土石壩沉降及其實(shí)測數(shù)據(jù)分析計(jì)算

1、土石壩沉降及其實(shí)測數(shù)據(jù)分析計(jì)算（王法西）摘要沉降是土石壩的重要指標(biāo)，但不能以壩體某測點(diǎn)沉降量作為壩體壩基總沉 降量。應(yīng)以壩體測點(diǎn)沉降量，采用分層迭加求和法求得總沉降量及相對沉降率，以此作 為評價(jià)壩體填筑質(zhì)量和評估大壩安全的依據(jù)。關(guān)鍵詞土石壩過程線 沉降量1前言我國有8萬多座擋水壩，其中90%以上為土石壩。土石壩的沉降與不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫，嚴(yán)重的影響壩的安全運(yùn)行，因此，沉降是土石壩的主要監(jiān)測、監(jiān)控項(xiàng)目，也是評價(jià)土石壩安全和壩體質(zhì)量的主要指標(biāo)。對于這樣一個(gè)重要指標(biāo)，國內(nèi)壩工界普遍將壩體某點(diǎn)的沉降測值視作整個(gè)壩體沉降量。筆者參加過多次土石壩工程蓄水和竣工驗(yàn)收會(huì)議，由建設(shè)單位所提供“建設(shè)報(bào)告”和“安

2、全鑒定報(bào)告”等檔，普遍是將壩體某點(diǎn)沉降測值（1/21/3壩高處測點(diǎn)）作為壩體最大沉降量，并以此與壩高相比，得壩體相對沉降率，該值遠(yuǎn)小于壩體、壩基總沉降量，也遠(yuǎn)小于國外同類壩的沉降量及相對沉降率，筆者認(rèn)為，以此作為評價(jià)壩體填筑輾壓質(zhì)量，是不恰當(dāng)?shù)?，對工程?yàn)收，是一種誤導(dǎo)。2設(shè)計(jì)規(guī)范所定義的土石壩沉降量“設(shè)計(jì)規(guī)范”所定義的土石壩總沉降量系全壩體（高）、壩基的總沉降量。它是將壩體、壩基分為若干層（n層），分層計(jì)算壩體、壩基的沉降量（ Si ）,然后用求和法得出壩體、壩基的總沉降量（St）nVSt=T AS.對于粘性土:總沉降量 , o j eio - eit iST= M = hx1 + eio（“

3、規(guī)范”E.3.3 ） : 1式中：St 壩體壩基總沉降量eio第i層起始孔隙比eit 第i層相應(yīng)豎向有效應(yīng)力作用下的孔隙比hi第i 土層厚度n土層分層數(shù)對于非粘性土：總沉降量V旦* 足（規(guī)范“e.3.4）: 1:式中：S” 一一非粘性壩體壩基總沉降量Pi第i計(jì)算土層由壩體荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力Ei第i計(jì)算土層變形模量眾所周知，上述計(jì)算理論和公式，由于存在諸多假定和簡化以及受計(jì)算條件、參數(shù) 限制，與原型土石壩實(shí)測沉降變形存在較大的差異，比如：（1）計(jì)算僅計(jì)固結(jié)沉降，忽略初始沉降和次固結(jié)沉降，對于粘性土，次固結(jié)沉降在總 沉降中占有可觀比例；對于非粘性土，初始沉降也不可忽略；（2）對于非粘性土，計(jì)算公式

4、（E.3.4 ）把非粘性土假定為變形模量為常量（Ei ）的彈性體，假定應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系變化，對于沙土、砂礫石、堆石等壩體材料，顯然 與實(shí)際存在較大的差異。對于粘性土（ E.3.3 ）計(jì)算公式。也存在將計(jì)算土層厚度內(nèi)ep關(guān)系簡化為線性變化關(guān)系，也有上述相似問題；（3）計(jì)算初始、邊界、應(yīng)力條件以及取用計(jì)算參數(shù)等均與原型壩體有較大差異。由于設(shè)計(jì)計(jì)算存在以上問題，需要在土石壩內(nèi)設(shè)置觀測儀器，進(jìn)行觀測。3 土石壩沉降量的原型觀測當(dāng)前，我國土石壩壩體內(nèi)的沉降觀測大多采用電磁式沉降儀和水管式沉降儀，兩者均采用沿觀測斷面布置測點(diǎn)，每個(gè)觀測斷面一般布置1-3個(gè)豎直測線。水管式沉降儀測點(diǎn)，一般沿壩高布置三個(gè)高

5、程，分別設(shè)在1/3、1/2、2/3壩高處。沉降儀測點(diǎn)沉降變化，通過液壓管路水平引向下游壩坡觀測房內(nèi)進(jìn)行觀測（可人工、自動(dòng)化觀測）。由于觀測 房設(shè)在壩坡變形區(qū)，需于觀測房基礎(chǔ)設(shè)水平基點(diǎn)，與岸邊水平基點(diǎn)聯(lián)測，進(jìn)行觀測房基 準(zhǔn)點(diǎn)變形改正，求得壩體絕對沉降變形。采用電磁式沉降儀觀測，需在壩體、壩基內(nèi)埋設(shè)豎直可伸縮的沉降（固結(jié)）測管，管外設(shè)金屬環(huán)作沉降測點(diǎn)，測點(diǎn)間距一般為1.0-3.0 作 沉降管底部應(yīng)深入埋設(shè)于壩基穩(wěn)定巖石（土）內(nèi)，可作為沉降變形基準(zhǔn)點(diǎn)（零點(diǎn)）。觀測時(shí)，將電磁式沉降測頭放入沉降測管底部，自下而上用測繩拉動(dòng)沉降儀測頭，讀出沉降測點(diǎn)（金屬環(huán)）變化位置（高 程），減去初始值，即可測得壩體壩基

6、沉降變形值。由于沉降測管底部深入穩(wěn)定基巖內(nèi)， 管底部可作變形基準(zhǔn)點(diǎn)（零點(diǎn)），每次觀測自管底起測，直接測得絕對變形值，無需進(jìn) 行基準(zhǔn)值改正、測量、計(jì)算。4 土石壩實(shí)測沉降量的分析計(jì)算4.1壩體實(shí)測沉降量使用中存在的問題如前言所述，國內(nèi)壩工界普遍是不經(jīng)分析計(jì)算，直接采用壩體測點(diǎn)沉降量作為壩體、壩基總沉降量，且取1/2-1/3 壩高處測點(diǎn)值作為壩體、壩基的最大沉降量，并以此值與壩高相比，得壩體相對沉降率。壩體某點(diǎn)沉降量與全壩體（高）的沉降量，兩者在概念 上，數(shù)值上完全不同，前者是后者一部分，其值永遠(yuǎn)小于后者，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)計(jì)算值。比如，我國近期修建的 100 m以上高土石壩，按“規(guī)范”計(jì)算壩體總沉降

7、量一般在2-3米以上，而 1/2-1/3壩高處測點(diǎn)實(shí)測沉降量僅0.3-0.4 m 以內(nèi)，以此計(jì)算相對全壩高的相對沉降率僅0.3%以下。將壩體測點(diǎn)沉降量視作壩體、壩基總沉降量作為評價(jià)土石壩壩體填筑輾壓質(zhì)量，顯 然是錯(cuò)誤的。遺憾的是這種錯(cuò)誤認(rèn)識，也被某些技術(shù)支持單位和專家權(quán)威所認(rèn)可。更有 某些專家以此數(shù)值為依據(jù)，發(fā)表文章稱“國內(nèi)面板堆石壩實(shí)測沉降量及其相對沉降率均 小于國外同類壩，壩體填筑輾壓品質(zhì)優(yōu)于國外”。這種錯(cuò)誤作法，對大壩的安全評估， 壩體填筑質(zhì)量評價(jià)以及工程驗(yàn)收，造成嚴(yán)重的誤導(dǎo)，需要澄清、改正。4.2壩體測點(diǎn)沉降量及其過程線現(xiàn)以某磔面板壩最大壩高斷面為例，該壩在壩頂下游側(cè)設(shè)一豎直測線，于4

8、0 m、70m 100 m高程分別布設(shè)了三層沉降儀測點(diǎn)，編號分別為T01、T02、T03 ,并在壩頂布設(shè)表面沉降測點(diǎn)T04，如圖1所示。圖1尻降儀測點(diǎn)位置該壩2002年8月1日開始壩體填筑，于 2003年3月底壩體填筑至40 m高程后安裝埋設(shè)沉降測點(diǎn)T01,開始連續(xù)觀測，并繪制T01測點(diǎn)沉降過程線，如圖 2所示。氓隆過程沈2001 溫泄I汛降技程域 M WL_IIBL 1 j 4130/Ohio 2 4 e : 4«310 2 4“IQ 1圖2 TQ M點(diǎn)沉降過程埃繼續(xù)填筑 40 m高程以上壩體，至 2003年7月底，壩體填筑至70 m高程，安置 T02沉降測點(diǎn)，并開始連續(xù)觀測，繪制

9、T02測點(diǎn)沉降過程線，如圖3所示。那-n 2實(shí)與沉降過性濯_圈3 T03 »點(diǎn)沉陶過程篷圈4 T03瀏點(diǎn)江降過程線菰=3掃J rt I 9 心。DUOD20 5 4-521 1 nJ*1 j L 4 L i1 1 1 I 1JL I 1 L IB 1卜 L 1LXdUJL1 i iI A_L 2 4 e U HJ 4 e HO1 «4tl«1 2 4&BW2002:£)03 TC042005w2QD72003 年漏測施降過程線圖5餌4測點(diǎn)沉降過程些至2004年1月底，壩體填至100 m高程，安置 T03測點(diǎn)，并開始連續(xù)觀測，繪制T03測點(diǎn)沉降過程

10、線，如圖 4所示。50403020 )001020至2004年8月15日，壩體填至130m高程(壩頂)，安置壩體表面沉降測點(diǎn)T04 ,并開始連續(xù)觀測，繪制T04測點(diǎn)沉降過程線，如圖5所示。綜上所述，壩體測點(diǎn)沉降量及其過程線，有以下特點(diǎn)：(1) 各層測點(diǎn)過程線只能反應(yīng)其測點(diǎn)設(shè)置高程以下的壩體、壩基沉降量。而且，隨著測點(diǎn)的連續(xù)測讀，沉降量及其過程線永遠(yuǎn)延續(xù)下去，不會(huì)因上層測點(diǎn)設(shè)置而停止觀測。但其測點(diǎn)高程以上的壩體沉降量該測點(diǎn)無法測得和顯示。40 m高程以下壩體,(2) 只有開始觀測后，才有該層測點(diǎn)的沉降量及其過程線。自開始壩體填筑至首次觀 測期間，該層所發(fā)生的沉降量被漏測，稱“漏測沉降量”。比如:

11、 自2002年8月1日開始填筑至 2004年3月底，T01首次觀測期間該層發(fā)生的沉降量被丟 掉了。同樣，其它各層均有被漏測的沉降量發(fā)生。上述，壩體測點(diǎn)沉降過程線，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)“缺頭” “少尾”不完整的壩體沉降過 程線。以上得出壩體各測點(diǎn)沉降量及其過程線，截止2006年12月底，T01、T02、T03、T04測點(diǎn)的沉降值分別為40 cm、36 cm、30 cm、22 cm,其中T01測點(diǎn)沉降量為最大(40 cm),發(fā)生在1/3壩高處。該工程亦沿用了國內(nèi)壩工界的錯(cuò)誤作法，將該值(40 cm)視作壩體、壩基最大沉降量，且用該值與壩高相比，得相對沉降率為0.3%。該工程著文稱“與國內(nèi)磔面板堆石壩相比，

12、本壩實(shí)測沉降量及相對沉降率較小，表示大壩堆石填筑密實(shí)，壩體 填筑質(zhì)量良好”，顯然，這是誤導(dǎo)。(3) 壩體壩基總沉降的分析計(jì)算一一分層迭加求和法。本文推薦的方法，是將各層測點(diǎn)的實(shí)測沉降過程線，按相同觀測時(shí)間相對應(yīng)，把T01、T02、T03、T04依次相迭加所繪制的外包絡(luò)線，即為全壩高的壩體、壩基總實(shí)測沉降量過 程線。如圖 6所示，這與“設(shè)計(jì)規(guī)范”中“分層求和”計(jì)算方法概念上相吻合，但不是 簡單的算術(shù)累加。茲簡述如下：戲?口般程I程技圖6全壩高的壩體壩基總實(shí)測沉降量過程線按照相同觀測時(shí)間對應(yīng)的原則：首先以T01過程線(圖 T01)為基圖，以 T02首次觀測時(shí)間(2003.7.30 )及相應(yīng)沉降量(

13、15cm)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將 T02過程線平移迭加到T01過程在線，如圖 6所示。同樣，以 2004年1月底和2004年8月15日及其相應(yīng)沉降量 37 cm、60 cm分別為坐標(biāo)原點(diǎn)，依次將T03、T04過程線平移迭加，得出壩體壩基總實(shí)測沉降過程線，即圖6所示的外包線（實(shí)線），這就是壩體、壩基的總實(shí)測過程線。該總沉降量及其過程線與某測點(diǎn)沉降量及其過程線顯然不是一回事，其測值比后者要大的多。截止2006年12月底，壩體、壩基總沉降量為81 cm，比T01實(shí)測值（40 cm ）大一倍，該值與壩高相比，得相對沉降率為0.62% ,這個(gè)結(jié)果與設(shè)計(jì)計(jì)算和國外大壩的實(shí)測成果相近，比較合理。由圖6知，各層測點(diǎn)沉

14、降量有重迭部分，如在2003年7月底以后，T02開始觀測，T02測值是70m高程以下壩體壩基沉降量。而同時(shí)，T01仍在測讀 40m高程以下壩體壩基沉降量，這部分新增沉降量包含在T02沉降量內(nèi)，余此類推，T03測得沉降量包含T02測得的新增沉降量，壩頂測點(diǎn)T04測得沉降量，包含了T03測得新增沉降量，從而得出以下兩點(diǎn)：采用各層沉降過程迭加所得的總沉降量，不是算術(shù)相加，而有部分沉降量測值相重迭。下層測點(diǎn)測得的沉降量永遠(yuǎn)小于上層測點(diǎn)測得沉降量，證明將1/3壩體測點(diǎn)沉降量視為壩體、壩基的最大沉降量是錯(cuò)誤的。5壩體漏測沉降量及實(shí)測沉降量精度問題壩體沉降測點(diǎn)系分層安裝埋設(shè)、觀測，對于水管式沉降儀測點(diǎn)，測點(diǎn)

15、間距較大，一般高達(dá)3040 m,每層填筑時(shí)間較長，自開始填筑至層頂安置儀器設(shè)備，開始觀測，多達(dá)0.5至1年以上，在此期間，該層發(fā)生的沉降量無法觀測，稱漏測沉降量。由于壩體沉降量特別是非粘性土，初期發(fā)展速度很快，每層填筑時(shí)間間隔很長，這種漏測沉降量就不可忽略，估計(jì)高達(dá)每層沉降量的2040%,嚴(yán)重的影響實(shí)測沉降量觀測精度，對于這種漏測沉降量，目前尚無法解決，推薦采用電磁式沉降儀，加密測點(diǎn)間距。目前，電磁式金屬環(huán)間距可加密至1.0 m以內(nèi)，這樣漏測量就大大減少，實(shí)測沉降量觀測精度就大大提高。對于水管式沉降儀測點(diǎn)間距較大，造成的漏測沉降量，筆者提出一個(gè)不太成熟的方法，即按沉降過程線發(fā)展趨勢變化率，用向

16、前補(bǔ)插延長的辦法作粗略推估，如圖T01-T04虛線部分所示。按此推估，T01、T02、T03、T04、漏測沉降量分別為17 cm、14 cm、14 cm、13 cm，總漏測沉降量為58 cm，前文迭加總沉降量為81cm,顧及該漏測量。壩體（含壩基）最大沉降量為 81 cm+58 cm=139 cm 。相對壩高的沉降率為1.39 m/130 m=1.07% 。這個(gè)數(shù)據(jù)更接近設(shè)計(jì)計(jì)算沉降量，也更與國外土石沉降實(shí)測資料相吻合。不過，這只是筆 者初步看法，只作“拋磚引玉”。壩體填筑期沉降量的漏測，嚴(yán)重影響實(shí)測成果的精度。目前尚無很好的解決方案, 電磁式沉降儀觀測法，可盡力加密測點(diǎn)，減少測點(diǎn)間距，減少漏測量，提高實(shí)測成果精 度。同時(shí)，設(shè)計(jì)中可將沉降固結(jié)管底部深入穩(wěn)定巖基內(nèi)，作為觀測基點(diǎn)，不需進(jìn)行基點(diǎn) 校測改