高土心墙堆石坝裂缝分析及控制措施研究

王富强，杨泽艳

(水电水利规划设计总院，北京100120)

0 引 言

据统计，目前国外已经建成10余座坝高超过200 m的土心墙堆石坝，其中最高的是前苏联的努列克坝，坝高300 m。我国2000年以前建成的土心墙堆石坝多为百米级大坝，最高的是小浪底，坝高160 m。进入21世纪，我国陆续建成了瀑布沟(坝高186 m，覆盖层最大厚度77.9 m)、糯扎渡(坝高261.5 m)、毛尔盖(坝高186 m，覆盖层最大厚度约50 m)和长河坝(坝高240 m，覆盖层最大厚度50 m)等高土心墙堆石坝[1-2]。双江口心墙堆石坝(坝高314 m)、两河口心墙堆石坝(坝高295 m)等也已开工建设，如美心墙堆石坝(坝高315 m)正在开展可行性研究阶段设计研究工作。综合分析工程实践可见，200～300 m级高土心墙堆石坝的筑坝技术已趋于成熟。

然而，小浪底、瀑布沟和毛尔盖等坝在蓄水后，坝顶出现了近似平行于坝轴线的纵向裂缝，引起了我国水电行业的关注和重视。针对该现象，本文总结了国内外坝高超过100 m的土心墙堆石坝裂缝案例，初步分析了裂缝特点及产生机理，并结合高土石坝应力变形特性的研究成果，提出了一套控制坝体裂缝的工程措施。

1 高土心墙堆石坝裂缝特性

从已建工程的实践看，土石坝的裂缝种类较多。按影响因素可分为变形裂缝、滑坡裂缝、干缩裂缝、冰冻裂缝、地震裂缝、水力劈裂缝等。按出现部位可分为表面裂缝和内部裂缝。按裂缝形式则可分为纵向裂缝、横向裂缝和水平裂缝。

坝体变形以及由此引起的裂缝是高土心墙堆石坝区别于低坝的显著特点。变形裂缝主要有纵向、横向和水平裂缝等，多表现为表面裂缝。纵向裂缝大致平行于坝轴线，常出现在坝顶和上、下游坝坡，缝宽一般较大，主要是由于坝横断面上坝身、坝基各部分变形不协调引起。横向裂缝大致垂直于坝轴线，常出现在陡岸坡、局部地形剧烈变化或坝下埋管等部位，若裂缝贯通防渗体，则危害较大。水平裂缝主要由于坝身、坝基的不均匀沉降引起，如果裂缝贯通上、下游，可能形成集中渗漏通道。

表1列出了国内外出现裂缝的高土心墙堆石坝以及坝体裂缝特性[3]。从表1可以看出，1940年至今，几乎每个年代均有高土心墙堆石坝出现裂缝，这些出现裂缝的大坝在发达国家和发展中国家均有分布。统计显示，直土心墙与斜土心墙、建设在覆盖层与基岩上心墙堆石坝均有可能出现裂缝。

表1 国内外高土心墙堆石坝裂缝特性统计(坝高大于100 m)

2 坝体裂缝成因与机理

从上述12座高土心墙堆石坝裂缝特性分析，水平裂缝案例不多且多发生在土心墙部位；主要裂缝为变形引起的纵、横向裂缝，主要原因可大致分为3类：

(1)坝体碾压密实度差。20世纪40～60年代建设的坝，心墙多采用碾压方式填筑，但坝壳堆石料则主要利用抛填或水力冲填方式填筑，即便采取碾压方式，铺层厚度也很大，碾压激振力不大，碾压遍数有限，且不加水。因此，坝壳密实度通常低于心墙，有些工程的上、下游堆石体密实度差异较大，导致坝体不均匀沉降，从而产生裂缝。

(2)大坝建基于深厚覆盖层上。表1中，我国瀑布沟、毛尔盖和小浪底坝，印尼的贾提路哈尔坝均建基于覆盖层上。尤其我国的3座坝，心墙和坝壳料均采用现代碾压技术，坝体上、下游的填筑密实度差异并不大，产生裂缝的原因可能与坝基覆盖层的不均匀变形有一定关系。

(3)过快的坝体填筑速度或蓄水速率。坝体填筑速度过快、蓄水速度过快或者库水位快升骤降可能会引起坝体局部变形过大，出现不协调变形甚至裂缝。因此，控制水库水位上升或下降的速率也非常重要。

因此，高土心墙堆石坝裂缝的产生与坝体的变形，特别是不均匀变形存在密切关系。坝体横向裂缝主要由于岸坡段坝体与河床段坝体的不均匀变形引起，纵向裂缝则通常由于坝壳堆石与心墙的不协调变形产生，而心墙水平向裂缝则可能由于水力劈裂导致。从裂缝控制的角度分析，坝体变形控制与变形协调是避免高土心墙堆石坝裂缝的根本措施。

3 裂缝判别与模拟方法

变形倾度法是土石坝工程中常用的裂缝估算方法之一，由我国南京水利科学研究院等单位的一些学者根据实践经验提出，其原理如图1所示。对于同一高程的a、b两个观测点，两点间的水平距离为Δy，mm；两点测得的沉降分别为Sa、Sb；两点间累计沉降差ΔS，mm；a、b两点间的变形倾度γ则可定义为

(1)

假设土层ab发生破坏或产生裂缝的临界倾度为γc。如果通过式(1)计算的倾度γ>γc，则认为该处的土层要产生错动破坏面；如果γ=γc，则该土层处于极限状态；如果γ<γc，则认为该土层不会发生破坏。根据工程经验和试验成果分析，一般认为γc取1%是基本合适的。

图1 变形倾度法原理

变形倾度法主要根据实测的沉降资料来预测坝体裂缝，一般需要较为详细的监测资料，无法在工程前期设计阶段预测裂缝的发生，因此也难于通过分析采取针对性的工程措施。

彭翀等[4]在有限元计算程序中嵌入变形倾度计算模块，发展了基于有限元计算的变形倾度有限元法。变形倾度法简洁实用，与坝体变形计算的有限元方法耦合，可以预测坝体是否产生裂缝。因此，变形倾度有限元法可作为工程前期设计阶段分析和估算坝体裂缝的辅助手段。针对预测的易产生裂缝的区域，可以采取针对性的工程措施。

4 坝体裂缝控制措施

在糯扎渡、双江口、长河坝等高土心墙堆石坝的论证与建设过程中，相关单位开展了大量的大坝应力变形计算。计算分析成果显示，心墙与坝壳的变形不协调是高土心墙堆石坝的显著特点之一，坝体不同区域的变形不协调是导致表面裂缝的主要原因。因此，结合高土心墙堆石坝变形规律和已有工程经验，本文提出了以“控制变形差异”为重点的裂缝控制措施：

(1)控制坝基不均匀压缩变形。对于坝基压缩性大、可能液化的软弱夹层，应采取挖除措施；坝基中软弱土层经分析后可采用振冲、旋喷等加固处理；心墙基础覆盖层中可进行深8～15 m的固结灌浆。

(2)控制坝体及坝基结合部位的变形差异，使心墙基础与岸坡、坝壳与岸坡山体平顺连接。

(3)优化结构分区、坝料级配、孔隙率和干密度等，确保坝体各分区的变形协调，并考虑坝料湿化变形和流变变形的影响。

(4)严格控制坝体填筑质量。坝面填筑应尽可能平起，避免过多的坝体接缝；避免防渗体土料出现横向接缝；严格控制防渗体冬、雨季施工质量。

(5)严格控制坝体填筑速度，结合监测资料进行综合分析，在坝体沉降基本稳定后进行坝顶结构施工。

(6)严格控制蓄水速率，设置必要的观察水位；可每隔20～30 m设置一个蓄水观察水位，停留5～10 d进行观察，如无异常则继续下一蓄水过程；对于高土心墙堆石坝工程，初期蓄水过程的水位上升速率可按不大于1 m/d或1.5 m/d控制；中、后期蓄水过程适当放缓，按不大于1 m/d或0.5 m/d控制。

(7)重视坝顶结构分区设计，并从坝料分区、填筑指标等方面研究可行的浅层裂缝的控制措施。

(8)提出限制库水位快升骤降的运行要求，以减少对坝体变形的不利影响。

5 结 语

本文系统总结了国内外发生裂缝的高土心墙堆石坝工程案例，并初步分析了裂缝产生的原因与机理。研究表明，土心墙与坝壳堆石之间填筑实度相差较大、坝基深厚覆盖层不均匀变形、坝体填筑不均衡上升及库水位快升骤降是高土心墙堆石坝裂缝的主要原因。

结合高土心墙堆石坝变形规律和已有工程经验，提出了一套包括基础处理、结构分区、坝料设计、坝体填筑、质量控制、水库蓄水、坝顶结构等方面，以“控制变形差异”为重点的裂缝控制措施，供土心墙堆石坝工程参考。

参考文献：

[1] 张小春. 长河坝水电站深厚覆盖层超高砾石土心墙堆石坝关键筑坝技术应用[J]. 水力发电, 2016, 42(10)： 5- 8．

[2] 艾永平. 糯扎渡水电站工程建设技术要点评述[J]. 水力发电, 2012, 38(9)： 9- 11．

[3] 中国水电工程顾问集团有限公司， 水电水利规划设计总院, 中国水利水电科学研究院, 等. 高土心墙堆石坝变形和裂缝控制研究 [R]. 北京: 中国水电工程顾问集团有限公司, 2014．

[4] 彭翀, 张宗亮, 张丙印, 等. 高土石坝裂缝分析的变形倾度有限元法及其应用[J]. 岩土力学, 2013 (5)： 1453- 1458．