林州市弓上水庫右壩頭裂縫原因分析及處理方案

□周靜靜 □葉繼業(yè)（河南省豫北水利勘測設(shè)計院）

□黃 鋒（新鄉(xiāng)市水利勘測設(shè)計院）

1.水庫概況

弓上水庫位于河南省林州市西南25km，海河流域衛(wèi)河水系淇河北支淅河的上游，控制流域面積605km2，是一座以防洪、供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電的綜合利用中型水庫。水庫下游有合澗鎮(zhèn)、桂林鎮(zhèn)10余萬人，地理位置重要。

弓上水庫始建于1958年，1960年基本建成，運行期間分別于1961-1966年、1967-1972年、1997年-2001年進(jìn)行續(xù)建及應(yīng)急加固，達(dá)到現(xiàn)狀規(guī)模。弓上水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為100年一遇設(shè)計、1000年一遇校核。水庫主要由大壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞四部分組成。大壩為粘土心墻砂殼堆石壩，壩頂高程509.95m，與1000年一遇校核洪水位齊平，相應(yīng)庫容3191萬m3；100年一遇設(shè)計洪水位為506.39m，相應(yīng)庫容2637萬m3；溢洪道位于大壩右端，溢流堰頂高程498.0m，相應(yīng)庫容1600萬m3；死水位479.0m，相應(yīng)庫容38萬m3。

2.右壩頭與溢洪道的連接現(xiàn)狀

弓上水庫大壩壩體與溢洪道溢流堰連接采用側(cè)墻式連接。連接處溢洪道邊墻頂高程509.95m，其中高程505.80m以上為2000年應(yīng)急加固時加高部分，加高部分為直墻，高4.15m，寬僅為1.0m，粘土心墻與邊墻連接部位設(shè)混凝土刺墻，刺墻高約1.2 m，長約3.0m，厚 30cm；高程490.0～505.8m坡度為1:0.39，高程490.0以下坡度為1：0.23；上部直刺墻下方設(shè)一混凝土斜墻，與邊墻未連接，伸入心墻約4.0m，向下與原粘土心墻連接。

3.右壩頭裂縫基本情況

3.1 歷次處理情況

1964年發(fā)現(xiàn)弓上水庫右壩頭與邊墻結(jié)合面出現(xiàn)一道橫向裂縫。1988年對裂縫進(jìn)行灌漿處理，效果不好，裂縫依然存在。為查明裂縫特征及產(chǎn)生原因，1990年在壩頂距溢洪道邊墻2m處開挖探坑檢查，發(fā)現(xiàn)心墻最大縫寬3cm，垂直壩軸線向下逐漸變窄，探坑挖深2.5m，未挖到裂縫底部。根據(jù)裂縫情況，1999年采用充填灌漿處理，在樁號0+004～0+011之間，布3排孔，每排4孔，排距3m，孔距2m，孔深20m。裂縫處理以后，大壩加高2.65m，至現(xiàn)狀壩頂高程509.95m，壩軸線向下游偏移4 m，粘土心墻上部變?yōu)檎惩列毙膲Α?001年上半年完成壩頂工程，壩頂由原來泥結(jié)碎石路面變?yōu)榛炷谅访妗?/p>

3.2 裂縫現(xiàn)狀情況

2002年底壩頂原裂縫位置重新出現(xiàn)裂縫，根據(jù)2003-2007年裂縫觀測資料可以看出，裂縫寬度持續(xù)發(fā)展，2007年以來逐漸變緩。

右壩頭裂縫平行導(dǎo)水墻開裂，向上下游延伸，壩頂裂縫距導(dǎo)水墻外沿1.03～2.03m，最大裂縫寬度29mm。裂縫向上游延伸穿防浪墻發(fā)展為兩條，沿大壩鋼筋混凝土裹頭向下延伸至498 m平臺后尖滅，裂縫寬3～8mm；裂縫向下游平行導(dǎo)水墻延展，至493m平臺，裂縫處砌石塌陷，變形明顯。該裂縫上下游高度不一，從下游看，最大深度達(dá)25m。裂縫以位于右壩頭樁號0+001附近近似垂直壩軸線的裂縫為主裂縫，另一條斜向西至防浪墻樁號0+008附近為支裂縫。受溢洪道邊墻（導(dǎo)水墻）結(jié)構(gòu)形式及粘土心墻中刺墻的影響，主裂縫頂寬29mm，在壩頂處距離溢洪道邊墻70～80cm，向下方裂斷刺墻及邊墻戴帽加高部分，裂縫寬度為17～22mm，然后沿邊墻與壩體材料的接觸面向下延伸，裂縫深度至高程504.3m尖滅，504.0m以下未發(fā)現(xiàn)裂縫。支裂縫深度較淺，在防浪墻基座中裂縫寬度為1～3mm，至防浪墻以下粘土心墻中尖滅。

水庫高水位運行時右壩頭裂縫，容易擴(kuò)展、形成滲漏通道，淘蝕壩體內(nèi)粘土心墻，危及壩體安全。

圖1 壩頭裂縫及溢洪道邊墻現(xiàn)狀圖

4.裂縫產(chǎn)生原因分析

弓上水庫大壩壩體與溢洪道溢流堰連接采用側(cè)墻式連接。根據(jù)《碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）“土石壩壩體與混凝土壩連接為防止接觸面的集中滲流，因不均勻沉降而產(chǎn)生的裂縫，壩體與混凝土壩采用側(cè)墻式連接時，土質(zhì)防滲體與混凝土面結(jié)合的坡度不宜陡于1:0.25”。根據(jù)現(xiàn)狀壩體心墻與溢洪道邊墻接觸部位邊墻的結(jié)構(gòu)形式，大壩右壩頭連接處結(jié)合面漿砌石擋墻高程505.8m以下坡度基本滿足規(guī)范要求；高程505.8～509.95 m邊墻為直墻，邊度不符合規(guī)范要求。

根據(jù)裂縫產(chǎn)生過程及探坑檢查，結(jié)合幾次邊墻加高形式，分析認(rèn)為水庫建成不久，右壩頭出現(xiàn)的裂縫主要原因是填筑質(zhì)量差，而邊墻初建結(jié)構(gòu)是合理的。2000年大壩應(yīng)急加固后，壩頭裂縫產(chǎn)生的主要原因：①2000年對右壩頭進(jìn)行應(yīng)急加固處理，主要為保證泄流及保護(hù)壩坡考慮，原設(shè)計在溢洪道上游設(shè)導(dǎo)水墻，后來由于投資及施工難度問題改為混凝土裹頭方案。而現(xiàn)狀弓上水庫大壩是經(jīng)過幾次加高而成，大壩粘土心墻位于混凝土裹頭下部，心墻與裹頭結(jié)合面成了倒坡，邊墻結(jié)構(gòu)不合理。②在隨后大壩的幾次加高中，邊墻總高度增加3.05m，且高程505.8～509.95m邊墻為垂直戴帽加高，直墻段高達(dá)4.15m，墻寬1.0m，結(jié)構(gòu)不合理，與粘土心墻結(jié)合處邊墻坡度不符合規(guī)范要求，壩體填料必然與直墻脫離，導(dǎo)致原位置重新出現(xiàn)裂縫；同時邊墻未擴(kuò)寬加固，斷面單薄，對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核，斷面存在較大拉應(yīng)力，側(cè)墻容易產(chǎn)生偏離大壩的位移。③2000年大壩下游培厚及大壩加高后，壩頂荷載增加，沉降量增大，加上壩體填筑不均勻、質(zhì)量較差，發(fā)生差異性沉降，加劇了壩頂處裂縫的發(fā)展，從下游壩坡變形塌陷情況可以看出。右壩頭裂縫在壩面上向下延伸的深度較大，在粘土心墻中的深度稍淺，主要因為壩坡為剛性結(jié)構(gòu)，適應(yīng)變形能力低，粘土心墻為塑性結(jié)構(gòu)，適應(yīng)變形能力較強(qiáng)。

5.裂縫部位處理方案

以改善大壩右壩頭與溢洪道的連接形式，保證溢洪道邊墻穩(wěn)定，避免大壩出現(xiàn)裂縫致，防止粘土心墻在高水位情況下發(fā)生滲漏破壞為原則，對右壩頭裂縫部位進(jìn)行處理。根據(jù)右壩頭與溢洪道邊墻之間裂縫產(chǎn)生原因及《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》要求，參照國內(nèi)類似工程實例，考慮施工難易程度，采取以下措施進(jìn)行處理：培厚溢洪道邊墻，增加剛度；改善邊墻結(jié)構(gòu)形式，以滿足連接處邊坡要求；同時挖除已破壞土體，重新回填。

設(shè)計對裂縫進(jìn)行開挖回填處理，粘土心墻部位開挖底高程497.0m。心墻端部現(xiàn)狀邊墻拆除至高程497.5m，重新澆筑混凝土擋墻，向上游逐漸降低，與壩面平順連接；擋墻頂高程509.95 m，頂寬2.0m，坡度同下部擋墻為1:0.39；在心墻與混凝土邊墻結(jié)合面一定范圍內(nèi)擴(kuò)大粘土心墻斷面。同時，將心墻下游溢洪道邊墻加高部分拆除，按現(xiàn)狀坡度1:0.39向上加高，墻頂寬2.0m，以改善邊墻的穩(wěn)定性。

6.效益

通過對右壩頭裂縫部位進(jìn)行開挖回填，加大連接段的粘土心墻斷面，并對溢洪道邊墻進(jìn)行加固處理后，改善了溢洪道同堆石壩壩體的連接形式，防止了接觸部位在高水位工況下的集中滲流，保證了大壩的安全運行，提高了水庫樞紐的安全性，保障了水庫下游工程設(shè)施、耕地及人民群眾的生命安全；同時，避免了水庫低水位運行，提高了城鎮(zhèn)供水和農(nóng)業(yè)灌溉的保證率。