陡河水库土坝震后裂缝检查与分析

2015-03-23刘春秀

海河水利 2015年5期

刘春秀

（唐山市陡河水库管理处，河北唐山 063000）

1 基本情况

陡河水库位于河北省唐山市市区东北15 km处，建成于1956年，坝体为均质土坝，以干砌石护坡，下铺垫层碎石和砂。1971年，水库进行续建，大坝加高2 m，续建后土坝全长6 115 m，坝顶高程41.0 m，最大坝高22.0 m。坝址位于凤山西坡、有活动断裂的陡河阶梯上，包括河床段、一级台地和二级台地，工程地质条件复杂。在坝头与凤山交界处为泥质灰岩，岩层倾向下游，倾角为20～30°。山坡坡脚为砂壤土夹有石块，厚约14 m，大坝坝基表层为厚约7～10 m 黏性土层，下为厚约20 m 的中、细砂层。河床段中、细砂层为承压含水层，与左岸岩石区及右岸一级台地地下水相通，在地下水位以下多呈饱和状态。坝基表层断续存在含有机质较高的土层，共有5段，其中以河床附近及接近二级台地部分较软，建坝时对接近二级台地段软土采取了预压措施。1976年7月28日，唐山地区发生9 度以上的强烈地震，坝体损毁严重，坝面裂缝纵横。为了弄清处于强震区的陡河土坝震害情况，主震过后，立即开展了土坝裂缝的调查工作。

2 检查方法

为了查明裂缝情况，对土坝裂缝先后进行了3次测量：第1 次，在上游有块石护坡、下游有碎石护坡情况下，测绘了1/500裂缝平面图及若干横断面；第2次，拆除护坡露出坝体土层后，每隔50 m测绘了土坝的横断面；第3次，在上游坡每隔50 m挖了1个探槽，测绘了探槽内的裂缝情况。为了进一步查明缝的深度，在探槽底部如果仍有裂缝，打土钻孔以便检查。对暗缝位置，采用电测法进行测量。

3 裂缝分布与产状

3.1 横缝

垂直坝轴线的横缝有100 余条，其中95 条分布在主河槽及一级台地坝段，横缝分布密度统计见表1。缝宽一般为0.1～1.0 cm，少数达1～3 cm，个别甚至大于3 cm。横缝长度贯穿整个坝顶，除3、84、85、87 号4 条横缝延伸到上游坝坡外，一般在坝坡上不见裂缝痕迹。横缝的深度，根据开挖的3 个平行于坝轴线的探槽观察，除3 号缝延伸至32.0 m 高程仍有裂缝外，其他横缝一般延伸不深。

表1 横缝分布密度统计

陡河水库土坝震后横缝产状有两种，分别呈现如下特征：第一种是张拉缝，由于地震力的作用，缝向两侧拉开，无明显的错动迹象，如位于大坝最大沉陷点的3、14号缝。第二种是剪切缝，缝的两侧土体有上下错动迹象，错距0.5～1 cm，如位于一、二级台地过渡段的84、85、86、87号缝。

3.2 纵缝

平行坝轴线的纵缝是土坝主要震害之一。主坝纵缝出现在坝坡上，从桩号0+100 开始一直延伸到1+700，河床段0+130—0+210纵缝密集，其中0+193断面上游坡大小纵缝多达30条。主坝有2个主纵缝带，上游坡在高程32～35 m 范围内，下游坡在高程32.5～35 m 范围内，近似对称分布于坝轴线的两侧上下游马道以上（上游因水库蓄水，马道以下的裂缝无法查清）。副坝下游纵缝位置较高，高程在39～40 m，到2+000断面逐渐由坝坡上升到坝肩，2+000—4+500坝段主要分布在坝顶上。

纵缝一般上宽下窄，其中有18条纵缝（占44%）在探槽底部尖灭成为鬃缝，另有5 条（占12%）上窄下宽。有的纵缝靠坝肩部分裂缝往坝轴方向倾斜或坍塌，缝靠坝轴线一侧的土层均比靠坝脚一侧的土层为低。从探槽观测，最大缝宽达60 cm，有的2 个裂缝之间的土体整体向下塌陷，如果看作1 个裂缝则最大宽度可达80 cm，较宽的纵缝内一般均有细砂、松土和碎石充填，缝的两壁一般粗糙。由于水库水位的影响，探槽仅挖到31 m 高程，近半数裂缝在31 m高程内继续向下延伸。其中，0+167段通过钻孔取样，发现至坝基砂层仍有碎石、石块充填，说明此段纵缝已深达坝基。

3.3 弧形缝

弧形缝是一种滑坡裂缝。0+120—0+200 的河床段，下游坝坡共有3 条大的弧形裂缝。副坝1+960—1+990、2+120—2+150段的下游坡，2+400—2+600段的上游坡都出现这类弧形缝，有滑坡的迹象。

主坝0+167段附近，由于弧形缝的产生，河床段下游坝脚排水沟底较震前抬高1.5 m，沟身向两侧被挤窄，河床排水堆石体表面堆砌的块石被挤隆起。坝顶向下游位移弯曲，有明显的滑坡迹象。从钻孔资料分析，裂缝土层向两侧张开，宽约10 cm，没有上下错动迹象，两侧土层被拉碎，破碎带宽80 cm，坝基高程23.0～25.0 m 是一滑动面。地质资料显示，该高程处为轻粉质壤土，厚2～3 m，其下为软土层，含水量大，抗剪强度低。

3.4 斜缝及暗缝

0+450断面上游坡距坝轴线17.3 m处探槽内发现1 条暗缝。0+750 断面附近拆除护坡后发现在上下游坝坡上各有1 条斜缝，2 条斜缝近乎平行，由坝坡升向坝顶。0+919断面坝顶有1条暗缝，经探槽检查，发现暗缝内绝大部分为坝身土所充填，局部填充浅黄色细砂，这种细砂和上游护坡防冻层细砂相似。缝内土质较松软，松软带周界不十分清晰，最大宽度12 cm，高程31.7 m 处缝宽2 cm，高程31.4 m 处缝宽1 cm。

4 裂缝原因分析

4.1 地质、地形差异

从横缝分布数量看，在大坝与左岸山坡相接段、一级阶地与河床相接段、一二级台地过渡地段裂缝最为密集。在沉陷最小的部位横缝略少一些，在沉陷最大的部位则基本未见横缝。由此可见，产生横缝的主要原因是相邻坝段基础地质和地形相差较大，在纵向产生不均匀沉陷，导致张拉缝的产生。河床段坝基采用截水槽进行防渗处理，截水槽的压缩性小于两侧自然土层，这也是土坝横缝产生的原因之一。如，左坝头0+000处坝顶基本未下沉，而与其相近的0+167 处下沉达1.64 m，此段不均匀沉陷量最大，故横缝也最多。

4.2 设计原因

不同坝段土坝高度不同受到的地震加速度也不同，由于坝坡较陡，坝顶比坝底高度大若干倍，在不同地震惯性力的反复作用下，坝体受到了拉应力。根据有限单元法对坝体应力分析，地震惯性力的方向与坝体内拉应力方向相反，在靠近坝坡上部拉应力最大，达1.5 kgf/cm2。陡河水库大坝抗震设计地震烈度8度，坝体填料的抗拉强度通过28个试样的试验平均为0.14 kgf/cm2、最小为0.07 kgf/cm2，远小于地震所产生的拉应力，因此发生纵向裂缝。坝体受拉开裂后，坝基又产生不均匀沉陷，造成裂缝的偏斜和土层的倾斜。

土坝是大型建筑物，坝底宽度大于地震波的半波长，地震时坝体各部分受地震力的大小及方向极不均匀。在横波的作用下，两块相邻的坝体可能受到方向相反的地震力，因而在坝体断面剪应力设计较薄弱的部位产生剪切破坏，造成平行坝轴线的纵向裂缝。

4.3 施工原因

二级台地副坝段纵缝大部分发生在坝坡的上部，多数与滑坡同时产生。该处坝坡较陡，坝身较低（一般小于8 m），地下水位较深，坝顶沉陷量很小，不容易产生纵向裂缝。二级台地副坝产生纵缝的主要原因为1971年水库扩建时副坝段采用贴坡加宽加高的办法，施工质量低，土料干容重小于1.7 t/m3，新旧坝体结合得不好。在该次震害处理过程中，曾发现多处旧坝坡上的护坡尚未拆除干净。

4.4 坝基液化

大坝基础砂层属于易液化土壤，埋藏位置较浅，在9度地震作用下，地基砂层加载具有突然性，很容易产生液化失稳现象，使基础发生滑动和变形，这些裂缝可能是剪切破坏产生的，也可能是张拉破坏产生的。如，0+167 段的滑坡裂缝就是由于这种原因产生的，加上该段埋藏有软弱土层，容易产生塑流，因而造成排水沟被挤压。而靠近二级台地的软土段，施工前经过预压，则没有产生滑坡迹象。这说明预压施工方法对提高坝基承载力起到一定的作用。

副坝坝基没有产生液化现象，缺少对上部坝体的隔震作用，是副坝段滑坡较多的另一个原因。