南水北調(diào)黏性土渠堤裂縫成因分析及處理

宋義東，羅保才，韓桃明

(河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008)

黏性土通常是指具有可塑狀態(tài)性質(zhì)的土[1]，一般黏粒含量較多、可塑性好、顆粒間具有黏結(jié)力。由于黏性土分布比較廣泛，且具有壓實(shí)后穩(wěn)定性好、滲透性小、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，在水利工程中使用比較普遍，是河道堤防、水庫(kù)大壩、輸水渠堤等水工建筑物主要的天然建筑材料之一。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建成大壩大部分為土石壩，而土壩數(shù)量約占土石壩總數(shù)的66%[2- 4]，在一定的條件下，黏性土填筑的堤壩會(huì)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響堤壩邊坡的穩(wěn)定與安全；分析和研究黏性土裂縫產(chǎn)生的原因，為工程提供切實(shí)可行的處理方案，是工程技術(shù)需要探討的一個(gè)重要課題。

石浩研究了填土路堤的裂縫問題，陳偉等分析了高靈敏土強(qiáng)度對(duì)河道邊坡穩(wěn)定性的影響，周路寶等研究巖土體經(jīng)歷干濕循環(huán)作用下邊坡穩(wěn)定性變化特征[5- 7]，本文以南水北調(diào)中線工程總干渠某渠段渠堤裂縫處理工程為例，對(duì)黏性土渠堤裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出了處理措施，經(jīng)過工程實(shí)踐是可行的、有效的，為今后黏性土渠堤裂縫預(yù)防與處理提供參考依據(jù)。

1 裂縫段渠堤基本情況

南水北調(diào)中線工程總干渠某渠段渠堤土方填筑施工于2009年10月開始，2010年8月完成，護(hù)坡植草于2013年7月實(shí)施。2015年6月在樁號(hào)32+325～32+890段右岸渠堤背水坡發(fā)現(xiàn)裂縫，其中樁號(hào)32+450～32+610段裂縫較多。裂縫段渠堤高5～6 m，堤頂寬5m，背水坡坡比為1∶1.5，臨水坡坡比1∶2，填筑材料為附近土料場(chǎng)的黏性土。料場(chǎng)位于太行山東麓的丘前沖洪積傾斜平原區(qū)，6m深度范圍內(nèi)，巖性主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積重粉質(zhì)壤土。重粉質(zhì)壤土(alplQ3)呈黃褐～灰褐色，可塑狀，具有針狀孔隙及鈣質(zhì)網(wǎng)紋，偶見鈣質(zhì)結(jié)核，土質(zhì)不均一。

2 裂縫發(fā)育情況

2.1 裂縫發(fā)育特征

表1 裂縫基本特征

統(tǒng)計(jì)分析表明：①該渠段裂縫平均密度為0.32條/m，其中樁號(hào)32+450～32+610段裂縫平均密度達(dá)到0.64條/m；②該渠段裂縫以橫向裂縫為主，約占裂縫總條數(shù)的76%，縱向裂縫和斜向裂縫分別占16%和8%；③裂縫主要發(fā)育于淺表層，裂縫具有上寬下窄、向深部逐漸閉合的特征；④橫向裂縫深度受縱向裂縫控制，斜向裂縫受縱向裂縫和橫向裂縫控制。

表2 裂縫段和非裂縫段黏粒含量試驗(yàn)成果

表3 天然含水量與深度試驗(yàn)成果

2.2 裂縫形態(tài)與發(fā)展趨勢(shì)

該渠段總干渠走向NE58°～NE68°，為弧形轉(zhuǎn)彎段?？v向裂縫整體走向與總干渠近平行，裂縫傾角一般近90°，裂縫面多粗糙不平，個(gè)別呈弧形或鋸齒狀；縱向裂縫中大部分未充填，少量被壤土及雜物充填，充填物結(jié)構(gòu)松散，手可挖動(dòng)；縱向裂縫的發(fā)育具有單向累積的特性。橫向裂縫整體走向與總干渠近垂直，裂縫傾角一般近90°；橫向裂縫大部分被充填，主要為雨淋沖刷壤土充填，充填物結(jié)構(gòu)松散；橫向裂縫的發(fā)育受縱縫深度控制。斜向裂縫整體走向與總干渠方向斜交，部分呈折線形狀，裂縫傾角一般近90°。

該渠段裂縫發(fā)育過程時(shí)間較長(zhǎng)，最初僅表現(xiàn)為表層隱伏裂縫，被草叢植被覆蓋不易被發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間推移，裂縫寬度、長(zhǎng)度和深度也在不斷增加。

3 裂縫成因分析

黏性土渠堤產(chǎn)生裂縫的原因比較復(fù)雜，主要包括填土厚度、顆粒組成、含水量及礦物成分等內(nèi)部因素，以及施工、地基和環(huán)境條件的變化等外部因素。研究表明：黏性土的工程性質(zhì)在很大程度上取決于其微觀結(jié)構(gòu)；重塑黏性土在擊實(shí)過程中隨著制備含水量的增加，其微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一系列變化，并影響?zhàn)ば酝恋墓こ绦再|(zhì)[8]；溫度對(duì)黏性土干縮裂縫的形態(tài)結(jié)構(gòu)有重要影響，黏性土渠堤坡度對(duì)黏性土表面裂縫深度也會(huì)產(chǎn)生影響，雨強(qiáng)和草被根系也是影響渠堤裂縫發(fā)育的因素之一[8- 12]。

3.1 黏粒含量

為了探索黏性土顆粒組成對(duì)裂縫產(chǎn)生的影響，在裂縫段渠堤和非裂縫段料場(chǎng)取代表性土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，非裂縫段填筑土料黏粒含量平均值為21.3%；裂縫段渠堤填筑土料黏粒含量平均值30.0%，部分試樣黏粒含量超過了32.0%，見表2。

在同樣環(huán)境條件下，土料黏粒含量較高的填筑渠段產(chǎn)生了土體裂縫，而土料黏粒含量較低的填筑渠段未發(fā)現(xiàn)裂縫問題，由此可見，黏粒含量高是產(chǎn)生渠堤裂縫的重要因素。

3.2 土體含水量變化

裂縫渠段場(chǎng)區(qū)為典型的溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量599.1mm，一般年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年降水量，其中2013～2014年干旱指數(shù)達(dá)到1.73～1.96。在渠坡上沿裂縫位置開挖探槽4個(gè)，分別采取不同深度試樣，試驗(yàn)結(jié)果表明：該渠段填土天然含水量低于最優(yōu)含水量9.5%～64.5%，在裂縫深度范圍內(nèi)，天然含水量隨著深度的增加而增加，見表3。

該渠段填方高度5～6m，渠堤外坡坡比1∶1.5；黏性土填筑渠坡失水易開裂；受氣候晴雨變化，渠堤填土經(jīng)干濕交替影響，使渠坡裂縫逐漸加長(zhǎng)、加深、加寬。根據(jù)探槽開挖斷面揭露的情況，裂縫寬度一般上寬下窄，表明裂縫發(fā)育是從外部開始逐漸往深處發(fā)展。

4 裂縫渠段的處理

4.1 處理方案選擇

對(duì)堤身裂縫的處理方法較多，常用方法有開挖回填法、灌漿法、挖填灌漿及封堵法等[13]。根據(jù)該工程裂縫渠段裂縫發(fā)育特點(diǎn)及成因，提出了裂縫灌漿+砌石護(hù)坡和裂縫灌漿+黏性土培坡壓重兩種方案進(jìn)行比選。裂縫灌漿+砌石護(hù)坡方案對(duì)維持邊坡土體的含水量效果不如培坡方案好，且處理渠段附近缺乏合格的石料，不易購(gòu)買，砌石護(hù)坡方案投資相對(duì)較大，砌石護(hù)坡方案對(duì)提高邊坡坡腳的穩(wěn)定性影響?。欢芽p灌漿+黏性土培坡壓重方案，在有效處理裂縫的同時(shí)還可以有效維持邊坡土體含水量，對(duì)原有渠堤提供一定厚度的保護(hù)層，土料較砌石石料更容易獲取，可以有效提高背水坡坡腳的穩(wěn)定性，投資也相對(duì)較小。

由于需要選擇多個(gè)直流電機(jī)，因此一片74HC4052D不能滿足設(shè)計(jì)要求。文中，兩片74HC4052D的選通開關(guān)選通的是同一組的3個(gè)直流電機(jī)。將LM3S811的PB2、PB3分別與74HC4052D的B、A相連，LM3S811就可以選通的4個(gè)開關(guān)中的一個(gè)。設(shè)計(jì)中為了控制方便，將使能輸入端接地，74HC4052D始終處于工作狀態(tài)。

綜合而言，兩種處理方案的灌漿方法一致，區(qū)別在于護(hù)坡處理上不同。砌石護(hù)坡由于石料購(gòu)買難度大，投資高，且與原兩側(cè)護(hù)坡不協(xié)調(diào)等原因被舍棄，而黏性土培坡方案因能克服上述缺點(diǎn)，所以該裂縫渠段處理方案選用裂縫灌漿+黏性土培坡壓重方案較為合理。

4.2 處理步驟

裂縫灌漿+黏性土培坡壓重方案主要施工步驟包括裂縫灌漿→培坡及坡面防護(hù)→坡面排水及下渠臺(tái)階恢復(fù)。

首先，按照處理方案進(jìn)行開挖，開挖范圍內(nèi)的裂縫采用15%水泥黏土漿灌漿處理，注漿孔間距不大于1.5m，灌漿壓力不大于0.02MPa，第一次無(wú)法灌入漿液時(shí)停止灌漿，0.5h后再次灌漿，連續(xù)三次后無(wú)法灌入漿液終止灌漿；然后待漿液凝固后，采用輕型夯機(jī)對(duì)裂縫及周圍土體進(jìn)行夯實(shí)；裂縫灌漿夯實(shí)處理后，開挖范圍內(nèi)采用合格的黏性土土料回填至原設(shè)計(jì)斷面，原設(shè)計(jì)斷面外采用培坡壓重，培坡壓重填料采用原總干渠開挖的棄料，最后進(jìn)行坡面排水及下渠臺(tái)階恢復(fù)工作。

該裂縫渠段采用裂縫灌漿+黏性土培坡壓重處理方案實(shí)施后，經(jīng)過兩年多的觀測(cè)，表明處理方案是合理有效的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過試驗(yàn)和調(diào)查分析，對(duì)黏性土裂縫成因進(jìn)行了初步研究，得出以下結(jié)論：

(1)黏粒含量是影響裂縫產(chǎn)生的重要因素。隨著黏粒含量的增高，產(chǎn)生裂縫的概率越來(lái)越大。

(2)含水量是影響裂縫發(fā)育的關(guān)鍵因素。在裂縫深度范圍內(nèi)，天然含水量隨著深度的增加而增加，裂縫張開度隨著含水量的減小而增大。

(3)自然條件下，研究裂縫形成的機(jī)理在工程建設(shè)和管理中具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

本文僅在黏粒含量和土體含水量對(duì)黏性土裂縫發(fā)展的規(guī)律做初步探析，事實(shí)上影響?zhàn)ば酝亮芽p因素還比較多，譬如礦物成分、碾壓分層厚度、邊坡坡度等，這些尚需進(jìn)一步深入研究。