土石壩壩體裂縫及控制

劉星星

（邵陽市水利水電勘測設(shè)計院，湖南 邵陽 422000）

0 引言

土石壩由土石等散粒體材料填筑而成，由于土石料的抗拉強度很低，砂石料幾乎沒有拉伸能力，在自重、水荷載等作用下，若發(fā)生不均勻沉降等變形時，土石壩就會產(chǎn)生裂縫。部分土石壩由于出現(xiàn)裂縫，使得大壩不能正常運行或需長年修補，影響整個水利工程的運行。由于裂縫的存在，破壞了壩體的整體性[1]，嚴重的甚至導致滲流沖刷或水力劈裂，裂縫滲水釀成失事，因此必須嚴格控制裂縫的產(chǎn)生。

1 裂縫的類型及其成因

按產(chǎn)生裂縫的成因，土石壩的裂縫可分為變形裂縫、干縮或凍融裂縫、水力劈裂縫、滑坡裂縫等。

1.1 變形裂縫

變形裂縫主要由不均勻沉降引起。由于變形不均勻，大壩局部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變力和剪應(yīng)變力，導致出現(xiàn)裂縫。這種裂縫一般規(guī)模較大，深入壩體，是破壞壩體完整性的主要裂縫。

（1）縱向裂縫。裂縫與壩軸線大致平行，它們大多出現(xiàn)在壩頂上，有時出現(xiàn)在壩坡上，甚至出現(xiàn)在大壩內(nèi)部。這種裂縫是由橫向不均勻變形引起的，裂縫的寬度往往較大。

黏土心墻壩的壩殼沉降速度比心墻本身快，沉降過程中受到心墻的約束，使頂部出現(xiàn)拉伸區(qū)，造成壩頂附近出現(xiàn)縱向裂縫。這種情形多出現(xiàn)于壩殼有較大沉降時期。因而常發(fā)生在壩的施工后期、竣工初期以及水庫初次蓄水等壩殼發(fā)生較大濕陷的時期。裂縫與筑壩土料的變形性能有密切的關(guān)系，通常是突發(fā)性的，裂縫形成則應(yīng)力釋放，很快達到新的平衡，一般很少繼續(xù)發(fā)展，較快穩(wěn)定下來，如圖1a所示。黏土斜墻壩的壩體沉降過大，黏土斜墻有可能發(fā)生折斷和剪裂，形成如圖1b所示的縱向裂縫，這種裂縫的存在直接威脅著壩的安全。壓縮性較大的軟黏土地基，在壩體自重作用下會發(fā)生較大的不均勻沉陷，引起如圖1c所示的裂縫。在濕陷性黃土地基上建壩，由于壩的中間荷載大、沉陷大，蓄水后沉陷較小。而上、下游側(cè)由于荷載小，沉陷小，蓄水后濕陷反而大，可能形成如圖1d所示的裂縫。

圖1 土石壩的縱向裂縫

（2）橫向裂縫。裂縫的走向大致垂直于壩軸線。這種裂縫是由于沿壩軸線縱剖面方向相鄰壩段的壩高不同或壩基的覆蓋層厚度不同而產(chǎn)生不均勻沉陷，當不均勻沉降超過一定限度時，易產(chǎn)生局部的拉伸區(qū)而出現(xiàn)橫向裂縫。橫向裂縫常貫穿防滲體，對壩的危害大。

（3）水平裂縫。窄心墻壩常出現(xiàn)水平裂縫。它是由壩體不均勻沉降引起的，是一種內(nèi)部裂縫。有時穿過上下游形成集中滲水通道。這種裂縫不容易發(fā)現(xiàn)，而且往往在發(fā)生事故發(fā)生后才會被發(fā)現(xiàn)，因此非常有害，如圖2a所示。由于壩殼是非黏性土，沉降速度快，心墻壩較早達到穩(wěn)定，黏土心墻固結(jié)速度較慢，壩殼與心墻接觸面的摩擦阻礙了心墻的沉降，形成了心墻的拱效應(yīng)。拱效應(yīng)降低了心墻的垂直應(yīng)力。如果拱效應(yīng)明顯，垂直應(yīng)力將從壓縮變?yōu)槔欤瑢е鲁霈F(xiàn)水平裂縫。

圖2 心墻水平裂縫及心墻垂直應(yīng)力

1.2 干縮和凍融裂縫

（1）干縮裂縫。在黏性土中，由于水分的蒸發(fā)，使其附近的水分變得稀疏，而膜上的水分吸附使土壤和土壤之間的水分相互靠近，從而使土壤發(fā)生干燥收縮。在壓縮作用下產(chǎn)生的張應(yīng)力大于某一極限時，就會產(chǎn)生開裂。在粗顆粒土壤中，水分含量極低，厚度極薄，不會明顯地改變其物理性能。在填筑過程中，黏性越大，含水量越大，則越容易發(fā)生干收縮開裂。在黏土土壤中，干燥收縮開裂較為罕見，而在砂質(zhì)土壤中，基本不存在干燥收縮開裂。很明顯，干縮裂縫是由于土壤中的水分的蒸發(fā)而導致的。

（2）凍融裂縫。凍融裂縫主要由冰凍而產(chǎn)生。當氣溫下降時土體中的水分因冰凍而凍脹，氣溫升高時冰融，但經(jīng)過冰凍的土體不會恢復(fù)到原來的密實度，反復(fù)凍融，土體表面就會形成裂縫。

1.3 水力劈裂縫

水力劈裂縫是指在受孔壓的情況下，當土壤中的有效壓應(yīng)力降低到0或低于0時，受拉斷裂而產(chǎn)生的裂縫。當水壓力下降后，這些裂口就會自動閉合。當拱形作用導致墻體豎向壓力降至低于此位置的孔壓時，就會出現(xiàn)橫向開裂，其他因素引起的橫向裂隙也會由于水壓導致開裂而擴大[2]。水力劈裂縫多發(fā)生于水庫初次蓄水時，是一種危害性很大的裂縫。

1.4 滑坡裂縫

滑坡也是造成開裂的主要原因，當壩體上部出現(xiàn)張開縫，底部隆起處出現(xiàn)大量的微小裂縫，該切口伸展得更長更深，間距更大，而且寬度更大，這是在壩失穩(wěn)之前，由于滑移引起的滑動土在周邊產(chǎn)生了裂隙，是滑坡的先兆。

2 裂縫的防治措施

土石壩發(fā)生損壞大多是由于壩體裂縫引起的。為了防止破壞事故，應(yīng)采取防治措施盡量避免裂縫的產(chǎn)生。

2.1 設(shè)計方面

設(shè)計時應(yīng)把壩的防裂設(shè)計作為一項基本內(nèi)容來考慮，分析預(yù)估壩體可能產(chǎn)生裂縫的危險部位及其成因，以便采取相應(yīng)的措施。

（1）選擇合適的地形和有利的地質(zhì)條件并進行必要的處理，地形上應(yīng)盡可能避開顯著不對稱的河谷斷面形狀。岸坡盡可能平順，斜率應(yīng)基本一致，必要時應(yīng)開挖成適宜形狀或采用混凝土墊，以改善凹凸不平和折曲突出的不規(guī)則形狀。壩體，特別是防滲體應(yīng)盡量避開明顯的地質(zhì)構(gòu)造斷裂帶，防滲體最好與基巖直接接觸。做好清基工作，以保證連接良好，高壓縮性土層及基礎(chǔ)棄渣應(yīng)徹底清除[3]。巖石地基中有明顯裂隙時，宜進行灌漿處理。對于濕陷性地基必要時需用預(yù)先漫濕或挖除處理。

（2）合理設(shè)計土石壩的剖面和細部。對于壩的剖面，土石料分區(qū)必須合理布置，不應(yīng)將粒徑差別很大的兩種土料相鄰布置，以免變形差別太大。防滲體與壩體粗料之間應(yīng)設(shè)置過渡層，過渡層土料的變形性能應(yīng)介于兩種土料之間，以協(xié)調(diào)變形和傳遞荷載，過渡層可與反濾層合二為一，按反濾原則設(shè)計。有研究表明，斜心墻壩的抗裂能力要好于心墻和斜墻，斜心墻能大幅減弱壩殼對心墻的拱效應(yīng)。

（3）選擇適宜的土料和采用合理的參數(shù)。從防裂的角度考慮，土料設(shè)計除必須滿足強度與滲透性能要求以外，還應(yīng)滿足土料的變形性能要求。理想的材料受荷后變形小，同時適應(yīng)變形的能力又強，在實際工程中，兩個方面的要求難以同時滿足。因此，可根據(jù)大壩防滲體對變形性能的不同要求進行布置。斜墻對不均勻沉降特別敏感，對土壤材料適應(yīng)變形的能力有很高的要求。由于心墻承受較大的荷載，若中、下部的壓縮性較大，會引起過大的變形，不利防裂[4]，但中下部心墻內(nèi)部或與壩殼之間的不均勻變形較小，因而這部分土料的適應(yīng)變形能力可差一些，而中、上部心墻的情況則相反。

砂礫含量較高、塑性指數(shù)較低的黏性土，充分壓實后，其壓縮性較小，但其適應(yīng)變形的能力也較弱。相反，黏土含量高、塑性指數(shù)高的黏性土對變形的適應(yīng)性強，但壓縮性高。填土含水量對土的變形性能也有很大影響，其含水量略高于最佳含水量，壓實后心墻中放置高含水量黏土區(qū)以增加其受拉力，而不開裂土體適應(yīng)變形的能力較強[5]。

2.2 施工方面

施工過程中，嚴格控制土料的顆粒組成、壓實度和含水率，仔細碾壓，以免壩體竣工后產(chǎn)生較大的沉降或變形，特別是兩種材料的接觸面及壩與岸坡的接觸面附近，要注意防止漏壓。心墻和斜墻填筑到一定高度時，下壩體沉降基本完成后，可適當減緩上升速度。容易開裂的部分應(yīng)留作最終填充的部分，有時非黏性土可作為預(yù)壓荷載，沉降一段時間后可移除，換成黏性土繼續(xù)填筑。有深厚軟土夾層的地基，可采取砂井預(yù)壓等方法加速地基固結(jié)，并提高地基強度。同時還應(yīng)控制土石壩的填筑速率以適應(yīng)地基強度的增長速率。

施工間歇期間應(yīng)妥善保護壩面，防止干縮、凍融裂縫的發(fā)生，保證防滲體的整體性。一旦發(fā)現(xiàn)裂縫，應(yīng)將已開裂土層清除并重新填筑，注意新老土的緊密結(jié)合。壩內(nèi)剛性建筑物周圍的填土，常因不便使用重型碾壓設(shè)備而導致施工質(zhì)量達不到規(guī)定的要求，宜用小型夯實機械嚴加壓實。

土石壩合龍段的施工，應(yīng)充分考慮該段填土的后期沉降量會比先期填筑段大。除加強碾壓保證壓實質(zhì)量外，還應(yīng)注意在下游做好防滲排水措施，特別是反濾層，以控制可能出現(xiàn)裂縫后的集中滲流。

2.3 運行管理方面

土石壩的開裂滲漏事故與水庫水位變化有很大的關(guān)系，水庫水位的突然升降容易導致大壩開裂。因此，在初期蓄水期間，水位上升速度不要太快，使壩體內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)借助于土體本身的蠕變性能逐步緩慢地重新分布，不至于因突然加荷和濕陷而開裂。同樣，水庫水位突降也會改變壩內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，使壩身發(fā)生不均勻變形，也應(yīng)盡量避免。

在施工期或運行期，應(yīng)定期觀察壩體的變形和內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，以及動水壓力、滲流和滲流的性質(zhì)和狀態(tài)，監(jiān)控任何可能的損壞和裂紋發(fā)展。及時對觀測到的資料進行分析，加強監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的裂縫，分析原因并及時處理。

2.4 裂縫的處理

裂縫對土石壩有不利影響，若發(fā)現(xiàn)裂紋，應(yīng)及時查明其性質(zhì)，并采取相應(yīng)的措施進行處理。

（1）翻松夯實法。對于一般表面干縮縫，可用砂土填塞，將裂縫口表層土料翻松并濕潤，表面再以低塑黏土封填，夯實以防雨水滲入沖蝕。深度不大的裂縫可按表面干縮縫處理，也可開挖重填。挖除裂縫部位的土體應(yīng)重填稍高于最優(yōu)含水量的土料，嚴格分層夯實，并采取灑水刨毛等措施保證新老土體的良好結(jié)合[6]。對于凍融裂縫，未加防凍處理的必須設(shè)置保護層。

（2）充填灌漿法。當裂縫位于深部或延伸至深部時，可采用灌漿處理。灌漿材料通常用含量較多粉砂，也可采用少量中細砂。采用塑性指數(shù)為10左右的粉質(zhì)壤土或黃土用作灌漿材料，以減少接縫的固結(jié)收縮。低壓灌漿可用于淺縫，但應(yīng)注意不要造成水力劈裂。當裂縫比較嚴重時，可灌注從壩頂穿過壩身而直達基巖的混凝土或黏土防滲墻，這種防滲墻與基礎(chǔ)處理中的防滲墻類似，其施工時間長且費用較高。

（3）挖出回填法。這是一種簡單、徹底、可靠的方法，適合大規(guī)模施工，它可用于縱向和橫向裂縫。對于深度小于5 m的裂縫，可用人工開挖和回填，深度超過5 m的接縫可用簡單機械開挖和回填，挖掘斷面通常采用梯形斷面。應(yīng)使用原壩土回填，壓實含水量可控制為略大于最佳含水量。應(yīng)嚴格分層壓實，并采取灑水和刨毛措施，確保新舊填料的良好結(jié)合。

3 結(jié)語

土石壩壩體裂縫是一種較為常見的病害現(xiàn)象，大多發(fā)生在水庫蓄水運行期間，對壩體存在著潛在的危險。例如，細小的橫向裂縫有可發(fā)展成為壩體的集中滲漏通道；部分縱向裂縫則可能是壩體滑坡的征兆；有的內(nèi)部裂縫，在蓄水期突然產(chǎn)生嚴重滲漏，威脅大壩安全；雖然一些裂縫并沒有造成潰壩，但影響了水庫的正常蓄水，長期以來未能充分發(fā)揮水庫的功能。因此，對土石壩的裂縫應(yīng)給予足夠的重視。實踐證明，只要設(shè)計正確，施工質(zhì)量有保證，加強養(yǎng)護修理工作，可減少甚至避免裂縫。出現(xiàn)裂縫后分析裂縫產(chǎn)生的原因，及時采取有效的處理措施，可以防止土壩壩體裂縫的發(fā)展和擴大，并迅速恢復(fù)土石壩的性能。