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        農(nóng)安縣兩家子水庫壩體裂縫成因分析與處理措施

        2016-01-01 00:00:00曲楠
        水能經(jīng)濟(jì) 2016年2期

        【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(jìn)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?yàn)椋和獠空T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(qiáng)度降低,導(dǎo)致壩體局部滑動(dòng)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(jìn)行了相應(yīng)處理,工程順利通過驗(yàn)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(jí),正常運(yùn)用洪水為50年一遇,非常運(yùn)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(shè)計(jì)壩頂高程175.20m,壩頂寬8m,上游壩坡1:3.0,為干砌石護(hù)坡;下游壩坡為1:2,混凝土塊護(hù)坡。

        該水庫于1973年動(dòng)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(hù)坡等工程。2002年曾對水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固,并于2003年完成。2011年對兩家子水庫進(jìn)行補(bǔ)充除險(xiǎn)加固工程建設(shè),該項(xiàng)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(hào)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(hào)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(hào)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)凍深線圖》,區(qū)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(hào)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(cuò)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(hào)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(hù)坡棱體砼塊發(fā)生相對位移,致使電線桿與護(hù)坡塊體接觸處上游出現(xiàn)2cm左右縫隙,下游側(cè)護(hù)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(biāo)

        壩體21組原狀樣試驗(yàn)干密度范圍值為ρd=1.43~1.59g/cm3,平均值為ρd=1.52g/cm3,小于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)控制含水量ω=24.0%,填筑指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)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(shí),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(hù)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(dǎo)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(hù)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(jìn)行追蹤取樣試驗(yàn),試驗(yàn)指標(biāo)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(jìn)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(fù)雜,且各種方法對各項(xiàng)物性參數(shù)的反應(yīng)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(diǎn)裂縫發(fā)育深度;各方法對裂縫發(fā)育方向的反應(yīng)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(yīng)不明顯或無反應(yīng),方法適用性相對較差;而地質(zhì)雷達(dá)對裂縫較為敏感,雷達(dá)測試反應(yīng)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(hào)0+007.4~0+038.1m(直線樁號(hào),下同),延伸長度30.8m (其中樁號(hào)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(hào)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(hào)側(cè))呈弧形彎向壩肩,距離路緣石0.3~2.5m。裂縫分布樁號(hào)0+082.4~0+157.8m(其中樁號(hào)0+106.6~0+106.9m裂縫不連續(xù),錯(cuò)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(hào)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(hào)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(shí)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(qiáng)度降低,導(dǎo)致壩體局部滑動(dòng)形成了壩頂縱向裂縫。

        根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(yàn)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(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,針對地質(zhì)勘察推測的滑裂面進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算方法采用瑞典圓弧法,壩體的物理力學(xué)指標(biāo)按表2.1分別選取標(biāo)準(zhǔn)值和最小值計(jì)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(jì)算下游壩坡推測滑裂面的穩(wěn)定;

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

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

        經(jīng)計(jì)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(jìn)一步發(fā)展和惡化。因此,可認(rèn)為,對壩頂進(jìn)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(shí)后,鋪設(shè)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(qiáng)度等級(jí)C25,抗凍等級(jí)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(shè)樹池,樹池周邊設(shè)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(yàn)收。經(jīng)過幾年運(yùn)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(yùn)行實(shí)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(xiàn):

        [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)

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