中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程地質(zhì)問(wèn)題及勘察方法研究

陳華杰

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

浙江省早期建設(shè)完成的大量中小型水庫(kù)在灌溉、防洪、供水、生態(tài)保護(hù)等多方面發(fā)揮了重要作用[1]，其擋水建筑物多為土石壩[2]。這類(lèi)土石壩多采用人力、畜力運(yùn)輸，夯錘、碾子壓實(shí)，土料未篩分或分區(qū)混雜，普遍存在壓實(shí)度低或不均勻，壩體材料滲透系數(shù)大，壩基開(kāi)挖深度較淺或處理措施不到位等多種不符合現(xiàn)行規(guī)范要求的問(wèn)題[3]。目前此類(lèi)水庫(kù)接近設(shè)計(jì)壽命，普遍存在滲漏、變形及穩(wěn)定等多種問(wèn)題[2]，安全隱患日益突出。

1 小型水庫(kù)存在的主要病險(xiǎn)及主要工程地質(zhì)問(wèn)題

1.1 主要病險(xiǎn)

土石壩水庫(kù)的主要病險(xiǎn)類(lèi)型有①壩體、壩基滲流破壞；②壩體變形、滑坡、裂縫、不均勻沉降；③壩體內(nèi)輸水涵管破損，漏水陶蝕壩體；④溢洪道沖蝕嚴(yán)重，局部淤堵或溢洪道設(shè)計(jì)不能滿足行洪要求；⑤洪水漫頂，防洪標(biāo)準(zhǔn)不足；⑥啟閉系統(tǒng)問(wèn)題；⑦其他病害（波浪破壞、白蟻掘穴侵害等）。上述病害以滲流破壞為主，且對(duì)壩體破壞最大[4～6]。

滲流破壞主要是由于地質(zhì)缺陷問(wèn)題處理不當(dāng)或未處理而導(dǎo)致的病害，主要有壩體滲漏、壩基滲漏變形、繞壩滲漏以及壩體與壩基或壩體與岸坡接觸面的接觸沖刷和破壞問(wèn)題。而壩體部位的滲透破壞及變形、滑坡失穩(wěn)等病害主要與早期大壩設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量有關(guān)。

1.2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

1.2.1 滲漏問(wèn)題

根據(jù)陳斌等[6]對(duì)浙江省水庫(kù)病害問(wèn)題類(lèi)型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中超過(guò)60%的水庫(kù)病害為滲漏問(wèn)題。

1）壩基滲漏問(wèn)題

早期土石壩大多建于第四系松散覆蓋層上，少部分為風(fēng)化巖石，節(jié)理裂隙發(fā)育，此類(lèi)壩基滲透性較大，是壩基滲漏通道形成的主要地層。尤其在地質(zhì)資料不足，且設(shè)計(jì)及施工中對(duì)防滲和排水問(wèn)題沒(méi)有足夠重視的情況下修建的水庫(kù)[7]，壩基垂直防滲截墻或上游防滲鋪蓋失效等問(wèn)題，造成水庫(kù)大壩建成后嚴(yán)重滲漏，成為病險(xiǎn)水庫(kù)。

2）壩體滲漏問(wèn)題

早期修筑的中小型水庫(kù)土石壩壩殼及防滲體填筑材料往往沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，來(lái)源于庫(kù)區(qū)山坡的殘坡積層，普遍缺少滿足防滲要求的土體，因此在大壩防滲體填筑時(shí)土質(zhì)不均，局部含碎石較多。部分大壩壩殼與防滲體在填筑料上沒(méi)有顯著區(qū)別，僅在碾壓程度上有所區(qū)分。因此，大壩防滲體填筑料的各項(xiàng)物理指標(biāo)普遍不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。此外，部分水庫(kù)壩體經(jīng)過(guò)二期加高處理，新老防滲體性質(zhì)上存在差異，接觸面未經(jīng)妥善處理，由此在防滲體內(nèi)形成滲漏通道。

3）接觸滲漏問(wèn)題

由于早期小型土石壩修筑前，往往未將壩基及壩肩開(kāi)挖至相對(duì)不透水層，在施工碾壓質(zhì)量難以保證的情況下，造成防滲體與下伏地層接觸不夠緊密，在產(chǎn)生繞壩滲漏的同時(shí)出現(xiàn)接觸滲漏問(wèn)題。

1.2.2 變形及穩(wěn)定問(wèn)題

1）壩基變形及穩(wěn)定問(wèn)題

壩基滲漏造成的滲透穩(wěn)定問(wèn)題是土石壩工程中主要工程地質(zhì)問(wèn)題，危害性極大。庫(kù)水位超過(guò)正常蓄水位時(shí)，在砂礫石或含泥砂礫石壩基中形成管涌，在粘性土或砂土壩基中形成流土或流砂。當(dāng)壩基變形達(dá)到一定程度，將發(fā)生失穩(wěn)破壞，進(jìn)而嚴(yán)重危害水庫(kù)安全。此外，水庫(kù)蓄水后，部分土層浸水沉降，壩基土與壩體土間產(chǎn)生張拉裂縫，進(jìn)而加大了壩基及壩體的滲漏。

2）壩體變形及穩(wěn)定問(wèn)題

早期修筑的土石壩普遍缺少反濾層，因此水庫(kù)蓄水后，滲透變形（包括流土及管涌）同樣發(fā)生在壩體中，嚴(yán)重時(shí)局部土體被擊穿，出現(xiàn)凹陷、鼓脹、壩面塌陷成洞，甚至造成塌坡，在汛期更可導(dǎo)致潰壩等重大事故。

2 工程地質(zhì)勘察必要性及重點(diǎn)、難點(diǎn)

2.1 工程地質(zhì)勘察必要性

早期修筑的中小型水庫(kù)普遍缺少工程地質(zhì)資料，且水庫(kù)蓄水周邊環(huán)境發(fā)生改變，原有工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件已產(chǎn)生變化，壩體土的性狀也在一定程度上發(fā)生變化，病害險(xiǎn)情日益顯露。因此，在中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固過(guò)程中，要全面客觀地反映中小型水庫(kù)病害險(xiǎn)情，分析病害險(xiǎn)情產(chǎn)生的原因，最終為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供經(jīng)濟(jì)合理的處理建議，這就使得工程地質(zhì)勘察工作成為除險(xiǎn)加固過(guò)程中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有在充分、合理、準(zhǔn)確的工程地質(zhì)勘察工作基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的除險(xiǎn)加固方案，才能具有針對(duì)性地解決小水庫(kù)的病險(xiǎn)危害。

2.2 工程地質(zhì)勘察中的重點(diǎn)、難點(diǎn)

1）大部分小型水庫(kù)建成后往往疏于管理，水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益較差，除險(xiǎn)加固大多是被動(dòng)進(jìn)行，直接導(dǎo)致勘察周期短，勘察經(jīng)費(fèi)有限的問(wèn)題。

2）中小型水庫(kù)在建設(shè)前往往缺少甚至沒(méi)有設(shè)計(jì)資料，尤其缺乏地質(zhì)勘察資料，在施工、運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的工程地質(zhì)問(wèn)題也沒(méi)有妥善記錄、保存，造成除險(xiǎn)加固過(guò)程中資料收集困難。

3）中小型病險(xiǎn)水庫(kù)勘察大多數(shù)按照傳統(tǒng)的“點(diǎn)-線-面-體”模式，進(jìn)行工程地質(zhì)勘察工作，缺少針對(duì)性，其表現(xiàn)形式就是等距離、網(wǎng)格狀布置勘探孔，往往需要較大的勘察周期及經(jīng)費(fèi)。對(duì)于病險(xiǎn)位置明確的水庫(kù)，通過(guò)地質(zhì)測(cè)繪可以針對(duì)性布置勘察工作，但是對(duì)于存在病險(xiǎn)隱患的，僅地質(zhì)測(cè)繪難以準(zhǔn)確指導(dǎo)勘察布置，造成勘察費(fèi)用較大，工作周期增多等難題[8]。

4）根據(jù)規(guī)范要求，水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程所需要進(jìn)行的室內(nèi)外試驗(yàn)有20余項(xiàng)，物理力學(xué)指標(biāo)要求精準(zhǔn)。但早期土石壩填土往往成分較雜，含碎石及砂礫石較多，因此鉆機(jī)采取高質(zhì)量原狀土樣較為困難，此外，運(yùn)輸及制樣過(guò)程中都會(huì)對(duì)土樣造成不同程度的擾動(dòng)，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大。在錯(cuò)綜復(fù)雜的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取合理的物理力學(xué)參數(shù)建議值，為設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確合理的地質(zhì)資料，就成為工程地質(zhì)勘察中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

3 地質(zhì)勘察工作方法

3.1 原則及依據(jù)

在立足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的基礎(chǔ)上，還要充分結(jié)合安全鑒定報(bào)告中與工程地質(zhì)相關(guān)的評(píng)價(jià)及意見(jiàn)。針對(duì)性地查明與工程地質(zhì)相關(guān)的病害、險(xiǎn)情部位，并初步分析病害、險(xiǎn)情出現(xiàn)的原因。

3.2 工作方法

中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程是在既有工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，因此，勘察內(nèi)容不僅包括壩基工程地質(zhì)條件，更需要對(duì)壩體工程地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查。

1）廣泛收集資料，充分調(diào)查研究。廣泛收集已有的各種資料（包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料，早期病害處理資料，改擴(kuò)建資料等）是中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程的首要任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，了解工程地質(zhì)條件，水文地質(zhì)條件，研判可能存在的病害形式。進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘走訪了解施工、運(yùn)行過(guò)程中主要存在的病害險(xiǎn)情。

2）合理推斷險(xiǎn)情，針對(duì)布置工作。在收集資料及調(diào)研的基礎(chǔ)上，初步推斷病險(xiǎn)原因，結(jié)合病險(xiǎn)發(fā)生部位，優(yōu)先布置物探工作，根據(jù)物探成果有針對(duì)性的布置測(cè)繪、鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)以及室內(nèi)外試驗(yàn)等勘察工作。

通過(guò)初步地質(zhì)測(cè)繪，結(jié)合收集到的資料，初步建立“假設(shè)地質(zhì)模型”，以此布置物探測(cè)線。物探測(cè)試速度快，信息量較多，再針對(duì)物探異常布置鉆孔、水文地質(zhì)試驗(yàn)、室內(nèi)外試驗(yàn)驗(yàn)證，最終建立較為完善的地質(zhì)模型。先進(jìn)行物探，再做勘探與試驗(yàn)，能充分發(fā)揮物探指導(dǎo)性作用，避免勘探工作不必要的浪費(fèi)[8]。

對(duì)于探測(cè)中小型水庫(kù)主要病險(xiǎn):滲漏問(wèn)題，比較有效的物探方法是電法。圖1為某水庫(kù)土石壩壩頂處超高密度電法剖面，壩體中央設(shè)砼防滲墻。

圖1 某水庫(kù)土石壩壩頂處超高密度電法剖面

物探成果表明壩中間偏左位置，在平距83.0 m（深10.0 m）、117.0 m（深 17.0 m）、159.0 m（深 13.0 m），深度正常蓄水位附近，有3個(gè)低阻異常，電阻率極小值小于12.0 Ω·m，推測(cè)為防滲墻滲漏點(diǎn)。另外在副壩右岸平距290 m處的全風(fēng)化基巖內(nèi)，存在一處近直立條帶狀分布的相對(duì)低阻帶，電阻率值在60 Ω·m～150 Ω·m之間，推測(cè)為全風(fēng)化基巖內(nèi)繞壩滲漏點(diǎn)。根據(jù)高密度電法成果圖，可確定壩體及壩基中滲透性較強(qiáng)的區(qū)域，結(jié)合地表測(cè)繪，在相應(yīng)位置布置鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)及取樣試驗(yàn)。由此方法獲得地質(zhì)勘察成果，在節(jié)約勘察時(shí)間、成本的同時(shí)，也為除險(xiǎn)加固提供了全面準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料。

3）嚴(yán)格控制取樣，準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)。地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性是除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)，而高質(zhì)量地獲取原狀土樣又是地質(zhì)參數(shù)準(zhǔn)確性的前提，因此需根據(jù)巖土類(lèi)別、性狀及試驗(yàn)?zāi)康模捎貌煌?lèi)型的取土器，配合適當(dāng)?shù)你@探工藝采取原狀土樣，才能獲取原狀土樣。早期中小型水庫(kù)填筑土料不均勻，土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，因此，要綜合各種資料并結(jié)合鄰近類(lèi)似工程，有依據(jù)地剔除異常數(shù)據(jù)，最終準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出巖土體的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)。

4）綜合判定病因，妥善提出建議。在詳細(xì)分析資料、準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，綜合判定水庫(kù)出現(xiàn)的各類(lèi)險(xiǎn)情病害原因，最終為水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提出妥善的建議。

4 結(jié)語(yǔ)

浙江省早期修筑的中小型土石壩水庫(kù)工程病害險(xiǎn)情日益顯現(xiàn)。滲漏問(wèn)題是其首要病害問(wèn)題。要全面客觀地查清水庫(kù)病害險(xiǎn)情，并分析其產(chǎn)生原因，必須依賴于針對(duì)性強(qiáng)、目的性明確的工程地質(zhì)勘察工作?？辈旃ぷ饕浞种匾曇延械馁Y料分析和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)研，在初步推斷險(xiǎn)情的基礎(chǔ)上優(yōu)先布置物探工作，以此指導(dǎo)其他勘察工作布置，并嚴(yán)格控制取樣，準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)，為除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供合理的地質(zhì)參數(shù)以及經(jīng)濟(jì)有效的處理建議。