宁夏海原南坪水库土坝坝体裂缝原因分析

(宁夏水务投资集团有限公司,宁夏 银川 750001)

由于土颗粒间存在空隙且很容易产生相对移动，因此在坝体自重和水压力的作用下，坝体和坝基都会由于压缩而产生沉降。过大的不均匀坝体沉降会造成坝体开裂，甚至形成漏水通道从而威胁坝体的安全。对于裂缝要根据其性状，分析原因，并根据其危害程度，采取不同的处理措施。目前国内对于坝体严重的裂缝，多采用坝体内部建低塑性混凝土防渗墙，解决由裂缝引起的坝体稳定、渗流等各类问题。

1 工程实例及分析

1.1 工程情况

宁夏海原南坪水库属山区丘陵小型水库，呈东西方向布置，为均质土坝，坝长480m，坝顶高程1603.00m，设计蓄水位1601.00m，最大坝高35m，库容980万m3，死库容138万m3，水库流域面积6.69km2，自2009年蓄水至今，根据用水需求，水库最高蓄水位1593.16m，长期保持低水位运行。目前地表可见部分主要裂缝分布在断面0+105左右两侧，共13条，且输水涵管周围出现两条10.0～20.0mm宽横向裂缝，下游马道处出现塌坑现象，虽经过灌浆处理，裂缝仍有发展趋势，左坝肩存在渗漏隐患。具体如图1所示。

1.2 裂缝原因分析

1.2.1 原始资料查询

a.设计数据与实测数据对比分析。原设计坝顶高程1603.00m，马道高程1593.00m，通过测量坝顶、坝前及坝后马道位置的实际高程，与原始设计数据相比，绘制出坝体断面高程前后变化情况，如图2所示。

图1 坝体后坝坡裂缝示意图

图2 坝体断面高程前后变化

现状测量平均坝顶高程在1602.24～1602.53m范围内，坝顶沉降范围0.47～0.76m；坝前马道现场测量高程1592.34～1592.39m，沉降量范围0.61～0.66m；后坝坡马道现场测量高程1592.70～1592.88m，沉降量范围0.22～0.30m。由此数据可以发现大坝坝前、坝顶、坝后均存在不同程度的沉降，大坝整体明显存在不均匀沉降现象。

b.原坝体处理方式探讨。水库输水涵管穿过坝体左坝头，基础为井柱承台梁结构且嵌入基岩1.0m，经计算复核，基础井柱承载力满足规范要求；输水涵洞采用井柱承台梁结构且嵌入基岩，输水涵管井柱间采用水泥土回填，两侧采用壤土回填。水泥土变形能力[1]较两侧湿陷性壤土变形能力差，在大坝顶部发现，输水涵洞对应处隆起，形成小“驼峰”线。而坝体中间涵管基础易与管身脱离，出现裂缝，该裂缝发展成明显的贯穿裂缝，由此出现接触渗漏。

1.2.2 现场钻探取样试验分析

考虑大坝坝体稳定及实际现状，在坝后进行地勘钻孔取样，本次勘察断面标号分别在1#、2#、3#(对应坝面道路桩号0+400、0+330、0+105)处布置观测探坑，共布置9眼探坑(井)，探坑深度3m，根据取样土的压实度计算绘制出不同高程断面的压实度，绘制同一断面不同高程压实度曲线，如图3所示。

图3 压实度示意图

大坝初步设计要求坝体的断面压实度设计值在98%以上，3号断面位置压实度满足设计要求的仅占44%，1号、2号断面满足设计要求的占80%。在同一高程不同断面的压实度也是不均一的，试验发现在探坑中浅土红色的碾压层极坚硬，干密度较大，而土黄色的碾压层干密度相对较小。查询资料发现3号断面位置下面是输水涵洞埋设位置，而埋设位置主要是水泥土，坝身其他部位均是浅红、黄色的当地均质拌和土。该部位在多次灌浆过程中跑浆较严重，坝体内和输水洞和坝体接触部位存在隐形裂缝。

1.2.3 原坝基坝体处理分析

a.前坝坡分析。由坝体断面高程前后变化图可知，上游坝坡沉降量明显高于下游坝坡，这是因为上游坝坡由混凝土框格支护，内填筑卵石护坡，护坡厚度0.3m，最大冻土深度1.59m，设计上游砌护层偏薄，不能满足抗冻胀要求。卵石粒径小自重小，且无棱角，自稳性较差，风浪冲刷时易发生滚动，淘刷明显；水位在上游马道处浸泡，长期低水位运行，框格受坝体沉降与冻融作用破损严重，故而上游马道存在裂缝明显比下游坝坡多。

b.坝基填筑分析。水库坝址区沟壑比较发育，且切割较深，大坝采用分区回填，施工时坝基处理采用挖除和强夯结合的方式，壤土料场土料填筑在截渗槽及浸润线以下；土料经改性处理后填筑在1598.00m高程以上；对建基面以下的截渗槽、截渗槽上游侧的主沟道采用改性土填筑，设计提出的坝体填筑标准基本合适。大坝坝体于2008年8月开始清基施工，2009年4月即填筑至1598.00m高程(其中包括冬季休工期4个月)，大坝填筑施工速度偏快，不利于大坝沉降控制。

经本次地质勘察，击实试验土样最大干密度在1.87～1.89g/cm3之间，按照压实度98%的要求，土样干密度应在1.83～1.85g/cm3之间，而所取土样实测干密度均在1.45～1.80g/cm3之间，勘测实际压实度范围较大，均匀性较差且压实度无法满足设计及规范要求。

对坝基湿陷性土层和右坝肩采用强夯处理，施工工艺可行，强夯处理深度8m，左岸探井发现均具有湿陷性，湿陷土层厚度3.0～10.0m。坝基一些地段清除表部3m土层后尚有厚度大于8m的湿陷性壤土，因此，认为坝基尚有部分壤土仍存在湿陷性。

2 坝体出现裂缝的主要原因与结论

a.南坪均质大坝坝体裂缝是由于坝体不均匀沉降所引起的。

b.坝体不均匀沉降是由于坝体施工工程中分区回填，填筑过程不均匀引起，加上输水涵洞井柱承台梁结间采用水泥土回填，沉降变形能力很小，而两侧坝体为湿陷性壤土基础，沉降变形能力较大，因此在输水涵洞对应坝段该问题尤为突出。

c.上游坝坡裂缝除受上面两个因素影响外，还存在护坡方式不当、保护层厚度不够及受冻融循环等因素影响。

3 解决方法与建议

a.采用塑性混凝土防渗墙截流，消除坝体内部裂缝，防止坝体渗漏问题，同时保证坝体心墙稳定性。采用泥浆灌浆和化学灌浆封堵输水洞周围的裂缝，消除坝体裂缝引起的接触渗流问题。

b.填筑坝体加厚培高至设计高程，保证坝面的均匀性和美观性，消除部分不均匀沉降引起的表观裂缝。

c.改变上下游坝坡砌护方式，采用0.2m河砂垫层+0.20mC20抗冻混凝土面板替换卵石护坡，尽最大可能保证上游坝坡免遭冻融循环破坏，同时可避免波浪造成的水蚀和雨蚀。

d.下游坝坡采用培土加厚加宽处理，即在1593.00m以下仅对基础处理，不同段落采用不同处理方式，其中0+000至0+325段和0+375至0+475段，开挖后根据实际情况采用翻夯碾压、块石挤密，桩号0+325至0+375段暂时不处理；在1593.00m以上，直接清除表面覆土、破损的格条、马道，然后在其上直接碾压。坝内水平褥垫排水仍维持现状，挖出该段排水沟，并在其后设置范围内新增复合土工膜带，沿原排水沟外侧贴坡设置，土工膜铺设后，回填0.20m天然级配河砂，进行碾压回填。下游坝坡加固培土后，采用草皮护坡，重新铺设纵横排水沟，以便减少流水对坝体的冲刷。

4 工程实施后的效果

工程程措施实施后，坝体裂缝全部消除，有效阻断了坝体内存在的隐形裂缝渗漏通道，下游坡脚处少量积水全部干涸；纵横排水沟排改造后，未出现冲刷痕迹，排水取得显著效果，改造后的前后坝坡马道、格条也未出现沉降现象，下游坝坡明显得到改善。运行至今，坝内水位逐渐上升后至设计水位，下游坝坡坡脚仍未出现渗水痕迹，前坝坡改造后，面板未出现裂缝；坝顶改造后，坝面未有积水，排水畅通，未出现裂缝现象。故该工程措施取得了效果明显，有效保障大坝安全。

参考文献

[1] 刘正勇.水泥土及其性能介绍[J].水泥工程,2005(5):21-22.