東莞大堤堤防工程裂縫成因分析

谷躍輝

（廣州市宏濤水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510405）

1 工程概況

東莞大堤堤防原有防洪標(biāo)準(zhǔn)20～50年一遇，大堤于1998年開始進(jìn)行達(dá)標(biāo)建設(shè)，至2006年全部完成，堤防全長(zhǎng)63.66 km。東莞大堤有32 km堤段屬于東江下游左岸，約10 km2位于東莞市石馬河下游左岸，另約22 km2位于其下游東江南支流及其河網(wǎng)左岸。大堤為堤路結(jié)合的構(gòu)筑物，現(xiàn)狀主要是瀝青路面及混凝土路面，堤防工程的級(jí)別為2級(jí)，堤頂?shù)缆返燃?jí)為三級(jí)公路及城市次干路。

經(jīng)過多年運(yùn)行，東莞大堤左岸局部（樁號(hào)14+230—15+030）段路面出現(xiàn)了許多裂縫，裂縫段長(zhǎng)度約800 m，大堤裂縫走向以縱向?yàn)橹鳎浦本€狀展布，與地勢(shì)走向一致。裂縫集中于堤頂中間部位，寬度較大，斷面呈“V”字形，上寬下窄，足部閉合，頂部縫寬多大于5 mm。存在部分橫向裂縫，相對(duì)較窄。

根據(jù)連續(xù)觀測(cè)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，縱向裂縫寬度在不斷變寬，發(fā)展速度相對(duì)較快，橫向裂縫變化相對(duì)較小。根據(jù)沉降觀測(cè)資料，局部堤段出現(xiàn)下沉，堤防兩岸臨水側(cè)擋土墻向外側(cè)傾斜，地面沉降幅度2～5 mm，局部可達(dá)10 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，初步判定堤防縱向裂縫幾乎貫穿堤頂兩側(cè)，橫向裂縫稍發(fā)育，局部有龜裂縫，縱向裂縫多為貫穿縫，大堤內(nèi)、外側(cè)擋墻存在開裂，并向外傾斜現(xiàn)象。大堤段左岸為運(yùn)河，右岸為東江，如圖1所示。

圖1 堤防結(jié)構(gòu)示意圖

2 裂縫試驗(yàn)分析

2.1 地質(zhì)勘察與試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析裂縫的成因，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)生裂縫段進(jìn)行勘察鉆探，共布置5條勘探剖面，每一條剖面上布置7個(gè)鉆孔（堤頂3個(gè)，兩側(cè)坡腳各一個(gè)，兩側(cè)靠近坡腳近岸水域各一個(gè)），現(xiàn)場(chǎng)主要采取地質(zhì)調(diào)查、鉆探、原位測(cè)試（標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)）及室內(nèi)土工試驗(yàn)的勘察手段。

2.2 堤防裂縫

根據(jù)裂縫發(fā)展方向與堤岸走向的平面分布規(guī)律,堤防工程的裂縫可以分為龜裂縫、橫向裂縫以及縱向裂縫3種類型:

（1）龜裂縫：無規(guī)律地分布在壩面上的縱橫交錯(cuò)的龜裂縫，其間距相對(duì)均勻。產(chǎn)生原因是，土壩表層填土變干后收縮造成的。筑壩土料越黏、含水率越高，出現(xiàn)龜裂的幾率也越高[2]。

（2）橫向裂縫：近似垂直于堤防的橫向裂縫，傾斜或垂直伸入壩內(nèi)；裂縫上寬下窄，長(zhǎng)度從幾米到幾十米，縫口寬幾毫米到幾十毫米，產(chǎn)生原因是堤防的不均勻沉降。

（3）縱向裂縫：縱向裂縫在平面分布上總體走向與堤防走向近似平行（局部呈弧形），分布一般多集中于堤防兩側(cè)邊沿位置，基本上是呈現(xiàn)出鉛垂式地向壩體的內(nèi)部延伸，裂縫兩側(cè)多出現(xiàn)沉降，裂縫長(zhǎng)度從幾米到幾十米不等，甚至百余米長(zhǎng)，在長(zhǎng)度上總體要比橫向裂縫延展范圍大，局部可出現(xiàn)裂縫的分支，裂縫寬度相比較橫向裂縫一般要寬大，垂直方向延伸更長(zhǎng)。

根據(jù)沉陷縱向裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，可分為沉陷裂縫和滑坡裂縫兩種。兩種裂縫的主要區(qū)別是：沉陷裂縫形狀接近直線（多由堤基的不均勻沉陷引起），它基本垂直地向堤身內(nèi)部延伸，錯(cuò)距不大。滑坡裂縫是由堤坡的滑坡引起，一般呈弧形向坡面延伸，裂縫的發(fā)展過程逐漸加快，跌壩明顯，錯(cuò)距較大，在裂縫發(fā)展后期，可以發(fā)現(xiàn)相應(yīng)部位的壩面或壩基上有帶狀或橢圓狀隆起[3]。

3 堤基裂縫分析

3.1 堤基結(jié)構(gòu)與滲透破壞

根據(jù)勘察成果資料綜合分析，區(qū)域內(nèi)堤基主要可分為單一結(jié)構(gòu)（Ⅱ）和雙層結(jié)構(gòu)（Ⅲ）兩個(gè)大類[4]，鉆探揭露場(chǎng)地地層見表1。

表1 地層分層表

雙層結(jié)構(gòu)（Ⅱ）：堤基由兩類土（巖）組成，根據(jù)堤基土的空間分布與組合，雙層結(jié)構(gòu)（Ⅱ）又可分為兩個(gè)亞類Ⅱ1、Ⅱ2。Ⅱ1結(jié)構(gòu)堤基土上部由淤泥質(zhì)土（③3）或粉質(zhì)粘土（④）透鏡體組成，下部由砂礫巖的全（⑤1）、強(qiáng)（⑤2）風(fēng)化層組成，主要分布于樁號(hào)Z H14+280.00—Z H14+505.00附近一帶；Ⅱ2結(jié)構(gòu)上部由較厚層淤泥質(zhì)土②或粉砂（③5）組成，下部由下部由含礫砂巖的全（⑤1）、強(qiáng)（⑤2）風(fēng)化層組成，主要分布于樁號(hào)Z H14+705.00—Z H14+830.00。

多層結(jié)構(gòu)（Ⅲ）：堤基由兩類土（巖）組成，根據(jù)堤基土的空間分布與組合，多層結(jié)構(gòu)（Ⅲ）又可分為兩個(gè)亞類Ⅲ1、Ⅲ2。Ⅲ1結(jié)構(gòu)堤基土上部由粉質(zhì)粘土（③4）、粉砂（③5）透鏡體組成，下部由全（⑤1）、強(qiáng)（⑤2）組成，主要分布于樁號(hào)Z H14+505.00—Z H14+680.00附近一帶；Ⅱ2結(jié)構(gòu)上部由淤泥質(zhì)土（③3）、粉砂（③4）、粉質(zhì)粘土（④）透鏡體組成，下部由含礫砂巖的全（⑤1）、強(qiáng)（⑤2）風(fēng)化層組成，主要分布于樁號(hào)Z H14+830.00—Z H15+030.00。

工程中滲透破壞現(xiàn)象，是多種因素作用的結(jié)果，具有復(fù)雜性和隨機(jī)性。根據(jù)堤基結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及巖土層分布，堤基產(chǎn)生的滲透變形主要分為流土、管涌?jī)深悺Ａ魍林饕杏趬簩?shí)填土層、粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)土層，管涌主要發(fā)生于中砂、細(xì)砂層。

堤基砂層出露或覆蓋層較薄時(shí)，若未到達(dá)臨界水位，不會(huì)發(fā)生滲透破壞，當(dāng)外江水位上漲超過臨界水位，會(huì)導(dǎo)致沙沸坡降破壞堤基，引發(fā)滲透破壞。當(dāng)?shù)袒^厚覆蓋層被承壓水頭頂穿，超出滲流場(chǎng)臨界水位，堤基滲透變形將導(dǎo)致滲透破壞[5]，滲透破壞多發(fā)生于洪水期。

3.2 軟土的特性及堤基失穩(wěn)的破壞機(jī)理

（1）高含水率，孔隙比大。根據(jù)土工試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)淤泥質(zhì)土共采取10組樣品進(jìn)行試驗(yàn)，天然含水量在16.10%～65.30%之間，平均值42.44%；液限17.80%～32.60%，平均值25.11%；孔隙比1.06～1.76，平均值1.35；天然含水率大部分大于液線指標(biāo)，土體有隨液限增加其含水率以及孔隙比逐漸增大的趨勢(shì)。同時(shí)不同的含水率和孔隙比直接影響到土體的強(qiáng)度和滲透性。

（2）高壓縮性。根據(jù)土工室試驗(yàn)成果顯示淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)0.55～1.23 M P a-1，平均值0.69 M P a-1，標(biāo)準(zhǔn)值0.52 M P a-1；壓縮模量2.11～5.31 M P a，平均值3.69 M P a，標(biāo)準(zhǔn)值3.01 M P a，屬于高壓縮性土體。

（3）低滲透性。根據(jù)土工室試驗(yàn)成果顯示，淤泥質(zhì)土的滲透系數(shù)為1.39E-06～5.85E-05 c m/s，平均值為2.41E-05 c m/s，屬于弱透水地層（局部夾砂層透鏡體）。

（4）低強(qiáng)度。淤泥質(zhì)土快剪試驗(yàn)粘聚力12.30°，內(nèi)摩擦角7.40°；固結(jié)快剪試驗(yàn)粘聚力11.64°，內(nèi)摩擦角11.14°；三軸壓縮不固結(jié)不排水試驗(yàn)粘聚力3.90°，內(nèi)摩擦角6.80°。土體實(shí)測(cè)表貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)平均值為2擊。土體整體強(qiáng)度低,地基承載能力較差。

此外軟土具有較高的靈敏度和易觸變性，土體結(jié)構(gòu)在受到擾動(dòng)或者震動(dòng)時(shí)，由于土體的結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，軟土在長(zhǎng)期荷載作用下，除了會(huì)產(chǎn)生因排水固結(jié)引起的變形外，還會(huì)出現(xiàn)緩慢而長(zhǎng)期的剪切變形，這種變形對(duì)上部建（構(gòu)）筑物場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生非常不利影響，而軟土地基上建（構(gòu)）筑物的沉降量普遍較大。這個(gè)也是產(chǎn)生地方兩側(cè)擋墻向外傾斜和堤頂橫向裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。鉆探揭露場(chǎng)地地層物理力學(xué)指標(biāo)如表2。

（5）堤基失穩(wěn)的破壞機(jī)理。軟土地基堤防滑動(dòng)破壞的機(jī)理，當(dāng)軟土地基的剪應(yīng)力超過抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體原有力學(xué)平衡體系被打破，引起土破壞，產(chǎn)生不均勻沉降。主要包括兩個(gè)方面：一是剪應(yīng)力的增加，如堤防上部荷載因降水、人工堆載等因素產(chǎn)生的增大，施工震動(dòng)及車輛震動(dòng)等；二是土體本身強(qiáng)度的降低，如因降雨入滲等因素引起的孔隙水壓力增大等。

根據(jù)不同軟土的破壞機(jī)理，可采取兩種不同的地基處理方法。一是提高土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，如采用堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓等措施；二是減小作用在土體上的剪應(yīng)力，如減小堤防斷面尺寸、盡量減小對(duì)軟土的擾動(dòng)影響等。

4 裂縫成因與對(duì)策

4.1 裂縫產(chǎn)生的成因分析

根據(jù)堤防設(shè)計(jì)和施工驗(yàn)收資料分析，堤防設(shè)計(jì)填土壓實(shí)度要求≥93%，土料碾壓?jiǎn)卧|(zhì)量評(píng)定表壓實(shí)指標(biāo)合格率100%，說明堤防填筑時(shí)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)勘察堤身填土層試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，液性指數(shù)平均值0.14，標(biāo)準(zhǔn)值-0.04，堤身填土以硬塑和堅(jiān)硬狀態(tài)為主，說明堤身填土承載力較高，壓實(shí)度較好。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及地質(zhì)資料成果綜合分析，產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下三個(gè)方面：

一是不均勻沉降。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料產(chǎn)生縱向裂縫比較集中且寬度較大的堤段，地基分布稍密～中密狀粉砂、可塑狀粉質(zhì)粘土以及淤泥質(zhì)土等地層，淤泥質(zhì)土含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，并有觸變性、流變性和不均勻性的特點(diǎn)，因此上部車輛荷載過大及行駛中產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)對(duì)堤防基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降。

二是水流作用。堤防一側(cè)為東江，另一側(cè)為東引運(yùn)河，兩岸存在一定的水頭差，尤其是在東引運(yùn)河高水位運(yùn)行時(shí)水頭差更大，在高水位及滲水作用下，由于土體的抗剪強(qiáng)度變低，靠近高水位側(cè)的堤防水位驟降易引起砂土與粘性土孔隙水壓力分布不均，導(dǎo)致局部的不均勻沉陷，導(dǎo)致堤身產(chǎn)生裂縫。汛期兩側(cè)河水位變化較大，堤腳長(zhǎng)期浸泡，土體中水壓力急速升降、長(zhǎng)時(shí)間水流作用出現(xiàn)滲透破壞作用，部分細(xì)顆粒被帶走，局部出現(xiàn)接觸沖刷、管涌等現(xiàn)象，導(dǎo)致堤身下部出現(xiàn)滑動(dòng)，造成堤頂裂縫。堤頂橫向裂縫產(chǎn)生的主要原因是堤基產(chǎn)生滲透破壞，局部水土流失，導(dǎo)致堤身下陷產(chǎn)生橫向裂縫。

三是車輛超載與震動(dòng)。堤防設(shè)計(jì)的堤頂為雙向4車道，來往車輛較多，車速較快，加之部分重型貨車的荷載較大，車輛超載等因素對(duì)堤身產(chǎn)生的震動(dòng)作用，導(dǎo)致基礎(chǔ)下部的軟土層與砂土層產(chǎn)生一定的液化或變形；加之基底的土層性質(zhì)在空間分布上不均一，產(chǎn)生不同程度的沉降，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。而裂縫出現(xiàn)后在雨水下滲、堤頂各種車輛的荷載及震動(dòng)雙重作用下，不斷加劇裂縫的發(fā)育，導(dǎo)致裂縫不斷加深、加長(zhǎng)，而裂縫的加深加長(zhǎng)又會(huì)加大雨水下滲的總量，惡性循環(huán)導(dǎo)致堤防裂縫不斷變寬變深。

以上三種成因相互影響、共同作用，使堤身的裂縫不斷地加寬、加深，發(fā)展速度也越來越快。

根據(jù)本次勘察成果資料與前期勘察成果對(duì)比，出現(xiàn)裂縫堤段的堤基普遍存在軟土層、稍密至中密狀的砂土層，局部堤段的軟土層貫穿堤基，堤基條件相對(duì)較差。從裂縫的平面分布位置及裂縫發(fā)展趨勢(shì)分析，裂縫的發(fā)生、發(fā)展，與堤基地質(zhì)條件關(guān)系密切；經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)軟土分布廣泛堤段裂縫發(fā)展迅速，裂縫寬度相對(duì)高于局部分布軟土、砂土的堤段，綜合判斷地層對(duì)裂縫的發(fā)生、發(fā)展影響較大。分布有軟土和砂土的堤段均出現(xiàn)不同程度裂縫，裂縫分布與堤基結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

4.2 地基處理建議

根據(jù)勘察資料顯示場(chǎng)地內(nèi)局部地段淺部地基土穩(wěn)定性較差，屬不均勻地基，下臥存在軟弱土層，建議對(duì)下部的軟弱土層進(jìn)行地基處理，可采用高壓旋噴等措施加固軟土層，提高土體的強(qiáng)度，建議對(duì)堤防兩側(cè)坡腳位置考慮進(jìn)行水泥攪拌樁處理，基礎(chǔ)持力層可考慮選擇粉質(zhì)粘土④及其下部的基巖地層作為基礎(chǔ)持力層。

裂縫段的地層均進(jìn)行開挖回填處理，其優(yōu)點(diǎn)是施工較方便，工程投資小；缺點(diǎn)是裂縫較深時(shí)，開挖回填量較大。采用充填灌漿處理，利用漿液高壓力充填堤身、堤基位置已有的裂縫、孔隙等隱患部位，以達(dá)到加固堤壩的目的。其優(yōu)點(diǎn)是適用于范圍較大或情況復(fù)雜的裂縫處理；缺點(diǎn)是施工較復(fù)雜，工程投資較大且施工質(zhì)量檢驗(yàn)困難。

對(duì)于局部堤段縱向裂縫寬度較小，范圍不大的裂縫可采用帶狀挖補(bǔ)、灌封、貼縫或者組合方式處理，貼縫材料可采用熱粘式貼縫膠和自粘式貼縫膠，施工環(huán)境溫度應(yīng)高于5℃，在路面干燥狀態(tài)下施工，施工作業(yè)時(shí)間宜選在非汛期，最好是10月份至次年2月份期間[6]。

5 結(jié)語

堤防產(chǎn)生裂縫主要與堤基的地層巖土特性、堤基結(jié)構(gòu)、水利條件及堤防的結(jié)構(gòu)荷載關(guān)系密切，不同環(huán)境造成破壞的表現(xiàn)形式也不相同，裂縫除上述因素外受到外界各種客觀因素的影響較大（降水、震動(dòng)、荷載等），在發(fā)現(xiàn)堤防出現(xiàn)裂縫后，應(yīng)及時(shí)分析觀測(cè)裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，達(dá)到一定程度后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固處理，以保證堤防的正常運(yùn)行安全。［1］宋金華，張彩利，張雪華.路基路面工程［M］.北京：人民交通出版社，2006.