黃土地區(qū)某土壩裂縫形成機理探討

李德群 李琛 董承山

摘要：針對黃土地區(qū)某水庫蓄水后壩體出現(xiàn)的裂縫、塌陷等工程問題，在實測裂縫發(fā)生、發(fā)展過程基礎上，通過對壩體填筑質(zhì)量評價、壩基地形地貌影響、濕陷性黃土處理效果的分析認為，壩體填筑質(zhì)量欠佳造成的壓縮變形和不均勻變形，是引發(fā)裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在條件；壩基溝壑回填處理不良、原有黃土濕陷變形消除不徹底且隨著蓄水過程變形不斷發(fā)展的濕陷機理，是壩體產(chǎn)生裂縫最主要和最直接的原因。

關鍵詞：土壩；裂縫；黃土；濕陷性；變形

中圖分類號：TV641.2；TU444 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.028

土壩是壩工建筑物中最常見的壩型，據(jù)統(tǒng)計，我國已建成土壩數(shù)量約占土石壩總數(shù)的66%[1]。在我國黃土分布區(qū)特別是西北地區(qū)，黃土經(jīng)過一定的工程措施，或作為壩基基礎或作為筑壩材料，修建了為數(shù)眾多的水庫大壩。土壩一般力學強度較低，尤其是黃土特有的工程地質(zhì)特性，在運行過程中受庫水位升降等因素的影響，容易發(fā)生壩體開裂，成為一種主要破壞形式和工程隱患，造成土體材料的幾何不連續(xù)性以及力學性質(zhì)的各向異性，進而導致壩體整體結構的破壞，水庫正常效益受到影響，如果處理不當甚至造成潰壩等工程事故。因此，對黃土地區(qū)土壩裂縫形成機理的研究具有重要意義。

位于黃土地區(qū)的某水庫2009年建成蓄水后，在土壩壩體上、下游坡面陸續(xù)出現(xiàn)縱、橫向裂縫以及坡面塌陷等工程問題。本文通過分析壩基地層巖性、建基面形成過程以及壩體填筑質(zhì)量，揭示并探討壩體裂縫形成的機理，旨在為同類工程勘測設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

該水庫擋水建筑物為碾壓式均質(zhì)土壩，最大壩高42.0m，壩頂高程1605.0m，壩長495.0m，正常蓄水位1603.0m，屬uI等中型工程。

勘察設計資料顯示，壩體填筑由壩前及中部非分散性土（記為①）、壩后過渡型分散性土（記為②）和截滲墻（槽）改良性土（記為③）組成（圖1）。主要控制指標中最優(yōu)含水率為13.6%、最大干密度為1.84g/cm3；壓實度為0.98時的干密度為1.80 g/cm3，壓縮系數(shù)a1-2=0.068，壓縮模量Es1-2為13.61（非飽和）～14.61MPa（飽和）。為消除料源土的分散性，設計壩體填筑土摻合0.5%～1.0%熟石灰的改性土，填筑標準為壓實度不小于0.98。

壩基坐落在濕陷性黃土（記為④）上，其下為泥巖、砂巖（記為⑤）。在處理措施上，利用壩基天然溝谷開挖形成截滲槽進入基巖，其他溝壑擴挖后按照設計標準回填，形成人工建基面，并通過強夯消除黃土的濕陷性，達到干密度>1.70g/cm3的設計指標。

2 壩體沉降和裂縫觀測

2.1 壩體沉降

根據(jù)觀測資料，壩體填筑到竣工階段時各斷面沉降量均較小，自重應力造成的壩體底部沉降率大于上部，最大沉降量為4mm，最大沉降率不大于0.03%。

水庫蓄水運行5a后，與壩體設計、竣工的標準斷面相比，實測壩頂部位沉降量為470～760mm；壩前和壩后馬道部位沉降量分別達到610～660mm、220～300mm。壩體沉降變形具有上游比下游明顯加大的趨勢，反映了庫水對壩體沉降的誘導作用，也符合其他類似工程沉降變形的一般規(guī)律，但目前觀測的沉降值偏大。

2.2 壩體裂縫

在庫水抬升滲透作用下，該工程壩體裂縫的發(fā)生和發(fā)展經(jīng)歷了3個階段（圖2）。

第一階段：水庫竣工開始蓄水至第6天水位達到1580.0m高程時，上游壩坡出現(xiàn)6條與壩軸線平行的縱向裂縫，裂縫初始寬度3～10mm，2d后裂縫發(fā)展趨于穩(wěn)定。

第二階段：與第一次蓄水間隔90d后，水庫開始歷時7d的第二次蓄水。當水位升高到1585.0m時，上游壩坡新增或在原裂縫基礎上繼續(xù)發(fā)展了5條縱向裂縫，初始寬度3～5mm，最寬處達到12mm。蓄水結束后8d，裂縫不再有新的發(fā)展。

第三階段：與第二次蓄水間隔100d后開始第三次蓄水。庫水位蓄至1588.0m時，上游壩坡新增或在原裂縫基礎上繼續(xù)發(fā)展了3條與壩軸線垂直的橫向裂縫，縫寬30～50mm； 1595.0m馬道混凝土面出現(xiàn)裂縫、錯臺，裂縫寬20～30mm；右壩肩馬道混凝土砌坡整體變形、沉陷。

下游壩坡也有不同程度的裂縫和塌陷發(fā)生。

從裂縫的發(fā)展規(guī)律看，蓄水初期上、下游壩坡以平行壩軸線的縱向裂縫為主，后期出現(xiàn)了垂直壩軸線的橫向裂縫和坡面塌陷；裂縫在蓄水初始階段發(fā)展速率明顯高于后期，也就是說隨著庫水位的上升和歷時延長，裂縫的發(fā)展趨勢明顯減弱。從裂縫發(fā)生部位看，由于壩體上游坡對庫水浸人的反應更靈敏，而且在受力狀態(tài)上屬于無約束力作用的臨空面，因此壩體中、上部位移向上游傾斜，引起壩體發(fā)生裂縫。

3 壩體裂縫成因分析

通常情況下，壩體、壩基的變形是引發(fā)壩體裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在因素，庫水位的升降是外部誘導因素，并加劇了壩基變形的發(fā)生發(fā)展進程。因此，針對該工程壩體結構、筑壩材料和壩基黃土地層的特點，宏觀判斷水庫大壩的變形具有壓縮變形、濕陷變形和不均勻變形的特點，3種變形的綜合疊加導致壩體裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

3.1 壓縮變形

壩體在上覆土體自重應力作用下產(chǎn)生的變形為壓縮變形。除壩體填筑材料自身固有的壓縮變形外，往往伴隨著壩體填筑施工中質(zhì)量缺陷的存在。對壩體現(xiàn)狀的檢測結果表明，填筑土主要由粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土構成。從壩后、壩中到壩前依次呈堅硬—硬塑—可塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)a1-2為0.224～0.236MPa-1，壓縮模量為7.763～8.531MPa，綜合評判為中等壓縮性土，低于壩體設計的壓縮性指標。

目前，壩體整體壓實度普遍偏低，實測平均干密度為1.72g/cm3，低于壓實度0.98時干密度為1.80g/cm3的設計標準，屬于欠密實狀態(tài)填筑土。在平均最大擊實干密度為1.88g/cm3的工況下，壓實度>0.98的試樣抽檢合格率僅為10.5%；按料源擊實試驗的最大干密度為1.84g/cm3，在0.98壓實度下其控制干密度為1.80g/cm3，壩體填筑土整體壓實度合格率平均為22.9%。

由此可見，水庫目前運行狀態(tài)下壩體填筑土質(zhì)量欠佳，抗壓縮性能不強，浸潤線相對較高，造成壩體抗變形能力較差，產(chǎn)生一定的壓縮變形和差異性沉降，以至出現(xiàn)部分內(nèi)部裂縫。在庫水及其他因素作用下促使其進一步發(fā)展，形成了一定規(guī)模的壩體表面裂縫。

3.2 濕陷變形

前期勘察和施工揭露，壩基主要由圖1所示的④第四系全新統(tǒng)沖積壤土（Q4al）、⑤第三系漸新統(tǒng)清水營組泥巖、砂巖（E3q）兩個工程地質(zhì)單元構成。

泥巖、砂巖屬湖泊相沉積，泥質(zhì)膠結，層狀構造，局部夾有石膏層，從物理力學指標判斷為CⅣ巖體。該巖體作為截滲槽的基礎，雖然力學強度不高，但是滿足土壩對下臥基礎的基本要求，其承載力與變形特性對壩體裂縫一般不會產(chǎn)生大的影響。

壤土為壩基建基面地層，厚度7.0～13.5m，多呈堅硬狀態(tài)，垂直節(jié)理發(fā)育，富含碳酸鈣等易溶鹽物質(zhì)，具有典型的黃土濕陷變形特征，判定為Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性黃土，其物理力學指標與濕陷性參數(shù)見表1。

鑒于此，通過對8.0m深度黃土的強夯試驗論證，確定采用三序次夯強夯處理方案，以達到消除黃土濕陷性、減小壓縮性和提高承載能力的目的。具體施工方法和參數(shù)見表2。

壩體填筑完成后，對壩后強夯區(qū)黃土進行取樣試驗。結果（表1）表明，強夯后黃土的部分指標雖有所改善，但仍為Ⅲ級自重濕陷性黃土，處理效果不甚明顯。究其原因，主要是壩基黃土厚度較大，4000kN·m夯擊能量不足以完全消除濕陷性。因此，歷次蓄水后黃土均產(chǎn)生一定的濕陷變形，傳導并作用于壩體，這是壩體產(chǎn)生裂縫的最主要動力來源。

3.3 不均勻變形

壩體體積龐大、結構復雜產(chǎn)生的壓縮變形和壩基黃土濕陷變形，最終反映在壩體裂縫上可以統(tǒng)稱為不均勻變形的結果。但對于該工程而言，直接的不均勻變形也是導致壩體裂縫產(chǎn)生的重要因素之一。

該工程所處區(qū)域受地殼上升、水流下切的侵蝕作用，壩基原始地貌中溝壑發(fā)育、地形破碎且切割較深。壩基范圍內(nèi)分布有8條沖溝，最大深度達12m，且坡度較陡呈“V”形，溝底最窄處僅有0.8m。根據(jù)設計的工程處理方案，首先清除表層3.0m黃土，然后對沖溝進行清理、回填，經(jīng)過強夯處理后形成建基面。但眾多沖溝的邊坡臨空面和狹窄的工作面成為強夯施工的難點和盲點，在壩基范圍內(nèi)形成了一定數(shù)量的軟弱區(qū)域，造成壩基不均勻沉降、變形。

從壩體填筑區(qū)設計和裂縫類型、分布規(guī)律分析，壩體橫剖面上不同土料的壓縮變形、固結速率以及土顆粒之間孔隙體積的差異，往往引起壩體中、上部發(fā)生拉、剪應變并產(chǎn)生不均勻變形，當超過壩體極限應變值時便產(chǎn)生裂縫。有學者研究認為[2]，當壩體分區(qū)和土料性質(zhì)不同、壓實不均時，即使壩體內(nèi)部拉應力在允許抗拉強度內(nèi)，裂縫仍有可能產(chǎn)生，而且這種不均一性越大，壩體裂縫產(chǎn)生的可能性也越大，對土壩裂縫產(chǎn)生的影響不容忽視。

3.4 黃土濕陷變形與裂縫發(fā)生機理

綜合前述分析，壩基黃土的濕陷性是導致壩體裂縫發(fā)生和發(fā)展的關鍵因素。眾多的研究成果[3-5]表明，黃土是一種壓縮性較低的欠密實土體，屬典型的非飽和土，其柱狀節(jié)理、大孔隙結構和顆粒間水敏性膠結方式，是微觀結構的主要特征，形成了結構性較強的特殊土體。在上部荷載和外水共同作用下，微觀結構的改變導致宏觀力學性能的變化，原始結構被破壞，進而產(chǎn)生濕陷變形，是黃土獨特結構和外力綜合控制的結果。

壩體填筑階段，壩基黃土雖經(jīng)強夯處理，但仍具有部分天然特性，在上覆荷載下內(nèi)部原始聯(lián)結結構尚存，主要是孔隙縮小閉合、顆粒骨架相互靠近的壓密過程，因而有較高的強度和穩(wěn)定性，竣工蓄水前的沉降觀測值較小。

蓄水初期，黃土的穩(wěn)定性發(fā)揮著抵抗作用。隨著庫水的逐漸浸入、黃土飽和度不斷增大，顆粒間膠結物被不斷軟化、溶解，加之水膜的楔人造成薄膜水、毛細水吸附力衰減，顆粒排列特性發(fā)生變化，聯(lián)結力、摩擦力減小并擠壓滑動，結構強度逐漸喪失。庫水的下降又會解除土體的懸浮狀態(tài)，增大了顆粒骨架間的有效應力，土體結構被進一步破壞，促使?jié)裣葑冃渭觿?。這一過程是黃土的穩(wěn)定性被不斷調(diào)整直至破壞、濕陷性由量變到質(zhì)變的過程，也是黃土可變性顯現(xiàn)、次生結構不斷形成的過程。由于壩基各部位濕陷性黃土厚度差異導致沉陷量不一，同時庫水對壩體上游坡的浸人更迅速和充分，因此引發(fā)壩體向庫區(qū)和河谷方向發(fā)生位移、拉裂，壩體出現(xiàn)縱、橫裂縫。

歷次庫水位的升降變化，使得濕陷結構失穩(wěn)破壞后形成新的穩(wěn)定結構越來越多，即使應力增加較大，但發(fā)生失穩(wěn)破壞的孔隙體積越來越小，體積變形量緩慢增長，且有不可逆的失穩(wěn)特征。因此，首次蓄水時壩體裂縫發(fā)生尤為強烈，之后庫水3次間歇提高水位過程中，由于黃土存在著未飽和濕陷、多次濕陷的特性，因此對壩體變形的影響一直在間斷發(fā)生，黃土次生結構發(fā)生破壞一穩(wěn)定一破壞往復循環(huán)的失穩(wěn)過程。

在文獻[6]的黃土雙線法濕陷試驗中，某一壓力下浸水與不浸水壓縮曲線之間的變異系數(shù)，可稱為飽和濕陷系數(shù)（δs）或最大濕陷系數(shù)，中間濕度下的濕陷系數(shù)稱為未飽和濕陷系數(shù)（δ's），二者之差為剩余濕陷系數(shù)（δ“s），即δ"s=δs-δ's。

這一關系式表征了黃土濕陷的終極過程，對宏觀判斷壩體裂縫發(fā)展趨勢意義重大。如果把第一次抬高蓄水位引起的壩基黃土濕陷看作未飽和濕陷，那么以后每次高水位運行，均會引起新的濕陷變形，進而引發(fā)壩體裂縫的發(fā)生、發(fā)展。只有黃土的剩余濕陷量完全消除，濕陷變形才不復存在，壩體裂縫發(fā)生、發(fā)展基本停止。因此，在高水位持續(xù)運行的情況下，對壩基黃土做進一步的濕陷性研究，判斷目前濕陷量大小、持續(xù)時間長短，是評價壩體穩(wěn)定性、確定工程處理措施的量化標準和重要依據(jù)。

參考文獻：

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