王法西，張 彬，趙 峰

（1.黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450002；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450002；3.漯河市公路管理局，河南 漯河 462000）

0 前 言

水壩的安全運(yùn)行關(guān)系到億萬人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全，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)重影響著壩的安全運(yùn)行，因此，沉降是土石壩的主要監(jiān)測(cè)、監(jiān)控項(xiàng)目，也是評(píng)價(jià)土石壩安全和壩體質(zhì)量的主要指標(biāo)。對(duì)于這樣一個(gè)重要指標(biāo)，國內(nèi)壩工界普遍存在某些模糊認(rèn)識(shí)，即將壩體某點(diǎn)的沉降測(cè)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，建設(shè)單位提供的建設(shè)報(bào)告和安全鑒定報(bào)告等文件，普遍是將壩體某點(diǎn)沉降測(cè)值（1/2～1/3壩高處測(cè)點(diǎn)）作為壩體最大沉降量，并以此與壩高相比，得到壩體相對(duì)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(duì)沉降率，以此評(píng)價(jià)壩體填筑輾壓質(zhì)量顯然是不恰當(dāng)?shù)?，?duì)工程驗(yàn)收是一種誤導(dǎo)。

1 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（）,然后用求和法得出壩體、壩基的總沉降量（St）。

對(duì)于粘性土：

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(duì)于非粘性土：

式中：

S∞——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(cè)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(duì)于粘性土，次固結(jié)沉降在總沉降中占有可觀比例；對(duì)于非粘性土，初始沉降也不可忽略；

（2）對(duì)于非粘性土，計(jì)算公式（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(duì)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(duì)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)e～p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(cè)儀器進(jìn)行觀測(cè)。

2 土石壩沉降量的原型觀測(cè)

當(dāng)前，我國土石壩壩體內(nèi)的沉降監(jiān)測(cè)大多采用電磁式沉降儀和水管式沉降儀，兩者均采用沿監(jiān)測(cè)斷面布置測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面一般布置1～3個(gè)豎直測(cè)線。水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)，一般沿壩高布置3個(gè)高程，分別設(shè)在1/3、1/2、2/3壩高處。沉降儀測(cè)點(diǎn)沉降變化通過液壓管路水平引向下游壩坡監(jiān)測(cè)房內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（可人工、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)）。由于監(jiān)測(cè)房設(shè)在壩坡變形區(qū)，需對(duì)監(jiān)測(cè)房基礎(chǔ)設(shè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，與岸邊水準(zhǔn)基點(diǎn)聯(lián)測(cè)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)房基準(zhǔn)點(diǎn)變形改正，求得壩體絕對(duì)沉降變形。

采用電磁式沉降儀觀測(cè)，需在壩體、壩基內(nèi)埋設(shè)豎直可伸縮的沉降（固結(jié)）測(cè)管，管外設(shè)金屬環(huán)作沉降測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距一般為1.0～3.0 m。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(cè)時(shí)，將電磁式沉降儀測(cè)頭放入沉降測(cè)管底部，自下而上用測(cè)繩拉動(dòng)沉降儀測(cè)頭，讀出沉降測(cè)點(diǎn)（金屬環(huán)）變化位置（高程），減去初始值，即可測(cè)得壩體壩基沉降變形值。由于沉降測(cè)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(cè)自管底起測(cè)，直接測(cè)得絕對(duì)變形值，無需進(jìn)行基準(zhǔn)值改正、測(cè)量、計(jì)算。

3 土石壩實(shí)測(cè)沉降量的分析計(jì)算

3.1 壩體實(shí)測(cè)沉降量使用中存在的問題

如前言所述，國內(nèi)壩工界普遍不經(jīng)分析計(jì)算，直接采用壩體測(cè)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(cè)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(duì)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)算壩體總沉降量一般在2～3 m以上，而1/2～1/3壩高處測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)沉降量僅0.3～0.4 m以內(nèi)，以此計(jì)算相對(duì)全壩高的相對(duì)沉降率僅0.3%以下。

將壩體測(cè)點(diǎn)沉降量視作壩體、壩基總沉降量評(píng)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(shí)被某些技術(shù)支持單位和專家權(quán)威所認(rèn)可。這種錯(cuò)誤做法對(duì)大壩的安全評(píng)估、壩體填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)以及工程驗(yàn)收造成了嚴(yán)重的誤導(dǎo)，需要澄清、改正。

3.2 壩體測(cè)點(diǎn)沉降量及其過程線

現(xiàn)以某混凝土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(cè)線，于40 m、70 m、100 m高程分別布設(shè)了3層沉降儀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為T01、T02、T03，并在壩頂布設(shè)表面沉降測(cè)點(diǎn)T04，見圖1。

圖1 某混凝土面板壩沉降測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of settlement monitoring points on an em-bankment dam

2002年8月1日，該壩開始?jí)误w填筑，2003年3月底，壩體填筑至40 m高程后安裝埋設(shè)沉降測(cè)點(diǎn)T01,開始連續(xù)觀測(cè)，繪制T01測(cè)點(diǎn)沉降過程線，如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)T01沉降過程線Fig.2 Graph of settlement at the monitoring point T01

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(cè)點(diǎn)，并開始連續(xù)觀測(cè)，繪制T02測(cè)點(diǎn)沉降過程線，如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)T02沉降過程線Fig.3 Graph of settlement at the monitoring point T02

至2004年1月底，壩體填至100m高程，安置T03測(cè)點(diǎn)，并開始連續(xù)觀測(cè)，繪制T03測(cè)點(diǎn)沉降過程線，如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)T03沉降過程線Fig.4 Graph of settlement at the monitoring point T03

至2004年8月15日，壩體填至130 m高程（壩頂），安置壩體表面沉降測(cè)點(diǎn)T04，并開始連續(xù)觀測(cè)，繪制T04測(cè)點(diǎn)沉降過程線，如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)T04沉降過程線Fig.5 Graph of settlement at the monitoring point T04

綜上所述，壩體測(cè)點(diǎn)沉降量及其過程線有以下特點(diǎn)：

（1）各層測(cè)點(diǎn)過程線只能反映其測(cè)點(diǎn)設(shè)置高程以下的壩體、壩基沉降量。而且，隨著測(cè)點(diǎn)的連續(xù)測(cè)讀，沉降量及其過程線永遠(yuǎn)延續(xù)下去，不會(huì)因上層測(cè)點(diǎn)設(shè)置而停止觀測(cè)。但其測(cè)點(diǎn)高程以上的壩體沉降量該測(cè)點(diǎn)無法測(cè)得和顯示。

（2）只有開始觀測(cè)后，才有該層測(cè)點(diǎn)的沉降量及其過程線。自開始?jí)误w填筑至首次觀測(cè)期間，該層所發(fā)生的沉降量被漏測(cè)，稱“漏測(cè)沉降量”。比如：40 m高程以下壩體，自2002年8月1日開始填筑至2003年3月底T01首次觀測(cè)期間，該層發(fā)生的沉降量被丟掉了。同樣，其他各層均有被漏測(cè)的沉降量發(fā)生。

壩體測(cè)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(cè)點(diǎn)沉降量及其過程線，截至2006年12月底，T01、T02、T03、T04測(cè)點(diǎn)的沉降值分別為40 cm、36 cm、30 cm、22 cm，其中T01測(cè)點(diǎn)沉降量最大（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)誤做法，將該值（40 cm）視作壩體、壩基最大沉降量，并用該值與壩高相比得相對(duì)沉降率為0.3%，顯然，這是誤導(dǎo)。

3.3 壩體壩基總沉降的分析計(jì)算方法——分層疊加求和法

本文推薦方法是將各層測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)沉降過程線按相同觀測(cè)時(shí)間相對(duì)應(yīng)，把T01、T02、T03、T04依次疊加繪制外包絡(luò)線，即為全壩高的壩體、壩基實(shí)測(cè)總沉降量過程線，如圖6所示，這與設(shè)計(jì)規(guī)范中分層求和計(jì)算方法概念相吻合，但不是簡單的算術(shù)累加。

圖6 大壩實(shí)測(cè)總沉降量過程線Fig.6 Graph of total settlement monitored of the embankment dam

按照相同觀測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的原則：首先以T01過程線（圖2）為基圖，以T02首次觀測(cè)時(shí)間（20030730）及相應(yīng)沉降量（15 cm）為坐標(biāo)原點(diǎn)，將T02過程線平移疊加到T01過程線上，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過程線平移疊加，得出壩體壩基總實(shí)測(cè)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(cè)過程線。該總沉降量及其過程線與某測(cè)點(diǎn)沉降量及其過程線顯然不是一回事，其測(cè)值比后者要大得多。截至2006年12月底，壩體、壩基總沉降量為81 cm，比T01實(shí)測(cè)值（40 cm）大一倍，該值與壩高相比得相對(duì)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(cè)成果相近，比較合理。

由圖6知，各層測(cè)點(diǎn)沉降量有重疊部分，如在2003年7月底以后，T02開始觀測(cè)，T02測(cè)值是70 m高程以下壩體壩基沉降量。而同時(shí)，T01仍在測(cè)讀40 m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)，以此類推，T03測(cè)得沉降量包含T02測(cè)得的新增沉降量，壩頂測(cè)點(diǎn)T04測(cè)得沉降量包含了T03測(cè)得新增沉降量，從而得出以下兩點(diǎn)：

（1）采用各層沉降過程線疊加所得的總沉降量不是算術(shù)相加，而有部分沉降量測(cè)值相重疊。

（2）下層測(cè)點(diǎn)測(cè)得的沉降量永遠(yuǎn)小于上層測(cè)點(diǎn)測(cè)得沉降量，由此可見，將1/3壩體測(cè)點(diǎn)沉降量視為壩體、壩基的最大沉降量是錯(cuò)誤的。

4 壩體漏測(cè)沉降量及實(shí)測(cè)沉降量精度問題

壩體沉降測(cè)點(diǎn)系分層安裝埋設(shè)、觀測(cè)，對(duì)于水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距較大，一般高達(dá)30～40 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(cè)，多達(dá)0.5～1 a以上，在此期間，該層發(fā)生的沉降量無法觀測(cè)，稱漏測(cè)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(cè)沉降量就不可忽略，估計(jì)高達(dá)每層沉降量的20%～40%，嚴(yán)重影響了實(shí)測(cè)沉降量觀測(cè)精度，對(duì)于這種漏測(cè)沉降量，目前尚無法解決，推薦采用電磁式沉降儀，加密測(cè)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(cè)量就大大減少，實(shí)測(cè)沉降量觀測(cè)精度就大大提高。

對(duì)于水管式沉降儀測(cè)點(diǎn)間距較大造成的漏測(cè)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(shì)變化率，用向前補(bǔ)插延長的辦法作粗略推估，如圖2～5虛線部分所示。按此推估，T01、T02、T03、T04漏測(cè)沉降量分別為17 cm、14 cm、14 cm、13 cm，總漏測(cè)沉降量為58 cm，前文疊加總沉降量為81 cm，顧及該漏測(cè)量，壩體（含壩基）最大沉降量為81 cm+58 cm=139 cm，相對(duì)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(cè)資料相吻合。

壩體填筑期沉降量的漏測(cè)嚴(yán)重影響了實(shí)測(cè)成果的精度，目前尚無很好的解決方案。采用電磁式沉降儀觀測(cè)法，可盡力加密測(cè)點(diǎn)，減小測(cè)點(diǎn)間距，減少漏測(cè)量，提高實(shí)測(cè)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(cè)基點(diǎn)，不需進(jìn)行基點(diǎn)校測(cè)改正，提高了工效和觀測(cè)精度，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用。

5 結(jié) 語

壩體沉降是土石壩的重要指標(biāo)。對(duì)于這樣重要的一個(gè)指標(biāo)，當(dāng)前國內(nèi)壩工界有部分人將壩體測(cè)點(diǎn)沉降量視為壩體最大沉降量（與壩高相比得相對(duì)沉降率），并以此作為評(píng)價(jià)壩體填筑質(zhì)量和評(píng)估大壩安全的依據(jù)是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

本文采用分層疊加求和法求得壩體、壩基總沉降量，與設(shè)計(jì)計(jì)算和國外實(shí)測(cè)資料在概念、數(shù)值上較吻合，應(yīng)予應(yīng)用。

壩體填筑期間，漏測(cè)沉降量嚴(yán)重影響了實(shí)測(cè)沉降量精度，應(yīng)予以高度重視，可優(yōu)先選用電磁式沉降儀，盡力減小測(cè)點(diǎn)間距，減少漏測(cè)沉降量，并對(duì)漏測(cè)沉降量計(jì)算進(jìn)行探討，提高觀測(cè)精度。

[1]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

[2]SL60-94，土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，1994.