林州市弓上水库右坝头裂缝原因分析及处理方案

□周静静 □叶继业（河南省豫北水利勘测设计院）

□黄 锋（新乡市水利勘测设计院）

1.水库概况

弓上水库位于河南省林州市西南25km，海河流域卫河水系淇河北支淅河的上游，控制流域面积605km2，是一座以防洪、供水、灌溉为主，兼顾发电的综合利用中型水库。水库下游有合涧镇、桂林镇10余万人，地理位置重要。

弓上水库始建于1958年，1960年基本建成，运行期间分别于1961-1966年、1967-1972年、1997年-2001年进行续建及应急加固，达到现状规模。弓上水库防洪标准应为100年一遇设计、1000年一遇校核。水库主要由大坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞四部分组成。大坝为粘土心墙砂壳堆石坝，坝顶高程509.95m，与1000年一遇校核洪水位齐平，相应库容3191万m3；100年一遇设计洪水位为506.39m，相应库容2637万m3；溢洪道位于大坝右端，溢流堰顶高程498.0m，相应库容1600万m3；死水位479.0m，相应库容38万m3。

2.右坝头与溢洪道的连接现状

弓上水库大坝坝体与溢洪道溢流堰连接采用侧墙式连接。连接处溢洪道边墙顶高程509.95m，其中高程505.80m以上为2000年应急加固时加高部分，加高部分为直墙，高4.15m，宽仅为1.0m，粘土心墙与边墙连接部位设混凝土刺墙，刺墙高约1.2 m，长约3.0m，厚 30cm；高程490.0～505.8m坡度为1:0.39，高程490.0以下坡度为1：0.23；上部直刺墙下方设一混凝土斜墙，与边墙未连接，伸入心墙约4.0m，向下与原粘土心墙连接。

3.右坝头裂缝基本情况

3.1 历次处理情况

1964年发现弓上水库右坝头与边墙结合面出现一道横向裂缝。1988年对裂缝进行灌浆处理，效果不好，裂缝依然存在。为查明裂缝特征及产生原因，1990年在坝顶距溢洪道边墙2m处开挖探坑检查，发现心墙最大缝宽3cm，垂直坝轴线向下逐渐变窄，探坑挖深2.5m，未挖到裂缝底部。根据裂缝情况，1999年采用充填灌浆处理，在桩号0+004～0+011之间，布3排孔，每排4孔，排距3m，孔距2m，孔深20m。裂缝处理以后，大坝加高2.65m，至现状坝顶高程509.95m，坝轴线向下游偏移4 m，粘土心墙上部变为粘土斜心墙。2001年上半年完成坝顶工程，坝顶由原来泥结碎石路面变为混凝土路面。

3.2 裂缝现状情况

2002年底坝顶原裂缝位置重新出现裂缝，根据2003-2007年裂缝观测资料可以看出，裂缝宽度持续发展，2007年以来逐渐变缓。

右坝头裂缝平行导水墙开裂，向上下游延伸，坝顶裂缝距导水墙外沿1.03～2.03m，最大裂缝宽度29mm。裂缝向上游延伸穿防浪墙发展为两条，沿大坝钢筋混凝土裹头向下延伸至498 m平台后尖灭，裂缝宽3～8mm；裂缝向下游平行导水墙延展，至493m平台，裂缝处砌石塌陷，变形明显。该裂缝上下游高度不一，从下游看，最大深度达25m。裂缝以位于右坝头桩号0+001附近近似垂直坝轴线的裂缝为主裂缝，另一条斜向西至防浪墙桩号0+008附近为支裂缝。受溢洪道边墙（导水墙）结构形式及粘土心墙中刺墙的影响，主裂缝顶宽29mm，在坝顶处距离溢洪道边墙70～80cm，向下方裂断刺墙及边墙戴帽加高部分，裂缝宽度为17～22mm，然后沿边墙与坝体材料的接触面向下延伸，裂缝深度至高程504.3m尖灭，504.0m以下未发现裂缝。支裂缝深度较浅，在防浪墙基座中裂缝宽度为1～3mm，至防浪墙以下粘土心墙中尖灭。

水库高水位运行时右坝头裂缝，容易扩展、形成渗漏通道，淘蚀坝体内粘土心墙，危及坝体安全。

图1 坝头裂缝及溢洪道边墙现状图

4.裂缝产生原因分析

弓上水库大坝坝体与溢洪道溢流堰连接采用侧墙式连接。根据《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）“土石坝坝体与混凝土坝连接为防止接触面的集中渗流，因不均匀沉降而产生的裂缝，坝体与混凝土坝采用侧墙式连接时，土质防渗体与混凝土面结合的坡度不宜陡于1:0.25”。根据现状坝体心墙与溢洪道边墙接触部位边墙的结构形式，大坝右坝头连接处结合面浆砌石挡墙高程505.8m以下坡度基本满足规范要求；高程505.8～509.95 m边墙为直墙，边度不符合规范要求。

根据裂缝产生过程及探坑检查，结合几次边墙加高形式，分析认为水库建成不久，右坝头出现的裂缝主要原因是填筑质量差，而边墙初建结构是合理的。2000年大坝应急加固后，坝头裂缝产生的主要原因：①2000年对右坝头进行应急加固处理，主要为保证泄流及保护坝坡考虑，原设计在溢洪道上游设导水墙，后来由于投资及施工难度问题改为混凝土裹头方案。而现状弓上水库大坝是经过几次加高而成，大坝粘土心墙位于混凝土裹头下部，心墙与裹头结合面成了倒坡，边墙结构不合理。②在随后大坝的几次加高中，边墙总高度增加3.05m，且高程505.8～509.95m边墙为垂直戴帽加高，直墙段高达4.15m，墙宽1.0m，结构不合理，与粘土心墙结合处边墙坡度不符合规范要求，坝体填料必然与直墙脱离，导致原位置重新出现裂缝；同时边墙未扩宽加固，断面单薄，对其结构稳定复核，断面存在较大拉应力，侧墙容易产生偏离大坝的位移。③2000年大坝下游培厚及大坝加高后，坝顶荷载增加，沉降量增大，加上坝体填筑不均匀、质量较差，发生差异性沉降，加剧了坝顶处裂缝的发展，从下游坝坡变形塌陷情况可以看出。右坝头裂缝在坝面上向下延伸的深度较大，在粘土心墙中的深度稍浅，主要因为坝坡为刚性结构，适应变形能力低，粘土心墙为塑性结构，适应变形能力较强。

5.裂缝部位处理方案

以改善大坝右坝头与溢洪道的连接形式，保证溢洪道边墙稳定，避免大坝出现裂缝致，防止粘土心墙在高水位情况下发生渗漏破坏为原则，对右坝头裂缝部位进行处理。根据右坝头与溢洪道边墙之间裂缝产生原因及《碾压式土石坝设计规范》要求，参照国内类似工程实例，考虑施工难易程度，采取以下措施进行处理：培厚溢洪道边墙，增加刚度；改善边墙结构形式，以满足连接处边坡要求；同时挖除已破坏土体，重新回填。

设计对裂缝进行开挖回填处理，粘土心墙部位开挖底高程497.0m。心墙端部现状边墙拆除至高程497.5m，重新浇筑混凝土挡墙，向上游逐渐降低，与坝面平顺连接；挡墙顶高程509.95 m，顶宽2.0m，坡度同下部挡墙为1:0.39；在心墙与混凝土边墙结合面一定范围内扩大粘土心墙断面。同时，将心墙下游溢洪道边墙加高部分拆除，按现状坡度1:0.39向上加高，墙顶宽2.0m，以改善边墙的稳定性。

6.效益

通过对右坝头裂缝部位进行开挖回填，加大连接段的粘土心墙断面，并对溢洪道边墙进行加固处理后，改善了溢洪道同堆石坝坝体的连接形式，防止了接触部位在高水位工况下的集中渗流，保证了大坝的安全运行，提高了水库枢纽的安全性，保障了水库下游工程设施、耕地及人民群众的生命安全；同时，避免了水库低水位运行，提高了城镇供水和农业灌溉的保证率。