深厚覆盖层上高心墙堆石坝坝顶开裂特征及原因研究

高志良，张 瀚，熊 敏

(1.国电大渡河流域水电开发有限公司库坝管理中心，成都 614900； 2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

0 引 言

随着国内外高土石坝工程的大量兴建，针对土石坝的研究不断深入，而应对土石坝施工运行中出现较多的坝顶裂缝问题的研究已经成为一个重要的课题。在国内，据不完全统计，在大型水库大坝出现的质量问题中，土石坝裂缝方面的问题大约占了39%，裂缝已成为土石坝常见的质量问题及引发土石坝失事破坏的主要原因之一[1]。

实际工程中，由于坝基与坝体、岸坡与坝体、刚性建筑物与坝体、坝体各部位之间的不均匀变形，坝面碾压后长时间暴露于极寒或极热天气，蓄水速率过快等原因，土石坝可能产生纵向、横向、龟状和水力劈裂等裂缝，这极大地限制了水库的综合效益，甚至引发溃坝，因此探讨裂缝的形成机理、产生原因及发展预测等是当前土石坝研究的重要课题。目前常用心墙防渗料的室内抗拉强度试验[2,3]、离心模型试验[4]对裂缝的开展机理进行研究，其中以根据三轴拉伸试验结果得到压实黏土随室压变化会呈现张拉、张拉-剪切、剪切三种破坏形式最为常用。变形倾度法和等价梁法[5]是土石坝裂缝较为常用的估算方法，但二者的计算均需基于大量监测资料，且难于预测裂缝的发展。近年来常用无单元法[2,6]、有限元法[7-10]、离散元法[11,12]等数值模拟对土石坝裂缝的形成原因及演变规律进行研究，但各种方法均有其优势和局限性。无单元法只需要结点信息即可建立离散模型，但其缺少理论基础和严格的数学证明，且计算时间长、效率低，存在一些未确定的参数；有限元法以连续介质为基础，而裂缝扩展为非连续变形问题，需在计算时不断调整网格以适应新的计算域，使得计算量庞大且技术难度高；离散元法受块体形状所限，在模拟裂缝扩展时的开裂路径只能沿块体边界，计算结果依赖于网格划分。

本文针对土石坝建设和运行中出现的坝顶裂缝问题，结合国内某已建砾石土心墙堆石坝的坝顶裂缝工程实例分析，深入分析坝体裂缝开展和分布特征，并同过序列特征分析、数学建模、物探等方法，深入探讨了顶裂缝开裂原因，提出处理和预防措施，以求对同类坝的设计与运行提供参考。

1 工程概况

某砾石土心墙堆石坝，坝顶高程856.00 m，最大坝高186 m，坝顶长540 m，正常蓄水位850.00 m。坝体断面主要分为砾石土心墙、反滤层、过渡层和堆石区4个区。反滤层与坝壳堆石间设过渡层，过渡层与坝壳堆石接触面坡度为1∶0.40。坝基采用两道混凝土防渗墙全封闭防渗，心墙与两岸基岩接触面上铺设3 m厚的高塑性黏土，在防渗墙顶、廊道周围和心墙底部也铺设高塑性黏土。坝基河床覆盖层厚度一般40～60 m，最深77.90 m，且夹有砂层透镜体，层次结构复杂，厚度变化大，颗粒大小悬殊，缺乏5～0.5 mm中间颗粒，局部架空明显，透水性强且均一性差，存在坝基不均匀变形、渗漏、渗透稳定及地震时砂土液化等工程地质问题。此心墙堆石坝的典型剖面图和坝顶结构图如图1、2所示。

图1 大坝典型剖面图(单位：m)Fig.1 Typical section of the dam

图2 坝顶结构剖面图(单位：m)Fig.2 Dam crest structure profile

2 坝顶历次裂缝情况

2010年8月26日，在临时坝顶坝轴线下游6 m附近桩号0+249.8～0+261.26 m、0+354.9～0+375.7 m段发现两条非连续纵缝，最大宽度约3 cm。8月29日裂缝起止桩号为0+181～0+414 m，随后左端头于2010年11月23日和2011年1月12日分别延展至0+143和0+108 m；右端于12月27日延展至0+484 m。2010年10月4日，在原裂缝上游约1～1.2 m发现基本平行于原裂缝的新裂缝。

为探明裂缝深度，施工单位于2010年8月27日、10月12日和10月14日在现场进行了挖坑检查，坑探裂缝最大深度约1.5 m。经采用高密度电法和地质雷达两种测试方法对坝顶平面的裂缝发育进行测试，测试结果显示大坝主体结构稳定，各结构层区内密实度均一性较好，没有因裂缝发育而导致的明显揉皱、错层和塌陷等现象，剖面裂缝发育深度在1～2.5 m范围，为浅表层裂缝发育。

2012年10月永久坝顶施工后，在2014年9月27日发现坝顶下游侧和坝轴线纵向裂缝有发展迹象，坝顶下游侧裂缝区域及坝轴线裂缝与施工期坝顶裂缝位置基本一致。

3 裂缝成因初步分析

3.1 永久坝顶形成前裂缝原因分析

通过探坑检查和物探的结果分析，认为产生2010年和2011年坝顶下游侧纵向裂缝的原因可能有以下两点：①初次蓄水期在高水位时，蓄水水位以较快的速度上升而造成局部坝体变形过大和变形分布不均匀。②车辆频繁过坝扰动。从蓄水过程来看，快速蓄水后不久就在临时坝顶发现了裂缝。2010年8月13日水位达到高程832.4 m，随即开始快速升高，至2010年8月27日达到高程842.4 m，2010年8月26日发现第一次裂缝。2011年9月6日，库水位在高程819.75 m之后快速上升，2011年10月8日达到高程848.29 m，2011年10月9日发现第二次裂缝。

心墙坝外部变形监测成果表明：蓄水后上游坝壳产生湿陷变形，心墙及上游坝体高程790 m以上有向上游位移趋势；随库水位升高下游坝体向下游位移。截至2012年8月蓄水后坝顶向上游最大位移为209.31 mm，发生于桩号0+077.96 m、坝轴距0-004.90 m处；下游坝坡向下游最大位移为569.88 mm，发生于桩号0+500.75 m、坝轴距0+115.90 m处，其中上游坝坡位移与库水位变化相关性较好。

在0+178.00～0+360.00 m区间河床坝段，坝顶上游侧沉降最大、中部次之，下游侧最小，中部与下游侧沉降变形梯度较大，为3%～5.5%。

上述坝体沉降变形梯度较大和在顺河向位移差别较大，并与库水位变化相关是产生坝顶纵向裂缝的主要原因。

3.2 永久坝顶形成后裂缝原因初步分析

3.2.1 库水位运行情况

2016年6月13日开始第7次蓄水，2016年10月9日蓄水至850 m高程，10月11日水位开始消落，截止2017年4月23日，水库水位为797.11 m。

水电站历年水位日变幅存在超过设计值的现象：在2012-2017年库水位上升过程中，各年的水位日变幅均存在超限现象，其中超限天数分别为4、12、15、10、10 d，日变幅最大值分别为2.16、2.41、3.36、3.47、3.65 m。库水位日变幅情况见图3和表1。

图3 库水位过程线及日变幅图Fig.3 Curve of reservoir water level and it’s daily range

表1 水库水位上升日变幅超限天数统计表Tab.1 Statistical table of daily range over-limit days of reservoir water level rising

3.2.2 监测成果分析

(1)坝顶变形监测仪器的布置。①坝顶永久变形监测点。坝顶上游侧 坝0-007 m、中部坝0+000 m、下游侧坝0+007 m 3个纵断面分别埋设10、10、9 个外部变形观测墩，上游侧为TP1～TP9(LD1～LD9)，TP39(LD39)位于桩号洪道挡墙上，坝轴线测点为TP55～TP64(LD55～LD64)，下游侧为TP10～TP18(LD10～LD18)，采用前方交会法观测水平位移。坝顶变形测点布置情况如图4所示。②坝顶裂缝临时观测点。为了监测坝顶裂缝发展状况，在坝顶下游侧裂缝(坝0+005 m)桩号0+115～0+440 m，设置11个临时观测点，在坝顶轴线位置(坝0+000 m)桩号0+187.84～0+234.14 m和桩号0+308.5 m～0+419.0 m，设置2个临时观测点。

图4 坝顶变形测点示意图Fig.4 Diagram of dam crest deformation measuring points

(2) 坝顶水平位移。坝顶水平位移监测以2009年10月27日为观测基准值，从监测成果可知，坝顶上下游水平位移变化不一致，存在水平位移差。截止2017年4月23日,选取典型断面桩号0+240断面(河床部位)，坝顶上游侧堆石区顺河向累计水平位移量为14.50 mm，下游侧堆石区顺河向累计水平位移量为60.42 mm，下游侧水平位移较大。从测点TP4X、TP5X、TP13X、TP14X(X表明监测方向为顺河向)位移过程线可知，上游侧与下游侧存在位移差，随着库水位呈现升降变化，整体呈现向下游缓慢位移趋势。2016年9月23日-10月9日，桩号0+240断面，上游侧堆石区顺河向水平位移量为15.43 mm，下游侧堆石区顺河向水平位移量为33.45 mm，下游侧堆石区向下游方向位移量最大，上游堆石区与下游堆石区顺河向水平位移差达18.02 mm，这位移的不同步性与坝顶纵向裂缝发展存在一定的关系。

图5 0+240断面坝顶水平位移过程线Fig.5 Horizontal displacement curves of dam crest of 0+240 section

图6 0+310断面坝顶水平位移过程线Fig.6 Horizontal displacement curves of dam crest of 0+310 section

以0+240断面TP4测点为例，对水平位移进行回归分析，取效应分量为水压、温度、时效，其模型可构造为如下形式：

Y(t)=F1[H上(t)]+F2[T(t)]+F3[θ(t)]+C

(1)

上述模型中各分量的函数形式主要通过相关理论及类似工程经验拟定。按上述模型，根据大坝变形测值序列进行回归分析，即可确定模型各参数。回归结果如图7、图8，可得到水位分量是造成大坝水平位移的最大影响因素。

(3)坝顶垂直位移。大坝坝顶自2009年10月27日开始监测，坝顶上下游沉降变形不一致，存在沉降差。截止2017年4月23日，桩号0+240 m断面，坝顶上游侧堆石区累积沉降量为1 288.35 mm，中部心墙区累积沉降量为1 191.27 mm，而下游侧堆石区累积沉降量为857.51 mm，中下游累积沉降差达333.76 mm，因此，在坝顶中部和下游侧就有可能因不均匀沉降差较大导致产生纵向裂缝。2016年9月23日-10月9日，上游侧堆石区沉降量为4.29 mm，中部心墙区沉降量为-6.78 mm，下游侧堆石区沉降量为-1.60 mm，上、下游沉降差为5.89 mm,呈现出沉降不均匀的变形，此期间库水位由838.55 m上升至849.47 m，在较高水位运行。坝顶典型断面沉降变形如图9、图10所示，沉降位移见表2(备注：2012年10月至2013年5月因永久坝顶施工无法观测，沉降位移量未计算在内)。

综上所述，大坝在运行过程中由于坝体自重及蓄水作用，坝体上下游产生不均匀沉降和不一致的水平位移，使大坝在水位变化过程中受到拉应力和剪切应力的作用, 土体承受的应力应变超过其抗拉强度或抗剪强度后而发生的3种破坏[13]，导致坝顶产生纵向裂缝。目前坝顶沉降和水平位移仍未收敛，但变形速率明显降低，随着变形的增加，变形差仍会增大，坝顶纵向裂缝有继续增大的可能。

图7 TP4实际测值与回归值对比Fig.7 Comparison of actual measurements and regression values in TP4

图8 各回归分量对比图Fig.8 Comparison of all regression components

图9 0+240断面坝顶垂直位移过程线Fig.9 Vertical displacement curves of dam crest of 0+240 section

图10 0+310断面坝顶垂直位移过程线Fig.10 Vertical displacement curves of dam crest of 0+310 section

表2 坝顶典型断面测点监测位移量Tab.2 Monitoring displacement by measuring point of typical section of dam crest

注：上中游沉降梯度=(上游侧位移量-中游侧位移量)/7 000×100%；中下游侧沉降梯度=(中游侧位移量-下游侧位移量)/7 000×100%。

3.2.3 材料特性分析

(1)坝顶刚性材料影响。永久坝顶施工时，在855 m高程附近铺设有40 cm厚的钢筋混凝土连接盖板，自上游至下游设置三条沉降缝，盖板越过坝轴线延伸至下游2 m位置，下游侧浇筑宽2.15 m，高1.37 m的混凝土电缆沟。在永久坝顶主要为碎石的柔性材料中存在较大面积的混凝土盖板和电缆沟刚性材料，当坝顶上游堆石区、中部心墙区、下游堆石区的沉降差和顺河向产生位移差时，就增大了因坝顶变形不均出现裂缝的概率。此外在坝体与地基的作用下，坝顶刚性材料在蓄水时由于自身变形和蓄水的综合影响，坝顶在前期也会产生不均匀变形。

(2)湿化变形影响。根据材料的堆石的湿化特性，初步分析认为湿化变形是引起坝顶上游侧堆石区沉降量大、中部心墙区沉降量次之、下游堆石区沉降量最小的主要原因。上游堆石区库水位以下部分完全浸在水中，致使上游堆石产生较大的湿化变形，心墙区部分浸在水中，湿化变形次之，下游堆石区未浸入水中，湿化变形最小。根据材料的弹性模量，心墙区是大坝沉降最大的部位，从实际监测成果看，上游堆石区沉降量反而最大，表明堆石料的湿化变形是影响坝顶不均匀变形的原因之一。

(3)坝顶材料特性影响。坝顶的材料特性与坝体材料不一致，难以适应坝体的这种不均匀变形而产生裂缝，而坝体本身材料过渡性较好，设计时充分考虑不均匀变形的可能，适应变形的能力较强，出现裂缝可能很小。综合历年裂缝物探结论均为浅表层裂缝，以及坝顶为临时坝顶或永久坝顶，其材料与坝体材料的衔接性较差，适应变形的能力差等信息，可以推断：坝顶裂缝产生的原因与坝顶的结构形式和材料特性与大坝主体结构特性不一致有密切关系。同时也表明，坝顶虽然出现裂缝，但一般均为浅表层裂缝，裂缝发展深入坝体堆石区和心墙区的可能性不大。坝顶材料一般为碎石填充或混凝土材料刚性或柔性材料，难以适应心墙堆石坝的这种不均匀变形，而心墙堆石坝设计时充分考虑了材料的不均匀性产生的裂缝可能，设计材料碾压密实，过渡均匀，具有较大的适应不均匀变形的安全余度，即使存在较大的不均匀变形差，而不会产生深层裂缝。这与《水工设计手册》[14]中土心墙堆石坝坝顶由于上下游两侧横向位移不相等致使在坝顶产生轴向裂缝很是常见的描述相吻合。

4 结 语

(1)综合历次裂缝情况，裂缝发展时段主要是在每年的10月份左右，裂缝出现前后，库水位均较高且有较大幅度水位波动变化，因此认为裂缝的发展与库水位变化有密切关系。

(2)从监测成果可知，坝顶上、下游水平位移变化不一致，存在水平位移差和不同步变形差；坝顶上下游沉降变形不一致，存在沉降差。致使土体承受的应力应变超过其抗拉强度或抗剪强度后而发生的破坏是产生坝顶裂缝的根本原因，不均匀变形是引起坝顶裂缝的直接原因。

(3)根据土心墙堆石坝垂直荷载作用和材料特性分析认为，上游堆石体的垂直水荷载作用以及坝体材料的湿化变形是引起坝顶不均匀沉降变形的主要原因。

(4)大坝运行过程中由于坝体自重及水荷载作用，坝体产生不均匀变形，导致坝顶出现纵向裂缝。从监测成果可知，变形趋势明显趋缓，但仍未完全收敛，随着时间延长，不均匀变形差仍会继续增大，坝顶裂缝有继续增大的可能。

(5)坝顶的材料特性与坝体材料不一致，难以适应土心墙堆石坝坝体的这种不均匀变形，坝顶变形未完全收敛之前，坝顶裂缝问题可能一直存在，但裂缝深度应该为浅表层。

(6)处理和预防措施：加强坝顶裂缝的巡视检查和观测，及时掌握裂缝的发展状况及规律，分析研究，查明裂缝产生的原因；在高水位时，控制库水位上升和消落的速率，减轻库水位变化对坝顶裂缝的不利影响；提高心墙、斜墙的压实质量[15]。

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