中小型水庫除險加固工程地質問題及勘察方法研究

陳華杰

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002）

浙江省早期建設完成的大量中小型水庫在灌溉、防洪、供水、生態保護等多方面發揮了重要作用[1]，其擋水建筑物多為土石壩[2]。這類土石壩多采用人力、畜力運輸，夯錘、碾子壓實，土料未篩分或分區混雜，普遍存在壓實度低或不均勻，壩體材料滲透系數大，壩基開挖深度較淺或處理措施不到位等多種不符合現行規范要求的問題[3]。目前此類水庫接近設計壽命，普遍存在滲漏、變形及穩定等多種問題[2]，安全隱患日益突出。

1 小型水庫存在的主要病險及主要工程地質問題

1.1 主要病險

土石壩水庫的主要病險類型有①壩體、壩基滲流破壞；②壩體變形、滑坡、裂縫、不均勻沉降；③壩體內輸水涵管破損，漏水陶蝕壩體；④溢洪道沖蝕嚴重，局部淤堵或溢洪道設計不能滿足行洪要求；⑤洪水漫頂，防洪標準不足；⑥啟閉系統問題；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，且對壩體破壞最大[4～6]。

滲流破壞主要是由于地質缺陷問題處理不當或未處理而導致的病害，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題。而壩體部位的滲透破壞及變形、滑坡失穩等病害主要與早期大壩設計、施工質量有關。

1.2 主要工程地質問題

1.2.1 滲漏問題

根據陳斌等[6]對浙江省水庫病害問題類型進行了統計，其中超過60%的水庫病害為滲漏問題。

1）壩基滲漏問題

早期土石壩大多建于第四系松散覆蓋層上，少部分為風化巖石，節理裂隙發育，此類壩基滲透性較大，是壩基滲漏通道形成的主要地層。尤其在地質資料不足，且設計及施工中對防滲和排水問題沒有足夠重視的情況下修建的水庫[7]，壩基垂直防滲截墻或上游防滲鋪蓋失效等問題，造成水庫大壩建成后嚴重滲漏，成為病險水庫。

2）壩體滲漏問題

早期修筑的中小型水庫土石壩壩殼及防滲體填筑材料往往沒有經過嚴格篩選，來源于庫區山坡的殘坡積層，普遍缺少滿足防滲要求的土體，因此在大壩防滲體填筑時土質不均，局部含碎石較多。部分大壩壩殼與防滲體在填筑料上沒有顯著區別，僅在碾壓程度上有所區分。因此，大壩防滲體填筑料的各項物理指標普遍不能滿足現行規范的要求。此外，部分水庫壩體經過二期加高處理，新老防滲體性質上存在差異，接觸面未經妥善處理，由此在防滲體內形成滲漏通道。

3）接觸滲漏問題

由于早期小型土石壩修筑前，往往未將壩基及壩肩開挖至相對不透水層，在施工碾壓質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，在產生繞壩滲漏的同時出現接觸滲漏問題。

1.2.2 變形及穩定問題

1）壩基變形及穩定問題

壩基滲漏造成的滲透穩定問題是土石壩工程中主要工程地質問題，危害性極大。庫水位超過正常蓄水位時，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。當壩基變形達到一定程度，將發生失穩破壞，進而嚴重危害水庫安全。此外，水庫蓄水后，部分土層浸水沉降，壩基土與壩體土間產生張拉裂縫，進而加大了壩基及壩體的滲漏。

2）壩體變形及穩定問題

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

2 工程地質勘察必要性及重點、難點

2.1 工程地質勘察必要性

早期修筑的中小型水庫普遍缺少工程地質資料，且水庫蓄水周邊環境發生改變，原有工程地質條件及水文地質條件已產生變化，壩體土的性狀也在一定程度上發生變化，病害險情日益顯露。因此，在中小型水庫除險加固過程中，要全面客觀地反映中小型水庫病害險情，分析病害險情產生的原因，最終為除險加固設計提供經濟合理的處理建議，這就使得工程地質勘察工作成為除險加固過程中至關重要的一個環節。只有在充分、合理、準確的工程地質勘察工作基礎上設計的除險加固方案，才能具有針對性地解決小水庫的病險危害。

2.2 工程地質勘察中的重點、難點

1）大部分小型水庫建成后往往疏于管理，水庫經濟效益較差，除險加固大多是被動進行，直接導致勘察周期短，勘察經費有限的問題。

2）中小型水庫在建設前往往缺少甚至沒有設計資料，尤其缺乏地質勘察資料，在施工、運行過程中發生的工程地質問題也沒有妥善記錄、保存，造成除險加固過程中資料收集困難。

3）中小型病險水庫勘察大多數按照傳統的“點-線-面-體”模式，進行工程地質勘察工作，缺少針對性，其表現形式就是等距離、網格狀布置勘探孔，往往需要較大的勘察周期及經費。對于病險位置明確的水庫，通過地質測繪可以針對性布置勘察工作，但是對于存在病險隱患的，僅地質測繪難以準確指導勘察布置，造成勘察費用較大，工作周期增多等難題[8]。

4）根據規范要求，水庫除險加固工程所需要進行的室內外試驗有20余項，物理力學指標要求精準。但早期土石壩填土往往成分較雜，含碎石及砂礫石較多，因此鉆機采取高質量原狀土樣較為困難，此外，運輸及制樣過程中都會對土樣造成不同程度的擾動，導致室內試驗數據離散性較大。在錯綜復雜的試驗數據中提取合理的物理力學參數建議值，為設計提供準確合理的地質資料，就成為工程地質勘察中的重點和難點。

3 地質勘察工作方法

3.1 原則及依據

在立足相關規程規范的基礎上，還要充分結合安全鑒定報告中與工程地質相關的評價及意見。針對性地查明與工程地質相關的病害、險情部位，并初步分析病害、險情出現的原因。

3.2 工作方法

中小型水庫除險加固工程是在既有工程的基礎上進行工程地質勘察，因此，勘察內容不僅包括壩基工程地質條件，更需要對壩體工程地質條件進行調查。

1）廣泛收集資料，充分調查研究。廣泛收集已有的各種資料（包括工程地質、水文地質資料，早期病害處理資料，改擴建資料等）是中小型水庫除險加固工程的首要任務。在此基礎上，了解工程地質條件，水文地質條件，研判可能存在的病害形式。進一步通過現場踏勘走訪了解施工、運行過程中主要存在的病害險情。

2）合理推斷險情，針對布置工作。在收集資料及調研的基礎上，初步推斷病險原因，結合病險發生部位，優先布置物探工作，根據物探成果有針對性的布置測繪、鉆探、水文地質試驗以及室內外試驗等勘察工作。

通過初步地質測繪，結合收集到的資料，初步建立“假設地質模型”，以此布置物探測線。物探測試速度快，信息量較多，再針對物探異常布置鉆孔、水文地質試驗、室內外試驗驗證，最終建立較為完善的地質模型。先進行物探，再做勘探與試驗，能充分發揮物探指導性作用，避免勘探工作不必要的浪費[8]。

對于探測中小型水庫主要病險:滲漏問題，比較有效的物探方法是電法。圖1為某水庫土石壩壩頂處超高密度電法剖面，壩體中央設砼防滲墻。

圖1 某水庫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個低阻異常，電阻率極小值小于12.0 Ω·m，推測為防滲墻滲漏點。另外在副壩右岸平距290 m處的全風化基巖內，存在一處近直立條帶狀分布的相對低阻帶，電阻率值在60 Ω·m～150 Ω·m之間，推測為全風化基巖內繞壩滲漏點。根據高密度電法成果圖，可確定壩體及壩基中滲透性較強的區域，結合地表測繪，在相應位置布置鉆孔進行現場水文地質試驗及取樣試驗。由此方法獲得地質勘察成果，在節約勘察時間、成本的同時，也為除險加固提供了全面準確的基礎資料。

3）嚴格控制取樣，準確處理數據。地質參數的準確性是除險加固設計方案的基礎，而高質量地獲取原狀土樣又是地質參數準確性的前提，因此需根據巖土類別、性狀及試驗目的，采用不同類型的取土器，配合適當的鉆探工藝采取原狀土樣，才能獲取原狀土樣。早期中小型水庫填筑土料不均勻，土工試驗數據離散性較大，因此，要綜合各種資料并結合鄰近類似工程，有依據地剔除異常數據，最終準確統計出巖土體的各項物理力學指標。

4）綜合判定病因，妥善提出建議。在詳細分析資料、準確統計參數的基礎上，綜合判定水庫出現的各類險情病害原因，最終為水庫除險加固設計提出妥善的建議。

4 結語

浙江省早期修筑的中小型土石壩水庫工程病害險情日益顯現。滲漏問題是其首要病害問題。要全面客觀地查清水庫病害險情，并分析其產生原因，必須依賴于針對性強、目的性明確的工程地質勘察工作。勘察工作要充分重視已有的資料分析和現場地質調研，在初步推斷險情的基礎上優先布置物探工作，以此指導其他勘察工作布置，并嚴格控制取樣，準確處理數據，為除險加固設計提供合理的地質參數以及經濟有效的處理建議。