乌井水库坝顶纵向裂缝变形监测与分析

王乐芹，胡松涛，章李乐，林太清，戴国强

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.江西省水利科学院，江西 南昌，330029；3.南昌市水利规划设计院，江西 南昌，330009）

0 引言

裂缝是土石坝十分常见的一种安全隐患，国内外已见报道的水库大坝都已经非常多，如社上水库大坝[1]、白莲河水库[2]、小浪底水库[3]、佛寺水库大坝[4]。分析土石坝坝顶纵向裂缝的变形规律、影响因素，探讨裂缝的形成机理及其发展趋势、研究防治措施，是土石坝安全风险管理和控制的重要课题。

顾淦臣[5]1982年根据裂缝的调查和土石坝变形观测总结出一些土石坝的裂缝类型和成因，并提出通过提高土石坝的压实质量来减小大坝变形以防止裂缝的产生。近年来随着早期建设的一系列大坝的除险加固和新建的一大批高土石坝在完工后出现了大量的裂缝，土石坝裂缝问题得到了许多学者的关注和研究，总结起来现阶段主要通过监测分析[1，2]、[6～9]、室内试验[10，11]和数值分析[12～16]3种方法进行分析研究。

根据江西省的调查[17]发现，许多土石坝在除险加固中增设混凝土防渗心墙后，出现了坝顶纵向裂缝的现象。裂缝的出现和扩展增加了土石坝的安全风险，受技术和经济等因素的限制，在役的许多中小型水库土石坝裂缝问题未得到根本的解决。本文针对此情况，以南昌市乌井水库为例，通过监测大坝一个库水涨落周期内的变形进行分析研究，讨论了土石坝坝顶纵向裂缝的变形规律及形成机理。

1 工程概况

乌井水库位于江西省南昌市湾里城区北面高山上，距湾里城区3.0km，是一座以供水为主，兼顾防洪、旅游等综合利用的重点小（1）型水库。该水库始建于1970年，1972年基本建成蓄水。进行过多次除险加固和配套整修，达到现有工程规模。水库枢纽主要由大坝、溢洪道、输水涵管组成。大坝为均质土坝，坝顶高程192.55m（黄海基面，下同），最大坝高45.4m，坝顶长181.0m、宽8.0m。正常蓄水位190.0m，设计洪水位190.0m，校核洪水位190.16m，总库容448.0万m3。除险加固时，对大坝坝体及坝肩进行了防渗加固。坝轴线上增设高喷防渗心墙，防渗墙贯穿整个坝身底部嵌入弱风化基岩以下1.0m，厚度为0.7m，上部为高压摆喷防渗墙，下部为高压旋喷防渗墙，如图1所示。

图1 乌井水库大坝典型横剖面图

2 裂缝情况

乌井水库于2011年11月至2012年5月完成除险加固，2015年水库巡查人员首次发现坝顶路面出现纵向裂缝，2015年～2018年期间坝顶裂缝继续延伸。2018年2月现场检查，裂缝长约132.0m，位置紧靠坝轴线（混凝土防渗墙）前后，裂缝平均宽度3.0mm、最宽处40.0mm，最大错位约4.0mm（见图2和图3）。具体情况如下：

图2 坝顶纵向裂缝分布及变形监测布置示意图

图3 乌井水库坝顶纵向裂缝

①裂缝纵向分布在0+003至0+018，横向分布在坝顶防渗墙后，约15m长，最大缝宽为3mm，裂缝两侧最大错位0.5mm。

②裂缝纵向分布在0+018至0+129，横向分布在坝顶防渗墙后，约111m长，最大缝宽为40mm，裂缝两侧最大错位4mm。

③裂缝纵向分布在0+129至0+135，横向分布在坝顶防渗墙后，约6m长，最大缝宽为3mm，裂缝两侧最大错位0.5mm。

为进一步调查裂缝的深度分布，在坝顶路面沿着裂缝开挖了8个探坑，编号为TK1～TK8，每个探坑间隔约 15m，尺寸为 50cm×50cm，其中 TK3（桩号 0+060左右）为裂缝最宽处的探坑，尺寸为50cm×100cm，裂缝已贯通混凝土路面，且下部垫层发现一条较细小的裂缝，如图4所示。调查后，对裂缝进行了充填沥青处理。

图4 TK3裂缝分布情况

为进一步分析裂缝的扩展规律及其形成机理，2020年3月～2021年3月对裂缝开度进行了一年的运行周期的监测。

3 裂缝开度过程规律分析

从裂缝开度观测过程线可知，如图5所示，自2020年3月5日开始，至2021年2月的观测数据显示裂缝开度变化整体相对稳定，裂缝开度变化与库水位变化敏感性较低。总体而言，随着库水位的上涨裂缝开度发展变化呈现一定的收缩趋势，之后库水位降落过程裂缝开度发展变化呈现张开的趋势。

图5 裂缝开度与库水位的时程变化曲线

4 基于变形倾度法的裂缝扩展规律

4.1 变形倾度法

变形倾度法[18]是由南京水利科学研究院等根据坝体沉降观测资料提出的预测坝体裂缝的一种方法。如图6所示，假如在坝身同一高程处有2个观测点a和b，两点间的水平距离为△y，如在某一计算日期Ti测得的累积沉降量分别为Za和Zb，则定义a和b两点在日期Ti的变形倾度为：

图6 变形倾度法示意图

考虑到为充分利用大坝现有的表面变形监测设施，观测结果处理时与变形倾度法中观测点在同一高程出现冲突而不适用。而常见的土石坝变形监测设施布置时，同一个横断面监测点基本不在一个高程上。如图7所示，假设在坝身不同一高程处的2个观测点a和b，两点间的水平距离为△y，两点间的初始高差为△Z1，在某一计算日期Tj测得的高差为△Z2，则定义a和b两点在日期Tj的广义变形倾度增量为：

图7 改进的变形倾度法示意图

令初始高差即a和b在同一高程，代入（2）～（3）式即得到（1）式的结果。因此不同高程的两个监测点可认为适用变形倾度法。

4.2 变形监测布置

大坝的表面变形监测布置了3个横断面，每个断面迎水坡1个观测点，背水坡2个观测点。具体布置如图2所示，本文选取其中的1-1和2-1、1-2和2-2、1-3和2-3共3组监测点进行变形倾度分析，3组监测点分别与本文分析的3个裂缝监测点在同一个横断面上。

4.3 结果分析

变形倾度法认为变形倾度小于临界值，即认为不会发生张拉裂缝[18]。本工程监测点不在同一个高程，主要通过分析变形倾度增量来探讨现有裂缝的扩展规律，表1为根据乌井水库2020年3月～2021月3月的监测数据，计算变形倾度增量的结果。

表1 变形倾度计算结果

图8给出了大坝变形倾度增量与裂缝开度的变化曲线，监测结果显示3条裂缝的开度随变形倾度的变化规律基本一致。除6月28日监测情况外，其余监测计算结果均显示变形倾度增量的变化与裂缝开度的变化基本一致，即裂缝开度随倾度增量的减小而减小，随倾度增量的增加而增加。

图8 裂缝开度与变形倾度的变化曲线图

5 结论

通过调查和观测资料分析，对乌井水库坝顶纵向裂缝得出如下结果：

（1）坝顶纵向裂缝随着库水位的上涨裂缝开度发展变化呈现一定的收缩趋势，库水位降落过程裂缝开度发展变化呈现张开的趋势。

（2）采用变形倾度法分析坝顶纵向裂缝得出：变形倾度增量的变化与裂缝开度的变化基本一致，即裂缝开度随倾度增量的减小而减小，随倾度增量的增加而增加。

（3）根据监测分析可知，乌井水库大坝坝顶纵向裂缝的扩展受库水位涨落和坝坡表面变形影响，因此建议水库在汛期及库水涨落明显时间段加强对坝顶裂缝的观测和大坝的巡查。