软弱地基指主要由淤泥、淤泥质土、填土或其他高压缩性土层构成的地基。土石坝裂缝一般是指土石坝防渗体内出现的裂缝。土石坝在建造和运行过程中一般都会发生变形, 在不利地形和坝基土质条件下, 可能产生局部过大变形和应力, 当变形和应力超过坝体材料的承受能力时就将产生裂缝。

在软基上筑坝, 由于软土具有高压缩性、高灵敏度、高流变性和低强度、低渗透系数的工程特点, 导致软基上坝体施工面临孔压过高、变形过大、抗力过小难题。在坝体施工期间, 软土存在排水固结过程, 如果坝体填筑速度过快, 软基内的水将无法及时排出, 从而使地基孔隙水压力升高, 有效应力降低, 进而导致坝体产生开裂、滑坡或地基失稳等事故。

目前国内对软土地基上筑坝的相关要求和说明存在明显不足, 国内软基上筑坝尚未形成专门的行业规范, 导致现有软土地基上筑坝的设计和施工缺乏可靠依据, 往往由于地质条件难以确定、地基处理不当、设计和施工过程中的问题等原因出现形态各异的裂缝。

本文以云南文海水库深厚软基上填筑的土石坝为例, 对施工期出现的多条裂缝综合采用室内试验、现场探查和数值模拟等多种方法开展详细的裂缝成因分析, 并对后续处理措施进行探讨。

云南文海水库是一个由四周群山环抱的封闭山间天然古老的冰蚀湖, 其盆地周边群山高程为3 200.000~3 910.000m, 是一座以农业灌溉为主的水利枢纽工程, 总库容1 217.0万m³。水库工程规模为中型, 工程等级为Ⅲ等, 堤坝、溢洪道、输水泄洪隧洞为3级建筑物, 其他建筑物为4级建筑物。

水库主要建筑物包括拦湖堤坝、输水隧洞、陡槽及渠道。水库正常蓄水位3 085.790m, 水库大坝坝顶高程3 088.000m, 坝顶长973.9m, 坝顶宽5.0m, 不含截水槽最大坝高13.0m, 含截水槽最大坝高14.5m, 大坝基面最低高程3 075.000m, 截水槽基面最低高程3 073.500m, 截水槽开挖最大深度1.5m。大坝上、下游坝坡坡比均为1∶3, 堤坝上游采用干砌石护坡, 堤坝下游3 080.500m以下采用堆石棱体排水, 棱体顶宽2.3m, 上游坡比1∶1.5, 下游坡比1∶2。坝体典型断面布置如图1所示。

经过地质勘察, 水库大坝基础为约90.0m深厚软土地基, 主要为洪积层类和湖积层类软土地基, 从上到下依次为: (1) 第四系坡洪积层为灰黄、灰褐色、深灰色、含砾、含有机质粉土夹粉砂、细砂土, 压缩性中等偏高, 抗剪强度较低, 透水性中等, 厚5.8~11.2m; (2) 第四系洪湖积层为灰黄色、灰褐色、灰色软塑状黏土、粉质黏土、含有机质黏土, 高压缩性, 抗剪强度低, 弱微透水, 厚2.0~5.0m; (3) 第四系湖积层为灰色、深灰色、软塑状有机质、淤泥质粉质黏土、黏土, 高压缩性, 抗剪强度低, 弱微透水, 厚5.0~14.7m; (4) 第四系湖洪积层为灰色、深灰色硬塑状粉质黏土、软塑状含有机质粉质黏土、黏土, 厚10.0~50.0m, 高压缩性, 抗剪强度低, 弱微透水夹中等透水; (5) 下三迭统腊美组为灰黄色、灰绿色、紫红色中厚层夹薄层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹细砂岩, 全风化岩厚3.2~7.4m, 强风化岩厚10.0~20.0m。

考虑到水库大坝深厚软基础的抗滑稳定性较差、承载力较弱, 经过方案比较, 工程在坝轴线上、下游侧坝基土均采用振冲碎石桩加固处理, 以提高坝基的抗滑稳定性及坝基土的承载力, 设计振冲碎石桩间排距2.2m, 等边三角形布置, 桩深5.0~10.0m;坝轴线处坝基土采用深层搅拌桩防渗处理, 即沿堤坝轴线在截水槽底布置1排深层搅拌桩, 桩深11.0m, 形成防渗幕墙。

对左、右岸坝基、坝肩残坡积土层及全部强风化岩石采取帷幕灌浆防渗处理, 帷幕端点至水库正常蓄水位与地下水位交点, 帷幕深度至透水率q<10 Lu的相对隔水层顶界面。帷幕灌浆按单排孔布置, 孔距为1.5m。

1) 裂缝发生2013-03-31-08:00, 发现坝体0+640.0—0+750.0段出现宽2.0~5.0mm、长约70.0m细小裂缝;同时发现该坝段下游坝脚出现土体隆起和下移现象, 其中隆起高度达1.5m, 滑动距离达1.0m。自第1条裂缝出现后, 坝面裂缝逐步发展, 至2013-04-11, 坝面裂缝增加为7条, 编号分别为H1~H7, 各裂缝的位置分布及范围如图2所示。

2) 裂缝发展观测情况裂缝发生后共布设观测设施30组对坝面的7条裂缝 (H1~H7) 的发展情况进行观测, 截止到2013-05-06, 裂缝H1宽度为35.0~166.0mm, 裂缝H2宽度约为8.0mm, 裂缝H3宽度为97.0~140.0mm, 裂缝H4宽度为139.0~198.0mm, 裂缝H5宽度为48.0~184.0mm, 裂缝H6宽度为8.0~160.0mm, 裂缝H7宽度约为54.0mm。

由裂缝观测结果得出: (1) 各观测点的观测值在4月中下旬已经基本趋于稳定; (2) 7条裂缝中最大裂缝宽度达198.0mm (裂缝H4) , 最小裂缝宽度为8.0mm (裂缝H6局部) , 目前这些裂缝也基本趋于稳定, 未出现进一步扩展现象。

针对上述大坝展开裂缝和土体隆起问题分析, 初步认为出现裂缝的原因为坝基基础淤泥沉积太厚, 而开挖基面以下振冲桩深度仅为4.8~12.0m, 振冲桩的深度和振冲范围可能不足, 在施工荷载和大坝土体重力的双重作用下, 基础失稳, 出现深层滑动。为进一步调查裂缝走向、分析裂缝成因, 对坝体裂缝进行现场探查, 并开展室内材料试验和裂缝数值模拟。

目前多采用开挖探槽的方法探查坝体填土中的裂缝, 具体方案为: (1) 开挖前在缝中灌入白灰浆, 以便分辨下部细小裂缝; (2) 继续深挖探槽至振冲平台, 观察裂缝走向; (3) 测量裂缝由上至下的开展宽度、倾向和倾角。

对坝体裂缝的现场探查共进行3次探坑开挖, 分别为1号、2号和3号探坑, 均位于坝中最大裂缝附近, 各探坑的探查结果如图3所示。

通过现场裂缝探查发现: (1) 第1次裂缝探查可以看出探坑内裂缝基本上呈垂直分布, 未发现裂缝向下游侧倾斜情形; (2) 第2, 3次裂缝探查过程中, 从灌浆后新探坑的开挖情况看, 新探坑内的裂缝在坝面以下1.7~1.9m较宽, 最大宽度达0.3m。探坑内的裂缝均呈现上宽下窄, 随深度的增加宽度逐渐减小, 向下为松散破碎带, 直至无明显裂缝。这些裂缝的深度≤4.0m, 且均基本垂直向下。

取典型断面1, 2处的代表性土样7个, 详细的土样编号、取样位置及相关参数如表1所示。为全面了解水库软基的工程性质, 进行了颗粒级配、相对密度、液塑限特性和压缩特性等试验, 同时对原状土样进行了三轴固结不排水剪 (CU) 试验、三轴不固结不排水剪 (UU) 试验和三轴固结排水剪 (CD) 等标准三轴试验。

1) 相对密度试验室内试验结果表明, 软基试样的相对密度测试均值为2.76。

2) 颗粒级配试验各试样的颗粒级配统计如表2所示。

3) 液塑限特性室内试验结果发现各试样的液限为55.0%~70.0%, 塑限为30.0%~40.0%。

4) 压缩特性各试样在100.0~200.0k Pa压力范围的压缩系数为1.69~3.09MPa^-1, 均属于高压缩性土。由于试样的压缩性较高, 因此在深厚软基上筑坝, 坝体的沉降量较大, 不仅施工期间沉降量大, 因其固结速度缓慢, 竣工后的坝体沉降量也会逐渐增大。

5) 三轴强度试验各试样抗剪强度试验结果如表3所示。由试验结果可以看出, 文海水库软基的固结不排水剪切有效内摩擦角φ_cu为11.1°~15.0°, 黏聚力c_cu为6.0~31.0k Pa;不固结不排水剪有效内摩擦角φ_uu为0.9°~1.5°, 黏聚力c_uu为20.0~36.0k Pa;饱和固结排水剪有效内摩擦角φ_cd为16.1°~16.7°, 黏聚力c_cd为12.0~16.0k Pa。软基属于典型的淤泥质土, 在这种软基上筑坝容易出现不均匀沉降, 坝体的边坡稳定问题也会比较突出。

通过对裂缝演化过程、观测结果以及裂缝探查过程的分析, 坝体滑坡和不均匀沉降都有可能是造成棱体下游部分隆起及坝体表面裂缝的原因, 为进一步弄清原因, 需要结合现场和室内相关材料试验结果, 开展坝坡稳定性和应力变形的数值模拟分析。

经过现场的裂缝探查, 发现坝体内最大裂缝靠近坝轴线附近, 且基本呈垂直向下、上宽下窄形状分布;根据钻孔和试验结果发现在典型断面附近, 坝基以下6.0m左右存在1层软弱土层, 该层土介于软塑与流塑之间 (以下称为软~流塑层) 。因此, 判断滑弧的形状在坝体内呈垂直向下分布, 在坝基内可能沿着该软~流塑层向下游发生滑动。

为了能够更好地分析坝体出现裂缝的原因, 计算断面选取坝体0+680处的断面, 具体的断面及地层分布如图4所示。共考虑了坝体填土、Ql软塑层、Q1+Pl软塑层、软~流塑层、流塑层、排水棱体堆石料、过渡料、振冲平台、深层搅拌桩防渗墙、压重平台等多种材料, 另外将振冲碎石桩及桩间Ql软塑层构成的区域土层称为混合土层1, 将振冲碎石桩与软~流塑层构成的区域土层称为混合土层2。

假设此时该滑弧的抗滑稳定安全系数约为1.00, 处于临界滑动状态, 通过反演计算: (1) 得到软~流塑层的强度指标, 说明这层是极薄弱层, 与现场裂缝钻孔时观察到的情况十分吻合。 (2) 根据现场情况, 坝体在0+640—0+750段出现多条较短的裂缝 (H1~H4, H6和H7, 见图2) , 裂缝平面上的形状基本呈圆弧形, 下游隆起的位置也仅在该坝段内, 而且下游堆石棱体有向下游侧移动现象等, 其他坝段未见明显的隆起现象。对比坝坡稳定数值反演的结果, 坝体滑弧的形状、位置以及下游侧的隆起部位等特征与现场实际情况基本一致, 因此可以确定该坝段出现短裂缝 (H1~H4, H6和H7) 以及相应的下游侧出现隆起是由于地基中存在的软弱土层及下游坝坡失稳造成的。

参考相关室内试验结果, 稳定计算的相关参数反演结果如表4所示。

坝体产生的裂缝和下游的隆起也有可能是由于坝体不均匀沉降造成的, 因此需要对坝体典型剖面的应力变形以及沉降问题进行计算分析。计算中, 仍采用图4所示的计算模型:对于坝体填土、Ql软塑层、Q1+Pl软塑层、软~流塑层、流塑层、排水棱体堆石料、过渡料、振冲平台、压重平台以及2种混合土层等材料采用邓肯-张参数模型, 对于深层搅拌桩防渗墙采用线弹性的参数模型。相关的参数取值需要通过反演分析来获得, 参数反演结果如表5所示。

经过计算分析, 得到施工期、施工后一段时间的坝体水平位移、沉降分布分别如图5, 6所示。

由图5可知:

1) 施工期结束时坝体上、下游均向两侧移动, 上游最大水平位移为0.35m, 下游最大水平位移为0.40m。

2) 自坝体裂缝出现后的一段时间, 坝体水平向移动变缓, 上游最大水平位移为0.2m, 下游最大水平位移为0.15m。可见由于坝体填筑在深厚软基上, 在坝体填筑结束至后期都会有一定量的水平移动, 堆石棱体从坝体填筑开始至7月底, 共向下游移动约0.55m。

由图6可知:

1) 施工期结束时坝体上、下游的沉降基本呈对称分布, 坝体中间沉降量最大, 最大值达0.75m。此外, 在下游近坝端出现了小范围隆起, 最大隆起高度达0.15m。可见, 坝体在填筑过程中, 由于沉降变形的发生, 在坝体下游侧近坝区域也会产生一定的隆起现象。

2) 施工期结束后一段时间, 此时处于固结阶段, 随着坝体及基础内的超静孔隙水压力的消散, 坝体继续发生沉降。其中, 由于深层搅拌桩防渗墙的支撑作用, 坝体沉降呈现出坝轴线“两侧大, 中间小”的趋势;同时, 由于坝体下游堆石棱体的排水作用, 使得坝体下游的超静孔隙水压力的消散速度大于上游, 因此, 下游最大沉降量为0.35m, 大于上游的最大沉降量为0.25m, 上、下游沉降不均匀。

3) 根据坝下涵管在坝轴线部位也出现较明显的裂缝, 表示坝体上、下游侧沉降略大于轴线位置, 存在一定程度的不均匀沉降, 与计算结果较吻合。

4) 根据沉降计算分析结果, 至2013年7月, 坝体内振冲平台顶部上、下游最大沉降量分别为0.95, 1.10m, 与现场钻孔结果基本一致, 可见反演参数可信。

通过现场探查、室内试验、经验分析和数值模拟等方法, 探明了坝体裂缝出现的走向和裂缝宽度随深度变化情况, 同时根据地基土取样试验结果可以看出, 坝体地基基础为高液限、高压缩性淤泥质土, 其承载力较低、易出现不均匀沉降, 致使软基上建坝后坝体沉降大、持续时间长, 而坝体地基基础中流塑层、混合土层及软~流塑层等软弱土层的存在加剧了坝体在该坝基上发生滑动的可能性, 最终致使坝坡失稳, 导致坝体滑动拉裂, 出现裂缝。

此次坝体出现的裂缝可以分为2类: (1) 裂缝H1~H4, H6和H7, 这几条裂缝出现在坝体局部, 对应的坝下游部位出现隆起、排水棱体向下游移动等现象, 都与区域内软基、局部存在的极软弱层有关, 并且最终导致局部失稳, 属于滑坡导致的裂缝; (2) 沿着坝轴线的纵向长裂缝H5, 该裂缝主要是由于坝体在施工过程中其上、下游的不均匀沉降引起的, 出现不均匀沉降的原因主要是坝体处于深厚软基上, 上、下游的排水条件差异以及坝轴线方向的连续深层搅拌桩防渗墙的顶出作用。

虽然土石坝的裂缝处理方法目前已经发展了很多, 并取得丰富的经验积累, 但考虑到坝体的裂缝情况, 而且简单的开挖回填方法对坝体影响较大, 新、旧坝体填筑料之间可能因不均匀沉降而出现新的裂缝, 而且裂缝区全部开挖回填也会大大增加工程投资, 影响工期。此外, 单独依靠灌浆处理的办法, 对坝体裂缝深度和宽度较大的部位可能效果不佳。因此, 本工程坝体裂缝的处理方案采用局部开挖回填+灌浆的方案。

该方法适用于不深及防渗体的较浅裂缝。在裂缝存在较密集区域, 坝体填筑料已经破坏较严重, 对该区域可以采取开挖回填的处理措施, 既可以很好地解决坝体裂缝现状, 恢复坝体的完整性, 也可以很好地解决坝体填筑料破坏较多问题。

沿裂缝走向顺缝开挖, 清除裂缝, 在开挖前向缝中灌石灰水, 应开挖至石灰水顺裂缝下渗深度以下0.3~0.5m, 开挖长度应超过缝端2~3m, 裂缝清除后, 回填与原土物理性能一致的土料, 含水量控制在略高于最优含水量, 分层回填、分层夯实, 保证新老填料良好结合。

该方法适用于处理较深裂缝, 如本工程坝体表面延伸最长的裂缝 (H5) 。若采取开挖回填方法, 则工程量过大, 对坝体的扰动大, 不经济, 因此对该裂缝远端深度、宽度并不大的部位可以采取灌浆处理措施, 消除坝体裂缝的同时, 还减少对这些部位坝体的扰动破坏。

裂缝H5采用充填灌浆处理, 灌入裂缝的浆液失水后要能充满, 才能起防渗作用, 灌浆材料和灌浆深度应满足可灌性、填灌缝隙、固结后收缩小或不收缩, 以及能与坝体协调变形等要求。灌浆压力一般不宜过大, 浅层裂缝只能自流灌浆, 即保持浆液在一定高程靠自重灌入, 深层裂缝可稍加压力, 以免因压力过大而产生新的裂缝。

1) 由于目前水利工程设计和施工的相关规程、规范对填筑于软土地基上的大坝工程的规定较少, 因此采用建筑或交通等行业的相关规程、规范进行大坝工程设计, 其适用性和可靠性值得商榷, 需要通过工程实例进行验证。

2) 本文以云南文海水库深厚软基上填筑的土石坝为例, 对施工期出现的多条裂缝综合采用室内试验、现场探查、数值模拟等多种方法开展系统的裂缝成因分析, 发现滑坡性裂缝与沉降性纵向裂缝是深厚软基上坝体的主要裂缝形式, 该系统分析方法可以为同类型工程坝体裂缝成因分析提供参考。

3) 目前深厚软基上坝体裂缝的处理方法多为开挖回填和灌浆处理2种, 具体选取时需要在弄清裂缝成因的基础上进行。