水库大坝安全鉴定工程勘察的难点分析

吴昌旺

摘要：本文结合了某水库大坝发生轻微渗漏，需要安全鉴定，前期进行的工程勘察，着重介绍了在夹杂块石厚填土坝基进行工程勘察的难点，经过勘察论证和分析，查明了大坝的渗漏强度及坝体和坝体后填土的颗粒组成，为工程堵漏及安全鉴定提供了重要的支撑，确保了水库大坝的稳定与运行。

关键词：水库大坝；渗漏；工程勘察；安全鉴定

1.前言

水库大坝常用的坝体类型有混凝土大坝、土石大坝[1]，坝体形式的选择应根据具体工程、坝体材料运输的便捷性及区域地质条件进行，否则大坝坝体会出现不同的问题，为大坝的运行埋下安全隐患。本文着重从已发生渗漏的水库大坝、坝体后堆填有厚填土的素填土，作为工程勘察的难点分析，为同类工程提供类似经验。

2.工程实例

某水库位于广州市，是以防洪为主，结合灌溉、除涝、水土保持等综合利用的小（1）型水库，集雨面积为10.01km2，水库水面面积约66.67hm2（1000亩），总库容为806×104m，水库大坝为均质土坝，水库原有建筑物有主坝、副坝、溢洪道等，主坝高21m，坝轴线长120m、副坝高17m，坝轴线长60m；溢洪道为开敞式宽顶堰，溢洪净宽20m；后期增加了水库背水侧填土。据了解，因水库附近某省道修建产生大量土石方，部分土体回填至坝体背水侧，坝体背水侧填土宽约60m～80m。本项目主坝坝顶距某省道约140m，与其有水泥路相连。

因水库坝体长时间没进行加固，且背后填土出现渗漏点，故需对坝体进行前期工程勘察的安全鉴定工作。

3.库区区域地质概况

（1）地形地貌及地层岩性

库区为低山地形，均由混合岩组成，地表为混合岩风化土，厚度较厚，山体多呈浑圆状。因受雨水作用，冲沟较发育，冲沟宽度一般为10m～50m，水流量不大。山体植被发育。山谷地貌主要为山麓缓坡地带之冲洪积堆积带。

山麓缓坡发育冲积层（Qal）和残积层（Qel）。残积物主要为砂质黏性土。基岩为混合岩（Z）及后期侵入的石英脉等。

（2）地质构造

根据相关区域地质图，工程区内没有大的构造单元通过，但工程区周边存在断裂构造，主要为东西向断层F1及北西向断层F2。

东西向断层F1发育于加里东构造层中，断层面多往南倾，倾角缓（15°～30°），早期为逆断层（具韧性），晚期为正断层（具脆性），倾角较陡（50°～60°），构造岩类型复杂，早起为糜棱岩和硅化岩，晚期则多形成构造角砾岩和硅化碎裂岩，断层两侧往往具有早期的糜棱岩和硅化现象，断层距离主坝约2.0km，对主坝稳定性影响不大；

北西向断层F2发育在燕山构造层中，断层走向300°～340°，倾向西南，倾角一般较陡（60°～75°部分40°～50°），构造岩以硅化岩为主，其次为破碎硅化岩和硅化角砾岩，断层多为压扭性和张扭性，是调查区内形成较晚的断层，且往往是含水性断层，断层距离主坝约2.1km，对主坝稳定性影响不大。

（3）水文地质条件

水库地处亚热带季风气候区，雨量丰沛，流域内的降水以锋面雨和台风雨为主，其次是对流雨和地形雨，降水有较强的季节性，并有覆盖面积广、强度大的特点。本流域多年平均降水量为1698mm，降水量年内分布不均，汛期（4月～9月）降水量约占年降水总量的80%，其中4月～6月为主汛期，7月～9月有台风雨，10月至翌年3月为枯水期，枯季降水量占20%。库区流域多年平均最大24h降水量为135mm，多年平均最大72h降水量为186mm；实测最大24h降水量218mm，实测最大72h降水量346mm。

库区地下水类型可划分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类，其中基岩裂隙水为块状岩类裂隙水。松散岩类孔隙水广泛赋存于区内第四系土层中，主要含水地层为筑填土及砂质黏性土；块状岩类裂隙水的含水地层为混合岩层。该水库由地下水和溪水等汇聚而成，库区内地下水丰富，地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系松散堆积层孔隙潜水。孔隙水主要埋藏于沟谷及两岸第四系坡积、冲洪积层中，受大气降水或基岩裂隙水补给，水量不大。库区基岩裂隙水主要赋存于岩石全、强风化带及基岩破碎带裂隙中，其透水性除受岩石风化程度的影响外，亦受断层构造和裂隙发育程度的影响，主要受大气降水补给，并排泄于沟谷中。据区域水文地质资料及相关资料显示，区内地下水动态随季节性变化，主要受降水支配，松散岩类孔隙水在每次暴雨后水位迅速上升，于每年5月～9月處于高水位期，9月以后随降水减少而缓慢下降，常在1月份出现水位低谷。基岩裂隙水由于渗入补给时间较长，往往具滞后现象。

4.安全鉴定工程勘察的难点分析

（1）大坝坝体所在场地工程地质环境的不断变化

大坝坝体经过长期的运行和定期的加固注浆处理，坝体素填土的特性发生了一定的变化，坝体存在的问题也日益显露。该大坝坝体的安全鉴定工程勘察不同于一般的工民建勘察，主要表现于其土体特性是不断变化的，不但存在坝体土料的流失的问题，更体现于加固注浆后其土体特性的变化，故大坝安全鉴定工程勘察的针对性更强，精度要求更高[2]。为防止土坝微小土粒的流失，本水库坝体每隔5年会定期进行加固注浆处理，坝体经过加固处理后，其岩土特性不断变化，想要彻底摸清大坝的地质环境就显得尤为困难。

（2）没法直接判别渗漏点的通道及溢流情况

通过野外调查，库岸分水岭地势雄厚，岸坡坡度较平缓，大部分20°～35°之间，局部大于50°，表面植被发育，多为高大树木及灌木；库周围基岩为均质致密且坚硬的混合岩，除冲沟底部及局部陡坡基岩裸露外，其余均为坡积层及风化土所覆盖；在大坝背水侧填土层上截排水沟处有水土流失及小面积崩塌，主坝附近库岸见有少量小面积滑塌痕迹外，未见大的滑坡、坍塌等不良地质现象发生，库底基岩稳固，库岸基本稳定。库区为极不规则形状，库区两岸为低山地形，坡积层及风化土层厚度一般大于5m；库区内岩性单一，两岸山体分水岭一般高大雄厚；库区内未发现通向库外的大断裂，不存在水库永久性渗漏的可能性，但距离水库主坝165m处省道外侧有一泉水溢出，流量约为2.633L/s，雨季溢出量稍大，因该泉点已被坝后填土及道路覆盖，没法直接判别该泉点的通道及溢流情况，间接增加了工程勘察的难度。

（3）坝体及坝后填土成分复杂，需要进行粒径分析

通过工程勘察及土工试验结果分析，坝体及坝后填土局部含碎块石，钻进过程中出现不同程度的漏水情况，土质成分也出现较大的变化，需要对填土进行粒径分析。

坝体填土主要由混合岩残积土及风化岩回填而成，回填时间10年以上，坝体顶部含较多混合岩碎岩块，直径2cm～20cm，漏水较严重，坝体底部局部含较多混合岩碎石，直径多为10cm～20cm，轻微漏水。坝体石英质颗粒2mm～20mm的含量约0～3.2%，土质较纯，根据钻孔揭露，坝顶填土层最厚24.50m，从大坝两端到坝中间填土深度逐步加深，坝体填土主要由粉质黏土、砂质黏性土等组成，粉粒（粒径d>0.005mm）含量变化较大，多在24.4%～49.8%之间，平均在34.8%左右，土料均一性稍差，主要来源于附近山坡的混合岩风化土；黏粒（粒径d<0.005mm）含量变化较大，在15.4%～28.7%之间，平均在20.8%左右，土料均一性稍差，其中粒径在0.075mm

坝后填土主要由混合岩残积土及风化岩回填而成，回填时间10年以上，填土局部含较多块石，直径多为10cm～25cm，漏水较严重，个别钻孔没有测得有效地下水位；根据钻孔揭露，坝后填土层最厚21.50m，坝后填土主要由粉质黏土、砂质黏性土等组成，局部夹杂较多碎石、块石等，粉粒（粒径d>0.005mm）含量变化较大，多在22.8%～76.7%之间，平均在39.1%左右，土料均一性稍差，主要来源于附近山坡的混合岩风化土、碎石块等；黏粒（粒径d<0.005mm）含量变化较大，在7.9%～20.5%之间，平均在13.6%左右，土料均一性稍差，其中粒径在0.005mm

（4）坝体注水试验与室内填土样渗透系数试验结果相差较大

室内试验坝体筑填土的垂直渗透系数为1.77cm/s×10- 5cm/s～1.96cm/s×10- 5cm/s，水平渗透系数为1.84cm/s×10-5cm/s～2.16cm/s×10-5cm/s，现场注水试验坝间填土的渗透系数为6.838cm/s×10-5cm/s～9.898cm/s×10-4cm/s，详见表1、表2。

通过对比分析，现场注水试验渗透系数大于取样室内试验成果，主要是因为坝体填土不均匀，密实度变化较大，室内试验测定的渗透系数只能代表取样位置处的填土，而现场注水试验是代表注水段整段的填土层的透水性，更具代表性。

4.坝体工程地质评价

大坝为均质土坝，主坝高21m，坝轴线长120m、副坝坝高17m，坝轴线长60m。根据钻孔地质资料，坝体主要由混合岩风化土填筑而成，土质较均匀，含少量砾质，填土颜色多为褐黄色、肉红色。

坝体填土土料來源主要来源于附近山体的混合岩风化土和坡积土，土质为砂质黏性土和含砂低液限黏性土，含砾质和强风化碎块石。根据土工试验，填筑土的干密度ρd=1.64g/cm3～1.74g/cm3，平均值为1.69g/cm3，填筑土的密实度相差较大，天然含水量w=20.8%～26.5%，平均值为23.65%，最优含水率为16.2%～17.1%，平均值为16.65%；根据标贯试验成果（坝身填土标贯击数为11～17击，标准值为13.2击；坝后填土标贯击数为8～14击，标准值为9.8击），坝体筑填土属稍密状，局部中密状，坝后筑填土属松散—稍密状，密实度一般—较差。坝体筑填土击实试验结果最大干密度为1.64g/cm3，最优含水率为17.1%，计算得出压实度为91.62%，坝后筑填土击实试验结果校正后最大干密度为1.78g/cm3，最优含水率为15.3%，计算得出压实度为86.10%。填土压实度偏低，未达到《碾压式土石坝设计规范》DL/T9395-2007的要求。

根据坝体筑填土各组土样颗分试验的平均值的粒径分布曲线，见图2，坝体填土的平均细粒含量Pc=59.5%，易发生的渗透破坏类型为流土型，由临界水力比降Jcr=（Gs-1）×（1-n）公式计算得出临界水力比降Jcr=0.937，安全系数取2.0，允许水力比降J允许=0.469。

坝体混合岩风化土筑填土的渗透系数，根据现场注水试验结果K（最大值）=9.898m/s×10-4m/s，室内试验垂直渗透系数K20（最大值）=1.96cm/s×10-5cm/s，水平渗透系数K20（最大值）=2.16cm/s×10-5cm/s，表明坝体填土层多为弱透水性土，局部存在中等透水性土可能。

大坝坝前坡面以水泥浆抹面保护，水面上坡面以混凝土空心块护面，前坡坡度约20°～22°，坝后坡面以草皮保护，后坡坡度约25°～30°，在坝后坡底部筑石护坡，对防止雨水冲刷及保证坡体稳定有较好的作用，未发现大坝坝顶或坝坡裂缝。

5.结论

本工程坝体石英质颗粒粒径一般2mm～20mm左右，含量约0～3.2%，土质较纯，从坝肩到坝体中部填土深度逐步加深，坝体填土主要由粉、黏粒组成，黏粒（粒径d﹤0.005mm）含量变化较大，在15.4%～28.7%之间，平均在20.8%左右；对坝体渗漏现象，建议对渗漏点开展专项研讨工作，可结合勘察、物探等综合方法对其漏水情况进一步观测和研究。本工程通过对坝体土料填筑质量、渗漏稳定性、坝体渗透系数及工程地质条件等进行初步分析评价，为同类工程堵漏及安全鉴定提供了重要的支撑借鉴作用。

参考文献：

[1]周咸秀.浅谈土石坝坝体填筑施工方法[J].江西建材， 2015.

[2]曹春.浅谈水库大坝工程加固的地质勘察及其施工要点[J].防护工程， 2018.