深淤泥围堰的变形与裂缝

王西青

（阜阳市水利规划设计院 阜阳 236000）

1 概述

颍河阜阳枢纽主要包括节制闸、船闸、闸上交通桥三部分。节制闸于1959年建成，主要作用是蓄水。阜阳老船闸于1963年建成，已完全报废，现于2010年3月份开工，2012年3月份完工验收。重建新船闸闸室长度180m，净宽12m，船闸规模为Ⅳ级，船舶吨级为500吨级。闸址利用老船闸及老河道，拓宽挖深。10年一遇相应阜阳节制闸闸上水位为31.4m，闸下水位为31.1m。船闸上游围堰：在上闸首上游约520m处布置，轴线长330m，围堰采用均质土围堰，由设计洪水位以上的堰顶超高（壅水高度+爬高+安全超高），计算得堰顶高程32.1m，最大堰高7.1m，堰顶宽3.0m。下游围堰：在下闸首下游约500m处布置，轴线长300m，围堰采用均质土围堰，堰顶高程31.8m，最大堰高9.8m，堰顶结合临时交通取宽7.0m。围堰填筑边坡水下取自然坡为1∶6，水上边坡为1∶3。根据地质勘探报告，下游围堰基底由于多年淤积，淤泥达3.5m左右。

2 围堰堰体变形

土石围堰堰体主要由散粒体材料填筑而成，由于土石料的抗拉强度很低，尤其是砂石料本身就没有拉伸能力，因而围堰堰体在自重及水压力的作用下产生变形，其中变形形式有竖向位移（通常称为沉降），横向水平位移（垂直堰体轴线），纵向水平位移（平行堰体轴线）。当这些变形值不大时，对工程施工期间的影响不大，但是当变形达到一定程度，不均匀沉降与水平位移会引起堰体的裂缝。由于堰体裂缝的存在破坏了堰体的整体性，使得渗流冲刷和水力劈裂有了途径，可能导致渗水失事，影响围堰的正常使用及施工期基坑安全。

影响堰体变形的因素很多，有堰体高度、防渗体的结构形式、筑堰材料成分及其物理力学性质、堰体的施工方法、施工进度及施工质量、河谷形状及地基的压缩性质、水位变化情况等。

3 围堰堰体及地基的沉降量计算

围堰堰体和地基土的沉降主要包括初始沉降、固结沉降和次固结沉降。初始沉降是由于建筑物底面积相对较小，当荷载通过建筑物底面作用在地基上以后，在地基中，特别是在靠近基础边缘处，由于存在应力集中，产生剪切变形，而在建筑物建完后立即产生的沉降。固结沉降是指超静孔隙水压力逐渐消散，使土体积压缩而引起的渗透固结沉降，也称主固结沉降，它随时间而逐渐增长。次固结沉降是指土体中超静孔隙水压力全部消散、主固结已经完成后，因土骨架本身的蠕变特性，在荷载作用下发生的缓慢沉降。

3.1 地基及堰体分层

坝基及坝体分层考虑：

（1）堰体分层厚度不大于1/10～1/5坝高。

（2）非均匀地基，应按地基土的性质和类别划分计算层，但每层厚度不应大于堰底宽度的1/4，也不宜大于10m。

3.2 堰体沉降量计算

（1）堰体沉降量计算按经验公式：S=0.01%H，式中H为坝高。

（2）堰体沉降量计算按E.L.Lauden和M.D.Leest根据土石坝工程观测资料分析所得计算式：S=0.001H3/2，式中H为坝高。

（3） 堰体沉降量计算按碾压式土石坝设计规范（ SL274-2001）。

粘性土按（E.3.3）计算，

式中：St——竣工时或最终的坝体和坝基总沉降量；

eoi——第i层的起始孔隙比；

eti——第i层相应于竣工时或最终的竖向有效应力作用下的孔隙比；

hi——第i层的土层厚度；

n——土层分层数。

非粘性土按（E.3.4）计算，

式中：S∞——非粘性土坝体或坝基的最终沉降量；

Pi——第i计算土层由坝体荷载产生的竖向应力；

Ei——第i计算土层变形模量。

3.3 堰基的沉降量计算

堰基沉降量分单向压缩和侧向变形两部分沉降：

（1）单向压缩用单向分层总和法计算沉降量，计算中要注意某层土未筑堰前的应力与筑堰后由于堰体荷载对该层产生的竖向附加应力之和。

（2）压缩层厚度的确定：堰基压缩层较厚时，需规定一个计算深度。从堰基底面到该深度处的垂直距离，称为压缩层厚度Ya。该厚度按土层中的应力分布确定。当某土层因筑堰而增加的竖向应力等于筑堰前该土层原有的竖向应力的20%时，该土层至地表的深度即是压缩层深度。如果在堰基面以下Y深处遇不可压缩层或基岩，而Y＜Ya，则取压缩层深度为Y。

（3）根据碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）E.2.3当满足下列公式要求时，可不考虑坝体荷载引起的附加应力在坝基的应力扩散，取坝顶以下的最大坝体自重应力作为坝基的附加应力：

对于高坝Y/B<0.1 （E.2.3-1）；

对于中坝Y/B<0.25 （E.2.3-2）；

式中：Y——坝基可压缩层厚度，m；

B——坝底宽度，m。

考虑侧向变形的坝基沉降量计算：一般坝基土层厚度小于坝底宽1/2时，计算沉降时可不考虑侧向变形的影响。但对于堰底宽度小，堰基土层很厚或为不均质地层，侧向位移对沉降量影响不能忽略。

4 堰体的水平位移产生的裂缝

围堰变形与沉降是围堰产生裂缝的主要原因。由于围堰底面积较大，应力分布不均匀，其最大应力主要集中在围堰轴线附近。

4.1 横向水平位移（垂直堰体轴线）产生纵向裂缝

如图1所示纵向裂缝的走向平行于围堰的轴线，多出现在堰顶及坝坡处，有时出现在堰体内部。

由于围堰底部深厚淤泥层的压缩性较大，在堰体自重作用下不断地产生塑性变形，最后扩大形成塑流区，致使堰体沿塑流区产生滑动，淤泥向两侧蠕动隆起，发生较大的不均匀沉降，堰体内部拉伸，裂缝从垂直向下变成向外坡倾斜，形成了沿轴线产生纵向裂缝。

另外堰体横向位移的大小与上游水位的变化有较大关系，当水位较高时，产生较大横向位移，此时堰体内形成稳定渗流，堰体土料处于饱和状态，土粒受到水的浮力作用，重度减小。当水位降落时，水压力减小，横向水平位移也减小。

4.2 纵向水平位移（平行堰体轴线）产生横向裂缝

如图2所示横向裂缝的走向垂直于围堰的轴线，这种裂缝是由于堰体在轴线方向上不均匀沉降而引起的拉伸缝，在那些局部变化大的地形以及岸坡陡峭处的区域，易产生局部的拉伸区出现横向裂缝，这种缝形成渗流通道，对围堰安全的危害很大。

堰体不均匀沉降的计算：两个堰体断面的间距是△L，两个堰体断面堰顶的沉降差是△S，则沿堰轴的不均匀沉降比值为is=△S/△L。 若不均匀沉降比较大，则在这两个断面之间就有可能发生横向裂缝。有可能发生横向裂缝比值，随土的塑性而异，按经验统计表明，其值约在1%上下。

5 堰体裂缝的防治

5.1 设计方面

（1）选择合适的地形和有利的地质条件并进行必要的处理，地形上应尽可能避开显著不对称的河谷断面，岸坡尽可能平顺。高压缩性淤泥层应可能挖除处理。

（2）合理设计堰体的剖面形状。

（3）选择适宜的土料和合理的参数。

5.2 施工方面

施工中应严格控制土料的密实度、含水量和颗粒组成，精心施工，以免产生较大的沉降和变形，特别是岸坡接触面附近，要注意防止漏压，必要时用人工或小型机具认真地补充碾压。

当堰体上升到一定高度时，可适当放缓上升速度，待下部堰体沉降大致完成后，再进行上部填筑，以适应底部淤泥的变形及地基强度的增长速率。

6 结语

颍河阜阳枢纽船闸施工围堰在施工前期产生了多条纵、横向裂缝，在施工中通过调整堰体的剖面形状，改变施工工艺，延缓施工进度，从而控制了裂缝的发展，取得了较好的效果