句容市赤山湖堤防道路縱向裂縫成因分析與治理

趙道雙 葉根苗

(1.鎮(zhèn)江市工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.南京市江北新區(qū)生態(tài)環(huán)境和水務(wù)局，江蘇 南京 211899 )

1 工程概況

句容市赤山湖為國(guó)家濕地公園，位于句容市西南部，距句容城區(qū)15km，距南京市中心37km，坐落于赤山東南部。赤山湖湖區(qū)面積7.8km2，堤防長(zhǎng)約10.7km。湖岸堤防在原堤基礎(chǔ)上經(jīng)歷了多次加高培厚，最近一次于2014年加高約1.0m，堤頂?shù)缆窞闉r青路面。

自2018年以來，湖區(qū)堤頂?shù)缆范嗵幊霈F(xiàn)縱向裂縫，嚴(yán)重段裂縫路面寬度約7～14cm，直接影響了環(huán)湖道路的使用，也給堤防防洪埋下了較大的安全隱患(見圖1)。本文對(duì)赤山湖東段堤防的北段、東閘段和半島段三處瀝青路面縱向裂縫進(jìn)行了成因分析，結(jié)合前期裂縫治理工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)裂縫治理提出了建議。

圖1 堤防位置分布

北段：長(zhǎng)300m，路面縱裂縫斷續(xù)分布，較輕微，裂縫寬0.5～1.0cm，深度一般0.2～1.2m。

東閘段：長(zhǎng)700m，在湖東中、北端，一般裂縫寬3～5cm，深度一般0.4～1.5m，南段約400m范圍內(nèi)裂縫自北向南變得愈來愈明顯，道路破損較為嚴(yán)重，尤其最南端約85m范圍內(nèi)，裂縫寬度變大，約5～10cm，深1.5～2.5m。

半島段：多為不連續(xù)的堤肩錯(cuò)落裂縫、偏環(huán)湖一側(cè)路面裂縫，實(shí)測(cè)裂縫寬3～5cm，深度一般1.0～2.0m，局部較深。

圖2 堤防道路裂縫

2 堤防工程地質(zhì)條件

2.1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)

赤山湖微地貌單元為湖相，沉積物主要由黏性土組成，上部分布有含腐殖質(zhì)的軟弱土層。湖區(qū)道路地基土層自上而下分為以下層次：

⑥層(K2c)：強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。以棕紅色、磚紅色為主，為白堊系上統(tǒng)赤山組粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，巖石堅(jiān)硬程度等級(jí)屬極軟巖，巖體完整性指數(shù)屬極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

各地基土層剖面分布見圖3，土的主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖3 工程地質(zhì)剖面

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)述

赤山湖為秦淮河上游的淺水草型湖泊，地下水類型主要為潛水。場(chǎng)地地下水和地表湖水隨季節(jié)變化存在著水力聯(lián)系，堤身浸潤(rùn)線受湖水位影響，湖水位一般在8.9m左右。

根據(jù)鄰近場(chǎng)地的地下水水質(zhì)分析資料和現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易測(cè)試，環(huán)境水pH值在7.0左右，為中性水，地下水與湖水互為補(bǔ)給，附近無污染源存在，場(chǎng)地環(huán)境水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

各土體滲透性分級(jí)：地基土主要為微透水，堤身填土為弱透水性。各層土滲透系數(shù)及滲透等級(jí)見表2。

表2 地基土滲透系數(shù)

3 縱裂縫成因分析

3.1 堤身應(yīng)力分布分析

3.1.1 應(yīng)力分布

巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力分布研究表明[1]：巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力分布特征為愈靠近臨空面，最大主應(yīng)力(σ1)愈接近平行邊坡臨空面，最小主應(yīng)力(σ3)愈垂直臨空面。邊坡坡腳處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力最大；在邊坡坡頂及后緣會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，形成與坡面近乎平行的張裂縫，大約在地面下1/3坡高處轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。自重應(yīng)力場(chǎng)作用邊坡應(yīng)力分布見圖4。

圖4 自重應(yīng)力場(chǎng)作用邊坡應(yīng)力分布

3.1.2 拉應(yīng)力臨界深度

堤身結(jié)構(gòu)為黏性土，黏性土主動(dòng)土壓力應(yīng)力計(jì)算公式[2]如下：

(1)

堤身主動(dòng)土壓力分布見圖5。臨界深度(Z0)內(nèi)主動(dòng)土壓力為張拉應(yīng)力，向下主動(dòng)土壓力為壓應(yīng)力，臨界深度與土層物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。堤頂?shù)缆窚\部拉應(yīng)力內(nèi)會(huì)向臨空區(qū)發(fā)生水平偏移，產(chǎn)生縱向裂縫。

圖5 主動(dòng)土壓力分布

拉應(yīng)力臨界深度計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)堤身土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)：C=21kPa；φ=10°；γ=19.6kN/m3，求得：Z0=2.55m。

3.1.3 探坑驗(yàn)證

選堤頂?shù)缆妨芽p破壞處開挖探坑。探坑揭示：路面縱裂縫寬約2～10cm，水平延伸數(shù)米或數(shù)十米，寬度由上至下逐漸變小并尖滅，裂縫面分布基本直立，裂縫延伸深度一般在0.5～1.5m，最大為2.15m(見圖6～圖7)。因此從巖石邊坡和土質(zhì)邊坡應(yīng)力分析看，縱裂縫均發(fā)生在拉應(yīng)力范圍內(nèi)，裂縫深度一般在巖石邊坡地面下1/3坡高深度內(nèi)，土質(zhì)邊坡在主動(dòng)土壓力臨界深度內(nèi)。

圖6 北段道路裂縫探坑

圖7 東閘段道路裂縫探坑

綜上分析，當(dāng)?shù)添斒莒o堆載和車輛運(yùn)行等動(dòng)載作用時(shí)，邊坡會(huì)向臨空面最小主應(yīng)力方向發(fā)生位移，形成堤頂路面縱向裂縫，縱向裂縫多為垂直向下延伸，上寬，向下漸變窄，發(fā)育在拉應(yīng)力深度內(nèi)。赤山湖堤半島段、東閘段湖堤兩側(cè)為臨空面，且兩側(cè)臨水，堤頂路面縱裂縫多發(fā)育在路中央；北段臨湖迎水坡側(cè)為單側(cè)臨空面，路面縱裂縫發(fā)育在路面偏臨空面一側(cè)，兩側(cè)臨空面的堤頂?shù)缆房v裂縫較單側(cè)臨空面的縱裂縫寬且延伸距離遠(yuǎn)。

3.2 土層的膨脹性特性影響

赤山湖環(huán)湖道路場(chǎng)地土層屬湖相沉積，以細(xì)顆粒沉積物為主，黏粒成分含有親水性次生黏土礦物蒙脫石、伊利石和高嶺石。蒙脫石親水性強(qiáng)，浸濕后膨脹程度強(qiáng)烈，其次依次為伊利石和高嶺石。赤山湖堤基和堤身土層親水礦物主要為高嶺石和伊利石，其次為蒙脫石，場(chǎng)地土具有較顯著的吸水膨脹和失水收縮下沉的膨脹土特性，土工試驗(yàn)測(cè)得場(chǎng)地土①、②、④土層的自由膨脹率40%≤δef<65%，根據(jù)膨脹土相關(guān)技術(shù)規(guī)范[3]判別，具有弱膨脹性(見表3)。

表3 膨脹性土膨脹潛勢(shì)判別

赤山湖堤基和堤身土層具有的弱膨脹土特性，在受干濕交替影響時(shí)，極易誘發(fā)堤頂?shù)缆樊a(chǎn)生裂縫。

3.3 堤身土質(zhì)組成差異及堤基軟弱土層沉降引起縱裂縫

湖岸堤防多年來經(jīng)過數(shù)次加高培厚，原堤土質(zhì)與各次加固土層的土性、密實(shí)程度及施工方法均存在差異，堤身固結(jié)速度不同，產(chǎn)生沉降差異，引起縱向裂縫的發(fā)生[4]。赤山湖環(huán)湖道路堤身上部1.0m為2014年加高土層，土料主要為湖區(qū)黏性土，與原堤身土料存在明顯差異，且加高層堤身密實(shí)程度較下部原堤身土層也存在差異，從開挖的裂縫探坑所揭示的土層分布情況也得到了進(jìn)一步證實(shí)，因此易導(dǎo)致堤身產(chǎn)生縱裂縫。

堤基土層②層重、中粉質(zhì)壤土，軟塑，局部流塑，含少量腐殖質(zhì)，為中偏高壓縮性的較軟弱土層；③層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土夾輕粉質(zhì)壤土為高壓縮性的軟弱土層，流塑，含腐殖質(zhì)。因此在堤身荷載及道路動(dòng)載作用下，②層、③層土?xí)l(fā)生固結(jié)作用，產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的沉降變形，引起堤身產(chǎn)生縱裂縫。

4 縱裂縫治理

堤頂?shù)缆樊a(chǎn)生縱向裂縫后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行封閉加固治理，否則裂縫易成為地表水滲入通道，地下水會(huì)降低堤身土的抗剪強(qiáng)度，壩肩邊坡穩(wěn)定安全性隨著降雨歷時(shí)與下滲強(qiáng)度的增加而降低[5]，同時(shí)堤身土還具有弱膨脹土特性，受干濕交替影響時(shí)會(huì)發(fā)生吸水膨脹和失水收縮現(xiàn)象，加劇道路裂縫的擴(kuò)大。裂縫貫通進(jìn)一步發(fā)展會(huì)形成淺層坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[6]，影響堤身的穩(wěn)定。因此當(dāng)裂縫初始發(fā)生時(shí)，應(yīng)及時(shí)治理。

對(duì)于水利工程堤防道路裂縫的治理，目前常規(guī)采用的處理方法主要有充填灌漿、自流灌漿和開挖回填等方法[7-10]。赤山湖堤防道路縱向裂縫的治理，應(yīng)根據(jù)堤防道路縱向裂縫成因特點(diǎn)采取如下相應(yīng)的處理方法：?堤身培厚，限制堤頂拉應(yīng)力向臨空面位移；?裂縫填實(shí)封閉：用非膨脹性黏性土漿液灌漿，根據(jù)裂縫特征進(jìn)行自流灌漿、充填灌漿；?用非膨脹性黏性土置換回填。

4.1 堤身培厚

湖堤道路受載荷作用會(huì)向臨空面方向發(fā)生位移，現(xiàn)湖堤有單側(cè)臨空坡面和雙側(cè)臨空坡面，坡面坡度較大，局部陡立，多處路面出現(xiàn)了縱裂縫和坡肩坍塌，可采用堤身培厚和臨空坡面護(hù)坡方法，使湖堤坡度滿足1 ∶2.5～1 ∶3，限制堤頂?shù)缆吩趶埨瓚?yīng)力作用下向臨空面?zhèn)茸冃危欣诘躺淼姆€(wěn)定。

4.2 裂縫填實(shí)封閉

堤身土具有弱膨脹性，要控制堤身土含水率的變化。在穩(wěn)定地下水位以下土體含水率比較穩(wěn)定，地下水位以上土體含水率受大氣深度影響波動(dòng)大，土體會(huì)產(chǎn)生吸水膨脹和失水收縮現(xiàn)象，因此堤頂路面出現(xiàn)縱向裂縫后，應(yīng)及時(shí)充填封閉。裂縫填實(shí)采用充填灌漿和自流灌漿方法。灌漿材料為非膨脹性黏性土漿液或水泥漿液，土料主要性能指標(biāo)：液性指數(shù)10～25，黏粒含量20%～45%。

4.2.1 充填灌漿

對(duì)于開張大且深度大的裂縫，采用充填灌漿法處理。灌漿材料可取黏性土漿液或水泥漿液，黏性土材料應(yīng)不具膨脹性。注漿管采用通用的注漿花管，直徑50mm。灌漿施工可按下列步驟進(jìn)行：

a.開槽：沿瀝青路面縱裂縫方向開槽，槽深和槽寬視路面結(jié)構(gòu)層而定，一般0.5～1.0m，然后用不具膨脹性的黏性土夯實(shí)回填，作為裂縫上口的封閉層。赤山湖主堤堤防等級(jí)為3級(jí)，壓實(shí)度符合相關(guān)規(guī)范[11]要求，壓實(shí)度不低于0.93。

b.埋管：用鉆孔或振動(dòng)法將灌漿花管沿裂縫方向埋入土中，鉆孔深度應(yīng)超過裂縫深度1～2m；孔距一般2m左右，或根據(jù)裂縫實(shí)際貫通情況調(diào)整。

c.灌漿：采取“慢灌+復(fù)灌”方法，灌漿時(shí)應(yīng)控制壓力，不大于50kPa，復(fù)灌間隔視縫內(nèi)漿液的凝固狀態(tài)而定，完成灌漿后封孔，同時(shí)施工中對(duì)堤防進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

d.完成路面修復(fù)工作。

4.2.2 自流灌漿

自流灌漿法適用于裂縫寬、埋藏淺且貫通性較好的裂縫，主要步驟如下：沿縱裂縫方向開挖寬深0.2～0.3m的槽溝，先灌入清水濕潤(rùn)裂縫，再依次灌入稀漿液，最后灌入稠漿液，多次復(fù)灌，直到裂縫充滿為止。

4.3 開挖回填

采用非膨脹性黏性土置換處理，該法是處理以上成因裂縫的有效方法之一，能徹底消除裂縫的不利影響，但造價(jià)較高。

施工步驟主要如下：

a.沿裂縫地面走向和向下延伸方向開挖縱向溝槽，并在裂縫走向每隔5m左右開挖一條與裂縫垂直的橫向溝槽，設(shè)置橫向隔斷，隔斷長(zhǎng)度以1.5～2.0m為宜，縱橫方向溝槽深度以超出裂縫深度下0.5～1.0m為宜。溝槽呈倒梯形狀，側(cè)壁坡度1 ∶0.75，槽底寬度不宜小于0.5m，最小槽寬應(yīng)滿足利于開挖和夯實(shí)時(shí)施工機(jī)械作業(yè)空間要求。

b.按要求選用符合堤防的填料土，進(jìn)行分層壓實(shí)回填。土料質(zhì)量主要指標(biāo)要求[12]其黏粒含量為10%～30%，塑性指數(shù)為7～17，不具膨脹土性，壓實(shí)度按赤山湖主堤堤防等級(jí)要求不低于0.93。

c.完成路面修復(fù)。

5 結(jié) 論

a.赤山湖堤防道路縱向裂縫主要是由堤身應(yīng)力特征、土層的弱膨性、堤身土質(zhì)組成差異和軟弱堤基沉降變形共同作用所致，同時(shí)由于路面堆載和車輛動(dòng)載作用，加劇了裂縫的發(fā)展，造成路面損壞。

b.縱向裂縫多為垂直向下延伸，上寬，向下漸變窄，直至尖滅。裂縫多發(fā)育在拉應(yīng)力深度內(nèi)，巖質(zhì)邊坡在地面下1/3坡高深度內(nèi)，土質(zhì)邊坡在主動(dòng)土壓力臨界深度內(nèi)。兩側(cè)臨空面的堤頂?shù)缆房v裂縫多發(fā)育在路中央，單側(cè)臨空面的路面縱裂縫一般在路面偏臨空面一側(cè)，兩側(cè)臨空面的堤頂?shù)缆房v裂縫較單側(cè)臨空面的縱裂縫寬且延伸距離遠(yuǎn)。

c.堤防路面縱裂縫在堤防工程中普遍存在，防治措施應(yīng)結(jié)合裂縫發(fā)育程度、對(duì)堤防的影響程度及工程造價(jià)等諸多方面綜合考慮，以期求得最佳治理效果。