病险水库常见的地质病害及应对措施

张小会

（水利部综合事业局 北京 100053）

范连志

（水利部水利建设与管理总站 北京 100038）

1 病险水库及险情

病险水库，是经水库大坝安全鉴定程序对大坝防洪标准、结构、渗流、抗震、金属结构、工程质量和运行管理等项进行安全复核与评价，综合评价为三类坝的水库。病险水库一般是实际抗御洪水标准低于部颁水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准，或者工程存在较严重的质量问题，影响大坝安全，不能正常运行的水库。

常见的病险水库的险情与隐患如下：

a.大坝或心墙的高度不够，泄洪建筑物断面不足或已部分损坏，不能满足设计洪水的要求。

b.大坝的横断面偏小，上下游坡比偏陡，出现了变形或存在抗滑或沉降变形稳定性问题。

c.坝体浸润线和出逸点偏高，下游坝坡出现散浸与渗水，有渗流变形问题，或产生裂缝与塌滑现象。

d.坝基和坝肩渗漏，存在渗透稳定问题，或渗漏量较大，影响水库效益。

e.泄洪时对坝下游冲刷，已影响坝基稳定或引起两岸边坡失稳。

f.溢洪道边坡不稳，或近坝地段存在库岸稳定问题。

g.坝下输水涵管破裂漏水，或输水隧洞漏水。

h.混凝土建筑物裂缝、碳化，金属结构锈蚀严重，破损或已为淘汰报废产品。

i.无大坝安全监测设施，或已有的监测设施损毁。

j.防汛通道和相关管理设施达不到防洪要求。

水库大坝的险情与隐患虽然较多，对一座水库而言，以上险情与隐患可全部或部分存在，但影响大坝安全的险情是第一位的。

2 病险水库常见的地质病害

据统计资料分析，病险水库常见的险情及隐患，大部分与地质因素有关，主要表现在坝基渗漏、坝基稳定性、边坡失稳、坝体填筑质量四个方面。

2.1 坝基渗漏及渗透稳定

坝基渗漏是病险水库最常见的险情。按照坝基地质条件，可分为覆盖层渗漏、裂隙性岩体渗漏、断层破碎带渗漏和岩溶渗漏。

a.覆盖层渗漏。常见的覆盖层渗漏包括冲积砂砾石渗漏和残坡积砾质土渗漏。多数坝体直接坐落于古河床或阶地上，坝基具二元结构，上部为粘性土，下部为砂砾石层。一般是由于河床部分坝基清基不彻底而引起渗漏。砂砾石层的渗透系数多在i×10-2或i×10-3cm/s量级，属强或中等透水层，渗漏量多在每秒数十升，虽然坝体下游坡脚做了排水棱体或减压井，但不能阻止渗漏，当排水棱体或减压井失效时，其渗流条件恶化，坝基砂土出现渗透变形。砾质土渗漏主要为大坝两岸直接坐落于残坡积砾质土上，多为均质土坝，或心墙堆石坝，两岸心墙清基不彻底，部分心墙置于砾质土层上，而引起的渗漏。砾质土的渗透系数多在i×10-4或i×10-3cm/s量级，大坝运行后两岸下游坝坡散浸或渗水，一般渗漏量小，但在高水头长期渗流作用下，可使下游坝坡发生变形或沉陷与滑动。

b.裂隙性岩体渗漏。裂隙性岩体渗漏多发生于以砂岩、片麻岩或板岩、岩浆岩为坝基的各类坝型。河床坝基多为弱风化岩体，两岸坝基残留有强风化岩体，其裂隙发育，透水率在10～100Lu之间，呈分散性渗漏，渗漏量多在每秒数升至数十升，影响下游坝坡稳定，特别是粘土窄心墙或斜墙坝，透水岩层的漏水其底部又无混凝土垫层时，还可能引起接触冲刷破坏。

c.断层破碎带渗漏。坝基下分布有断层破碎带、岩脉破碎带或存在一些破碎夹层，渗漏主要表现为中等强度透水，各类坝型均有发生，多呈集中渗漏，渗漏量多在每秒数升至十余升，其渗漏部位及影响程度视破碎带的规模、产状与分布的部分不同而异，尤其是对粘土窄心墙或斜墙土石坝，需注意接触冲刷破坏问题。

d.岩溶渗漏。坝基为石灰岩、白云质灰岩、钙质胶结的砂砾岩的各类坝型均有发生，多数沿溶隙、溶洞等岩溶系统发生的渗漏，其渗漏量一般较大，可在每秒数十升至数百升，常造成大坝上下游坝坡沉陷，危及大坝安全。另有部分水库在库内出现岩溶管道性渗漏，向坝下游或低邻谷与洼地渗漏，其渗漏量较大，常在数十升甚至在1m3/s以上，虽不危及大坝安全，但影响水库效益。

2.2 坝基稳定性

a.抗滑稳定与沉降变形。山区土石坝因地基条件而引起的抗滑稳定性与沉降变形险情很少。而在平原区的土石坝，坝基下存在高压缩性土，常有抗滑稳定性与沉降变形的险情发生。

混凝土坝常因坝基岩体中有缓倾角结构面，且性状差，特别是有长大缓倾角泥化夹层时，常有抗滑稳定性的隐患，当软弱夹层的层数较多或厚度较大时，亦有沉降变形的隐患。

部分混凝土坝或浆砌石坝，坝顶泄洪，常因下游消能设施不当或没有消能防冲设施，冲刷坑不断向上游追踪扩大而出现坝基稳定的隐患，危及大坝安全。

b.抗震稳定性。高烈度区的病险水库大坝，常因抗震设计标准不够，存在抗震稳定性的隐患。部分土石坝，因坝基有软粘土或饱和粉细砂层，亦有震陷或震动液化的隐患。

c.湿陷性变形。坝基下存在有湿陷性土层且未经工程措施处理或坝体填筑料为湿陷性土，当水库蓄水后，因湿陷性土浸水而造成坝基湿陷，坝体产生下沉变形，坝体形成裂隙，或者加大坝基及坝体的渗漏。

2.3 边坡失稳

边坡失稳是水库常见的隐患。如土石坝溢洪道一侧或两侧、泄洪洞进出口洞脸，一般开挖一定高度的人工边坡，有的做了边坡衬砌支护，有的部分处理或者措施不当，在泄洪水流冲刷下，出现边坡失稳，影响水库正常泄洪，危及大坝安全。

混凝土坝和浆砌石坝多采用坝顶泄洪，有的由于泄洪水流冲刷或水雾引起两岸边坡失稳，有的大坝下游无消能防冲设施，泄洪冲刷坑逐步扩大加深，不仅出现两岸边坡失稳，还危及大坝稳定。

另外，部分水库两岸坝肩或坝体段存在滑坡体，随库水涨落、修建道路或强降雨诱发岸坡失稳，成为水库的隐患。

2.4 坝体质量不合格

多数土石坝，容易出现坝体填筑质量不合格问题，常常是由于坝体填筑料和施工质量失控造成的。险情主要表现为：浸润线及出逸点高；下游坡散浸、渗水；坝顶或坝坡裂缝、变形甚至滑动等。

在均质土坝中，由于坝体土料不均匀，特别是后期坝体加高部分，土质混杂，结合差，除粘土外常混杂有粉土、砾质土，甚至淤泥质土或砂土，碾压密实度达不到设计要求，取样试验表现在干密度低，多小于1.6g/cm3，密实度 0.85～0.95，渗透系数偏大，K＞i×10-4cm/s，达不到K≤i×10-4cm/s的要求。还有的错误采用了膨胀土、红粘土、湿陷性土质等特殊土，使得坝体填筑土的性状，随含水量的变化而改变。

施工填筑质量差也是比较普遍的现象，施工就近取土，填筑了质量差的土料，施工碾压不密实，部分粗料集中形成渗漏通道、新老层结合差等。

另外，部分坝体由于生物洞穴，如白蚁洞穴等引起的渗漏，同样危及大坝安全。

3 病险水库的地质隐患勘察

3.1 勘察的主要任务

病险水库除险加固勘察的主要任务是复查病险水库工程坝区水文地质、工程地质条件，分析地质病害产生的原因；检查坝体质量，提出有关地质参数，为水库大坝安全评价、除险加固设计提供地质资料和计算参数，对水库安全评价分级和加固处理措施提出地质方面针对性的建议。

从病险水库险情的地质因素，可看出病险水库除险加固勘察工作，不同于新建水利枢纽的地质勘察，主要表现如下：

a.险情因素隐蔽。病险水库勘察要求查明险情和隐患的地质因素，而坝基的地质条件及问题，均被大坝和库水所覆盖，坝体已填筑完成，不能直观地进行地面调查，具有极大隐蔽性。

b.隐患成因复杂。同一险情或隐患，可以由一种或多种原因引起，如渗漏，它既有复杂的地质因素，也可能有设计、施工等多方面的原因，尤其土石坝（或防渗体）是一种人工地质体，给勘察工作及分析论证带来复杂性。

c.勘察任务双重性。病险水库既有坝体（或防渗体）的险情，也有地基的隐患，因而要求勘察对坝体的险情和地基隐患的原因都要有所调查分析，作出论证评价。

d.钻探工作复杂。病险水库勘察，一般是在水库有水条件下进行的，有的勘探钻孔，必须穿过坝体或防渗心墙，既不能因钻探而引起新的险情，也不能留下隐患，勘探比施工前设计阶段更困难，必须有切实可行的技术保障。

3.2 勘察的主要内容

病险水库除险加固勘察是对已建工程进行的工程地质调查研究，场地工程地质及水文地质条件已发生变化，坝体与坝基已联为整体，同时经水库挡水，坝基、坝体填筑料的性状也有一定程度上的变化，工程上存在的问题日趋显露。因此，病险水库除险加固勘察内容应根据水库险情和隐患的性质、类型、危害程度，有针对性地布置勘察工作。主要内容如下：

a.充分收集原有的地质、设计、施工及检测资料和水库运行中的监测资料，坝体险情加固及改扩建工程资料等。

b.调查坝身、坝基病害险情，包括坝坡滑坡、开裂、塌陷、渗水、管涌流土、砂沸、淘刷等，以及其他各种病害险情和不良地质现象的分布位置、范围、特征、上下游水位、险情成因、发生险情过程、抢险措施及效果等。

c.查明坝体填料颗粒组成、物理力学性质，调查大坝施工沟缝、生物洞穴等的分布情况。

d.分析坝体浸润线、坝基场压力分布情况及其与库水位的关系，查明防渗体、反滤料的性质、颗粒组成及填筑厚度。

e.查明坝基与坝体接触部位的物质组成及渗透特性。

f.查明坝基、坝肩及各建筑物分布的地层岩性、岩体层次及其透水性，包括坝基土的分布、性质、厚度、层次及其物理力学特性等。

g.调查坝基地层及坝体土的渗流条件和渗透特性，包括绕坝渗漏，研究判别土渗透变形类型，确定临界水力比降、允许水力比降，评价土的渗透稳定性。

h.分析可溶岩坝基喀斯特发育规律，主要溶洞和喀斯特通道的连通、分布、充填和处理情况。

i.查明溢洪道、涵管、地下洞室的工程地质条件和渗漏情况。

j.调查分析坝区人工开挖边坡及近坝库岸岩土边坡稳定条件，并对其稳定性和影响作出评价。

4 工程实例

4.1 砂砾石坝基

陆水蒲圻水库，由混凝土主坝及15座土石副坝组成。水库正常蓄水位55m，总库容7.06亿m3，是一座大（2）型水库。2003年7月，经水库大坝安全鉴定为病险水库。其中以8号副坝安全隐患最为突出。

8号副坝位于主坝左侧，为均质土坝，坝长1543m，最大坝高25.6m，坐落在陆水古河床上。通过勘察，坝基上部为粉质粘土、粉质壤土，厚4～9m，局部仅2m，夹有砂壤土，弱—中等透水；下部为中细砂及卵砾石，厚1.5～5m，中—强透水；基岩为志留系砂页岩。蓄水后出现渗流问题，1967年和1971年分别做了坝后压浸台、增设减压井和局部灌浆等处理，维持运行。由于年久，减压井已大部失效，坝基砂砾石层渗漏明显，部分坝段渗水范围较大，渗漏量增大。坝下游鱼塘每当汛期水位上涨时，淹没压浸台及减压井，影响渗控设施的运行，对坝脚稳定不利。同时坝体分期填筑，二期填筑土碾压不均，使得坝体浸润线升高，已影响下游坝坡稳定等问题，需进行加固处理。

加固设计采用了坝体与坝基混凝土防渗墙方案，墙深一般30～35m，穿过砂砾石层，进入基岩1m，下伏透水性大的基岩采用帷幕灌浆。

4.2 岩溶渗漏

西北口水库大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高95m，正常蓄水位 322m，总库容 2.1 亿 m3，为大（2）型水库。2000年4月，经水库大坝安全鉴定为病险水库。

大坝坝基为寒武系上统黑石沟组灰岩和白云岩，岩层缓倾下游偏右岸，缓倾角断层、裂隙发育，溶蚀强烈，建坝时根据原有资料曾做过帷幕灌浆处理。1991年9月开始蓄水，1992年5月，当库水位达310.97m时，坝下游水位明显升高，至6月15日，测得坝后最大渗漏量为1.8m3/s。经进一步勘察分析，右岸山体覆盖层较厚，植被茂密，未进行岩溶及卸荷裂隙的调查。虽然施工开挖溢洪道时已发现岩溶发育，并可见长25m、宽0.2～2.5m的洞穴，但未引起重视，原设计的帷幕亦未完成，其深度也不够，因而出现岩溶渗漏。

根据补充勘察资料进行了加固处理，截断了右岸F13断层以上的强岩溶渗漏带，并将右岸灌浆平硐向山体延伸32m，灌浆深度为高程296.5m至高程240m，并进行双排，排距1.5m、孔距2m的灌浆处理。

4.3 溢洪道滑坡

黄材水库大坝为粘土心墙坝，最大坝高61.5m，正常蓄水位160m，总库容1.497亿m3，为大（2）型水库。1984年因工程存在防洪标准低、主副坝渗漏等问题，进行了加固和扩建。在扩建溢洪道时，在溢洪道左侧边坡出现了滑坡变形。

滑坡体位于溢洪道进口左侧，下距泄洪闸约40m，1988年溢洪道扩建时，先后出现5次滑动。当即采用排水、挡土墙进行处理，后又出现变形，危及泄洪安全。经勘察，滑坡地段地形上下陡中间缓，坡度为25°～40°，后缘为陡壁，高2～3m，前缘至溢洪道底板，高差35m，长约80m，宽约30～45m，厚约10～20m。滑体为松散的碎块石夹粘性土。滑坡原因是，该段分布志留系下统砂质板岩、炭质页岩夹劣煤，岩体强风化深8m，上覆有数米厚的残坡积物，扩建溢洪道时因开挖不当，引起滑动。

根据勘察的边界条件及取样试验所得参数，滑体湿容重19kN/m3，饱和容重20.719kN/m3，滑面抗剪强度f=0.45，c=0.02MPa，饱和状态 f=0.4，c=0.01MPa，进行各种工况下的稳定计算，均处于临界和不稳定状态，同时进行了滑动时涌浪估算，若滑体滑动均会导致闸门及对岸副坝漫顶。边坡经过减载、排水、设置支护挡墙等综合处理后，确保了边坡稳定。

5 结语

综上所述，病险水库隐患与地质条件密切相关。因此，病险水库除险加固必须全面地调查研究场地工程地质条件，分析与地质因素有关的险情隐患的成因，评价其对工程安全的影响，并提出有关地质参数及处理建议，为加固处理设计提供所需的地质资料。

1 张严明.全国病险水库与水闸除险水库加固专业技术论文集.北京：中国水利水电出版社，2000.

2 朱建业等.水利水电工程地质勘察规范.北京：中国计划出版社，1999.

3 汝乃华，牛运光.大坝事故与安全·土石坝.北京：中国水利水电出版社，2001.