广西某高心墙堆石坝坝顶开裂特征及影响因素分析

广西某高心墙堆石坝坝顶开裂特征及影响因素分析

莫润安1，王秀南1，梁炎1，刘范学1

（玉林市水利电力科学研究院，广西 玉林 537000）

摘  要：我国多个深厚覆盖层上修建的高心墙土石坝，其坝顶都已发生了不同程度的裂缝，严重影响了大坝的长期安全和稳定性。本文利用地质雷达、高密度电法等物探技术，对高心墙堆石坝顶裂缝的时空分布和开裂特征进行了研究。结果表明，坝顶开裂的根本原因是由于坝顶受力大于其抗拉、抗剪强度而引起的，而最主要的原因是坝顶不均匀沉降，其中水荷载、湿化变形、蓄水速度、坝顶材料性质是影响坝顶不均匀沉降的主要因素。

关键词：坝顶开裂；影响因素；强度破坏；高心墙堆石坝

引言

随着世界范围内高土石坝的建设，如何解决在运行和施工过程中产生的坝顶开裂已成为一个十分重要的课题。目前我国大型水库大坝发生的质量问题中，39%的问题是关于土石坝的裂缝[1]，而裂缝是引起坝体事故的主要原因之一。

由于坝体间不同部位的不均匀变形，坝面在碾压后长期处于极冷或极热的环境下，会产生纵向、横向、龟裂、水力劈裂等裂缝，严重影响了水库的安全。目前常用的土石坝裂缝研究方法是三轴拉伸试验[2]，变形倾度法[3]和等效梁法[4]。近年来也有学者使用无单元法、有限元法[5]、离散元法[6]等对土石坝裂缝成因和演化规律进行数值模拟，为后人提供了参考。无单元法可以通过较少的数据建立离散模型，但缺乏严谨的数学证明且计算时间长，参数不确定；有限元方法基于连续介质，但由于裂纹扩展成了不连续的变形，需要在计算过程中不断地对网格进行调整，以适应新的区域，这就造成了大量的计算工作量和技术难点；离散单元法由于块体形状的限制，其结果过分依赖网格划分。

1 工程概况

（1）研究区概况

广西某心墙堆石坝最大坝高170m，坝长540m，坝顶高度332m，正常蓄水位320m。大坝的剖面划分为4个区域：砂砾土心墙、反滤层、过渡层和堆石区，大坝基础采用两道混凝土防渗墙全封闭防渗，坝基的河床覆盖层厚度为40~60 m，覆盖层的土层构造复杂，缺少5~0.5 mm的粒径，局部土层有明显的架空。层厚不均匀，工程地质较差。

（2）坝顶开裂情况

2018年8月26日，在临时坝顶坝轴线大坝下游6m处，出现了2个不连续的纵缝，最大宽度为3cm。2018年10月4日，在原有裂缝上游1~1.2m处发现新裂缝，与原来的裂缝基本平行。

为了确定裂缝的深度，在2018年8月27日、10月12日、10月14日，施工人员对该地区进行了一次检查，其中最大裂缝深度为1.5 m。高密度电法和地质雷达的检测结果表明：坝体结构稳定，各层之间的密实度均匀，不存在明显的揉皱、错层、崩塌等，剖面裂缝的发育深度一般在1~2.5m，属于浅层裂缝。

在永久坝顶工程完工后，于2022年9月27日在施工期产生裂缝的位置再次发现新的裂缝。

2 研究方法

2.1 监测方法

本文利用地质雷达、高密度电法等物探技术，对高心墙堆石坝顶裂缝的时空分布和开裂特征进行了研究。

（1）地质雷达法

又称探地雷达法，借助发射天线定向发射的高频（10~1000赫兹）短脉冲电磁波在地下传播，检测被地下地质体反射回来的信号或透射通过地质体的信号来探测地质目标的交流电法勘探方法。

（2）高密度电法

高密度电法是工程物探领域应用较广泛的方法，其以地下岩土介质的电性差异为基础，观测分析地下稳定电流场的分布，主要用于水文、工程和环境地质调查等。

2.2 大坝顶部的变形监测点的布设

①分别在坝顶上游侧坝、中部坝和下游侧坝设置10、10、9个外部变形观测墩，如图2所示。②在坝顶下游裂缝处设11个临时观测点，在坝顶轴线处设2个临时观测点。

图 1 大坝监测点位图

3 分析与讨论

3.1 临时坝顶裂缝

根据探测结果，推断2010和2011年大坝下游出现纵裂的主要原因有两个：①在初期蓄水阶段，由于水库水位迅速升高，导致坝体局部变形过大，产生不均匀形变。②坝顶上部汽车荷载。在2010年8月13日开始蓄水过程中，库水位在14天之内由832.4m上升至842.4m，快速蓄水使大坝顶部出现了裂缝。同样在2011年9月6日至10月8日快速蓄水过程中，库水位由819.75m上升至848.29 m，这个过程中再次发现裂缝。

通过对心墙坝外部变形的监测，发现上游坝壳在蓄水后发生了湿陷性变形，在790 m以上的心墙和坝顶出现了向上游的位移；随着水库水位的上升，下游的大坝发生了位移。截止2012年8月蓄水后，坝顶向上游的最大位移为209.31mm；坝坡向下游最大位移为569.88mm，其中上游坝坡的变形与水库水位的变化有较强相关性。

坝顶纵向裂缝形成的原因是大坝的沉降变形梯度很大，在顺河向位移差异大，并且与水库水位的变化有关。

3.2 永久坝顶裂缝

4结论

（1）裂缝发生前后水库水位都比较高且水位波动比较大，裂缝发育与水库水位的变化有很大的关系。

（2）通过分析坝体竖向荷载和材料性能，得出了坝顶非均匀沉降变形的主要原因是上游坝体的竖向水荷载和坝体物料的湿化变形。

（3）根据监测结果，坝顶上下游水平和垂直位移存在时间和空间上的差异，位移量的差异以及不同步性造成土体受到的应力、应变大于其极限强度，因此非均匀变形则是产生坝顶裂缝的主要因素。

（4）在大坝运行时，由于坝体自身的重量和水荷载的影响，使坝体发生不均匀的变形，从而造成了坝顶的纵裂。通过对实测数据的分析，发现坝体的变形趋势虽然有所减缓，但并没有完全收敛，而且随时间推移，变形差异有继续增加的可能性。

（5）坝顶材料特性不同于坝体，很难满足坝体的不均匀变形，会产生浅表层裂缝，在坝顶变形完全收敛之后，裂缝可能也会随之停止发育。

（6）防治对策：加强对坝顶裂缝的监测、监测，及时掌握坝顶裂缝的发展情况和规律；在高水位条件下，可通过控制水位的涨落速度，同时提高心墙或斜墙的压实质量[8]。

参考文献：

[1]徐建.高心墙堆石坝坝顶裂缝成因分析[J].水科学与工程技术,2017(05):46-50.DOI:10.19733/j.cnki.1672-9900.2017.05.013.

[2]高志良,张瀚,熊敏.深厚覆盖层上高心墙堆石坝坝顶开裂特征及原因研究[J].中国农村水利水电,2020(05):103-108+113.

[3]李焕运,景玉兰,张瀚等.基于变形倾度的高心墙堆石坝坝顶开裂影响因素分析[J].中国农村水利水电,2022(02):128-133+139.

[4]宗佳敏,李小群,刘斯宏等.某水电站混合坝接头坝顶开裂成因分析[J].水利水电技术,2017,48(07):54-58+115.DOI:10.13928/j.cnki.wrahe.2017.07.009.

[5]熊祎滢,刘春,刘恒等.水力耦合围岩数值模拟现状分析[J].四川建筑,2023,43(04):188-189+197.

[6]周雄雄. 高心墙堆石坝湿化变形与数值模拟方法研究[D].大连理工大学,2021.DOI:10.26991/d.cnki.gdllu.2020.003664.[21]杨秀芹. 基于不同蒸散假设的区域水资源量计算[J]. 水电能源科学, 2013, 31(3): 11-14.