宋慶平，鄒國(guó)勇

(1.江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330200；2.江西省建洪工程監(jiān)理咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

隨著工程建設(shè)的不斷發(fā)展，堆石壩作為一種重要的水利工程建筑，在各地得到了廣泛的應(yīng)用。然而，堆石壩的初次蓄水期卻常常伴隨著裂縫的出現(xiàn)，給工程的安全穩(wěn)定性帶來了極大的威脅[1]。因此，研究初次蓄水期堆石壩頂部裂縫的成因及其演化規(guī)律，對(duì)于工程的安全穩(wěn)定性提高具有重要的意義。

堆石壩頂部裂縫的成因十分復(fù)雜，其中包括地質(zhì)地形、工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過程等多種因素。首先，堆石壩所處的地質(zhì)地形是影響裂縫形成的主要因素之一[2]。如果在壩址地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)頻繁的地區(qū)建造堆石壩，則在初次蓄水期，地下水位上升，壩周地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)加劇，容易造成壩頂產(chǎn)生裂縫[3]。其次，堆石壩的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)過程中也可能存在一些缺陷，例如基礎(chǔ)不穩(wěn)、接口縫隙過大等，這些缺陷都可能成為裂縫形成的誘因。此外，不合理的施工方法和缺乏有效的監(jiān)控手段也是裂縫產(chǎn)生的重要原因[4]。

因此，分析蓄水期堆石壩頂部裂縫的成因及其演化規(guī)律，對(duì)于提高工程建設(shè)的安全性和穩(wěn)定性具有重要的意義。本文將結(jié)合工程案例，對(duì)蓄水期堆石壩頂部裂縫形成的因素進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，以期為工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

某水庫(kù)的正常蓄水水位為850m，采用碎石土心墻堆石壩攔截河水，形成一個(gè)具有季調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)。壩頂高度為856m，長(zhǎng)514.5m，寬14m，最高處186m。壩基下方為厚達(dá)76m的砂卵石層，為壩體提供了良好的支承條件。心墻采用寬級(jí)配比的礫石土構(gòu)筑，每層厚度為45cm，先用進(jìn)占法將材料卸放在壩體上，用25t的凸輪碾壓機(jī)沿著壩軸方向進(jìn)行平整。心墻兩側(cè)的反濾層厚30cm，用25t的振動(dòng)平碾機(jī)沿著壩軸方向進(jìn)行錯(cuò)距壓實(shí)；過渡層采用進(jìn)占法鋪設(shè)，每層厚度為60cm，用25t的振動(dòng)平碾機(jī)進(jìn)行錯(cuò)距壓實(shí)；大壩堆石層厚100cm，推土機(jī)鋪平后，先用25t的振動(dòng)平碾機(jī)、再用20t的拖拉式碾壓機(jī)進(jìn)行錯(cuò)距壓實(shí)。

2 測(cè)點(diǎn)布置

大壩變形監(jiān)測(cè)主要包括外部變形監(jiān)測(cè)和內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)兩方面。外部變形監(jiān)測(cè)指通過觀測(cè)大壩表面或周邊的位移、傾角、沉降等參數(shù)，反映大壩整體或局部的穩(wěn)定性。內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)是指通過觀測(cè)大壩內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、水壓等參數(shù)，反映大壩內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和工作性能。

為了監(jiān)測(cè)大壩的外觀變形，在大壩頂部和下游壩面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)大壩在不同高程處的位移情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在兩岸山體的巖層上，保證其穩(wěn)定性和可靠性。大壩頂部共布置8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，各斷面頂部設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用表面位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸。河床斷面上安裝了電磁式沉降環(huán)VE1和VE4，用于監(jiān)測(cè)心墻沉降情況，兩個(gè)下游斷面上安裝了水管沉降監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)下游堆石位移情況。這些儀器可通過導(dǎo)輪固定測(cè)斜儀或者孔隙水壓計(jì)進(jìn)行內(nèi)部變形和滲透線。布置圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與儀器布置

3 壩頂變形分析

3.1 初次蓄水

大壩啟動(dòng)初次蓄水試驗(yàn)，考慮到大壩的蓄水安全性和壩址的氣象水文特征，初次蓄水試驗(yàn)分為3個(gè)階段。第一階段為快速蓄水階段，庫(kù)容從691.0m增至788.0m，歷時(shí)53天，日平均升幅為1.83m。第二階段為庫(kù)容平衡階段，在788.0m附近維持136天，并進(jìn)行微調(diào)。第三階段為再次蓄水階段，在189天內(nèi)將庫(kù)容提升至850.0m的正常運(yùn)行位，日平均升幅約為0.33m。

3.2 頂變形時(shí)程

為了監(jiān)測(cè)大壩的變形情況，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上的大壩頂部設(shè)置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于壩軸線和兩側(cè)各5.2m處。這些測(cè)點(diǎn)可測(cè)量水平和垂直方向的位移變化，壩軸線上的測(cè)點(diǎn)只能測(cè)量垂直方向的位移。下游位于壩軸線觀測(cè)點(diǎn)的水平方向的位移數(shù)據(jù)，如圖2所示。根據(jù)圖2，發(fā)現(xiàn)有3個(gè)斷面的下游觀測(cè)點(diǎn)在初始階段缺少數(shù)據(jù)，可能是漏測(cè)或者儀器故障造成的。因此，用傾度法分析數(shù)據(jù)時(shí)，排除初始值的影響。另外，還有一個(gè)斷面的下游觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)異常，與其他斷面不一致，可能是差或者變形導(dǎo)致的。因此，該斷面不參與分析。其他斷面的數(shù)據(jù)都正常。

圖2 下游位于壩軸線觀測(cè)點(diǎn)位移

在不同蓄水階段，壩頂各斷面呈現(xiàn)出不同程度和規(guī)律的沉降、水平位移。分析表明，在快速蓄水期和庫(kù)水位穩(wěn)定期如圖3—4所示。

圖3 壩頂各斷面沉降

圖4 壩頂各斷面水平位移

各斷面沉降和傾度較小且基本保持恒定；二次蓄水期尤其是高庫(kù)水位運(yùn)行時(shí)期，出現(xiàn)顯著增加，并隨著庫(kù)前水位升高而增大。反映了壩體在初期蓄水時(shí)發(fā)生了較大幅度的不均勻變形。變形主要源于堆石料遇到淹沒條件后產(chǎn)生顆粒軟化、棱角破碎及滑移等物理或化學(xué)作用引起體積收縮及強(qiáng)度劣化等濕化效應(yīng)。堆石料濕化效應(yīng)是指遭受浸潤(rùn)作用后引起顆粒間摩擦系數(shù)下降及顆粒自身強(qiáng)度劣化而導(dǎo)致整體壓縮模量下降及剪切強(qiáng)度減小等綜合效應(yīng)。由于只有淹沒條件下才會(huì)觸發(fā)該效應(yīng)。

根據(jù)圖3的(0+310)斷面的沉降和水平位移隨水位變化的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)沉降和水平位移有相似的變化規(guī)律。庫(kù)水快速上升和穩(wěn)定的階段，壩頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化接近一致；第二次蓄水達(dá)到高水位的階段，壩頂各點(diǎn)的位移變化出現(xiàn)差異，出現(xiàn)不均勻形變的現(xiàn)象。壩頂出測(cè)點(diǎn)的水平位移先向上游方向發(fā)生偏移，然后在高位移階段向下游方向偏移。主要是由于壩前水位在初始極端較低，上游低高程的堆石料受到浸水濕化沉降的影響，導(dǎo)致壩頂部分受到拉應(yīng)力作用向上游方向偏移。

水位變化對(duì)心墻堆石壩的穩(wěn)定性有重要影響。各斷面的時(shí)程曲線傾度如圖5所示。當(dāng)水位上升，水壓力作用于心墻，使其產(chǎn)生下游方向的位移；當(dāng)水位下降，心墻處于卸荷狀態(tài)，產(chǎn)生上游方向的位移。第二次蓄水過程中，由于水位變化較大，心墻堆石壩的頂部發(fā)生了不均勻的變形，并出現(xiàn)了裂縫。根據(jù)李君純等人提出的經(jīng)驗(yàn)公式，預(yù)測(cè)大壩在一年后會(huì)出現(xiàn)裂縫，實(shí)際觀測(cè)結(jié)果顯示，裂縫提前了一個(gè)月出現(xiàn)，此時(shí)的傾度值僅為0.70%。本文認(rèn)為，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式是基于我國(guó)早期建設(shè)的均質(zhì)土壩得到的，這些土壩由于碾壓密度較低而具有較大的變形能力。本文工程采用了現(xiàn)代碾壓技術(shù)建造的摻礫粘土料心墻堆石壩，碾壓密實(shí)度較高且摻礫粘土料具有較低的變形能力，因此臨界傾度值應(yīng)低于1%，本文認(rèn)為0.7%是合理的。因此，在評(píng)價(jià)心墻堆石壩的穩(wěn)定性時(shí)，不能簡(jiǎn)單地套用一個(gè)固定的臨界傾度值，還要考慮壩料的組成、碾壓密實(shí)度等因素。

圖5 各斷面的時(shí)程曲線傾度

3.3 壩頂變形特性

由于地形和材料特性的差異，大壩各個(gè)部分的變形程度不同。心墻料的模量低于上下游堆石區(qū)，因此變形較為顯著。大壩兩側(cè)被山體約束，其變形相對(duì)較小；上游堆石區(qū)和過渡區(qū)具有高透水性，在水浸后發(fā)生明顯的濕化沉降變形。而心墻料和反濾層幾乎不透水，維持了下游堆石區(qū)的干燥狀態(tài)，沒有發(fā)生濕化變形。另外，壩體各分區(qū)材料的流變特性也不同，造成流變變形出現(xiàn)差異[5-6]。這種差異超過一定限度時(shí)，可能會(huì)引起壩頂裂縫。

堆石壩在蓄水過程中，各部位的變形特征有所差異。蓄水初期，壩肩附近的傾斜程度最高，而河床中心的傾斜程度最低。這是由于壩頂上游的位置受到堆石濕化效應(yīng)的作用，壩頂下游面受到兩側(cè)山體的較大約束力，造成變形不同步。河床的約束力較小，變形較均勻。高水位階段，壩頂上游面發(fā)生了顯著的濕化沉降變形，約束力因此減弱；另外，由于河谷地貌等因素的影響，河床中心處的濕化變形量最大，因此傾斜程度遠(yuǎn)高于靠近岸坡處。

壩頂各斷面的上下游側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律，如圖6所示。觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，在上下游側(cè)，隨著距離中心線遠(yuǎn)近不同，沉降規(guī)律呈現(xiàn)出相似性。從兩岸到中心區(qū)域遞增，(0+240)斷面處出現(xiàn)最大值。(0+128)和(0+431)斷面有突變現(xiàn)象，表現(xiàn)為土體垂直方向上發(fā)生了劇烈變化。兩個(gè)斷面位于地形坡度變化土柱高度最高處，也是最大壓縮變形量處。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，兩個(gè)斷面之間出現(xiàn)了裂縫(樁號(hào)0+185～0+415)，說明裂縫與不均勻壓縮變形有關(guān)系。此外，蓄水期間，由于堆石濕化作用導(dǎo)致了上游側(cè)比下游側(cè)壓縮變形更大，空間分布不一致性引起縱向裂縫。

圖6 壩頂上下游側(cè)沉降規(guī)律

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)初次蓄水期堆石壩頂部裂縫形成的可能因素進(jìn)行分析，結(jié)合傾度法分析大壩裂縫的成因，得到以下結(jié)論。

(1)壩體在初期蓄水時(shí)發(fā)生了較大幅度的不均勻變形。變形主要源于堆石料遇到淹沒條件后產(chǎn)生顆粒軟化、棱角破碎及滑移等物理或化學(xué)作用引起體積收縮及強(qiáng)度劣化等濕化效應(yīng)。

(2)壩頂裂縫與不均勻壓縮變形有關(guān)系。蓄水期間，堆石濕化作用導(dǎo)致了上游側(cè)比下游側(cè)壓縮變形更大，空間分布不一致性引起了縱向裂縫。

(3)在評(píng)價(jià)心墻堆石壩的穩(wěn)定性時(shí)，不能簡(jiǎn)單地套用一個(gè)固定的臨界傾度值，還要考慮到壩料的組成、碾壓密實(shí)度等因素。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)大壩變形監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩的異常變化，為大壩的維護(hù)和管理提供依據(jù)。