任务三 土石坝的裂缝处理

※基本知识※

一、裂缝类型和表现特征

1.裂缝类型

（1）按部位分。可分为表面裂缝和内部裂缝。

（2）按走向分。可分为纵向裂缝、横向裂缝、水平裂缝和龟纹状裂缝。

（3）按成因分。可分为干缩裂缝、沉陷裂缝、滑坡裂缝、冻融裂缝、水力劈裂缝、溯流裂缝和振动裂缝。

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。

2.表现特征

在水库的运行管理中，土石坝的裂缝是比较常见的，但是对裂缝初期表现特征及潜在危险往往了解和重视不够，从而造成严重后果。如细小的纵向裂缝可能是坝体滑坡的先兆，而细小的横向裂缝可能发展成为坝体的集中渗漏通道。因此，应熟悉掌握土石坝常见裂缝的表现特征，准确判断裂缝类型，及时采取有效措施加以维护。

（1）纵向裂缝（图2-1）。其走向与坝轴线平行或接近平行，一般裂缝较长，缝口较宽，基本上是垂直地向坝体内部延伸，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。多发生在坝的顶部或内外坝肩附近。多出现在坝基压缩性较大的坝段、心墙坝和斜墙坝透水料压缩性较大或碾压不密实的坝段、坝体跨越山脊和河谷极不规则的坝段等。要能正确区分沉陷裂缝和滑坡裂缝。

图2-1 横向裂缝和纵向裂缝

1—横向裂缝；2—纵向裂缝

（2）横向裂缝（图2-1）。其走向与坝轴线垂直或斜交，一般接近铅直或稍有倾斜地伸入坝体内。缝深几米至十几米，上宽下窄，缝口宽几毫米至十几厘米，偶尔可见更深、更宽的裂缝。缝两侧可能错开几厘米甚至几十厘米。多出现在土坝与岸坡连接的坝段、台地坝段、坝基压缩性较大的坝段、土坝与刚性建筑物连接的坝段和分段施工的接合部位。横向裂缝具有极大的危险性，特别是贯穿性裂缝易造成集中渗流。

（3）水平裂缝。其缝面平行或接近水平面，多发生在坝体内部，呈透镜状。常出现在心墙内、狭窄河谷的坝段内、土坝与刚性建筑物连接的坝段和深而窄的截水墙内。

（4）龟纹状裂缝。多出现在坝表面，呈龟纹状，缝面通常与坝表面垂直，缝深1～2cm，缝口较窄，长度较短，其方向无规律、纵横交错，缝间距较均匀。

（5）沉陷裂缝。一般接近直线，基本上是铅垂地向坝体内部延伸，错距不大；多发生在河谷形状变化较大、地基压缩性较大、合龙段、分期施工段、坝体与刚性建筑物连接段和坝下埋设涵管等部位。

（6）滑坡裂缝。常出现在坝表面，裂缝中段大致与坝轴平行，两端弯曲向坝坡延伸，在平面上呈弧形，缝的发展过程逐渐加快，缝口有明显错动。在裂缝发展后期，可以发现在相应部位的坝面或坝基上有带状或椭圆状隆起。这些都是区别于纵向沉陷裂缝的重要标志。多发生在坝顶、坝肩、背水坝坡和排水不畅的坝坡下部。

（7）干缩裂缝。多出现在坝体表面，分布面广，没有固定方向，密集交错，有的呈龟裂状，缝的间距比较均匀，无上下错动。缝宽通常小于1cm，个别情况也可能较宽较深。一般与坝体表面垂直，上宽下窄，如果缝内土壤湿润，裂缝可变窄或呈楔形尖灭。

（8）冻融裂缝。这种裂缝的深度不超过冰冻影响深度，表层破碎，有脱空现象，缝宽及缝深随气温而异，融化后裂缝会自行闭合。

（9）振动裂缝。其走向平行或垂直坝轴线方向，裂缝多暴露坝面，缝长和缝宽与振动烈度有关，横向缝的缝口会随时间而逐渐变小或弥合，而纵向缝的缝口则无变化。

（10）内部裂缝（图2-2）。隐藏在坝体内部，外表不易察觉，有的呈透镜状水平分布，有的呈上宽下窄状竖直分布。多发生在心墙的内部，狭窄河谷上的高坝内部，坝基局部含有高压缩性透镜体软弱夹层坝体底部，坝体与刚性建筑物连接部位的坝体内，混凝土防渗墙及坝内涵管顶部处的坝体内。

图2-2 内部裂缝示意图

1—裂缝；2—坝壳；3—黏土心墙；4—软弱夹层；5—岩基；6—混凝土截水墙；7—坝顶

（11）表面裂缝。其走向有垂直坝轴线方向的和平行坝轴线方向的，裂缝的缝口宽度较大，随深度逐渐变窄和消失。但有的表面裂缝呈龟裂状，缝长和缝口宽度均不大，分布也不深。

二、产生裂缝的原因

（1）纵向裂缝。主要因坝体在横向断面上不同土料的固结速度不同，由坝体、坝基在横断面上产生较大的不均匀沉陷所造成，有的是滑坡引起的。

（2）横向裂缝。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。

（3）龟纹状裂缝。主要由干缩或冻融引起。

（4）沉陷裂缝。由坝体或坝基的不均匀沉陷引起。

（5）滑坡裂缝。由坝体滑动引起。

（6）干缩裂缝。由于坝体受大气和植物的影响，土料中水分大量蒸发，土体干缩而产生的，也是龟纹状裂缝。

（7）冻融裂缝。主要由冰冻而产生，如坝体土料在低温下已经冻结，当气温再骤然下降时，表层冻土要产生收缩而受到内部未降温土体的约束，或是当坝体土料已经冻结，气温又骤然升高而冰融，土体反复冻融，密实度降低，土体表面就会形成裂缝。

（8）振动裂缝。由于坝体经受强烈振动或地震后产生的。

（9）表面裂缝。上述各种裂缝在坝体表面上都可见到，故表面裂缝产生原因也是多方面的，根据其表现特征判断裂缝类型，再分析产生原因。

（10）内部裂缝（图2-2）。

1）薄心墙坝，若坝壳的压缩性小而心墙的压缩性大，且心墙与坝壳间过渡布置不合理，则心墙下沉时受坝壳的约束产生拱效应，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。

2）修建在狭窄峡谷中的坝，在地基沉陷过程中，上部坝体通过拱作用传递到两端，拱下部坝的沉陷量较大而产生拉应力在坝体内产生裂缝。

3）在局部高压缩性地基上的土石坝，因坝基局部沉陷量大，使坝底部发生的拉应变过大而产生横向或纵向的内部裂缝。

4）坝体和刚性建筑物连接部位，因刚性建筑物远比坝体土壤的压缩性小，使连接部位应力集中，产生内部底宽上窄的纵向裂缝。

※技术应用※

三、裂缝处理

裂缝处理前，应先根据监测资料、裂缝特征和部位及现场探测结果，判断裂缝类型、分析产生原因，并采取针对性措施，进行有效处理。

各种裂缝对土石坝的影响是不同的，贯穿坝体的横向裂缝、内部裂缝及滑坡裂缝的危害最大，发现后应注意监测，采取措施及时处理。对深度小于1.0m、宽度小于0.5mm的纵向裂缝，或深度小于0.5m、宽度小于0.5mm的表面干缩裂缝和冰冻裂缝，可以只将缝口堵塞而不进行处理；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，但要做临时防护措施，防止雨水及冰冻影响。

对非滑动性裂缝，一般是在裂缝趋于稳定后采取开挖回填、灌浆和两者结合的处理方法。

1.开挖回填

开挖回填是将发生裂缝部分的土料全部挖出，重新回填，是一种比较彻底的裂缝处理方法。该法施工简便，效果较好，适用于深度不大于3m的表面裂缝和防渗部位的裂缝。

开挖回填法又分为梯形楔入法、梯形加盖法和梯形十字法三种（图2-3）。梯形楔入法适用于非防渗部位的坝体所产生的纵向裂缝；梯形加盖法适用于均质坝迎水坡和防渗斜墙上出现的深度不大的纵向裂缝；梯形十字法适用于坝端和坝体出现的各种横向裂缝。

图2-3 土石坝裂缝的开挖回填处理（单位：cm）

1—裂缝；2—开挖线；3—回填时削坡线；4—草皮护坡

开挖前先向裂缝内灌白灰水，以显示缝的影响范围，开挖槽的长度和深度都应超过裂缝的长度和深度，如裂缝不深，可挖成梯形断面，然后回填符合要求的土料，回填时应先将坑槽周壁刨毛，然后分层填土夯实，每层填土厚度为0.1～0.15m，然后夯实为0.07～0.10m。当裂缝较深时，为了开挖方便和安全，可挖成阶梯形坑槽，阶梯高度以1.5m为宜，回填时逐级削去台阶，保持梯形断面。对于不太深的贯穿性横向裂缝，为了防止在沟槽侧面新老土结合处形成集中渗流，还应沿裂缝方向每隔2～4m挖2.0～2.6m宽的结合槽，与裂缝相交成十字形［图2-3.3（c）］。

回填土料应根据坝体土料性质和裂缝特征来选用，对于较浅的小裂缝，可采用原来开挖出来的坝体土料回填；对于滑坡、干缩和冰冻裂缝，应采用含水量低于最优含水量1%～2%的土料；对于沉陷裂缝，应采用含水量大于最优含水量1%～2%的塑性黏土。

2.灌浆处理

对于采用开挖回填法困难（或危及坝坡稳定，或工程量过大）的较深的非滑动性裂缝和内部裂缝，可采用灌浆处理法。试验证明，合适的浆液对坝体中的裂缝、孔隙或洞穴均既有良好的充填作用，同时在灌浆压力作用下对坝内土体有压密作用，使缝隙被压密或闭合。

灌浆的浆液应具良好的灌入性、流动性、析水性、收缩性和稳定性，以保证良好的灌浆效果，并使浆液灌入后能迅速析水固结，收缩性小，能与坝体紧密结合，具有足够的强度，并可避免因发生沉淀而堵塞裂缝入口及输浆管路。一般可以采用纯黏土浆，制浆材料宜采用粉粒含量为50%～70%的黏性土，浆液配比按水与固体的质量比为1：1～1：2。但在灌注浸润线以下部位的裂缝时宜采用黏土水泥混合浆液，浆液中水泥掺量为干料的10%～30%，以加速浆液的凝固和提高早期强度。在灌注渗透流速较大部位的裂缝时，为了能及时堵塞通道，可掺入适量的砂、木屑、玻璃纤维等材料。

灌浆孔的布置应根据裂缝的分布和深度来决定，对坝体表面裂缝，每条裂缝上均应布孔，孔位宜布置在长裂缝的两端和转弯处、裂缝密集处、缝宽突变处及裂缝交错处，并注意与导渗或观测设备之间应有不小于3m的距离，防止串浆。对坝体内部裂缝，可根据裂缝的分布范围、裂缝的大小、灌浆压力和坝体的结构等综合考虑灌浆孔的布置，一般应在坝顶上游侧布置1～2排，必要时可增加排数。孔距可根据裂缝大小和灌浆压力来决定，一般为3～6m。布孔时，孔距应由疏至密，逐渐加密。孔深应超过缝深1～2m。

灌浆压力一定要控制适当，一般情况下，应首选重力灌浆和低压灌浆。

灌浆技术发展很快，近年来已广泛应用于土质堤坝除险加固及裂缝和渗漏的处理。实践中已总结出20字的有效经验，即浆料选择“粉黏结合”，浆液浓度“先稀后浓”，孔序布置“先疏后密”，灌浆压力“有限控制”，灌浆次数“少灌多复”。

3.开挖回填与灌浆处理相结合

此法是在裂缝的上部采用开挖回填，裂缝的下部采用灌浆处理，一般是先开挖约2m深后立即回填。回填时预埋灌浆管，然后在回填面上进行灌浆。适用于中等深度的裂缝，或水库水位较高，不宜全部开挖回填的部位，或全部采用开挖回填有困难的裂缝。