林道通，朱 晟，邬铭科，陈晓华，应建彤

(1.浙江省宁海县水利局，浙江宁海315600；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098)

0 引 言

土石坝是世界坝工建设中应用最广泛、发展最快的坝型之一。其中土质心墙坝占了很大的比例，据20世纪90年代初的统计[1]，世界上已建或在建的坝高高于230 m的大坝中，土质心墙堆石坝约占55.5%。高心墙堆石坝的快速发展对大坝的变形控制提出了更高的要求，其中心墙坝的裂缝一直是重点关注问题，国内外众多心墙堆石坝在初次蓄水期均发生坝顶纵向裂缝[2]。

目前对首次蓄水期坝顶纵向裂缝的产生原因尚无明确定论。徐泽平[3]认为，坝壳堆石材料与心墙土体材料在变形时序上的不协调，以及蓄水后上游坝壳的附加变形作用是造成这一裂缝的重要原因。目前我国心墙坝的建设尚处于积累经验的阶段，国内很少有针对高心墙坝坝顶纵向裂缝进行具体的分析研究，这主要是分析方法与手段的不足。李君纯[4]提出用倾度法来分析大坝的裂缝问题，该方法给予观测的沉降资料，计算简单且明确，已应用于国内早期坝高较低的一些大中型水库。

瀑布沟水电站大坝是国内已建成的最高的砾石土心墙堆石坝，水库于2010年8月26日上午蓄水至842.2 m左右时，发现了坝顶纵向裂缝，裂缝位于坝轴线下游约5.5～6.0 m，基本平行于坝轴线，裂缝长约230 m，最大缝宽约5 cm，通过探坑检查深度约1～2.5 m。到目前为止，已经有较全面丰富的监测资料。本文基于瀑布沟大坝施工及蓄水期的变形监测资料，结合实际的蓄水过程与倾度分析方法，从时间与空间上分析大坝坝顶在蓄水过程中的变形规律，以揭示大坝坝顶纵向裂缝的产生原因。

图1 大坝最大横断面剖面示意(单位：m)

1 工程概况与监测布置

瀑布沟水电站位于大渡河中游、四川省汉源县和甘洛县境内，为以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合效益的大型水利水电工程。电站总装机容量3 300 MW，挡水大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程856 m，坝顶长514.5 m、宽14 m，最大坝高186 m，总库容53.90亿m3。坝基为砂卵石深厚覆盖层，最大厚度为76 m。大坝坝体断面分为4个区，即砾石土心墙、反滤层、过渡层和堆石区。大坝上游坝面高程795 m处设一宽5 m的马道，马道以上坝坡为1∶2.00，以下坝坡为1∶2.25，上游围堰与坝体结合。下游坝坡均为1∶1.80。砾石土心墙顶高程854.0 m，顶宽4 m，底高程为670 m，上下游边坡均为1∶0.25。心墙底部、心墙与岸坡接触带、防渗墙顶和混凝土廊道周围设高塑性粘土；下游坝壳堆石与覆盖层之间设一层2 m厚水平反滤层；心墙上下游侧各设两层反滤，上游两层各厚4 m，下游两层各厚6 m，反滤层以外为过渡料和坝壳料。心墙下部河床覆盖层段采用2道混凝土防渗墙防渗，最大墙深约78 m。大坝坝轴线横剖面如图1所示。

水库正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，校核洪水位853.78 m。大坝于2004年3月开工建设，2005年11月下旬截流，2006年3月开始填筑上下游堆石区，2007年4月开始坝体全断面施工，2009年9月20日大坝填筑完成，并在同年10月28日下闸蓄水，2010年10月15日蓄水至设计高程。

心墙料以宽级配砾石土为主，最大粒径80 mm，铺料厚度为45 cm，进占法卸料，采用25 t凸块碾平行坝轴线方向碾压；心墙上下游反滤料铺料厚度为30 cm，采用25 t振动平碾进退错距法平行坝轴线方向碾压；过渡料采用进占法铺筑，铺料厚度60 cm，采用25 t振动平碾进退错距法碾压；大坝堆石料铺料厚度100 cm，推土机整平，25 t振动平碾和20 t拖碾进退错距法碾压。

大坝坝顶部位的外观变形监测点分别布设在大坝坝顶、下游坝面805 m高程，工作基点分布于两岸山体基岩上；其中大坝坝顶处有8个监测断面(桩号0+78～0+501)，每个断面坝顶有3个监测点(0+5.2、0+00、0-5.2)。大坝在河床断面(桩号0+240、0+310)布置有观测心墙沉降的电磁式沉降环VE1和VE4，在下游堆石区两个断面各布置有用于监测下游堆石位移的水管式沉降仪。具体布置如图1和图2所示。图中，VE、CH分别表示电磁式沉降环和水管式沉降仪，其后的数字表示测点(仪器)的编号，括号内的为0+310断面内的编号。本文坝轴距方向规定，以坝轴线为起点，向下游为正，上游为负。

2 初期蓄水期坝顶变形分析

2.1 大坝初次蓄水过程

大坝于2009年10月28日开始蓄水，也就是在大坝填筑完成后一个月左右。为了能通过监测来控制并确保大坝的蓄水安全，结合坝址处的水文气象条件，大坝初次蓄水过程分为3个阶段。第一个阶段是快速蓄水期，蓄水水位从691.0 m高程到788.0 m高程，总用时53天，平均1.83 m/d。第二个阶段是库水稳定期，坝前水位保持在788.0 m高程呈微小浮动，历时136天。第三个阶段是二次蓄水期，坝前水位从788.0 m到正常蓄水位850.0 m高程，历时189天，平均约0.33 m/d。

图2 大坝坝顶部位位移监测仪器测点布置示意(单位：m)

图3 坝顶坝轴线下游观测点时间过程曲线

2.2 大坝蓄水坝顶变形时程分析

大坝坝顶每个监测断面的3个测点中，(0+5.2、0-5.2)分别都监测了水平与竖向位移，而坝轴(0+00)测点只监测了竖向位移。图3为坝顶坝轴线下游观测点的上下游水平和竖直方向的位移值；由图3、4可知，(0+78、0+128、0+431)3个断面的下游测点(0+5.2)在初始阶段存在着较明显的漏测，其没有测值。故用倾度法分析这两个部分的数据时要剔除初始值的影响(实际上由下面分析可得初始阶段因上下游测点的初始沉降值相差不大，故剔除初始值影响不大)。另外，(0+361)断面坝顶的下游测点不正常，按照坝体材料变形的连续性，其值应该在(0+310～0+431)之间，但其监测值比(0+431)断面的还小，数值不合理，故该处不做分析。其他测点数据正常。

变形倾度值可以衡量相同高程点坝体变形的不均匀情况。假设在坝身同一高程处有2个距离为Δl的观测点a、b，如图4所示，定义a、b两点在日期Tj的变形倾度的表达式为

(1)

式中，ΔS为在日期Tj的a、b两点的沉降差的绝对值；δ为沉降点连线与水平面得夹角；设土体的临界破坏倾度为γc，如果计算倾度γ>γc，则认为该处的土层将要发生剪切破坏面。目前关于γc的取值还是源于经验取值，李君纯根据国内一些发生裂缝土石坝的计算结果，认为γc的取值一般约为1.0%。

图4 变形倾度法示意

图5为坝顶(0+310)断面的沉降与水平位移随水位变化情况。表1为坝顶(0+240)断面不同日期的倾度。图6为坝顶不同监测断面的倾度时程曲线。从表1和图5、6可以看出，坝顶各监测断面的的倾度值都随着坝前水位的上升而增大；但具体从蓄水各个阶段来看，变化趋势又有所不同。在快速蓄水期，大坝坝顶各测点倾度随水位增加而增大，但变化幅度较小，基本在0.5%以下。在库水位稳定期，倾度值也呈稳定的形态。在二次蓄水期，特别是库水位达到830 m高程的高水位期后，倾度随水位升高而显著增大。因此，可以说坝体的不均变形的产生主要发生在初期蓄水期的高水位阶段。这与堆石料的湿化现象较符合，因堆石料只有浸水后才可能产生湿化变形，故只有水位达到较高的高程才能使坝顶部位产生较大沉陷变形。

图5 蓄水期间大坝坝顶沉降及上下游位移随水位变化

日期坝前水位/m上游测点沉降值/mm下游游测点沉降值/mm倾度值/%20091110691023212450012200912107880339334250032010031078824226412501020100610803447624575018201008108335552149500552010083084345952505008720100920843162505200101201012108491785756252152011021082968339594123120110410792992316808233

图6 坝顶各监测断面的倾度时程曲线

从图5的(0+310)断面的沉降与水平位移随水位变化看，水平位移与沉降的变化规律相似，在快速蓄水期和库水位稳定期，坝顶上下游各部位位移变化较一致；在二次蓄水的高水位期，坝顶上下游各部位位移变化不协调，产生了不均匀的变形。坝顶水平位移的都首先向上游移动，然后在高位移阶段逐渐向下游移动。主要是一开始坝前水位较低，上游高程较低的堆石料浸水湿化沉陷，坝顶部位受到拉拽作用向上游移动。随着水位的升高，水荷载作用明显并成为主导因素，其推力使坝体往下游移动；水位消落后呈卸载状态，坝体又往上游移动。

在二次蓄水的高水位阶段的不均匀变形的产生，导致了大坝坝顶裂缝的产生。如果按照以前李君纯统计的产生裂缝的倾度临界经验值(1%)来判断，大坝在2010年9月20日出现裂缝，但实测的情况是2010年8月26日就出现了裂缝，对应的倾度值0.70%左右。笔者认为，临界倾度(1%)是经验值，主要是统计了我国早先年代建造的均值土坝，其碾压密实度不高；而瀑布沟心墙堆石坝为采用现代碾压技术施工的心墙堆石坝，碾压较密实且心墙为掺砾粘土料，其抗变形能力较粘土弱，故临界值在0.7%也是合理的。因此说每个工程的临界倾度值都不一样，与坝料的组成、碾压密实度等有关，不能一味按照1%这个值来判断。

2.3 大坝蓄水坝顶变形空间特性分析

大坝因地形、材料分区及材料特性的差异，坝体各个部分(包括坝顶上下游)的变形会存在差异。如心墙模量低，其变形较上下游堆石区大；大坝两岸因受山体的约束，其变形比河床部位小；上游堆石区与过渡区因透水率大，其浸水后会发生较大的湿化沉陷变形。反滤、心墙料近似认为不透水，可保证其下游堆石区较为干燥，不会发生较大的湿化变形。坝体各分区材料因流变性质的差异，也会产生流变变形的差异。这种变形差异过大就会产生坝顶裂缝。

从图6的不同断面倾度的监测情况来看，蓄水期各断面变形情况有差异。在蓄水的初期，越靠坝肩的倾度越大，而在河床中央的反而越小。这是在蓄水初期坝顶上游侧主要受上游高程较低处堆石湿化的连带影响，而坝顶下游侧则影响较少且越靠近坝肩受两岸山体的约束越大，造成变形的不协调。河床部位则受约束较小，上下游部位变形较一致，故倾度值较小。二次蓄水的高水位期，坝顶上游侧部位自身发生很大的湿化沉陷变形，约束因素影响就较小；因受两岸河谷地形等影响，约靠近河床中央，其湿化变形量越大，故造成其河床坝顶部位的倾度远远比靠岸坡的大很多。

图7 心墙电磁式沉降环施工期及蓄水期位移

图7为心墙靠坝顶部位电磁式沉降环的施工期与蓄水期位移监测情况。总体来说，施工期越靠近河床中央，其沉降值越大；高程越低，其沉降值越大。这是因为越靠近河床，其对应的土柱高，沉降量就大。蓄水期，从其总体变形的增量来说，靠近河床(VE1与VE4)的比靠岸坡(VE7与VE8)的大；从每个沉降环来讲，高程低的沉降增量比高程高的小，这是因为高程较高处，其离上游堆石越近，受湿化沉陷变形也就越大。所以上游堆石料的湿化变形在竖直方向上也会导致不均匀变形的产生。

图8为坝顶上游侧和下游侧各断面监测点蓄水期沉降增量。由图8可知，坝体上下游的沉降规律基本一致，都是两岸向河床部位逐渐增大，并在(0+240)断面处达到极值。在(0+128)与(0+431)两断面处出现突变点，即沉降值沿坝轴线突增。而实际出现裂缝的位置(桩号0+185～0+415)恰好在(桩号0+128～0+431)之间，说明其不均匀沉降对裂缝产生影响。因(0+128)与(0+431)断面处于地形坝坡分界处，这之间土柱高度最高，因此沉降也最大。另外，上游侧的沉降比下游侧大，这主要受上游堆石浸水湿化影响。正是因这上下左右空间上的不均匀沉降的产生导致了坝顶纵向裂缝。

图8 坝顶坝轴上、下游侧各断面监测点蓄水期沉降增量

图9 (0+310)断面808 m高程各监测点蓄水期位移增量

图9为(0+310)断面808 m高程各监测点蓄水期位移增量。因水管式沉降仪在808 m高程，坝坡测点在805 m高程，高程很接近，故作为同一高程分析。由图9可知，在蓄水的初期，因上游堆石浸水湿化及心墙料压缩量大且固结速率慢的原因，越靠近上游侧的测点，其沉降值越大。但蓄水的后期，靠下游侧测点测值增大，其主要原因是堆石流变与下游侧堆石受降雨等产生湿化变形。CH35处于次堆石区，且离坝坡也有一段距离，其受降雨等因素影响较小。但其后期沉降值比前面的CH33与CH34大，之间的沉降差随着时间逐渐的加大，这说明次堆区性质较软，流变量大，造成此处沉降较大。另外，坝坡测点的沉降量比之前的CH35还大，说明其不仅受堆石流变差异的影响，还受降雨引起的湿化的影响。降雨对坝坡部位的位移影响较大，故会造成坝顶下游侧沉降的增加，以致产生裂缝及滑坡等现象。

3 结 论

基于瀑布沟大坝蓄水期位移监测资料，结合首次蓄水期实际蓄水过程及倾度分析方法，分别从时间和空间分析大坝坝顶部位的位移变形特征，并对大坝坝顶纵向裂缝的影响因素进行了探讨分析，可以得出以下结论：

(1)瀑布沟工程首次蓄水期的各蓄水阶段坝顶变形规律不同，在快速蓄水阶段及稳定库水期，对坝顶部位变形影响较小，倾度值也都较小；在二次蓄水期，虽然蓄水速率不快，但水位变化对坝顶位移影响很大。故类似工程介意要严格控制高水位阶段的蓄水速率，能慢则慢。

(2)大坝坝顶部位不均匀沉降及水平位移的产生主要是高水位阶段上游堆石区湿化沉陷产生的，后期蓄水的水荷载的推力也对坝顶水平位移的差异产生影响。故类似心墙工程要加强对堆石料湿化现象的研究，建议上游堆石区少用湿化量大的堆石料并尽量提高填筑压实度，以减少其变形量。

(3)坝顶上游侧因受湿化沉陷的影响，其变形较下游侧大，沉降差随着水位的升高而增大。坝顶沉降值两岸向河床部位逐渐增大，并在(0+240)断面处达到极值。在(0+128)与(0+431)两断面处出现沉降变形突变点，而实际出现裂缝的位置(桩号0+185～0+415)恰好在(桩号0+128～0+431)之间。坝顶心墙部位因压缩量大且固结速率慢的原因，其沉降值较附近的堆石区大；次堆区性质较软流变量大及坝坡部位降雨湿化沉陷影响，造成后期坝顶下游坝坡部位沉降较大，可能引起不均匀变形(纵向裂缝)的产生。

[1] 陈宗梁. 世界超级高坝[M]. 北京： 中国电力出版社, 1998．

[2] 牛运光. 土石坝裂缝原因分析与防治处理措施综述[J]. 大坝与安全, 2006(5): 61- 66．

[3] 徐泽平. 当代高堆石坝建设的关键技术及岩土工程问题[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(增1): 27- 33．

[4] 李君纯. 土坝裂缝的简捷估算方法[J]. 水利水运科学研究, 1983(3): 1- 11．

[5] 余学明, 何兰. 瀑布沟水电站砾石土心墙堆石坝设计[J]. 水力发电, 2010, 36(6)： 39- 42．

[6] 陈五一, 叶发明. 瀑布沟水电站枢纽布置[J]. 水力发电, 2010, 36(6)： 36- 38, 89．