任務8 土石壩裂縫處理

土石壩壩體裂縫是一種較為常見的病害現象，大多發生在蓄水運用期間，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；有的內部裂縫，在蓄水期突然產生嚴重滲漏，威脅大壩安全；有的裂縫雖未造成大壩失事，但影響正常蓄水，長期不能發揮水庫效益。因此，對土石壩的裂縫，應予以足夠重視。實踐證明；只要加強養護修理工作，分析裂縫產生的原因，及時采取有效的處理措施，是可以防止土壩裂縫的發展和擴大，并迅速恢復土石壩的工作能力的。

一、裂縫的類型

土石壩的裂縫，按其方向可分為龜狀裂縫、橫向裂縫和縱向裂縫；按其產生原因可分為干縮裂縫、凍融裂縫、不均勻沉陷裂縫、滑坡裂縫、水力劈裂縫、塑流裂縫、震動裂縫；按其部位可分為表面裂縫和內部裂縫等。在實際工程中土石壩的裂縫常由多種因素造成，并以混合的形式出現。下面按干縮、凍融裂縫，縱、橫向裂縫及內部裂縫等，分別闡述其成因特征。

二、裂縫的成因及特征

1.干縮和凍融裂縫

干縮和凍融裂縫是由于壩體受氣候的影響或植物的影響，土料中水分大量蒸發或凍脹，在土體干縮或膨脹過程中產生的。

（1）干縮裂縫。

在黏性土中，土粒周圍的薄膜水因蒸發而減薄，土粒與土粒在薄膜水分子吸引作用下互相移近，引起土體干縮，當收縮引起的拉應力超過一定限度時，土體即會出現裂縫。對于粗粒土，薄膜水的總量很少，厚度很薄，對粗粒土的性質沒有顯著影響。由上述可知，當筑壩土料黏性越大、含水量越高時，產生干縮裂縫的可能性越大。在壤土中，干縮裂縫則比較少見，而在砂土中則不可能出現干縮裂縫。顯然，干縮裂縫的成因是土中水分蒸發，引起土體干縮。

干縮裂縫的特征：發生在壩體表面，分布較廣，呈龜裂狀，密集交錯，縫的間距比較均勻，無上下錯動。一般與壩體表面垂直，上寬下窄，呈楔形尖滅，縫寬通常小于1cm，個別情況下也可能較寬較深。例如山東峽山水庫土壩，由于1965—1968年連續幾年干旱，庫水位低，加上在壩坡上種植棉槐，大量吸收土體水分，結果于1968年6月發現干縮裂縫多條，其中最寬的達4cm，最深的達4.6m。

干縮裂縫一般不致影響壩體安全，但若不及時維修處理，雨水沿縫滲入，將增大土體含水量，降低士體抗剪強度，促使病害發展。尤其是斜墻和鋪蓋的干縮裂縫可能引起嚴重的滲透破壞。施工期間，當停工一段時間，填土表面未加保護，發生細微發絲裂縫，不易發覺，以后壩體繼續上升直至竣工，在不利的應力條件下，該層裂縫會發展，甚至導致蓄水后漏水。因此，對干縮裂縫也必需予以重視。

（2）凍融裂縫。

凍融裂縫主要由冰凍而產生。即當氣溫下降時土體因冰凍而凍脹，氣溫升高時冰融，但經過凍融的土體不會恢復到原來的密實度，反復凍融，土體表面就形成裂縫。其特征為：發生在凍土層以內，表層破碎，有脫空現象，縫深及縫寬隨氣溫而異。

2.縱向裂縫

平行于壩軸線的裂縫稱縱向裂縫。

（1）成因與特征。

縱向裂縫主要是因壩體在橫向斷面上不同土料的固結速度不同，或由壩體、壩基在橫斷面上產生較大的不均勻沉陷所造成的。一般規模較大，基本上是垂直地向壩體內部延伸，多發生在壩的頂部或內外壩肩附近。其長度一般可延伸數十米至數百米，縫深幾米至十幾米，縫寬幾毫米至幾十厘米，兩側錯距不大于30cm。

（2）常見部位。

1）壩殼與心墻或斜墻的結合面處，由于壩殼與心墻、斜墻的土料不同，壓縮性有較大差異，填筑壓實的質量亦不相同，因固結速度不同，致使在結合面處出現不均勻沉陷的縱向裂縫，見圖1-30。

圖1-30 壩殼與心墻或斜墻產生縱向裂縫示意圖

1—縱縫；2—壩殼；3—心墻；4—斜墻；5—斜墻沉降；6—砂卵石覆蓋層

2）壩基沿橫斷面開挖處理不當處。具體如下：

a.在未經處理的濕陷性黃土地基上筑壩，由于壩的中部荷載大，施工中壩基沉陷也大，蓄水后的濕陷較小，而上下游側由于荷載小，壩基沉陷小，蓄水后的濕陷反而大，可能產生縱向裂縫，見圖1-31（a）。

圖1-31 壓縮性地基引起的縱縫

1—縱縫；2—地基濕陷；3—高壓縮地基；4—巖基

b.沿壩基橫斷面方向上，因軟土地基厚度不同或部分為黏軟土地基，部分為巖基，在壩體荷重作用下，地基發生不均勻沉陷，引起壩體縱向縫，見圖1-31（b）。

圖1-32 跨騎在山脊上的土壩壩頂縱向裂縫

c.壩體橫向分區填筑結合面處，施工時分別從上下游取土填筑，土料性質不同，或上下游壩身碾壓質量不同，或上下游進度不平衡，填筑層高差過大，接合面坡度太陡，不便碾壓，甚至有漏壓現象，因此蓄水后，在橫向分區結合處產生縱向裂縫。

d.騎在山脊的土壩兩側，在固結沉陷時，同時向兩側移動，壩頂容易出現縱向裂縫，見圖1-32。

3.橫向裂縫

走向與壩軸線大致垂直的裂縫稱為橫向裂縫。

（1）成因與特征。

橫向裂縫產生的根本原因是沿壩軸線縱剖面方向相鄰壩段的壩高不同或壩基的覆蓋厚度不同，產生不均勻沉陷，當不均勻沉陷超過一定限度時，即出現裂縫。常見于壩端。一般接近鉛直或稍有傾斜地伸入壩體內。縫深幾米到十幾米，上寬下窄，縫口寬幾毫米到十幾厘米，偶而可見更深、更寬的裂縫。縫兩側可能錯開幾厘米甚至幾十厘米。

橫向裂縫對壩體危害極大，特別是貫穿心墻或斜墻、造成集中滲流通道的橫向裂縫。

（2）常見部位

1）壩體沿壩軸線方向的不均勻沉陷。壩身與岸坡接頭壩段，河床與臺地的交接處，涵洞的上部等，均由于不均勻沉陷，極易產生橫向裂縫，見圖1-33。

圖1-33 某水庫橫向裂縫示意圖

2）壩基地質構造不同，施工開挖處理不當而產生橫向裂縫。有壓縮性大（如濕陷性黃土）的壩段，或壩基巖盤起伏不平，局部隆起，而施工中又未加處理，則相鄰兩部位容易產生不均勻沉陷，而引起橫向裂縫。

3）壩體與剛性建筑物結合處。壩體與剛性建筑物結合處往往會因為不均勻沉陷引起橫向裂縫。壩體與溢洪道導墻連接的壩段就屬于這種情況。

4）在埋設涵管的壩段，由于涵管上部與涵管兩側的壩體填土高度不同而有不均勻沉陷，因此在相應部位的壩頂處也有可能出現橫向裂縫，見圖1-33裂縫乙。

5）壩體分段施工的結合部位處理不當。在土石壩合龍的龍口壩段、施工時土料上壩線路、集中卸料點及分段施工的接頭等處往往由于結合面坡度較陡，各段壩體碾壓密實度不同甚至漏壓而引起不均勻沉陷，產生橫向裂縫。

4.內部裂縫

內部裂縫很難從壩面上發現，往往發展成集中滲流通道，造成了險情才被發覺，使維修工作被動，甚至無法補救，所以壩體內部裂縫危害性很大。根據實踐經驗，內部裂縫常在以下部位發生。

（1）薄心墻土壩。由于心墻土料運用后期可壓縮性比兩側壩殼大，若心墻與壩殼之間過渡層又不理想，則心墻沉陷受壩殼的約束產生了拱效應，拱效應使心墻中的垂直應力減小，甚至使垂直應力由壓變拉而在心墻中產生水平裂縫，見圖1-34。

（2）修建在局部高壓縮性地基上的土壩，因壩基局部沉陷量大，使壩底部發生拉應變過大而產生橫向或縱向的內部裂縫，見圖1-35。

圖1-34 心墻內部水平裂縫

1—心墻；2—水平裂縫；3—壩殼

圖1-35 高壓縮地基

1—原壩底；2—沉降后壩底；3—細沙；4—高壓縮性土；5—壩頂：6—裂縫

（3）修建于狹窄山谷中的壩，在地基沉陷的過程中，上部壩體通過拱作用傳遞到兩端，拱下部壩沉陷量較大，因而產生拉應力，壩體內產生裂縫，見圖1-36。

（4）壩體和剛性建筑物相鄰部位。因剛性建筑物比周圍的河床沖積層或壩體填土的壓縮性小得多，從而使壩體和剛性建筑物相鄰部位因不均勻沉陷而產生內部裂縫，見圖1-37。

圖1-36 窄深峽谷土壩內部裂縫

1—壩頂：2—裂縫：3—放水管

圖1-37 剛性截水引起內部裂縫

對于內部裂縫，可根據壩體表面和內部的沉陷資料，結合地形、地質、壩型和施工質量等條件進行分析，做出正確判斷。必要時，還可以鉆孔，挖探槽或探井進行檢查，進一步證實。對于沒有觀測設備的中小型水庫土壩，主要依靠加強管理，通過蓄水后對滲流量與滲水渾濁度的觀測來發現壩體的異常現象。

三、裂縫的預防

土壩裂縫的防治首先在于防。而土壩裂縫的預防措施，可歸納為設計、施工和管理三個方面。即在設計時提出裂縫可能產生的部位，在施工中采取必要的措施，在管理上加強養護，正確運用。

1.設計階段

由前述裂縫的成因可知，大多數裂縫均由壩體或壩基的不均勻沉陷引起，故設計中，應考慮如何減小壩體的不均勻沉陷。如壩基中的軟土層應預先挖除；濕陷性黃土應預先浸水，事先沉陷；壩體兩端的山坡和臺地應按具體條件開挖成較緩的邊坡，切忌有倒坡和峭壁存在；與壩接觸的剛性建筑物（如壩下涵洞、溢洪道、截水墻等），應使其接觸面有一定的正坡，減少壩體的不均勻沉陷，有利于壩體與剛性建筑物的結合；土壩與其他建筑物或岸坡的接合處應適當加厚黏土防滲體，防止裂縫貫穿防滲體；對壩體應根據土壤特性和碾壓條件，選擇合適的含水量和填筑標準。

2.施工階段

施工必須按設計提出的要求進行，嚴格把握好清基、上壩土質、含水量、填筑層厚和碾壓標準等各項施工質量，妥善處理劃塊填筑的接縫，施工停歇期較長時，黏性土的填筑面應鋪設臨時砂土或松土保護層，復填時應清除保護層、刨松填筑面，注意新老面的結合，防止填筑面的干縮。

3.管理運行階段

在運行管理期間，首先應按日常維護工作的具體要求進行養護，其次需特別注意庫水位的升降速度，即首次蓄水應逐年分期提高庫水位，以防止因突然增加荷載和濕陷產生裂縫；正常供水期要限制庫水位的下降速度，防止因庫水位驟降而導致迎水坡產生滑坡裂縫。

四、裂縫的判斷

前所述及的土壩裂縫，主要是干縮、凍融裂縫，縱、橫裂縫及內部裂縫，在實際工程中，對于前四者可根據各自的特點加以判斷，但需注意縱向裂縫和滑坡裂縫的區別，另外需注意判斷分析內部裂縫，只有判斷準確，才能正確擬定方案，采取有效的處理措施。

圖1-38 兩種裂縫發展過程線

1—滑坡裂縫：2—沉陷裂縫

1.滑坡裂縫與縱向裂縫的區別

（1）縱向沉陷縫一般接近于直線，垂直向下延伸；而滑坡裂縫一般呈弧形，向壩腳延伸。

（2）縱向沉陷縫發展過程緩慢，隨土體固結到一定程度而停止，而滑坡裂縫初期較慢，當滑坡體失穩后突然加快，見圖1-38。

（3）縱向沉陷縫，縫寬為幾毫米至幾十毫米，錯距不超過30cm，而滑坡裂縫的寬度可達1m以上，錯距可達數米。

（4）滑坡裂縫發展到后期，在相應部位的壩面或壩基上有帶狀或橢圓形隆起，而沉陷縫不明顯。

2.內部裂縫判斷

內部裂縫判斷，具體可結合壩體壩基情況從以下各方面進行分析判斷，如有其中之一者，可能產生內部裂縫。

（1）當庫水位升高到某一高程時，在無外界影響的情況下，滲漏量突然加大。

（2）當實測沉陷遠小于設計沉陷，而又沒有其他影響因素時，應結合地形、地質、壩型和施工質量等進行分析判斷。

（3）某壩段沉陷量、位移量比較大。

（4）單位壩高的沉陷量和相鄰壩段懸殊很大。

（5）個別測壓管水位比同斷面的其他測壓管水位低很多，浸潤線呈現反常情況；或做注水試驗，其滲透系數遠超過壩體其他部位；或當水庫水位升到某一數值時，測壓管水位突然升高。

（6）鉆探時孔口無回水，或者有掉鉆現象。

（7）用電法探測裂縫。

五、裂縫的處理

裂縫處理前，首先應根據觀測資料、裂縫特征和部位，結合現場探測結果，分析裂縫類型、產生原因，然后按照不同情況，采取針對性措施，適時進行加固和處理。

各種裂縫對土石壩都有不同的影響，危害最大的是貫穿壩體的橫向裂縫、內部裂縫及滑坡裂縫，一旦發現，應認真監視，及時處理。對縫深小于0.5m、縫寬小于0.5mm的表面干縮裂縫，或縫深不大于lm的縱向裂縫，也可不予處理，但要封閉縫口；有些正在發展中的、暫時不致發生險情的裂縫，可觀測一段時間，待裂縫趨于穩定后再進行處理，但要作臨時防護措施，防止雨水及冰凍影響。

非滑坡性裂縫處理方法主要有開挖回填、灌漿和兩者相結合三種方法。

1.開挖回填

開挖回填是處理裂縫比較徹底的方法，適用于處理深度不超過3m的裂縫，或允許放空水庫進行修補加固防滲部位的裂縫。

（1）裂縫開挖。開挖中應注意的事項如下：

1）開挖前應向裂縫內灌入較稀的石灰水，使開挖沿石灰痕跡進行，以利掌握開挖邊界。

2）對于較深坑槽應挖成階梯形，以便出土和安全施工。挖出的土料不要大量堆積坑邊，以利安全，不同土料應分開存放，以便使用。

3）開挖長度應超過裂縫兩端1m以外，開挖深度應超過裂縫0.5m，開挖邊坡以不致坍塌并滿足土壤穩定性及新舊填土接合的要求為原則，槽底寬至少0.5m。

4）坑槽挖好后，應保護坑口，避免雨淋、干裂、冰凍、進水，造成塌垮。

開挖的橫斷面形狀應根據裂縫所在部位及特點的不同而不同。具體有以下幾種：

1）梯形楔入法。適用于不太深的非防滲部位裂縫。開挖時采用梯形斷面，或開挖成臺階形的坑槽。回填時削去臺階，保持梯形斷面，便于新老土料緊密結合，見圖1-39。

2）梯形加蓋法。適用于裂縫不太深的防滲部位及均質壩迎水坡的裂縫。其開挖情形基本與“梯形楔入法”相同，只是上部因防滲的需要，適當擴大開挖范圍，見圖1-40。

圖1-39 梯形鍥入法（單位：cm）

1—裂縫：2—回填土：3—開挖線；4—回填線

圖1-40 梯形加蓋法（單位：cm）

1—裂縫：2—回填土：3—塊石護坡

3）梯形十字法。適用于處理壩體和壩端的橫向裂縫，開挖時除沿縫開挖直槽外，在垂直裂縫方向每隔一定距離（2～4m），加挖結合槽組成“十”字，為了施工安全，可在上游做擋水圍堰，見圖1-41。

圖1-41 梯形十字法（單位：cm）

1—裂縫；2—坑槽；3—結合槽；4—擋水圍堰；5—開挖線；6—回填線

（2）土料回填。

1）回填前應檢查坑槽周圍的含水量，如偏干則應將表面灑水濕潤；如土體過濕或冰凍，應清除后，再回填。

2）回填時，應將坑槽的階梯逐層削成斜坡，并將結合面刨毛、灑水，要特別注意邊腳處的夯實質量。

3）回填土料應根據壩體土料和裂縫性質選用，并作物理力學性質試驗。對沉陷裂縫應選用塑性較大的土料，控制含水量大于最優含水量1%～2%；對于滑坡、干縮和冰凍裂縫的回填土料的含水量，應等于或低于最優含水量1%～2%。回填土料的干容重，應稍大于原壩體的干容重。對壩體挖出的土料，亦須經試驗鑒定合格后才能使用。對于較小裂縫，可用和原壩體相同的土料回填。

4）回填的土料應分層夯實，層厚以10～15cm為宜，壓實厚度為填土厚度的2/3，夯實工具按工作面大小選用，可采用人工夯實或機械碾壓。

2.灌漿法

當裂縫很深或裂縫很多，開挖困難或開挖危及壩坡穩定或工程量過大時，可采用灌漿法處理，特別是內部裂縫，則只宜用灌漿法處理。灌漿主要有以下兩個方面的作用。

（1）充填作用。合適的漿液對壩體中的裂縫、孔隙或洞穴均有良好的充填能力。漿液不僅能嚴密充填較寬的和形狀簡單的裂縫，也能充填縫寬1mm左右、形狀復雜的細小裂縫。試驗和壩體灌漿后的開挖檢查結果證明，不論裂縫大小，漿液與縫壁土粒均能緊密結合。凝固以后的漿液，無論漿液本身還是漿液與縫壁的結合面，均沒有新裂縫產生。

（2）壓密作用。漿液在灌漿壓力作用下，一方面可以擠開壩內土體，形成漿路，灌入漿液，同時在較高的灌漿壓力作用下，可使裂縫兩側的壩內土體和不相連通的縫隙也因土壤的擠壓作用而被壓密或閉合。這種影響的范圍，視灌漿壓力的大小和土體性質而定，一般可達30～100cm。

3.開挖回填與灌漿結合法

此法適用于自表層延伸到壩體深處的裂縫，或當庫水位較高、不易全部開挖回填的部位，或全部開挖回填有困難的裂縫。

施工時對上部采用開挖回填，下部采用灌漿處理。即先沿裂縫開挖至一定深度（一般2～4m左右）即進行回填，在回填時預埋灌漿管，回填完畢，采用黏土灌漿，進行壩體下部裂縫灌漿處理。例如某水庫土壩裂縫采用此法處理，沿裂縫開挖深4m、底寬lm的大槽。再沿縫口挖一小槽，深、寬各約15～20cm。在小槽內預埋周圍開孔的鐵管，兩端接鋼（鐵）管伸至原土面以上。然后在槽內回填黏性土，并分層壓密夯實。