香山水库浆砌石重力拱坝裂缝成因分析

华日海

（河南省新县水利局，河南 新县465500）

1 工程概况

香山水库位于大别山北麓，河南省信阳市新县县城东南6 km处，淮河水系潢河田铺河上。水库控制流域面积 72.8 km2，总库容 8 385 万 m3，是一座以防洪、城市供水、发电为主，结合灌溉、水产等综合利用的中型水库。水库建成于1972年，由于位置重要，被省水利厅列为全省25个重点中型水库之一，按大型水库运行管理。

水库主坝为浆砌石重力拱坝，坝顶高程168.00m，最大坝高65.5m，防浪墙高1.05 m，防浪墙顶部高程169.05 m，坝顶长 214.0 m，坝顶宽 5.5 m，坝轴线处半径R=172 m，最大中心角度71°17'12''。大坝上游面混凝土防渗面板厚度为: 高程 102.50～136.00 m间 2.15 m， 高程 136.00～150.00 m 间 1.5 m， 高程150.00～159.54 m 间 0.75 m。 坝体内 108.00 高程处有一 2.5 m×3.5 m 城门洞形廊道。 河南“75·8”洪水后，经对水库大坝坝体进行稳定复核，原坝体设计断面不满足规范要求。1975年除险加固在坝后坡113.00～135.00 m 高程间加砌 4 m 宽 100 号浆砌石配重（见图1），以确保主坝安全。

2 裂缝特征

裂缝发生于20世纪90年代中后期，逐步形成目前状况。

坝体靠右坝肩和中部附近各出现3条明显的横向裂缝，缝宽4～6 mm，走向与坝轴线近于垂直，无错位，有扩展之势，各裂缝位置及特征见图2和表1。

图1 大坝横断面图Fig.1 Cross section of the dam

3 裂缝成因分析

3.1 坝体应力分析

香山水库主坝为浆砌石重力拱坝，采用多拱梁应力分析法进行计算（采用水科院编制的五向调整多拱梁法程序ADASO计算）。坝体容重取实测确定数据 20.5 kN ／m3。

图2 坝顶裂缝位置示意图Fig.2 Distribution of the cracks on the dam crest

表1 裂缝位置及特征表Table 1 :Location and characteristics of cracks

（1）计算参数

计算考虑以下几种荷载：坝体自重、上下游面的水压力、扬压力和上游面的淤沙压力。计算参数如下：设计洪水位 166.41 m，相应下游水位 108.00 m；校核洪水位 167.50 m，相应下游水位 108.80 m；多年平均气温27.6℃，一月平均气温2.0℃，七月平均气温15.2℃；淤沙高程 114.00 m,淤沙净容重 7.0 kN／m3,内磨擦角 12°；砌体弹性模量 5.0 GPa，热胀系数 0.5×10-5／℃；基岩弹性模量 20.0 GPa。 坝体容重取实测确定数据 20.5 kN ／m3。

（2）计算工况

工况1：设计洪水位+温升

工况2：校核洪水位+温降

从表2可看出，大坝总体应力水平低，最大压应力 1.6 MPa，最大拉压力 0.7 MPa，满足规范中浆砌石容许压应力3.9 MPa,拱坝控制拉应力0.7 MPa的要求。也就是说，坝体在容许的应力范围内，一般不会产生应力裂缝，坝体结构是安全的。那么坝体横向裂缝究竟是如何产生的？下面再从坝体质量和坝肩质量进行分析。

3.2 坝体质量分析

由于坝体当年施工时质量控制不严，加上30余年的运用，目前坝体存在如下主要问题。

（1）坝体孔隙率高

香山水库拱坝是在文化大革命时期修建的“三边”工程，施工质量很差。根据当时专门组织的“三组现场试验”资料，砌体容重仅达到22.0 kN／m3、21.9 kN ／m3、21.5 kN ／m3，均未达到设计要求的 23.0 kN／m3。不满足设计要求。

大坝施工时没有采用座浆法，层间结合很差，有些块石间根本没有胶凝材料，甚至整个手掌可以伸进去。砌石体石块较小，且未清洗干净；水泥来源混杂，砂浆强度低，尤其是 135.00～140.00m 高程砌筑时，用磨碎的砖粉代替水泥，掺入量高达20%～30%，所以砌体强度远未达到设计要求。1975～1979年进行加固灌浆，钻孔160孔，进尺7000 m，中部160 m长的坝段灌了1 752 t水泥，多处灌浆孔不起压，单位耗灰量最大达1 360 kg／m，因资金不足，大多数孔未达到灌浆结束标准即封顶，处理很不彻底。

据现场检查，发现廊道内出现了几条砖红色、灰褐色析出物，经检验为掺在胶凝材料中的红砖粉、灰砖粉被渗水带出。

为了测定坝体实际容重，2001年11月，在坝后135.00 m高程平台处挖了3个试坑。经实测，3处坝体容重分别为 20.697 kN／m3、20.502 kN／m3和21.100 kN ／m3，平均 20.74 kN ／m3，小于设计容重。由于试坑位置接近下游面，受库水溶蚀影响相对较小，而且位于1975～1979年加固处理扩大的坝体断面上，其施工质量高于原坝体，故坝体内实际容重应更低。经有关专家综合分析，坝体现有实际容重只能取20.5 kN／m3。坝体空隙率高，使坝体的力学特征、坝体的容重降低，导致坝体强度、自重荷载减小，影响大坝的稳定性。

表2 多拱梁应力计算成果表（单位：MPa）Table 2 :Calculation results of stress of multi-arch-cantilever

（2）上游坝面混凝土防渗面层渗漏严重

大坝上游混凝土防渗面板的浇筑质量均较差，浇筑过程中即发现山坡渗水通过防渗面板反向流入库区（6～11号仓）；大坝建成蓄水后，坝体渗水就很严重，最大日均漏水量达 6.5 L／s（1975 年 8 月），廊道内犹如倾盆大雨，个别部位出现射流现象。经1975～1979年坝体灌浆加固，渗水现象有所减弱，1982年3月漏水量降至5.5 L／s。但随着溶蚀的逐渐发展，漏水量又逐年增加，1992年基本又恢复到灌浆前的水平，尤其是近几年来，大坝渗水呈愈演愈烈之势，高水位时，廊道内渗水严重，个别部位出现 “下雨”现象。据现场观察发现：当库水位达160.00 m 时， 大坝背坡 136.00～138.00 m 高程之间及152.00 m高程附近有明显的漏水带。经钻取混凝土芯样检查，发现骨料中有砂浆充填不饱满现象，且其中1个芯样混有泥土团，说明当初混凝土施工质量控制极不严格，存在安全隐患。

（3）坝体溶蚀现象严重

水质分析显示，库水为中性极软淡水，容易发生溶蚀，同时库水含游离、侵蚀 CO2（3.44 mg／L），有弱侵蚀性。坝体的空隙率大、渗流条件好，混凝土和砂浆中的钙质源源不断地被渗水带出来，在坝体主廊道四周形成大量乳白色钙质析出物 （经化验，主要成分为CaCO3），还有少量锈黄色固体析出物，虽经多次清理仍析出不止。廊道顶部多处形成钟乳石，相应的底板处形成石笋，生长速度很快，清理后几个星期就重新出现。据管理人员介绍，这些析出物每年需清理2～3次，析出量约4 m3，据推算，多年来渗出的析出物总量高达90 m3，在很大程度上降低了主坝浆砌石材料的强度，对大坝的结构稳定极为不利。

坝体上述三大严重问题的存在，使具有弱侵蚀性的渗水轻易穿过大坝防渗面板，对坝体进行侵蚀，通过坝体空隙，把混凝土和砌体砂浆中的钙质带出坝外。在长期渗透压力作用下，砌体砂浆溶蚀越来越严重，孔隙率越来越高，渗漏量越来越大。如此恶性循环，势必造成坝体力学特性发生变化，结构强度明显不足，抗裂性能大大降低。因此，有严重质量问题的坝体根本承受不了规范要求的0.7 MPa的拉应力，在荷载作用下，当坝体横向拉应力超过其实际抗裂强度（小于0.7 MPa）时，便产生裂缝。这是坝体产生裂缝的主要原因。

3.3 坝肩质量分析

两坝肩岩体均为弱-微风化粗粒花岗岩。在左、右岸坝肩0+003、0+014的地质剖面钻探中，表层3～7 m深度内为强风化粗粒花岗岩，中、底部为弱-微风化粗粒花岗岩，属良好基础岩体。

右坝肩157.00 m高程以上及左坝肩上部，岩石风化强烈，裂隙发育。钻孔压水试验表明，右坝肩157.00 m 高程以上 ω=0.279 L／m·m·min， 左坝肩167.20～142.00 m 高程 ω=0.029-0.240 L／m·m·min，呈中-强透水性。当年施工时，岸坡接触面处理得不好，特别是左岸山坡在高程140.00 m以上基本没有挖齿槽，只稍加清理即浇筑混凝土面板，左岸高程135.00 m以上及右岸与岸坡结合部位工程质量均不合格，致使两坝肩山坡局部出现严重绕渗现象。

拱坝属高次超静定结构，坝肩岩体的变形将造成坝体的内力重分布。由于左、右坝肩绕渗严重，长期受到渗水压力的作用，坝肩岩体的力学特性（强度、弹性模量、抗剪指标等）发生了变化，加上岸坡处理得不好，坝肩岩体的承载能力有所降低，致使坝体应力发生变化，进行重新调整，以达到新的平衡，靠近绕漏严重的右坝肩的坝体出现裂缝就说明了这一点。这也是坝体产生横向应力裂缝的又一个原因。

4 加固处理

裂缝的产生破坏了坝体的整体性，危及坝体结构安全。裂缝成因决定了除对裂缝进行防渗补强加固处理外，还需对坝体和坝肩进行加固处理。经综合分析、方案比较，决定采取以下主要措施：①坝体补强加固灌浆；②重新在原防渗体表面浇筑一层厚600 mm的C25混凝土防渗面层；③结合坝顶灌浆对裂缝进行封闭处理；④两坝肩采用帷幕结合固结灌浆进行处理。