烏井水庫(kù)壩頂縱向裂縫變形監(jiān)測(cè)與分析

王樂芹，胡松濤，章李樂，林太清，戴國(guó)強(qiáng)

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌，330029；3.南昌市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 南昌，330009）

0 引言

裂縫是土石壩十分常見的一種安全隱患，國(guó)內(nèi)外已見報(bào)道的水庫(kù)大壩都已經(jīng)非常多，如社上水庫(kù)大壩[1]、白蓮河水庫(kù)[2]、小浪底水庫(kù)[3]、佛寺水庫(kù)大壩[4]。分析土石壩壩頂縱向裂縫的變形規(guī)律、影響因素，探討裂縫的形成機(jī)理及其發(fā)展趨勢(shì)、研究防治措施，是土石壩安全風(fēng)險(xiǎn)管理和控制的重要課題。

顧淦臣[5]1982年根據(jù)裂縫的調(diào)查和土石壩變形觀測(cè)總結(jié)出一些土石壩的裂縫類型和成因，并提出通過提高土石壩的壓實(shí)質(zhì)量來(lái)減小大壩變形以防止裂縫的產(chǎn)生。近年來(lái)隨著早期建設(shè)的一系列大壩的除險(xiǎn)加固和新建的一大批高土石壩在完工后出現(xiàn)了大量的裂縫，土石壩裂縫問題得到了許多學(xué)者的關(guān)注和研究，總結(jié)起來(lái)現(xiàn)階段主要通過監(jiān)測(cè)分析[1，2]、[6～9]、室內(nèi)試驗(yàn)[10，11]和數(shù)值分析[12～16]3種方法進(jìn)行分析研究。

根據(jù)江西省的調(diào)查[17]發(fā)現(xiàn)，許多土石壩在除險(xiǎn)加固中增設(shè)混凝土防滲心墻后，出現(xiàn)了壩頂縱向裂縫的現(xiàn)象。裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展增加了土石壩的安全風(fēng)險(xiǎn)，受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等因素的限制，在役的許多中小型水庫(kù)土石壩裂縫問題未得到根本的解決。本文針對(duì)此情況，以南昌市烏井水庫(kù)為例，通過監(jiān)測(cè)大壩一個(gè)庫(kù)水漲落周期內(nèi)的變形進(jìn)行分析研究，討論了土石壩壩頂縱向裂縫的變形規(guī)律及形成機(jī)理。

1 工程概況

烏井水庫(kù)位于江西省南昌市灣里城區(qū)北面高山上，距灣里城區(qū)3.0km，是一座以供水為主，兼顧防洪、旅游等綜合利用的重點(diǎn)?。?）型水庫(kù)。該水庫(kù)始建于1970年，1972年基本建成蓄水。進(jìn)行過多次除險(xiǎn)加固和配套整修，達(dá)到現(xiàn)有工程規(guī)模。水庫(kù)樞紐主要由大壩、溢洪道、輸水涵管組成。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程192.55m（黃?；妫峦?，最大壩高45.4m，壩頂長(zhǎng)181.0m、寬8.0m。正常蓄水位190.0m，設(shè)計(jì)洪水位190.0m，校核洪水位190.16m，總庫(kù)容448.0萬(wàn)m3。除險(xiǎn)加固時(shí)，對(duì)大壩壩體及壩肩進(jìn)行了防滲加固。壩軸線上增設(shè)高噴防滲心墻，防滲墻貫穿整個(gè)壩身底部嵌入弱風(fēng)化基巖以下1.0m，厚度為0.7m，上部為高壓擺噴防滲墻，下部為高壓旋噴防滲墻，如圖1所示。

圖1 烏井水庫(kù)大壩典型橫剖面圖

2 裂縫情況

烏井水庫(kù)于2011年11月至2012年5月完成除險(xiǎn)加固，2015年水庫(kù)巡查人員首次發(fā)現(xiàn)壩頂路面出現(xiàn)縱向裂縫，2015年～2018年期間壩頂裂縫繼續(xù)延伸。2018年2月現(xiàn)場(chǎng)檢查，裂縫長(zhǎng)約132.0m，位置緊靠壩軸線（混凝土防滲墻）前后，裂縫平均寬度3.0mm、最寬處40.0mm，最大錯(cuò)位約4.0mm（見圖2和圖3）。具體情況如下：

圖2 壩頂縱向裂縫分布及變形監(jiān)測(cè)布置示意圖

圖3 烏井水庫(kù)壩頂縱向裂縫

①裂縫縱向分布在0+003至0+018，橫向分布在壩頂防滲墻后，約15m長(zhǎng)，最大縫寬為3mm，裂縫兩側(cè)最大錯(cuò)位0.5mm。

②裂縫縱向分布在0+018至0+129，橫向分布在壩頂防滲墻后，約111m長(zhǎng)，最大縫寬為40mm，裂縫兩側(cè)最大錯(cuò)位4mm。

③裂縫縱向分布在0+129至0+135，橫向分布在壩頂防滲墻后，約6m長(zhǎng)，最大縫寬為3mm，裂縫兩側(cè)最大錯(cuò)位0.5mm。

為進(jìn)一步調(diào)查裂縫的深度分布，在壩頂路面沿著裂縫開挖了8個(gè)探坑，編號(hào)為TK1～TK8，每個(gè)探坑間隔約 15m，尺寸為 50cm×50cm，其中 TK3（樁號(hào) 0+060左右）為裂縫最寬處的探坑，尺寸為50cm×100cm，裂縫已貫通混凝土路面，且下部墊層發(fā)現(xiàn)一條較細(xì)小的裂縫，如圖4所示。調(diào)查后，對(duì)裂縫進(jìn)行了充填瀝青處理。

圖4 TK3裂縫分布情況

為進(jìn)一步分析裂縫的擴(kuò)展規(guī)律及其形成機(jī)理，2020年3月～2021年3月對(duì)裂縫開度進(jìn)行了一年的運(yùn)行周期的監(jiān)測(cè)。

3 裂縫開度過程規(guī)律分析

從裂縫開度觀測(cè)過程線可知，如圖5所示，自2020年3月5日開始，至2021年2月的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示裂縫開度變化整體相對(duì)穩(wěn)定，裂縫開度變化與庫(kù)水位變化敏感性較低?？傮w而言，隨著庫(kù)水位的上漲裂縫開度發(fā)展變化呈現(xiàn)一定的收縮趨勢(shì)，之后庫(kù)水位降落過程裂縫開度發(fā)展變化呈現(xiàn)張開的趨勢(shì)。

圖5 裂縫開度與庫(kù)水位的時(shí)程變化曲線

4 基于變形傾度法的裂縫擴(kuò)展規(guī)律

4.1 變形傾度法

變形傾度法[18]是由南京水利科學(xué)研究院等根據(jù)壩體沉降觀測(cè)資料提出的預(yù)測(cè)壩體裂縫的一種方法。如圖6所示，假如在壩身同一高程處有2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)a和b，兩點(diǎn)間的水平距離為△y，如在某一計(jì)算日期Ti測(cè)得的累積沉降量分別為Za和Zb，則定義a和b兩點(diǎn)在日期Ti的變形傾度為：

圖6 變形傾度法示意圖

考慮到為充分利用大壩現(xiàn)有的表面變形監(jiān)測(cè)設(shè)施，觀測(cè)結(jié)果處理時(shí)與變形傾度法中觀測(cè)點(diǎn)在同一高程出現(xiàn)沖突而不適用。而常見的土石壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)施布置時(shí)，同一個(gè)橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本不在一個(gè)高程上。如圖7所示，假設(shè)在壩身不同一高程處的2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)a和b，兩點(diǎn)間的水平距離為△y，兩點(diǎn)間的初始高差為△Z1，在某一計(jì)算日期Tj測(cè)得的高差為△Z2，則定義a和b兩點(diǎn)在日期Tj的廣義變形傾度增量為：

圖7 改進(jìn)的變形傾度法示意圖

令初始高差即a和b在同一高程，代入（2）～（3）式即得到（1）式的結(jié)果。因此不同高程的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可認(rèn)為適用變形傾度法。

4.2 變形監(jiān)測(cè)布置

大壩的表面變形監(jiān)測(cè)布置了3個(gè)橫斷面，每個(gè)斷面迎水坡1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，背水坡2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。具體布置如圖2所示，本文選取其中的1-1和2-1、1-2和2-2、1-3和2-3共3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形傾度分析，3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別與本文分析的3個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)在同一個(gè)橫斷面上。

4.3 結(jié)果分析

變形傾度法認(rèn)為變形傾度小于臨界值，即認(rèn)為不會(huì)發(fā)生張拉裂縫[18]。本工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)不在同一個(gè)高程，主要通過分析變形傾度增量來(lái)探討現(xiàn)有裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，表1為根據(jù)烏井水庫(kù)2020年3月～2021月3月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算變形傾度增量的結(jié)果。

表1 變形傾度計(jì)算結(jié)果

圖8給出了大壩變形傾度增量與裂縫開度的變化曲線，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示3條裂縫的開度隨變形傾度的變化規(guī)律基本一致。除6月28日監(jiān)測(cè)情況外，其余監(jiān)測(cè)計(jì)算結(jié)果均顯示變形傾度增量的變化與裂縫開度的變化基本一致，即裂縫開度隨傾度增量的減小而減小，隨傾度增量的增加而增加。

圖8 裂縫開度與變形傾度的變化曲線圖

5 結(jié)論

通過調(diào)查和觀測(cè)資料分析，對(duì)烏井水庫(kù)壩頂縱向裂縫得出如下結(jié)果：

（1）壩頂縱向裂縫隨著庫(kù)水位的上漲裂縫開度發(fā)展變化呈現(xiàn)一定的收縮趨勢(shì)，庫(kù)水位降落過程裂縫開度發(fā)展變化呈現(xiàn)張開的趨勢(shì)。

（2）采用變形傾度法分析壩頂縱向裂縫得出：變形傾度增量的變化與裂縫開度的變化基本一致，即裂縫開度隨傾度增量的減小而減小，隨傾度增量的增加而增加。

（3）根據(jù)監(jiān)測(cè)分析可知，烏井水庫(kù)大壩壩頂縱向裂縫的擴(kuò)展受庫(kù)水位漲落和壩坡表面變形影響，因此建議水庫(kù)在汛期及庫(kù)水漲落明顯時(shí)間段加強(qiáng)對(duì)壩頂裂縫的觀測(cè)和大壩的巡查。