土石坝裂缝成因分析及防治措施

土石坝裂缝成因分析及防治措施

由于设计和施工不合理，土石坝经常出现裂缝。在渗流等因素的作用下,裂缝将进一步发展,威胁大坝的安全。1坝体裂缝形成机理土石坝在建造和运行过程中一般都要发生较大的变形。在不利的地形和坝基土质条件下,可能产生局部过大的变形和应力,当变形和应力超过坝体材料的承受能力时就将产生裂缝。变形裂缝按其形态可以区分为纵向裂缝、横向裂缝、及水平裂缝等。走向大体上与坝轴线平行,多数发生在坝顶和坝坡中部。心墙坝和多种土质坝中,由于心墙料的固结比较缓慢,坝壳土料的沉降速度较心墙快,坝壳和心墙之间发生应力传递,在坝顶部出现拉应力区导致裂缝。这种裂缝多发生在接近竣工期、竣工初期或初次蓄水等坝壳沉降变形较大的时候,裂缝形成后,应力释放,达到新的平衡,使其不再继续发展。土质斜墙坝的坝壳土料,如压实不足,沉降变形大,上部和下部沉降不均,都可使斜墙断裂,形成纵向裂缝。在高压缩性地基上也易形成坝坡面和坝内部的纵向裂缝。地基液化,土体向上下游流动,也会引起坝体产生纵向裂缝。走向与坝轴线垂直,多发生在两岸坝肩附近。当岸坡比较陡峻或地形突然发生变化时,都易发生该种裂缝。横向裂缝常贯穿坝的防渗体,并在渗流作用下继续发展,因而危害极大。主要发生在心墙内,由坝体和坝基的不均匀沉降引起。这是一种坝内裂缝,在坝体表面很难发现,它可能发展成为集中的渗流通道,危害性也很大。在较薄的粘土心墙坝中,坝壳沉降速度快,较早达到稳定,而心墙由于固结速度慢,还在继续沉降,坝壳将对心墙产生拱效应,使心墙中的竖向应力减少,甚至出现拉应力,从而产生内部水平裂缝。地震区土石坝震害的主要形态是出现纵向裂缝和横向裂缝,是一种变形裂缝。由于坝体滑坡在滑坡顶部产生呈弧形的张开裂缝,在滑弧底部,坝面隆起,产生剪切和张开裂缝。由于干缩和冻融作用产生的裂缝多发生于坝体表面,深度不大,危害性小,易于防治。2引入误差控制措施2.1心墙与渗流处安装反滤层将坝轴线布置成略凸向上游的拱形;根据需要适当放缓坝坡;采用具有适当厚度的斜心墙,在预计有较大差异变形处,以及与两岸或混凝土建筑物连接处将心墙适当加厚。在渗流出口处敷设足够厚度的反滤层,特别是对易于出现裂缝的部位要适当加厚。进行土料分区时,要避免粒径相差悬殊的两种土料相临布置,在粘土心墙与坝壳粗料之间设置较宽的过渡区,使不同土料间的变形特性逐步变化,上游面宜铺设较厚的堆石区,斜墙与下游坝壳之间也宜设置过渡区。2.2坝体地基的基土处理对不利的岸坡地形、软弱、高压缩性、易液化的坝基土层均应按设计要求进行处理,以避免过大的不均匀沉降及水力劈裂冲蚀。岸坡结合处应尽量挖除凸起部分,形成顺坡,并尽量减小岸坡坡度;适当加大防渗体及反滤层与岸坡结合处断面,回填含水量稍大于最优含水量的高塑性土料。对坝基中易液化砂层、软弱粘性土和湿陷性黄土地基应尽可能将其挖除。对于地震时易液化的土料可采取人工加密措施及设盖重、排水等附加措施对软弱粘土可通过排水固结或其它物理、化学方法以提高其抗剪强度,改善土的变形特性;对湿陷性黄土地基一般处理措施是挖除、反压或强夯以消除其湿陷性,也可以通过预先浸水处理,使其沉陷量大部在建坝前或施工期完成。但处理后的湿陷性黄土地基上只宜修建低坝。2.3土料的选择应符合以下要求土料的选择与设计不仅要考虑强度与渗透性能,而且还应充分重视土料的变形性能。2.3.1对防渗体而言,砂砾含量较高、塑性指数高的粘性土,充分压实后其压缩性较小,但适应变形的能力较低;相反粘粒含量多,塑性指数高的粘性土,则适应变形能力强而压缩性较高。故宜针对不同类型的防渗体,以及防渗体的不同部位选用不同的土料。斜墙对不均匀变形比较敏感,对土料适应变形的能力要求较高,而由于所承受的荷载较小,对土料压缩性的要求则可以适当放宽。心墙的中上部对土料的要求与斜墙类似,但心墙的中下部承受的荷载较大,而不均匀变形的可能性较小,故对变形的要求可适当降低,对土料的压缩性的要求则较高。2.3.2对坝壳料,在浸润线以下不宜采用粉、细、中砂以及粘性土或易软化变细的风化料。在浸水区外也易采用粒粗质坚、易于压实的砂砾、卵石或堆石,尽量减少其中细粒及泥质含量。2.3.3对过渡区及渗流入口处宜填筑自动淤填土料。2.3.4对可能的裂缝冲刷区宜采用能抗冲刷的优良反滤料。2.4坝体及坝体防渗2.4.1压实含水量对土的变形性能具有一定的影响。压实含水量稍高于最优含水量的粘性土,压实后土体压缩性较大,而其适应变形能力较强;反之压实含水量略低于最优含水量的压实土体,其压缩性较低而适应变形能力较差。在坝体中、下部宜提高压实度,减小压缩性;河槽坝段中、上部的压实度也宜比两岸坝段稍高;两岸坝肩等宜开裂区的防渗体宜填筑柔性较大,适应变形能力较强的塑性土。2.4.2心墙、斜墙上部,或易于开裂的部位,其填筑速率可适当放缓,以使下部坝体有较充分的时间达到预期的沉降量。2.4.3当上游坝壳料易于湿陷时,宜边填筑边蓄水。2.4.4设有竖直心墙的土坝,其心墙、过流段和坝壳三者上升的高度不宜相差悬殊。斜墙坝的下游坝壳则宜提前填筑,使沉降早日完成。2.4.5在施工间歇期要妥善保护作业面,防止干缩、冻融裂缝的发生,一旦发现裂缝,应及时处理。2.4.6运行期,特别是初次蓄水时,水位的升降速度不宜过快,以免坝体各部位的变形来不及调整,互不协调,产生高应力,避免出现水力劈裂。尽量避免库水位骤降。以上所述的控制裂缝措施都是定性的,具体采用时要结合工程实践经验认真进行分析,对重要的坝必须进行应力和变形计算,以核算控制裂缝措施是否恰当。3封填、夯实、灌浆首行要查明裂缝的形状,分析原因,根据其危害程度,可采取不同的处理措施。3.1对表面裂缝,先用砂土填塞,再以低塑性粘土封填、夯实。对深度不大的裂缝,也可以将裂缝部位的土体挖除,回填含水量稍高于最优含水量的土料,分层