陡河水庫土壩震后裂縫檢查與分析

劉春秀

（唐山市陡河水庫管理處，河北 唐山 063000）

1 基本情況

陡河水庫位于河北省唐山市市區(qū)東北15 km處，建成于1956年，壩體為均質(zhì)土壩，以干砌石護坡，下鋪墊層碎石和砂。1971年，水庫進行續(xù)建，大壩加高2 m，續(xù)建后土壩全長6 115 m，壩頂高程41.0 m，最大壩高22.0 m。壩址位于鳳山西坡、有活動斷裂的陡河階梯上，包括河床段、一級臺地和二級臺地，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。在壩頭與鳳山交界處為泥質(zhì)灰?guī)r，巖層傾向下游，傾角為20～30°。山坡坡腳為砂壤土夾有石塊，厚約14 m，大壩壩基表層為厚約7～10 m 黏性土層，下為厚約20 m 的中、細砂層。河床段中、細砂層為承壓含水層，與左岸巖石區(qū)及右岸一級臺地地下水相通，在地下水位以下多呈飽和狀態(tài)。壩基表層斷續(xù)存在含有機質(zhì)較高的土層，共有5段，其中以河床附近及接近二級臺地部分較軟，建壩時對接近二級臺地段軟土采取了預(yù)壓措施。1976年7月28日，唐山地區(qū)發(fā)生9 度以上的強烈地震，壩體損毀嚴重，壩面裂縫縱橫。為了弄清處于強震區(qū)的陡河土壩震害情況，主震過后，立即開展了土壩裂縫的調(diào)查工作。

2 檢查方法

為了查明裂縫情況，對土壩裂縫先后進行了3次測量：第1 次，在上游有塊石護坡、下游有碎石護坡情況下，測繪了1/500裂縫平面圖及若干橫斷面；第2次，拆除護坡露出壩體土層后，每隔50 m測繪了土壩的橫斷面；第3次，在上游坡每隔50 m挖了1個探槽，測繪了探槽內(nèi)的裂縫情況。為了進一步查明縫的深度，在探槽底部如果仍有裂縫，打土鉆孔以便檢查。對暗縫位置，采用電測法進行測量。

3 裂縫分布與產(chǎn)狀

3.1 橫縫

垂直壩軸線的橫縫有100 余條，其中95 條分布在主河槽及一級臺地壩段，橫縫分布密度統(tǒng)計見表1?？p寬一般為0.1～1.0 cm，少數(shù)達1～3 cm，個別甚至大于3 cm。橫縫長度貫穿整個壩頂，除3、84、85、87 號4 條橫縫延伸到上游壩坡外，一般在壩坡上不見裂縫痕跡。橫縫的深度，根據(jù)開挖的3 個平行于壩軸線的探槽觀察，除3 號縫延伸至32.0 m 高程仍有裂縫外，其他橫縫一般延伸不深。

表1 橫縫分布密度統(tǒng)計

陡河水庫土壩震后橫縫產(chǎn)狀有兩種，分別呈現(xiàn)如下特征：第一種是張拉縫，由于地震力的作用，縫向兩側(cè)拉開，無明顯的錯動跡象，如位于大壩最大沉陷點的3、14號縫。第二種是剪切縫，縫的兩側(cè)土體有上下錯動跡象，錯距0.5～1 cm，如位于一、二級臺地過渡段的84、85、86、87號縫。

3.2 縱縫

平行壩軸線的縱縫是土壩主要震害之一。主壩縱縫出現(xiàn)在壩坡上，從樁號0+100 開始一直延伸到1+700，河床段0+130—0+210縱縫密集，其中0+193斷面上游坡大小縱縫多達30條。主壩有2個主縱縫帶，上游坡在高程32～35 m 范圍內(nèi)，下游坡在高程32.5～35 m 范圍內(nèi)，近似對稱分布于壩軸線的兩側(cè)上下游馬道以上（上游因水庫蓄水，馬道以下的裂縫無法查清）。副壩下游縱縫位置較高，高程在39～40 m，到2+000斷面逐漸由壩坡上升到壩肩，2+000—4+500壩段主要分布在壩頂上。

縱縫一般上寬下窄，其中有18條縱縫（占44%）在探槽底部尖滅成為鬃縫，另有5 條（占12%）上窄下寬。有的縱縫靠壩肩部分裂縫往壩軸方向傾斜或坍塌，縫靠壩軸線一側(cè)的土層均比靠壩腳一側(cè)的土層為低。從探槽觀測，最大縫寬達60 cm，有的2 個裂縫之間的土體整體向下塌陷，如果看作1 個裂縫則最大寬度可達80 cm，較寬的縱縫內(nèi)一般均有細砂、松土和碎石充填，縫的兩壁一般粗糙。由于水庫水位的影響，探槽僅挖到31 m 高程，近半數(shù)裂縫在31 m高程內(nèi)繼續(xù)向下延伸。其中，0+167段通過鉆孔取樣，發(fā)現(xiàn)至壩基砂層仍有碎石、石塊充填，說明此段縱縫已深達壩基。

3.3 弧形縫

弧形縫是一種滑坡裂縫。0+120—0+200 的河床段，下游壩坡共有3 條大的弧形裂縫。副壩1+960—1+990、2+120—2+150段的下游坡，2+400—2+600段的上游坡都出現(xiàn)這類弧形縫，有滑坡的跡象。

主壩0+167段附近，由于弧形縫的產(chǎn)生，河床段下游壩腳排水溝底較震前抬高1.5 m，溝身向兩側(cè)被擠窄，河床排水堆石體表面堆砌的塊石被擠隆起。壩頂向下游位移彎曲，有明顯的滑坡跡象。從鉆孔資料分析，裂縫土層向兩側(cè)張開，寬約10 cm，沒有上下錯動跡象，兩側(cè)土層被拉碎，破碎帶寬80 cm，壩基高程23.0～25.0 m 是一滑動面。地質(zhì)資料顯示，該高程處為輕粉質(zhì)壤土，厚2～3 m，其下為軟土層，含水量大，抗剪強度低。

3.4 斜縫及暗縫

0+450斷面上游坡距壩軸線17.3 m處探槽內(nèi)發(fā)現(xiàn)1 條暗縫。0+750 斷面附近拆除護坡后發(fā)現(xiàn)在上下游壩坡上各有1 條斜縫，2 條斜縫近乎平行，由壩坡升向壩頂。0+919斷面壩頂有1條暗縫，經(jīng)探槽檢查，發(fā)現(xiàn)暗縫內(nèi)絕大部分為壩身土所充填，局部填充淺黃色細砂，這種細砂和上游護坡防凍層細砂相似?？p內(nèi)土質(zhì)較松軟，松軟帶周界不十分清晰，最大寬度12 cm，高程31.7 m 處縫寬2 cm，高程31.4 m 處縫寬1 cm。

4 裂縫原因分析

4.1 地質(zhì)、地形差異

從橫縫分布數(shù)量看，在大壩與左岸山坡相接段、一級階地與河床相接段、一二級臺地過渡地段裂縫最為密集。在沉陷最小的部位橫縫略少一些，在沉陷最大的部位則基本未見橫縫。由此可見，產(chǎn)生橫縫的主要原因是相鄰壩段基礎(chǔ)地質(zhì)和地形相差較大，在縱向產(chǎn)生不均勻沉陷，導(dǎo)致張拉縫的產(chǎn)生。河床段壩基采用截水槽進行防滲處理，截水槽的壓縮性小于兩側(cè)自然土層，這也是土壩橫縫產(chǎn)生的原因之一。如，左壩頭0+000處壩頂基本未下沉，而與其相近的0+167 處下沉達1.64 m，此段不均勻沉陷量最大，故橫縫也最多。

4.2 設(shè)計原因

不同壩段土壩高度不同受到的地震加速度也不同，由于壩坡較陡，壩頂比壩底高度大若干倍，在不同地震慣性力的反復(fù)作用下，壩體受到了拉應(yīng)力。根據(jù)有限單元法對壩體應(yīng)力分析，地震慣性力的方向與壩體內(nèi)拉應(yīng)力方向相反，在靠近壩坡上部拉應(yīng)力最大，達1.5 kgf/cm2。陡河水庫大壩抗震設(shè)計地震烈度8度，壩體填料的抗拉強度通過28個試樣的試驗平均為0.14 kgf/cm2、最小為0.07 kgf/cm2，遠小于地震所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此發(fā)生縱向裂縫。壩體受拉開裂后，壩基又產(chǎn)生不均勻沉陷，造成裂縫的偏斜和土層的傾斜。

土壩是大型建筑物，壩底寬度大于地震波的半波長，地震時壩體各部分受地震力的大小及方向極不均勻。在橫波的作用下，兩塊相鄰的壩體可能受到方向相反的地震力，因而在壩體斷面剪應(yīng)力設(shè)計較薄弱的部位產(chǎn)生剪切破壞，造成平行壩軸線的縱向裂縫。

4.3 施工原因

二級臺地副壩段縱縫大部分發(fā)生在壩坡的上部，多數(shù)與滑坡同時產(chǎn)生。該處壩坡較陡，壩身較低（一般小于8 m），地下水位較深，壩頂沉陷量很小，不容易產(chǎn)生縱向裂縫。二級臺地副壩產(chǎn)生縱縫的主要原因為1971年水庫擴建時副壩段采用貼坡加寬加高的辦法，施工質(zhì)量低，土料干容重小于1.7 t/m3，新舊壩體結(jié)合得不好。在該次震害處理過程中，曾發(fā)現(xiàn)多處舊壩坡上的護坡尚未拆除干凈。

4.4 壩基液化

大壩基礎(chǔ)砂層屬于易液化土壤，埋藏位置較淺，在9度地震作用下，地基砂層加載具有突然性，很容易產(chǎn)生液化失穩(wěn)現(xiàn)象，使基礎(chǔ)發(fā)生滑動和變形，這些裂縫可能是剪切破壞產(chǎn)生的，也可能是張拉破壞產(chǎn)生的。如，0+167 段的滑坡裂縫就是由于這種原因產(chǎn)生的，加上該段埋藏有軟弱土層，容易產(chǎn)生塑流，因而造成排水溝被擠壓。而靠近二級臺地的軟土段，施工前經(jīng)過預(yù)壓，則沒有產(chǎn)生滑坡跡象。這說明預(yù)壓施工方法對提高壩基承載力起到一定的作用。

副壩壩基沒有產(chǎn)生液化現(xiàn)象，缺少對上部壩體的隔震作用，是副壩段滑坡較多的另一個原因。

5 結(jié)語

通過對陡河水庫土壩震后裂縫檢查與分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）基礎(chǔ)和壩體在縱向產(chǎn)生不均勻沉陷，是震后土壩橫縫產(chǎn)生的主要原因。因此，施工時對地形變化較大、物理力學性質(zhì)相差較大的壩段，注意做好結(jié)合部位的處理。

（2）砂層在地震時產(chǎn)生液化現(xiàn)象，如果埋藏較淺則容易造成壩坡失穩(wěn)，埋藏較深則會起到隔震作用。

（3）通過壩體縱縫原因分析，暴露出陡河水庫主壩斷面在正常水位和9度地震條件下壩體內(nèi)部應(yīng)力是不安全的。

（4）副壩段坡度過陡，加高時未做好與舊壩坡結(jié)合部位的處理，是副壩段產(chǎn)生裂縫的主要原因。