土石坝坝体裂缝及控制

刘星星

（邵阳市水利水电勘测设计院，湖南 邵阳 422000）

0 引言

土石坝由土石等散粒体材料填筑而成，由于土石料的抗拉强度很低，砂石料几乎没有拉伸能力，在自重、水荷载等作用下，若发生不均匀沉降等变形时，土石坝就会产生裂缝。部分土石坝由于出现裂缝，使得大坝不能正常运行或需长年修补，影响整个水利工程的运行。由于裂缝的存在，破坏了坝体的整体性[1]，严重的甚至导致渗流冲刷或水力劈裂，裂缝渗水酿成失事，因此必须严格控制裂缝的产生。

1 裂缝的类型及其成因

按产生裂缝的成因，土石坝的裂缝可分为变形裂缝、干缩或冻融裂缝、水力劈裂缝、滑坡裂缝等。

1.1 变形裂缝

变形裂缝主要由不均匀沉降引起。由于变形不均匀，大坝局部产生较大的拉应变力和剪应变力，导致出现裂缝。这种裂缝一般规模较大，深入坝体，是破坏坝体完整性的主要裂缝。

（1）纵向裂缝。裂缝与坝轴线大致平行，它们大多出现在坝顶上，有时出现在坝坡上，甚至出现在大坝内部。这种裂缝是由横向不均匀变形引起的，裂缝的宽度往往较大。

黏土心墙坝的坝壳沉降速度比心墙本身快，沉降过程中受到心墙的约束，使顶部出现拉伸区，造成坝顶附近出现纵向裂缝。这种情形多出现于坝壳有较大沉降时期。因而常发生在坝的施工后期、竣工初期以及水库初次蓄水等坝壳发生较大湿陷的时期。裂缝与筑坝土料的变形性能有密切的关系，通常是突发性的，裂缝形成则应力释放，很快达到新的平衡，一般很少继续发展，较快稳定下来，如图1a所示。黏土斜墙坝的坝体沉降过大，黏土斜墙有可能发生折断和剪裂，形成如图1b所示的纵向裂缝，这种裂缝的存在直接威胁着坝的安全。压缩性较大的软黏土地基，在坝体自重作用下会发生较大的不均匀沉陷，引起如图1c所示的裂缝。在湿陷性黄土地基上建坝，由于坝的中间荷载大、沉陷大，蓄水后沉陷较小。而上、下游侧由于荷载小，沉陷小，蓄水后湿陷反而大，可能形成如图1d所示的裂缝。

图1 土石坝的纵向裂缝

（2）横向裂缝。裂缝的走向大致垂直于坝轴线。这种裂缝是由于沿坝轴线纵剖面方向相邻坝段的坝高不同或坝基的覆盖层厚度不同而产生不均匀沉陷，当不均匀沉降超过一定限度时，易产生局部的拉伸区而出现横向裂缝。横向裂缝常贯穿防渗体，对坝的危害大。

（3）水平裂缝。窄心墙坝常出现水平裂缝。它是由坝体不均匀沉降引起的，是一种内部裂缝。有时穿过上下游形成集中渗水通道。这种裂缝不容易发现，而且往往在发生事故发生后才会被发现，因此非常有害，如图2a所示。由于坝壳是非黏性土，沉降速度快，心墙坝较早达到稳定，黏土心墙固结速度较慢，坝壳与心墙接触面的摩擦阻碍了心墙的沉降，形成了心墙的拱效应。拱效应降低了心墙的垂直应力。如果拱效应明显，垂直应力将从压缩变为拉伸，导致出现水平裂缝。

图2 心墙水平裂缝及心墙垂直应力

1.2 干缩和冻融裂缝

（1）干缩裂缝。在黏性土中，由于水分的蒸发，使其附近的水分变得稀疏，而膜上的水分吸附使土壤和土壤之间的水分相互靠近，从而使土壤发生干燥收缩。在压缩作用下产生的张应力大于某一极限时，就会产生开裂。在粗颗粒土壤中，水分含量极低，厚度极薄，不会明显地改变其物理性能。在填筑过程中，黏性越大，含水量越大，则越容易发生干收缩开裂。在黏土土壤中，干燥收缩开裂较为罕见，而在砂质土壤中，基本不存在干燥收缩开裂。很明显，干缩裂缝是由于土壤中的水分的蒸发而导致的。

（2）冻融裂缝。冻融裂缝主要由冰冻而产生。当气温下降时土体中的水分因冰冻而冻胀，气温升高时冰融，但经过冰冻的土体不会恢复到原来的密实度，反复冻融，土体表面就会形成裂缝。

1.3 水力劈裂缝

水力劈裂缝是指在受孔压的情况下，当土壤中的有效压应力降低到0或低于0时，受拉断裂而产生的裂缝。当水压力下降后，这些裂口就会自动闭合。当拱形作用导致墙体竖向压力降至低于此位置的孔压时，就会出现横向开裂，其他因素引起的横向裂隙也会由于水压导致开裂而扩大[2]。水力劈裂缝多发生于水库初次蓄水时，是一种危害性很大的裂缝。

1.4 滑坡裂缝

滑坡也是造成开裂的主要原因，当坝体上部出现张开缝，底部隆起处出现大量的微小裂缝，该切口伸展得更长更深，间距更大，而且宽度更大，这是在坝失稳之前，由于滑移引起的滑动土在周边产生了裂隙，是滑坡的先兆。

2 裂缝的防治措施

土石坝发生损坏大多是由于坝体裂缝引起的。为了防止破坏事故，应采取防治措施尽量避免裂缝的产生。

2.1 设计方面

设计时应把坝的防裂设计作为一项基本内容来考虑，分析预估坝体可能产生裂缝的危险部位及其成因，以便采取相应的措施。

（1）选择合适的地形和有利的地质条件并进行必要的处理，地形上应尽可能避开显著不对称的河谷断面形状。岸坡尽可能平顺，斜率应基本一致，必要时应开挖成适宜形状或采用混凝土垫，以改善凹凸不平和折曲突出的不规则形状。坝体，特别是防渗体应尽量避开明显的地质构造断裂带，防渗体最好与基岩直接接触。做好清基工作，以保证连接良好，高压缩性土层及基础弃渣应彻底清除[3]。岩石地基中有明显裂隙时，宜进行灌浆处理。对于湿陷性地基必要时需用预先漫湿或挖除处理。

（2）合理设计土石坝的剖面和细部。对于坝的剖面，土石料分区必须合理布置，不应将粒径差别很大的两种土料相邻布置，以免变形差别太大。防渗体与坝体粗料之间应设置过渡层，过渡层土料的变形性能应介于两种土料之间，以协调变形和传递荷载，过渡层可与反滤层合二为一，按反滤原则设计。有研究表明，斜心墙坝的抗裂能力要好于心墙和斜墙，斜心墙能大幅减弱坝壳对心墙的拱效应。

（3）选择适宜的土料和采用合理的参数。从防裂的角度考虑，土料设计除必须满足强度与渗透性能要求以外，还应满足土料的变形性能要求。理想的材料受荷后变形小，同时适应变形的能力又强，在实际工程中，两个方面的要求难以同时满足。因此，可根据大坝防渗体对变形性能的不同要求进行布置。斜墙对不均匀沉降特别敏感，对土壤材料适应变形的能力有很高的要求。由于心墙承受较大的荷载，若中、下部的压缩性较大，会引起过大的变形，不利防裂[4]，但中下部心墙内部或与坝壳之间的不均匀变形较小，因而这部分土料的适应变形能力可差一些，而中、上部心墙的情况则相反。

砂砾含量较高、塑性指数较低的黏性土，充分压实后，其压缩性较小，但其适应变形的能力也较弱。相反，黏土含量高、塑性指数高的黏性土对变形的适应性强，但压缩性高。填土含水量对土的变形性能也有很大影响，其含水量略高于最佳含水量，压实后心墙中放置高含水量黏土区以增加其受拉力，而不开裂土体适应变形的能力较强[5]。

2.2 施工方面

施工过程中，严格控制土料的颗粒组成、压实度和含水率，仔细碾压，以免坝体竣工后产生较大的沉降或变形，特别是两种材料的接触面及坝与岸坡的接触面附近，要注意防止漏压。心墙和斜墙填筑到一定高度时，下坝体沉降基本完成后，可适当减缓上升速度。容易开裂的部分应留作最终填充的部分，有时非黏性土可作为预压荷载，沉降一段时间后可移除，换成黏性土继续填筑。有深厚软土夹层的地基，可采取砂井预压等方法加速地基固结，并提高地基强度。同时还应控制土石坝的填筑速率以适应地基强度的增长速率。

施工间歇期间应妥善保护坝面，防止干缩、冻融裂缝的发生，保证防渗体的整体性。一旦发现裂缝，应将已开裂土层清除并重新填筑，注意新老土的紧密结合。坝内刚性建筑物周围的填土，常因不便使用重型碾压设备而导致施工质量达不到规定的要求，宜用小型夯实机械严加压实。

土石坝合龙段的施工，应充分考虑该段填土的后期沉降量会比先期填筑段大。除加强碾压保证压实质量外，还应注意在下游做好防渗排水措施，特别是反滤层，以控制可能出现裂缝后的集中渗流。

2.3 运行管理方面

土石坝的开裂渗漏事故与水库水位变化有很大的关系，水库水位的突然升降容易导致大坝开裂。因此，在初期蓄水期间，水位上升速度不要太快，使坝体内应力和应变状态借助于土体本身的蠕变性能逐步缓慢地重新分布，不至于因突然加荷和湿陷而开裂。同样，水库水位突降也会改变坝内的应力状态，使坝身发生不均匀变形，也应尽量避免。

在施工期或运行期，应定期观察坝体的变形和内应力应变状态，以及动水压力、渗流和渗流的性质和状态，监控任何可能的损坏和裂纹发展。及时对观测到的资料进行分析，加强监测发现的裂缝，分析原因并及时处理。

2.4 裂缝的处理

裂缝对土石坝有不利影响，若发现裂纹，应及时查明其性质，并采取相应的措施进行处理。

（1）翻松夯实法。对于一般表面干缩缝，可用砂土填塞，将裂缝口表层土料翻松并湿润，表面再以低塑黏土封填，夯实以防雨水渗入冲蚀。深度不大的裂缝可按表面干缩缝处理，也可开挖重填。挖除裂缝部位的土体应重填稍高于最优含水量的土料，严格分层夯实，并采取洒水刨毛等措施保证新老土体的良好结合[6]。对于冻融裂缝，未加防冻处理的必须设置保护层。

（2）充填灌浆法。当裂缝位于深部或延伸至深部时，可采用灌浆处理。灌浆材料通常用含量较多粉砂，也可采用少量中细砂。采用塑性指数为10左右的粉质壤土或黄土用作灌浆材料，以减少接缝的固结收缩。低压灌浆可用于浅缝，但应注意不要造成水力劈裂。当裂缝比较严重时，可灌注从坝顶穿过坝身而直达基岩的混凝土或黏土防渗墙，这种防渗墙与基础处理中的防渗墙类似，其施工时间长且费用较高。

（3）挖出回填法。这是一种简单、彻底、可靠的方法，适合大规模施工，它可用于纵向和横向裂缝。对于深度小于5 m的裂缝，可用人工开挖和回填，深度超过5 m的接缝可用简单机械开挖和回填，挖掘断面通常采用梯形断面。应使用原坝土回填，压实含水量可控制为略大于最佳含水量。应严格分层压实，并采取洒水和刨毛措施，确保新旧填料的良好结合。

3 结语

土石坝坝体裂缝是一种较为常见的病害现象，大多发生在水库蓄水运行期间，对坝体存在着潜在的危险。例如，细小的横向裂缝有可发展成为坝体的集中渗漏通道；部分纵向裂缝则可能是坝体滑坡的征兆；有的内部裂缝，在蓄水期突然产生严重渗漏，威胁大坝安全；虽然一些裂缝并没有造成溃坝，但影响了水库的正常蓄水，长期以来未能充分发挥水库的功能。因此，对土石坝的裂缝应给予足够的重视。实践证明，只要设计正确，施工质量有保证，加强养护修理工作，可减少甚至避免裂缝。出现裂缝后分析裂缝产生的原因，及时采取有效的处理措施，可以防止土坝坝体裂缝的发展和扩大，并迅速恢复土石坝的性能。