小型土石壩水庫(kù)加固工程勘察及病險(xiǎn)分析
——以花都新莊水庫(kù)為例

張志遠(yuǎn)

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司， 廣東 中山 528400)

我國(guó)水庫(kù)數(shù)量由新中國(guó)成立初期348座增加到9.88萬(wàn)座，其中小型水庫(kù)75%以上建于20世紀(jì)50～70年代，壩型以土石壩為主。限于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)水平和技術(shù)條件，水庫(kù)大壩建設(shè)存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)計(jì)方案不盡合理、工程質(zhì)量差等問題[1]。

許多水庫(kù)因工程設(shè)施長(zhǎng)期運(yùn)行自然老化, 缺乏必要的維護(hù), 造成存在病險(xiǎn)問題。加固過程中, 地質(zhì)勘察工作體現(xiàn)出其重要性和必要性。工程勘察和病險(xiǎn)分析作為水庫(kù)加固工程的前期工作，在整個(gè)工程中起著十分重要的作用。良好的工程勘察和病險(xiǎn)分析工作往往能大幅提高整體加固工程的效率和降低整體工程的花費(fèi)[2-3]。

小型土石壩的主要病害類型有滲流破壞(滲漏)、滑坡、裂縫、不均勻沉陷、壩下涵管破壞、地震災(zāi)害、液化與洪水漫頂以及其他病害(如波浪破壞,白蟻掘穴)[4-9]。

本文以新莊水庫(kù)為例，結(jié)合工程相關(guān)歷史資料，采用工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、原位測(cè)試、注水試驗(yàn)等綜合勘探方法，根據(jù)工程勘察結(jié)果從庫(kù)區(qū)工程、主壩工程、副壩工程、其他主要建(構(gòu))筑物等多方面對(duì)水庫(kù)加固工程進(jìn)行病險(xiǎn)分析，發(fā)現(xiàn)主壩迎水面存在貫穿裂縫、背水坡見2處疑似螻蛄洞、輸水涵管有輕微漏水現(xiàn)象等一些問題，進(jìn)行了室內(nèi)水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注水實(shí)驗(yàn)對(duì)主壩與副壩穩(wěn)定性做出合理評(píng)價(jià)。為新莊水庫(kù)后續(xù)加固工程提供指導(dǎo)建議。

1 工程概況

新莊水庫(kù)位于廣州市花都區(qū)花東鎮(zhèn)的銅鼓坑上游，水庫(kù)集雨面積6.32 km2，總庫(kù)容608萬(wàn)m3，是一座以防洪、灌溉為主的小型(1)水庫(kù)。

水庫(kù)建成于1958年2月，1979年和1996年分別對(duì)水庫(kù)進(jìn)行過擴(kuò)建加固，2014年完成達(dá)標(biāo)加固整治。新莊水庫(kù)屬于Ⅳ等水利工程，其主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，大壩按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，500年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。

新莊水庫(kù)主要建筑物有大壩2座，溢洪道1座，輸水涵管1座。具體情況如下：

(1)主壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂高程約54.87 m，最大壩高17.2 m，壩頂寬5.0 m，壩頂長(zhǎng)263.0 m，防浪墻頂高程約55.67 m。迎水坡為混凝土面板護(hù)坡，坡比為1∶2.70；背水坡為草皮護(hù)坡，坡比為1∶2.50，在高程47.98 m處設(shè)4.50 m寬平臺(tái)。壩腳設(shè)有排水棱體。

(2)副壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂高程56.55 m，最大壩高8.0 m，壩頂寬3.0 m，壩頂長(zhǎng)150.0 m。迎水坡為混凝土面板護(hù)坡，坡比為1∶2.75；背水坡為草皮護(hù)坡，坡比為1∶2.50。壩腳設(shè)貼坡式反濾層，層頂高程48.58 m。

(3)泄水建筑物為開敞式寬頂堰溢洪道，位于主壩和副壩之間的天然山坳上，總長(zhǎng)475.0 m，堰頂高程50.89 m，共寬12.0 m，側(cè)墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，底板現(xiàn)澆混凝土，堰前長(zhǎng)90 m、寬23 m，在70 m處開始收窄，匯入12 m 寬的陡槽段，陡槽段長(zhǎng)270 m。消力池為等寬式，過水?dāng)嗝鏋榫匦?，長(zhǎng)17 m，寬12 m。

(4)輸水建筑物位于主壩壩中偏右，為鋼筋混凝土壓力圓管，內(nèi)徑0.6 m，最大輸水流量4.94 m3/s。灌區(qū)有東、西兩干渠，全長(zhǎng)6.6 km。

2 工程勘查

本次為初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察，為了確保水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行，主要目的是為壩體穩(wěn)定計(jì)算與滲透分析、安全加固設(shè)計(jì)與施工提供真實(shí)、可靠的地質(zhì)資料。

2.1 工程勘察技術(shù)要求

出于對(duì)工作精度的考量，同時(shí)也為了避免資源的浪費(fèi)，在勘察工作開始前，設(shè)立了以下技術(shù)要求：

(1)工程地質(zhì)測(cè)繪。測(cè)繪范圍為整個(gè)庫(kù)區(qū)，著重對(duì)壩址區(qū)域及周邊影響水庫(kù)運(yùn)行的不良地質(zhì)現(xiàn)象及成因類型、地形地貌等進(jìn)行充分的地質(zhì)踏勘、調(diào)繪。

(2)布孔要求。該水庫(kù)布孔按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行布置，該水庫(kù)于主壩布置5個(gè)鉆孔，副壩布置3個(gè)鉆孔，合計(jì)8個(gè)鉆孔。

(3)孔深要求?？咨顟?yīng)到達(dá)壩基以下≥5 m，若深度范圍內(nèi)遇基巖，應(yīng)鉆入基巖≤5 m。

(4)試驗(yàn)要求。對(duì)原狀土樣做常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目；對(duì)砂層、卵石層應(yīng)進(jìn)行顆粒分析；對(duì)黏性土進(jìn)行土常規(guī)試驗(yàn)；對(duì)水樣做簡(jiǎn)分析試驗(yàn)；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)在所有勘探孔中進(jìn)行。

2.2 工程勘察方法

本次勘察工作采用了工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、原位測(cè)試、注水試驗(yàn)等綜合勘探方法。具體如下：

(1) 測(cè)量。勘探點(diǎn)實(shí)地位置是根據(jù)總平面圖及勘探點(diǎn)平面布置圖，采用GPS-RTK結(jié)合實(shí)際地物進(jìn)行測(cè)設(shè)孔位及測(cè)定孔口標(biāo)高。

(2) 鉆探。野外作業(yè)計(jì)劃動(dòng)用鉆機(jī)1臺(tái)，完成鉆孔8個(gè)并采用泥漿護(hù)壁干鉆投球取芯法工藝，滿足各巖土層的描述要求，確保分層的準(zhǔn)確性。

(3) 原位測(cè)試。包括動(dòng)探和標(biāo)貫，標(biāo)貫試驗(yàn)主要在中細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層中進(jìn)行，標(biāo)貫試驗(yàn)均采用自動(dòng)落錘裝置，在測(cè)試中嚴(yán)格遵循操作規(guī)程，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(4)注水試驗(yàn)。試驗(yàn)前進(jìn)行地下水位觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間間隔不少于5 min；試段長(zhǎng)度不大于5 m，同一試段不宜跨越透水性相差懸殊的兩種巖土層。

(5) 取土試樣。采用薄壁取土器、厚壁取土器，等取出各種土樣；擾動(dòng)土樣直接取自巖芯管和標(biāo)貫器；巖樣直接取自巖芯管。

(6) 取水。水樣取自鉆孔內(nèi)，在鉆孔水位靜置24 h后于鉆孔內(nèi)直接采取地下水樣。水樣采取后立即封好瓶口，貼好標(biāo)簽，及時(shí)送回化驗(yàn)室。

(7) 水位觀測(cè)。鉆探施工時(shí)先采用無(wú)水干鉆鉆進(jìn)，鉆至見到地下水位后，觀測(cè)初見水位；在鉆孔施工結(jié)束后，靜置24 h后量測(cè)鉆孔內(nèi)混合靜止水位，各水位量測(cè)記錄于相應(yīng)的鉆探班報(bào)表。

2.3 工程勘察具體任務(wù)

本次勘察工作的主要任務(wù)為：

(1)查明工程區(qū)域的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，提供有關(guān)巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

(2)調(diào)查壩體滲漏、開裂、沉陷、滑坡以及其他不良地質(zhì)現(xiàn)象和隱患的分布位置、范圍、特征及處理情況與效果。

(3)調(diào)查壩基、岸坡水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，重點(diǎn)是調(diào)查壩基、壩肩滲漏情況，并對(duì)原防滲效果及滲透穩(wěn)定性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。

(4)調(diào)查溢洪道水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定狀況。

(5)調(diào)查水庫(kù)水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，初步評(píng)價(jià)其滲漏、淤積及穩(wěn)定狀況

3 工程病險(xiǎn)分析及評(píng)價(jià)

3.1 庫(kù)區(qū)工程

庫(kù)區(qū)位于丘陵地貌區(qū)，主要成因?yàn)闃?gòu)造剝蝕，庫(kù)區(qū)整體呈靴形，南北最大長(zhǎng)約2.0 km，最大寬約0.6 km，庫(kù)區(qū)周邊均為剝蝕山體，山勢(shì)低矮，植被發(fā)育。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，從以下3個(gè)方面對(duì)庫(kù)區(qū)工程進(jìn)行病險(xiǎn)分析及評(píng)價(jià)：

(1)庫(kù)區(qū)滲漏問題。庫(kù)區(qū)內(nèi)基巖大部分為燕山期花崗巖，未發(fā)現(xiàn)通往庫(kù)外的大斷裂，不存在向庫(kù)外的滲水通道。

(2)庫(kù)岸穩(wěn)定性問題。庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)為剝蝕殘丘地貌，山勢(shì)低矮，岸坡一般較平緩，表面植被較發(fā)育，覆蓋層為殘坡積土層，局部見基巖出露。庫(kù)區(qū)內(nèi)未見大的滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，庫(kù)底基巖穩(wěn)固，總體上庫(kù)岸基本穩(wěn)定。

(3)庫(kù)區(qū)淤積問題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，該水庫(kù)庫(kù)區(qū)周圍為丘陵地貌，地形較平緩，岸坡植被覆蓋良好，上游及庫(kù)區(qū)徑流來(lái)源很少，水庫(kù)淤積情況不明顯。

3.2 主壩工程

主壩位于庫(kù)區(qū)南部，壩址區(qū)屬山間埡口沖洪積地貌區(qū)，兩側(cè)壩肩山體低矮，地形均呈緩坡狀向上抬升，植被發(fā)育，壩頂?shù)孛娓叱碳s54.85 m(珠江高程基準(zhǔn))。

3.2.1 主壩工程病險(xiǎn)分析

該主壩壩體位移觀測(cè)設(shè)施和滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施齊全，但個(gè)別滲流觀測(cè)管存在堵塞現(xiàn)象；主壩迎水面混凝土面板存在大量貫穿裂縫，分縫處填縫泡沫板老化破損嚴(yán)重，混凝土面板存在老化，且有不均勻沉降現(xiàn)象，個(gè)別沉降差最大達(dá)5 cm；背水坡為草皮護(hù)坡，長(zhǎng)勢(shì)較好，現(xiàn)場(chǎng)檢查整體覆蓋完好；下游反濾排水棱體設(shè)置完好，無(wú)破損、沉降現(xiàn)象；坡腳排水溝結(jié)構(gòu)完好，無(wú)積水現(xiàn)象。

3.2.2 主壩工程評(píng)價(jià)

本次主壩工程評(píng)價(jià)主要通過室內(nèi)水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注水實(shí)驗(yàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得出區(qū)域水體的腐蝕性和壩填土的滲透性，再綜合結(jié)果對(duì)主壩工程穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

主壩壩址區(qū)水體的腐蝕性：主壩壩址區(qū)地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，在干濕交替情況下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，環(huán)境水腐蝕性數(shù)據(jù)及結(jié)果詳見表1。

壩填土的滲透性：本次壩填土做注水試驗(yàn)共計(jì)16次，滲透系數(shù)最小值1.04×10-5cm/s，最大值5.87×10-4cm/s，平均值1.57×10-4cm/s，大值平均值3.82×10-4cm/s由試驗(yàn)成果可知，壩填土滲透性離散性較大，密實(shí)度不均。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 主壩區(qū)環(huán)境水腐蝕性評(píng)價(jià)

表2 主壩壩填土鉆孔注水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)本次勘察前期設(shè)計(jì)提供資料，主壩中心線靠上游1.30 m存在300 mm厚塑性混凝土防滲墻。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)繪，主壩下游排水溝無(wú)積水，且壩體浸潤(rùn)線在壩頂處向下游出現(xiàn)陡降，說明該壩體防滲墻效果較好。

3.3 副壩工程

副壩位于庫(kù)區(qū)西部，壩址區(qū)屬山間埡口沖洪積地貌區(qū)，兩側(cè)壩肩山勢(shì)低矮，地形呈緩坡狀向上抬升，植被發(fā)育，壩頂?shù)孛娓叱碳s56.53 m(珠江高程基準(zhǔn))。

3.3.1 副壩工程病險(xiǎn)分析

副壩壩體迎水面混凝土面板存在大量裂縫，混凝土面板存在老化，且有不均勻沉降現(xiàn)象，別沉降差最大達(dá)3 cm，面板排水孔孔口設(shè)置朝上，不利于排水；背水坡為草皮護(hù)坡，長(zhǎng)勢(shì)較好，現(xiàn)場(chǎng)檢查整體覆蓋完好，但右壩肩處排水溝附近土質(zhì)裸露，易受雨水沖刷，應(yīng)注意修復(fù)；下游貼坡排水體上部見2處疑似螻蛄洞，應(yīng)注意消殺；下游貼坡式反濾排水體設(shè)置完好，無(wú)破損、沉降現(xiàn)象；反濾層上部排水溝排水不暢，有積水現(xiàn)象；坡腳排水溝結(jié)構(gòu)完好，無(wú)積水。

3.3.2 副壩工程評(píng)價(jià)

本次副壩工程評(píng)價(jià)主要通過室內(nèi)水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注水實(shí)驗(yàn)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得出區(qū)域水體的腐蝕性和壩填土的滲透性，再綜合結(jié)果對(duì)副壩工程穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

副壩壩址區(qū)地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，在干濕交替情況下對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。具體情況見表3。

表3 副壩區(qū)環(huán)境水腐蝕性評(píng)價(jià)表

本次副壩壩填土做注水試驗(yàn)共計(jì)4次，滲透系數(shù)最小值7.43×10-5cm/s，最大值7.35×10-4cm/s，平均值4.67×10-4cm/s，大值平均值7.15×10-4cm/s。由試驗(yàn)成果可知，壩填土普遍呈中等透水性，副壩壩體沒有滲漏風(fēng)險(xiǎn)。具體數(shù)據(jù)見表具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 副壩壩填土鉆孔注水試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

本工程對(duì)保障水庫(kù)下游防洪安全、灌溉具有積極的作用，同時(shí)對(duì)類似水庫(kù)加固工程也有一定的指導(dǎo)意義。通過工程勘察和病險(xiǎn)分析得到下列結(jié)論：庫(kù)區(qū)未發(fā)現(xiàn)通往庫(kù)外的大斷裂，不存在向庫(kù)外的滲水通道；場(chǎng)地內(nèi)水庫(kù)水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性；主壩迎水面混凝土面板存在大量貫穿裂縫，需要一定程度的監(jiān)控；背水坡局部土質(zhì)裸露，建議修復(fù)，背水坡見2處疑似螻蛄洞，應(yīng)注意消殺；溢洪道底板混凝土存在裂縫，建議修復(fù)；輸水涵管出口管下部有輕微漏水現(xiàn)象，應(yīng)采取防滲措施；管理房地基條件良好，整體現(xiàn)狀完好。

本次勘察為初步設(shè)計(jì)階段勘察，由于勘察階段的時(shí)間限制，導(dǎo)致勘測(cè)得到的實(shí)際工況有限，需要充分重視已有的資料分析才能較為全面地提供各種地質(zhì)參數(shù)。