土石坝裂缝分类与成因综述

摘要：土石坝在施工、运行中普遍会遇到裂缝问题，严重影响到了土石坝的防渗性能，而由裂缝导致的渗漏、管涌、滑坡更是大坝的主要病害类型。本文从裂缝所处部位、裂缝走向、裂缝成因等方面探讨了裂缝的特征与分类，并对冻融、干缩、沉陷、水力劈裂、滑坡等裂缝成因进行了综合分析，较为系统、全面地指出了不同裂缝的发生机制。

关键词：土石坝；裂缝；成因；

1 裂缝分类

根据裂缝所处部位的不同，裂缝分为表面裂缝和内部裂缝。

根据裂缝走向的不同，裂缝分为横向裂缝，纵向裂缝，水平裂缝，龟纹裂缝。

根据裂缝成因的不同，裂缝分为冻融裂缝，干缩裂缝，沉陷裂缝，水力劈裂裂缝，滑坡裂缝，振动裂缝等。

2 裂缝成因

2.1 冻融裂缝

冻融裂缝是由于土体中水分在冻结和融化时，表层土水分冻融速度比内部土水分冻融速度更快，导致表层土收缩和膨胀时受到内部土的约束，因而在表层发生裂缝。冻融裂缝主要发生在低于0℃的严寒地区且昼夜温差较大，表层呈破碎、脱空现象，缝宽及缝深随气温而异。

2.2 干缩裂缝

干缩裂缝是由于土体表面水分蒸发收缩，土体内部收缩很小，致使表层土产生较强拉应力而形成的。干缩与冻融裂缝都呈现不规则形状，一般10～20cm。裂缝呈现标准的漏斗状态，上宽下窄，也可分为表面裂缝和龟纹裂缝。该裂缝在含水率较高或没有保护层的土体中很常见，一般对坝体安全无影响，但会加剧坝面雨淋沟的发展。

由于未连续填筑导致坝面长时间暴露，或上游断面水位发生较大变化但坡面若无保护，则易产生干缩裂缝。

2.3 沉陷裂缝

沉陷裂缝是由于坝体不均匀变形（沉降）引起的。沉陷裂缝一般较大且深入坝体，将破坏坝体完整性，严重威胁大坝的安全。

2.3.1 纵向裂缝

纵向裂缝一般出现在坝体上部，以坝顶居多，由于在横断面上坝体各部位不均匀沉降所引起，较横向裂缝更长。

由于反滤排水料未压实进而比心墙土料沉降量更大[1]，或土料含水率较高但未采取有效措施，或纵向坡面过陡导致漏压、碾压不均匀，或坝基面存在中间高两边低的情况，或分区填筑时前后期断面沉降差异大，或蓄水初期坝体上下游部分先后湿陷导致沿横断面方向产生不均匀沉降，或水位下降速度快于坝坡排水速度导致产生反向渗透压力，则易产生纵向裂缝。

2.3.2 横向裂缝

横向裂缝一般出现在坝体与坝下埋管、岸坡、其它建筑物连接处，由于坝体沿坝轴线各横断面的坝高、坝基条件不同，故当其承受较大的压力时，坝体沿坝轴线的位移也不同，进而产生横向裂缝。横向裂缝通常上下游贯通，其深度又延伸到正常蓄水位以下，可造成集中渗流，故危害性极大。

由于岸坡上有局部峭壁、台地、反坡等导致碾压不密实而出现较大的沉降量，或沿坝轴线方向的坝基（尤其是河床部位）地质情况、物理特性差异较大但未正确处理，或坝体与内部混凝土建筑物（大直径输水洞、管涵等）结合处未处理好，或坝体与外部混凝土建筑物（溢洪道、翼墙等）结合处未处理好，或分区填筑时前后期断面沉降差异大，则易产生横向裂缝。

2.3.3 内部裂缝

内部裂缝一般很难从坝体表面迹象判断出来，需要连续观测、分析研判。如果裂缝不是沿渗流方向贯通，一般不会造成防渗体破坏，对大坝安全没有大的影响[1]。在竣工后，若土石坝设计沉降量高于实测沉降量，或在坝体中进行钻孔时漏空，则可能已产生内部裂缝。在蓄水后，则应加强对渗水量和浑浊度的观测。

由于采用较大压缩性（比上下游两侧坝壳砾石土混合料压缩性大）的黏土填筑防渗（窄）心墙，心墙上部黏土自重通过“拱效应”被上下游坝壳分担承受，心墙上部黏土拉应力无法抵抗其下部自重以致心墙拉裂，产生内部裂缝。

由于坝体内部刚性建筑物（混凝土防渗墙、输水洞、陡坡齿形坚硬基岩等）的压缩性小于周围坝体填土的压缩性，则可能产生不均匀沉降，在刚性建筑物相邻的部位开裂。

由于坝基局部的高压缩性土层未处理好，在坝体沉降过程中，坝基该部沉降量过大，但坝体上部重量通过“拱效应”传递到两岸，使坝体底部产生较大拉应力，易产生内部裂縫。

由于陡坡处较深的干缩裂缝未及时处理，后期填筑时裂缝将被隐藏在坝体内部，随着时间的推移坝体含水率增加后大部分裂缝将闭合，但存在闭合速度非常缓慢的情况，其裂缝在其他诱发条件下可能进一步变化。

2.4 水力劈裂裂缝

水力劈裂是指在高水压力下，在岩体或土体中引起裂缝或进一步扩展的过程[2]，其裂缝一般发生在高土石坝的土质心墙、黏土斜墙、黏土铺盖等低渗透性部位。当心墙中存在裂缝时，裂缝的高渗透性与心墙材料的低渗透性使得“水楔”现象更易形成，当水压力比裂缝扩展阻力大时，则裂缝继续扩展，直至达到压力平衡。裂缝的产生与水压力的增长正相关，可能伴随心墙的渗透破坏，对大坝有很大安全威胁。

由于窄心墙的压缩量大，又受到坝壳“拱作用”不能正常压缩，致使心墙中的竖向压力因“拱作用”比水压力小，蓄水后心墙中易产生贯通上下游的水平水力劈裂裂缝。

由于心墙中存在水平裂缝，库水位又急剧上升，裂缝因水压力不断增大而扩展，最终可能贯穿心墙，导致心墙发生集中渗漏。

由于灌浆压力过大也可能产生水力劈裂缝。

2.5 滑坡裂缝

滑坡裂缝是由于土体沿着剪切破坏面滑移而产生的裂缝，而滑坡的机制是某一滑移面上滑动力大于抗滑力所致。

2.5.1 剪切型滑坡裂缝

剪切滑坡是出现较多的一种滑坡形式，一般是沿着顺层结构面发生[3]，主要是由于坝坡坡度太陡，填土未压实，渗透压力较大造成的。滑动前在坝面出现一条平行于坝轴线的裂缝，滑动体下部出现椭圆形或带状隆起，末端向坝脚方向推移。

2.5.2 塑流型滑坡裂缝

塑流滑坡一般是斜坡中下部的软塑带（或软岩、软土）在上覆土（岩）体重力作用下产生塑性流动而向临空方向挤出，并于其后缘产生拉裂导致上覆土（岩）体解体，沿软塑带缓慢滑动的滑坡[4]。一般发生在含水量较大的高塑性黏土或淤泥的坝体或坝基中，滑动前不一定出现明显的裂缝，但坡面的水平位移和垂直位移将连续增长，滑坡体的下部土被压出或隆起。

2.5.3 液化型滑坡裂缝

液化滑坡一般是振动荷载导致坝体底部饱水粉砂层（黄土层）液化形成滑坡并转化为泥流，振动荷载触发坝体液化多发生在具有明显应变软化特征的饱水颗粒材料（细砂、粉质黄土等）中，此类灾害发生具有突发性，失稳后呈流体状远程运动，易造成灾难性后果[5]。多发生在级配均匀的中细砂或粉砂的坝体或坝基中，滑动前不一定出现明显的裂缝。液化型滑坡时间短，坝体顷刻间便液化流散。

3 结束语

本文通过对土石坝裂缝的综合分析，较为详细地探讨了裂缝分类与成因，得到以下几方面结论：

（1）土石坝裂缝主要是不均匀沉降导致，其中沉陷、水力劈裂、滑坡裂缝对土石坝的威胁很大。

（2）土石坝冻融、干缩、沉陷、水力劈裂裂缝成因较为明确，但其预防与处理措施还需结合实际情况确定。

（3）土石坝滑坡的诱发机制、发生时间等具有不确定性，滑坡及其裂缝的形成条件、成因机理、监测预警以及风险防控还需进一步深入研究。

参考文献

[1]翟王娟.土石坝裂缝成因及防治修补措施介绍[J].山西水利，2007，第2期

[2]孔宪勇，左永振，姜景山.土石坝心墙水力劈裂的研究进展[J].岩土力学，2008，第29卷增刊

[3]刘婷婷，张军.顺层岩质高边坡剪切滑动破坏的敏感性因素分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2016，第40卷第5期

[4]陈广波.塑流-拉裂型滑坡地质特征及形成机理[J].铁道工程学报，1996，第1期

[5]许强，彭大雷，范宣梅，董秀军，张晓超，王欣.甘肃积石山6.2级地震触发青海中川乡液化型滑坡-泥流特征与成因机理[J].武汉大学学报（信息科学版）.2024，DOI：10.13203/J.whugis20240007