南水北调黏性土渠堤裂缝成因分析及处理

宋义东，罗保才，韩桃明

(河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008)

黏性土通常是指具有可塑状态性质的土[1]，一般黏粒含量较多、可塑性好、颗粒间具有黏结力。由于黏性土分布比较广泛，且具有压实后稳定性好、渗透性小、强度较高等特点，在水利工程中使用比较普遍，是河道堤防、水库大坝、输水渠堤等水工建筑物主要的天然建筑材料之一。据有关统计，我国已建成大坝大部分为土石坝，而土坝数量约占土石坝总数的66%[2- 4]，在一定的条件下，黏性土填筑的堤坝会产生裂缝，进而影响堤坝边坡的稳定与安全；分析和研究黏性土裂缝产生的原因，为工程提供切实可行的处理方案，是工程技术需要探讨的一个重要课题。

石浩研究了填土路堤的裂缝问题，陈伟等分析了高灵敏土强度对河道边坡稳定性的影响，周路宝等研究岩土体经历干湿循环作用下边坡稳定性变化特征[5- 7]，本文以南水北调中线工程总干渠某渠段渠堤裂缝处理工程为例，对黏性土渠堤裂缝产生的原因进行分析，并提出了处理措施，经过工程实践是可行的、有效的，为今后黏性土渠堤裂缝预防与处理提供参考依据。

1 裂缝段渠堤基本情况

南水北调中线工程总干渠某渠段渠堤土方填筑施工于2009年10月开始，2010年8月完成，护坡植草于2013年7月实施。2015年6月在桩号32+325～32+890段右岸渠堤背水坡发现裂缝，其中桩号32+450～32+610段裂缝较多。裂缝段渠堤高5～6 m，堤顶宽5m，背水坡坡比为1∶1.5，临水坡坡比1∶2，填筑材料为附近土料场的黏性土。料场位于太行山东麓的丘前冲洪积倾斜平原区，6m深度范围内，岩性主要为第四系上更新统冲洪积重粉质壤土。重粉质壤土(alplQ3)呈黄褐～灰褐色，可塑状，具有针状孔隙及钙质网纹，偶见钙质结核，土质不均一。

2 裂缝发育情况

2.1 裂缝发育特征

表1 裂缝基本特征

统计分析表明：①该渠段裂缝平均密度为0.32条/m，其中桩号32+450～32+610段裂缝平均密度达到0.64条/m；②该渠段裂缝以横向裂缝为主，约占裂缝总条数的76%，纵向裂缝和斜向裂缝分别占16%和8%；③裂缝主要发育于浅表层，裂缝具有上宽下窄、向深部逐渐闭合的特征；④横向裂缝深度受纵向裂缝控制，斜向裂缝受纵向裂缝和横向裂缝控制。

表2 裂缝段和非裂缝段黏粒含量试验成果

表3 天然含水量与深度试验成果

2.2 裂缝形态与发展趋势

该渠段总干渠走向NE58°～NE68°，为弧形转弯段。纵向裂缝整体走向与总干渠近平行，裂缝倾角一般近90°，裂缝面多粗糙不平，个别呈弧形或锯齿状；纵向裂缝中大部分未充填，少量被壤土及杂物充填，充填物结构松散，手可挖动；纵向裂缝的发育具有单向累积的特性。横向裂缝整体走向与总干渠近垂直，裂缝倾角一般近90°；横向裂缝大部分被充填，主要为雨淋冲刷壤土充填，充填物结构松散；横向裂缝的发育受纵缝深度控制。斜向裂缝整体走向与总干渠方向斜交，部分呈折线形状，裂缝倾角一般近90°。

该渠段裂缝发育过程时间较长，最初仅表现为表层隐伏裂缝，被草丛植被覆盖不易被发现，随着时间推移，裂缝宽度、长度和深度也在不断增加。

3 裂缝成因分析

黏性土渠堤产生裂缝的原因比较复杂，主要包括填土厚度、颗粒组成、含水量及矿物成分等内部因素，以及施工、地基和环境条件的变化等外部因素。研究表明：黏性土的工程性质在很大程度上取决于其微观结构；重塑黏性土在击实过程中随着制备含水量的增加，其微观结构会发生一系列变化，并影响黏性土的工程性质[8]；温度对黏性土干缩裂缝的形态结构有重要影响，黏性土渠堤坡度对黏性土表面裂缝深度也会产生影响，雨强和草被根系也是影响渠堤裂缝发育的因素之一[8- 12]。

3.1 黏粒含量

为了探索黏性土颗粒组成对裂缝产生的影响，在裂缝段渠堤和非裂缝段料场取代表性土样进行室内试验，试验结果显示，非裂缝段填筑土料黏粒含量平均值为21.3%；裂缝段渠堤填筑土料黏粒含量平均值30.0%，部分试样黏粒含量超过了32.0%，见表2。

在同样环境条件下，土料黏粒含量较高的填筑渠段产生了土体裂缝，而土料黏粒含量较低的填筑渠段未发现裂缝问题，由此可见，黏粒含量高是产生渠堤裂缝的重要因素。

3.2 土体含水量变化

裂缝渠段场区为典型的温带季风气候区，多年平均降水量599.1mm，一般年蒸发量远大于年降水量，其中2013～2014年干旱指数达到1.73～1.96。在渠坡上沿裂缝位置开挖探槽4个，分别采取不同深度试样，试验结果表明：该渠段填土天然含水量低于最优含水量9.5%～64.5%，在裂缝深度范围内，天然含水量随着深度的增加而增加，见表3。

该渠段填方高度5～6m，渠堤外坡坡比1∶1.5；黏性土填筑渠坡失水易开裂；受气候晴雨变化，渠堤填土经干湿交替影响，使渠坡裂缝逐渐加长、加深、加宽。根据探槽开挖断面揭露的情况，裂缝宽度一般上宽下窄，表明裂缝发育是从外部开始逐渐往深处发展。

4 裂缝渠段的处理

4.1 处理方案选择

对堤身裂缝的处理方法较多，常用方法有开挖回填法、灌浆法、挖填灌浆及封堵法等[13]。根据该工程裂缝渠段裂缝发育特点及成因，提出了裂缝灌浆+砌石护坡和裂缝灌浆+黏性土培坡压重两种方案进行比选。裂缝灌浆+砌石护坡方案对维持边坡土体的含水量效果不如培坡方案好，且处理渠段附近缺乏合格的石料，不易购买，砌石护坡方案投资相对较大，砌石护坡方案对提高边坡坡脚的稳定性影响小；而裂缝灌浆+黏性土培坡压重方案，在有效处理裂缝的同时还可以有效维持边坡土体含水量，对原有渠堤提供一定厚度的保护层，土料较砌石石料更容易获取，可以有效提高背水坡坡脚的稳定性，投资也相对较小。

由于需要选择多个直流电机，因此一片74HC4052D不能满足设计要求。文中，两片74HC4052D的选通开关选通的是同一组的3个直流电机。将LM3S811的PB2、PB3分别与74HC4052D的B、A相连，LM3S811就可以选通的4个开关中的一个。设计中为了控制方便，将使能输入端接地，74HC4052D始终处于工作状态。

综合而言，两种处理方案的灌浆方法一致，区别在于护坡处理上不同。砌石护坡由于石料购买难度大，投资高，且与原两侧护坡不协调等原因被舍弃，而黏性土培坡方案因能克服上述缺点，所以该裂缝渠段处理方案选用裂缝灌浆+黏性土培坡压重方案较为合理。

4.2 处理步骤

裂缝灌浆+黏性土培坡压重方案主要施工步骤包括裂缝灌浆→培坡及坡面防护→坡面排水及下渠台阶恢复。

首先，按照处理方案进行开挖，开挖范围内的裂缝采用15%水泥黏土浆灌浆处理，注浆孔间距不大于1.5m，灌浆压力不大于0.02MPa，第一次无法灌入浆液时停止灌浆，0.5h后再次灌浆，连续三次后无法灌入浆液终止灌浆；然后待浆液凝固后，采用轻型夯机对裂缝及周围土体进行夯实；裂缝灌浆夯实处理后，开挖范围内采用合格的黏性土土料回填至原设计断面，原设计断面外采用培坡压重，培坡压重填料采用原总干渠开挖的弃料，最后进行坡面排水及下渠台阶恢复工作。

该裂缝渠段采用裂缝灌浆+黏性土培坡压重处理方案实施后，经过两年多的观测，表明处理方案是合理有效的。

5 结语

通过试验和调查分析，对黏性土裂缝成因进行了初步研究，得出以下结论：

(1)黏粒含量是影响裂缝产生的重要因素。随着黏粒含量的增高，产生裂缝的概率越来越大。

(2)含水量是影响裂缝发育的关键因素。在裂缝深度范围内，天然含水量随着深度的增加而增加，裂缝张开度随着含水量的减小而增大。

(3)自然条件下，研究裂缝形成的机理在工程建设和管理中具有广泛的实用价值。

本文仅在黏粒含量和土体含水量对黏性土裂缝发展的规律做初步探析，事实上影响黏性土裂缝因素还比较多，譬如矿物成分、碾压分层厚度、边坡坡度等，这些尚需进一步深入研究。