農(nóng)安縣兩家子水庫壩體裂縫成因分析與處理措施

【摘要】2013年，發(fā)現(xiàn)兩家子水庫大壩壩頂瀝青混凝土路面出現(xiàn)縱向裂縫。隨后，組織挖探坑進行地質(zhì)勘察，發(fā)現(xiàn)土體含水量較高。據(jù)分析，裂縫產(chǎn)生的主要原因為：外部誘因?qū)е聣误w排水不暢，集水滲入壩體，土體含水量增加，抗剪強度降低，導致壩體局部滑動形成了壩頂縱向裂縫。為了消除安全隱患，減少雨水滲入壩體，針對裂縫產(chǎn)生的原因，提出了處理措施并進行了相應處理，工程順利通過驗收，至今效果良好。

【關(guān)鍵詞】壩頂 ；瀝青混凝土路面；裂縫成因；處理措施

1、工程概況

兩家子水庫位于農(nóng)安鎮(zhèn)北東6公里，伊通河支流兩家子溝下游，是以城市供水為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)魚等綜合利用的中型水庫。

水庫主要建筑物由土壩、泄洪洞等組成，工程等別為III等工程，主要水工建筑物為3級，正常運用洪水為50年一遇，非常運用洪水為300年一遇，總庫容為1062×104m3。

大壩為壤土均質(zhì)土壩，壩長1450m，最大壩高12m。設計壩頂高程175.20m，壩頂寬8m，上游壩坡1：3.0，為干砌石護坡；下游壩坡為1：2，混凝土塊護坡。

該水庫于1973年動工興建，1974年10月基本完成土壩工程、泄洪洞主體工程，1975年續(xù)建土壩上游護坡等工程。2002年曾對水庫進行除險加固，并于2003年完成。2011年對兩家子水庫進行補充除險加固工程建設，該項工作于2013年8月完成全部施工。

2013年7月5日，水庫管理人員發(fā)現(xiàn)壩頂在樁號1+080（0+082.4）m、距下游壩肩2m左右出現(xiàn)縱向裂縫，長約74m，平均寬度1cm，至7月22日裂縫延長至79m，寬度基本穩(wěn)定在2cm；7月15日發(fā)現(xiàn)在樁號1+003（0+009）m靠近防浪墻側(cè)出現(xiàn)新的縱向裂縫，長約32m，平均寬度1cm；7月31日在樁號0+967（0+054.7）m防浪墻與路面接觸處發(fā)現(xiàn)縱向裂縫，寬度1-2cm，長約50m。

2、工程地質(zhì)條件

工作區(qū)為第四系覆蓋，未見有斷裂構(gòu)造形跡。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（2001年），本區(qū)地震峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為Ⅵ度區(qū)。

據(jù)《中國季節(jié)性凍土標準凍深線圖》，區(qū)內(nèi)標準凍土深度為1.70m。

第四系全新統(tǒng)人工堆積（Q4S）：

壩體壤土（1-1）：黃褐色，稍濕～濕，可塑～硬塑，砂粒占22.1%，粉粒占50.1%，粘粒占27.8%。最大厚度7.2m，組成壩體。ρd=1.52g/cm3，e=0.759，Ip=11.4%， a1-2=0.43MPa-1，φ=130 ， C=20.7KPa， k=6.4×10-6cm/s。

第四系全新統(tǒng)沖積堆積（Q4al）：

壩基粘土（2-1）：黑褐色，濕，可塑，見未腐爛植物根系。砂粒占24.6%，粉粒占41.7%，粘粒占33.7%。揭露厚度為0.5～1.4m，分布于壩基表層。ρd=1.48g/cm3，e=0.0.795，Ip=12.1%， a1-2=0.51MPa-1，φ=150 ， C=16.9KPa， k=1.61×10-5cm/s。

壩基淤泥質(zhì)粘土（2-2）：灰褐色，濕～飽和，可塑，具有腥臭味，砂礫占26.3%，粉粒占39.2%，粘粒占34.5%。揭露厚度為1.0～2.3m，分布于粘土（2-1）層下。ρd=1.45g/cm3，e=0.830，Ip=12.5%， a1-2=0.56MPa-1，φ=110 ， C=20.3KPa， k=1.41×10-5cm/s。

第四系中更新統(tǒng)沖洪積堆積（Q2apl）：

黃土狀壤土（3-1）：黃褐色，濕，可塑。砂粒占37.7%，粉粒占35.9%，粘粒占26.4%。揭露厚度為2.1～4.1m，分布于淤泥質(zhì)粘土（2-2）層下。

淤泥質(zhì)壤土（3-2）：灰綠色，濕，可塑。砂粒占44.0%，粉粒占27.2%，粘粒占28.8%。具有腥臭味，見有鐵銹污染。揭露厚度為1.1～3.3m，分布于黃土狀壤土（3-1）層下。

白堊系嫩江組（K1n）：

泥巖（4）：灰綠色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，夾有粗砂顆粒，狀態(tài)干硬，鉆進困難。揭露厚度為0.9～1.2m。

3、裂縫測試分析

3.1 現(xiàn)場勘查

3.1.1 裂縫描述

裂縫1走向基本平行大壩軸線，偏向上游側(cè)，長度30.8m，首段不連續(xù)，間隔60cm，寬度1-10mm，裂縫兩側(cè)壩頂路面相對高差在5mm左右，上游側(cè)路面稍低，裂縫傾向上游，1號探坑顯示混凝土路基層呈鋸齒狀開裂，縫寬在10mm左右。

裂縫2為相對發(fā)育裂縫，走向基本平行大壩軸線偏向下游側(cè)，末端呈弧形彎向壩肩，長度76m，中間不連續(xù)，錯距30mm，寬度1-30mm，用鐵絲可插入深度1.0m，沿裂縫兩側(cè)尤其中部見明顯高差。2號探坑揭示壩體填土開裂明顯，裂縫兩側(cè)壩頂路面相對高差25-30mm，下游側(cè)低，寬度30mm左右。裂縫下游側(cè)壩坡上的電線桿與護坡棱體砼塊發(fā)生相對位移，致使電線桿與護坡塊體接觸處上游出現(xiàn)2cm左右縫隙，下游側(cè)護坡塊體有隆起。

裂縫3沿防浪墻與瀝青路面接觸部位發(fā)育，長度42.9m，縫寬15-30mm。防浪墻略向上游傾斜。用鐵絲可插入深度0.5m。

3.1.2 壩體指標

壩體21組原狀樣試驗干密度范圍值為ρd=1.43～1.59g/cm3，平均值為ρd=1.52g/cm3，小于設計控制干密度ρd=1.59g/cm3；含水量范圍值為ω=20.7～28.5%，平均值為ω=25.1%，大于設計控制含水量ω=24.0%，填筑指標不滿足設計要求。

從深度范圍看，壩體2m以內(nèi)（原壩頂為公路經(jīng)常有車碾壓）干密度值較大，填土比較密實，往下則干密度相對低。從含水量來看，含水量在壩頂2m以內(nèi)范圍較低，隨深度含水量逐漸變大，壩坡表部含水量大，這與剖面處揭開護坡觀察到的壩體情況一致，碎石墊層明顯潮濕。

壩體裂縫形成后，雨水將沿張開的縫隙直接滲入壩體，水份被壩體填筑的壤土吸收后，將導致裂縫下側(cè)壩體含水量相對上側(cè)壩體有一定程度增高，故可根據(jù)含水量變化來判斷壩體裂縫大致位置。結(jié)合壩頂路面裂縫位置及傾向，裂縫2還可結(jié)合壩后坡觀察到的護坡砼板塊輕微隆起變形，共同確定裂縫在壩體內(nèi)的形狀以及大致分布情況。典型分析剖面見圖3.1。

圖3.1 壩體0+111.72

對于裂縫沿壩軸線延伸范圍，沿裂縫兩端分別進行追蹤取樣試驗，試驗指標基本正常，推測現(xiàn)壩體內(nèi)裂縫基本與壩頂觀測到延伸長度一致，往兩側(cè)沒有進一步發(fā)展。

3.2 裂縫檢測結(jié)果

通過綜合測試手段，初步查明裂縫分布狀況，并推測裂縫發(fā)育深度，壩體主要裂縫共有3處，其中裂縫3的情況與壩頂植樹池上游路緣石與壩頂路面接觸處裂縫類似。

由于壩體結(jié)構(gòu)比較復雜，且各種方法對各項物性參數(shù)的反應不同，所以對裂縫的解釋深度不同，本次針對各種方法選取最大解釋深度作為某點裂縫發(fā)育深度；各方法對裂縫發(fā)育方向的反應比較一致，裂縫方向的判斷是可信的。

由于壩體內(nèi)裂縫為塑性體裂縫，壩體深部裂縫基本為閉合狀態(tài)，在W1、I3、W3、I2、W5剖面壩前、后坡所測面波及地震映像的數(shù)據(jù)資料，對裂縫的反應不明顯或無反應，方法適用性相對較差；而地質(zhì)雷達對裂縫較為敏感，雷達測試反應較好；裂縫平測法在壩體垂直裂縫深度的探測中效果好。

各裂縫具體檢測結(jié)果如下：

裂縫1：大致平行壩軸線偏向上游側(cè)發(fā)育，裂縫形態(tài)呈波浪線狀起伏，距離防浪墻1.45～2.05m。裂縫分布樁號0+007.4～0+038.1m（直線樁號，下同），延伸長度30.8m （其中樁號0+023.6～0+024.2m裂縫不連續(xù)） ，裂縫寬度1～10mm，裂縫發(fā)育深度0.6～2.2m，發(fā)育最大深度在樁號0+025.3m，深度為2.2m。裂縫兩側(cè)路面略有高差，上游側(cè)略低，裂縫總體傾向上游。裂縫在壩體內(nèi)延伸長度與路面基本一致。

裂縫2：為相對發(fā)育裂縫，規(guī)模最大。走向基本平行大壩軸線偏向下游側(cè)，裂縫形態(tài)總體彎向下游側(cè)，末端（大樁號側(cè)）呈弧形彎向壩肩，距離路緣石0.3～2.5m。裂縫分布樁號0+082.4～0+157.8m（其中樁號0+106.6～0+106.9m裂縫不連續(xù)，錯距及重疊距離為0.3m），延伸長度76m，裂縫寬度1-30mm，裂縫發(fā)育深度0.6～3.3m，發(fā)育最大深度在樁號0+109.24m，深度為3.3m。裂縫兩側(cè)路面明顯見有高差，下游側(cè)低，裂縫總體傾向下游。裂縫在壩體內(nèi)延伸長度與路面基本一致。

裂縫3：為相對不發(fā)育裂縫，規(guī)模小。沿防浪墻與瀝青路面接觸部位發(fā)育，裂縫比較平直，裂縫分布樁號0+054.7～0+097.6m，長度42.9m，縫寬15-30mm，裂縫發(fā)育深度與防浪墻施工時回填土深度大致一致，深度推測為1.0m左右。

4、土壩裂縫處理

4.1 裂縫產(chǎn)生原因分析

結(jié)合對兩家子水庫壩頂?shù)目辈鞕z測結(jié)論，判斷水庫大壩的壩頂裂縫成因是外部誘因?qū)е聣误w排水不暢，集水滲入壩體，土體含水量增加，抗剪強度降低，導致壩體局部滑動形成了壩頂縱向裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場實測資料，壩頂裂縫區(qū)路面高程略低，降雨易在此處集水，雨水沿上游防浪墻根部和下游壩肩綠化帶滲入壩體。

4.2 壩體抗滑穩(wěn)定驗算

壩體產(chǎn)生的裂縫均發(fā)生在淺層，按照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定，針對地質(zhì)勘察推測的滑裂面進行抗滑穩(wěn)定計算。計算方法采用瑞典圓弧法，壩體的物理力學指標按表2.1分別選取標準值和最小值計算。

穩(wěn)定分析中核算如下兩種工況：

Ⅰ、正常高水位的滲流穩(wěn)定期，計算下游壩坡推測滑裂面的穩(wěn)定；

Ⅱ、實測水位情況下的滲流穩(wěn)定期，計算上游壩坡推測滑裂面的穩(wěn)定。

穩(wěn)定計算采用《土石壩邊坡穩(wěn)定分析》程序，對0+027、0+111兩個斷面指定滑裂面的上、下游邊坡穩(wěn)定進行計算，計算成果列入表4.1。

經(jīng)計算，上、下游壩坡局部抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。經(jīng)持續(xù)觀測，壩體裂縫穩(wěn)定，沒有進一步發(fā)展和惡化。因此，可認為，對壩頂進行防滲漏封閉，減少雨水向壩體入滲，壩體抗滑穩(wěn)定是滿足規(guī)范要求的。

4.3 壩頂裂縫處理措施

為減少雨水滲入壩體，將下游壩肩低洼處的綠化帶挖除，經(jīng)人工夯實后，鋪設20cm厚水泥穩(wěn)定砂礫墊層，然后澆筑15cm厚混凝土路面?，F(xiàn)澆混凝土路面強度等級C25，抗凍等級F150。壩肩路面混凝土板塊沿壩體通長布置，每隔6.0m分縫，縫內(nèi)填充1cm厚的聚乙烯泡沫塑料板。壩肩混凝土板塊以3%的坡度向下游壩坡排水。

壩肩植樹局部保留部位設樹池，樹池周邊設花崗巖緣石封固，防止池外雨水匯入。

壩肩路緣石采用花崗巖，厚度0.1m，深度0.3m，為便于排水，路緣石頂部與混凝土板塊頂齊平。

壩頂裂縫以及壩頂路面與防浪墻之間的縫隙灌注砂礫和熱瀝青封閉。

為便于壩頂排水，在壩頂路面上游側(cè)的欄桿混凝土基礎(chǔ)上鉆排水孔，孔徑Φ100mm。

5、結(jié)語

按照上述措施施工后，工程順利通過驗收。經(jīng)過幾年運行，裂縫不再發(fā)展，并且沒有發(fā)現(xiàn)壩頂路面有新的裂縫出現(xiàn)，使裂縫得到很好控制。通過工程運行實踐，證明了上述處理措施是可行的，消除了安全隱患，效果良好。

參考文獻：

[1]梁艷芳， 汾河水庫壩頂裂縫成因初步分析及處理建議[J]，山西水土保持科技， 2015（02）

[2]姚軍；董愛紅；王林峰，壩頂混凝土路面裂縫成因與處理及建議[J] ，河南水利與南水北調(diào)，2014（06）