土石坝沉降及实测资料分析计算

2011-06-13王法西

大坝与安全 2011年4期

王法西，张彬，赵峰

（1.黄河勘测设计有限公司，河南郑州 450002；2.黄河水利科学研究院，河南郑州 450002；3.漯河市公路管理局，河南漯河 462000）

0 前言

水坝的安全运行关系到亿万人民的生命、财产安全，我国有8万多座挡水坝，其中90%以上为土石坝。土石坝的沉降与不均匀沉降产生的裂缝严重影响着坝的安全运行，因此，沉降是土石坝的主要监测、监控项目，也是评价土石坝安全和坝体质量的主要指标。对于这样一个重要指标，国内坝工界普遍存在某些模糊认识，即将坝体某点的沉降测值视作整个坝体沉降量。笔者参加过多次土石坝工程蓄水和竣工验收会议，建设单位提供的建设报告和安全鉴定报告等文件，普遍是将坝体某点沉降测值（1/2～1/3坝高处测点）作为坝体最大沉降量，并以此与坝高相比，得到坝体相对沉降率。该值远小于坝体、坝基总沉降量，也远小于国外同类坝的沉降量及相对沉降率，以此评价坝体填筑辗压质量显然是不恰当的，对工程验收是一种误导。

1 设计规范所定义的土石坝沉降量

设计规范所定义的土石坝总沉降量系全坝体（高）、坝基的总沉降量。它是将坝体、坝基分为若干层（n层），分层计算坝体、坝基的沉降量（）,然后用求和法得出坝体、坝基的总沉降量（St）。

对于粘性土：

式中：

St——坝体坝基总沉降量；

eio——第i层起始孔隙比；

eit——第i层相应竖向有效应力作用下的孔隙比；

hi——第i土层厚度；

n——土层分层数。

对于非粘性土：

式中：

S∞——非粘性坝体坝基总沉降量；

Pi——第i计算土层由坝体荷载产生的竖向应力；

Ei——第i计算土层变形模量。

众所周知，上述计算理论和公式，由于存在诸多假定和简化以及受计算条件、参数限制，与原型土石坝实测沉降变形存在较大的差异，比如：

（1）计算仅计固结沉降，忽略初始沉降和次固结沉降，对于粘性土，次固结沉降在总沉降中占有可观比例；对于非粘性土，初始沉降也不可忽略；

（2）对于非粘性土，计算公式（E.3.4）把非粘性土假定为变形模量为常量（Ei）的弹性体，假定应力与应变呈线性关系变化，对于沙土、砂砾石、堆石等坝体材料，显然与实际存在较大的差异。

对于粘性土（E.3.3）计算公式，也存在将计算土层厚度内e～p关系简化为线性变化关系，也有上述相似问题；

（3）计算初始、边界、应力条件以及取用计算参数等均与原型坝体有较大差异。

由于设计计算存在以上问题，需要在土石坝内设置观测仪器进行观测。

2 土石坝沉降量的原型观测

当前，我国土石坝坝体内的沉降监测大多采用电磁式沉降仪和水管式沉降仪，两者均采用沿监测断面布置测点，每个监测断面一般布置1～3个竖直测线。水管式沉降仪测点，一般沿坝高布置3个高程，分别设在1/3、1/2、2/3坝高处。沉降仪测点沉降变化通过液压管路水平引向下游坝坡监测房内进行监测（可人工、自动化监测）。由于监测房设在坝坡变形区，需对监测房基础设水准基点，与岸边水准基点联测，进行监测房基准点变形改正，求得坝体绝对沉降变形。

采用电磁式沉降仪观测，需在坝体、坝基内埋设竖直可伸缩的沉降（固结）测管，管外设金属环作沉降测点，测点间距一般为1.0～3.0 m。沉降管底部应深入埋设于坝基稳定岩石（土）内，可作为沉降变形基准点（零点）。观测时，将电磁式沉降仪测头放入沉降测管底部，自下而上用测绳拉动沉降仪测头，读出沉降测点（金属环）变化位置（高程），减去初始值，即可测得坝体坝基沉降变形值。由于沉降测管底部深入稳定基岩内，管底部可作变形基准点（零点），每次观测自管底起测，直接测得绝对变形值，无需进行基准值改正、测量、计算。

3 土石坝实测沉降量的分析计算

3.1 坝体实测沉降量使用中存在的问题

如前言所述，国内坝工界普遍不经分析计算，直接采用坝体测点沉降量作为坝体、坝基总沉降量，且取1/2～1/3坝高处测点值作为坝体、坝基的最大沉降量，并以此值与坝高相比得坝体相对沉降率。坝体某点沉降量与全坝体（高）的沉降量，两者在概念上、数值上完全不同，前者是后者一部分，其值永远小于后者，也远远小于设计计算值。比如，我国近期修建的100 m以上高土石坝，按规范计算坝体总沉降量一般在2～3 m以上，而1/2～1/3坝高处测点实测沉降量仅0.3～0.4 m以内，以此计算相对全坝高的相对沉降率仅0.3%以下。

将坝体测点沉降量视作坝体、坝基总沉降量评价土石坝坝体填筑辗压质量，显然是错误的，遗憾的是这种错误认识被某些技术支持单位和专家权威所认可。这种错误做法对大坝的安全评估、坝体填筑质量评价以及工程验收造成了严重的误导，需要澄清、改正。

3.2 坝体测点沉降量及其过程线

现以某混凝土面板坝最大坝高断面为例，该坝在坝顶下游侧设一竖直测线，于40 m、70 m、100 m高程分别布设了3层沉降仪测点，编号分别为T01、T02、T03，并在坝顶布设表面沉降测点T04，见图1。

图1 某混凝土面板坝沉降测点分布Fig.1 Distribution of settlement monitoring points on an em-bankment dam

2002年8月1日，该坝开始坝体填筑，2003年3月底，坝体填筑至40 m高程后安装埋设沉降测点T01,开始连续观测，绘制T01测点沉降过程线，如图2所示。

图2 测点T01沉降过程线Fig.2 Graph of settlement at the monitoring point T01

继续填筑40 m高程以上坝体，至2003年7月底，坝体填筑至70 m高程，安置T02沉降测点，并开始连续观测，绘制T02测点沉降过程线，如图3所示。

图3 测点T02沉降过程线Fig.3 Graph of settlement at the monitoring point T02

至2004年1月底，坝体填至100m高程，安置T03测点，并开始连续观测，绘制T03测点沉降过程线，如图4所示。

图4 测点T03沉降过程线Fig.4 Graph of settlement at the monitoring point T03

至2004年8月15日，坝体填至130 m高程（坝顶），安置坝体表面沉降测点T04，并开始连续观测，绘制T04测点沉降过程线，如图5所示。

图5 测点T04沉降过程线Fig.5 Graph of settlement at the monitoring point T04

综上所述，坝体测点沉降量及其过程线有以下特点：

（1）各层测点过程线只能反映其测点设置高程以下的坝体、坝基沉降量。而且，随着测点的连续测读，沉降量及其过程线永远延续下去，不会因上层测点设置而停止观测。但其测点高程以上的坝体沉降量该测点无法测得和显示。

（2）只有开始观测后，才有该层测点的沉降量及其过程线。自开始坝体填筑至首次观测期间，该层所发生的沉降量被漏测，称“漏测沉降量”。比如：40 m高程以下坝体，自2002年8月1日开始填筑至2003年3月底T01首次观测期间，该层发生的沉降量被丢掉了。同样，其他各层均有被漏测的沉降量发生。

坝体测点沉降过程线，实质上是一个“缺头”“少尾”不完整的坝体沉降过程线。

以上得出坝体各测点沉降量及其过程线，截至2006年12月底，T01、T02、T03、T04测点的沉降值分别为40 cm、36 cm、30 cm、22 cm，其中T01测点沉降量最大（40 cm），发生在1/3坝高处。该工程亦沿用了国内坝工界的错误做法，将该值（40 cm）视作坝体、坝基最大沉降量，并用该值与坝高相比得相对沉降率为0.3%，显然，这是误导。

3.3 坝体坝基总沉降的分析计算方法——分层叠加求和法

本文推荐方法是将各层测点的实测沉降过程线按相同观测时间相对应，把T01、T02、T03、T04依次叠加绘制外包络线，即为全坝高的坝体、坝基实测总沉降量过程线，如图6所示，这与设计规范中分层求和计算方法概念相吻合，但不是简单的算术累加。

图6 大坝实测总沉降量过程线Fig.6 Graph of total settlement monitored of the embankment dam

按照相同观测时间对应的原则：首先以T01过程线（图2）为基图，以T02首次观测时间（20030730）及相应沉降量（15 cm）为坐标原点，将T02过程线平移叠加到T01过程线上，如图6所示。

同样，以2004年1月底和2004年8月15日及其相应沉降量37 cm、60 cm分别为坐标原点，依次将T03、T04过程线平移叠加，得出坝体坝基总实测沉降过程线，即图6所示的外包线（实线），这就是坝体、坝基的总实测过程线。该总沉降量及其过程线与某测点沉降量及其过程线显然不是一回事，其测值比后者要大得多。截至2006年12月底，坝体、坝基总沉降量为81 cm，比T01实测值（40 cm）大一倍，该值与坝高相比得相对沉降率为0.62%，这个结果与设计计算和国外大坝的实测成果相近，比较合理。

由图6知，各层测点沉降量有重叠部分，如在2003年7月底以后，T02开始观测，T02测值是70 m高程以下坝体坝基沉降量。而同时，T01仍在测读40 m高程以下坝体坝基沉降量，这部分新增沉降量包含在T02沉降量内，以此类推，T03测得沉降量包含T02测得的新增沉降量，坝顶测点T04测得沉降量包含了T03测得新增沉降量，从而得出以下两点：

（1）采用各层沉降过程线叠加所得的总沉降量不是算术相加，而有部分沉降量测值相重叠。

（2）下层测点测得的沉降量永远小于上层测点测得沉降量，由此可见，将1/3坝体测点沉降量视为坝体、坝基的最大沉降量是错误的。

4 坝体漏测沉降量及实测沉降量精度问题

坝体沉降测点系分层安装埋设、观测，对于水管式沉降仪测点，测点间距较大，一般高达30～40 m，每层填筑时间较长，自开始填筑至层顶安置仪器设备，开始观测，多达0.5～1 a以上，在此期间，该层发生的沉降量无法观测，称漏测沉降量。由于坝体沉降量（特别是非粘性土），初期发展速度很快，每层填筑时间间隔很长，这种漏测沉降量就不可忽略，估计高达每层沉降量的20%～40%，严重影响了实测沉降量观测精度，对于这种漏测沉降量，目前尚无法解决，推荐采用电磁式沉降仪，加密测点间距。目前，电磁式金属环间距可加密至1.0 m以内，这样漏测量就大大减少，实测沉降量观测精度就大大提高。

对于水管式沉降仪测点间距较大造成的漏测沉降量，笔者提出一个不太成熟的方法，即按沉降过程线发展趋势变化率，用向前补插延长的办法作粗略推估，如图2～5虚线部分所示。按此推估，T01、T02、T03、T04漏测沉降量分别为17 cm、14 cm、14 cm、13 cm，总漏测沉降量为58 cm，前文叠加总沉降量为81 cm，顾及该漏测量，坝体（含坝基）最大沉降量为81 cm+58 cm=139 cm，相对坝高的沉降率为1.39 m/130 m=1.07%。这个数据更接近设计计算沉降量，也更与国外土石沉降实测资料相吻合。

坝体填筑期沉降量的漏测严重影响了实测成果的精度，目前尚无很好的解决方案。采用电磁式沉降仪观测法，可尽力加密测点，减小测点间距，减少漏测量，提高实测成果精度。同时，设计中可将沉降固结管底部深入稳定岩基内，作为观测基点，不需进行基点校测改正，提高了工效和观测精度，设计中应优先选用。