汾河水庫壩頂裂縫成因初步分析及處理建議

梁艷芳

（山西省汾河水庫管理局）

1 汾河水庫及大壩概況

汾河水庫是我省最大的水庫，也是目前世界上最高的人工水中填土（黃土）均質(zhì)壩，位于汾河上游的婁煩縣境內(nèi)，距汾河源頭122km，距省城太原83km。1958年7月動工興建，1961年6月投入運行。樞紐工程由大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、輸水洞、引黃供水洞和水電站六部分組成。壩高61.4 m（大沽高程系：壩頂高程1 131.40 m），壩頂寬6 m，壩長1 002 m。壩基設(shè)有黏土截水槽防滲，下游壩腳設(shè)有貼坡反濾。

水庫防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，2 000年一遇洪水校核。設(shè)計洪水位1128.95 m，相應庫容3.17億m3，最大下泄流量1 665 m3/s；校核洪水位1 131.36 m，相應庫容3.93億m3，最大下泄流量2 254 m3/s。歷史最高蓄水位1 127.78 m，一般蓄水位1 125 m左右。

1978年對樞紐工程進行了加固維修改造，大壩加高1.4 m，使壩高成為目前的61.4 m；在緊靠原防浪墻的下游側(cè)，增建鋼筋混凝土防浪墻及支墩式漿砌石梯形墻，墻下底寬2.22 m；壩頂鋪設(shè)預制混凝土六棱塊，下游設(shè)30 cm高緣墻，緣墻每隔5 m留有1 m寬的排水口，緣墻外建有縱向?qū)?0 cm、深30 cm的輕型漿砌石排水溝。

2005年，為了發(fā)展水庫的旅游經(jīng)濟，增加大壩的觀賞性，將壩頂面層改造為現(xiàn)澆20 cm厚混凝土板，路面橫向每6 m設(shè)溫度變形縫。同時，將壩頂縱向排水渠擴改為花池，低于壩頂路面7 cm，覆土后種植草坪，并布設(shè)澆水管網(wǎng)。花池為漿砌石矩形斷面，池寬1.65 m，底部為12 cm厚混凝土板，下游沿墻寬0.3 m、深0.65 m，上游沿墻寬0.3 m、深1.05 m，其頂部安裝有護欄和路燈。

2 壩頂裂縫發(fā)展情況

2005年壩頂改造以后，壩頂下游處種植了草坪及景觀樹，在春夏季節(jié)經(jīng)常進行澆灌。2008年，發(fā)現(xiàn)大壩壩頂出現(xiàn)細小的縱向裂縫，裂縫基本處在距防浪墻1.45-4.5 m的范圍內(nèi)。為了安全起見，當時用瀝青進行了灌縫防滲，并加強了觀測。但據(jù)觀測發(fā)現(xiàn)，壩頂裂縫每年都有增大趨勢，特別是左副壩樁號0+47 m至0+104 m部位，開裂較為嚴重，路面裂縫最寬處達13.96 cm，且裂縫兩邊錯位高度達12.08 cm。

從該部位附近的60-0位移標點資料也可證實：自1963年開始觀測至2014年6月，累計水平位移量為15.59 mm，沉降量為53.83 mm。從2008年至2014年6月，水平位移量為10.80 mm，沉降量為31.42 mm，水平位移觀測歷時占其總歷時19.12%，水平位移量卻占69.28%；沉降觀測歷時占其總歷時13.20%，沉降量卻占58.37%。

3 探坑勘察情況

2014年6月16-17日，在壩頂路面開裂處開挖了9個探坑，其中左副壩段6個，主壩段3個，從左副壩沿主壩方向依次編號為0、01、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、VII號，樁號分別為 0+47 m、0+56 m、0+73 m、0+104m、0+135m、0+154m、0+292m、0+538m、0+545m。

左副壩6個探坑的編號為0、01、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號，樁號為0+47 m至0+154 m范圍，除Ⅰ號探坑內(nèi)有4條縱向裂縫外，其他探坑內(nèi)都是2條縱向裂縫。在開挖深度1.6-2.05 m內(nèi)，裂縫寬度一般為4.0-25.0 mm。最深的Ⅱ號探坑，長1.6 m，寬1.5 m，深3.5 m，裂縫深3.45 m；裂縫上部2.5 m基本垂直，2.5 m以下略向下彎曲；裂縫在頂部為分散狀，距頂1.9 m處匯合，最大寬度達30 mm，后又逐漸變窄，至3.45 m處尖滅。

在主壩段的中間和末端處共開挖3個探坑，中間段探坑編號為Ⅴ號，樁號為0+292 m，探坑長2.35 m，寬1.15 m，深0.8 m，在開挖深度內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。末端處探坑編號為Ⅵ號和VII號，樁號為0+538 m和0+545 m，所挖探坑深度內(nèi)都有縱向裂縫，裂縫寬度為3-5 mm。Ⅵ探坑長2.6 m，寬1.1 m，深1.6 m，在開挖深度內(nèi)有2條裂縫，上部縫在0.9 m深處縫寬4 mm，下部縫在1.34 m深處縫寬5 mm；VII號探坑長2.3 m，寬1.0 m，深0.95 m，在開挖深度內(nèi)只有1條裂縫，在0.9 m深處縫寬3 mm。

據(jù)對探坑的土壤水分觀測，含水率均比較高：左副壩段土壤含水率一般多在19%-21%，最低15.26%，最高可達26.77%；主壩段土壤含水率一般為16%-19%，最低15.88%，最高可達20.39%。

4 裂縫原因初步分析

4.1 加壩工程影響

壩頂縱向裂縫距防浪墻基本在1.45-4.50 m范圍內(nèi)。初步判斷與1978年加壩時在原壩頂砌筑的漿砌石支墩墻有直接關(guān)系：一是由于施工技術(shù)有限，造成壩體局部不密實，導致產(chǎn)生裂縫；二是大壩右側(cè)與巖體接觸處邊坡較陡，在接坡處易產(chǎn)生沉降差，導致產(chǎn)生裂縫；三是加壩土壤因質(zhì)地原因，可能具有濕陷性，在庫水浸潤下造成沉降，導致產(chǎn)生裂縫。支墩墻寬2.22 m，高1-2 m，厚重的防浪墻壓在壩頂土體上，使得壩頂上部填土基礎(chǔ)承受的應力增大，導致壩頂產(chǎn)生不均勻沉降，這可能是產(chǎn)生裂縫的主要原因。

4.2 綠化帶澆灌與花池負重影響

2005年壩頂下游沿壩長改造為花池綠化帶，經(jīng)常澆水灌溉。首先，澆灌水外溢流出和水管局部漏水，使得壩頂下游部位土質(zhì)的含水量增大，導致土體變軟；其次，下游側(cè)的排水溝花池（寬1.95 m，高1.05 m），也加重了壩頂配重。這兩方面因素的綜合作用，是造成壩頂裂縫產(chǎn)生的次要因素。據(jù)觀察，嚴重部位或有滑坡趨勢，如左副壩60-0觀測標點附近壩頂?shù)耐馏w有錯動現(xiàn)象。

4.3 壩頂路面排水不暢與凍融影響

2005年在壩頂改造時，壩頂路面排水坡度較緩且排水口設(shè)置較少，致使壩頂排水不太通暢。自從壩頂路面開始出現(xiàn)裂紋和裂縫起時，便有部分雨水和融雪水經(jīng)常滲入，從而引起壩頂土體含水量升高。壩頂面層改造為現(xiàn)澆20 cm厚混凝土板后，水分不易蒸散，經(jīng)凍脹消融作用又加劇了壩頂路面開裂，縫隙難于自行愈合，時間一長，導致裂縫越來越寬，這也是造成壩頂土體產(chǎn)生裂縫的重要因素。

4.4 壩頂路面車輛載重影響

壩頂未設(shè)公路以前，基本上是內(nèi)部管理檢修車輛通行，車輛少且載重輕。壩頂設(shè)為公路以后，外部車輛經(jīng)常進入。據(jù)觀察，近幾年來壩頂通行的車輛每年及每天均在逐漸增加。外部車輛特別是載重車輛通行，使得壩頂土體經(jīng)常承受較大的運動荷載，加之行使車輛振動，容易加劇土體沉陷，也可能是造成壩頂產(chǎn)生裂縫的因素之一。

5 初步處理方法與效果

通過探坑察看，初步判斷裂縫深度在5 m以內(nèi)，可以采用開挖回填法進行處理。沿裂縫方向開挖梯形槽，深度超過裂縫50 cm，底寬1 m，邊坡1∶0.5。用與原壩體質(zhì)地相同的土料分層回填壓實，每層土料壓實厚度不得超過20 cm，壓實機械采用蛙式打夯機，窄小部位用小型電夯，最優(yōu)含水量和夯擊遍數(shù)通過試驗確定。壓實控制標準，干容重不低于1.6 t/m3。

為了消除大壩縱向裂縫隱患，汾河水庫管理局已對裂縫處壩體采用人工開挖回填法進行了處理。具體施工時，將厚1.5 m、寬1 m的碎石沙帶埋入壩內(nèi)，并用低液限黏土進行回填夯實，回填低液限黏土1 700 m3，經(jīng)檢測平均干密度達1.65 t/m3。施工處理后，沒有發(fā)現(xiàn)大壩有新的裂縫出現(xiàn)。

6 對今后管理工作的建議

為了預防壩頂不再出現(xiàn)裂縫安全隱患，特對以后的管理工作提出幾點建議：一是拆除壩頂花池，恢復成輕型縱向排水渠；二是將壩頂路面改造成柔性的瀝青混凝土防水面層，并增大路面的坡度，以便排除雨水；三是加強監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報，迅速處理；四是壩頂禁止大型載重車輛通過，限制性地放行少數(shù)小型車輛。