中小型碾壓式土石壩水庫工程勘察及病險(xiǎn)分析

羅 婧

(江西省贛撫平原水利工程管理局，江西 南昌 330096)

1 工程概況

某水庫是一宗以防洪為主，集灌溉、發(fā)電、供水于一體的綜合利用中型水庫，水庫工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級。水庫壩址以上流域集雨面積53 km2，多年平均流量1.17 m3/s，多年平均徑流深800 mm。水庫由樞紐建筑物和灌區(qū)兩大部分組成，主要樞紐建筑物包括大壩、條形山、輸水涵管、溢洪道、壩后電站等，主灌渠全長4.4 km，后分東、西、中三條灌渠至各灌區(qū)，灌區(qū)有效灌溉面積0.10萬hm2。

(1)水庫主壩。為均質(zhì)土壩，主壩長108 m，壩頂寬度5 m，設(shè)計(jì)壩底寬215 m，最大壩高41 m，壩頂高程313.30 m，防浪墻頂高程314.30 m，采用混凝土路面。

(2)條形山。是在原狀山體上削坡而成擋水建筑物，長200 m，迎水側(cè)采用干砌石護(hù)坡，在302.30 m高程處設(shè)有混凝土齒墻，295.50 m及291.30 m高程處設(shè)有干砌石齒墻，各齒墻之間填筑反濾層粗砂、碎石各 150 mm厚；高程304.80 m 處設(shè)置一級馬道，寬2.0 m，馬道以上、以下坡比均為1∶2.0，高程292.80 m 處設(shè)置二級馬道，寬2.0 m，馬道以上坡比1∶2.0，馬道以下坡比1∶2.5，坡面采用草皮護(hù)坡。高程 280.30 m 以下為壩腳回填土方。

(3)輸水涵。管布設(shè)在大壩的左岸，總長184.5 m，其中壩體內(nèi)涵管長169.6 m，原設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土管，斷面為圓形，內(nèi)徑1.2 m，管壁厚度30～40 cm，基礎(chǔ)為堅(jiān)實(shí)砂巖地基，采用漿砌石墊座。

(4)溢洪道。閘室右端與水庫條形山相連，左端與山頭相接，通過6 m高單孔露頂弧形鋼閘門控制泄流，閘室凈寬11.7 m，采用駝峰堰擋水，堰頂高程304.65 m，設(shè)計(jì)最大下泄流量427.8 m3/s。

(5)壩后電站。采用地面式廠房，電站設(shè)計(jì)水頭26 m，設(shè)計(jì)流2.8 m3/s，裝機(jī)為 2×260 kW。

2 工程勘查內(nèi)容與結(jié)果

2.1 工程勘察內(nèi)容

根據(jù)水庫地質(zhì)工程概況，在前期地質(zhì)勘察的工作完成基礎(chǔ)上，確定了本次勘察工作的主要內(nèi)容為：

(1)全面復(fù)查工程區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，重點(diǎn)檢查水庫運(yùn)行以來地質(zhì)條件的變化。

(2)了解壩體現(xiàn)狀，包括壩身結(jié)構(gòu)、壩體填筑土組成及填筑質(zhì)量，了解填料級配、密實(shí)度、滲透系數(shù)等，復(fù)核壩體填筑土的物理力學(xué)參數(shù)。

(3)調(diào)查壩體滲漏、開裂、沉陷、滑坡以及其他建筑物的險(xiǎn)情的分布位置、范圍、特征及搶險(xiǎn)處理措施與效果，初步分析病害險(xiǎn)情的類型和成因。

(4)了解壩基、壩肩及各建筑物地基的地層結(jié)構(gòu)、巖土體特性及物理力學(xué)性質(zhì)；了解壩基清基情況，重點(diǎn)查明地基滲漏情況。

(5)了解近壩庫區(qū)與建筑物有關(guān)的滑坡體、崩塌體的分布范圍和規(guī)模，初步分析其穩(wěn)定性。

本次勘察外業(yè)鉆探采用 XY-150 型地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)場進(jìn)行地質(zhì)鉆探外業(yè)工作，運(yùn)用套管護(hù)壁進(jìn)行鉆探(開孔孔徑130 mm，終孔孔徑91 mm)。

2.2 勘察結(jié)果

2.2.1 工程和水文地質(zhì)條件

本次勘察結(jié)果顯示近壩庫岸基本穩(wěn)定，未見大的滑坡、坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生，庫岸基本穩(wěn)定。水庫區(qū)周圍山體無單薄分水嶺地形，山體雄厚，山頂高程均高于水庫正常蓄水位，地形封閉自然條件較好，庫盆為相對不透水的巖土體構(gòu)成，庫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)通向庫外的大斷裂，不存在水庫滲漏問題。庫區(qū)在正常蓄水位回水線的影響發(fā)生在蓄水工程四周的山坡地區(qū)，工程蓄水后庫區(qū)范圍內(nèi)不存在受浸沒影響的潛在對象。庫區(qū)周圍為低山丘陵地貌，庫岸地形坡度較緩，庫區(qū)地表覆蓋第四系殘坡積層，近壩庫岸及庫區(qū)山體植被覆蓋率高，庫區(qū)蓄水位以上及庫岸存在一定范圍的裸露土層。在雨季，地表溪流將會(huì)造成一定的水土流失，總的來說，庫區(qū)存在一定程度的淤積問題。

工程區(qū)內(nèi)地表水、大壩地下水具重碳酸型中等腐蝕性；條形山地下水對混凝土具一般酸性弱腐蝕性，對混凝土重碳酸性中等腐蝕；工程區(qū)內(nèi)地表水、地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)均具有弱腐蝕性。

2.2.2 不良地質(zhì)現(xiàn)象

勘察到存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象為庫區(qū)地層風(fēng)化土廣泛分布，可塑～硬塑狀，遇水軟化、崩解，在無擾動(dòng)的情況，自穩(wěn)較好，但在有水的情況下經(jīng)施工擾動(dòng)，容易軟化崩解，使土體強(qiáng)度、穩(wěn)定性大為降低[1-2]。樞紐區(qū)的滑坡主要分布在溢洪道泄槽段起點(diǎn)南側(cè)邊坡和大壩左壩肩處，溢洪道滑坡曾進(jìn)行過減載、削坡、抗滑樁等方案處理，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。大壩左岸近庫岸處分布有弱風(fēng)化巖體，岸坡目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，但高角度邊坡巖體裂隙極發(fā)育，若處于長時(shí)間裸露，風(fēng)化狀態(tài)下易出現(xiàn)掉塊，局部小范圍崩塌現(xiàn)象。

3 水庫工程病險(xiǎn)分析及評價(jià)

通過對庫區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行勘察分析，發(fā)現(xiàn)水庫長期運(yùn)行中主壩、條形山、溢洪道、輸水涵管、發(fā)電廠等不同建筑物出現(xiàn)一定的病害，影響大壩結(jié)構(gòu)性的完整和主要功能和效益的發(fā)揮，故在工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上對本工程的典型病害進(jìn)行病害表現(xiàn)分析和評價(jià)。

3.1 大壩主體病險(xiǎn)分析及評價(jià)

3.1.1 壩體現(xiàn)狀

壩體局部開裂：防浪墻、壩頂位置有混凝土或水泥老化產(chǎn)生的微小裂痕，內(nèi)部無明顯結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)育，結(jié)構(gòu)較為完整，對壩體質(zhì)量無明顯影響。

壩體表面沖刷：背水坡表面草皮沖刷嚴(yán)重，迎水坡為混凝土護(hù)坡，面板中部存在大量裂縫發(fā)育，壩坡常水位以下面板存在沖刷、磨損開裂現(xiàn)象。整體未見不均勻沉降，護(hù)面基本完好，未造成沉陷、塌坑、隆起等現(xiàn)象。

生物災(zāi)害：背水坡局部可見蟻穴、老鼠洞，坡面整體未見明顯的管涌、流土、塌陷，目前對壩體質(zhì)量無實(shí)質(zhì)性損害。

3.1.2 填筑土滲透性及滲流評價(jià)

水庫土壩存在壩體滲漏主要原因有兩個(gè)：一是由于歷史原因選用填筑土料未達(dá)設(shè)計(jì)要求，造成實(shí)際土體滲透系數(shù)大于設(shè)計(jì)滲透系數(shù)，壩基表層巖石破碎，裂隙發(fā)育，致使壩基滲漏大。二是由于水庫是在特殊歷史年代施工的，前期地勘及設(shè)計(jì)審查都沒有按基建程序執(zhí)行，施工無法按規(guī)范進(jìn)行，造成壩體人工填土部分土塊粒徑較大，空隙多，壓實(shí)不夠，不均勻，層面結(jié)合不良，壩體不密實(shí)。為查明填筑土滲透性和滲漏問題，在大壩、條形山及其連接山體的壩頂和壩后一級馬道布置二條高密度測線和二條自然點(diǎn)位測線。

由高密度電法和自然電位法剖面可知：大壩填土主要呈低阻異常，填土層和壩基部位含水率較高，異常部位與2001年除險(xiǎn)加固前的滲漏位置相吻合。

另進(jìn)行了填筑土的原位注水試驗(yàn)和室內(nèi)滲透試驗(yàn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析：壩體填土壩軸線滲透系數(shù)范圍值為3.63×10-5～2.97×10-3cm/s，平均值為9.27×10-4cm/s，大值平均值為1.88×10-3cm/s，壩軸線填土中等透水占總體比例為83.4%，弱透水僅占16.6%；壩后坡填土主要層弱透水性。

3.1.3 填筑土工實(shí)驗(yàn)

為了查明壩基巖土分層、壩體填土質(zhì)量狀況及相關(guān)巖土體滲透性。在壩頂(高程為313.28 m)布置2個(gè)鉆孔，背水坡一級馬道(高程為305.09 m)布置1個(gè)鉆孔，進(jìn)行了壩體填筑土工試驗(yàn)，根據(jù)大壩壩體土料擊實(shí)試驗(yàn)成果，其最大干密度1.82 g/cm3，最優(yōu)含水量為14.6%，壩體填土天然含水率18.1%～30.7%，壩體填土干密度1.36 ～1.69 g/cm3，干密度平均值1.52 g/cm3，計(jì)算得出壩體壓實(shí)度范圍值74.7%～92.8% 壩體填土壓實(shí)度平均值為83.5%，不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)對本大壩填土壓實(shí)度大于98%的相關(guān)要求。

本階段在了解大壩現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對大壩壩體填筑質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)、對大壩填筑土的滲透性及滲流進(jìn)行了評價(jià)并測試了大壩填土物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)壩體主要病險(xiǎn)類型為：填筑土壓實(shí)度較低，密實(shí)程度不均勻，施工質(zhì)量差異明顯，填土中等～高壓縮性，在增加荷載，附加應(yīng)力的作用下，存在進(jìn)一步沉降變形的風(fēng)險(xiǎn)；壩體填土存在滲透性中等偏大的部位，對大壩進(jìn)行灌漿處理起到一定防滲效果，依舊存在壩滲漏問題。

3.2 壩基病險(xiǎn)分析及評價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場注(壓)水試驗(yàn)資料， 壩基巖(土)體殘坡積粉質(zhì)黏土現(xiàn)場注水試驗(yàn)滲透系數(shù)為4.12×10-4cm/s，為中等透水性；下部強(qiáng)風(fēng)化長石石英砂巖滲透系數(shù)為3.09×10-4cm/s，為中等透水性；弱風(fēng)化長石石英砂巖上部節(jié)理裂隙發(fā)育部位滲透系數(shù)為2.85×10-4～3.20×10-4cm/s，為中等透水性；弱風(fēng)化長石石英砂巖下部壓水試驗(yàn)透水率q=0.30～1.54 Lu，平均值為0.82 Lu為弱透水性。

本次勘察注水、壓水試驗(yàn)成果顯示：壩基中等透水占總體比例為42.9%，弱透水僅占57.1%。壩基與壩體結(jié)合部總體呈中等透水性，壩基滲漏、兩壩肩和壩體接合處存在滲漏問題，通過前期的注漿加固在一定程度上解決了該問題。

3.3 條形山現(xiàn)狀及病險(xiǎn)分析

在大壩、條形山及其連接山體的壩頂(高程為313.30 m)和壩后一級馬道(高程為305.0 m)布置二條高密度測線和二條自然電位測線，以探測壩體(壩體滲漏隱患區(qū))的空間位置，探測顯示水庫在條形山在(自編0+120～0+126)，高程為255.0 m以下、高程為285.0～290.0 m以下山體存在低阻異常區(qū)，異常區(qū)域均為原始山體，推測為巖體風(fēng)裂隙發(fā)育，含水率較大導(dǎo)致所測區(qū)域低阻異常。

為查明條形山各巖土體滲透性，采用現(xiàn)場注水試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法。實(shí)驗(yàn)成果：條形山各巖土層整體呈弱透水性，均滿足規(guī)范SL 274—2020相關(guān)規(guī)范均質(zhì)土壩土體滲透系數(shù)小于1.0×10-4cm/s要求。

利用室內(nèi)試驗(yàn)對巖土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析后得到如下結(jié)論：條形山兩壩肩為殘坡積含礫粉質(zhì)黏土層，呈弱透水性，左右壩肩穩(wěn)定性較好，未見發(fā)生山體穩(wěn)定問題和滲漏現(xiàn)象，條形山現(xiàn)階段整個(gè)透水性以弱透水性為主。現(xiàn)狀條件下滲流穩(wěn)定，建議加強(qiáng)監(jiān)測。

3.4 溢洪道工程現(xiàn)狀分析

通過測試分析溢洪道現(xiàn)狀如下。

進(jìn)口段：少量粗骨料裸露；局部受水流沖刷影響，骨料裸露；整體而言溢流堰堰體結(jié)構(gòu)完好，表面無裂縫，剝落，空蝕等現(xiàn)象。

泄槽段：部分分縫處長有雜草，局部溢流面板塊存在裂縫，均采用石膏修補(bǔ)。

挑流鼻坎：溢洪道消力池內(nèi)有積水，挑流鼻坎結(jié)構(gòu)基本完好，未見破損、沉降、裂縫。

下游沖坑：鼻坎以下沖坑基巖為弱風(fēng)化石英砂巖，抗沖能力，承載力均滿足規(guī)范要求，沖坑現(xiàn)狀穩(wěn)定，鼻坎下方未出現(xiàn)異常淘刷情況，不影響溢洪道正常運(yùn)行。

綜上所述溢洪道部位整體工程地質(zhì)條件較好，現(xiàn)狀維護(hù)管養(yǎng)較好，建議加強(qiáng)監(jiān)測和進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。

3.5 輸水涵管工程現(xiàn)狀分析

啟閉連桿表面涂層基本脫落，存在多處銹蝕，啟閉機(jī)運(yùn)行正常，電動(dòng)機(jī)銘牌缺失。底流式消能池內(nèi)有積水，斜坡段長有雜草，未積水段混凝土表面有較為明顯的沖刷磨損痕跡。

根據(jù)輸水涵管CCTV檢測成果報(bào)告共發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷1處，管道內(nèi)壁下沿處出現(xiàn)少許的鐵銹。屬于Ⅰ級缺陷，結(jié)構(gòu)條件基本完好，不需要修復(fù)，功能性缺陷0處，管道運(yùn)行基本不受影響，沒有明顯需要處理的缺陷，建議加強(qiáng)監(jiān)測。

3.6 發(fā)電廠房現(xiàn)狀分析

根據(jù)施工開挖資料以及現(xiàn)場查勘了解：廠房基礎(chǔ)絕大部分已坐落于風(fēng)化基巖上，整個(gè)基礎(chǔ)承載力抗滑、抗變形以及抗?jié)B能力均滿足設(shè)計(jì)要求。整個(gè)發(fā)電廠房現(xiàn)狀變形沉陷現(xiàn)象極少，擋土墻現(xiàn)狀穩(wěn)定。

4 病險(xiǎn)綜合治理建議

大壩填筑土壓實(shí)度較低，密實(shí)程度不均勻，存在進(jìn)一步沉降變形的風(fēng)險(xiǎn)；壩體與壩基及壩軸線填土均呈中等透水性[3]，需進(jìn)行壩體滲流穩(wěn)定復(fù)核，條形山現(xiàn)狀條件下滲流穩(wěn)定，建議加強(qiáng)監(jiān)測。溢洪道、輸水涵管與發(fā)電廠運(yùn)行良好，建議加強(qiáng)監(jiān)測和進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理。

針對上述地質(zhì)勘察存在工程問題提出以下建議：(1)庫區(qū)在雨季時(shí)，由于水土流失會(huì)造成一定程度的淤積問題，應(yīng)該改善植被，保持水土；在雨季來臨之前進(jìn)行加固；雨季期間加強(qiáng)監(jiān)測清淤工作，避免出現(xiàn)問題。(2)大壩填筑土壓實(shí)度較低，密實(shí)程度不均勻，施工質(zhì)量差異明顯，在附加應(yīng)力的作用下容易出現(xiàn)不均勻沉降，建議設(shè)計(jì)對大壩和進(jìn)行沉降穩(wěn)定復(fù)核。(3)壩基與壩體結(jié)合部總體呈中等透水性，存在一定的滲漏風(fēng)險(xiǎn)，針對該問題應(yīng)定期監(jiān)測，對出現(xiàn)滲漏問題采用注漿等手段進(jìn)行加固。(4)對條形山、溢洪道、輸水涵管等設(shè)備雖目前良好，但也要定期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理。

5 結(jié) 論

通過庫區(qū)的詳勘和病險(xiǎn)分析得到以下結(jié)論：(1)岸坡穩(wěn)定性較好，不存在永久性滲漏問題，水質(zhì)對混凝土、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性較弱；(2)后期需對大壩進(jìn)行沉降穩(wěn)定和滲漏穩(wěn)定復(fù)核；(3)水庫穩(wěn)定性勘察分析的方法和手段比較綜合，通過鉆孔取樣和實(shí)驗(yàn)分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，往往需要設(shè)計(jì)先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)如聲吶滲流、追蹤實(shí)驗(yàn)來更加精確探明的滲漏情況。