李德群 李琛 董承山

摘要：針對黃土地區(qū)某水庫蓄水后壩體出現(xiàn)的裂縫、塌陷等工程問題，在實(shí)測裂縫發(fā)生、發(fā)展過程基礎(chǔ)上，通過對壩體填筑質(zhì)量評價(jià)、壩基地形地貌影響、濕陷性黃土處理效果的分析認(rèn)為，壩體填筑質(zhì)量欠佳造成的壓縮變形和不均勻變形，是引發(fā)裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在條件；壩基溝壑回填處理不良、原有黃土濕陷變形消除不徹底且隨著蓄水過程變形不斷發(fā)展的濕陷機(jī)理，是壩體產(chǎn)生裂縫最主要和最直接的原因。

關(guān)鍵詞：土壩；裂縫；黃土；濕陷性；變形

中圖分類號：TV641.2；TU444 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.028

土壩是壩工建筑物中最常見的壩型，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國已建成土壩數(shù)量約占土石壩總數(shù)的66%[1]。在我國黃土分布區(qū)特別是西北地區(qū)，黃土經(jīng)過一定的工程措施，或作為壩基基礎(chǔ)或作為筑壩材料，修建了為數(shù)眾多的水庫大壩。土壩一般力學(xué)強(qiáng)度較低，尤其是黃土特有的工程地質(zhì)特性，在運(yùn)行過程中受庫水位升降等因素的影響，容易發(fā)生壩體開裂，成為一種主要破壞形式和工程隱患，造成土體材料的幾何不連續(xù)性以及力學(xué)性質(zhì)的各向異性，進(jìn)而導(dǎo)致壩體整體結(jié)構(gòu)的破壞，水庫正常效益受到影響，如果處理不當(dāng)甚至造成潰壩等工程事故。因此，對黃土地區(qū)土壩裂縫形成機(jī)理的研究具有重要意義。

位于黃土地區(qū)的某水庫2009年建成蓄水后，在土壩壩體上、下游坡面陸續(xù)出現(xiàn)縱、橫向裂縫以及坡面塌陷等工程問題。本文通過分析壩基地層巖性、建基面形成過程以及壩體填筑質(zhì)量，揭示并探討壩體裂縫形成的機(jī)理，旨在為同類工程勘測設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

該水庫擋水建筑物為碾壓式均質(zhì)土壩，最大壩高42.0m，壩頂高程1605.0m，壩長495.0m，正常蓄水位1603.0m，屬uI等中型工程。

勘察設(shè)計(jì)資料顯示，壩體填筑由壩前及中部非分散性土（記為①）、壩后過渡型分散性土（記為②）和截滲墻（槽）改良性土（記為③）組成（圖1）。主要控制指標(biāo)中最優(yōu)含水率為13.6%、最大干密度為1.84g/cm3；壓實(shí)度為0.98時(shí)的干密度為1.80 g/cm3，壓縮系數(shù)a1-2=0.068，壓縮模量Es1-2為13.61（非飽和）～14.61MPa（飽和）。為消除料源土的分散性，設(shè)計(jì)壩體填筑土摻合0.5%～1.0%熟石灰的改性土，填筑標(biāo)準(zhǔn)為壓實(shí)度不小于0.98。

壩基坐落在濕陷性黃土（記為④）上，其下為泥巖、砂巖（記為⑤）。在處理措施上，利用壩基天然溝谷開挖形成截滲槽進(jìn)入基巖，其他溝壑?jǐn)U挖后按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)回填，形成人工建基面，并通過強(qiáng)夯消除黃土的濕陷性，達(dá)到干密度>1.70g/cm3的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 壩體沉降和裂縫觀測

2.1 壩體沉降

根據(jù)觀測資料，壩體填筑到竣工階段時(shí)各斷面沉降量均較小，自重應(yīng)力造成的壩體底部沉降率大于上部，最大沉降量為4mm，最大沉降率不大于0.03%。

水庫蓄水運(yùn)行5a后，與壩體設(shè)計(jì)、竣工的標(biāo)準(zhǔn)斷面相比，實(shí)測壩頂部位沉降量為470～760mm；壩前和壩后馬道部位沉降量分別達(dá)到610～660mm、220～300mm。壩體沉降變形具有上游比下游明顯加大的趨勢，反映了庫水對壩體沉降的誘導(dǎo)作用，也符合其他類似工程沉降變形的一般規(guī)律，但目前觀測的沉降值偏大。

2.2 壩體裂縫

在庫水抬升滲透作用下，該工程壩體裂縫的發(fā)生和發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段（圖2）。

第一階段：水庫竣工開始蓄水至第6天水位達(dá)到1580.0m高程時(shí)，上游壩坡出現(xiàn)6條與壩軸線平行的縱向裂縫，裂縫初始寬度3～10mm，2d后裂縫發(fā)展趨于穩(wěn)定。

第二階段：與第一次蓄水間隔90d后，水庫開始?xì)v時(shí)7d的第二次蓄水。當(dāng)水位升高到1585.0m時(shí)，上游壩坡新增或在原裂縫基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展了5條縱向裂縫，初始寬度3～5mm，最寬處達(dá)到12mm。蓄水結(jié)束后8d，裂縫不再有新的發(fā)展。

第三階段：與第二次蓄水間隔100d后開始第三次蓄水。庫水位蓄至1588.0m時(shí)，上游壩坡新增或在原裂縫基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展了3條與壩軸線垂直的橫向裂縫，縫寬30～50mm； 1595.0m馬道混凝土面出現(xiàn)裂縫、錯(cuò)臺，裂縫寬20～30mm；右壩肩馬道混凝土砌坡整體變形、沉陷。

下游壩坡也有不同程度的裂縫和塌陷發(fā)生。

從裂縫的發(fā)展規(guī)律看，蓄水初期上、下游壩坡以平行壩軸線的縱向裂縫為主，后期出現(xiàn)了垂直壩軸線的橫向裂縫和坡面塌陷；裂縫在蓄水初始階段發(fā)展速率明顯高于后期，也就是說隨著庫水位的上升和歷時(shí)延長，裂縫的發(fā)展趨勢明顯減弱。從裂縫發(fā)生部位看，由于壩體上游坡對庫水浸人的反應(yīng)更靈敏，而且在受力狀態(tài)上屬于無約束力作用的臨空面，因此壩體中、上部位移向上游傾斜，引起壩體發(fā)生裂縫。

3 壩體裂縫成因分析

通常情況下，壩體、壩基的變形是引發(fā)壩體裂縫產(chǎn)生的內(nèi)在因素，庫水位的升降是外部誘導(dǎo)因素，并加劇了壩基變形的發(fā)生發(fā)展進(jìn)程。因此，針對該工程壩體結(jié)構(gòu)、筑壩材料和壩基黃土地層的特點(diǎn)，宏觀判斷水庫大壩的變形具有壓縮變形、濕陷變形和不均勻變形的特點(diǎn)，3種變形的綜合疊加導(dǎo)致壩體裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

3.1 壓縮變形

壩體在上覆土體自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變形為壓縮變形。除壩體填筑材料自身固有的壓縮變形外，往往伴隨著壩體填筑施工中質(zhì)量缺陷的存在。對壩體現(xiàn)狀的檢測結(jié)果表明，填筑土主要由粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土構(gòu)成。從壩后、壩中到壩前依次呈堅(jiān)硬—硬塑—可塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)a1-2為0.224～0.236MPa-1，壓縮模量為7.763～8.531MPa，綜合評判為中等壓縮性土，低于壩體設(shè)計(jì)的壓縮性指標(biāo)。

目前，壩體整體壓實(shí)度普遍偏低，實(shí)測平均干密度為1.72g/cm3，低于壓實(shí)度0.98時(shí)干密度為1.80g/cm3的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，屬于欠密實(shí)狀態(tài)填筑土。在平均最大擊實(shí)干密度為1.88g/cm3的工況下，壓實(shí)度>0.98的試樣抽檢合格率僅為10.5%；按料源擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度為1.84g/cm3，在0.98壓實(shí)度下其控制干密度為1.80g/cm3，壩體填筑土整體壓實(shí)度合格率平均為22.9%。

由此可見，水庫目前運(yùn)行狀態(tài)下壩體填筑土質(zhì)量欠佳，抗壓縮性能不強(qiáng)，浸潤線相對較高，造成壩體抗變形能力較差，產(chǎn)生一定的壓縮變形和差異性沉降，以至出現(xiàn)部分內(nèi)部裂縫。在庫水及其他因素作用下促使其進(jìn)一步發(fā)展，形成了一定規(guī)模的壩體表面裂縫。

3.2 濕陷變形

前期勘察和施工揭露，壩基主要由圖1所示的④第四系全新統(tǒng)沖積壤土（Q4al）、⑤第三系漸新統(tǒng)清水營組泥巖、砂巖（E3q）兩個(gè)工程地質(zhì)單元構(gòu)成。

泥巖、砂巖屬湖泊相沉積，泥質(zhì)膠結(jié)，層狀構(gòu)造，局部夾有石膏層，從物理力學(xué)指標(biāo)判斷為CⅣ巖體。該巖體作為截滲槽的基礎(chǔ)，雖然力學(xué)強(qiáng)度不高，但是滿足土壩對下臥基礎(chǔ)的基本要求，其承載力與變形特性對壩體裂縫一般不會產(chǎn)生大的影響。

壤土為壩基建基面地層，厚度7.0～13.5m，多呈堅(jiān)硬狀態(tài)，垂直節(jié)理發(fā)育，富含碳酸鈣等易溶鹽物質(zhì)，具有典型的黃土濕陷變形特征，判定為Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性黃土，其物理力學(xué)指標(biāo)與濕陷性參數(shù)見表1。

鑒于此，通過對8.0m深度黃土的強(qiáng)夯試驗(yàn)論證，確定采用三序次夯強(qiáng)夯處理方案，以達(dá)到消除黃土濕陷性、減小壓縮性和提高承載能力的目的。具體施工方法和參數(shù)見表2。

壩體填筑完成后，對壩后強(qiáng)夯區(qū)黃土進(jìn)行取樣試驗(yàn)。結(jié)果（表1）表明，強(qiáng)夯后黃土的部分指標(biāo)雖有所改善，但仍為Ⅲ級自重濕陷性黃土，處理效果不甚明顯。究其原因，主要是壩基黃土厚度較大，4000kN·m夯擊能量不足以完全消除濕陷性。因此，歷次蓄水后黃土均產(chǎn)生一定的濕陷變形，傳導(dǎo)并作用于壩體，這是壩體產(chǎn)生裂縫的最主要?jiǎng)恿碓础?/p>

3.3 不均勻變形

壩體體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)生的壓縮變形和壩基黃土濕陷變形，最終反映在壩體裂縫上可以統(tǒng)稱為不均勻變形的結(jié)果。但對于該工程而言，直接的不均勻變形也是導(dǎo)致壩體裂縫產(chǎn)生的重要因素之一。

該工程所處區(qū)域受地殼上升、水流下切的侵蝕作用，壩基原始地貌中溝壑發(fā)育、地形破碎且切割較深。壩基范圍內(nèi)分布有8條沖溝，最大深度達(dá)12m，且坡度較陡呈“V”形，溝底最窄處僅有0.8m。根據(jù)設(shè)計(jì)的工程處理方案，首先清除表層3.0m黃土，然后對沖溝進(jìn)行清理、回填，經(jīng)過強(qiáng)夯處理后形成建基面。但眾多沖溝的邊坡臨空面和狹窄的工作面成為強(qiáng)夯施工的難點(diǎn)和盲點(diǎn)，在壩基范圍內(nèi)形成了一定數(shù)量的軟弱區(qū)域，造成壩基不均勻沉降、變形。

從壩體填筑區(qū)設(shè)計(jì)和裂縫類型、分布規(guī)律分析，壩體橫剖面上不同土料的壓縮變形、固結(jié)速率以及土顆粒之間孔隙體積的差異，往往引起壩體中、上部發(fā)生拉、剪應(yīng)變并產(chǎn)生不均勻變形，當(dāng)超過壩體極限應(yīng)變值時(shí)便產(chǎn)生裂縫。有學(xué)者研究認(rèn)為[2]，當(dāng)壩體分區(qū)和土料性質(zhì)不同、壓實(shí)不均時(shí)，即使壩體內(nèi)部拉應(yīng)力在允許抗拉強(qiáng)度內(nèi)，裂縫仍有可能產(chǎn)生，而且這種不均一性越大，壩體裂縫產(chǎn)生的可能性也越大，對土壩裂縫產(chǎn)生的影響不容忽視。

3.4 黃土濕陷變形與裂縫發(fā)生機(jī)理

綜合前述分析，壩基黃土的濕陷性是導(dǎo)致壩體裂縫發(fā)生和發(fā)展的關(guān)鍵因素。眾多的研究成果[3-5]表明，黃土是一種壓縮性較低的欠密實(shí)土體，屬典型的非飽和土，其柱狀節(jié)理、大孔隙結(jié)構(gòu)和顆粒間水敏性膠結(jié)方式，是微觀結(jié)構(gòu)的主要特征，形成了結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的特殊土體。在上部荷載和外水共同作用下，微觀結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致宏觀力學(xué)性能的變化，原始結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而產(chǎn)生濕陷變形，是黃土獨(dú)特結(jié)構(gòu)和外力綜合控制的結(jié)果。

壩體填筑階段，壩基黃土雖經(jīng)強(qiáng)夯處理，但仍具有部分天然特性，在上覆荷載下內(nèi)部原始聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)尚存，主要是孔隙縮小閉合、顆粒骨架相互靠近的壓密過程，因而有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，竣工蓄水前的沉降觀測值較小。

蓄水初期，黃土的穩(wěn)定性發(fā)揮著抵抗作用。隨著庫水的逐漸浸入、黃土飽和度不斷增大，顆粒間膠結(jié)物被不斷軟化、溶解，加之水膜的楔人造成薄膜水、毛細(xì)水吸附力衰減，顆粒排列特性發(fā)生變化，聯(lián)結(jié)力、摩擦力減小并擠壓滑動，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸喪失。庫水的下降又會解除土體的懸浮狀態(tài)，增大了顆粒骨架間的有效應(yīng)力，土體結(jié)構(gòu)被進(jìn)一步破壞，促使?jié)裣葑冃渭觿　＿@一過程是黃土的穩(wěn)定性被不斷調(diào)整直至破壞、濕陷性由量變到質(zhì)變的過程，也是黃土可變性顯現(xiàn)、次生結(jié)構(gòu)不斷形成的過程。由于壩基各部位濕陷性黃土厚度差異導(dǎo)致沉陷量不一，同時(shí)庫水對壩體上游坡的浸人更迅速和充分，因此引發(fā)壩體向庫區(qū)和河谷方向發(fā)生位移、拉裂，壩體出現(xiàn)縱、橫裂縫。

歷次庫水位的升降變化，使得濕陷結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞后形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)越來越多，即使應(yīng)力增加較大，但發(fā)生失穩(wěn)破壞的孔隙體積越來越小，體積變形量緩慢增長，且有不可逆的失穩(wěn)特征。因此，首次蓄水時(shí)壩體裂縫發(fā)生尤為強(qiáng)烈，之后庫水3次間歇提高水位過程中，由于黃土存在著未飽和濕陷、多次濕陷的特性，因此對壩體變形的影響一直在間斷發(fā)生，黃土次生結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞一穩(wěn)定一破壞往復(fù)循環(huán)的失穩(wěn)過程。

在文獻(xiàn)[6]的黃土雙線法濕陷試驗(yàn)中，某一壓力下浸水與不浸水壓縮曲線之間的變異系數(shù)，可稱為飽和濕陷系數(shù)（δs）或最大濕陷系數(shù)，中間濕度下的濕陷系數(shù)稱為未飽和濕陷系數(shù)（δ's），二者之差為剩余濕陷系數(shù)（δ“s），即δ"s=δs-δ's。

這一關(guān)系式表征了黃土濕陷的終極過程，對宏觀判斷壩體裂縫發(fā)展趨勢意義重大。如果把第一次抬高蓄水位引起的壩基黃土濕陷看作未飽和濕陷，那么以后每次高水位運(yùn)行，均會引起新的濕陷變形，進(jìn)而引發(fā)壩體裂縫的發(fā)生、發(fā)展。只有黃土的剩余濕陷量完全消除，濕陷變形才不復(fù)存在，壩體裂縫發(fā)生、發(fā)展基本停止。因此，在高水位持續(xù)運(yùn)行的情況下，對壩基黃土做進(jìn)一步的濕陷性研究，判斷目前濕陷量大小、持續(xù)時(shí)間長短，是評價(jià)壩體穩(wěn)定性、確定工程處理措施的量化標(biāo)準(zhǔn)和重要依據(jù)。

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