土壩裂縫的產(chǎn)生原因分析

段麗輝

摘要：由于各種原因，土壩會產(chǎn)生裂縫，如果日常缺乏必要的檢查與養(yǎng)護(hù)，裂縫會越來越大，加上未能及時發(fā)現(xiàn)和處理，導(dǎo)致土壩重大事故發(fā)生的情況很多。本文分析了土壩裂縫的產(chǎn)生原因。

關(guān)鍵詞：土壩；裂縫；產(chǎn)生原因；分析

土壩被廣泛采用的原因是：就地取材，構(gòu)造簡單，施工方便，特別是對地形、地質(zhì)條件的要求是所有壩型中最低的。由于各種原因，土壩會產(chǎn)生裂縫，如果日常缺乏必要的檢查與養(yǎng)護(hù)，裂縫會越來越大，加上未能及時發(fā)現(xiàn)和處理，導(dǎo)致土壩重大事故發(fā)生的情況很多。因此加強(qiáng)土壩的日常檢查和養(yǎng)護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)和處理土壩裂縫，是水利工程管理中的重要工作。

1.土壩裂縫的類型及成因

土壩裂縫是較為常見的現(xiàn)象.有的裂繼在壩體表面就可以看到，有的隱藏在壩體內(nèi)部，要開挖檢查或借助檢測儀器才能發(fā)現(xiàn)。裂縫的寬度，窄的不到一毫米，寬的可達(dá)幾百毫米，甚至更大；裂縫的長度，短的不足一米，長的達(dá)數(shù)十米，甚至更長；裂縫的深度，有的不到一米，有的深達(dá)壩基；裂縫的走向，有平行壩軸線的縱縫，有垂直壩軸線的橫縫，有與水平面大致平行的水面縫，還有傾斜的裂縫。

土壩裂縫的成因主要是由于壩基承載力不均勻，壩體材料不一致，施工質(zhì)量差，設(shè)計不簽合理所致。土壩的裂縫，按照裂縫走向可分為橫向裂縫、縱向裂縫、水平裂縫和龜紋裂縫。

2.土壩裂縫的產(chǎn)生原因及相應(yīng)措施

在已建成的土壩中，土壩的安全情況是在不斷變化的，往往直接或間接地反映為壩面上的異?，F(xiàn)象，例如細(xì)小的橫向裂縫可能發(fā)展成為壩體的集中滲流通道，而細(xì)小的縱向裂縫則可能是壩體滑坡的先兆。因此必須經(jīng)常檢查土壩的裂縫情況。

2.1龜紋裂縫

龜紋裂縫的方向沒有規(guī)律，縱橫交錯，縫的間距比較均勻。這種裂縫可能出現(xiàn)在沒有鋪設(shè)保護(hù)層的壩頂和壩坡，也可能出現(xiàn)在水庫泄空而出露的上游防滲然土鋪蓋表面亡。產(chǎn)生龜紋裂縫的主要原因是土壩填土由濕變干時的體積收縮。筑壩土料黏性越大，含水量越高，出現(xiàn)龜紋裂縫的可能性越大，在壤土中，龜紋裂縫比較少見，而在砂土中就沒有這種裂縫。此外，在嚴(yán)寒地區(qū)，可以見到由于埃土受冰凍所產(chǎn)生的龜紋裂縫。

龜紋裂縫是壩體表面常見的現(xiàn)象，一般不會直接影響壩體安全。但是出現(xiàn)在防滲斜墻或鋪蓋上的龜紋裂縫，可能會影響壩體安全，所以在進(jìn)行安全檢查時，應(yīng)給予足夠重視。要仔細(xì)探明龜紋裂縫的寬度、深度，并及時進(jìn)行處理。對于較淺的龜紋裂縫，一般可在表面鋪一層厚約20 cm的砂性土保護(hù)層，以防止其發(fā)展；較深的龜紋裂縫、一般采用開挖回填的方法進(jìn)行處理，在處理后要隨即鋪設(shè)保護(hù)層。發(fā)生在其他部位，如壩頂或均質(zhì)壩壩面上的龜紋裂縫，可能促使沖溝、滑坡等的繼續(xù)發(fā)展，因此也應(yīng)及時進(jìn)行處理。

2.2橫向裂縫

橫向裂縫一般接近鉛垂或稍有傾斜地伸入壩體內(nèi)?？p深幾米到十幾米.上寬下窄?？p口寬幾毫米到十幾厘米，偶爾也能見到更深、更寬的。裂縫兩側(cè)可能錯開幾厘米甚至幾十厘米。當(dāng)相鄰的壩段或壩基產(chǎn)生較大的不均勻沉降時，就會產(chǎn)生橫向裂縫。

橫向裂縫上要出現(xiàn)在壩頂，但也可能出現(xiàn)有壩坡上。根據(jù)我國各類水庫大壩裂縫的調(diào)查，橫向裂縫雖然形成原因很多，但發(fā)生部位還是有一定規(guī)律的，常見部位有：①土壩與岸坡接頭壩段及河床與臺地交接處，這些部位填土高度變宰大，施工時碾壓不密實而出現(xiàn)過大的沉降差；②壩基有壓縮性過大的軟土或黃上，施工時未加處理或清除，泡水濕陷或加荷下沉；③土壩與剛性建筑物接合壩段，因兩種材料沉降不同所致；④分段施工接頭處或施工導(dǎo)流合攏段，常因漏壓及搶進(jìn)度而出現(xiàn)碾壓質(zhì)量不符合設(shè)計要求成為壩體內(nèi)的薄弱部位。

土壩的橫向裂縫具有極大的危險性，因為一旦水庫水位上漲，滲水通過裂縫，很容易將裂縫沖刷擴(kuò)大而導(dǎo)致險情。因此，在土壩的安全檢查中，必須特別重視橫向裂縫的檢查。除了在壩面普遍進(jìn)行檢查外，還應(yīng)對較易出現(xiàn)橫向裂縫的部位做重點檢查。壩頂防浪墻或路緣石的裂縫往往能反映出壩體橫向裂縫的存在。

根據(jù)壩頂沉陷觀測資料檢查橫向裂縫，也是一個重要的方法。如果相鄰測點之間出現(xiàn)較大的不均勻沉陷，則該壩段很可能出現(xiàn)橫向裂縫。對于壩面鋪有保護(hù)層的土壩，必要時應(yīng)開挖與壩軸線平行的探槽，以揭露其橫向裂縫。

在壩面發(fā)現(xiàn)橫向裂縫后，如果時間允許，最好觀測一段時間，待裂縫發(fā)展趨向穩(wěn)定后再進(jìn)行處理。但在此期間，水庫必須控制運(yùn)用。對于尚未處理或雖已處理但尚未經(jīng)蓄水考驗的土壩，在汛期除了控制運(yùn)用外，還應(yīng)該準(zhǔn)備必要的防汛搶險器材，以免出現(xiàn)險情時措手不及。由于橫向裂縫的危害性很大，所以一般要求進(jìn)行開挖凹填處理。

2.3縱向裂縫

根據(jù)土壩縱向裂縫產(chǎn)牛的原因，可將士壩縱向裂縫細(xì)分為縱向沉降裂縫和縱向滑坡裂縫。

（1）縱向沉降裂縫

在壩面上，由壩體或壩基的不均勻沉降而產(chǎn)生的縱向沉降裂縫一般接近于直線，基本上是鉛直地向壩體內(nèi)部延伸。裂縫兩側(cè)填土的錯距一般不大于30cm，縫深幾米到十幾米居多，也有更深的，縫寬幾毫米到十幾厘米，縫長幾米到幾百米。沉陷裂縫的寬度和鉛距的發(fā)展是逐漸減慢的。

網(wǎng)3—2兩種縱向裂縫的發(fā)展過程棉線

（2）縱向清坡裂縫

縱向滑坡裂縫一般呈弧形，裂縫向壩體內(nèi)部延伸時彎向上游或下游，縫的發(fā)展過程是逐漸加快的，直至土體發(fā)生滑動以后才逐漸變慢?？v向滑坡裂縫的寬度可達(dá)1m以上，錯距可達(dá)幾米。當(dāng)裂縫發(fā)展到后期，可以發(fā)現(xiàn)在相應(yīng)部位的坡面或壩基上有帶狀或橢圓狀隆起的土體。這些都是區(qū)別于縱向沉降裂縫的重要標(biāo)志。

2.4內(nèi)部裂縫

在土壩壩面上出現(xiàn)的裂縫，都稱為表面裂縫。此外，在土壩壩體內(nèi)部還可能出現(xiàn)內(nèi)部裂縫，有的內(nèi)部裂縫是貫通上下游的.很可能變成集中滲漏通巋，由于事先不易被人們發(fā)現(xiàn)，其危害性很大。

內(nèi)部裂縫常見的部位有：①窄小墻內(nèi)部的水平裂縫、主要因壩殼頂托作用，使心墻中部高程的垂直壓力減小，同一高程處壩殼壓力增大，出現(xiàn)“拱效應(yīng)”的結(jié)果；②狹窄山谷，河床含有高壓縮土，壩基下沉?xí)r，壩體上部重量通過拱作用傳遞到兩岸，土拱下部壩體沉降大，可能使壩體受拉形成內(nèi)部裂縫或空穴；③壩體與河床上的混凝土或漿砌石體等壓縮性很小的材料相鄰處，兩者不均勻沉降造成過大拉應(yīng)變和剪應(yīng)力開裂，如圖3所示。

3.土壩裂縫的檢查

對裂縫的檢查與探測，首先應(yīng)借助觀測資料的整理分析，根據(jù)上面提及的裂縫常見部位，對這些部位的壩體變形（垂直和水平位移），測壓管水位，土體中應(yīng)力及孔隙水風(fēng)力變化，水流滲出后的渾濁度等進(jìn)行鑒別，只有初步確定裂縫出現(xiàn)的位置后，再用探測方法弄清裂縫確切位置、大小、走向，為確定裂縫處理方案提供依據(jù)。

通常在裂縫附近會產(chǎn)生下列異常情況：①沿壩軸線方向同一高程位置的填土高度、土質(zhì)等基本相同，而其中個別測點的沉降值比其他測點明顯減小，則該點可能存在內(nèi)部裂縫；②垂直壩段各排測壓管的浸潤線高度，在正常情況下，除靠岸坡的兩側(cè)略高外，其他大致相同，若其中發(fā)現(xiàn)個別壩段浸潤線明顯抬高，則測點附近可能出現(xiàn)橫向裂縫；③在通過壩體的滲水有明顯清渾交替出現(xiàn)的位置，可能出現(xiàn)貫穿裂縫或管涌通道；④壩面有剛性防浪墻拉裂等異?，F(xiàn)象的壩段，同時壩身有明顯塌坑處，說明該處有橫向裂縫；⑤短距離內(nèi)沉降差較大的壩段；⑥土壓力及孔隙水壓力不正常的位置。

對于可能存在的裂縫部位可采用土壩隱患探測的方法，即有損探測和無損探測的方法進(jìn)行檢查，但有損探測對壩身有一定的損壞。有損探測又分為人工破損探測和同位素探測。無損探測是指電法探測。

3.1人工破損探測

對表面有明顯征兆，沉降差特別大，壩頂防浪墑被拉裂的部位，可采用探坑、探槽和探井的方法探測。探坑、探槽和探井是指人工開挖一定數(shù)量的坑、槽和井來實際描述壩內(nèi)隱患情況。該法直觀、可靠，易弄清裂縫位置、大小、走向及深度，但受到深度限制，目前國內(nèi)探坑、探槽的深度不超過10m，探井深度可達(dá)到40m。

3.2同位素探測

此法是利用土壩已有的測壓管，投入放射性示蹤劑模擬天然滲透水流運(yùn)動狀態(tài)，用核探測技術(shù)觀測其運(yùn)動規(guī)律和蹤跡。通過現(xiàn)場實際觀測可以取得滲透水流的流速、流向和途徑。在給定水力坡降和有效孔隙率時，可以計算相應(yīng)的滲透水流速度和滲透系數(shù)。在給定的滲透層寬度和厚度的基礎(chǔ)上，可以計算滲流量。同位素探測法也稱放射性示蹤法，包括多孔示蹤法、單孔示蹤法、單孔稀釋法和單孔定向法等。

3.3電法探測

電法探測是一種無損傷探測的方法，在土壩表面布設(shè)電極，通過電測儀器觀測人工或天然電場的強(qiáng)度，分析這些電場的特點和變化規(guī)律，以達(dá)到探測工程隱患的目的。

土壩壩體是具有一定幾何形狀的人工地質(zhì)體，同一壩段，壩體橫斷面尺寸沿大壩縱向方向通常是一致的，筑壩材料也相對均勻。因此，壩體幾何形狀對人工電場影響在各個壩段基本相同，一旦有隱患存在，必然會破壞壩體的整體性和均勻性，引起人工電場的異常變化和隱患測點與其他測點視電阻率的差異，這就是電法探測土壩隱患的機(jī)理。

電法探測適用于土壩裂縫、集中滲流、管涌通道、基礎(chǔ)漏水、繞壩滲流、接觸滲流、軟土夾層及白蟻洞穴等隱患探測，它比傳統(tǒng)的人工破壞探測速度快，費(fèi)用低，目前已廣泛運(yùn)用。電法探測的方法較多，有自然電場法、直流電阻率法、直流激發(fā)極法和甚低頻電磁法。

以上列舉的裂縫探測方法有些較直觀、清楚，有些只能大體確定裂縫位置，究竟采用何種方法，此視當(dāng)?shù)鼐唧w條件及設(shè)備情況而定。