王樂芹，胡松濤，章李樂，林太清，戴國強

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.江西省水利科學院，江西 南昌，330029；3.南昌市水利規(guī)劃設計院，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，國內外已見報道的水庫大壩都已經(jīng)非常多，如社上水庫大壩[1]、白蓮河水庫[2]、小浪底水庫[3]、佛寺水庫大壩[4]。分析土石壩壩頂縱向裂縫的變形規(guī)律、影響因素，探討裂縫的形成機理及其發(fā)展趨勢、研究防治措施，是土石壩安全風險管理和控制的重要課題。

顧淦臣[5]1982年根據(jù)裂縫的調查和土石壩變形觀測總結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質量來減小大壩變形以防止裂縫的產(chǎn)生。近年來隨著早期建設的一系列大壩的除險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者的關注和研究，總結起來現(xiàn)階段主要通過監(jiān)測分析[1，2]、[6～9]、室內試驗[10，11]和數(shù)值分析[12～16]3種方法進行分析研究。

根據(jù)江西省的調查[17]發(fā)現(xiàn)，許多土石壩在除險加固中增設混凝土防滲心墻后，出現(xiàn)了壩頂縱向裂縫的現(xiàn)象。裂縫的出現(xiàn)和擴展增加了土石壩的安全風險，受技術和經(jīng)濟等因素的限制，在役的許多中小型水庫土石壩裂縫問題未得到根本的解決。本文針對此情況，以南昌市烏井水庫為例，通過監(jiān)測大壩一個庫水漲落周期內的變形進行分析研究，討論了土石壩壩頂縱向裂縫的變形規(guī)律及形成機理。

1 工程概況

烏井水庫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小（1）型水庫。該水庫始建于1970年，1972年基本建成蓄水。進行過多次除險加固和配套整修，達到現(xiàn)有工程規(guī)模。水庫樞紐主要由大壩、溢洪道、輸水涵管組成。大壩為均質土壩，壩頂高程192.55m（黃?；妫峦?，最大壩高45.4m，壩頂長181.0m、寬8.0m。正常蓄水位190.0m，設計洪水位190.0m，校核洪水位190.16m，總庫容448.0萬m3。除險加固時，對大壩壩體及壩肩進行了防滲加固。壩軸線上增設高噴防滲心墻，防滲墻貫穿整個壩身底部嵌入弱風化基巖以下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 烏井水庫大壩典型橫剖面圖

2 裂縫情況

烏井水庫于2011年11月至2012年5月完成除險加固，2015年水庫巡查人員首次發(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)場檢查，裂縫長約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)測布置示意圖

圖3 烏井水庫壩頂縱向裂縫

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，最大縫寬為3mm，裂縫兩側最大錯位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，最大縫寬為40mm，裂縫兩側最大錯位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，最大縫寬為3mm，裂縫兩側最大錯位0.5mm。

為進一步調查裂縫的深度分布，在壩頂路面沿著裂縫開挖了8個探坑，編號為TK1～TK8，每個探坑間隔約 15m，尺寸為 50cm×50cm，其中 TK3（樁號 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)一條較細小的裂縫，如圖4所示。調查后，對裂縫進行了充填瀝青處理。

圖4 TK3裂縫分布情況

為進一步分析裂縫的擴展規(guī)律及其形成機理，2020年3月～2021年3月對裂縫開度進行了一年的運行周期的監(jiān)測。

3 裂縫開度過程規(guī)律分析

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

圖5 裂縫開度與庫水位的時程變化曲線

4 基于變形傾度法的裂縫擴展規(guī)律

4.1 變形傾度法

變形傾度法[18]是由南京水利科學研究院等根據(jù)壩體沉降觀測資料提出的預測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個觀測點a和b，兩點間的水平距離為△y，如在某一計算日期Ti測得的累積沉降量分別為Za和Zb，則定義a和b兩點在日期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)測設施，觀測結果處理時與變形傾度法中觀測點在同一高程出現(xiàn)沖突而不適用。而常見的土石壩變形監(jiān)測設施布置時，同一個橫斷面監(jiān)測點基本不在一個高程上。如圖7所示，假設在壩身不同一高程處的2個觀測點a和b，兩點間的水平距離為△y，兩點間的初始高差為△Z1，在某一計算日期Tj測得的高差為△Z2，則定義a和b兩點在日期Tj的廣義變形傾度增量為：

圖7 改進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）式的結果。因此不同高程的兩個監(jiān)測點可認為適用變形傾度法。

4.2 變形監(jiān)測布置

大壩的表面變形監(jiān)測布置了3個橫斷面，每個斷面迎水坡1個觀測點，背水坡2個觀測點。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)測點進行變形傾度分析，3組監(jiān)測點分別與本文分析的3個裂縫監(jiān)測點在同一個橫斷面上。

4.3 結果分析

變形傾度法認為變形傾度小于臨界值，即認為不會發(fā)生張拉裂縫[18]。本工程監(jiān)測點不在同一個高程，主要通過分析變形傾度增量來探討現(xiàn)有裂縫的擴展規(guī)律，表1為根據(jù)烏井水庫2020年3月～2021月3月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算變形傾度增量的結果。

表1 變形傾度計算結果

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)測結果顯示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)測情況外，其余監(jiān)測計算結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 結論

通過調查和觀測資料分析，對烏井水庫壩頂縱向裂縫得出如下結果：

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

（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)測分析可知，烏井水庫大壩壩頂縱向裂縫的擴展受庫水位漲落和壩坡表面變形影響，因此建議水庫在汛期及庫水漲落明顯時間段加強對壩頂裂縫的觀測和大壩的巡查。