土石壩病害診斷成果分析

劉 晟，李國瑞，劉康和

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

新中國成立后，水利事業迅速發展，水庫大壩建設取得了輝煌成就，在防洪除澇、農業灌溉、攔潮蓄淡、水力發電、城鄉供水、旅游、環境生態以及促進經濟社會發展等方面發揮了巨大的作用，取得了顯著的社會效益和經濟效益，不僅是我國防洪保安工程體系的骨干力量，還是我國水利基礎設施的重要組成部分。由于歷史的原因以及建設施工時技術經濟條件的限制，大多數工程標準低、質量差，同時在建成后管理、制度不完善，工程運行維修養護經費無正常渠道投入，工程更新改造、除險加固經費投入不足等，致使病險水庫大壩存在，病險工程的安全狀況已成為發揮工程效益的一大障礙。據統計，我國水庫大壩具有“六多”的特點：①總量多，我國現有9.8 萬座水庫，是世界上水庫大壩最多的國家；②小水庫多，我國現有水庫95%是小型水庫；③病險水庫多，目前仍有超過1 萬座病險水庫待除險加固；④土石壩多，我國92%的水庫大壩是土石壩；⑤老舊壩多，我國80%的水庫大壩建于上世紀50—70年代；⑥高壩多，200 m 以上的高壩，全世界已建成77 座，中國有20 座，占26%，排第一位。全世界目前在建的200 m 以上的高壩有22 座，中國15 座，占68%。由此說明小水庫、病險水庫、土石壩、老舊壩占比高，重疊出現比率大，加之極端天氣等環境因素的影響，給水庫大壩安全帶來嚴峻風險和挑戰。

統計數據表明，隨著時間的流逝及多年的運行，土石壩在長期復雜的自然環境條件影響和各種內外力的作用下，其狀態隨時都在變化，有可能產生不同類型的病害。概括起來，存在的主要病害有[1，2]：①裂縫，含大壩、鋪蓋及其他建筑物裂縫；②滲漏及管涌，含壩基、壩體、繞壩及其他建筑物滲漏；③滑坡塌坑，含壩體、岸坡滑坡及塌坑；④護坡沖刷、洪水沖蝕、氣蝕等破壞；⑤輸水、放水及泄水建筑物老化破壞；⑥白蟻破壞、人為扒壩及天然地震等。其中，有人為因素（如設計標準低、施工質量欠佳、運行管理不當等因素）和運行中出現的滲流破壞、滑坡、裂縫、地震災害與液化以及其他形式（包括波浪對護坡的破壞、掘穴動物破壞等方面）的病害等，如不能及早地發現并進行除險加固，其病害必將更深發展，從而影響大壩的安全運行，危及壩體安全，不僅不能充分發揮效益，還將對下游人民生命財產產生威脅，因此對土石壩病害的適時診斷具有重要意義[3]。

1 工程概況

某水庫工程主要承擔當地開發區工業、城鎮農村人飲、農業灌溉及生態建設等供水任務。水庫總庫容490 萬m3，其中調節庫容457 萬m3、淤積庫容8萬m3。水庫正常蓄水位1 398.25 m，庫底高程1 378 m，壩頂高程1 400 m，壩高22～24 m，壩長2.24 km。水庫采用全斷面復合土工膜防滲。壩體為碾壓式分區材料壩，前壩區采用取土場土料填筑，后壩區為庫區內礫石料作為穩定體建筑。

水庫采用壩后泵站取水方式，泵站位于水庫右岸，后接管道并直導入輸水干渠，管道長525 m，采用管徑1.2 m的PCP管。

2 病害現狀

水庫蓄水運行期間發現大壩樁號1+400—1+600段（險工段）出現裂縫，其中上游壩坡馬道以上有2條比較明顯的裂縫，裂縫走向與壩軸線夾角20°～45°，縫長約89 m，縫寬0.5～3.5 cm；下游壩坡有4 條裂縫且從壩頂延伸至壩坡腳，裂縫與壩軸線夾角45°～50°，縫長大于90 m，縫寬一般為1～5 cm，最大縫寬為14 cm（位于下游坡馬道以上至壩頂區間內）。

壩體發生裂縫后加密了沉降和位移觀測點及頻次，較正常情況下均有較大變化，具體情況記述如下。

（1）沉降量。壩體裂縫發現后，除在原有觀測點正常觀測，另在樁號1+400—1+600段增加觀測點，每20 m增加1個觀測斷面，每個斷面從前壩坡馬道到后壩坡坡腳觀測7個點，至探測前最大沉降量為140 mm；其次是樁號1+800約85 mm；其他段落25～50 mm。

（2）位移量。壩體裂縫發現后，在樁號1+400—1+600 段加密位移觀測點，每20 m 增加1 個觀測斷面，每個斷面從前壩坡馬道到后壩坡坡腳觀測7 個點，至探測前位移最大位置在樁號1+460 外坡腳向上第二根水平隔梁位置，最大位移為308 mm。

現場觀察該段病害具有以下特征：①從裂縫分布看，裂縫呈環狀分布；②樁號1+500處后壩坡呈上凹下凸狀；③下游馬道沉降量達到34.2 mm。由此判斷，該大壩裂縫具有滑坡裂縫的特點。

3 病害診斷思路

根據大壩裂縫的發展狀況，建設管理單位組織勘察設計、監理、施工、試驗檢測等參建單位會診分析，初步認為：①水庫可能存在滲漏（當時水庫水面平均降深接近9.5 mm/d），滲漏水使壩基壤土飽和、有明水，在上部壩體重力作用下，該層產生沉降變形和滑動變形，造成上部壩體拉裂形成裂縫；②險工段壩體可能存在填筑不均勻、壓實度偏低、碾壓質量欠佳等，加之降雨積水、庫水位升高等環境條件的變化，致使壩體形成裂縫。

為查明險工段壩體裂縫形成的主要原因，需對庫內入滲點（區）的位置、壩體或壩基中的滲漏通道以及壩體填筑土體的質量等進行檢測診斷，進而為庫壩的除險加固設計與施工提供可靠的科學依據。

基于以上認識和任務要求，綜合考慮該庫壩險工段所呈現的病害現狀、現場環境條件等因素，并結合實際工程經驗，選擇以無損法為主、微破損法為輔的綜合方法對病害進行診斷。然后，結合設計、地質、施工、測量、試驗、監測等資料進行綜合分析判斷提出診斷技術成果[4-6]。具體施測方法及工作程序如下。

（1）在庫內水域范圍內進行偽隨機流場法掃描探測，查明壩后探坑中積水（滲漏出水點）與庫水的關系，并探查庫內入滲點（區）的位置及其分布范圍。

（2）在大壩險工段裂縫區進行高密度電法探測，探查壩體內、壩體與基礎接觸部位存在的滲漏通道，包括空間分布位置及其范圍。

（3）在大壩樁號1+400—1+600險工段布置勘探鉆孔和試驗工作，對壩體、壩基進行分層并觀測地下水位，通過試驗獲取壩體填筑料（礫石土）的含水率、濕密度、干密度和壓實度等以及壩基壤土的含水率、濕密度、干密度、孔隙比、壓縮系數、滲透系數等，由此分析判斷壩體、壩基地質情況。

（4）具體工作程序為：①偽隨機流場法探測→②高密度電法探測→③鉆孔勘探→④試驗→⑤綜合分析→⑥提交成果報告。

4 成果分析

4.1 偽隨機流場法探測

現場施測在庫內水域進行，按任務要求和滲漏范圍大小，首先設計測線和測點的分布，然后根據查漏進展情況及精細程度不同適時調整網度。本次掃描采用5 m×5 m 的測網布置測線（點），異常部位加密測網至3 m×3 m。

由實測數據進行歸一化電位梯度計算，并繪制觀測水域內電位梯度等值線，如圖1所示。由圖1可知，該庫內水域觀測電位梯度背景值約為0.033 mV/m。依據工程經驗，當測試值為背景值的2.5～3.0 倍時可判定為有效異常；大于3.0 倍時可判定為可靠異常。據此，本次電位梯度觀測值為0.08～0.10 mV/m時為有效異常；大于0.1 mV/m 時為可靠異常。結合現場調查成果，綜合分析圖1可清晰發現庫內存在3處滲漏區，即圖中編號分別為Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#的區域。其中，Ⅰ#滲漏區位于水庫東北角險工段部位（對應樁號1+100—1+648），該區內含2 處嚴重滲漏區（編號為Ⅰ#-1、Ⅰ#-2），分別位于水庫東北角（Ⅰ#-1 區對應樁號1+270—1+648）和泵站出水涵洞附近（Ⅰ#-2 區對應樁號1+165—1+200）；Ⅱ#滲漏區位于水庫中西部庫底凸出段邊緣部位；Ⅲ#滲漏區位于樁號1+648—1+700壩段。同時，各滲漏區邊界均以大地坐標形式提供給建管單位，以便進行防滲設計和病險處理。

圖1 偽隨機流場法探測成果

4.2 高密度電法探測

在險工段壩體、后坡及壩后地面共布設8 條高密度電法測線，如圖2 所示。其中，W1、W2、W3 測線近平行，走向正西，且由近壩頂（W1）逐漸向壩后地面（W3）分布；W4、W5測線平行，走向NW339°，位于壩后東側小山包處；WB1、WB2 測線平行，走向NW318°，位于險工段東側；WB3 測線接W2 測線西端并向西延伸，走向正西。

圖2 壩體險工段高密度電法測線布置

現場施測采用α 排列，且單一排列均為60 根電極，基本電極距5 m，電極隔離系數19，供電電壓270 V?；趯崪y高密度電法基礎數據，應用高密度電法處理軟件（RES2DINV）進行編輯、圓滑、調整等處理，再利用最小二乘法進行反演處理，最終獲得高密度電法反演電阻率斷面圖。典型高密度電法反演斷面，如圖3所示。

圖3 典型高密度電法反演斷面

由圖3 可知，高密度電法W1、W2、W3 測線反演電阻率值分布及等值線變化梯度在垂向上均可分為3 個物性層，電阻率剖面均具有“上下高中間低”的變化特征。其中，上層電阻率一般為30～400 Ω·m，層厚在W1測線處約20 m、W2測線處約16 m、W3測線處約5 m，該層在W1、W2 測線多為壩體填筑土體，而在W3 測線為相對干燥的原地層表層壤土或角礫層；中間層電阻率一般為5～30 Ω·m，層厚相對較小，一般為5～8 m，電阻率低，推測該層飽和或富含水，局部已發育形成滲漏通道（見圖中標注）；下層電阻率一般為40～500 Ω·m，該電性結構層多表現為相對高阻，主要為壩基強～弱風化砂巖的反映。

為更形象地表征高密度電法探測成果，將8 條高密度電法反演斷面圖在空間上按照坐標和高程數據及其相對位置集成為三維（3D）展示圖，如圖4 所示，圖4 中對下游壩坡集中滲漏通道及其空間范圍進行圈定。由此可知，該險工段所呈現的滲漏通道主要在壩體與壩基接觸部位集中發育，基本包括部分壩段壩體下部填筑層、壤土層、角礫層及基巖頂部區域，但主要存在于壩基壤土層內，其分布主要位于樁號1+570—1+660段。

圖4 高密度電法探測成果3D展示

4.3 勘探與試驗

表1 壩身填筑土體壓實度試驗成果

（3）二疊系上統石千峰組（P2sh）。巖性為砂巖，紫紅色，中粒結構，塊狀構造，為強風化～弱風化，偶見全風化。巖芯整體呈塊狀，普遍發育陡傾角～近直立裂隙。

（4）水文地質條件。前期勘察設計資料顯示，該工程區范圍內地下水埋深較大，均超出工程勘探深度范圍。此次險工段壩體勘探過程中，鉆孔內均揭露有水，普遍埋深23.7～28.2 m，高程1 371.3～1 375.9 m，與庫盆蓄水滲漏后的整體水位觀測資料基本一致。

4.4 綜合診斷成果

（1）由于庫盆基礎局部不均勻沉降變形以及防滲土工膜的施工質量欠佳等因素影響，庫盆防滲體系遭受破壞，導致庫內水域存在3處滲漏區域，其中2 處較嚴重入滲區位于險工段附近。庫水下滲后集中沿原沖溝淺部壤土層穿越險工段流向下游，該滲漏通道分布在壩體與壩基接觸部位（含壩體下部填筑層、壩基壤土層和角礫層等），但主要滲漏通道位于壩基壤土層內，這與鉆孔水位觀測資料吻合。

（2）險工段壩體填筑料以礫石土為主，局部存在粉土及砂礫石，礫石含量較低，組成復雜，密實度不均一，壓實度較低，多未達到工程設計技術要求的壓實度。注水試驗表明，填筑料屬中等透水性，在降雨量較大時引起自身沉降以及不均勻沉降變形等。

（3）險工段壩基主要為第四系更新統壤土層，一般多呈可塑狀，具有中等壓縮性，而局部呈軟塑～流塑，具高等壓縮性，土體松軟，加之庫區滲漏造成壩基壤土飽和、軟化，從而引起基礎不均勻沉降及滲透變形或滑動變形，由此導致險工段壩體表面出現不同程度的裂縫。

綜上所述，因庫內水域存在多個滲漏點（區），并形成集中滲漏通道，導致壩基淺層壤土飽和軟化，強度降低，且其分布厚度也有較大差異，在上部壩身土體荷載的作用下導致不均勻沉降變形或滑移變形；另一方面壩體填筑介質不均一，密實度不高，遭遇強降雨時強度降低，自身沉降變形。壩基、壩體兩者原因造成不均勻沉降變形或滑移變形，導致險工段壩體產生多處裂縫。

5 結論

（1）該診斷成果提交建設管理單位后，立即組織設計單位進行加固處理方案優化。對庫內入滲點（區）開挖，發現防滲土工膜損壞嚴重，且下部基礎發生較大的不均勻沉降變形，及時進行了加固和修補處理并對險工段壩體裂縫進行灌漿補強。經加固修復和灌漿補強后該水庫進行蓄水，至目前已安全運行超過4 a，其功能均滿足設計要求，取得了良好的社會效益和經濟效益。

（2）土石壩病害類型復雜、種類繁多，加之壩體不屬于常規地質體，其填筑材料和介質多不均勻，所以給病害檢查帶來了諸多困難，也對診斷方法、儀器設備及數據資料分析解譯等提出了特殊要求。所以，要綜合運用物探、鉆探、試驗等多種診斷手段，并盡量采用快速、經濟、非破損檢測技術，以查明病害的基本特征和具體情況以及形成原因等，為制定費省效宏、切實可行的修復加固設計方案提供科學依據。

（3）策劃病險診斷項目時要針對不同工程的客觀實際和具體情況，對診斷檢測技術方案的優化考慮如下因素：①工程區巖土介質及檢測對象的物性參數及其差異；②診斷檢測任務要求的探測深度和精度；③工程區環境條件與干擾因素等。只有在綜合了解、深入分析和理解診斷檢測任務的基礎上，對某種診斷檢測方法解決具體病害或工程問題的適宜性和效果進行評判，才能發揮診斷檢測技術的最大效用。事實表明，采用綜合診斷檢測技術和綜合分析解釋，使各方法成果相互佐證、取長補短是提高診斷檢測資料解釋精度和可靠性的必由之路。