域主要是沖刷造成的，但其形成原因究竟是降雨入滲沖刷還是壩體內(nèi)部滲漏沖刷，還需要從該區(qū)域墊層料及任意料的含水率分布來進行初步判斷。

3.2 墊層料及任意料層含水率試驗對比分析

根據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），依據(jù)土的性質(zhì)和工程情況，本試驗采用烘干法測定土的含水率。根據(jù)沖溝的形狀，共選取了12處取樣位置，按照墊層料及任意料進行分層測量，含水率試驗共進行了48組，根據(jù)試驗結(jié)果，以取樣位置的高程為橫坐標，土樣含水率為縱坐標，繪制不同深度的不同高程墊層料及任意料含水率分布曲線，如圖1所示。

由圖1可知：隨著高程的增大，不同深度的含水率均呈減小的趨勢;下部含水率之所以大，主要與降雨有關。之所以有這種現(xiàn)象，是由于降雨。部分雨水在砌塊表面由壩頂向下流動滲入砌塊，部分在上部滲入砌塊的雨水，沿砌塊下的沖溝下滲和向下流動。相比之下，下部的滲透水量更大。在高程相同的情況下，深度25 cm的土樣含水率明顯小于深度為35 cm、50 cm、60 cm的土樣，深度為35 cm的土樣則明顯小于深度為50 cm和60 cm的土樣。主要因為深度25 cm的土樣相比于其他深度的土樣最先受到?jīng)_刷，其含泥量明顯小于其他層土樣。深度為50 cm的土樣和深度為65 cm的土樣含水率相比：在高程約小于100 m時，深度為50 cm的土樣的含水率大于深度為65 cm的土樣含水率;在高程大于100 m時，深度為50 cm的土樣的含水率則在開始階段小于深度為65 cm的土樣含水率，之后基本趨于一致。究其原因主要在于高程小于100 m時，其上層含水率較大，向下的滲透水量相對較大，而在高程大于100 m時，由于其上層含水率的明顯減小，其向下的滲透水量也就自然減少。

從圖1分布曲線趨于規(guī)律性的變化和對其變化的分析，基本可以判別其主要受降雨的影響。至于到底有沒有受內(nèi)部滲漏的影響，或者是受內(nèi)部滲漏的影響但影響相對較少，還有待對土樣進行顆粒分析試驗。

3.3 墊層料及任意料層顆粒分析試驗對比分析

管涌是指在滲流水作用下，填充在土體骨架孔隙中的細顆粒被水流帶走并形成滲漏通道的一種滲透破壞現(xiàn)象。若不及時排除，隨著泥沙不斷涌出，通道直徑將越來越大，致使發(fā)生不均勻沉陷并導致崩堤的嚴重后果。管涌的產(chǎn)生具有多變、難以預測等特點，但其產(chǎn)生的最直接影響是對土體顆粒級配的影響[5]。顆粒分析試驗是測定干土中各種粒組所占該土總質(zhì)量的百分數(shù)的方法借以明了顆粒大小分布情況。通過對破壞區(qū)域的土體進行顆粒分析試驗，進而與其施工設計值進行對比，可直觀判斷其內(nèi)部是否出現(xiàn)滲漏。

根據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）選取相應土料，用篩分法進行顆粒分析試驗，粗篩孔徑分別為60.0 mm、40.0 mm、20.0 mm、10.0 mm、5.0 mm、2.0 mm，細篩孔徑分別為2.000 mm、1.000 mm、0.5000 mm、0.250 mm、0.075 mm。顆分試驗共進行了48組，根據(jù)試驗結(jié)果可知：16組為含細粒土礫，3組為級配良好礫，29組為級配不良礫，級配不良礫的占比達到60.4%，綜合評判填料的級配連續(xù)性不好。通過對顆分成果表的分析統(tǒng)計，可得出不同高程的墊層料和任意料不同顆粒粒徑所占百分比。這里選取比較典型的粒徑（粒徑大于20 mm和粒徑小于2 mm）進行對比分析，如圖2和圖3所示，含泥量分布如圖4所示。

由圖2可知，大于20 mm的粒徑所占百分比并不隨高程的變化而呈規(guī)律性變化;墊層料中大于20 mm的粒徑所占百分比明顯大于任意料中大于20 mm的粒徑所占百分比;墊層料中大于20 mm的粒徑所占百分比平均約為24%，任意料中大于20 mm的粒徑所占百分比平均約為19%。

由圖3可知，隨高程的變化，顆粒粒徑小于2 mm的粒徑所占百分比基本沒有太大變化;相同高程的墊層料中小于2 mm的粒徑所占百分比與任意料中小于2 mm的粒徑所占百分比相差不大;墊層料中小于2 mm的粒徑所占百分比平均約為42%，任意料中小于2 mm的粒徑所占百分比平均約為46%。

由圖4可知，隨高程變化，其不同料層的含泥量無規(guī)律性變化，其中高程為100.8～104.0 m，其含泥量明顯小于其他高程，原因在高程為100.8～104 m，區(qū)域沖蝕破壞較嚴重;相同高程的墊層料的含泥量與任意料的含泥量基本沒有太大差別;墊層料的含泥量平均約為3.5%，任意料的含泥量平均約為4%。

3.4 墊層料及任意料層壓實度試驗分析

粗粒料作為土石壩的主要填筑材料，粗粒料的強度和變形特性一直以來是大壩穩(wěn)定性研究的重點。而粗粒料密實程度的變化對其強度和變形特性的影響是不可忽視的。粗粒料密實程度的檢測主要依據(jù)壓實度試驗。本次采用灌砂法進行壓實度的試驗檢測。按照不同深度取樣，共進行48組試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，深度相同時，隨著高程的變化，各層的干密度并沒有明顯的改變，其走勢基本趨于一條平行的直線，說明各層均處于較穩(wěn)定狀態(tài)，未受到明顯破壞;高程相同時，深度為50 cm和深度為60 cm試樣干密度相差不大，深度為樣干密度相差也不大;隨著深度的增加，下部試樣干密度少于上部，主要原因是墊層料和任意料的材料及其深度有關。在材料上，墊層料主要以小粒徑為主，且級配不連續(xù)，相互間空隙大，而任意料層的級配連續(xù)，且黏粒含量較大。在深度上，隨著深度的增加和混凝土砌塊的自重，在重力作用下，越往下其受到的壓力越大，再加上長年累月的積累，其影響也隨之加大。

4 結(jié)語

結(jié)合水庫下游壩坡現(xiàn)狀和壩坡現(xiàn)場查勘結(jié)果，分析砂礫料存集區(qū)域和砌塊隆起、塌陷區(qū)域的分布特點、出沙粒徑的分布特點。通過打開預制砌塊，開挖探坑，分層取樣試驗，分析壩坡隱患出現(xiàn)的原因如下：①壩坡預制塊出現(xiàn)塌陷的主要原因是受降雨水流沖刷的影響，墊層料中粒徑較小的砂礫料被水流帶走，留下的大粒徑砂礫石因?qū)ι喜款A制塊支撐強度的不同，以及墊層料中混有預制塊的影響，使得預制塊出現(xiàn)局部塌陷;②壩坡出現(xiàn)隆起的主要原因是墊層料中細砂礫料在受水流沖刷的過程中沿壩坡向下搬運，遇到預制塊墊層密實區(qū)域時會在此堆積，長期堆積會使得預制塊局部隆起。

參考文獻：

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