瀑布溝礫石土心墻堆石壩初次蓄水期壩頂裂縫成因分析

林道通，朱 晟，鄔銘科，陳曉華，應(yīng)建彤

(1.浙江省寧?？h水利局，浙江寧海315600；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098)

0 引 言

土石壩是世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的壩型之一。其中土質(zhì)心墻壩占了很大的比例，據(jù)20世紀(jì)90年代初的統(tǒng)計(jì)[1]，世界上已建或在建的壩高高于230 m的大壩中，土質(zhì)心墻堆石壩約占55.5%。高心墻堆石壩的快速發(fā)展對(duì)大壩的變形控制提出了更高的要求，其中心墻壩的裂縫一直是重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多心墻堆石壩在初次蓄水期均發(fā)生壩頂縱向裂縫[2]。

目前對(duì)首次蓄水期壩頂縱向裂縫的產(chǎn)生原因尚無(wú)明確定論。徐澤平[3]認(rèn)為，壩殼堆石材料與心墻土體材料在變形時(shí)序上的不協(xié)調(diào)，以及蓄水后上游壩殼的附加變形作用是造成這一裂縫的重要原因。目前我國(guó)心墻壩的建設(shè)尚處于積累經(jīng)驗(yàn)的階段，國(guó)內(nèi)很少有針對(duì)高心墻壩壩頂縱向裂縫進(jìn)行具體的分析研究，這主要是分析方法與手段的不足。李君純[4]提出用傾度法來(lái)分析大壩的裂縫問(wèn)題，該方法給予觀測(cè)的沉降資料，計(jì)算簡(jiǎn)單且明確，已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)早期壩高較低的一些大中型水庫(kù)。

瀑布溝水電站大壩是國(guó)內(nèi)已建成的最高的礫石土心墻堆石壩，水庫(kù)于2010年8月26日上午蓄水至842.2 m左右時(shí)，發(fā)現(xiàn)了壩頂縱向裂縫，裂縫位于壩軸線下游約5.5～6.0 m，基本平行于壩軸線，裂縫長(zhǎng)約230 m，最大縫寬約5 cm，通過(guò)探坑檢查深度約1～2.5 m。到目前為止，已經(jīng)有較全面豐富的監(jiān)測(cè)資料。本文基于瀑布溝大壩施工及蓄水期的變形監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合實(shí)際的蓄水過(guò)程與傾度分析方法，從時(shí)間與空間上分析大壩壩頂在蓄水過(guò)程中的變形規(guī)律，以揭示大壩壩頂縱向裂縫的產(chǎn)生原因。

圖1 大壩最大橫斷面剖面示意(單位：m)

1 工程概況與監(jiān)測(cè)布置

瀑布溝水電站位于大渡河中游、四川省漢源縣和甘洛縣境內(nèi)，為以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等綜合效益的大型水利水電工程。電站總裝機(jī)容量3 300 MW，擋水大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程856 m，壩頂長(zhǎng)514.5 m、寬14 m，最大壩高186 m，總庫(kù)容53.90億m3。壩基為砂卵石深厚覆蓋層，最大厚度為76 m。大壩壩體斷面分為4個(gè)區(qū)，即礫石土心墻、反濾層、過(guò)渡層和堆石區(qū)。大壩上游壩面高程795 m處設(shè)一寬5 m的馬道，馬道以上壩坡為1∶2.00，以下壩坡為1∶2.25，上游圍堰與壩體結(jié)合。下游壩坡均為1∶1.80。礫石土心墻頂高程854.0 m，頂寬4 m，底高程為670 m，上下游邊坡均為1∶0.25。心墻底部、心墻與岸坡接觸帶、防滲墻頂和混凝土廊道周圍設(shè)高塑性粘土；下游壩殼堆石與覆蓋層之間設(shè)一層2 m厚水平反濾層；心墻上下游側(cè)各設(shè)兩層反濾，上游兩層各厚4 m，下游兩層各厚6 m，反濾層以外為過(guò)渡料和壩殼料。心墻下部河床覆蓋層段采用2道混凝土防滲墻防滲，最大墻深約78 m。大壩壩軸線橫剖面如圖1所示。

水庫(kù)正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，校核洪水位853.78 m。大壩于2004年3月開(kāi)工建設(shè)，2005年11月下旬截流，2006年3月開(kāi)始填筑上下游堆石區(qū)，2007年4月開(kāi)始?jí)误w全斷面施工，2009年9月20日大壩填筑完成，并在同年10月28日下閘蓄水，2010年10月15日蓄水至設(shè)計(jì)高程。

心墻料以寬級(jí)配礫石土為主，最大粒徑80 mm，鋪料厚度為45 cm，進(jìn)占法卸料，采用25 t凸塊碾平行壩軸線方向碾壓；心墻上下游反濾料鋪料厚度為30 cm，采用25 t振動(dòng)平碾進(jìn)退錯(cuò)距法平行壩軸線方向碾壓；過(guò)渡料采用進(jìn)占法鋪筑，鋪料厚度60 cm，采用25 t振動(dòng)平碾進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓；大壩堆石料鋪料厚度100 cm，推土機(jī)整平，25 t振動(dòng)平碾和20 t拖碾進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓。

大壩壩頂部位的外觀變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在大壩壩頂、下游壩面805 m高程，工作基點(diǎn)分布于兩岸山體基巖上；其中大壩壩頂處有8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(樁號(hào)0+78～0+501)，每個(gè)斷面壩頂有3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(0+5.2、0+00、0-5.2)。大壩在河床斷面(樁號(hào)0+240、0+310)布置有觀測(cè)心墻沉降的電磁式沉降環(huán)VE1和VE4，在下游堆石區(qū)兩個(gè)斷面各布置有用于監(jiān)測(cè)下游堆石位移的水管式沉降儀。具體布置如圖1和圖2所示。圖中，VE、CH分別表示電磁式沉降環(huán)和水管式沉降儀，其后的數(shù)字表示測(cè)點(diǎn)(儀器)的編號(hào)，括號(hào)內(nèi)的為0+310斷面內(nèi)的編號(hào)。本文壩軸距方向規(guī)定，以壩軸線為起點(diǎn)，向下游為正，上游為負(fù)。

2 初期蓄水期壩頂變形分析

2.1 大壩初次蓄水過(guò)程

大壩于2009年10月28日開(kāi)始蓄水，也就是在大壩填筑完成后一個(gè)月左右。為了能通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)控制并確保大壩的蓄水安全，結(jié)合壩址處的水文氣象條件，大壩初次蓄水過(guò)程分為3個(gè)階段。第一個(gè)階段是快速蓄水期，蓄水水位從691.0 m高程到788.0 m高程，總用時(shí)53天，平均1.83 m/d。第二個(gè)階段是庫(kù)水穩(wěn)定期，壩前水位保持在788.0 m高程呈微小浮動(dòng)，歷時(shí)136天。第三個(gè)階段是二次蓄水期，壩前水位從788.0 m到正常蓄水位850.0 m高程，歷時(shí)189天，平均約0.33 m/d。

圖2 大壩壩頂部位位移監(jiān)測(cè)儀器測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：m)

圖3 壩頂壩軸線下游觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間過(guò)程曲線

2.2 大壩蓄水壩頂變形時(shí)程分析

大壩壩頂每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的3個(gè)測(cè)點(diǎn)中，(0+5.2、0-5.2)分別都監(jiān)測(cè)了水平與豎向位移，而壩軸(0+00)測(cè)點(diǎn)只監(jiān)測(cè)了豎向位移。圖3為壩頂壩軸線下游觀測(cè)點(diǎn)的上下游水平和豎直方向的位移值；由圖3、4可知，(0+78、0+128、0+431)3個(gè)斷面的下游測(cè)點(diǎn)(0+5.2)在初始階段存在著較明顯的漏測(cè)，其沒(méi)有測(cè)值。故用傾度法分析這兩個(gè)部分的數(shù)據(jù)時(shí)要剔除初始值的影響(實(shí)際上由下面分析可得初始階段因上下游測(cè)點(diǎn)的初始沉降值相差不大，故剔除初始值影響不大)。另外，(0+361)斷面壩頂?shù)南掠螠y(cè)點(diǎn)不正常，按照壩體材料變形的連續(xù)性，其值應(yīng)該在(0+310～0+431)之間，但其監(jiān)測(cè)值比(0+431)斷面的還小，數(shù)值不合理，故該處不做分析。其他測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)正常。

變形傾度值可以衡量相同高程點(diǎn)壩體變形的不均勻情況。假設(shè)在壩身同一高程處有2個(gè)距離為Δl的觀測(cè)點(diǎn)a、b，如圖4所示，定義a、b兩點(diǎn)在日期Tj的變形傾度的表達(dá)式為

(1)

式中，ΔS為在日期Tj的a、b兩點(diǎn)的沉降差的絕對(duì)值；δ為沉降點(diǎn)連線與水平面得夾角；設(shè)土體的臨界破壞傾度為γc，如果計(jì)算傾度γ>γc，則認(rèn)為該處的土層將要發(fā)生剪切破壞面。目前關(guān)于γc的取值還是源于經(jīng)驗(yàn)取值，李君純根據(jù)國(guó)內(nèi)一些發(fā)生裂縫土石壩的計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為γc的取值一般約為1.0%。

圖4 變形傾度法示意

圖5為壩頂(0+310)斷面的沉降與水平位移隨水位變化情況。表1為壩頂(0+240)斷面不同日期的傾度。圖6為壩頂不同監(jiān)測(cè)斷面的傾度時(shí)程曲線。從表1和圖5、6可以看出，壩頂各監(jiān)測(cè)斷面的的傾度值都隨著壩前水位的上升而增大；但具體從蓄水各個(gè)階段來(lái)看，變化趨勢(shì)又有所不同。在快速蓄水期，大壩壩頂各測(cè)點(diǎn)傾度隨水位增加而增大，但變化幅度較小，基本在0.5%以下。在庫(kù)水位穩(wěn)定期，傾度值也呈穩(wěn)定的形態(tài)。在二次蓄水期，特別是庫(kù)水位達(dá)到830 m高程的高水位期后，傾度隨水位升高而顯著增大。因此，可以說(shuō)壩體的不均變形的產(chǎn)生主要發(fā)生在初期蓄水期的高水位階段。這與堆石料的濕化現(xiàn)象較符合，因堆石料只有浸水后才可能產(chǎn)生濕化變形，故只有水位達(dá)到較高的高程才能使壩頂部位產(chǎn)生較大沉陷變形。

圖5 蓄水期間大壩壩頂沉降及上下游位移隨水位變化

日期壩前水位/m上游測(cè)點(diǎn)沉降值/mm下游游測(cè)點(diǎn)沉降值/mm傾度值/%20091110691023212450012200912107880339334250032010031078824226412501020100610803447624575018201008108335552149500552010083084345952505008720100920843162505200101201012108491785756252152011021082968339594123120110410792992316808233

圖6 壩頂各監(jiān)測(cè)斷面的傾度時(shí)程曲線

從圖5的(0+310)斷面的沉降與水平位移隨水位變化看，水平位移與沉降的變化規(guī)律相似，在快速蓄水期和庫(kù)水位穩(wěn)定期，壩頂上下游各部位位移變化較一致；在二次蓄水的高水位期，壩頂上下游各部位位移變化不協(xié)調(diào)，產(chǎn)生了不均勻的變形。壩頂水平位移的都首先向上游移動(dòng)，然后在高位移階段逐漸向下游移動(dòng)。主要是一開(kāi)始?jí)吻八惠^低，上游高程較低的堆石料浸水濕化沉陷，壩頂部位受到拉拽作用向上游移動(dòng)。隨著水位的升高，水荷載作用明顯并成為主導(dǎo)因素，其推力使壩體往下游移動(dòng)；水位消落后呈卸載狀態(tài)，壩體又往上游移動(dòng)。

在二次蓄水的高水位階段的不均勻變形的產(chǎn)生，導(dǎo)致了大壩壩頂裂縫的產(chǎn)生。如果按照以前李君純統(tǒng)計(jì)的產(chǎn)生裂縫的傾度臨界經(jīng)驗(yàn)值(1%)來(lái)判斷，大壩在2010年9月20日出現(xiàn)裂縫，但實(shí)測(cè)的情況是2010年8月26日就出現(xiàn)了裂縫，對(duì)應(yīng)的傾度值0.70%左右。筆者認(rèn)為，臨界傾度(1%)是經(jīng)驗(yàn)值，主要是統(tǒng)計(jì)了我國(guó)早先年代建造的均值土壩，其碾壓密實(shí)度不高；而瀑布溝心墻堆石壩為采用現(xiàn)代碾壓技術(shù)施工的心墻堆石壩，碾壓較密實(shí)且心墻為摻礫粘土料，其抗變形能力較粘土弱，故臨界值在0.7%也是合理的。因此說(shuō)每個(gè)工程的臨界傾度值都不一樣，與壩料的組成、碾壓密實(shí)度等有關(guān)，不能一味按照1%這個(gè)值來(lái)判斷。

2.3 大壩蓄水壩頂變形空間特性分析

大壩因地形、材料分區(qū)及材料特性的差異，壩體各個(gè)部分(包括壩頂上下游)的變形會(huì)存在差異。如心墻模量低，其變形較上下游堆石區(qū)大；大壩兩岸因受山體的約束，其變形比河床部位?。簧嫌味咽瘏^(qū)與過(guò)渡區(qū)因透水率大，其浸水后會(huì)發(fā)生較大的濕化沉陷變形。反濾、心墻料近似認(rèn)為不透水，可保證其下游堆石區(qū)較為干燥，不會(huì)發(fā)生較大的濕化變形。壩體各分區(qū)材料因流變性質(zhì)的差異，也會(huì)產(chǎn)生流變變形的差異。這種變形差異過(guò)大就會(huì)產(chǎn)生壩頂裂縫。

從圖6的不同斷面傾度的監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，蓄水期各斷面變形情況有差異。在蓄水的初期，越靠壩肩的傾度越大，而在河床中央的反而越小。這是在蓄水初期壩頂上游側(cè)主要受上游高程較低處堆石濕化的連帶影響，而壩頂下游側(cè)則影響較少且越靠近壩肩受兩岸山體的約束越大，造成變形的不協(xié)調(diào)。河床部位則受約束較小，上下游部位變形較一致，故傾度值較小。二次蓄水的高水位期，壩頂上游側(cè)部位自身發(fā)生很大的濕化沉陷變形，約束因素影響就較?。灰蚴軆砂逗庸鹊匦蔚扔绊懀s靠近河床中央，其濕化變形量越大，故造成其河床壩頂部位的傾度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比靠岸坡的大很多。

圖7 心墻電磁式沉降環(huán)施工期及蓄水期位移

圖7為心墻靠壩頂部位電磁式沉降環(huán)的施工期與蓄水期位移監(jiān)測(cè)情況?？傮w來(lái)說(shuō)，施工期越靠近河床中央，其沉降值越大；高程越低，其沉降值越大。這是因?yàn)樵娇拷哟?，其?duì)應(yīng)的土柱高，沉降量就大。蓄水期，從其總體變形的增量來(lái)說(shuō)，靠近河床(VE1與VE4)的比靠岸坡(VE7與VE8)的大；從每個(gè)沉降環(huán)來(lái)講，高程低的沉降增量比高程高的小，這是因?yàn)楦叱梯^高處，其離上游堆石越近，受濕化沉陷變形也就越大。所以上游堆石料的濕化變形在豎直方向上也會(huì)導(dǎo)致不均勻變形的產(chǎn)生。

圖8為壩頂上游側(cè)和下游側(cè)各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)蓄水期沉降增量。由圖8可知，壩體上下游的沉降規(guī)律基本一致，都是兩岸向河床部位逐漸增大，并在(0+240)斷面處達(dá)到極值。在(0+128)與(0+431)兩斷面處出現(xiàn)突變點(diǎn)，即沉降值沿壩軸線突增。而實(shí)際出現(xiàn)裂縫的位置(樁號(hào)0+185～0+415)恰好在(樁號(hào)0+128～0+431)之間，說(shuō)明其不均勻沉降對(duì)裂縫產(chǎn)生影響。因(0+128)與(0+431)斷面處于地形壩坡分界處，這之間土柱高度最高，因此沉降也最大。另外，上游側(cè)的沉降比下游側(cè)大，這主要受上游堆石浸水濕化影響。正是因這上下左右空間上的不均勻沉降的產(chǎn)生導(dǎo)致了壩頂縱向裂縫。

圖8 壩頂壩軸上、下游側(cè)各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)蓄水期沉降增量

圖9 (0+310)斷面808 m高程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)蓄水期位移增量

圖9為(0+310)斷面808 m高程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)蓄水期位移增量。因水管式沉降儀在808 m高程，壩坡測(cè)點(diǎn)在805 m高程，高程很接近，故作為同一高程分析。由圖9可知，在蓄水的初期，因上游堆石浸水濕化及心墻料壓縮量大且固結(jié)速率慢的原因，越靠近上游側(cè)的測(cè)點(diǎn)，其沉降值越大。但蓄水的后期，靠下游側(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值增大，其主要原因是堆石流變與下游側(cè)堆石受降雨等產(chǎn)生濕化變形。CH35處于次堆石區(qū)，且離壩坡也有一段距離，其受降雨等因素影響較小。但其后期沉降值比前面的CH33與CH34大，之間的沉降差隨著時(shí)間逐漸的加大，這說(shuō)明次堆區(qū)性質(zhì)較軟，流變量大，造成此處沉降較大。另外，壩坡測(cè)點(diǎn)的沉降量比之前的CH35還大，說(shuō)明其不僅受堆石流變差異的影響，還受降雨引起的濕化的影響。降雨對(duì)壩坡部位的位移影響較大，故會(huì)造成壩頂下游側(cè)沉降的增加，以致產(chǎn)生裂縫及滑坡等現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

基于瀑布溝大壩蓄水期位移監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合首次蓄水期實(shí)際蓄水過(guò)程及傾度分析方法，分別從時(shí)間和空間分析大壩壩頂部位的位移變形特征，并對(duì)大壩壩頂縱向裂縫的影響因素進(jìn)行了探討分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)瀑布溝工程首次蓄水期的各蓄水階段壩頂變形規(guī)律不同，在快速蓄水階段及穩(wěn)定庫(kù)水期，對(duì)壩頂部位變形影響較小，傾度值也都較?。辉诙涡钏冢m然蓄水速率不快，但水位變化對(duì)壩頂位移影響很大。故類似工程介意要嚴(yán)格控制高水位階段的蓄水速率，能慢則慢。

(2)大壩壩頂部位不均勻沉降及水平位移的產(chǎn)生主要是高水位階段上游堆石區(qū)濕化沉陷產(chǎn)生的，后期蓄水的水荷載的推力也對(duì)壩頂水平位移的差異產(chǎn)生影響。故類似心墻工程要加強(qiáng)對(duì)堆石料濕化現(xiàn)象的研究，建議上游堆石區(qū)少用濕化量大的堆石料并盡量提高填筑壓實(shí)度，以減少其變形量。

(3)壩頂上游側(cè)因受濕化沉陷的影響，其變形較下游側(cè)大，沉降差隨著水位的升高而增大。壩頂沉降值兩岸向河床部位逐漸增大，并在(0+240)斷面處達(dá)到極值。在(0+128)與(0+431)兩斷面處出現(xiàn)沉降變形突變點(diǎn)，而實(shí)際出現(xiàn)裂縫的位置(樁號(hào)0+185～0+415)恰好在(樁號(hào)0+128～0+431)之間。壩頂心墻部位因壓縮量大且固結(jié)速率慢的原因，其沉降值較附近的堆石區(qū)大；次堆區(qū)性質(zhì)較軟流變量大及壩坡部位降雨濕化沉陷影響，造成后期壩頂下游壩坡部位沉降較大，可能引起不均勻變形(縱向裂縫)的產(chǎn)生。

[1] 陳宗梁. 世界超級(jí)高壩[M]. 北京： 中國(guó)電力出版社, 1998．

[2] 牛運(yùn)光. 土石壩裂縫原因分析與防治處理措施綜述[J]. 大壩與安全, 2006(5): 61- 66．

[3] 徐澤平. 當(dāng)代高堆石壩建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)及巖土工程問(wèn)題[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011, 33(增1): 27- 33．

[4] 李君純. 土壩裂縫的簡(jiǎn)捷估算方法[J]. 水利水運(yùn)科學(xué)研究, 1983(3): 1- 11．

[5] 余學(xué)明, 何蘭. 瀑布溝水電站礫石土心墻堆石壩設(shè)計(jì)[J]. 水力發(fā)電, 2010, 36(6)： 39- 42．

[6] 陳五一, 葉發(fā)明. 瀑布溝水電站樞紐布置[J]. 水力發(fā)電, 2010, 36(6)： 36- 38, 89．