高土心墻堆石壩裂縫分析及控制措施研究

王富強(qiáng)，楊澤艷

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)外已經(jīng)建成10余座壩高超過(guò)200 m的土心墻堆石壩，其中最高的是前蘇聯(lián)的努列克壩，壩高300 m。我國(guó)2000年以前建成的土心墻堆石壩多為百米級(jí)大壩，最高的是小浪底，壩高160 m。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)陸續(xù)建成了瀑布溝(壩高186 m，覆蓋層最大厚度77.9 m)、糯扎渡(壩高261.5 m)、毛爾蓋(壩高186 m，覆蓋層最大厚度約50 m)和長(zhǎng)河壩(壩高240 m，覆蓋層最大厚度50 m)等高土心墻堆石壩[1-2]。雙江口心墻堆石壩(壩高314 m)、兩河口心墻堆石壩(壩高295 m)等也已開(kāi)工建設(shè)，如美心墻堆石壩(壩高315 m)正在開(kāi)展可行性研究階段設(shè)計(jì)研究工作。綜合分析工程實(shí)踐可見(jiàn)，200～300 m級(jí)高土心墻堆石壩的筑壩技術(shù)已趨于成熟。

然而，小浪底、瀑布溝和毛爾蓋等壩在蓄水后，壩頂出現(xiàn)了近似平行于壩軸線的縱向裂縫，引起了我國(guó)水電行業(yè)的關(guān)注和重視。針對(duì)該現(xiàn)象，本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外壩高超過(guò)100 m的土心墻堆石壩裂縫案例，初步分析了裂縫特點(diǎn)及產(chǎn)生機(jī)理，并結(jié)合高土石壩應(yīng)力變形特性的研究成果，提出了一套控制壩體裂縫的工程措施。

1 高土心墻堆石壩裂縫特性

從已建工程的實(shí)踐看，土石壩的裂縫種類(lèi)較多。按影響因素可分為變形裂縫、滑坡裂縫、干縮裂縫、冰凍裂縫、地震裂縫、水力劈裂縫等。按出現(xiàn)部位可分為表面裂縫和內(nèi)部裂縫。按裂縫形式則可分為縱向裂縫、橫向裂縫和水平裂縫。

壩體變形以及由此引起的裂縫是高土心墻堆石壩區(qū)別于低壩的顯著特點(diǎn)。變形裂縫主要有縱向、橫向和水平裂縫等，多表現(xiàn)為表面裂縫?？v向裂縫大致平行于壩軸線，常出現(xiàn)在壩頂和上、下游壩坡，縫寬一般較大，主要是由于壩橫斷面上壩身、壩基各部分變形不協(xié)調(diào)引起。橫向裂縫大致垂直于壩軸線，常出現(xiàn)在陡岸坡、局部地形劇烈變化或壩下埋管等部位，若裂縫貫通防滲體，則危害較大。水平裂縫主要由于壩身、壩基的不均勻沉降引起，如果裂縫貫通上、下游，可能形成集中滲漏通道。

表1列出了國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)裂縫的高土心墻堆石壩以及壩體裂縫特性[3]。從表1可以看出，1940年至今，幾乎每個(gè)年代均有高土心墻堆石壩出現(xiàn)裂縫，這些出現(xiàn)裂縫的大壩在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家均有分布。統(tǒng)計(jì)顯示，直土心墻與斜土心墻、建設(shè)在覆蓋層與基巖上心墻堆石壩均有可能出現(xiàn)裂縫。

表1 國(guó)內(nèi)外高土心墻堆石壩裂縫特性統(tǒng)計(jì)(壩高大于100 m)

2 壩體裂縫成因與機(jī)理

從上述12座高土心墻堆石壩裂縫特性分析，水平裂縫案例不多且多發(fā)生在土心墻部位；主要裂縫為變形引起的縱、橫向裂縫，主要原因可大致分為3類(lèi)：

(1)壩體碾壓密實(shí)度差。20世紀(jì)40～60年代建設(shè)的壩，心墻多采用碾壓方式填筑，但壩殼堆石料則主要利用拋填或水力沖填方式填筑，即便采取碾壓方式，鋪層厚度也很大，碾壓激振力不大，碾壓遍數(shù)有限，且不加水。因此，壩殼密實(shí)度通常低于心墻，有些工程的上、下游堆石體密實(shí)度差異較大，導(dǎo)致壩體不均勻沉降，從而產(chǎn)生裂縫。

(2)大壩建基于深厚覆蓋層上。表1中，我國(guó)瀑布溝、毛爾蓋和小浪底壩，印尼的賈提路哈爾壩均建基于覆蓋層上。尤其我國(guó)的3座壩，心墻和壩殼料均采用現(xiàn)代碾壓技術(shù)，壩體上、下游的填筑密實(shí)度差異并不大，產(chǎn)生裂縫的原因可能與壩基覆蓋層的不均勻變形有一定關(guān)系。

(3)過(guò)快的壩體填筑速度或蓄水速率。壩體填筑速度過(guò)快、蓄水速度過(guò)快或者庫(kù)水位快升驟降可能會(huì)引起壩體局部變形過(guò)大，出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形甚至裂縫。因此，控制水庫(kù)水位上升或下降的速率也非常重要。

因此，高土心墻堆石壩裂縫的產(chǎn)生與壩體的變形，特別是不均勻變形存在密切關(guān)系。壩體橫向裂縫主要由于岸坡段壩體與河床段壩體的不均勻變形引起，縱向裂縫則通常由于壩殼堆石與心墻的不協(xié)調(diào)變形產(chǎn)生，而心墻水平向裂縫則可能由于水力劈裂導(dǎo)致。從裂縫控制的角度分析，壩體變形控制與變形協(xié)調(diào)是避免高土心墻堆石壩裂縫的根本措施。

3 裂縫判別與模擬方法

變形傾度法是土石壩工程中常用的裂縫估算方法之一，由我國(guó)南京水利科學(xué)研究院等單位的一些學(xué)者根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出，其原理如圖1所示。對(duì)于同一高程的a、b兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，兩點(diǎn)間的水平距離為Δy，mm；兩點(diǎn)測(cè)得的沉降分別為Sa、Sb；兩點(diǎn)間累計(jì)沉降差ΔS，mm；a、b兩點(diǎn)間的變形傾度γ則可定義為

(1)

假設(shè)土層ab發(fā)生破壞或產(chǎn)生裂縫的臨界傾度為γc。如果通過(guò)式(1)計(jì)算的傾度γ>γc，則認(rèn)為該處的土層要產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)破壞面；如果γ=γc，則該土層處于極限狀態(tài)；如果γ<γc，則認(rèn)為該土層不會(huì)發(fā)生破壞。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)成果分析，一般認(rèn)為γc取1%是基本合適的。

圖1 變形傾度法原理

變形傾度法主要根據(jù)實(shí)測(cè)的沉降資料來(lái)預(yù)測(cè)壩體裂縫，一般需要較為詳細(xì)的監(jiān)測(cè)資料，無(wú)法在工程前期設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)裂縫的發(fā)生，因此也難于通過(guò)分析采取針對(duì)性的工程措施。

彭翀等[4]在有限元計(jì)算程序中嵌入變形傾度計(jì)算模塊，發(fā)展了基于有限元計(jì)算的變形傾度有限元法。變形傾度法簡(jiǎn)潔實(shí)用，與壩體變形計(jì)算的有限元方法耦合，可以預(yù)測(cè)壩體是否產(chǎn)生裂縫。因此，變形傾度有限元法可作為工程前期設(shè)計(jì)階段分析和估算壩體裂縫的輔助手段。針對(duì)預(yù)測(cè)的易產(chǎn)生裂縫的區(qū)域，可以采取針對(duì)性的工程措施。

4 壩體裂縫控制措施

在糯扎渡、雙江口、長(zhǎng)河壩等高土心墻堆石壩的論證與建設(shè)過(guò)程中，相關(guān)單位開(kāi)展了大量的大壩應(yīng)力變形計(jì)算。計(jì)算分析成果顯示，心墻與壩殼的變形不協(xié)調(diào)是高土心墻堆石壩的顯著特點(diǎn)之一，壩體不同區(qū)域的變形不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致表面裂縫的主要原因。因此，結(jié)合高土心墻堆石壩變形規(guī)律和已有工程經(jīng)驗(yàn)，本文提出了以“控制變形差異”為重點(diǎn)的裂縫控制措施：

(1)控制壩基不均勻壓縮變形。對(duì)于壩基壓縮性大、可能液化的軟弱夾層，應(yīng)采取挖除措施；壩基中軟弱土層經(jīng)分析后可采用振沖、旋噴等加固處理；心墻基礎(chǔ)覆蓋層中可進(jìn)行深8～15 m的固結(jié)灌漿。

(2)控制壩體及壩基結(jié)合部位的變形差異，使心墻基礎(chǔ)與岸坡、壩殼與岸坡山體平順連接。

(3)優(yōu)化結(jié)構(gòu)分區(qū)、壩料級(jí)配、孔隙率和干密度等，確保壩體各分區(qū)的變形協(xié)調(diào)，并考慮壩料濕化變形和流變變形的影響。

(4)嚴(yán)格控制壩體填筑質(zhì)量。壩面填筑應(yīng)盡可能平起，避免過(guò)多的壩體接縫；避免防滲體土料出現(xiàn)橫向接縫；嚴(yán)格控制防滲體冬、雨季施工質(zhì)量。

(5)嚴(yán)格控制壩體填筑速度，結(jié)合監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行綜合分析，在壩體沉降基本穩(wěn)定后進(jìn)行壩頂結(jié)構(gòu)施工。

(6)嚴(yán)格控制蓄水速率，設(shè)置必要的觀察水位；可每隔20～30 m設(shè)置一個(gè)蓄水觀察水位，停留5～10 d進(jìn)行觀察，如無(wú)異常則繼續(xù)下一蓄水過(guò)程；對(duì)于高土心墻堆石壩工程，初期蓄水過(guò)程的水位上升速率可按不大于1 m/d或1.5 m/d控制；中、后期蓄水過(guò)程適當(dāng)放緩，按不大于1 m/d或0.5 m/d控制。

(7)重視壩頂結(jié)構(gòu)分區(qū)設(shè)計(jì)，并從壩料分區(qū)、填筑指標(biāo)等方面研究可行的淺層裂縫的控制措施。

(8)提出限制庫(kù)水位快升驟降的運(yùn)行要求，以減少對(duì)壩體變形的不利影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文系統(tǒng)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外發(fā)生裂縫的高土心墻堆石壩工程案例，并初步分析了裂縫產(chǎn)生的原因與機(jī)理。研究表明，土心墻與壩殼堆石之間填筑實(shí)度相差較大、壩基深厚覆蓋層不均勻變形、壩體填筑不均衡上升及庫(kù)水位快升驟降是高土心墻堆石壩裂縫的主要原因。

結(jié)合高土心墻堆石壩變形規(guī)律和已有工程經(jīng)驗(yàn)，提出了一套包括基礎(chǔ)處理、結(jié)構(gòu)分區(qū)、壩料設(shè)計(jì)、壩體填筑、質(zhì)量控制、水庫(kù)蓄水、壩頂結(jié)構(gòu)等方面，以“控制變形差異”為重點(diǎn)的裂縫控制措施，供土心墻堆石壩工程參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張小春. 長(zhǎng)河壩水電站深厚覆蓋層超高礫石土心墻堆石壩關(guān)鍵筑壩技術(shù)應(yīng)用[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(10)： 5- 8．

[2] 艾永平. 糯扎渡水電站工程建設(shè)技術(shù)要點(diǎn)評(píng)述[J]. 水力發(fā)電, 2012, 38(9)： 9- 11．

[3] 中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司， 水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院, 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 等. 高土心墻堆石壩變形和裂縫控制研究 [R]. 北京: 中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)有限公司, 2014．

[4] 彭翀, 張宗亮, 張丙印, 等. 高土石壩裂縫分析的變形傾度有限元法及其應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué), 2013 (5)： 1453- 1458．