寧夏海原南坪水庫(kù)土壩壩體裂縫原因分析

(寧夏水務(wù)投資集團(tuán)有限公司,寧夏 銀川 750001)

由于土顆粒間存在空隙且很容易產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，因此在壩體自重和水壓力的作用下，壩體和壩基都會(huì)由于壓縮而產(chǎn)生沉降。過大的不均勻壩體沉降會(huì)造成壩體開裂，甚至形成漏水通道從而威脅壩體的安全。對(duì)于裂縫要根據(jù)其性狀，分析原因，并根據(jù)其危害程度，采取不同的處理措施。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于壩體嚴(yán)重的裂縫，多采用壩體內(nèi)部建低塑性混凝土防滲墻，解決由裂縫引起的壩體穩(wěn)定、滲流等各類問題。

1 工程實(shí)例及分析

1.1 工程情況

寧夏海原南坪水庫(kù)屬山區(qū)丘陵小型水庫(kù)，呈東西方向布置，為均質(zhì)土壩，壩長(zhǎng)480m，壩頂高程1603.00m，設(shè)計(jì)蓄水位1601.00m，最大壩高35m，庫(kù)容980萬m3，死庫(kù)容138萬m3，水庫(kù)流域面積6.69km2，自2009年蓄水至今，根據(jù)用水需求，水庫(kù)最高蓄水位1593.16m，長(zhǎng)期保持低水位運(yùn)行。目前地表可見部分主要裂縫分布在斷面0+105左右兩側(cè)，共13條，且輸水涵管周圍出現(xiàn)兩條10.0～20.0mm寬橫向裂縫，下游馬道處出現(xiàn)塌坑現(xiàn)象，雖經(jīng)過灌漿處理，裂縫仍有發(fā)展趨勢(shì)，左壩肩存在滲漏隱患。具體如圖1所示。

1.2 裂縫原因分析

1.2.1 原始資料查詢

a.設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。原設(shè)計(jì)壩頂高程1603.00m，馬道高程1593.00m，通過測(cè)量壩頂、壩前及壩后馬道位置的實(shí)際高程，與原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相比，繪制出壩體斷面高程前后變化情況，如圖2所示。

圖1 壩體后壩坡裂縫示意圖

圖2 壩體斷面高程前后變化

現(xiàn)狀測(cè)量平均壩頂高程在1602.24～1602.53m范圍內(nèi)，壩頂沉降范圍0.47～0.76m；壩前馬道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量高程1592.34～1592.39m，沉降量范圍0.61～0.66m；后壩坡馬道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量高程1592.70～1592.88m，沉降量范圍0.22～0.30m。由此數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)大壩壩前、壩頂、壩后均存在不同程度的沉降，大壩整體明顯存在不均勻沉降現(xiàn)象。

b.原壩體處理方式探討。水庫(kù)輸水涵管穿過壩體左壩頭，基礎(chǔ)為井柱承臺(tái)梁結(jié)構(gòu)且嵌入基巖1.0m，經(jīng)計(jì)算復(fù)核，基礎(chǔ)井柱承載力滿足規(guī)范要求；輸水涵洞采用井柱承臺(tái)梁結(jié)構(gòu)且嵌入基巖，輸水涵管井柱間采用水泥土回填，兩側(cè)采用壤土回填。水泥土變形能力[1]較兩側(cè)濕陷性壤土變形能力差，在大壩頂部發(fā)現(xiàn)，輸水涵洞對(duì)應(yīng)處隆起，形成小“駝峰”線。而壩體中間涵管基礎(chǔ)易與管身脫離，出現(xiàn)裂縫，該裂縫發(fā)展成明顯的貫穿裂縫，由此出現(xiàn)接觸滲漏。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)鉆探取樣試驗(yàn)分析

考慮大壩壩體穩(wěn)定及實(shí)際現(xiàn)狀，在壩后進(jìn)行地勘鉆孔取樣，本次勘察斷面標(biāo)號(hào)分別在1#、2#、3#(對(duì)應(yīng)壩面道路樁號(hào)0+400、0+330、0+105)處布置觀測(cè)探坑，共布置9眼探坑(井)，探坑深度3m，根據(jù)取樣土的壓實(shí)度計(jì)算繪制出不同高程斷面的壓實(shí)度，繪制同一斷面不同高程壓實(shí)度曲線，如圖3所示。

圖3 壓實(shí)度示意圖

大壩初步設(shè)計(jì)要求壩體的斷面壓實(shí)度設(shè)計(jì)值在98%以上，3號(hào)斷面位置壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求的僅占44%，1號(hào)、2號(hào)斷面滿足設(shè)計(jì)要求的占80%。在同一高程不同斷面的壓實(shí)度也是不均一的，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在探坑中淺土紅色的碾壓層極堅(jiān)硬，干密度較大，而土黃色的碾壓層干密度相對(duì)較小。查詢資料發(fā)現(xiàn)3號(hào)斷面位置下面是輸水涵洞埋設(shè)位置，而埋設(shè)位置主要是水泥土，壩身其他部位均是淺紅、黃色的當(dāng)?shù)鼐|(zhì)拌和土。該部位在多次灌漿過程中跑漿較嚴(yán)重，壩體內(nèi)和輸水洞和壩體接觸部位存在隱形裂縫。

1.2.3 原壩基壩體處理分析

a.前壩坡分析。由壩體斷面高程前后變化圖可知，上游壩坡沉降量明顯高于下游壩坡，這是因?yàn)樯嫌螇纹掠苫炷量蚋裰ёo(hù)，內(nèi)填筑卵石護(hù)坡，護(hù)坡厚度0.3m，最大凍土深度1.59m，設(shè)計(jì)上游砌護(hù)層偏薄，不能滿足抗凍脹要求。卵石粒徑小自重小，且無棱角，自穩(wěn)性較差，風(fēng)浪沖刷時(shí)易發(fā)生滾動(dòng)，淘刷明顯；水位在上游馬道處浸泡，長(zhǎng)期低水位運(yùn)行，框格受壩體沉降與凍融作用破損嚴(yán)重，故而上游馬道存在裂縫明顯比下游壩坡多。

b.壩基填筑分析。水庫(kù)壩址區(qū)溝壑比較發(fā)育，且切割較深，大壩采用分區(qū)回填，施工時(shí)壩基處理采用挖除和強(qiáng)夯結(jié)合的方式，壤土料場(chǎng)土料填筑在截滲槽及浸潤(rùn)線以下；土料經(jīng)改性處理后填筑在1598.00m高程以上；對(duì)建基面以下的截滲槽、截滲槽上游側(cè)的主溝道采用改性土填筑，設(shè)計(jì)提出的壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)基本合適。大壩壩體于2008年8月開始清基施工，2009年4月即填筑至1598.00m高程(其中包括冬季休工期4個(gè)月)，大壩填筑施工速度偏快，不利于大壩沉降控制。

經(jīng)本次地質(zhì)勘察，擊實(shí)試驗(yàn)土樣最大干密度在1.87～1.89g/cm3之間，按照壓實(shí)度98%的要求，土樣干密度應(yīng)在1.83～1.85g/cm3之間，而所取土樣實(shí)測(cè)干密度均在1.45～1.80g/cm3之間，勘測(cè)實(shí)際壓實(shí)度范圍較大，均勻性較差且壓實(shí)度無法滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

對(duì)壩基濕陷性土層和右壩肩采用強(qiáng)夯處理，施工工藝可行，強(qiáng)夯處理深度8m，左岸探井發(fā)現(xiàn)均具有濕陷性，濕陷土層厚度3.0～10.0m。壩基一些地段清除表部3m土層后尚有厚度大于8m的濕陷性壤土，因此，認(rèn)為壩基尚有部分壤土仍存在濕陷性。

2 壩體出現(xiàn)裂縫的主要原因與結(jié)論

a.南坪均質(zhì)大壩壩體裂縫是由于壩體不均勻沉降所引起的。

b.壩體不均勻沉降是由于壩體施工工程中分區(qū)回填，填筑過程不均勻引起，加上輸水涵洞井柱承臺(tái)梁結(jié)間采用水泥土回填，沉降變形能力很小，而兩側(cè)壩體為濕陷性壤土基礎(chǔ)，沉降變形能力較大，因此在輸水涵洞對(duì)應(yīng)壩段該問題尤為突出。

c.上游壩坡裂縫除受上面兩個(gè)因素影響外，還存在護(hù)坡方式不當(dāng)、保護(hù)層厚度不夠及受凍融循環(huán)等因素影響。

3 解決方法與建議

a.采用塑性混凝土防滲墻截流，消除壩體內(nèi)部裂縫，防止壩體滲漏問題，同時(shí)保證壩體心墻穩(wěn)定性。采用泥漿灌漿和化學(xué)灌漿封堵輸水洞周圍的裂縫，消除壩體裂縫引起的接觸滲流問題。

b.填筑壩體加厚培高至設(shè)計(jì)高程，保證壩面的均勻性和美觀性，消除部分不均勻沉降引起的表觀裂縫。

c.改變上下游壩坡砌護(hù)方式，采用0.2m河砂墊層+0.20mC20抗凍混凝土面板替換卵石護(hù)坡，盡最大可能保證上游壩坡免遭凍融循環(huán)破壞，同時(shí)可避免波浪造成的水蝕和雨蝕。

d.下游壩坡采用培土加厚加寬處理，即在1593.00m以下僅對(duì)基礎(chǔ)處理，不同段落采用不同處理方式，其中0+000至0+325段和0+375至0+475段，開挖后根據(jù)實(shí)際情況采用翻夯碾壓、塊石擠密，樁號(hào)0+325至0+375段暫時(shí)不處理；在1593.00m以上，直接清除表面覆土、破損的格條、馬道，然后在其上直接碾壓。壩內(nèi)水平褥墊排水仍維持現(xiàn)狀，挖出該段排水溝，并在其后設(shè)置范圍內(nèi)新增復(fù)合土工膜帶，沿原排水溝外側(cè)貼坡設(shè)置，土工膜鋪設(shè)后，回填0.20m天然級(jí)配河砂，進(jìn)行碾壓回填。下游壩坡加固培土后，采用草皮護(hù)坡，重新鋪設(shè)縱橫排水溝，以便減少流水對(duì)壩體的沖刷。

4 工程實(shí)施后的效果

工程程措施實(shí)施后，壩體裂縫全部消除，有效阻斷了壩體內(nèi)存在的隱形裂縫滲漏通道，下游坡腳處少量積水全部干涸；縱橫排水溝排改造后，未出現(xiàn)沖刷痕跡，排水取得顯著效果，改造后的前后壩坡馬道、格條也未出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，下游壩坡明顯得到改善。運(yùn)行至今，壩內(nèi)水位逐漸上升后至設(shè)計(jì)水位，下游壩坡坡腳仍未出現(xiàn)滲水痕跡，前壩坡改造后，面板未出現(xiàn)裂縫；壩頂改造后，壩面未有積水，排水暢通，未出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。故該工程措施取得了效果明顯，有效保障大壩安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉正勇.水泥土及其性能介紹[J].水泥工程,2005(5):21-22.