土石壩壩體病害勘察技術初探

雪克來提·巴斯托夫

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

20世紀50、60年代以來，全國興建了一大批水庫，在防洪、供水、灌溉等方面發揮著巨大的作用，為數眾多的水庫中，土石壩所占比例達70%以上。由于當時財力、施工技術力量的限制，部分水庫在施工時就已經存在隱患；經長時間運行，受自然災害影響，出現了各種險情，影響了水庫功能的正常發揮。根據最近對水利系統管理的8萬余座水庫大壩普查表明，病險水庫十分普遍，其數量達30%以上，其中絕大部分為土石壩。

土石壩壩體存在的主要病害有：①壩坡過陡，壩面出現明顯變形、開裂，甚至滑動；②壩體填筑土料質量不能滿足規范要求，存在分散性土等不良土；大壩填筑質量差，沉降量超過正常范圍；③壩體滲透穩定存在問題，壩體浸潤線及出逸點偏高，容易出現管涌、流土、壩面塌陷等滲透破壞問題；④壩基包括齒槽或嵌溝未按設計要求進行清基，壩基接觸面存在滲漏問題；⑤壩體結構存在缺陷，如防滲體高程低于最高洪水位、未設置必要的反濾層或反濾層設置不符合要求等。

為了確定病險水庫的危險程度，評價病險水庫除險加固的必要性，需要對水庫的病害險情進行勘察。病險水庫勘察一般有運行觀測、工段表觀測試和地質勘察3種方法，其中地質勘察方法更能揭示病險工段的空間位置、病險性質、病險程度和病險成因，勘察成果具有系統性、科學性、全面性和可靠性。由于病險水庫的病險工段多具隱蔽性以及建筑物的隨機復雜性，增加了病險水庫地質勘察的難度和復雜程度。目前大壩安全鑒定勘察尚無專門的規程規范可執行，僅在SL55—2005《中小型水利水電工程地質勘察規范》的相關章節中規定了病險水庫勘察的內容及方法等，與新建大壩相比，病險土石壩還須查明壩體現有工程地質及水文地質條件并進行評價。結合作者多年的工作實踐，本文重點介紹病險水庫的地質勘察方法，對勘察工作中的勘察工作量布置、壩體裂縫勘察、反濾層勘察、壩體浸潤線繪制及主要設計參數等問題進行重點探討，其目的是為了準確有效地查明和評價病險水庫的病害險情，為水庫病害成因分析及后續除險加固提供依據和指導。

2 勘探工作量布置原則

勘探工作量布置前應收集并分析相關資料，包括大壩原有地質和設計資料、施工及運行期監測情況，以及病害處理等資料，如少數工程在設計圖中存在防滲齒槽，但實際上并未施工等，這些情況應著重查明。勘探工作量的布置原則是：一般壩體勘探剖面縱向布置一條斷面，橫向根據大壩長度可布置一條以上斷面，橫斷面間距一般為100～200 m；在上、下游壩坡及壩頂至少布置1只控制鉆孔。通常情況下縱斷面沿壩軸線(防滲體軸線)布置，橫斷面應布置在大壩最大斷面處，以便對壩體結構進行復核。在詳細查閱設計、施工過程有關資料的基礎上，通過現場查勘及走訪水庫原大壩施工管理人員等基礎上確定大壩最大斷面。

圖1 某大壩橫剖面示意圖

在可能存在地質病害及隱患的部位合理布置相應的勘探工作，并綜合運用鉆探、坑槽探、物探等勘察手段。鉆探時孔深要求為：壩軸線(防滲體軸線)鉆孔應深入相對隔水層以下5～10m，其它鉆孔一般深入壩基以下5m左右。物探是一種重要的檢測手段，如在高密度電阻率CT探測技術中，可通過圈定視電阻率值異常點及對異常點分布范圍、密度的分析，初步評價壩體的填筑質量。該方法既可以檢查大壩的填筑質量，也可以指導后續勘探工作的布置。

3 勘察重點

3.1 壩體裂縫勘察

壩體裂縫勘察非常重要，應予充分重視，因為壩體裂縫可能是滑動面或集中滲漏通道。

壩體的裂縫可分為兩種。一是沉降縫，沉降縫又可分為平行壩軸線方向的縱縫與垂直壩軸線方向的橫縫。橫縫由壩基不均勻(如分段填筑時施工縫處理不當形成差異沉降)或壩體中發生管涌等導致的壩體不均勻沉降引起，一般分布在岸坡與河床的交接部位或壩體中部。橫縫一般貫穿大壩上下游，延伸較長，往往成為壩體滲水的通道，破壞性較大。縱縫是由于壩坡較陡壩體局部不穩定，或迎水坡土體頻繁出現飽水和失水造成的，一般出現在壩坡凹陷隆起部位的上方，裂縫一般延伸較短，縱縫雖然對大壩滲流影響較小，但當其延伸較長或呈圓弧狀持續變形時，會對壩坡穩定構成威脅。二是干裂縫，主要指由于壩體土粘粒含量較高，干旱時失水造成的龜裂，干裂縫延伸很短，對大壩無破壞性。

壩體裂縫可通過坑槽探查明，坑槽深度不宜超過5m。

3.2 反濾層勘察

反濾層是指設置在滲透系數差異較大的兩種不同介質之間的砂礫層。反濾層通常由粗到細、分層填筑而成，主要起預防潛蝕，防止細顆粒被水流帶走的作用，因此有無合格的反濾層是大壩安全鑒定勘察的重點，一般用坑探或鉆孔植物膠取樣法進行勘察。反濾層一般設置在大壩下游、滲流的出逸段、壩體土與粗粒土石壩殼之間。反濾層顆粒膠結性能差，給取柱狀芯樣帶來很大困難，用植物膠取樣法可大大提高柱狀芯樣的獲得率。

如某大壩為粘土斜墻壩，斜墻與壩后堆石之間設置一層中粗砂反濾層，厚度30～100cm，如圖1所示，為檢查反濾層是否合格，需進行勘察。勘察時，由于壩頂附近壩殼厚度較薄，采用坑探效果較好，因為坑探可以直接揭露壩殼下部反濾層是否存在，及其級配情況；在壩殼厚度較大部位，可以鉆孔并采用植物膠取樣法。取樣后編錄芯樣時應特別注意壩殼與壩體土接觸面的情況，重點查明有無設置反濾層，及反濾層有無按要求由細到粗分層填筑。

3.3 地下水位觀測與浸潤線繪制

大壩安全鑒定勘察成果中應提供壩體浸潤線，通過壩體浸潤線反演計算，可以對滲透參數進行復核，進而對大壩進行滲流穩定分析。一般情況下，大壩壩體埋設有測壓管可以觀測壩體地下水位，但有的大壩沒有布設測壓管，或測壓管失效，這時可通過鉆孔進行觀測并復核。在壩體鉆孔過程中可以觀測到兩種水位，即初見水位與穩定水位。在壩體土干鉆或干打過程中，若某部位取上來的土樣存在干濕交替現象，則該交界面的高程即為初見水位。

實際工作中，若鉆孔中需要進行水文試驗(注水試驗)，試驗后孔底有積水，初見水位很難準確觀測到，這種情況下可以觀測壩體穩定水位。實際觀測中，不能把終孔地下水位作為壩體穩定水位，正確的作法是不揭穿壩體土，在約1/3～2/3壩高處停止鉆進并靜止10h以上，這時觀測到的水位即為壩體穩定水位。

根據滲流觀測斷面測壓管布置，對某時間的水庫水位及測壓管水位可以做出壩體的實測浸潤線，也可以計算測壓管位勢并繪制位勢過程線檢查壩體滲流情況。資料分析中不能忽視測壓管水位滯后因素的影響。尤其要注意壩體浸潤線并不是測壓管或鉆孔觀測水位的簡單連線，在大壩不同分區的界面上，浸潤線會出現轉折，繪制時應引起注意。常見的土石壩浸潤線型式如圖2所示。

根據水庫的實際情況，綜合利用各種方法分析測壓管資料(如過程線分析、相關線分析、圈套圖分析、浸潤線分析和位勢分析等)，并結合其他方面的分析進行綜合評判，如壩體滲流量、變形及人工巡視檢查的結果等，才能最終確定大壩的工作狀況。

圖2 土石壩典型浸潤線型式

3.4 壩體分區(分層)

對病險土石壩進行壩體分區不能照搬、照抄原大壩設計資料，否則會出現同一土層性質差異大、物理力學參數統計成果不一致等問題。實際壩體分區宜根據原有工程竣工剖面，并結合勘探成果視具體情況予以調整。部分土石壩防滲土料欠缺，而且筑壩時由于急于求成，往往上部壩體填筑的防滲土料性質較差，特別是進行過加高處理的大壩，其加高部分防滲體與下部防滲體性質差異較大，此時應根據勘探成果對防滲體進行分層，各層的結構特點與透水性能不僅是控制庫壩區滲漏的主要因素，也是選定滲流控制措施的重要依據，因此應逐層提出有關地質參數，為滲流安全評價提供地質資料和參數依據。

4 壩體參數選擇

病險土石壩的勘察報告應提供結構安全評價設計所需的各土層主要物理力學指標(如：天然密度、壩體滲透系數、壓縮模量、強度參數及允許坡降等)，其中壩體滲透系數k與強度指標c、φ值的選取是關鍵，壩體滲透系數為滲流安全計算的重要參數，可評價防滲體的防滲性能，確定有效防滲高程；而壩體強度參數是結構安全評價的關鍵參數。

4.1 防滲體滲透系數的確定

根據SL55—2005，勘察時壩體宜進行注水試驗。注水試驗可根據試驗情況進行適當控制，當注入量較小時，試驗時間應適當延長，若試驗時間太短，注水后水位沒有穩定，會造成試驗結果偏大；當注入量較大時，試驗時間宜適當縮短，以防對大壩產生不利影響。

現場注水試驗得到的滲透系數往往會比室內滲透系數大1～2個數量級，大壩填筑越不均勻、質量越差，這種情況就越明顯，究其原因有：①現場注水試驗段一般長3～5m，現場試驗成果代表該段次內不同土質土體滲透性指標的綜合值。而室內試驗土樣取樣間距一般為2m左右，土樣長度一般為25cm或30cm，因此室內試驗成果只能代表該孔段內局部土體的滲透性。另外能取樣進行試驗的土樣一般都是比較好的，而礫石含量集中等較松散部位由于很難取樣往往造成土樣缺失，無法進行室內試驗。②鉆孔取樣過程中存在的土體壓縮現象會導致滲透系數偏小。③室內滲透試驗用環刀切樣時，剔除了土樣中部分礫石等粗顆粒或用削土刀反復涂抹試樣表面，也會造成滲透系數偏小。現場注水試驗由于試驗時觀測時間較短，壩體未形成穩定滲流，觀測到的流量偏大，導致計算的滲透系數值偏大。

滲透系數建議值可根據現場注水試驗與室內滲透試驗成果綜合確定，一般情況下宜以現場試驗為主，分區提出壩體土層的滲透系數及允許滲透坡降。當現場試驗與室內試驗值相差太大時，應分析其原因，如是否由于現場注水試驗觀測時間太短或者壩體局部地段存在(微)裂縫等因素造成，根據分析結果剔除個別不合理試驗成果，最后對防滲土體的防滲性能進行綜合評價。需要指出的是一般土石壩采取平碾壓實法填筑而成，故其防滲體的水平滲透系數一般大于垂直滲透系數。

4.2 壩體土層強度指標

壩體穩定計算按規程規范應采用有效應力法計算，施工期及水位降落期采用總應力法計算復核，故應提供三軸試驗有效應力、總應力指標及快剪、固快指標，其中三級以下中壩可采用慢剪指標代替有效應力指標。

由于壩體土層碎石含量較大，因取樣困難導致原狀土樣較少，進行剪切試驗的組數就更少，故必要時應分區加密取樣，避免取樣數量過少或代表性不強，應保證有足夠的原狀土樣(規范要求不宜少于6組)。土樣剪切試驗過程中環刀所取的多為碎石含量少(或已剔除部分碎石)的土體，會使土體的凝聚力c值偏高、摩擦角φ值偏低，有時在統計成果中甚至會出現砂性土摩擦角φ比黏性土低的現象，此時應對土層的c、φ建議值做合理的調整。總之，確定參數時應根據現場實際地質情況，綜合考慮取樣、試驗、統計等各環節因素影響，結合工程實踐和類似工程的經驗分區提供合理、可靠的土體強度指標。

5 結語

病險土石壩勘察是一個系統工程，需要綜合運用多種勘察方法與手段，物探方法作為一種無損檢測手段，盡管其精度還有待提高，但在病險大壩勘察中將發揮重要的作用，這方面的研究需要加強。病險土石壩的勘察重點是大壩隱患部位并分析病害原因，因此要重視病險土石壩現有資料的分析、整理，合理提供各土層地質參數，為工程質量評價、結構安全評價和滲流安全評價提供地質資料和依據。

文中對病險水庫勘察工作中的一些具體問題進行了仔細分析，闡明了工作量布置原則、壩體裂縫勘察、反濾層勘察、地下水位觀測及壩體浸潤線繪制等規范中未涉及，而實際工作中又非常重要的問題；同時對壩體參數整理中可能出現的問題及處理方法進行分析，提出了建設性意見。