浅谈土石坝的地基裂缝控制与成因

　　土石坝是利用当地土料、砂砾、卵砾石渣、石料等建筑而成。按施工方法不同可以分为碾压式土石坝、水中填土石坝和水力冲填坝，现代土石坝多由碾压而成。按筑坝材料、坝内的配置又可分为均质土坝、分区坝和人工防渗材料坝。土石坝设计的总体要求是，大坝在正常和非正常工作条件的荷载组合条件下，必须保证完成它能长期安全运用和充分发挥经济效益，满足稳定变形、渗流以及规定的超高等要求。因此，对土石坝的地基处理与裂缝控制不容忽视。

　　一、土石坝的地基处理

　　土石坝的底面积大，坝基应力较小，坝体具有一定的适应变形的能力，坝体断面分区和材料的选择也具有灵活性。因此，土石坝对天然地基在强度和变形方面的要求以及处理措施、应达到的标准等，均可比混凝土坝相对较低，但防渗要求上则与混凝土坝基本相同。土石坝对不同的地基有不同的处理方法，着重对土石坝地基处理与软土地基处理的方法作以介绍。

　　1、砂卵石地基处理

　　许多土石坝建在砂卵石地基上，对于砂卵石地基的处理主要是解决渗流控制问题。处理的主要措施有垂直防渗措施、水平防渗措施和下游排水设施及盖垂等，垂直防渗措施可有效地截断坝基渗流，在技术条件许可且较经济合理时，应优先采用。

　　(1)垂直防渗设施。垂直防渗设施包括黏性土截水槽、混凝土防渗墙和灌浆帷幕等。

　　a、黏性土截水槽。当坝基砂砾石层深度不大时，可开挖深槽直达不透水层或基岩，槽内回填黏性土，与坝内防渗体连成整体，称之为截水槽。它结构简单、工作可靠、防渗效果好、应用较广，适用于砂砾石层深度在 15m 以内，最大深度一般不超过 20m。截水槽底宽根据回填土的容许渗透坡降及施工条件而定。为防止截水墙与基岩间可能出现的集中渗流，常在基岩上设置混凝土齿墙或垫座，必要时还需要进行灌浆。

　　b、混凝土防渗墙。当坝基砂砾石层较深时，采用混凝土防渗墙是经济而又有效的防渗措施。施工时用冲击钻分段在土层中造成圆孔或槽形孔，以泥浆固壁，然后在槽孔内浇筑混凝土，最后连成整体，形成混凝土防渗墙。墙底嵌入弱风化基石，深度不少于 0.5～1.0m，墙顶插入防渗体内的深度 1/10 坝高。墙厚一般为 0.6～1.3m，多采用 0.8m 左右。混凝土防渗墙一般适用砂砾石层深度在 80m 以内的情况。

　　c、灌浆帷幕。当砂砾石层深度很大时，可采用灌浆的方法进行防渗处理。也可在土层采用黏土截水槽或混凝土防渗墙，下部采用灌浆帷幕。砂砾石地基是否适合于灌浆，取决于它的可灌性，其可灌性可根据砂砾料的性质和级配，用可灌比和渗透系数来判别。根据反滤原理，一般认为 M<5时，可灌性很小;M=5~10 时，可灌性差;M>10 时，可灌水泥黏土浆;M>15 时，可灌水泥浆。渗透系数 K>40m/d，可灌水泥黏土浆;K>80m/d 时，可灌水泥浆。当可灌性不好时，可考虑采用化学灌浆。砂砾层的帷幕灌浆大多采用水泥黏土浆，它不仅耗费水泥量少，比较经济，而且还有浆液性能好、不易深沉、防渗效果好等优点。帷幕的厚度按容许坡降确定，而帷幕厚度 T=H/J(H 为最大设计水头，J 为帷幕容许坡降)，对于水泥黏土浆，帷幕的渗透坡降可采用 3～4。

　　(2)水平防渗铺盖。防渗铺盖是一种水平防渗设备，可由斜墙、心墙等防渗体或均质坝体向上游水平延伸而成。其结构简单，防渗可靠，造价较低廉。铺盖通常采用黏性土料铺筑，也可以采用土工膜作铺盖，铺盖不能完全截断渗流，但能增加渗径，可将坝基渗透坡降和渗流量控制在容许范围内。当河床透水层很厚时，采用垂直防渗设施有困难时，可以考虑采用铺盖防渗，有时还可以利用天然透水地基中的 1层不透水层作铺盖。如果地基是渗透性很大的砾石层或渗透稳定性很差的粉细砂，不宜采用铺盖。铺盖的渗透系数应小于 1×10-5cm/s，并至少比地基渗透系数小 100 倍，铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定，一般为 4～6 倍水头，铺盖厚度由土料的容许渗透坡降而定，由上游端向下游端逐渐加厚。上游端最小厚度可以取 0.5～1.0m，铺盖顶面要有保护层，以防蓄水发生干裂及运用期间的波浪作用和水流冲刷而导致破坏。

　　(3)排水减压等措施。一般而言，当坝下游表层土较薄时，可开挖排水沟深入到下部透水层、排水沟底和边坡设反滤层;当表层土较厚或深部有强透水层时，设排水减压井比较有效，有时也可采取减压井加盖的方法。盖一般采用透水料，盖重与被保护土之间应设反滤层。

　　2、软土地基处理

　　(1)淤泥层地基处理。淤泥夹层天然含水量大、容量小、抗剪强度低、承截力小。当分布范围不大，埋藏较浅时，一般应全部挖除;当埋藏较深，分布范围较广时，常采用压重法或采用砂井加速排水固结。

　　(2)细砂地基处理。均匀饱和细砂地基在地震或其他突然荷载作用下易于液化，常采取措施加以处理。当厚度不大且接近地面时，可考虑将其挖除。若砂层较厚可用上下层截水墙或板桩加以封闭，但此法不够经济。当砂层很厚时，可在坝址附近设砂井，降低砂层承压水头以防液化。用振冲器法加固地基，防止液化也有较优的效果。

　　(3)软黏土和黄土地基处理。软黏土层较薄时，一般全部挖除，当土层较厚时，可用砂换法、振冲器法，或在坝基中设排水砂井加速软土固结，提高承载力。

　　二、土坝的裂缝成因及控制

　　1、裂缝成因

　　由于土石坝的不均匀沉降、地基处理不当、设计和施工过程中的问题，使土石坝产生形态各异的裂缝，大致可以分为以下几类。

　　(1)变形裂缝。它是由于坝的不均匀沉降所引起的，是破坏坝体完整性的主要裂缝，危害性较大。根据裂缝的走向和位置，又分为3种：一是纵向裂缝。缝的走向与坝轴线平行，主要出现在坝顶，有时出现于坝坡或坝体内部。这是由于坝体或坝基各部位沿横向的不均匀沉降所引起的。二是横向裂缝。裂缝的走向与坝轴线垂直，这是由于坝体沿坝轴线方向不均匀沉降所引起的，多出现于坝体或岸坡接头处。三是水平裂缝。水平裂缝多出现在较薄的心墙坝中。

　　(2)干缩和冻融裂缝。它是黏土表面由于失水和冻融而产生的裂缝，呈龟裂状，纵横交错，但深度不大，一般从几厘米到 1m。缝宽常小于1cm，而且上宽下窄，在浅层处逐渐尖灭，所以这种裂缝一般对土坝的危害性不大。

　　(3)滑坡裂缝。它是坝坡失稳以前产生的裂缝。它不是一般的变形缝，而是因滑移土体开始发生位移而出现的裂缝。这种缝多发生在滑坡顶部，在平面上是成形，方向大致与坝轴线平行。滑坡下部隆起处，也可能出现一些细小的裂缝，这种裂缝是滑坡的前兆。

　　(4)水力甓裂缝。它是由于水压力所引起的水平或垂直裂缝，水力劈裂缝多发生在水库多次蓄水时，危害性很大。

　　2、土石坝裂缝的控制

　　控制土石坝裂缝的途径，首先是要合理地计算坝体应力和压力的大少及分布，根据试验测定的土体强度特性，分析和估计坝体可能产生裂缝的危险部位、裂缝的性质以及裂缝的几何参数，据此采取相应的地基处理措施;合理地设计土石坝剖面和细部结构;选择适宜的土料并采用合理的设计参数;严格控制施工质量，明确运行管理上的要求，并精心进行管理等。

　　土石坝一旦出现裂缝，应及时查明性状进行处理。如处理不当或不及时，常会造成坝的失事。国内外处理土石坝裂缝常采用挖除回填和灌浆的方法。

　　(1)挖除回填。此法简单可行，比较彻底可靠，对纵向、横向裂缝均可使用。对于表面干缩或冻融裂缝，因深度不大可不必挖除，可用砂土填塞，再用低塑黏土封填夯实，以防雨水渗入冲蚀。深度不大的裂缝可按干缩缝处理，也可挖除裂缝部位土体，回填稍高于最优含水率的土料，严格分层夯实，并采用洒水刨毛等措施，以保证新老土体结合良好。

　　(2)灌浆处理。当裂缝位于深部或延伸至深部时，常用黏土浆或黏土水泥浆处理。浅层缝可用自流式灌浆，深层缝应采用低压灌浆，以防产生水力劈裂。

　　当裂缝严重不能用上述方法处理时，可采用泥凝土或黏土防渗墙，从坝顶开始，直达基岩。对于滑坡裂缝，应采用反压盖重，加强排水及至放缓坝坡等措施。

　　参考文献：

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