锦屏水库大坝裂缝成因分析及除险加固处理

GXF360 2017-11-10

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锦屏水库大坝裂缝成因分析及除险加固处理

陈文辉

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州 730000)

摘要：锦屏水库大坝1975年建成运行后，多次发现坝体存在纵横向的表层及内部裂缝，经对裂缝成因分析，大坝存在的裂缝主要是由坝体填筑方法不合理及填筑质量差造成的。因无法确定坝体是否存在其他裂缝，仅采用开挖回填、充填灌浆等方法对已发现裂缝进行处理，不能从根本上解决大坝存在的病险问题。建议在大坝原防渗轴线设混凝土防渗墙，墙下坝基进行帷幕灌浆，再造完善的防渗体系，即使坝体内有裂缝存在，也不影响大坝的安全。

关键词：大坝；裂缝；成因分析；除险加固

1 研究背景

截止2014年，我国已建水库97 735座，土石坝占总坝数量的90%以上。据不完全统计，大型水库大坝出现质量问题中，属于土石坝裂缝方面的约占39%，土石坝裂缝后，可造成滑坡、渗水、影响坝体的整体性和抗渗性，严重者甚至溃坝失事。从国外统计资料来看，土石坝发生裂缝也是较多的。据美国J.D 杰斯汀(Justin J.D.)介绍26座土坝的事故案例，列举了80多座溃坝数据，阐述了对102座溃坝所作的分析，由于裂缝滑坡造成的占15.5%[1-3]。锦屏水库大坝1975年建成，1980年发现并处理8条裂缝，2004年先后发现并处理6条裂缝。2016年10月大坝安全鉴定工作中再次发现24条裂缝。因多次发现坝体存在纵横向的表层及内部裂缝，推断坝壳与心墙结合面处有纵向裂缝，不排除存在贯穿心墙的横向裂缝，水库按正常高水位运行时安全风险极高，可能会产生沿裂缝的冲蚀破坏。为此，本文就分析锦屏水库大坝裂缝成因，提出大坝除险加固建议。

2 工程概况

通渭县锦屏水库位于渭河支流散渡河上游的牛谷河上，距离通渭县城以北16 km。工程1959年曾一度动工修建，但仅对两岸进行了部分削坡，原隧洞进出口两端掘进导洞40余m，后因故中断建设。1972年经上级批准又动工修建，1975年9月下闸蓄水。1980年大坝上游坝坡发生滑坡，至1982年11月完成修复；1996年9月—2004年12月对水库进行了续建及除险加固，加高了大坝，至现状规模。工程总库容为1 200万m3，为中型Ⅲ等水利工程。主要建筑物(大坝、输水泄洪洞、非常泄洪洞等)级别为3级。水库设计洪水标准为50年一遇、校核洪水标准为1 000年一遇。水库兴利库容为150万m3，防洪库容为490万m3，死库容为100万m3。大坝坝型为红粘土心墙壤土坝，坝体填筑料为粉质粘土，心墙为红粘土。最大坝高为38 m，防浪墙高为1.2 m，坝顶高程为2 030 m，坝顶宽为6 m，坝顶长为105 m[4]。最大坝高处大坝横剖面图见图1。

锦屏水库坝址河谷宽约60 m，最窄处河床宽 20 m，左、右岸坡坡度分别约为45°、40°，基岩出露高程分别为2 056 m、2 057 m，河流两岸山体宽厚。坝区岸坡及坡脚分布有坡积块碎石土、冲洪积黄土状亚砂土厚约5 m，河床砂卵石层厚约4 m，以上松散覆盖层其结构疏松，易压缩变形、透水性强。下伏华力西期片麻状花岗岩(γ4)，强风化带厚度为0.5～1 m，个别地段达3～5 m，弱风化深度为8～12 m。坝基及两岸坝肩基岩出露，无大的断层，但裂隙比较发育。设计要求清除全部覆盖层，使坝体直接置于基岩上，在河床部位坝基清理至弱分化层花岗岩。但在坝轴线上游40 m左岸坝前坡脚基础为覆盖层，上部5.0 m为冲积洪积亚沙土层，结构疏松，土中含有植物根茎及小孔洞，压缩性大，下部4.0 m为砂卵砾石层，渗透性强。1972年勘测时，大坝已填筑高度约10 m，没采取加固处理措施。故坝基清基不彻底，左岸坡上游留有覆盖层，不符合规范要求。

图1 最大坝高处大坝横剖面示意

原坝肩基岩出露高程分别为2 056 m、2 057 m，施工时清除了强风化岩体，岩性为片麻状花岗岩。在2004年裂缝产生原因分析中提到，左坝肩上缓下陡，上部边坡平均为41.6°，下部边坡为63.1°，变坡点的边坡角为21.5°，大于规范规定值，左岸坡开挖不满足规范要求。坝肩裂隙发育，连通性好。工程未设帷幕灌浆，防渗体系不完善，两坝肩基础处理不满足规范要求。

在大坝施工初期，采用分块填筑，纵向和横向填筑面高差较大。土坝填筑以人力架子车上坝填筑，铺平后，经拖拉机带羊足碾碾压，边角处辅以人工夯实。设计最优含水率为16%～18%，填土干容重为1.6 g/cm3，饱和固结快剪内摩擦角为24°，直接快剪内摩擦角为22°42′。饱和固结快剪粘聚力为16.5 kPa，直接快剪粘聚力为49 kPa。坝体碾压应平行坝轴线方向，不允许垂直坝轴线方向碾压，坝上填筑面不能平起时，必须做好接缝处理工作，纵横向缝结合坡度应不陡于1∶3.0，高差大于1 m的纵横向接缝，应加设坡面结合槽。但1972年坝体填筑时，采用垂直坝轴线分段分块填筑，各段进度不平衡，各坝段碾压密实度存在差异，极易造成结合面填筑质量达不到要求，在结合面处也容易出现裂缝，施工方法不合理。

3 裂缝成因分析

3.1 裂缝发现过程

1980年6月上游坝坡滑坡，随后在坝体修复过程中，上游坝坡2 022 m高程以上发现至少4条纵向裂缝，其中1条呈弧形分布，裂缝宽度在5～40 mm，下游坝坡也在类似部位发现1条纵缝，宽度在10～20 mm，以上裂缝均为旧裂缝，并非滑坡牵动造成。2004年6月2日水库管理人员进行汛前检查，对大坝下游鼠洞进行挖填处理时先后发现6条裂缝，其中1条为坝顶附近的纵向裂缝，5条为近顺河向的横向裂缝，发育在后坝坡，长度为17.2～42.5 m，缝口宽在5～68 mm，结合开挖情况分析深度在5～12.0 m之间。2016年10月在后坝坡靠近左右坝肩及坝体中部不同高程随机布置6个探坑、3个探槽揭示有24条裂缝(见图2～4)，发育裂缝主要有2组，近平行坝线及近顺河向倾角大于80°，延伸长度在3～15 m左右，发育深度大于2 m，仅在探坑2见有裂缝在2 m深度附近消失，表现为张性裂缝，裂缝间距在3～20 m不等，缝口宽在3～20 mm不等，2 020.5 m高程马道以上以及两坝肩附近裂缝较发育。2004年裂缝与2016年裂缝分布见图2。

3.2 裂缝产生的时间分析

分析观测资料可知：大坝在建成初期，坝内已产生裂缝。1980年滑坡修复时处理的8条裂缝，应该在滑坡前就已形成；2004年发现的裂缝，是在1980年滑坡修复后填筑的坝体上产生，通过对2004年的裂缝进行详细检查，裂缝进一步发展迹象不明显，即2004年处理的裂缝没有再次开裂；2016年发现的裂缝，结合沉降观测资料及勘察成果判断，是在2005年后产生。

3.3 裂缝成因分析

工程1959年曾动工修建，但仅对两岸进行了部分削坡，原隧洞进出口两端掘进导洞40余m，后因故中断建设。1972年经上级批准再次动工修建，工程勘测设计时，土坝已填高10 m，输水泄洪洞已打通，并开始衬砌。由于工程已上马，任务重、要求急，采取边勘测，边设计，边施工的办法，未能按设计程序进行。工程虽完成，但工程质量较差，“后遗症”多，留下了许多隐患，造成了大坝产生裂缝。

图2 2004年裂缝与2016年裂缝分布示意(单位：高程 m)

图3 探坑1裂缝

图4 探坑2裂缝

3.3.1 沉降观测资料分析

根据大坝沉降观测资料，大坝沉降观测历经2个阶段，第1阶段即建库初期，在坝顶0+080、0+100、0+120位置安装3个观测点P1、P2、P3， 1981年在大坝滑坡修复工程中挖掉，观测时间为1976—1980年。第2阶段为1983年4月至今，此阶段沿土坝横断面从上至下在坝轴线0+060、0+080、0+100、0+120、0+140位置布设A、B、C、D、E、F等6排观测点，共计33个观测点；根据坝顶0+100位置P2、C100观测点垂直位移观测资料，绘制垂直位移曲线见图5～6。

图5 P2测点累计垂直位移曲线

图6 C100测点累计垂直位移曲线

第1阶段观测仅在坝顶设3个点，观测时间为1976—1980年，初期观测资料显示的沉降变形规律较好，观测数据应是真实可信的。从垂直位移数据分析，在4 a时间里P2点沉降值为871 mm，沉降量是坝高的2.35%，P1、P3点沉降值约为650 mm，沉降量是坝高的1.75%，平均沉降值为723 mm，沉降量是坝高的1.96%。现代坝工界对土石坝的沉降要求是坝体的最大沉降量(包括施工期沉降)不超过坝高的1%，超过该值，坝体就会出现问题。一般坝体最大沉降量出现在坝高1/3～1/2范围内[5]。锦屏水库第1阶段观测点位于坝顶，所显示的仅是坝顶在施工完成后的沉降值，已超过坝高的1.75%。由此推算，坝体最大沉降量在1980年已接近或超过坝高的3%，坝体内部应该有裂缝出现。第2阶段观测，坝顶最大沉降为363 mm，平均沉降为241 mm，是坝高的0.65%，第2阶段的累计沉降量也是很大的。结合2个阶段资料，坝顶平均沉降值为964 mm，沉降量是坝高的2.61%。其量值很大，按土石坝的一般规律推测，坝体因沉降造成破坏的几率极大。坝顶观测剖面C反映，在2005—2015年，沉降一直在持续发展，可能又出现新的裂缝。大坝的垂直位移量极大，坝顶、下游坡持续沉降，没有明显收敛，不符合土石坝沉降的一般规律，坝体存在纵横向的表层及内部裂缝，推断坝壳与心墙结合面处有纵向裂缝，不排除存在贯穿心墙的横向裂缝。

3.3.2 填筑质量及填筑方法分析

1) 建坝初期，在大坝填筑施工时，坝面不能维持平行上升，纵向和横向填筑面高差较大，所以存在纵横坡面结合部位填筑不密实，很难达到设计干密度要求，容易发生不均匀沉陷，故相邻坝段间产生横向和纵向裂缝。

2) 左坝肩上缓下陡，上部边坡平均为41.6°，下部边坡为63.1°，变坡点的边坡角为21.5°，大于规范规定值，致使坝体填土高差不均衡，压缩变形不同，而产生横向斜裂缝，同时，在坝体较大沉陷部位造成坝顶防浪墙裂缝错台。

3) 坝体夯填碾压质量差，坝体填筑时因有已建坝体，采用垂直坝轴线分段分块填筑，各段进度不平衡，各坝段碾压密实度存在差异，特别在接头处可能漏压或碾压不密实，加之已填坝体土料含水量与干容重偏低，汇总已有的检查、试验和勘察资料，坝壳填筑土的干容重极不均匀，介于1.2～1.8 g/cm3之间，干容重小于1.6 g/cm3者占80%，大于1.6 g/cm3者占20%，平均干容重为1.49 g/cm3，小于设计要求值1.6 g/cm3。非饱和的原状样内摩擦角为21°～30°，饱和的原状样内摩擦角为7.6°～18°，饱和状态下内摩擦角小于24°的设计值。坝体填筑指标与设计要求差距较大，坝体土处于松散～稍密状态，填筑质量差；各段夯填土料不同，沉陷不均引起横向斜裂缝。

4) 水库1982年加固处理后，水位一般在2 018 m以下运行，且时间较短；1993年以后，蓄水位提高到2 018 m以上，1998年以后蓄水位达到2 019.89 m，在2 018 m以上水位蓄水时间连续达到7个月，由于水库水位逐年提高，高水位蓄水时间逐年延长，使坝体浸润线抬高，饱和土体高程上移，在浸润线以下的壤土坝体饱和后发生沉陷，加速了原坝体沉陷，以致产生了裂缝。

3.4 裂缝的危害性分析

从裂缝的方向看，大坝发育有纵横向的裂缝；从裂缝的成因看，属沉降裂缝。已发现的裂缝，在2 020.5 m高程马道以上以及两坝肩附近较发育，这些裂缝纵、横向分布，个别有连通现象。裂缝深度，1980年处理的最低点高程为2 019.8 m，深度为9.2 m，2004年处理的裂缝最大深度为12 m，属内部裂缝。从填筑质量和坝顶沉降值分析，心墙填筑比较密实不易沉降，坝壳填筑质量差容易沉降，坝顶已沉降约1 000 mm，大部分是由坝壳沉降发生的，除坝壳自身产生裂缝外，会在坝壳与心墙的结合面处产生纵向裂缝。虽然没有直接证据，按一般规律判断，该裂缝应该是存在的。

本工程位于峡谷地段，坝顶长度为110 m，属窄深峡谷，容易产生横向裂缝，2004年处理的横缝已很深。从施工方法和坝顶沉降值判断，不排除存在贯穿心墙的横向裂缝，坝体存在纵横向的表层及内部裂缝，推断坝壳与心墙结合面处有纵向裂缝，不排除存在贯穿心墙的横向裂缝。水库按正常高水位运行时安全风险极高，可能会产生沿裂缝的冲蚀破坏。

4 已处理裂缝方案及效果分析

4.1 已处理裂缝方案

1) 开挖回填：1980年摸清裂缝延伸情况后，坝体高程2 024 m至坝顶2 029 m坝体全部挖除后重新填筑，在清除坝体时发现2 024 m以下仍有裂缝，施工中进行了开挖回填处理，共处理裂缝8条，裂缝处理最低点高程为2 019.80 m。2004年发现裂缝后，采用开挖、回填加固与勘探相结合的方式，确定下游坝坡自高程2 029～2 006 m范围内清除下游坝坡草皮护坡，对全坝面2 m深度内进行开挖回填并夯实，为进行灌浆处理，在上部形成阻浆盖。

2) 充填灌浆：对翻夯处理后2 m以下较深的裂缝采用充填灌浆处理，灌浆孔沿裂缝布置，在裂缝两端及转弯处布孔，横向裂缝孔距3 m，纵向裂缝孔距5 m，最大深度15 m，最小深度8 m，共布置灌浆孔52个，灌浆孔孔底高程最高为2 020.5 m，最低高程为1 999.3 m，采用人工造孔机械灌浆的方法，灌注粘土水泥混合浆。

4.2 已处理裂缝效果分析

2016年勘察得知，1980年及2004年原裂缝经灌浆及开挖回填处理后，裂缝进一步发展迹象不明显，其表层回填土虽松软，但原裂缝周边仍有与其平行裂缝发育，说明坝体仍有新变形裂缝产生，坝体仍有沉陷变形现象。经对裂缝成因分析，大坝存在的裂缝主要是由坝体填筑方法错误及填筑质量差造成，因无法确定坝体是否存在其他裂缝，特别是左坝肩到大坝中心线有多少横缝、纵缝、缝的走向以及缝宽及缝的尖灭深度等，单一采用开挖回填法、充填灌浆法对裂缝进行处理已不能解决大坝存在的病险。

5 坝体渗流监测及分析

5.1 渗流量监测

大坝渗流至今已观测30 a，经统计，1985年最大渗流量为24 h 58.75 m3，根据年最大渗流量计算化引流量(化引流量计算公式：qr=Q/H1-H2)，年最大渗流量化引流量曲线见图7。

图7 年最大渗流量化引流量曲线

由于大坝运行多年来坝前淤积的淤泥层，形成了坝前长厚的防渗铺盖，土料经过沉降逐年密实等原因，24 h最大渗流量逐年减小，锦屏水库大坝整体防渗效果较好。

5.2 浸润线监测

大坝共在桩号0+080、0+100、0+120位置埋设测压管3排，共13孔，1982—2000年共有 19 a资料，初期每10 d观测1次，1989年通过资料整编分析，认为坝体渗流正常，随后减少了施测次数，即15 d或30 d 1次；从2000年大坝安全鉴定渗流分析成果得出：各断面实测浸润线与设计浸润线基本接近，渗流情况向有利情况发展。

2004年以后，桩号0+080断面Q3测点不能正常观测，补充0+070断面Q3测点观测；在0+080断面与0+100断面新增设0+090断面5个观测点；0+100断面及0+120断面部分测点近年均有不能正常观测点位。

分析2005—2015年的观测成果，本次对比选用2015年7月11日库水位2 019.28 m时实测最高浸润线，作为基础资料；选用观测点位较多的0+090断面，通过观测数据绘制浸润线，见图8。上游水位 2 019.28 m工况下实测浸润线和计算浸润线进行比较显示，实测浸润线高于计算浸润线，渗流形态不稳定，说明低水位运行时裂缝的产生造成了浸润线的抬高。

图8 0+090断面实测与设计浸润线比较

由于锦屏水库最高运行水位为2003年9月的库水位2 021.46 m，除2003年9月—2004年4月水库运行水位为2 020.89～2 021.46 m超过正常蓄水位2 020.80 m运行以外，其余各时段水库运行水位均低于正常蓄水位，多年平均水库运行水位为2 017.73 m。因水库均在低水位运行，尚不能判断高水位运行时坝体裂缝对坝体渗流的影响。

6 建议处理措施

经对裂缝成因分析，大坝存在的裂缝主要是由坝体填筑方法不合理及填筑质量差造成的。因无法确定坝体是否存在其他裂缝，仅采用开挖回填、充填灌浆等方法对已发现裂缝进行处理，不能从根本上解决大坝存在的病险问题，除险加固处理建议2个方案。

6.1 在大坝原防渗轴线设混凝土防渗墙

在大坝原防渗轴线设混凝土防渗墙，墙下坝基进行帷幕灌浆，可再造完善的防渗体系，显著降低下游坝体的浸润线。除险加固完成后，大坝填筑质量差，沉降变形大、变形收敛缓慢的病害仍然存在，在高水位运行时，上游坝坡可能会出现新的裂缝。但即使坝体内有裂缝存在，也不影响大坝的安全。

6.2 大坝拆除重建

彻底处理大坝的这种病害，工程中多用的方法为置换法和挤密法。所谓置换法，就是拆除重建；挤密法，就是利用锤击将钢管打入土中侧向挤密成孔，将管拔出后，在桩孔中分层回填灰土夯实而成，处理深度不超高20 m，挤密法无法达到目的。拆除重建时，新建坝基防渗系统，重新填筑坝体，按现行规范的要求，对坝基、坝体进行设计和施工。

方案一投资低、工期短，便于实施；方案二投资高、工期长，不便于实施。建议采用方案一对大坝进行除险加固。

7 结语

锦屏水库大坝1975年建成，1980年发现并处理8条裂缝，2004年先后发现并处理6条裂缝，2016年10月大坝安全鉴定工作中再次发现24条裂缝。经大坝沉降观测资料分析，大坝坝体沉降量极大，坝顶、下游坡持续沉降，没有明显收敛，不符合土石坝沉降的一般规律。坝体存在纵横向的表层及内部裂缝，推断坝壳与心墙结合面处有纵向裂缝，不排除存在贯穿心墙的横向裂缝。对坝体填筑质量及填筑方法分析，大坝存在的裂缝主要是由坝体填筑方法错误及填筑质量差造成的，现无法确定坝体是否存在其他裂缝。大坝长时间低水位运行，防渗效果较好，渗流无异常，但不能判断高水位运行时坝体裂缝对坝体渗流的影响。水库按正常高水位运行时安全风险极高，可能会产生沿裂缝的冲蚀破坏，单一采用开挖回填法、充填灌浆法对裂缝进行处理已不能解决大坝存在的病险，建议在大坝原防渗轴线设混凝土防渗墙，墙下坝基进行帷幕灌浆，可再造完善的防渗体系，显著降低下游坝体的浸润线。即使坝体内有裂缝存在，也不影响大坝的安全。防渗体系完成后，大坝填筑质量差，沉降变形大、变形收敛缓慢的病害仍然存在，在高水位运行时，上游坝坡可能会出现新的裂缝，但不影响工程的安全。

参考文献：

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[2] 何伟俊.小型水库除险加固设计中需注意的主要问题探讨[J].广东水利水电，2006(3)：57-58,60．

[3] 邹振宇.广东省大中型水库土石坝工程渗漏问题及处理[J].广东水利水电，2006(5)：12-14．

[4] 甘肃省水利水电勘测设计研究院.锦屏水库坝坡裂缝处理方案专题报告[R].兰州：甘肃省水利水电勘测设计研究院，2004．

[5] 南京水利科学研究院.大坝安全监测资料整编与分析[R].南京：南京水利科学研究院，2010．

(本文责任编辑王瑞兰)

Abstract:Since Jinpin reservoir dam has been put into operation in 1975, dam vertical and horizontal to the surface and internal cracks have been found for many times. Through analyzing causes of cracks, dam cracks are mainly caused by unreasonable dam filling method and the poor quality of dam filling technique. Since it is unable to determine whether the dam body cracks exist, only by adopting the method of backfilling for excavation and filling grouting of cracks cannot fundamentally solve the dam seepage path problems. There are some suggestion such as original seepage in dam axis setting concrete cut-off wall, the wall under the dam foundation curtain grouting, reengineering seepage control system .It is also not affected the safety of the dam even a crack in the dam body. Keywords: dam; crack; cause analysis; reinforcement