中小型水庫(kù)均質(zhì)土壩壩體變形問(wèn)題勘察分析

汪燊

（韶關(guān)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司 廣東韶關(guān) 512025）

1 工程概況

樂(lè)昌市秀水鎮(zhèn)葉子川水庫(kù)為一座小（二）型水庫(kù)，大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高21.90m，現(xiàn)壩頂高程296.6m，壩頂軸線長(zhǎng)115m，壩頂寬5m，壩上游壩坡坡比為1：2.23～2.6，下游壩坡坡比為1：2.0。該水庫(kù)于上世紀(jì)七十年代建成，存在早期水利建設(shè)中普遍存在的問(wèn)題[1]，未進(jìn)行過(guò)勘察試驗(yàn)工作，缺乏完整的勘察設(shè)計(jì)資料，施工技術(shù)水平較落后，屬于典型的“三邊工程”。

水庫(kù)曾經(jīng)長(zhǎng)期存在的滲漏問(wèn)題經(jīng)灌漿防滲處理后得到解決，現(xiàn)存在的主要問(wèn)題為大壩開裂變形。該水庫(kù)歷史異常險(xiǎn)情及除險(xiǎn)加固情況如下：

（1）2005～2007年間大壩上游坡中下部出現(xiàn)過(guò)三次塌陷，后期均經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單施工恢復(fù)原狀。

（2）水庫(kù)長(zhǎng)期伴有滲漏問(wèn)題，2006年對(duì)壩體及壩基灌漿防滲處理后背水坡滲漏問(wèn)題得到解決。

（3）水庫(kù)于2007年12月正式開展除險(xiǎn)加固，清除原有上游坡干砌石培厚加固并設(shè)置混凝土護(hù)坡。

（4）2013年10月該水庫(kù)出現(xiàn)新的險(xiǎn)情，壩體迎水坡左半?yún)^(qū)域發(fā)生第一次變形，近壩頂分布有縱向裂縫，壩面上部沉陷下部隆起，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修整恢復(fù)原狀。

（5）2017年1月，該水庫(kù)在同樣部位發(fā)生第二次變形。此次壩體變形位于壩迎水坡左側(cè)部分，距壩頂3～4m處沿壩縱向分布有連續(xù)的6條張開裂縫[2]，走向大體一致為NE72°，延伸長(zhǎng)度總和近40m，張開寬度一般在1～3cm，局部甚至達(dá)到8cm，在裂縫處用鋼筋可輕易插入，深度2m以上。變形區(qū)域水平方向長(zhǎng)約35m，寬約33m，坡面斜長(zhǎng)約36m，壩面馬道以上區(qū)域沉陷，沉陷深度0.1～0.3m，馬道及馬道以下區(qū)域隆起，隆起高度0.2～0.4m，混凝土護(hù)坡亦出現(xiàn)變形，但壩上游邊線未發(fā)生明顯位移。

2 地質(zhì)概況

水庫(kù)位于樂(lè)昌市西北部的秀水鎮(zhèn)，屬于丘陵～低山地貌，庫(kù)區(qū)所在山谷為U型河谷，高寬比范圍1：6.5～1：5，谷底平坦，谷坡陡斜，沖積地貌不發(fā)育。庫(kù)區(qū)內(nèi)主要地層有第四系沖積（Qal）堆積的粘性土、殘積（Qel）的砂質(zhì)粘土、左岸岸坡出露的石炭系下統(tǒng)大塘階測(cè)水組（C1c）砂巖或泥巖，右岸岸坡出露的石炭系下統(tǒng)大塘階連縣組（C1l）石灰?guī)r。庫(kù)區(qū)左岸地表石灰?guī)r出露情況較好，產(chǎn)狀N10°W∠SW33°，層面發(fā)育，為中厚層狀?yuàn)A薄層狀，呈弱風(fēng)化狀態(tài)，發(fā)育有兩組共軛節(jié)理，第一組節(jié)理產(chǎn)狀N8°W∠SW75°，屬走向節(jié)理，溶蝕現(xiàn)象不明顯，多閉合，地表延伸長(zhǎng)度較短，與壩軸線交角約為81°。第二組節(jié)理產(chǎn)狀N15°E∠NW80°，屬斜向節(jié)理，溶蝕現(xiàn)象較為明顯，多呈現(xiàn)為陡立的溶隙，溶縫寬20～40cm，充填泥質(zhì)，地表出露延伸長(zhǎng)度7～10m，與壩軸線交角約為58°，與壩址河谷走向一致。

3 勘探成果

3.1 鉆（坑）探成果

本項(xiàng)目布置的3個(gè)鉆孔均在變形區(qū)域內(nèi)，變形區(qū)地質(zhì)剖面如圖1，其中ZK1布置在第一次塌陷位置附近，ZK2布置在第二、三次塌陷位置附近，根據(jù)ZK2取土芯觀察及取樣試驗(yàn)結(jié)果，該處下伏壩體土層土質(zhì)相對(duì)較軟，且于壩基面附近發(fā)現(xiàn)一處20cm的土洞，其分布范圍不明。壩基為殘積砂質(zhì)粘土及弱風(fēng)化石灰?guī)r，基巖裂隙較發(fā)育，但未揭露有溶洞。TK1及TK2布置在壩前坡縱向裂縫上，裂縫在豎直方向延伸較短很快閉合，坑壁未發(fā)現(xiàn)有明顯的滑動(dòng)面。

圖1 變形區(qū)Ⅰ～Ⅰ'地質(zhì)剖面圖

3.2 室內(nèi)試驗(yàn)成果

變形區(qū)縱向上土體由壩體填筑土和壩基殘積土構(gòu)成，其中壩體填筑土可分為壩前坡培厚土和舊壩體填筑土，壩體內(nèi)還存在相對(duì)軟弱土體，室內(nèi)試驗(yàn)定名均為低液限粘土（CL）或含礫低液限粘土（CLG）。壩體土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果顯示壩體土料最大干密度ρmax=1.70g/cm3，最優(yōu)含水量Wop=19.2%，粘粒含量9.5%，壩體土物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。壩前坡培厚土和舊壩體填筑土性質(zhì)差異較小，但均出現(xiàn)填筑質(zhì)量問(wèn)題，具體表現(xiàn)為土質(zhì)一般，填筑質(zhì)量較差，碾壓不緊密，天然含水率及塑性指數(shù)偏高，甚至局部為高壓縮性土，飽和快剪指標(biāo)偏低。與壩前坡培厚土及舊壩填筑土整體特性對(duì)比，軟弱土天然含水率高27.2～31.6%，干密度低8.6～9.2%，孔隙比高19.6～22.1%，壓縮系數(shù)高19.0～31.6%，飽和快剪凝聚力低33.0～39.7%，內(nèi)摩擦角低31.1～36.0%。

3.3 物探成果

本次物探勘察[3]測(cè)線網(wǎng)狀布置在水壩的迎水面，目的是采用合適的物探手段查明壩體有無(wú)土洞分布、滲漏通道、輕微滑動(dòng)面等要素，并進(jìn)一步分析巖土體的分層規(guī)律以及基巖的起伏形態(tài)。物探方法采用高密度電法和淺層地震面波勘探法。

物探方法解譯原理：高密度電法測(cè)量壩體，當(dāng)介質(zhì)均勻分布時(shí)，由于淺表部干燥密實(shí)，下部水分增多，視電阻率等值線呈層狀分布，從壩頂向下呈降低趨勢(shì)。當(dāng)壩體內(nèi)存在不均勻土體、裂縫、滲漏通道等隱患時(shí)，則視電阻率等值線梯度變化大，出現(xiàn)高阻或低阻異常閉合圈，因此可根據(jù)視電阻率等值線的變化情況及曲線形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)情況和壩體特征，推斷隱患的性質(zhì)、產(chǎn)狀、和埋深等情況。地震瑞利面波法對(duì)壩體的滲漏區(qū)進(jìn)行勘探具備了很好的地球物理?xiàng)l件，軟弱層與上下巖土層存在明顯波阻抗差異，表現(xiàn)為軟弱層或富水層面波速度較低。

通過(guò)綜合物探方法，解釋推斷了D1－D4號(hào)測(cè)線斷面圖（圖2），B1-B1’測(cè)線面波速度反演等值線圖（圖3上），結(jié)合鉆探成果繪出壩體異常位置的平面邊界范圍圖（圖3下），勘察區(qū)內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)滲漏跡象，未測(cè)到明顯滑動(dòng)面的存在。基本查明了4處軟弱體或富水區(qū)，馬道附近下方為大面積分布區(qū)域。

表1 壩體土物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比表

圖2 物探推斷地質(zhì)解譯圖

圖3 面波速度反演等值線圖（上）及軟弱體平面分布范圍圖（下）

4 變形成因定性分析及處理建議

壩體產(chǎn)生變形的過(guò)程及原因主要總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）歷史上壩體迎水坡曾發(fā)生多次塌陷，推測(cè)為壩基長(zhǎng)期的異常滲流引起滲透變形，掏空上游壩基形成空隙所致。

（2）壩基部位的空隙使壩體土在自重下發(fā)生多次沉陷，沉陷破壞了土體結(jié)構(gòu)，又由于該部位壩體填筑質(zhì)量差，原本壩體土的壓實(shí)度不達(dá)標(biāo)，因此壩體土的密實(shí)度下降，在庫(kù)水正常滲流作用下馬道以下的壩土體逐漸軟化。

（3）該壩屬于均質(zhì)土壩，則前壩坡變形可視為粘性土邊坡變形問(wèn)題，馬道以下壩腳土層軟化，正常蓄水時(shí)長(zhǎng)期處在飽和狀態(tài)，其稠度狀態(tài)一般呈軟可塑狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度極低，軟弱土體在庫(kù)水位下降后脫水固結(jié)緩慢，抗剪強(qiáng)度仍然較低。下部剪應(yīng)力超過(guò)該處土料實(shí)有的抗剪強(qiáng)度因而產(chǎn)生塑性蠕變，導(dǎo)致上部坡面出現(xiàn)一條或數(shù)條裂縫，由斷續(xù)分布而逐漸連通。馬道以下壩腳軟弱土層沉陷變形，牽引上部土體開裂下移，前坡整體受坡腳擋墻（阻滑體）阻擋，未產(chǎn)生整體滑動(dòng)，使得呈現(xiàn)上部開裂，中部下陷，下部隆起的變形特征。

因此，歷史上壩基部位的異常滲透變形是根本原因，壩體土質(zhì)較差碾壓不緊密是次要原因，后期加固培厚所產(chǎn)生的荷載是本次蠕動(dòng)變形的誘發(fā)因素。壩坡的蠕動(dòng)變形常為滑動(dòng)變形前兆，嚴(yán)重可發(fā)展成滑坡[4]。壩體和壩基中軟弱面（帶）的存在，為可能滑動(dòng)面（帶）的形成提供了有利條件。處理建議：馬道上部削坡，或適當(dāng)降低壩高；馬道以下存在軟弱土體，建議該段整體翻坡碾壓，全部挖除軟弱土回填并分層夯實(shí)抗剪強(qiáng)度高的土料；當(dāng)考慮到翻坡碾壓施工難度以及對(duì)壩體穩(wěn)定不利影響而選擇部分挖除軟弱土體時(shí)，還應(yīng)在馬道以下增加防滑體或增加鎮(zhèn)壓臺(tái)等壩腳壓重。

5 結(jié)論

早期中小型水庫(kù)均質(zhì)土壩的險(xiǎn)情隱患發(fā)生既有其歷史原因并受制于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件，也有后期管理上的原因，具體有以下幾點(diǎn)表現(xiàn)：

（1）建壩時(shí)基本上無(wú)勘察工作，無(wú)據(jù)可依，給后期病險(xiǎn)查因的勘察工作增加了許多難度，在不了解壩基巖土層的性質(zhì)以及斷層破碎帶或節(jié)理密集帶的特征情況下，對(duì)壩基清基不徹底或者需要做壩基處理的未做，往往產(chǎn)生滲漏及滲透穩(wěn)定問(wèn)題，如本例就忽視了對(duì)喀斯特地區(qū)節(jié)理溶隙密集帶的防滲處理。

（2）建壩時(shí)對(duì)壩體土料的性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足，采用了不符合均質(zhì)土壩用料質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的土，如本例壩體土料塑性指數(shù)范圍在17.1～23.5，大部分土對(duì)含水率比較敏感，難于壓實(shí)，干濕變化時(shí)變形大。

（3）建壩時(shí)施工機(jī)械功能低下，土的實(shí)際壓實(shí)度偏低，如本例施工中就是用人工碾壓或拖拉機(jī)帶平磙，即使工程建成運(yùn)行幾十年檢測(cè)干密度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）壩基滲漏曾長(zhǎng)期存在，但由于工程等級(jí)較低、管理和經(jīng)費(fèi)等原因遲遲未能解決，致使異常滲透變形掏空壩基形成空隙。后期除險(xiǎn)加固在未能查明病因的情況下盲目培厚壩體，誘發(fā)新的問(wèn)題。在水庫(kù)除險(xiǎn)加固中各方應(yīng)重視勘察工作，同時(shí)勘察也可以多采用新的方法，如物探方法具有透視性、高效率、低成本的優(yōu)勢(shì)，雖然有其局限性和條件性，而且解譯時(shí)具有多解性的缺陷，但在探測(cè)大壩的洞穴、裂縫、滲漏通道等隱患方面[5]，有時(shí)能發(fā)揮很重要的作用，應(yīng)結(jié)合具體的地質(zhì)條件合理采用。