任务8 土石坝裂缝处理

土石坝坝体裂缝是一种较为常见的病害现象，大多发生在蓄水运用期间，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；有的裂缝虽未造成大坝失事，但影响正常蓄水，长期不能发挥水库效益。因此，对土石坝的裂缝，应予以足够重视。实践证明；只要加强养护修理工作，分析裂缝产生的原因，及时采取有效的处理措施，是可以防止土坝裂缝的发展和扩大，并迅速恢复土石坝的工作能力的。

一、裂缝的类型

土石坝的裂缝，按其方向可分为龟状裂缝、横向裂缝和纵向裂缝；按其产生原因可分为干缩裂缝、冻融裂缝、不均匀沉陷裂缝、滑坡裂缝、水力劈裂缝、塑流裂缝、震动裂缝；按其部位可分为表面裂缝和内部裂缝等。在实际工程中土石坝的裂缝常由多种因素造成，并以混合的形式出现。下面按干缩、冻融裂缝，纵、横向裂缝及内部裂缝等，分别阐述其成因特征。

二、裂缝的成因及特征

1.干缩和冻融裂缝

干缩和冻融裂缝是由于坝体受气候的影响或植物的影响，土料中水分大量蒸发或冻胀，在土体干缩或膨胀过程中产生的。

（1）干缩裂缝。

在黏性土中，土粒周围的薄膜水因蒸发而减薄，土粒与土粒在薄膜水分子吸引作用下互相移近，引起土体干缩，当收缩引起的拉应力超过一定限度时，土体即会出现裂缝。对于粗粒土，薄膜水的总量很少，厚度很薄，对粗粒土的性质没有显著影响。由上述可知，当筑坝土料黏性越大、含水量越高时，产生干缩裂缝的可能性越大。在壤土中，干缩裂缝则比较少见，而在砂土中则不可能出现干缩裂缝。显然，干缩裂缝的成因是土中水分蒸发，引起土体干缩。

干缩裂缝的特征：发生在坝体表面，分布较广，呈龟裂状，密集交错，缝的间距比较均匀，无上下错动。一般与坝体表面垂直，上宽下窄，呈楔形尖灭，缝宽通常小于1cm，个别情况下也可能较宽较深。例如山东峡山水库土坝，由于1965—1968年连续几年干旱，库水位低，加上在坝坡上种植棉槐，大量吸收土体水分，结果于1968年6月发现干缩裂缝多条，其中最宽的达4cm，最深的达4.6m。

干缩裂缝一般不致影响坝体安全，但若不及时维修处理，雨水沿缝渗入，将增大土体含水量，降低士体抗剪强度，促使病害发展。尤其是斜墙和铺盖的干缩裂缝可能引起严重的渗透破坏。施工期间，当停工一段时间，填土表面未加保护，发生细微发丝裂缝，不易发觉，以后坝体继续上升直至竣工，在不利的应力条件下，该层裂缝会发展，甚至导致蓄水后漏水。因此，对干缩裂缝也必需予以重视。

（2）冻融裂缝。

冻融裂缝主要由冰冻而产生。即当气温下降时土体因冰冻而冻胀，气温升高时冰融，但经过冻融的土体不会恢复到原来的密实度，反复冻融，土体表面就形成裂缝。其特征为：发生在冻土层以内，表层破碎，有脱空现象，缝深及缝宽随气温而异。

2.纵向裂缝

平行于坝轴线的裂缝称纵向裂缝。

（1）成因与特征。

纵向裂缝主要是因坝体在横向断面上不同土料的固结速度不同，或由坝体、坝基在横断面上产生较大的不均匀沉陷所造成的。一般规模较大，基本上是垂直地向坝体内部延伸，多发生在坝的顶部或内外坝肩附近。其长度一般可延伸数十米至数百米，缝深几米至十几米，缝宽几毫米至几十厘米，两侧错距不大于30cm。

（2）常见部位。

1）坝壳与心墙或斜墙的结合面处，由于坝壳与心墙、斜墙的土料不同，压缩性有较大差异，填筑压实的质量亦不相同，因固结速度不同，致使在结合面处出现不均匀沉陷的纵向裂缝，见图1-30。

图1-30 坝壳与心墙或斜墙产生纵向裂缝示意图

1—纵缝；2—坝壳；3—心墙；4—斜墙；5—斜墙沉降；6—砂卵石覆盖层

2）坝基沿横断面开挖处理不当处。具体如下：

a.在未经处理的湿陷性黄土地基上筑坝，由于坝的中部荷载大，施工中坝基沉陷也大，蓄水后的湿陷较小，而上下游侧由于荷载小，坝基沉陷小，蓄水后的湿陷反而大，可能产生纵向裂缝，见图1-31（a）。

图1-31 压缩性地基引起的纵缝

1—纵缝；2—地基湿陷；3—高压缩地基；4—岩基

b.沿坝基横断面方向上，因软土地基厚度不同或部分为黏软土地基，部分为岩基，在坝体荷重作用下，地基发生不均匀沉陷，引起坝体纵向缝，见图1-31（b）。

图1-32 跨骑在山脊上的土坝坝顶纵向裂缝

c.坝体横向分区填筑结合面处，施工时分别从上下游取土填筑，土料性质不同，或上下游坝身碾压质量不同，或上下游进度不平衡，填筑层高差过大，接合面坡度太陡，不便碾压，甚至有漏压现象，因此蓄水后，在横向分区结合处产生纵向裂缝。

d.骑在山脊的土坝两侧，在固结沉陷时，同时向两侧移动，坝顶容易出现纵向裂缝，见图1-32。

3.横向裂缝

走向与坝轴线大致垂直的裂缝称为横向裂缝。

（1）成因与特征。

横向裂缝产生的根本原因是沿坝轴线纵剖面方向相邻坝段的坝高不同或坝基的覆盖厚度不同，产生不均匀沉陷，当不均匀沉陷超过一定限度时，即出现裂缝。常见于坝端。一般接近铅直或稍有倾斜地伸入坝体内。缝深几米到十几米，上宽下窄，缝口宽几毫米到十几厘米，偶而可见更深、更宽的裂缝。缝两侧可能错开几厘米甚至几十厘米。

横向裂缝对坝体危害极大，特别是贯穿心墙或斜墙、造成集中渗流通道的横向裂缝。

（2）常见部位

1）坝体沿坝轴线方向的不均匀沉陷。坝身与岸坡接头坝段，河床与台地的交接处，涵洞的上部等，均由于不均匀沉陷，极易产生横向裂缝，见图1-33。

图1-33 某水库横向裂缝示意图

2）坝基地质构造不同，施工开挖处理不当而产生横向裂缝。有压缩性大（如湿陷性黄土）的坝段，或坝基岩盘起伏不平，局部隆起，而施工中又未加处理，则相邻两部位容易产生不均匀沉陷，而引起横向裂缝。

3）坝体与刚性建筑物结合处。坝体与刚性建筑物结合处往往会因为不均匀沉陷引起横向裂缝。坝体与溢洪道导墙连接的坝段就属于这种情况。

4）在埋设涵管的坝段，由于涵管上部与涵管两侧的坝体填土高度不同而有不均匀沉陷，因此在相应部位的坝顶处也有可能出现横向裂缝，见图1-33裂缝乙。

5）坝体分段施工的结合部位处理不当。在土石坝合龙的龙口坝段、施工时土料上坝线路、集中卸料点及分段施工的接头等处往往由于结合面坡度较陡，各段坝体碾压密实度不同甚至漏压而引起不均匀沉陷，产生横向裂缝。

4.内部裂缝

内部裂缝很难从坝面上发现，往往发展成集中渗流通道，造成了险情才被发觉，使维修工作被动，甚至无法补救，所以坝体内部裂缝危害性很大。根据实践经验，内部裂缝常在以下部位发生。

（1）薄心墙土坝。由于心墙土料运用后期可压缩性比两侧坝壳大，若心墙与坝壳之间过渡层又不理想，则心墙沉陷受坝壳的约束产生了拱效应，拱效应使心墙中的垂直应力减小，甚至使垂直应力由压变拉而在心墙中产生水平裂缝，见图1-34。

（2）修建在局部高压缩性地基上的土坝，因坝基局部沉陷量大，使坝底部发生拉应变过大而产生横向或纵向的内部裂缝，见图1-35。

图1-34 心墙内部水平裂缝

1—心墙；2—水平裂缝；3—坝壳

图1-35 高压缩地基

1—原坝底；2—沉降后坝底；3—细沙；4—高压缩性土；5—坝顶：6—裂缝

（3）修建于狭窄山谷中的坝，在地基沉陷的过程中，上部坝体通过拱作用传递到两端，拱下部坝沉陷量较大，因而产生拉应力，坝体内产生裂缝，见图1-36。

（4）坝体和刚性建筑物相邻部位。因刚性建筑物比周围的河床冲积层或坝体填土的压缩性小得多，从而使坝体和刚性建筑物相邻部位因不均匀沉陷而产生内部裂缝，见图1-37。

图1-36 窄深峡谷土坝内部裂缝

1—坝顶：2—裂缝：3—放水管

图1-37 刚性截水引起内部裂缝

对于内部裂缝，可根据坝体表面和内部的沉陷资料，结合地形、地质、坝型和施工质量等条件进行分析，做出正确判断。必要时，还可以钻孔，挖探槽或探井进行检查，进一步证实。对于没有观测设备的中小型水库土坝，主要依靠加强管理，通过蓄水后对渗流量与渗水浑浊度的观测来发现坝体的异常现象。

三、裂缝的预防

土坝裂缝的防治首先在于防。而土坝裂缝的预防措施，可归纳为设计、施工和管理三个方面。即在设计时提出裂缝可能产生的部位，在施工中采取必要的措施，在管理上加强养护，正确运用。

1.设计阶段

由前述裂缝的成因可知，大多数裂缝均由坝体或坝基的不均匀沉陷引起，故设计中，应考虑如何减小坝体的不均匀沉陷。如坝基中的软土层应预先挖除；湿陷性黄土应预先浸水，事先沉陷；坝体两端的山坡和台地应按具体条件开挖成较缓的边坡，切忌有倒坡和峭壁存在；与坝接触的刚性建筑物（如坝下涵洞、溢洪道、截水墙等），应使其接触面有一定的正坡，减少坝体的不均匀沉陷，有利于坝体与刚性建筑物的结合；土坝与其他建筑物或岸坡的接合处应适当加厚黏土防渗体，防止裂缝贯穿防渗体；对坝体应根据土壤特性和碾压条件，选择合适的含水量和填筑标准。

2.施工阶段

施工必须按设计提出的要求进行，严格把握好清基、上坝土质、含水量、填筑层厚和碾压标准等各项施工质量，妥善处理划块填筑的接缝，施工停歇期较长时，黏性土的填筑面应铺设临时砂土或松土保护层，复填时应清除保护层、刨松填筑面，注意新老面的结合，防止填筑面的干缩。

3.管理运行阶段

在运行管理期间，首先应按日常维护工作的具体要求进行养护，其次需特别注意库水位的升降速度，即首次蓄水应逐年分期提高库水位，以防止因突然增加荷载和湿陷产生裂缝；正常供水期要限制库水位的下降速度，防止因库水位骤降而导致迎水坡产生滑坡裂缝。

四、裂缝的判断

前所述及的土坝裂缝，主要是干缩、冻融裂缝，纵、横裂缝及内部裂缝，在实际工程中，对于前四者可根据各自的特点加以判断，但需注意纵向裂缝和滑坡裂缝的区别，另外需注意判断分析内部裂缝，只有判断准确，才能正确拟定方案，采取有效的处理措施。

图1-38 两种裂缝发展过程线

1—滑坡裂缝：2—沉陷裂缝

1.滑坡裂缝与纵向裂缝的区别

（1）纵向沉陷缝一般接近于直线，垂直向下延伸；而滑坡裂缝一般呈弧形，向坝脚延伸。

（2）纵向沉陷缝发展过程缓慢，随土体固结到一定程度而停止，而滑坡裂缝初期较慢，当滑坡体失稳后突然加快，见图1-38。

（3）纵向沉陷缝，缝宽为几毫米至几十毫米，错距不超过30cm，而滑坡裂缝的宽度可达1m以上，错距可达数米。

（4）滑坡裂缝发展到后期，在相应部位的坝面或坝基上有带状或椭圆形隆起，而沉陷缝不明显。

2.内部裂缝判断

内部裂缝判断，具体可结合坝体坝基情况从以下各方面进行分析判断，如有其中之一者，可能产生内部裂缝。

（1）当库水位升高到某一高程时，在无外界影响的情况下，渗漏量突然加大。

（2）当实测沉陷远小于设计沉陷，而又没有其他影响因素时，应结合地形、地质、坝型和施工质量等进行分析判断。

（3）某坝段沉陷量、位移量比较大。

（4）单位坝高的沉陷量和相邻坝段悬殊很大。

（5）个别测压管水位比同断面的其他测压管水位低很多，浸润线呈现反常情况；或做注水试验，其渗透系数远超过坝体其他部位；或当水库水位升到某一数值时，测压管水位突然升高。

（6）钻探时孔口无回水，或者有掉钻现象。

（7）用电法探测裂缝。

五、裂缝的处理

裂缝处理前，首先应根据观测资料、裂缝特征和部位，结合现场探测结果，分析裂缝类型、产生原因，然后按照不同情况，采取针对性措施，适时进行加固和处理。

各种裂缝对土石坝都有不同的影响，危害最大的是贯穿坝体的横向裂缝、内部裂缝及滑坡裂缝，一旦发现，应认真监视，及时处理。对缝深小于0.5m、缝宽小于0.5mm的表面干缩裂缝，或缝深不大于lm的纵向裂缝，也可不予处理，但要封闭缝口；有些正在发展中的、暂时不致发生险情的裂缝，可观测一段时间，待裂缝趋于稳定后再进行处理，但要作临时防护措施，防止雨水及冰冻影响。

非滑坡性裂缝处理方法主要有开挖回填、灌浆和两者相结合三种方法。

1.开挖回填

开挖回填是处理裂缝比较彻底的方法，适用于处理深度不超过3m的裂缝，或允许放空水库进行修补加固防渗部位的裂缝。

（1）裂缝开挖。开挖中应注意的事项如下：

1）开挖前应向裂缝内灌入较稀的石灰水，使开挖沿石灰痕迹进行，以利掌握开挖边界。

2）对于较深坑槽应挖成阶梯形，以便出土和安全施工。挖出的土料不要大量堆积坑边，以利安全，不同土料应分开存放，以便使用。

3）开挖长度应超过裂缝两端1m以外，开挖深度应超过裂缝0.5m，开挖边坡以不致坍塌并满足土壤稳定性及新旧填土接合的要求为原则，槽底宽至少0.5m。

4）坑槽挖好后，应保护坑口，避免雨淋、干裂、冰冻、进水，造成塌垮。

开挖的横断面形状应根据裂缝所在部位及特点的不同而不同。具体有以下几种：

1）梯形楔入法。适用于不太深的非防渗部位裂缝。开挖时采用梯形断面，或开挖成台阶形的坑槽。回填时削去台阶，保持梯形断面，便于新老土料紧密结合，见图1-39。

2）梯形加盖法。适用于裂缝不太深的防渗部位及均质坝迎水坡的裂缝。其开挖情形基本与“梯形楔入法”相同，只是上部因防渗的需要，适当扩大开挖范围，见图1-40。

图1-39 梯形锲入法（单位：cm）

1—裂缝：2—回填土：3—开挖线；4—回填线

图1-40 梯形加盖法（单位：cm）

1—裂缝：2—回填土：3—块石护坡

3）梯形十字法。适用于处理坝体和坝端的横向裂缝，开挖时除沿缝开挖直槽外，在垂直裂缝方向每隔一定距离（2～4m），加挖结合槽组成“十”字，为了施工安全，可在上游做挡水围堰，见图1-41。

图1-41 梯形十字法（单位：cm）

1—裂缝；2—坑槽；3—结合槽；4—挡水围堰；5—开挖线；6—回填线

（2）土料回填。

1）回填前应检查坑槽周围的含水量，如偏干则应将表面洒水湿润；如土体过湿或冰冻，应清除后，再回填。

2）回填时，应将坑槽的阶梯逐层削成斜坡，并将结合面刨毛、洒水，要特别注意边脚处的夯实质量。

3）回填土料应根据坝体土料和裂缝性质选用，并作物理力学性质试验。对沉陷裂缝应选用塑性较大的土料，控制含水量大于最优含水量1%～2%；对于滑坡、干缩和冰冻裂缝的回填土料的含水量，应等于或低于最优含水量1%～2%。回填土料的干容重，应稍大于原坝体的干容重。对坝体挖出的土料，亦须经试验鉴定合格后才能使用。对于较小裂缝，可用和原坝体相同的土料回填。

4）回填的土料应分层夯实，层厚以10～15cm为宜，压实厚度为填土厚度的2/3，夯实工具按工作面大小选用，可采用人工夯实或机械碾压。

2.灌浆法

当裂缝很深或裂缝很多，开挖困难或开挖危及坝坡稳定或工程量过大时，可采用灌浆法处理，特别是内部裂缝，则只宜用灌浆法处理。灌浆主要有以下两个方面的作用。

（1）充填作用。合适的浆液对坝体中的裂缝、孔隙或洞穴均有良好的充填能力。浆液不仅能严密充填较宽的和形状简单的裂缝，也能充填缝宽1mm左右、形状复杂的细小裂缝。试验和坝体灌浆后的开挖检查结果证明，不论裂缝大小，浆液与缝壁土粒均能紧密结合。凝固以后的浆液，无论浆液本身还是浆液与缝壁的结合面，均没有新裂缝产生。

（2）压密作用。浆液在灌浆压力作用下，一方面可以挤开坝内土体，形成浆路，灌入浆液，同时在较高的灌浆压力作用下，可使裂缝两侧的坝内土体和不相连通的缝隙也因土壤的挤压作用而被压密或闭合。这种影响的范围，视灌浆压力的大小和土体性质而定，一般可达30～100cm。

3.开挖回填与灌浆结合法

此法适用于自表层延伸到坝体深处的裂缝，或当库水位较高、不易全部开挖回填的部位，或全部开挖回填有困难的裂缝。

施工时对上部采用开挖回填，下部采用灌浆处理。即先沿裂缝开挖至一定深度（一般2～4m左右）即进行回填，在回填时预埋灌浆管，回填完毕，采用黏土灌浆，进行坝体下部裂缝灌浆处理。例如某水库土坝裂缝采用此法处理，沿裂缝开挖深4m、底宽lm的大槽。再沿缝口挖一小槽，深、宽各约15～20cm。在小槽内预埋周围开孔的铁管，两端接钢（铁）管伸至原土面以上。然后在槽内回填黏性土，并分层压密夯实。