深淤泥圍堰的變形與裂縫

王西青

（阜陽市水利規劃設計院 阜陽 236000）

1 概述

潁河阜陽樞紐主要包括節制閘、船閘、閘上交通橋三部分。節制閘于1959年建成，主要作用是蓄水。阜陽老船閘于1963年建成，已完全報廢，現于2010年3月份開工，2012年3月份完工驗收。重建新船閘閘室長度180m，凈寬12m，船閘規模為Ⅳ級，船舶噸級為500噸級。閘址利用老船閘及老河道，拓寬挖深。10年一遇相應阜陽節制閘閘上水位為31.4m，閘下水位為31.1m。船閘上游圍堰：在上閘首上游約520m處布置，軸線長330m，圍堰采用均質土圍堰，由設計洪水位以上的堰頂超高（壅水高度+爬高+安全超高），計算得堰頂高程32.1m，最大堰高7.1m，堰頂寬3.0m。下游圍堰：在下閘首下游約500m處布置，軸線長300m，圍堰采用均質土圍堰，堰頂高程31.8m，最大堰高9.8m，堰頂結合臨時交通取寬7.0m。圍堰填筑邊坡水下取自然坡為1∶6，水上邊坡為1∶3。根據地質勘探報告，下游圍堰基底由于多年淤積，淤泥達3.5m左右。

2 圍堰堰體變形

土石圍堰堰體主要由散粒體材料填筑而成，由于土石料的抗拉強度很低，尤其是砂石料本身就沒有拉伸能力，因而圍堰堰體在自重及水壓力的作用下產生變形，其中變形形式有豎向位移（通常稱為沉降），橫向水平位移（垂直堰體軸線），縱向水平位移（平行堰體軸線）。當這些變形值不大時，對工程施工期間的影響不大，但是當變形達到一定程度，不均勻沉降與水平位移會引起堰體的裂縫。由于堰體裂縫的存在破壞了堰體的整體性，使得滲流沖刷和水力劈裂有了途徑，可能導致滲水失事，影響圍堰的正常使用及施工期基坑安全。

影響堰體變形的因素很多，有堰體高度、防滲體的結構形式、筑堰材料成分及其物理力學性質、堰體的施工方法、施工進度及施工質量、河谷形狀及地基的壓縮性質、水位變化情況等。

3 圍堰堰體及地基的沉降量計算

圍堰堰體和地基土的沉降主要包括初始沉降、固結沉降和次固結沉降。初始沉降是由于建筑物底面積相對較小，當荷載通過建筑物底面作用在地基上以后，在地基中，特別是在靠近基礎邊緣處，由于存在應力集中，產生剪切變形，而在建筑物建完后立即產生的沉降。固結沉降是指超靜孔隙水壓力逐漸消散，使土體積壓縮而引起的滲透固結沉降，也稱主固結沉降，它隨時間而逐漸增長。次固結沉降是指土體中超靜孔隙水壓力全部消散、主固結已經完成后，因土骨架本身的蠕變特性，在荷載作用下發生的緩慢沉降。

3.1 地基及堰體分層

壩基及壩體分層考慮：

（1）堰體分層厚度不大于1/10～1/5壩高。

（2）非均勻地基，應按地基土的性質和類別劃分計算層，但每層厚度不應大于堰底寬度的1/4，也不宜大于10m。

3.2 堰體沉降量計算

（1）堰體沉降量計算按經驗公式：S=0.01%H，式中H為壩高。

（2）堰體沉降量計算按E.L.Lauden和M.D.Leest根據土石壩工程觀測資料分析所得計算式：S=0.001H3/2，式中H為壩高。

（3） 堰體沉降量計算按碾壓式土石壩設計規范（ SL274-2001）。

粘性土按（E.3.3）計算，

式中：St——竣工時或最終的壩體和壩基總沉降量；

eoi——第i層的起始孔隙比；

eti——第i層相應于竣工時或最終的豎向有效應力作用下的孔隙比；

hi——第i層的土層厚度；

n——土層分層數。

非粘性土按（E.3.4）計算，

式中：S∞——非粘性土壩體或壩基的最終沉降量；

Pi——第i計算土層由壩體荷載產生的豎向應力；

Ei——第i計算土層變形模量。

3.3 堰基的沉降量計算

堰基沉降量分單向壓縮和側向變形兩部分沉降：

（1）單向壓縮用單向分層總和法計算沉降量，計算中要注意某層土未筑堰前的應力與筑堰后由于堰體荷載對該層產生的豎向附加應力之和。

（2）壓縮層厚度的確定：堰基壓縮層較厚時，需規定一個計算深度。從堰基底面到該深度處的垂直距離，稱為壓縮層厚度Ya。該厚度按土層中的應力分布確定。當某土層因筑堰而增加的豎向應力等于筑堰前該土層原有的豎向應力的20%時，該土層至地表的深度即是壓縮層深度。如果在堰基面以下Y深處遇不可壓縮層或基巖，而Y＜Ya，則取壓縮層深度為Y。

（3）根據碾壓式土石壩設計規范（SL274-2001）E.2.3當滿足下列公式要求時，可不考慮壩體荷載引起的附加應力在壩基的應力擴散，取壩頂以下的最大壩體自重應力作為壩基的附加應力：

對于高壩Y/B<0.1 （E.2.3-1）；

對于中壩Y/B<0.25 （E.2.3-2）；

式中：Y——壩基可壓縮層厚度，m；

B——壩底寬度，m。

考慮側向變形的壩基沉降量計算：一般壩基土層厚度小于壩底寬1/2時，計算沉降時可不考慮側向變形的影響。但對于堰底寬度小，堰基土層很厚或為不均質地層，側向位移對沉降量影響不能忽略。

4 堰體的水平位移產生的裂縫

圍堰變形與沉降是圍堰產生裂縫的主要原因。由于圍堰底面積較大，應力分布不均勻，其最大應力主要集中在圍堰軸線附近。

4.1 橫向水平位移（垂直堰體軸線）產生縱向裂縫

如圖1所示縱向裂縫的走向平行于圍堰的軸線，多出現在堰頂及壩坡處，有時出現在堰體內部。

由于圍堰底部深厚淤泥層的壓縮性較大，在堰體自重作用下不斷地產生塑性變形，最后擴大形成塑流區，致使堰體沿塑流區產生滑動，淤泥向兩側蠕動隆起，發生較大的不均勻沉降，堰體內部拉伸，裂縫從垂直向下變成向外坡傾斜，形成了沿軸線產生縱向裂縫。

另外堰體橫向位移的大小與上游水位的變化有較大關系，當水位較高時，產生較大橫向位移，此時堰體內形成穩定滲流，堰體土料處于飽和狀態，土粒受到水的浮力作用，重度減小。當水位降落時，水壓力減小，橫向水平位移也減小。

4.2 縱向水平位移（平行堰體軸線）產生橫向裂縫

如圖2所示橫向裂縫的走向垂直于圍堰的軸線，這種裂縫是由于堰體在軸線方向上不均勻沉降而引起的拉伸縫，在那些局部變化大的地形以及岸坡陡峭處的區域，易產生局部的拉伸區出現橫向裂縫，這種縫形成滲流通道，對圍堰安全的危害很大。

堰體不均勻沉降的計算：兩個堰體斷面的間距是△L，兩個堰體斷面堰頂的沉降差是△S，則沿堰軸的不均勻沉降比值為is=△S/△L。 若不均勻沉降比較大，則在這兩個斷面之間就有可能發生橫向裂縫。有可能發生橫向裂縫比值，隨土的塑性而異，按經驗統計表明，其值約在1%上下。

5 堰體裂縫的防治

5.1 設計方面

（1）選擇合適的地形和有利的地質條件并進行必要的處理，地形上應盡可能避開顯著不對稱的河谷斷面，岸坡盡可能平順。高壓縮性淤泥層應可能挖除處理。

（2）合理設計堰體的剖面形狀。

（3）選擇適宜的土料和合理的參數。

5.2 施工方面

施工中應嚴格控制土料的密實度、含水量和顆粒組成，精心施工，以免產生較大的沉降和變形，特別是岸坡接觸面附近，要注意防止漏壓，必要時用人工或小型機具認真地補充碾壓。

當堰體上升到一定高度時，可適當放緩上升速度，待下部堰體沉降大致完成后，再進行上部填筑，以適應底部淤泥的變形及地基強度的增長速率。

6 結語

潁河阜陽樞紐船閘施工圍堰在施工前期產生了多條縱、橫向裂縫，在施工中通過調整堰體的剖面形狀，改變施工工藝，延緩施工進度，從而控制了裂縫的發展，取得了較好的效果