堤防工程土堤裂縫原因分析及處理措施

羅彬

摘 要：堤防工程在防汛、防潮、抗洪調度、確保一方平安上做出了巨大貢獻，但由于種種原因，堤防工程土堤也容易出現裂縫，這嚴重威脅到堤防工程的安全運行，因此，必須對堤防工程土堤出現的裂縫進行有效處理。本文結合具體的堤防工程，分析了堤防工程土堤裂縫產生的原因，闡述了裂縫的處理措施，有效保證了土堤的安全運行。

關鍵詞：土堤；裂縫；原因；處理措施；灌漿

堤防工程是我國水利工程的重要組成部分，在防汛、防潮、抗洪調度、確保一方平安上做出了巨大貢獻。因此，確保堤防工程的安全可靠運行就顯得尤為重要。但堤防工程土堤也比較容易出現各種裂縫，對土堤的整體性、耐久性和防滲能力具有嚴重的危害。為了確保土堤的安全和長期可靠運行，必須對裂縫產生原因進行分析，進而采取處理措施。

1 工程概況

某堤防工程是以擋潮為主，兼顧防洪、交通等綜合效益的水利工程。堤防為均質土堤，最大堤高為7.2m，堤頂寬為5.6m，在檢查中發現在軟基段堤頂分別出現2條橫裂縫，橫穿土堤。其中1條為閘左引堤接閘處接觸面，裂縫長度約為17m，縫寬約為3cm，裂縫形態為斷續的寬縫與細縫相接，組成1條整體上連續的橫縫；另1條為裂閘右引堤接閘處接觸面，縫長也約17m，縫寬約為4cm，裂縫形態與上條裂縫基本相同。

2 軟基段地質條件及軟土的物理力學特性

右岸軟基段主土堤基礎夾砂質淤泥、淤泥、細礫、礫質砂、中～粗砂等，砂層層厚3.22～8.6 m，淤泥層層厚0.76～10.5 m，承載力標準值：淤泥為45kpa，砂質淤泥為60kpa，中粗砂為100kpa。砂質淤泥、淤泥其特征是質軟，呈淺灰、深灰～灰黑色，局部夾腐殖層，土樣易變形，干時收縮見細裂紋，屬流塑～軟塑狀，高壓縮性。對砂質淤泥、淤泥的室內土工試驗表明：

1）粘、粉粒含量高；天然含水量大，呈軟～流塑狀態；孔隙比大，干容重小。

2）滲透性極微。

3）高塑性，高壓縮；固結系數小，靈敏度高。

4）低強度。

3 裂縫原因分析

裂縫出現以后對裂縫的性狀及成因做了檢測及理論分析。檢測主要有2個內容：一是對軟基性狀進行鉆探取樣檢測試驗；二是利用電測深法對裂縫走向及深度等作定性分析。理論分析主要是利用鉆探取樣試驗結果對堤基的最終沉降以及堤基沉降隨時間的發展過程進行理論計算分析；另外，還對堤體施工運行期的穩定性進行了分析。

3.1 鉆探取樣檢測

鉆探取樣檢測試驗主要由鉆探、原位測試和室內土工試驗3個部分組成。原位測試以靜力觸探和十字板剪切為主，輔以標準貫入試驗。

鉆探取樣檢測認為：雖然堤防外坡和外坡砼基礎都采用松林樁處理，對護坡和擋土墻來說起到一定的效果，但堤身地基沒有進行處理，堤身基礎軟土仍處于流塑狀態。從地基土層結構、軟土層的空間展布和軟土物理力學性質等因素反映出如堤身填筑速率控制不妥，而閘墩基礎進行了沉管灌注樁處理后承載力較高，接閘處形成軟硬地基土體變形差會引起不均勻沉陷，不均勻沉陷超過土體抗拉強度，堤身裂縫產生也就在所難免。經過一段時間后雖然軟土性狀有所改善，如含水量、孔隙比、壓縮系數在逐期降低，壓縮模量和抗剪強度在提高，但是軟土仍處于流塑狀態，完全固結還需要較長時間，且地基仍會產生不均勻沉陷。

3.2 電測深法檢測

檢測方法主要采用的是三極電測深剖面法，測深點距一般為10m，在裂縫附近地段加密為5m。主要結論如下：

1）軟土地段視電阻率約為50～1000，填土后視電阻率提高到200～3000，說明軟土含水量減少。

2）裂縫深度基本到堤基底，即到達高程-0.6m左右，并發展至基礎以下部位。

3）裂縫位置與堤基軟硬土體較為懸殊的部位相吻合，說明軟硬土體的不均勻沉降是導致堤身開裂的主要原因。

3.3 堤防基礎沉降計算

堤基沉降可分為三個階段， 初始沉降段、快速沉降段和緩慢沉降段。初始沉降段， 即施工周期內的沉降段， 本段沉降量增加很快， 幾乎呈線性增加； 快速沉降段相當于土體主固結階段， 本段沉降量增加比初始沉降段慢， 隨著時間的增長， 沉降量的增加速率在逐漸的減少，沉降量與時間的關系為非線性關系； 緩慢沉降段是一個漫長的過程， 其沉降速率很小， 沉降量也很小， 但所花時間卻較長， 占總沉降時間的50% 以上， 其作用相當于次固結效應。堤基沉降計算采用分層總和法，黏性土堤體竣工時的沉降量和最終沉降量計算公式：

式中：St 為竣工時或堤身總沉降量；eio為第i 層的起始孔隙

比；eit 為第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 為第i 層土層厚度；n 為土層分層數。

施工期間的堤身土豎向有效應力=主應力-孔隙水壓力，竣

工后的堤頂沉降量應為最終沉降量減去竣工時沉降量的差值。

非黏性土堤基的最終沉降量計算公式為：

式中：S∞為堤基的最終沉降量；pi為第i 計算土層由堤身荷載產生的豎向應力；Ei為第i 層計算土層的變形模量。

3.4 堤身穩定分析

通過計算結果表明，施工期內堤身加高至設計高程6.54m（堤頂），施工期下游邊坡穩定安全系數為1.1，屬于偏危險狀態，未能滿足規范Kc≥1.1的要求。因此有必要采取一些工程措施，以加速地基固結、維護下游邊坡穩定。

綜合檢測結果及計算結果，可認為軟土地基與接閘處理過地基的不均勻沉降差過大是堤防產生裂縫的主要原因，而不是由于地基失穩所致。

4 裂縫的處理

在土堤分別以2條主裂縫內側范圍為主，沿裂縫方向長度為31m，其中裂縫兩端外側各3m。另外，分別沿2條裂縫方向距裂縫1.5 m在土堤則布置充填式灌漿孔，排距為1.5m，共兩排，梅花形布孔，進行灌漿封堵。其余部分進行劈裂式灌漿，兩處裂縫灌漿分別從裂縫處起沿堤軸線各20 m長，灌漿孔沿堤軸線布置，以堤軸線為中心線兩邊布置，孔距為3.0m，排距為2.0m，共兩排。充填式、劈裂式灌漿孔深要超過裂縫深度2m。endprint

4.1 灌漿材料

選用灌漿材料以粘性土為主，摻加15%等級為42.5的硅酸鹽水泥，使漿體易于固結和有較好的防滲效果。粘性土選用粉砂質紅粘土。土料粒度構成及漿液控制指標如下：1.灌漿土料要求。 （1）充填式灌漿：塑性指數10%～25%，粘粒含量25%～45%，粉粒含量40%～70%，砂粒含量<10%，有機質含量<2%，可溶鹽含量<8%；（2）劈裂式灌漿：塑性指數8%～15%，粘粒含量20%～30%，粉粒含量30%～50%，砂粒含量10%～30%，有機質含量<2%，可溶鹽含量<8%。 2.漿液的物理力學指標。 （1）充填式灌漿：容重1.3～1.6g/cm3，粘度30～100s，穩定性<0.1g/cm3，膠體率>80%，失水量10～30cm3/30min；（2）劈裂式灌漿：容重1.3～1.6g/cm3，粘度20～70s，穩定性0.1～0.15g/cm3，膠體率>70%，失水量10～30cm3/30min。灌漿導管選φ38mm的鍍鋅管，清孔導管選用φ20mm的鍍鋅管，4孔/cm2的篩網。

4.2 灌漿施工

在同一單元灌漿孔中，灌漿孔灌漿分兩序進行，先裂縫兩端充填式灌漿，后劈裂式灌漿，以達到充填封堵、劈裂加固的灌漿目的。先造單序孔，待單序孔5次灌漿完畢，再造第二序孔進行灌漿。每孔灌漿次數為5次，每次復灌漿時間間隔不少于5d，灌漿過程中水平位移應少于30mm，漿液的容重控制在1.3～1.6g/cm3。單孔第一、二次灌漿控制在1.3～1.35g/cm3，以后再逐漸加大漿的濃度至設計要求。

灌漿壓力和灌漿量的控制：灌漿是通過灌漿機加壓后輸出至導管。WJG80型的灌漿機可以通過輸出功率來控制出量，YEL-3型有回漿管來控制出漿量。充填式灌漿孔口最大壓力為0.1MPa，劈裂式灌漿孔口最大壓力為0.15MPa。土堤灌漿是采用全孔孔底灌注法，這樣可由孔底反向全孔，使孔內泥處于半循環狀態有利提高灌漿質量。灌漿開始，先用稀漿灌3～5min，然后加大泥漿的稠度至設計要求。若孔口出現壓力下降和注漿管出現負壓時，應再加大漿液的稠度。當表壓力讀數大于設計的最大壓力值時，立即調節出漿量或停灌；達到設計最大壓力值時，保持穩定1～2h后，當壓力回升時，做好換孔的準備。在換孔前再用稀漿注3～5min，以便下次灌注易于清孔和漿液流通。

4.3 灌漿效果

在灌漿結束1周后，對土堤裂縫灌漿效果進行檢測。采用探地雷達、電測深剖面法進行現場檢測，并挖坑檢測。經處理后的雷達剖面圖與灌漿前的對比，電磁波波線有較好的波紋；灌漿后效果良好，裂縫被泥漿充分充填；挖坑檢測也表明灌漿效果良好，原有的大小裂縫都被泥漿充填充實，但充填的泥漿含水量大，未充分固結。

5 結語

堤防工程土堤的安全關系到國民經濟的建設和人民群眾的生命財產安全，因此，確保其安全可靠運行意義重大。在本工程中，通過對軟基段裂縫的灌漿處理，解決了土堤的防滲和安全問題，效果良好，由此可見，上述裂縫處理措施是行之有效的，相信其經驗可為今后類似工程土堤裂縫處理提供借鑒。

參考文獻

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