句容市赤山湖堤防道路纵向裂缝成因分析与治理

赵道双 叶根苗

(1.镇江市工程勘测设计研究院有限公司，江苏 镇江 212003；2.南京市江北新区生态环境和水务局，江苏 南京 211899 )

1 工程概况

句容市赤山湖为国家湿地公园，位于句容市西南部，距句容城区15km，距南京市中心37km，坐落于赤山东南部。赤山湖湖区面积7.8km2，堤防长约10.7km。湖岸堤防在原堤基础上经历了多次加高培厚，最近一次于2014年加高约1.0m，堤顶道路为沥青路面。

自2018年以来，湖区堤顶道路多处出现纵向裂缝，严重段裂缝路面宽度约7～14cm，直接影响了环湖道路的使用，也给堤防防洪埋下了较大的安全隐患(见图1)。本文对赤山湖东段堤防的北段、东闸段和半岛段三处沥青路面纵向裂缝进行了成因分析，结合前期裂缝治理工程经验对裂缝治理提出了建议。

图1 堤防位置分布

北段：长300m，路面纵裂缝断续分布，较轻微，裂缝宽0.5～1.0cm，深度一般0.2～1.2m。

东闸段：长700m，在湖东中、北端，一般裂缝宽3～5cm，深度一般0.4～1.5m，南段约400m范围内裂缝自北向南变得愈来愈明显，道路破损较为严重，尤其最南端约85m范围内，裂缝宽度变大，约5～10cm，深1.5～2.5m。

半岛段：多为不连续的堤肩错落裂缝、偏环湖一侧路面裂缝，实测裂缝宽3～5cm，深度一般1.0～2.0m，局部较深。

图2 堤防道路裂缝

2 堤防工程地质条件

2.1 土层主要物理力学性质

赤山湖微地貌单元为湖相，沉积物主要由黏性土组成，上部分布有含腐殖质的软弱土层。湖区道路地基土层自上而下分为以下层次：

⑥层(K2c)：强风化粉砂质泥岩。以棕红色、砖红色为主，为白垩系上统赤山组粉砂质泥岩、粉砂岩，岩石坚硬程度等级属极软岩，岩体完整性指数属极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

各地基土层剖面分布见图3，土的主要物理力学性质见表1。

图3 工程地质剖面

表1 地基土主要物理力学性质

2.2 水文地质条件简述

赤山湖为秦淮河上游的浅水草型湖泊，地下水类型主要为潜水。场地地下水和地表湖水随季节变化存在着水力联系，堤身浸润线受湖水位影响，湖水位一般在8.9m左右。

根据邻近场地的地下水水质分析资料和现场简易测试，环境水pH值在7.0左右，为中性水，地下水与湖水互为补给，附近无污染源存在，场地环境水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

各土体渗透性分级：地基土主要为微透水，堤身填土为弱透水性。各层土渗透系数及渗透等级见表2。

表2 地基土渗透系数

3 纵裂缝成因分析

3.1 堤身应力分布分析

3.1.1 应力分布

岩质边坡的应力分布研究表明[1]：岩质边坡的应力分布特征为愈靠近临空面，最大主应力(σ1)愈接近平行边坡临空面，最小主应力(σ3)愈垂直临空面。边坡坡脚处会出现应力集中，应力最大；在边坡坡顶及后缘会出现拉应力，形成与坡面近乎平行的张裂缝，大约在地面下1/3坡高处转为压应力。自重应力场作用边坡应力分布见图4。

图4 自重应力场作用边坡应力分布

3.1.2 拉应力临界深度

堤身结构为黏性土，黏性土主动土压力应力计算公式[2]如下：

(1)

堤身主动土压力分布见图5。临界深度(Z0)内主动土压力为张拉应力，向下主动土压力为压应力，临界深度与土层物理力学性质有关。堤顶道路浅部拉应力内会向临空区发生水平偏移，产生纵向裂缝。

图5 主动土压力分布

拉应力临界深度计算公式为

(2)

根据堤身土体物理力学性质参数：C=21kPa；φ=10°；γ=19.6kN/m3，求得：Z0=2.55m。

3.1.3 探坑验证

选堤顶道路裂缝破坏处开挖探坑。探坑揭示：路面纵裂缝宽约2～10cm，水平延伸数米或数十米，宽度由上至下逐渐变小并尖灭，裂缝面分布基本直立，裂缝延伸深度一般在0.5～1.5m，最大为2.15m(见图6～图7)。因此从岩石边坡和土质边坡应力分析看，纵裂缝均发生在拉应力范围内，裂缝深度一般在岩石边坡地面下1/3坡高深度内，土质边坡在主动土压力临界深度内。

图6 北段道路裂缝探坑

图7 东闸段道路裂缝探坑

综上分析，当堤顶受静堆载和车辆运行等动载作用时，边坡会向临空面最小主应力方向发生位移，形成堤顶路面纵向裂缝，纵向裂缝多为垂直向下延伸，上宽，向下渐变窄，发育在拉应力深度内。赤山湖堤半岛段、东闸段湖堤两侧为临空面，且两侧临水，堤顶路面纵裂缝多发育在路中央；北段临湖迎水坡侧为单侧临空面，路面纵裂缝发育在路面偏临空面一侧，两侧临空面的堤顶道路纵裂缝较单侧临空面的纵裂缝宽且延伸距离远。

3.2 土层的膨胀性特性影响

赤山湖环湖道路场地土层属湖相沉积，以细颗粒沉积物为主，黏粒成分含有亲水性次生黏土矿物蒙脱石、伊利石和高岭石。蒙脱石亲水性强，浸湿后膨胀程度强烈，其次依次为伊利石和高岭石。赤山湖堤基和堤身土层亲水矿物主要为高岭石和伊利石，其次为蒙脱石，场地土具有较显著的吸水膨胀和失水收缩下沉的膨胀土特性，土工试验测得场地土①、②、④土层的自由膨胀率40%≤δef<65%，根据膨胀土相关技术规范[3]判别，具有弱膨胀性(见表3)。

表3 膨胀性土膨胀潜势判别

赤山湖堤基和堤身土层具有的弱膨胀土特性，在受干湿交替影响时，极易诱发堤顶道路产生裂缝。

3.3 堤身土质组成差异及堤基软弱土层沉降引起纵裂缝

湖岸堤防多年来经过数次加高培厚，原堤土质与各次加固土层的土性、密实程度及施工方法均存在差异，堤身固结速度不同，产生沉降差异，引起纵向裂缝的发生[4]。赤山湖环湖道路堤身上部1.0m为2014年加高土层，土料主要为湖区黏性土，与原堤身土料存在明显差异，且加高层堤身密实程度较下部原堤身土层也存在差异，从开挖的裂缝探坑所揭示的土层分布情况也得到了进一步证实，因此易导致堤身产生纵裂缝。

堤基土层②层重、中粉质壤土，软塑，局部流塑，含少量腐殖质，为中偏高压缩性的较软弱土层；③层淤泥质重粉质壤土夹轻粉质壤土为高压缩性的软弱土层，流塑，含腐殖质。因此在堤身荷载及道路动载作用下，②层、③层土会发生固结作用，产生较长时间的沉降变形，引起堤身产生纵裂缝。

4 纵裂缝治理

堤顶道路产生纵向裂缝后，应及时进行封闭加固治理，否则裂缝易成为地表水渗入通道，地下水会降低堤身土的抗剪强度，坝肩边坡稳定安全性随着降雨历时与下渗强度的增加而降低[5]，同时堤身土还具有弱膨胀土特性，受干湿交替影响时会发生吸水膨胀和失水收缩现象，加剧道路裂缝的扩大。裂缝贯通进一步发展会形成浅层坍塌、滑坡等地质灾害[6]，影响堤身的稳定。因此当裂缝初始发生时，应及时治理。

对于水利工程堤防道路裂缝的治理，目前常规采用的处理方法主要有充填灌浆、自流灌浆和开挖回填等方法[7-10]。赤山湖堤防道路纵向裂缝的治理，应根据堤防道路纵向裂缝成因特点采取如下相应的处理方法：ⓐ堤身培厚，限制堤顶拉应力向临空面位移；ⓑ裂缝填实封闭：用非膨胀性黏性土浆液灌浆，根据裂缝特征进行自流灌浆、充填灌浆；ⓒ用非膨胀性黏性土置换回填。

4.1 堤身培厚

湖堤道路受载荷作用会向临空面方向发生位移，现湖堤有单侧临空坡面和双侧临空坡面，坡面坡度较大，局部陡立，多处路面出现了纵裂缝和坡肩坍塌，可采用堤身培厚和临空坡面护坡方法，使湖堤坡度满足1 ∶2.5～1 ∶3，限制堤顶道路在张拉应力作用下向临空面侧变形，有利于堤身的稳定。

4.2 裂缝填实封闭

堤身土具有弱膨胀性，要控制堤身土含水率的变化。在稳定地下水位以下土体含水率比较稳定，地下水位以上土体含水率受大气深度影响波动大，土体会产生吸水膨胀和失水收缩现象，因此堤顶路面出现纵向裂缝后，应及时充填封闭。裂缝填实采用充填灌浆和自流灌浆方法。灌浆材料为非膨胀性黏性土浆液或水泥浆液，土料主要性能指标：液性指数10～25，黏粒含量20%～45%。

4.2.1 充填灌浆

对于开张大且深度大的裂缝，采用充填灌浆法处理。灌浆材料可取黏性土浆液或水泥浆液，黏性土材料应不具膨胀性。注浆管采用通用的注浆花管，直径50mm。灌浆施工可按下列步骤进行：

a.开槽：沿沥青路面纵裂缝方向开槽，槽深和槽宽视路面结构层而定，一般0.5～1.0m，然后用不具膨胀性的黏性土夯实回填，作为裂缝上口的封闭层。赤山湖主堤堤防等级为3级，压实度符合相关规范[11]要求，压实度不低于0.93。

b.埋管：用钻孔或振动法将灌浆花管沿裂缝方向埋入土中，钻孔深度应超过裂缝深度1～2m；孔距一般2m左右，或根据裂缝实际贯通情况调整。

c.灌浆：采取“慢灌+复灌”方法，灌浆时应控制压力，不大于50kPa，复灌间隔视缝内浆液的凝固状态而定，完成灌浆后封孔，同时施工中对堤防进行变形监测。

d.完成路面修复工作。

4.2.2 自流灌浆

自流灌浆法适用于裂缝宽、埋藏浅且贯通性较好的裂缝，主要步骤如下：沿纵裂缝方向开挖宽深0.2～0.3m的槽沟，先灌入清水湿润裂缝，再依次灌入稀浆液，最后灌入稠浆液，多次复灌，直到裂缝充满为止。

4.3 开挖回填

采用非膨胀性黏性土置换处理，该法是处理以上成因裂缝的有效方法之一，能彻底消除裂缝的不利影响，但造价较高。

施工步骤主要如下：

a.沿裂缝地面走向和向下延伸方向开挖纵向沟槽，并在裂缝走向每隔5m左右开挖一条与裂缝垂直的横向沟槽，设置横向隔断，隔断长度以1.5～2.0m为宜，纵横方向沟槽深度以超出裂缝深度下0.5～1.0m为宜。沟槽呈倒梯形状，侧壁坡度1 ∶0.75，槽底宽度不宜小于0.5m，最小槽宽应满足利于开挖和夯实时施工机械作业空间要求。

b.按要求选用符合堤防的填料土，进行分层压实回填。土料质量主要指标要求[12]其黏粒含量为10%～30%，塑性指数为7～17，不具膨胀土性，压实度按赤山湖主堤堤防等级要求不低于0.93。

c.完成路面修复。

5 结 论

a.赤山湖堤防道路纵向裂缝主要是由堤身应力特征、土层的弱膨性、堤身土质组成差异和软弱堤基沉降变形共同作用所致，同时由于路面堆载和车辆动载作用，加剧了裂缝的发展，造成路面损坏。

b.纵向裂缝多为垂直向下延伸，上宽，向下渐变窄，直至尖灭。裂缝多发育在拉应力深度内，岩质边坡在地面下1/3坡高深度内，土质边坡在主动土压力临界深度内。两侧临空面的堤顶道路纵裂缝多发育在路中央，单侧临空面的路面纵裂缝一般在路面偏临空面一侧，两侧临空面的堤顶道路纵裂缝较单侧临空面的纵裂缝宽且延伸距离远。

c.堤防路面纵裂缝在堤防工程中普遍存在，防治措施应结合裂缝发育程度、对堤防的影响程度及工程造价等诸多方面综合考虑，以期求得最佳治理效果。