土石坝坝体病害勘察技术初探

雪克来提·巴斯托夫

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

20世纪50、60年代以来，全国兴建了一大批水库，在防洪、供水、灌溉等方面发挥着巨大的作用，为数众多的水库中，土石坝所占比例达70%以上。由于当时财力、施工技术力量的限制，部分水库在施工时就已经存在隐患；经长时间运行，受自然灾害影响，出现了各种险情，影响了水库功能的正常发挥。根据最近对水利系统管理的8万余座水库大坝普查表明，病险水库十分普遍，其数量达30%以上，其中绝大部分为土石坝。

土石坝坝体存在的主要病害有：①坝坡过陡，坝面出现明显变形、开裂，甚至滑动；②坝体填筑土料质量不能满足规范要求，存在分散性土等不良土；大坝填筑质量差，沉降量超过正常范围；③坝体渗透稳定存在问题，坝体浸润线及出逸点偏高，容易出现管涌、流土、坝面塌陷等渗透破坏问题；④坝基包括齿槽或嵌沟未按设计要求进行清基，坝基接触面存在渗漏问题；⑤坝体结构存在缺陷，如防渗体高程低于最高洪水位、未设置必要的反滤层或反滤层设置不符合要求等。

为了确定病险水库的危险程度，评价病险水库除险加固的必要性，需要对水库的病害险情进行勘察。病险水库勘察一般有运行观测、工段表观测试和地质勘察3种方法，其中地质勘察方法更能揭示病险工段的空间位置、病险性质、病险程度和病险成因，勘察成果具有系统性、科学性、全面性和可靠性。由于病险水库的病险工段多具隐蔽性以及建筑物的随机复杂性，增加了病险水库地质勘察的难度和复杂程度。目前大坝安全鉴定勘察尚无专门的规程规范可执行，仅在SL55—2005《中小型水利水电工程地质勘察规范》的相关章节中规定了病险水库勘察的内容及方法等，与新建大坝相比，病险土石坝还须查明坝体现有工程地质及水文地质条件并进行评价。结合作者多年的工作实践，本文重点介绍病险水库的地质勘察方法，对勘察工作中的勘察工作量布置、坝体裂缝勘察、反滤层勘察、坝体浸润线绘制及主要设计参数等问题进行重点探讨，其目的是为了准确有效地查明和评价病险水库的病害险情，为水库病害成因分析及后续除险加固提供依据和指导。

2 勘探工作量布置原则

勘探工作量布置前应收集并分析相关资料，包括大坝原有地质和设计资料、施工及运行期监测情况，以及病害处理等资料，如少数工程在设计图中存在防渗齿槽，但实际上并未施工等，这些情况应着重查明。勘探工作量的布置原则是：一般坝体勘探剖面纵向布置一条断面，横向根据大坝长度可布置一条以上断面，横断面间距一般为100～200 m；在上、下游坝坡及坝顶至少布置1只控制钻孔。通常情况下纵断面沿坝轴线(防渗体轴线)布置，横断面应布置在大坝最大断面处，以便对坝体结构进行复核。在详细查阅设计、施工过程有关资料的基础上，通过现场查勘及走访水库原大坝施工管理人员等基础上确定大坝最大断面。

图1 某大坝横剖面示意图

在可能存在地质病害及隐患的部位合理布置相应的勘探工作，并综合运用钻探、坑槽探、物探等勘察手段。钻探时孔深要求为：坝轴线(防渗体轴线)钻孔应深入相对隔水层以下5～10m，其它钻孔一般深入坝基以下5m左右。物探是一种重要的检测手段，如在高密度电阻率CT探测技术中，可通过圈定视电阻率值异常点及对异常点分布范围、密度的分析，初步评价坝体的填筑质量。该方法既可以检查大坝的填筑质量，也可以指导后续勘探工作的布置。

3 勘察重点

3.1 坝体裂缝勘察

坝体裂缝勘察非常重要，应予充分重视，因为坝体裂缝可能是滑动面或集中渗漏通道。

坝体的裂缝可分为两种。一是沉降缝，沉降缝又可分为平行坝轴线方向的纵缝与垂直坝轴线方向的横缝。横缝由坝基不均匀(如分段填筑时施工缝处理不当形成差异沉降)或坝体中发生管涌等导致的坝体不均匀沉降引起，一般分布在岸坡与河床的交接部位或坝体中部。横缝一般贯穿大坝上下游，延伸较长，往往成为坝体渗水的通道，破坏性较大。纵缝是由于坝坡较陡坝体局部不稳定，或迎水坡土体频繁出现饱水和失水造成的，一般出现在坝坡凹陷隆起部位的上方，裂缝一般延伸较短，纵缝虽然对大坝渗流影响较小，但当其延伸较长或呈圆弧状持续变形时，会对坝坡稳定构成威胁。二是干裂缝，主要指由于坝体土粘粒含量较高，干旱时失水造成的龟裂，干裂缝延伸很短，对大坝无破坏性。

坝体裂缝可通过坑槽探查明，坑槽深度不宜超过5m。

3.2 反滤层勘察

反滤层是指设置在渗透系数差异较大的两种不同介质之间的砂砾层。反滤层通常由粗到细、分层填筑而成，主要起预防潜蚀，防止细颗粒被水流带走的作用，因此有无合格的反滤层是大坝安全鉴定勘察的重点，一般用坑探或钻孔植物胶取样法进行勘察。反滤层一般设置在大坝下游、渗流的出逸段、坝体土与粗粒土石坝壳之间。反滤层颗粒胶结性能差，给取柱状芯样带来很大困难，用植物胶取样法可大大提高柱状芯样的获得率。

如某大坝为粘土斜墙坝，斜墙与坝后堆石之间设置一层中粗砂反滤层，厚度30～100cm，如图1所示，为检查反滤层是否合格，需进行勘察。勘察时，由于坝顶附近坝壳厚度较薄，采用坑探效果较好，因为坑探可以直接揭露坝壳下部反滤层是否存在，及其级配情况；在坝壳厚度较大部位，可以钻孔并采用植物胶取样法。取样后编录芯样时应特别注意坝壳与坝体土接触面的情况，重点查明有无设置反滤层，及反滤层有无按要求由细到粗分层填筑。

3.3 地下水位观测与浸润线绘制

大坝安全鉴定勘察成果中应提供坝体浸润线，通过坝体浸润线反演计算，可以对渗透参数进行复核，进而对大坝进行渗流稳定分析。一般情况下，大坝坝体埋设有测压管可以观测坝体地下水位，但有的大坝没有布设测压管，或测压管失效，这时可通过钻孔进行观测并复核。在坝体钻孔过程中可以观测到两种水位，即初见水位与稳定水位。在坝体土干钻或干打过程中，若某部位取上来的土样存在干湿交替现象，则该交界面的高程即为初见水位。

实际工作中，若钻孔中需要进行水文试验(注水试验)，试验后孔底有积水，初见水位很难准确观测到，这种情况下可以观测坝体稳定水位。实际观测中，不能把终孔地下水位作为坝体稳定水位，正确的作法是不揭穿坝体土，在约1/3～2/3坝高处停止钻进并静止10h以上，这时观测到的水位即为坝体稳定水位。

根据渗流观测断面测压管布置，对某时间的水库水位及测压管水位可以做出坝体的实测浸润线，也可以计算测压管位势并绘制位势过程线检查坝体渗流情况。资料分析中不能忽视测压管水位滞后因素的影响。尤其要注意坝体浸润线并不是测压管或钻孔观测水位的简单连线，在大坝不同分区的界面上，浸润线会出现转折，绘制时应引起注意。常见的土石坝浸润线型式如图2所示。

根据水库的实际情况，综合利用各种方法分析测压管资料(如过程线分析、相关线分析、圈套图分析、浸润线分析和位势分析等)，并结合其他方面的分析进行综合评判，如坝体渗流量、变形及人工巡视检查的结果等，才能最终确定大坝的工作状况。

图2 土石坝典型浸润线型式

3.4 坝体分区(分层)

对病险土石坝进行坝体分区不能照搬、照抄原大坝设计资料，否则会出现同一土层性质差异大、物理力学参数统计成果不一致等问题。实际坝体分区宜根据原有工程竣工剖面，并结合勘探成果视具体情况予以调整。部分土石坝防渗土料欠缺，而且筑坝时由于急于求成，往往上部坝体填筑的防渗土料性质较差，特别是进行过加高处理的大坝，其加高部分防渗体与下部防渗体性质差异较大，此时应根据勘探成果对防渗体进行分层，各层的结构特点与透水性能不仅是控制库坝区渗漏的主要因素，也是选定渗流控制措施的重要依据，因此应逐层提出有关地质参数，为渗流安全评价提供地质资料和参数依据。

4 坝体参数选择

病险土石坝的勘察报告应提供结构安全评价设计所需的各土层主要物理力学指标(如：天然密度、坝体渗透系数、压缩模量、强度参数及允许坡降等)，其中坝体渗透系数k与强度指标c、φ值的选取是关键，坝体渗透系数为渗流安全计算的重要参数，可评价防渗体的防渗性能，确定有效防渗高程；而坝体强度参数是结构安全评价的关键参数。

4.1 防渗体渗透系数的确定

根据SL55—2005，勘察时坝体宜进行注水试验。注水试验可根据试验情况进行适当控制，当注入量较小时，试验时间应适当延长，若试验时间太短，注水后水位没有稳定，会造成试验结果偏大；当注入量较大时，试验时间宜适当缩短，以防对大坝产生不利影响。

现场注水试验得到的渗透系数往往会比室内渗透系数大1～2个数量级，大坝填筑越不均匀、质量越差，这种情况就越明显，究其原因有：①现场注水试验段一般长3～5m，现场试验成果代表该段次内不同土质土体渗透性指标的综合值。而室内试验土样取样间距一般为2m左右，土样长度一般为25cm或30cm，因此室内试验成果只能代表该孔段内局部土体的渗透性。另外能取样进行试验的土样一般都是比较好的，而砾石含量集中等较松散部位由于很难取样往往造成土样缺失，无法进行室内试验。②钻孔取样过程中存在的土体压缩现象会导致渗透系数偏小。③室内渗透试验用环刀切样时，剔除了土样中部分砾石等粗颗粒或用削土刀反复涂抹试样表面，也会造成渗透系数偏小。现场注水试验由于试验时观测时间较短，坝体未形成稳定渗流，观测到的流量偏大，导致计算的渗透系数值偏大。

渗透系数建议值可根据现场注水试验与室内渗透试验成果综合确定，一般情况下宜以现场试验为主，分区提出坝体土层的渗透系数及允许渗透坡降。当现场试验与室内试验值相差太大时，应分析其原因，如是否由于现场注水试验观测时间太短或者坝体局部地段存在(微)裂缝等因素造成，根据分析结果剔除个别不合理试验成果，最后对防渗土体的防渗性能进行综合评价。需要指出的是一般土石坝采取平碾压实法填筑而成，故其防渗体的水平渗透系数一般大于垂直渗透系数。

4.2 坝体土层强度指标

坝体稳定计算按规程规范应采用有效应力法计算，施工期及水位降落期采用总应力法计算复核，故应提供三轴试验有效应力、总应力指标及快剪、固快指标，其中三级以下中坝可采用慢剪指标代替有效应力指标。

由于坝体土层碎石含量较大，因取样困难导致原状土样较少，进行剪切试验的组数就更少，故必要时应分区加密取样，避免取样数量过少或代表性不强，应保证有足够的原状土样(规范要求不宜少于6组)。土样剪切试验过程中环刀所取的多为碎石含量少(或已剔除部分碎石)的土体，会使土体的凝聚力c值偏高、摩擦角φ值偏低，有时在统计成果中甚至会出现砂性土摩擦角φ比黏性土低的现象，此时应对土层的c、φ建议值做合理的调整。总之，确定参数时应根据现场实际地质情况，综合考虑取样、试验、统计等各环节因素影响，结合工程实践和类似工程的经验分区提供合理、可靠的土体强度指标。

5 结语

病险土石坝勘察是一个系统工程，需要综合运用多种勘察方法与手段，物探方法作为一种无损检测手段，尽管其精度还有待提高，但在病险大坝勘察中将发挥重要的作用，这方面的研究需要加强。病险土石坝的勘察重点是大坝隐患部位并分析病害原因，因此要重视病险土石坝现有资料的分析、整理，合理提供各土层地质参数，为工程质量评价、结构安全评价和渗流安全评价提供地质资料和依据。

文中对病险水库勘察工作中的一些具体问题进行了仔细分析，阐明了工作量布置原则、坝体裂缝勘察、反滤层勘察、地下水位观测及坝体浸润线绘制等规范中未涉及，而实际工作中又非常重要的问题；同时对坝体参数整理中可能出现的问题及处理方法进行分析，提出了建设性意见。