龍起華 石自堂 王 磊

（武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢 430072）

1 工程概況

紫檀沖水庫(kù)主壩為粘土心墻壩，壩頂高程173.6m，最大壩高46.2 m，壩頂寬5.33m、壩頂長(zhǎng)200m。上游壩坡采用塊石護(hù)坡，無(wú)墊層料，坡比自上至下為1∶2.11、1∶2.36。下游壩坡采用草皮護(hù)坡，坡比自上至下 1∶1.71、1∶2.03、1∶2.23、1∶1.74。壩頂防浪墻高0.4m。心墻坡比1∶0.15，心墻頂寬度1.4m。由于粘土來(lái)源不足，原設(shè)計(jì)心墻核心部分，用粘土回填，其他部分用重壤土回填；由于粘土質(zhì)量差，人工碾壓不密實(shí)，防滲效果不好，壩基多處滲水，由ZK02、ZK03鉆孔揭示主壩心墻墻頂距壩頂?shù)乇?.9m，心墻墻頂高程為168.61m，比設(shè)計(jì)洪水位170.92m低2.31m，比校核洪水位171.90m低3.29m，比正常蓄水位169.30m低0.69m，并且心墻未與防浪墻墻底部連接，不滿足大壩防滲要求。

2 主壩塌陷事故描述

針對(duì)《紫檀沖水庫(kù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告》所揭示主壩存在的缺陷，采用劈裂灌漿對(duì)主壩進(jìn)行加固，沿壩軸線方向設(shè)置灌漿孔，對(duì)壩體進(jìn)行劈裂灌漿[1]。

在對(duì)主壩進(jìn)行劈裂灌漿施工過程中，2010年7月4日發(fā)現(xiàn)樁號(hào)為0+094～0+102段壩頂壩面發(fā)生塌陷，但并未起足夠關(guān)注。2010年9月1日進(jìn)行復(fù)灌，在復(fù)灌過程中9月16日下午發(fā)現(xiàn)主壩樁號(hào)0+080～0+152段出現(xiàn)雙排裂紋，同時(shí)樁號(hào)0+088～0+118壩面出現(xiàn)塌陷，坍塌部分寬0.5～0.6m，深度0.4m至0.5m不等，局部樁號(hào)處塌陷深度達(dá)到0.6m，由于塌陷范圍較大，立即停止灌漿施工并同時(shí)對(duì)大壩整體完整性、大壩沉降、位移進(jìn)行觀測(cè)。經(jīng)觀測(cè)，壩頂塌陷處均位于心墻上方，大壩除壩頂壩面出現(xiàn)較明顯裂縫、壩面坍塌外，其余壩坡等部位均未出現(xiàn)裂縫、坍塌現(xiàn)象，主壩壩體軸線及橫向均未出現(xiàn)較明顯位移，豎直方向上，除塌陷處有較明顯的豎直位移。大壩壩頂其他部位均未出現(xiàn)明顯豎直方向位移，同時(shí)，個(gè)別灌漿孔出現(xiàn)析漿現(xiàn)象，下游壩坡局部地區(qū)也出現(xiàn)析漿、冒漿現(xiàn)象。

3 塌陷成因分析及處理措施

3.1 塌陷成因分析

大壩壩頂出現(xiàn)較大部位塌陷后，立即對(duì)塌陷部位進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查后認(rèn)為除險(xiǎn)加固前，主壩缺陷已經(jīng)存在，甚至可能在主壩下方已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間存在一條沿著壩軸線的空洞。

根據(jù)塌陷部位寬度的測(cè)量，塌陷部位寬度為0.5m～0.6m，假設(shè)主壩裂縫及塌陷是由于在加固過程中劈裂灌漿設(shè)計(jì)不合理造成的。根據(jù)此假設(shè)，劈裂灌漿施工中，灌漿壓力過大，大壩被泥漿劈裂成上下兩部分，大壩軸線處形成較寬的裂隙，從而造成塌陷，則由此大壩壩體沿橫向x方向勢(shì)必形成較大的相對(duì)位移，知道此相對(duì)位移不會(huì)比塌陷部位寬度小很多。但實(shí)際測(cè)量結(jié)果卻與之有較大差別，根據(jù)后期測(cè)量結(jié)果，大壩壩頂上下游各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)間相對(duì)位移較小，大都分布在5mm～7mm的范圍內(nèi)，局個(gè)別相應(yīng)點(diǎn)間相對(duì)位移達(dá)到9mm。這說(shuō)明，裂縫是由于劈裂灌漿設(shè)計(jì)不合理造成的是不可靠的。且根據(jù)灌漿帷幕原理，灌漿壓力設(shè)計(jì)中包括起始劈裂壓力、單孔最大壓力、屈服壓力設(shè)計(jì)。在壩體灌漿施工記錄中，明確記錄灌漿起始劈裂壓力為0.6MPa，正常灌漿工作壓力為0.3MPa，符合灌漿設(shè)計(jì)要求，不存在灌漿壓力過大導(dǎo)致大壩塌陷問題[2]。

在灌漿開始前，大壩壩體已經(jīng)存在缺陷，主壩下方可能長(zhǎng)時(shí)間存在一條沿壩軸線方向的空洞，當(dāng)開始向灌漿孔灌漿時(shí)，由于壩體應(yīng)力的突然變化，加之泥漿對(duì)壩體的濕陷作用，空洞下方土體沉降，而空洞上方土體應(yīng)力急劇減少，最終坍塌。針對(duì)這種意見，必須弄清楚兩個(gè)問題：①大壩壩頂下方沿軸線方向空洞的形成原因。②大壩壩頂會(huì)在劈裂灌漿的時(shí)候發(fā)生集中坍塌現(xiàn)象的原因。

壩頂發(fā)生坍塌后，重新對(duì)坍塌部位進(jìn)行實(shí)地勘察，坍塌部位均處于壩軸線上，坍塌部位下方正好是大壩心墻所處位置，坍塌部位并不連續(xù)，局部未坍塌部位下方存在連貫空洞，這一點(diǎn)印證了造成坍塌的第二種意見是比較符合事實(shí)的?；诳斩吹男螤罴八幍奈恢茫容^合理的觀點(diǎn)的是大壩心墻逐年沉降的結(jié)果。

關(guān)于心墻沉降量的計(jì)算，可以根據(jù)土石壩沉降的非線性變彈性理論計(jì)算[3]。該理論通過土體三軸壓縮試驗(yàn)并在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立鄧肯—張模型（Duncan J.M，Chang C.Y.）的土體結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，該模型把應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系近似地用雙曲線表示，如圖1所示。根據(jù)摩爾—庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則和壓縮試驗(yàn)公式得到土的切線變形模量的表達(dá)式：

式中：σ1、σ3為填土第一、第三主應(yīng)力；c、φ′為填土有效凝聚力和內(nèi)摩擦角；k、n為試驗(yàn)常數(shù)，在試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線上求得；Pa為大氣壓力，可取近似值為100kPa。

計(jì)算心墻沉降采用無(wú)側(cè)限條件下的沉降計(jì)算公式計(jì)算，壓縮量的計(jì)算公式為：

式中，S為土體的豎向壓縮量；△P為壓力增量；Et為壓縮模量，反映單向壓縮時(shí)土體對(duì)變形的抵抗能力；H為土層的高度。

再根據(jù)變形模量與壓縮模量的關(guān)系[3]，最終得到壩體在自重應(yīng)力下沉降的計(jì)算公式：

式中，λ為考慮土體側(cè)向應(yīng)變和拱效應(yīng)的應(yīng)力修正系數(shù)，k0為靜止土壓力系數(shù)。

在計(jì)算心墻沉降時(shí)，采用分層計(jì)算的方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取土試驗(yàn)，心墻密度取1920kg/m3，Rf取 0.9，λ 取 0.6，k=275，n=0.37，=15°，c=21kPa。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，自該土壩建成以來(lái)，心墻沉降量達(dá)到0.387m，考慮到壩體填筑時(shí)，壩殼填筑材料為粗粒砂土，填筑代料大于0.075mm的砂、礫石含量達(dá)61.2%，可以認(rèn)為壩殼填筑時(shí)，即已完成排水固結(jié)，因此建成后壩殼沉降量很小或者沒有，而心墻主要由粘土和壤土組成，排水固結(jié)較慢，土壩建成后，心墻沉降一直持續(xù)，自建成至今，沉降量已達(dá)0.387m，這就很好地回答了大壩壩頂下方存在沿軸線方向空洞的問題。

既然大壩壩頂下方空洞已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間存在，為什么在大壩運(yùn)行的足夠長(zhǎng)時(shí)間里面并沒有發(fā)生坍塌，而偏偏在對(duì)大壩進(jìn)行劈裂灌漿時(shí)造成了坍塌呢？要解決這個(gè)問題，有必要對(duì)壩體建成后在自重作用下壩體的應(yīng)力、應(yīng)變、沉降進(jìn)行模擬，分析壩體受力變形情況。大壩剛建成時(shí)，大壩壩體與心墻是完全接觸、相互擠壓的，心墻與壩體接觸面上存在的應(yīng)力是壓應(yīng)力，方向垂直接觸面，如圖2所示，在隨后的時(shí)間中，隨著大壩心墻的沉降，心墻頂部與大壩壩頂間的壓應(yīng)力越來(lái)越小直至為0，隨后變?yōu)槔瓚?yīng)力，該拉應(yīng)力由壩體填土的凝聚力提供，隨著時(shí)間推移，沉降增加，最終凝聚力不足以支撐心墻與壩頂上方填土間的拉應(yīng)力從而導(dǎo)致心墻與壩頂?shù)姆蛛x。在心墻與壩頂分離的這一過程中還同時(shí)進(jìn)行了壩頂土體應(yīng)力的重新分配，壩頂心墻上方的填土在大壩剛建成時(shí)是靠下方的心墻提供向上的力支撐的，而隨著心墻的沉降，心墻不再為上方的填土提供支撐力，該支撐力正好由心墻頂部?jī)蛇叺奶钔撂峁⒆罱K形成一個(gè)拱，這就是“土拱效應(yīng)”[4][5]，如圖3所示。當(dāng)沒有外力干擾或土拱上方的力不足與破壞土拱時(shí)，該土拱是穩(wěn)定的，這就是大壩壩頂下方存在空洞而在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并沒有坍塌的原因。但是，當(dāng)對(duì)主壩進(jìn)行劈裂灌漿時(shí)，起始劈裂壓力大于土拱頂部土體的壓應(yīng)力，使填土間應(yīng)力由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力并最終在拉應(yīng)力大于填土間凝聚力的時(shí)導(dǎo)致壩頂終塌陷。

表1 心墻總沉降量計(jì)算表

3.2 處理措施

針對(duì)該土石壩的滲漏情況，由于上面已經(jīng)排除了劈裂灌漿對(duì)土石壩壩體危害的影響，因此仍然可以對(duì)土石壩進(jìn)行劈裂灌漿，但應(yīng)該提高劈裂灌漿的質(zhì)量，更好的控制灌漿壓力，并推薦增加復(fù)灌次數(shù)，復(fù)灌時(shí)間間隔也要嚴(yán)格把握，推薦復(fù)灌時(shí)間間隔不小于5天。

針對(duì)土石壩壩頂?shù)乃萸闆r，推薦壩頂開挖重新填筑，開挖深度最好超過心墻頂部高程，而后用粘土及壩殼代料重新回填壓實(shí)，最終回填到設(shè)計(jì)壩頂高程。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）大壩壩頂坍塌主要是由于心墻沉降及劈裂灌漿時(shí)劈裂壓力、泥漿濕陷作用造成的。劈裂灌漿并沒有造成壩體整體結(jié)構(gòu)受到破壞，相反，劈裂灌漿可以促使壩體應(yīng)力重新分配，補(bǔ)充壩體小應(yīng)力不足，對(duì)大壩的穩(wěn)定是有利的。

（2）由于進(jìn)行了劈裂灌漿，壩體心墻在泥漿的濕陷、擠壓作用下，裂縫及孔隙已經(jīng)被泥漿充填，且心墻更加密實(shí)。劈裂灌漿已經(jīng)充分補(bǔ)充壩體心墻的應(yīng)力不足，提高了壩體心墻的穩(wěn)定性，且心墻已經(jīng)經(jīng)過了三十多年的沉降，沉降已經(jīng)基本完成，因此不必?fù)?dān)心在對(duì)土壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固后，會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生裂隙甚至空洞。

（3）始建于同一時(shí)期、在同等生產(chǎn)力條件下的建成的心墻土壩，大都存在心墻與壩殼的不均勻沉降問題，該論文探討了在對(duì)該類土壩進(jìn)行劈裂灌漿時(shí)出現(xiàn)的問題及解決措施，為這一類土壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固提供了理論基礎(chǔ)。陜西水利

[1]孫曉杰，任傳英，馬兆會(huì)，鄭緒剛.淺談劈裂灌漿在土壩堤防防滲處理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J].China science and Technology Review,2009,36:319-320

[2]白永年.中國(guó)堤壩防滲加固新技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2001.9

[3]王春寧，劉智杰，周瓊.土壩沉降的非線性變彈性計(jì)算[J].湖南水利水電，2002,5:7-15

[4]宮必寧，童蕾，牛志國(guó).土石壩工程的拱效應(yīng)分析 [J].東北水利水電，2004，（12）:14-15

[5]張家松，李欣，牛志國(guó)，林清安.土石壩粘土心墻拱效應(yīng)分析 [J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2007，（2）:84-86