瀑布溝礫石土心墻堆石壩初次蓄水期壩頂裂縫成因分析

林道通，朱 晟，鄔銘科，陳曉華，應建彤

(1.浙江省寧海縣水利局，浙江寧海315600；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210098)

0 引 言

土石壩是世界壩工建設中應用最廣泛、發展最快的壩型之一。其中土質心墻壩占了很大的比例，據20世紀90年代初的統計[1]，世界上已建或在建的壩高高于230 m的大壩中，土質心墻堆石壩約占55.5%。高心墻堆石壩的快速發展對大壩的變形控制提出了更高的要求，其中心墻壩的裂縫一直是重點關注問題，國內外眾多心墻堆石壩在初次蓄水期均發生壩頂縱向裂縫[2]。

目前對首次蓄水期壩頂縱向裂縫的產生原因尚無明確定論。徐澤平[3]認為，壩殼堆石材料與心墻土體材料在變形時序上的不協調，以及蓄水后上游壩殼的附加變形作用是造成這一裂縫的重要原因。目前我國心墻壩的建設尚處于積累經驗的階段，國內很少有針對高心墻壩壩頂縱向裂縫進行具體的分析研究，這主要是分析方法與手段的不足。李君純[4]提出用傾度法來分析大壩的裂縫問題，該方法給予觀測的沉降資料，計算簡單且明確，已應用于國內早期壩高較低的一些大中型水庫。

瀑布溝水電站大壩是國內已建成的最高的礫石土心墻堆石壩，水庫于2010年8月26日上午蓄水至842.2 m左右時，發現了壩頂縱向裂縫，裂縫位于壩軸線下游約5.5～6.0 m，基本平行于壩軸線，裂縫長約230 m，最大縫寬約5 cm，通過探坑檢查深度約1～2.5 m。到目前為止，已經有較全面豐富的監測資料。本文基于瀑布溝大壩施工及蓄水期的變形監測資料，結合實際的蓄水過程與傾度分析方法，從時間與空間上分析大壩壩頂在蓄水過程中的變形規律，以揭示大壩壩頂縱向裂縫的產生原因。

圖1 大壩最大橫斷面剖面示意(單位：m)

1 工程概況與監測布置

瀑布溝水電站位于大渡河中游、四川省漢源縣和甘洛縣境內，為以發電為主，兼有防洪、攔沙等綜合效益的大型水利水電工程。電站總裝機容量3 300 MW，擋水大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程856 m，壩頂長514.5 m、寬14 m，最大壩高186 m，總庫容53.90億m3。壩基為砂卵石深厚覆蓋層，最大厚度為76 m。大壩壩體斷面分為4個區，即礫石土心墻、反濾層、過渡層和堆石區。大壩上游壩面高程795 m處設一寬5 m的馬道，馬道以上壩坡為1∶2.00，以下壩坡為1∶2.25，上游圍堰與壩體結合。下游壩坡均為1∶1.80。礫石土心墻頂高程854.0 m，頂寬4 m，底高程為670 m，上下游邊坡均為1∶0.25。心墻底部、心墻與岸坡接觸帶、防滲墻頂和混凝土廊道周圍設高塑性粘土；下游壩殼堆石與覆蓋層之間設一層2 m厚水平反濾層；心墻上下游側各設兩層反濾，上游兩層各厚4 m，下游兩層各厚6 m，反濾層以外為過渡料和壩殼料。心墻下部河床覆蓋層段采用2道混凝土防滲墻防滲，最大墻深約78 m。大壩壩軸線橫剖面如圖1所示。

水庫正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，校核洪水位853.78 m。大壩于2004年3月開工建設，2005年11月下旬截流，2006年3月開始填筑上下游堆石區，2007年4月開始壩體全斷面施工，2009年9月20日大壩填筑完成，并在同年10月28日下閘蓄水，2010年10月15日蓄水至設計高程。

心墻料以寬級配礫石土為主，最大粒徑80 mm，鋪料厚度為45 cm，進占法卸料，采用25 t凸塊碾平行壩軸線方向碾壓；心墻上下游反濾料鋪料厚度為30 cm，采用25 t振動平碾進退錯距法平行壩軸線方向碾壓；過渡料采用進占法鋪筑，鋪料厚度60 cm，采用25 t振動平碾進退錯距法碾壓；大壩堆石料鋪料厚度100 cm，推土機整平，25 t振動平碾和20 t拖碾進退錯距法碾壓。

大壩壩頂部位的外觀變形監測點分別布設在大壩壩頂、下游壩面805 m高程，工作基點分布于兩岸山體基巖上；其中大壩壩頂處有8個監測斷面(樁號0+78～0+501)，每個斷面壩頂有3個監測點(0+5.2、0+00、0-5.2)。大壩在河床斷面(樁號0+240、0+310)布置有觀測心墻沉降的電磁式沉降環VE1和VE4，在下游堆石區兩個斷面各布置有用于監測下游堆石位移的水管式沉降儀。具體布置如圖1和圖2所示。圖中，VE、CH分別表示電磁式沉降環和水管式沉降儀，其后的數字表示測點(儀器)的編號，括號內的為0+310斷面內的編號。本文壩軸距方向規定，以壩軸線為起點，向下游為正，上游為負。

2 初期蓄水期壩頂變形分析

2.1 大壩初次蓄水過程

大壩于2009年10月28日開始蓄水，也就是在大壩填筑完成后一個月左右。為了能通過監測來控制并確保大壩的蓄水安全，結合壩址處的水文氣象條件，大壩初次蓄水過程分為3個階段。第一個階段是快速蓄水期，蓄水水位從691.0 m高程到788.0 m高程，總用時53天，平均1.83 m/d。第二個階段是庫水穩定期，壩前水位保持在788.0 m高程呈微小浮動，歷時136天。第三個階段是二次蓄水期，壩前水位從788.0 m到正常蓄水位850.0 m高程，歷時189天，平均約0.33 m/d。

圖2 大壩壩頂部位位移監測儀器測點布置示意(單位：m)

圖3 壩頂壩軸線下游觀測點時間過程曲線

2.2 大壩蓄水壩頂變形時程分析

大壩壩頂每個監測斷面的3個測點中，(0+5.2、0-5.2)分別都監測了水平與豎向位移，而壩軸(0+00)測點只監測了豎向位移。圖3為壩頂壩軸線下游觀測點的上下游水平和豎直方向的位移值；由圖3、4可知，(0+78、0+128、0+431)3個斷面的下游測點(0+5.2)在初始階段存在著較明顯的漏測，其沒有測值。故用傾度法分析這兩個部分的數據時要剔除初始值的影響(實際上由下面分析可得初始階段因上下游測點的初始沉降值相差不大，故剔除初始值影響不大)。另外，(0+361)斷面壩頂的下游測點不正常，按照壩體材料變形的連續性，其值應該在(0+310～0+431)之間，但其監測值比(0+431)斷面的還小，數值不合理，故該處不做分析。其他測點數據正常。

變形傾度值可以衡量相同高程點壩體變形的不均勻情況。假設在壩身同一高程處有2個距離為Δl的觀測點a、b，如圖4所示，定義a、b兩點在日期Tj的變形傾度的表達式為

(1)

式中，ΔS為在日期Tj的a、b兩點的沉降差的絕對值；δ為沉降點連線與水平面得夾角；設土體的臨界破壞傾度為γc，如果計算傾度γ>γc，則認為該處的土層將要發生剪切破壞面。目前關于γc的取值還是源于經驗取值，李君純根據國內一些發生裂縫土石壩的計算結果，認為γc的取值一般約為1.0%。

圖4 變形傾度法示意

圖5為壩頂(0+310)斷面的沉降與水平位移隨水位變化情況。表1為壩頂(0+240)斷面不同日期的傾度。圖6為壩頂不同監測斷面的傾度時程曲線。從表1和圖5、6可以看出，壩頂各監測斷面的的傾度值都隨著壩前水位的上升而增大；但具體從蓄水各個階段來看，變化趨勢又有所不同。在快速蓄水期，大壩壩頂各測點傾度隨水位增加而增大，但變化幅度較小，基本在0.5%以下。在庫水位穩定期，傾度值也呈穩定的形態。在二次蓄水期，特別是庫水位達到830 m高程的高水位期后，傾度隨水位升高而顯著增大。因此，可以說壩體的不均變形的產生主要發生在初期蓄水期的高水位階段。這與堆石料的濕化現象較符合，因堆石料只有浸水后才可能產生濕化變形，故只有水位達到較高的高程才能使壩頂部位產生較大沉陷變形。

圖5 蓄水期間大壩壩頂沉降及上下游位移隨水位變化

日期壩前水位/m上游測點沉降值/mm下游游測點沉降值/mm傾度值/%20091110691023212450012200912107880339334250032010031078824226412501020100610803447624575018201008108335552149500552010083084345952505008720100920843162505200101201012108491785756252152011021082968339594123120110410792992316808233

圖6 壩頂各監測斷面的傾度時程曲線

從圖5的(0+310)斷面的沉降與水平位移隨水位變化看，水平位移與沉降的變化規律相似，在快速蓄水期和庫水位穩定期，壩頂上下游各部位位移變化較一致；在二次蓄水的高水位期，壩頂上下游各部位位移變化不協調，產生了不均勻的變形。壩頂水平位移的都首先向上游移動，然后在高位移階段逐漸向下游移動。主要是一開始壩前水位較低，上游高程較低的堆石料浸水濕化沉陷，壩頂部位受到拉拽作用向上游移動。隨著水位的升高，水荷載作用明顯并成為主導因素，其推力使壩體往下游移動；水位消落后呈卸載狀態，壩體又往上游移動。

在二次蓄水的高水位階段的不均勻變形的產生，導致了大壩壩頂裂縫的產生。如果按照以前李君純統計的產生裂縫的傾度臨界經驗值(1%)來判斷，大壩在2010年9月20日出現裂縫，但實測的情況是2010年8月26日就出現了裂縫，對應的傾度值0.70%左右。筆者認為，臨界傾度(1%)是經驗值，主要是統計了我國早先年代建造的均值土壩，其碾壓密實度不高；而瀑布溝心墻堆石壩為采用現代碾壓技術施工的心墻堆石壩，碾壓較密實且心墻為摻礫粘土料，其抗變形能力較粘土弱，故臨界值在0.7%也是合理的。因此說每個工程的臨界傾度值都不一樣，與壩料的組成、碾壓密實度等有關，不能一味按照1%這個值來判斷。

2.3 大壩蓄水壩頂變形空間特性分析

大壩因地形、材料分區及材料特性的差異，壩體各個部分(包括壩頂上下游)的變形會存在差異。如心墻模量低，其變形較上下游堆石區大；大壩兩岸因受山體的約束，其變形比河床部位小；上游堆石區與過渡區因透水率大，其浸水后會發生較大的濕化沉陷變形。反濾、心墻料近似認為不透水，可保證其下游堆石區較為干燥，不會發生較大的濕化變形。壩體各分區材料因流變性質的差異，也會產生流變變形的差異。這種變形差異過大就會產生壩頂裂縫。

從圖6的不同斷面傾度的監測情況來看，蓄水期各斷面變形情況有差異。在蓄水的初期，越靠壩肩的傾度越大，而在河床中央的反而越小。這是在蓄水初期壩頂上游側主要受上游高程較低處堆石濕化的連帶影響，而壩頂下游側則影響較少且越靠近壩肩受兩岸山體的約束越大，造成變形的不協調。河床部位則受約束較小，上下游部位變形較一致，故傾度值較小。二次蓄水的高水位期，壩頂上游側部位自身發生很大的濕化沉陷變形，約束因素影響就較小；因受兩岸河谷地形等影響，約靠近河床中央，其濕化變形量越大，故造成其河床壩頂部位的傾度遠遠比靠岸坡的大很多。

圖7 心墻電磁式沉降環施工期及蓄水期位移

圖7為心墻靠壩頂部位電磁式沉降環的施工期與蓄水期位移監測情況。總體來說，施工期越靠近河床中央，其沉降值越大；高程越低，其沉降值越大。這是因為越靠近河床，其對應的土柱高，沉降量就大。蓄水期，從其總體變形的增量來說，靠近河床(VE1與VE4)的比靠岸坡(VE7與VE8)的大；從每個沉降環來講，高程低的沉降增量比高程高的小，這是因為高程較高處，其離上游堆石越近，受濕化沉陷變形也就越大。所以上游堆石料的濕化變形在豎直方向上也會導致不均勻變形的產生。

圖8為壩頂上游側和下游側各斷面監測點蓄水期沉降增量。由圖8可知，壩體上下游的沉降規律基本一致，都是兩岸向河床部位逐漸增大，并在(0+240)斷面處達到極值。在(0+128)與(0+431)兩斷面處出現突變點，即沉降值沿壩軸線突增。而實際出現裂縫的位置(樁號0+185～0+415)恰好在(樁號0+128～0+431)之間，說明其不均勻沉降對裂縫產生影響。因(0+128)與(0+431)斷面處于地形壩坡分界處，這之間土柱高度最高，因此沉降也最大。另外，上游側的沉降比下游側大，這主要受上游堆石浸水濕化影響。正是因這上下左右空間上的不均勻沉降的產生導致了壩頂縱向裂縫。

圖8 壩頂壩軸上、下游側各斷面監測點蓄水期沉降增量

圖9 (0+310)斷面808 m高程各監測點蓄水期位移增量

圖9為(0+310)斷面808 m高程各監測點蓄水期位移增量。因水管式沉降儀在808 m高程，壩坡測點在805 m高程，高程很接近，故作為同一高程分析。由圖9可知，在蓄水的初期，因上游堆石浸水濕化及心墻料壓縮量大且固結速率慢的原因，越靠近上游側的測點，其沉降值越大。但蓄水的后期，靠下游側測點測值增大，其主要原因是堆石流變與下游側堆石受降雨等產生濕化變形。CH35處于次堆石區，且離壩坡也有一段距離，其受降雨等因素影響較小。但其后期沉降值比前面的CH33與CH34大，之間的沉降差隨著時間逐漸的加大，這說明次堆區性質較軟，流變量大，造成此處沉降較大。另外，壩坡測點的沉降量比之前的CH35還大，說明其不僅受堆石流變差異的影響，還受降雨引起的濕化的影響。降雨對壩坡部位的位移影響較大，故會造成壩頂下游側沉降的增加，以致產生裂縫及滑坡等現象。

3 結 論

基于瀑布溝大壩蓄水期位移監測資料，結合首次蓄水期實際蓄水過程及傾度分析方法，分別從時間和空間分析大壩壩頂部位的位移變形特征，并對大壩壩頂縱向裂縫的影響因素進行了探討分析，可以得出以下結論：

(1)瀑布溝工程首次蓄水期的各蓄水階段壩頂變形規律不同，在快速蓄水階段及穩定庫水期，對壩頂部位變形影響較小，傾度值也都較小；在二次蓄水期，雖然蓄水速率不快，但水位變化對壩頂位移影響很大。故類似工程介意要嚴格控制高水位階段的蓄水速率，能慢則慢。

(2)大壩壩頂部位不均勻沉降及水平位移的產生主要是高水位階段上游堆石區濕化沉陷產生的，后期蓄水的水荷載的推力也對壩頂水平位移的差異產生影響。故類似心墻工程要加強對堆石料濕化現象的研究，建議上游堆石區少用濕化量大的堆石料并盡量提高填筑壓實度，以減少其變形量。

(3)壩頂上游側因受濕化沉陷的影響，其變形較下游側大，沉降差隨著水位的升高而增大。壩頂沉降值兩岸向河床部位逐漸增大，并在(0+240)斷面處達到極值。在(0+128)與(0+431)兩斷面處出現沉降變形突變點，而實際出現裂縫的位置(樁號0+185～0+415)恰好在(樁號0+128～0+431)之間。壩頂心墻部位因壓縮量大且固結速率慢的原因，其沉降值較附近的堆石區大；次堆區性質較軟流變量大及壩坡部位降雨濕化沉陷影響，造成后期壩頂下游壩坡部位沉降較大，可能引起不均勻變形(縱向裂縫)的產生。

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