黄土地区某土坝裂缝形成机理探讨

李德群 李琛 董承山

摘要：针对黄土地区某水库蓄水后坝体出现的裂缝、塌陷等工程问题，在实测裂缝发生、发展过程基础上，通过对坝体填筑质量评价、坝基地形地貌影响、湿陷性黄土处理效果的分析认为，坝体填筑质量欠佳造成的压缩变形和不均匀变形，是引发裂缝产生的内在条件；坝基沟壑回填处理不良、原有黄土湿陷变形消除不彻底且随着蓄水过程变形不断发展的湿陷机理，是坝体产生裂缝最主要和最直接的原因。

关键词：土坝；裂缝；黄土；湿陷性；变形

中图分类号：TV641.2；TU444 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.028

土坝是坝工建筑物中最常见的坝型，据统计，我国已建成土坝数量约占土石坝总数的66%[1]。在我国黄土分布区特别是西北地区，黄土经过一定的工程措施，或作为坝基基础或作为筑坝材料，修建了为数众多的水库大坝。土坝一般力学强度较低，尤其是黄土特有的工程地质特性，在运行过程中受库水位升降等因素的影响，容易发生坝体开裂，成为一种主要破坏形式和工程隐患，造成土体材料的几何不连续性以及力学性质的各向异性，进而导致坝体整体结构的破坏，水库正常效益受到影响，如果处理不当甚至造成溃坝等工程事故。因此，对黄土地区土坝裂缝形成机理的研究具有重要意义。

位于黄土地区的某水库2009年建成蓄水后，在土坝坝体上、下游坡面陆续出现纵、横向裂缝以及坡面塌陷等工程问题。本文通过分析坝基地层岩性、建基面形成过程以及坝体填筑质量，揭示并探讨坝体裂缝形成的机理，旨在为同类工程勘测设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

该水库挡水建筑物为碾压式均质土坝，最大坝高42.0m，坝顶高程1605.0m，坝长495.0m，正常蓄水位1603.0m，属uI等中型工程。

勘察设计资料显示，坝体填筑由坝前及中部非分散性土（记为①）、坝后过渡型分散性土（记为②）和截渗墙（槽）改良性土（记为③）组成（图1）。主要控制指标中最优含水率为13.6%、最大干密度为1.84g/cm3；压实度为0.98时的干密度为1.80 g/cm3，压缩系数a1-2=0.068，压缩模量Es1-2为13.61（非饱和）～14.61MPa（饱和）。为消除料源土的分散性，设计坝体填筑土掺合0.5%～1.0%熟石灰的改性土，填筑标准为压实度不小于0.98。

坝基坐落在湿陷性黄土（记为④）上，其下为泥岩、砂岩（记为⑤）。在处理措施上，利用坝基天然沟谷开挖形成截渗槽进入基岩，其他沟壑扩挖后按照设计标准回填，形成人工建基面，并通过强夯消除黄土的湿陷性，达到干密度>1.70g/cm3的设计指标。

2 坝体沉降和裂缝观测

2.1 坝体沉降

根据观测资料，坝体填筑到竣工阶段时各断面沉降量均较小，自重应力造成的坝体底部沉降率大于上部，最大沉降量为4mm，最大沉降率不大于0.03%。

水库蓄水运行5a后，与坝体设计、竣工的标准断面相比，实测坝顶部位沉降量为470～760mm；坝前和坝后马道部位沉降量分别达到610～660mm、220～300mm。坝体沉降变形具有上游比下游明显加大的趋势，反映了库水对坝体沉降的诱导作用，也符合其他类似工程沉降变形的一般规律，但目前观测的沉降值偏大。

2.2 坝体裂缝

在库水抬升渗透作用下，该工程坝体裂缝的发生和发展经历了3个阶段（图2）。

第一阶段：水库竣工开始蓄水至第6天水位达到1580.0m高程时，上游坝坡出现6条与坝轴线平行的纵向裂缝，裂缝初始宽度3～10mm，2d后裂缝发展趋于稳定。

第二阶段：与第一次蓄水间隔90d后，水库开始历时7d的第二次蓄水。当水位升高到1585.0m时，上游坝坡新增或在原裂缝基础上继续发展了5条纵向裂缝，初始宽度3～5mm，最宽处达到12mm。蓄水结束后8d，裂缝不再有新的发展。

第三階段：与第二次蓄水间隔100d后开始第三次蓄水。库水位蓄至1588.0m时，上游坝坡新增或在原裂缝基础上继续发展了3条与坝轴线垂直的横向裂缝，缝宽30～50mm； 1595.0m马道混凝土面出现裂缝、错台，裂缝宽20～30mm；右坝肩马道混凝土砌坡整体变形、沉陷。

下游坝坡也有不同程度的裂缝和塌陷发生。

从裂缝的发展规律看，蓄水初期上、下游坝坡以平行坝轴线的纵向裂缝为主，后期出现了垂直坝轴线的横向裂缝和坡面塌陷；裂缝在蓄水初始阶段发展速率明显高于后期，也就是说随着库水位的上升和历时延长，裂缝的发展趋势明显减弱。从裂缝发生部位看，由于坝体上游坡对库水浸人的反应更灵敏，而且在受力状态上属于无约束力作用的临空面，因此坝体中、上部位移向上游倾斜，引起坝体发生裂缝。

3 坝体裂缝成因分析

通常情况下，坝体、坝基的变形是引发坝体裂缝产生的内在因素，库水位的升降是外部诱导因素，并加剧了坝基变形的发生发展进程。因此，针对该工程坝体结构、筑坝材料和坝基黄土地层的特点，宏观判断水库大坝的变形具有压缩变形、湿陷变形和不均匀变形的特点，3种变形的综合叠加导致坝体裂缝的发生和发展。

3.1 压缩变形

坝体在上覆土体自重应力作用下产生的变形为压缩变形。除坝体填筑材料自身固有的压缩变形外，往往伴随着坝体填筑施工中质量缺陷的存在。对坝体现状的检测结果表明，填筑土主要由粉质壤土、粉质黏土构成。从坝后、坝中到坝前依次呈坚硬—硬塑—可塑状态，压缩系数a1-2为0.224～0.236MPa-1，压缩模量为7.763～8.531MPa，综合评判为中等压缩性土，低于坝体设计的压缩性指标。

目前，坝体整体压实度普遍偏低，实测平均干密度为1.72g/cm3，低于压实度0.98时干密度为1.80g/cm3的设计标准，属于欠密实状态填筑土。在平均最大击实干密度为1.88g/cm3的工况下，压实度>0.98的试样抽检合格率仅为10.5%；按料源击实试验的最大干密度为1.84g/cm3，在0.98压实度下其控制干密度为1.80g/cm3，坝体填筑土整体压实度合格率平均为22.9%。

由此可見，水库目前运行状态下坝体填筑土质量欠佳，抗压缩性能不强，浸润线相对较高，造成坝体抗变形能力较差，产生一定的压缩变形和差异性沉降，以至出现部分内部裂缝。在库水及其他因素作用下促使其进一步发展，形成了一定规模的坝体表面裂缝。

3.2 湿陷变形

前期勘察和施工揭露，坝基主要由图1所示的④第四系全新统冲积壤土（Q4al）、⑤第三系渐新统清水营组泥岩、砂岩（E3q）两个工程地质单元构成。

泥岩、砂岩属湖泊相沉积，泥质胶结，层状构造，局部夹有石膏层，从物理力学指标判断为CⅣ岩体。该岩体作为截渗槽的基础，虽然力学强度不高，但是满足土坝对下卧基础的基本要求，其承载力与变形特性对坝体裂缝一般不会产生大的影响。

壤土为坝基建基面地层，厚度7.0～13.5m，多呈坚硬状态，垂直节理发育，富含碳酸钙等易溶盐物质，具有典型的黄土湿陷变形特征，判定为Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷性黄土，其物理力学指标与湿陷性参数见表1。

鉴于此，通过对8.0m深度黄土的强夯试验论证，确定采用三序次夯强夯处理方案，以达到消除黄土湿陷性、减小压缩性和提高承载能力的目的。具体施工方法和参数见表2。

坝体填筑完成后，对坝后强夯区黄土进行取样试验。结果（表1）表明，强夯后黄土的部分指标虽有所改善，但仍为Ⅲ级自重湿陷性黄土，处理效果不甚明显。究其原因，主要是坝基黄土厚度较大，4000kN·m夯击能量不足以完全消除湿陷性。因此，历次蓄水后黄土均产生一定的湿陷变形，传导并作用于坝体，这是坝体产生裂缝的最主要动力来源。

3.3 不均匀变形

坝体体积庞大、结构复杂产生的压缩变形和坝基黄土湿陷变形，最终反映在坝体裂缝上可以统称为不均匀变形的结果。但对于该工程而言，直接的不均匀变形也是导致坝体裂缝产生的重要因素之一。

该工程所处区域受地壳上升、水流下切的侵蚀作用，坝基原始地貌中沟壑发育、地形破碎且切割较深。坝基范围内分布有8条冲沟，最大深度达12m，且坡度较陡呈“V”形，沟底最窄处仅有0.8m。根据设计的工程处理方案，首先清除表层3.0m黄土，然后对冲沟进行清理、回填，经过强夯处理后形成建基面。但众多冲沟的边坡临空面和狭窄的工作面成为强夯施工的难点和盲点，在坝基范围内形成了一定数量的软弱区域，造成坝基不均匀沉降、变形。

从坝体填筑区设计和裂缝类型、分布规律分析，坝体横剖面上不同土料的压缩变形、固结速率以及土颗粒之间孔隙体积的差异，往往引起坝体中、上部发生拉、剪应变并产生不均匀变形，当超过坝体极限应变值时便产生裂缝。有学者研究认为[2]，当坝体分区和土料性质不同、压实不均时，即使坝体内部拉应力在允许抗拉强度内，裂缝仍有可能产生，而且这种不均一性越大，坝体裂缝产生的可能性也越大，对土坝裂缝产生的影响不容忽视。

3.4 黄土湿陷变形与裂缝发生机理

综合前述分析，坝基黄土的湿陷性是导致坝体裂缝发生和发展的关键因素。众多的研究成果[3-5]表明，黄土是一种压缩性较低的欠密实土体，属典型的非饱和土，其柱状节理、大孔隙结构和颗粒间水敏性胶结方式，是微观结构的主要特征，形成了结构性较强的特殊土体。在上部荷载和外水共同作用下，微观结构的改变导致宏观力学性能的变化，原始结构被破坏，进而产生湿陷变形，是黄土独特结构和外力综合控制的结果。

坝体填筑阶段，坝基黄土虽经强夯处理，但仍具有部分天然特性，在上覆荷载下内部原始联结结构尚存，主要是孔隙缩小闭合、颗粒骨架相互靠近的压密过程，因而有较高的强度和稳定性，竣工蓄水前的沉降观测值较小。

蓄水初期，黄土的稳定性发挥着抵抗作用。随着库水的逐渐浸入、黄土饱和度不断增大，颗粒间胶结物被不断软化、溶解，加之水膜的楔人造成薄膜水、毛细水吸附力衰减，颗粒排列特性发生变化，联结力、摩擦力减小并挤压滑动，结构强度逐渐丧失。库水的下降又会解除土体的悬浮状态，增大了颗粒骨架间的有效应力，土体结构被进一步破坏，促使湿陷变形加剧。这一过程是黄土的稳定性被不断调整直至破坏、湿陷性由量变到质变的过程，也是黄土可变性显现、次生结构不断形成的过程。由于坝基各部位湿陷性黄土厚度差异导致沉陷量不一，同时库水对坝体上游坡的浸人更迅速和充分，因此引发坝体向库区和河谷方向发生位移、拉裂，坝体出现纵、横裂缝。

历次库水位的升降变化，使得湿陷结构失稳破坏后形成新的稳定结构越来越多，即使应力增加较大，但发生失稳破坏的孔隙体积越来越小，体积变形量缓慢增长，且有不可逆的失稳特征。因此，首次蓄水时坝体裂缝发生尤为强烈，之后库水3次间歇提高水位过程中，由于黄土存在着未饱和湿陷、多次湿陷的特性，因此对坝体变形的影响一直在间断发生，黄土次生结构发生破坏一稳定一破坏往复循环的失稳过程。

在文献[6]的黄土双线法湿陷试验中，某一压力下浸水与不浸水压缩曲线之间的变异系数，可称为饱和湿陷系数（δs）或最大湿陷系数，中间湿度下的湿陷系数称为未饱和湿陷系数（δ's），二者之差为剩余湿陷系数（δ“s），即δ"s=δs-δ's。

这一关系式表征了黄土湿陷的终极过程，对宏观判断坝体裂缝发展趋势意义重大。如果把第一次抬高蓄水位引起的坝基黄土湿陷看作未饱和湿陷，那么以后每次高水位运行，均会引起新的湿陷变形，进而引发坝体裂缝的发生、发展。只有黄土的剩余湿陷量完全消除，湿陷变形才不复存在，坝体裂缝发生、发展基本停止。因此，在高水位持续运行的情况下，对坝基黄土做进一步的湿陷性研究，判断目前湿陷量大小、持续时间长短，是评价坝体稳定性、确定工程处理措施的量化标准和重要依据。

参考文献：

[1]谭界雄，位敏.我国水库大坝病害特点及除险加固技术概述[J].中国水利，2010（18）：17-20.

[2]李国英.土坝开裂可能性研究的概率分析法[J].岩土工程学报，1996，18（5）：73-78.

[3]谢定义，齐吉琳.土结构性及其定量化参数研究的新途径[J].岩土工程学报，1999，21（6）：651-656.

[4]陈正汉，许镇鸿，刘祖典.关于黄土湿陷的若干问题[J].土木工程学报，1986，19（3）：86-94.

[5]杨计申，李德群，边建峰，等.南水北调中线工程特殊性岩土地质环境与环境地质概论[M].郑州：黄河水利出版社，2009：24-59.

[6]中华人民共和国水利部.土工试验规程：SL237-1999[S].北京：中国水利水电出版社，1999；145-147.