巴家嘴水庫(kù)壩體變形裂縫問題分析

應(yīng)敬浩,張書光,王登科

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

巴家嘴水庫(kù)壩體變形裂縫問題分析

應(yīng)敬浩,張書光,王登科

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南鄭州 450003)

巴家嘴水庫(kù)是一座集防洪、供水、灌溉及發(fā)電于一體的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。大壩于1958年9月開工興建,為黃土均質(zhì)壩。由于多種原因,導(dǎo)致壩體建成近40年來(lái)持續(xù)不均勻沉陷變形,壩體裂縫幾乎年年發(fā)生。由于工程質(zhì)量問題,經(jīng)評(píng)估鑒定,該工程為三類病險(xiǎn)危壩,須進(jìn)行擴(kuò)容增泄、防滲灌漿等除險(xiǎn)加固工作,以滿足防洪保壩和供水的要求。

大壩;變形;裂縫

1 工程概況

巴家嘴水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩,壩軸線近東西向,1958年9月興建,初建壩高58 m。1965年、1973年分別從壩背坡、迎水坡各加高8 m,目前最大壩高74 m,壩頂高程1 124.7 m,壩頂長(zhǎng)度539 m,上游坡比為1∶2.5～1∶3,下游坡比分別為1∶1.9、1∶2、1∶2.5和1∶3。

原壩體是前期三次施工的產(chǎn)物,組成物質(zhì)根據(jù)施工時(shí)間的不同主要分為一期加高壩體、二期加高壩體和初建壩體三層。巖性均為棕黃色粉質(zhì)粘土,含少量鈣質(zhì)結(jié)核。壩前二期加高壩體下還有一層下部淤土,巖性為灰黑色粉質(zhì)粘土,含較多有機(jī)質(zhì),有腥臭味,厚度0～30 m左右,底部高程1 076～1 086 m?？碧浇Y(jié)果和施工資料顯示:①初建壩體含水量分布不均,鋪土過(guò)厚,壓實(shí)不均,層次明顯,同時(shí)分條分塊較多,接縫過(guò)陡,填筑質(zhì)量較差。壩肩削坡不均,并存在反坡,質(zhì)量不良。②一期加高壩體,填筑質(zhì)量較好,鋪土質(zhì)量基本滿足要求。在部分高程范圍內(nèi),不合格樣較集中,壓實(shí)質(zhì)量不合格。截水槽部位填料不碾壓;上下層面結(jié)合處理不合格?？傊?除局部高程范圍外,壩體填筑質(zhì)量較好。③二期加高壩體,初建壩體、蓋重和擠淤填土干容重平均值滿足設(shè)計(jì)要求,蓋重和擠淤部分局部合格率較低,因此,二期加高壩體基本滿足合格要求。

由于種種原因,目前大壩存在的主要問題有大壩變形、大壩裂縫、壩基和繞壩滲漏等問題,本文僅就壩體裂縫問題進(jìn)行探討。

2 壩體裂縫問題分析

2.1 壩體裂縫發(fā)育特征

巴家嘴水庫(kù)大壩由于施工質(zhì)量等原因,導(dǎo)致壩體建成近40年來(lái)持續(xù)不均勻沉陷變形,壩體裂縫幾乎年年發(fā)生。至今有記錄的裂縫條數(shù)累計(jì)達(dá)294條,其中橫縫(與壩軸線垂直)231條,縱縫63條,發(fā)現(xiàn)的橫縫最長(zhǎng)的貫穿整個(gè)壩體,縱縫最長(zhǎng)>300 m,最深達(dá)13 m,最寬達(dá)120 mm。在接近壩基的壩體中也存在著暗縫,后期施工開挖中發(fā)現(xiàn)的暗縫寬度達(dá)300 mm[1]。

通過(guò)觀察和探坑量測(cè),壩體表面裂縫發(fā)展情況為:大壩于1960年2月截流后,壩體和水位上升很快,6月下旬發(fā)現(xiàn)第一條裂縫,至一期加高之前,初建壩體在上游坡兩岸均有裂縫產(chǎn)生,以右岸為甚,主要為橫縫,縱縫斷續(xù)分布在上游坡中部,其走向大致與水面線平行,向兩端漸高。

一期加高施工期間,又發(fā)現(xiàn)縱橫裂縫20多條。表面縫寬2～4 cm,深2～3 m,長(zhǎng)幾十米至205 m不等。橫縫一般位于新加壩體兩壩肩,大體平行岸坡,其中左壩肩一條開挖后探明起點(diǎn)位于高程1 072 m處(即新加壩體基礎(chǔ)處)。

一期加高竣工后至二期加高前(1967～1973年),裂縫數(shù)量為21條,平均3.5條/年,相比1960～1966年的9條/年,明顯減少。

二期加高開始至1980年,裂縫發(fā)展條數(shù)呈逐年增加趨勢(shì)。最嚴(yán)重的是1974年二期加高期間,曾產(chǎn)生“八大弧形裂縫”(見圖1),最大縫寬10～15 mm,深8～10 m,縱縫長(zhǎng) 300多米。

圖 1 巴家嘴大壩壩體八大弧形裂縫平面位置圖Fig.1 Position map of eight arc fracture

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,裂縫高發(fā)期為兩次壩體加高期和第一次壩體灌漿期。最嚴(yán)重的是二期加高期間,壩體表面的裂縫多數(shù)為兩壩肩的橫縫,約占總裂縫的78%,其余為縱縫。

通過(guò)對(duì)兩次灌漿成果和壩頂檢查井開挖揭露的情況分析,壩體內(nèi)部存在較多的裂縫,而且有些裂縫的寬度具有相當(dāng)?shù)囊?guī)模。從兩次灌漿的進(jìn)漿量來(lái)看,整個(gè)壩體具有較大的吃漿量,左壩肩的吃漿量最大,為505.2 L/m,占全壩段的 47.2%,其次為河床段,右壩肩最小為 294.6 L/m。同時(shí),壩體各個(gè)部位,均存在無(wú)壓進(jìn)漿情況,尤其是河床壩段,灌漿施工過(guò)程中有掉鉆現(xiàn)象,說(shuō)明壩體底部裂隙很大。壩下游檢查井開挖揭露情況也表明,沒有灌漿 (壩頂寬度以外)的部分,壩體內(nèi)部的裂縫亦十分發(fā)育。

2.2 壩體裂縫成因分析

產(chǎn)生裂縫的原因主要?dú)w納為以下幾個(gè)方面:

(1)初建壩體填筑質(zhì)量差,主要表現(xiàn)在:一是土層填筑過(guò)厚,干容重合格率低 (見表 1);設(shè)計(jì)要求每層為30 cm,為趕進(jìn)度,鋪土厚度曾達(dá) 50～60 cm,有凍土塊上壩,且碾壓不實(shí),層次分明,形成上硬下軟的不良結(jié)構(gòu),并含有未壓碎的土塊。土的干容重小的只有 1.35 g/cm3,合格率僅 64%。二是土料含水量不均勻,壩體施工時(shí),土料含水量設(shè)計(jì)為 15%～18%,由于噴水不均,造成表濕內(nèi)干,表層含水量 25%～28%,下部?jī)H為5.8%～8%,尤其是高程 1 070～1 085 m土體較為松軟。三是施工接縫多,錯(cuò)臺(tái)高,最高達(dá) 20 m,對(duì)于施工縫未認(rèn)真處理。由于初建壩體施工質(zhì)量差,使壩體產(chǎn)生不均勻沉陷變形,導(dǎo)致裂縫發(fā)生。

(2)基礎(chǔ)處理缺陷。河槽中局部有較多的泥炭土沒有清除,且未做任何處理,據(jù)觸探成果分析,河槽中的泥炭土,壓縮模量ES<4 MPa,屬工程性質(zhì)較差的高壓縮性土。左、右岸一級(jí)階地濕陷性亞沙土清除厚度僅 1 m,壩基下最厚達(dá) 12 m,試驗(yàn)資料顯示:河灘階地亞砂土具濕陷性,濕陷系數(shù)最大 0.018,屬于弱濕陷性黃土,蓄水后,由于濕陷變形大壩壩體很快產(chǎn)生了裂縫。右壩肩下濕陷性黃土不僅厚度大,而且濕陷系數(shù)最大達(dá) 0.07,屬?gòu)?qiáng)濕陷性黃土,亦未作處理,導(dǎo)致靠右壩肩壩體出現(xiàn)裂縫遠(yuǎn)多于其它部位。左壩肩局部存在倒坡,壩體填土不能壓實(shí)。隨著水庫(kù)蓄水壩體浸潤(rùn)線升高和壩體的增高,這些相對(duì)不良的松軟土層受地下水和壩體自重的影響,就會(huì)產(chǎn)生沉陷和壓縮變形,這是壩體產(chǎn)生橫縫的主要原因。

表 1 巴家嘴水庫(kù)壩體施工填筑質(zhì)量指標(biāo)Table 1 Quality indexes of construction filling

表 2 巴家嘴水庫(kù)筑壩土料物理力學(xué)性質(zhì)綜合表Table 2 Synthetic table of physical and mechanical properties of dam construction soil in Bajiazui Reservoir

(3)壩體土料本身具有濕陷性。位于右壩肩的土料場(chǎng)黃土在p=2 kg/cm2壓力下,古土壤層稍具濕陷性[2];在p=4 kg/cm2壓力下,古土壤層具濕陷性 (見表 2);壩基部位高程 1 111 m以上黃土有輕微濕陷。據(jù)試驗(yàn)資料:本區(qū)域的黃土原狀結(jié)構(gòu)雖經(jīng)破壞,并壓實(shí)到干容重達(dá) 1.65～1.70 g/cm3,尚具有一定的濕陷性。而該壩填土設(shè)計(jì)干容重只有 1.60 g/cm3,絕大部分壩體根本達(dá)不到該標(biāo)準(zhǔn),土料含水量嚴(yán)重偏低。在水庫(kù)運(yùn)用過(guò)程中,壩基、壩體濕陷難以避免。1980年當(dāng)壩體進(jìn)行灌漿加固處理時(shí),由于清水灌漿造孔,變形量明顯增大,就能很好地證明這一點(diǎn)。

另外水庫(kù)蓄水使壩體內(nèi)浸潤(rùn)線抬高,引起壩基壓縮沉降和濕陷性變形;壩前淤積的升高和壩體加高,使大壩承受偏荷載,引起壩體不均勻沉降。壩體灌漿,增加了壩體土料的含水量,引起壓縮沉降和濕陷變形等也是產(chǎn)生壩體裂縫的原因之一。

3 壩體裂縫處理情況與評(píng)價(jià)

由于裂縫的存在,對(duì)壩體的安全危害性很大,針對(duì)已發(fā)生的壩體裂縫,表層裂縫開展持續(xù)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、面積大,發(fā)現(xiàn)裂縫后即采用橫隔墻,挖溝回填黃土,并結(jié)合局部進(jìn)行淺層自流灌漿。壩體內(nèi)部裂縫,具有寬度大、分布廣的特點(diǎn),由于其存在范圍大,處理工作量大,因此,未對(duì)壩體進(jìn)行全面的灌漿處理,只在壩軸線處進(jìn)行了兩次壩體灌漿加固。漿液采用與壩體性質(zhì)相同的黃土制漿,摻0.5%～1%的水玻璃。從處理方法上看,灌漿處理是目前較為有效的方法之一。

考慮到汛期水庫(kù)高水位運(yùn)行時(shí)間較短,壩體形不成較高的浸潤(rùn)線,大壩沉降變形已基本趨于穩(wěn)定。如果大壩繼續(xù)維持低水位運(yùn)行,則今后壩體裂縫不會(huì)繼續(xù)大規(guī)模的發(fā)展。但當(dāng)水庫(kù)在設(shè)計(jì)水位下運(yùn)行時(shí),浸潤(rùn)線的抬高將使壩體上部的沉降量逐漸增大,黃土的濕陷不均勻變形又會(huì)產(chǎn)生新的裂縫,若浸潤(rùn)線高于橫向裂縫底部時(shí),就可能因集中滲流而產(chǎn)生沖刷破壞。

經(jīng)水利部南京大壩安全管理中心鑒定,該水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)不夠,大壩存在安全隱患,評(píng)定為三類壩,須盡快完成除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì),早日除險(xiǎn)。針對(duì)工程特點(diǎn)為滿足防洪保壩和供水的要求,經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),采取增加一條泄洪洞增泄、壩前防滲、壩體灌漿等除險(xiǎn)加固措施,目前該項(xiàng)工作已基本實(shí)施結(jié)束。

4 結(jié)論

巴家嘴水庫(kù)大壩由于施工質(zhì)量等原因,導(dǎo)致壩體建成近40年來(lái)持續(xù)不均勻沉陷變形,壩體裂縫幾乎年年發(fā)生。由于裂縫的存在,對(duì)壩體的安全危害性很大,經(jīng)評(píng)估鑒定,該工程為三類病險(xiǎn)危壩。大壩產(chǎn)生裂縫的原因主要有基礎(chǔ)部位不良的松軟土層未清凈;初建壩體鋪土分塊過(guò)多、過(guò)厚,填筑質(zhì)量差;壩體土料本身具有濕陷性,壩肩接頭削坡不夠等。對(duì)以往發(fā)生的裂縫,曾采用挖溝回填黃土、壩體灌漿加固處理等措施?，F(xiàn)狀條件下,大壩變形已基本趨于穩(wěn)定,如繼續(xù)維持低水位運(yùn)行,則壩體裂縫不會(huì)繼續(xù)大規(guī)模發(fā)展。但當(dāng)水庫(kù)在設(shè)計(jì)水位下運(yùn)行時(shí),浸潤(rùn)線的抬高將使壩體上部的沉降量逐漸增大,黃土的不均勻沉陷變形又會(huì)產(chǎn)生新的裂縫,若浸潤(rùn)線高于橫向裂縫底部時(shí),極有可能因集中滲流而產(chǎn)生沖刷破壞。因此,為滿足防洪保壩和供水的要求,進(jìn)行擴(kuò)容增泄、防滲灌漿等除險(xiǎn)加固工作是必要的,目前該項(xiàng)工作已基本實(shí)施結(jié)束。

[1] 趙洪嶺,等.甘肅省巴家嘴水庫(kù)除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)方案比選報(bào)告[R].鄭州:水利部黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2002.

[2] 應(yīng)敬浩,等.甘肅省巴家嘴水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].鄭州:水利部黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,2002.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Analysis on Deformation Cracks of Dam Body in Bajiazui Reservoir

YING Jinghao,ZHANG Shuguang,WANGDengke
(Yellow R iver Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan450003)

Bajiaju reservoir is a large scale(Ⅱ)hydro-junction project with comprehensive functions of flood control,water supply,irrigation and power generation.The dam,which is a loess homogeneous dam,was started construction in September,1958.Because of various reasons,the dam body continued differential settlement in nearly four decades after completion and cracks of the dam occurs a lmost every year.As the project quality,the result of evaluation and identification showed that it belongs to a third kind of ill and risky dam.Strengthening and el iminating dangers,such as reservoir expansion and discharge increasing,impervious groutingmust be carried out in order to satisfy the demand of the flood control and water supply.

dam;defor mation;crack

TV698.2+31

A

1671-1211(2010)05-0454-03

2010-07-01;改回日期:2010-08-06

應(yīng)敬浩(1966-),男,高級(jí)工程師,地質(zhì)工程專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察、巖土工程方向的研究。E-mail:yrccyjh@163.com