土石坝裂缝成因分析及对策

叶晓晶

摘要：土石坝因为施工简单、取材方便而被广泛使用，是水利工程中较为常见的一种挡水建筑物。然而土石坝在使用过程中有着不可忽视的缺陷—裂缝。裂缝对土石坝的安全以及下游人们的生命财产安全产生了极大威胁。本文对土石坝常见裂缝的原因以及治理方法进行阐述。

关键词：土石坝；裂缝；成因；治理方法

到目前为止，我国共修建约8.8万座大坝，其中95%以上是土石坝。土粒黏结强度低，土颗粒之间空隙较大，在渗流、冲刷及地震作用下，土坝易受到破坏。其中，裂缝是土石坝较为常见的问题。据不完全统计，土石坝裂缝问题占国内所有大坝问题的39%。大坝出现裂缝后，可能会出现滑坡、管涌甚至溃坝等事故。[1]在查阅大量文献后，本文对裂缝特点、成因以及对策进行了总结。

一、土石坝

土石坝是指在施工过程中以土、石料以及混合料经过碾压而形成的一种挡水结构，这种挡水结构在施工过程中是以土和沙粒为主的坝体结构，因此被人们广泛地称为土石坝。[2]土石坝通常按坝高、施工方法以及筑坝材料分类。其中，碾压式土石坝应用最为广泛。土石坝因为其取材便利、价格低廉、施工方法简单以及对地质地形条件要求不高的特点而广泛应用于水利工程。

二、土石坝裂缝特点

土石坝裂缝极为常见，种类繁多。根据裂缝在土石坝中出现的部位，裂缝可分为表面裂缝和内部裂缝；根据裂缝的走向，裂缝可分为横向裂缝、纵向裂缝、水平裂缝和龟纹裂缝；根据裂缝的成因，裂缝又可分为沉陷裂缝、滑坡裂缝、干缩裂缝、冰冻裂缝和震动裂缝。

土石坝中较为常见的裂缝是变形裂缝。变形裂缝主要有横向裂缝、纵向裂缝和水平裂缝，多为表面裂缝。横向裂缝走向与坝轴线垂直或斜交，一般出现在坝顶，近似铅锤或稍有倾斜，防浪墙及坝肩砌石常随缝开裂。土坝的横向裂缝危害性极大。纵向裂缝走向一般平行于坝轴线或接近平行，往往出现在坝顶以及坝坡上部。水平裂缝往往水平或接近水平，大都出现在坝体内部。

三、土石坝裂缝成因

通过查阅资料，分析实例，土石坝出现的裂缝主要是横向裂缝以及纵向裂缝，水平裂缝出现较少。裂缝出现的原因主要有以下三个方面：

第一，坝基处理不当，导致坝基不均匀压缩变形。土石坝对天然坝基的强度和变形能力要求没有混凝土坝要求高，但是，土石坝坝基的承载能力、强度、变形能力和抗渗能力均低于混凝土坝坝基。因为土石坝在建造过程以及使用过程中会发生变形，在坝基处理不当的情况下，土体会承受较大的变形以及应力，从而导致土石坝出现裂缝。据国外资料统计，土石坝出事约有40%是坝基不均匀沉降导致的。

第二，坝体碾压不到位。卵石、石渣、风化石都是良好的建筑材料，但是需要充分碾压至密实状态。在20世纪50年代，心墙多采用碾压方式建造，而坝壳常用主要用抛填或水力冲填方式填筑，因为铺设层很厚，即使碾压，而激振力也不够大。因此，坝壳密实度通常低于心墙。如果坝壳密实度不高，心墙与坝壳密实度差异过大，有可能导致裂缝、渗漏以及沉陷等问题。江西七一土坝使用粘性山皮土筑坝，只用拖拉机厚层碾压。投入使用后，坝体裂缝多，沉陷量大，在水库放空时，上游出现滑坡。[3]

第三，库区水位上升或下降速度过快。水位升降速度过快会导致坝体出现过大局部变形，从而产生不协调变形甚至裂缝。巴西的恩卜卡萨大坝在是981年首次蓄水时，水位上升速度过快，库水位达600米时，坝顶处心墙沿下游侧出现一条130米长的纵向裂缝，深度0.6米。1982年1月，库水位642米时，心墙上游侧过渡料中出现纵向裂缝，长达700米，最大宽度0.25米，深度约4米，裂缝底端接近水库最高水位。[4]

四、土石坝裂缝治理方法

案例分析结果显示，心墙与坝壳的变形不协调是土石坝的显著特点之一，坝体不同区域的变形不协调是表面裂缝的主要原因。以下是治理裂缝的几种常用方法。

（一）翻松夯实法

干缩和冻融所造成的裂缝，一般可用翻松夯实法处理。用砂土填塞裂缝，在裂缝口表面翻松土壤，并湿润土壤，然后夯实，并用不透水土料充填缝口。

（二）开挖回填法[HT]

开挖回填是解决裂缝问题最彻底的方法，适用于位置不深及防渗体面上的裂缝。开挖裂缝时，往往采用梯形断面或阶梯型断面边坡应满足稳定和新旧回填土结合的要求。回填的土料应采用满足坝体设计要求的土料。回填时，需注意分层夯实，土层厚度以0.1～0.2米為佳，并采取洒水创毛笔措施，有利于新老土的结合。[5]操作时，应格外注意坑槽边角处的夯实质量，防止暗缝产生。

（三）充填灌浆

充填灌浆法是在裂缝部位，使用较低压力或依靠浆液自重把浆液注入坝体内，填塞裂缝和空隙，从而加固坝体。灌浆之前应布置好孔序。灌浆压力是确保灌浆效果的关键。实验确定，一般灌浆管上端孔口压力采用0.05～0.3兆帕，施灌时压力应由小到大，逐步增加。灌入裂缝的浆液失水后填满裂缝，才能发挥防渗作用。因此，灌浆浆液应有良好的流动性、析水性以及收缩性。灌浆浆液的材料配比根据裂缝的位置及深度确定。灌浆时，宜采用少灌多复的方法，以提高裂缝充填密实度和防渗效果。在设计压力作用下，灌浆孔段三次复灌后，不再吸浆时，灌浆方可结束。

五、结论

本文通过查询资料，对裂缝特性、成因及处理方法有了初步的概括与总结。土石坝中较为常见的是变形裂缝。土石坝裂缝的主要成因是坝基处理不当、坝体碾压不到位以及库区水位上升或下降速度过快。常见的裂缝处理方法有翻松夯实法、开挖回填法和充填灌浆法。

参考文献：

[1]徐建.高心墙堆石坝坝顶裂缝成因分析[J].水科学与工程技术，2017（05）：46-50.

[2]张艳辉.针对土石坝裂缝的原因分析及解决方法[J].科技创业家，2012（23）：52.

[3]顾淦臣.土石坝的裂缝和压实质量[J].岩土工程学报，1982（04）：56-67.

[4]王富强，杨泽艳.高土心墙堆石坝裂缝分析及控制措施研究[J].水力发电，2018，44（01）：43-45+54.

[5]张艳辉.针对土石坝裂缝的原因分析及解决方法[J].科技创业家，2012（23）：52.