中小型碾压式土石坝水库工程勘察及病险分析

罗 婧

(江西省赣抚平原水利工程管理局，江西 南昌 330096)

1 工程概况

某水库是一宗以防洪为主，集灌溉、发电、供水于一体的综合利用中型水库，水库工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。水库坝址以上流域集雨面积53 km2，多年平均流量1.17 m3/s，多年平均径流深800 mm。水库由枢纽建筑物和灌区两大部分组成，主要枢纽建筑物包括大坝、条形山、输水涵管、溢洪道、坝后电站等，主灌渠全长4.4 km，后分东、西、中三条灌渠至各灌区，灌区有效灌溉面积0.10万hm2。

(1)水库主坝。为均质土坝，主坝长108 m，坝顶宽度5 m，设计坝底宽215 m，最大坝高41 m，坝顶高程313.30 m，防浪墙顶高程314.30 m，采用混凝土路面。

(2)条形山。是在原状山体上削坡而成挡水建筑物，长200 m，迎水侧采用干砌石护坡，在302.30 m高程处设有混凝土齿墙，295.50 m及291.30 m高程处设有干砌石齿墙，各齿墙之间填筑反滤层粗砂、碎石各 150 mm厚；高程304.80 m 处设置一级马道，宽2.0 m，马道以上、以下坡比均为1∶2.0，高程292.80 m 处设置二级马道，宽2.0 m，马道以上坡比1∶2.0，马道以下坡比1∶2.5，坡面采用草皮护坡。高程 280.30 m 以下为坝脚回填土方。

(3)输水涵。管布设在大坝的左岸，总长184.5 m，其中坝体内涵管长169.6 m，原设计采用钢筋混凝土管，断面为圆形，内径1.2 m，管壁厚度30～40 cm，基础为坚实砂岩地基，采用浆砌石垫座。

(4)溢洪道。闸室右端与水库条形山相连，左端与山头相接，通过6 m高单孔露顶弧形钢闸门控制泄流，闸室净宽11.7 m，采用驼峰堰挡水，堰顶高程304.65 m，设计最大下泄流量427.8 m3/s。

(5)坝后电站。采用地面式厂房，电站设计水头26 m，设计流2.8 m3/s，装机为 2×260 kW。

2 工程勘查内容与结果

2.1 工程勘察内容

根据水库地质工程概况，在前期地质勘察的工作完成基础上，确定了本次勘察工作的主要内容为：

(1)全面复查工程区水文地质、工程地质条件，重点检查水库运行以来地质条件的变化。

(2)了解坝体现状，包括坝身结构、坝体填筑土组成及填筑质量，了解填料级配、密实度、渗透系数等，复核坝体填筑土的物理力学参数。

(3)调查坝体渗漏、开裂、沉陷、滑坡以及其他建筑物的险情的分布位置、范围、特征及抢险处理措施与效果，初步分析病害险情的类型和成因。

(4)了解坝基、坝肩及各建筑物地基的地层结构、岩土体特性及物理力学性质；了解坝基清基情况，重点查明地基渗漏情况。

(5)了解近坝库区与建筑物有关的滑坡体、崩塌体的分布范围和规模，初步分析其稳定性。

本次勘察外业钻探采用 XY-150 型地质钻机进场进行地质钻探外业工作，运用套管护壁进行钻探(开孔孔径130 mm，终孔孔径91 mm)。

2.2 勘察结果

2.2.1 工程和水文地质条件

本次勘察结果显示近坝库岸基本稳定，未见大的滑坡、坍塌等不良地质现象发生，库岸基本稳定。水库区周围山体无单薄分水岭地形，山体雄厚，山顶高程均高于水库正常蓄水位，地形封闭自然条件较好，库盆为相对不透水的岩土体构成，库内未发现通向库外的大断裂，不存在水库渗漏问题。库区在正常蓄水位回水线的影响发生在蓄水工程四周的山坡地区，工程蓄水后库区范围内不存在受浸没影响的潜在对象。库区周围为低山丘陵地貌，库岸地形坡度较缓，库区地表覆盖第四系残坡积层，近坝库岸及库区山体植被覆盖率高，库区蓄水位以上及库岸存在一定范围的裸露土层。在雨季，地表溪流将会造成一定的水土流失，总的来说，库区存在一定程度的淤积问题。

工程区内地表水、大坝地下水具重碳酸型中等腐蚀性；条形山地下水对混凝土具一般酸性弱腐蚀性，对混凝土重碳酸性中等腐蚀；工程区内地表水、地下水对钢筋混凝土结构中钢筋均无腐蚀性，对钢结构均具有弱腐蚀性。

2.2.2 不良地质现象

勘察到存在的不良地质现象为库区地层风化土广泛分布，可塑～硬塑状，遇水软化、崩解，在无扰动的情况，自稳较好，但在有水的情况下经施工扰动，容易软化崩解，使土体强度、稳定性大为降低[1-2]。枢纽区的滑坡主要分布在溢洪道泄槽段起点南侧边坡和大坝左坝肩处，溢洪道滑坡曾进行过减载、削坡、抗滑桩等方案处理，目前处于稳定状态。大坝左岸近库岸处分布有弱风化岩体，岸坡目前处于稳定状态，但高角度边坡岩体裂隙极发育，若处于长时间裸露，风化状态下易出现掉块，局部小范围崩塌现象。

3 水库工程病险分析及评价

通过对库区地质条件进行勘察分析，发现水库长期运行中主坝、条形山、溢洪道、输水涵管、发电厂等不同建筑物出现一定的病害，影响大坝结构性的完整和主要功能和效益的发挥，故在工程地质勘察的基础上对本工程的典型病害进行病害表现分析和评价。

3.1 大坝主体病险分析及评价

3.1.1 坝体现状

坝体局部开裂：防浪墙、坝顶位置有混凝土或水泥老化产生的微小裂痕，内部无明显结构裂缝发育，结构较为完整，对坝体质量无明显影响。

坝体表面冲刷：背水坡表面草皮冲刷严重，迎水坡为混凝土护坡，面板中部存在大量裂缝发育，坝坡常水位以下面板存在冲刷、磨损开裂现象。整体未见不均匀沉降，护面基本完好，未造成沉陷、塌坑、隆起等现象。

生物灾害：背水坡局部可见蚁穴、老鼠洞，坡面整体未见明显的管涌、流土、塌陷，目前对坝体质量无实质性损害。

3.1.2 填筑土渗透性及渗流评价

水库土坝存在坝体渗漏主要原因有两个：一是由于历史原因选用填筑土料未达设计要求，造成实际土体渗透系数大于设计渗透系数，坝基表层岩石破碎，裂隙发育，致使坝基渗漏大。二是由于水库是在特殊历史年代施工的，前期地勘及设计审查都没有按基建程序执行，施工无法按规范进行，造成坝体人工填土部分土块粒径较大，空隙多，压实不够，不均匀，层面结合不良，坝体不密实。为查明填筑土渗透性和渗漏问题，在大坝、条形山及其连接山体的坝顶和坝后一级马道布置二条高密度测线和二条自然点位测线。

由高密度电法和自然电位法剖面可知：大坝填土主要呈低阻异常，填土层和坝基部位含水率较高，异常部位与2001年除险加固前的渗漏位置相吻合。

另进行了填筑土的原位注水试验和室内渗透试验，经统计分析：坝体填土坝轴线渗透系数范围值为3.63×10-5～2.97×10-3cm/s，平均值为9.27×10-4cm/s，大值平均值为1.88×10-3cm/s，坝轴线填土中等透水占总体比例为83.4%，弱透水仅占16.6%；坝后坡填土主要层弱透水性。

3.1.3 填筑土工实验

为了查明坝基岩土分层、坝体填土质量状况及相关岩土体渗透性。在坝顶(高程为313.28 m)布置2个钻孔，背水坡一级马道(高程为305.09 m)布置1个钻孔，进行了坝体填筑土工试验，根据大坝坝体土料击实试验成果，其最大干密度1.82 g/cm3，最优含水量为14.6%，坝体填土天然含水率18.1%～30.7%，坝体填土干密度1.36 ～1.69 g/cm3，干密度平均值1.52 g/cm3，计算得出坝体压实度范围值74.7%～92.8% 坝体填土压实度平均值为83.5%，不满足《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)对本大坝填土压实度大于98%的相关要求。

本阶段在了解大坝现状的基础上，对大坝坝体填筑质量进行了评价、对大坝填筑土的渗透性及渗流进行了评价并测试了大坝填土物理力学性质，发现坝体主要病险类型为：填筑土压实度较低，密实程度不均匀，施工质量差异明显，填土中等～高压缩性，在增加荷载，附加应力的作用下，存在进一步沉降变形的风险；坝体填土存在渗透性中等偏大的部位，对大坝进行灌浆处理起到一定防渗效果，依旧存在坝渗漏问题。

3.2 坝基病险分析及评价

根据现场注(压)水试验资料， 坝基岩(土)体残坡积粉质黏土现场注水试验渗透系数为4.12×10-4cm/s，为中等透水性；下部强风化长石石英砂岩渗透系数为3.09×10-4cm/s，为中等透水性；弱风化长石石英砂岩上部节理裂隙发育部位渗透系数为2.85×10-4～3.20×10-4cm/s，为中等透水性；弱风化长石石英砂岩下部压水试验透水率q=0.30～1.54 Lu，平均值为0.82 Lu为弱透水性。

本次勘察注水、压水试验成果显示：坝基中等透水占总体比例为42.9%，弱透水仅占57.1%。坝基与坝体结合部总体呈中等透水性，坝基渗漏、两坝肩和坝体接合处存在渗漏问题，通过前期的注浆加固在一定程度上解决了该问题。

3.3 条形山现状及病险分析

在大坝、条形山及其连接山体的坝顶(高程为313.30 m)和坝后一级马道(高程为305.0 m)布置二条高密度测线和二条自然电位测线，以探测坝体(坝体渗漏隐患区)的空间位置，探测显示水库在条形山在(自编0+120～0+126)，高程为255.0 m以下、高程为285.0～290.0 m以下山体存在低阻异常区，异常区域均为原始山体，推测为岩体风裂隙发育，含水率较大导致所测区域低阻异常。

为查明条形山各岩土体渗透性，采用现场注水试验与室内试验相结合的方法。实验成果：条形山各岩土层整体呈弱透水性，均满足规范SL 274—2020相关规范均质土坝土体渗透系数小于1.0×10-4cm/s要求。

利用室内试验对岩土的物理力学性质进行分析后得到如下结论：条形山两坝肩为残坡积含砾粉质黏土层，呈弱透水性，左右坝肩稳定性较好，未见发生山体稳定问题和渗漏现象，条形山现阶段整个透水性以弱透水性为主。现状条件下渗流稳定，建议加强监测。

3.4 溢洪道工程现状分析

通过测试分析溢洪道现状如下。

进口段：少量粗骨料裸露；局部受水流冲刷影响，骨料裸露；整体而言溢流堰堰体结构完好，表面无裂缝，剥落，空蚀等现象。

泄槽段：部分分缝处长有杂草，局部溢流面板块存在裂缝，均采用石膏修补。

挑流鼻坎：溢洪道消力池内有积水，挑流鼻坎结构基本完好，未见破损、沉降、裂缝。

下游冲坑：鼻坎以下冲坑基岩为弱风化石英砂岩，抗冲能力，承载力均满足规范要求，冲坑现状稳定，鼻坎下方未出现异常淘刷情况，不影响溢洪道正常运行。

综上所述溢洪道部位整体工程地质条件较好，现状维护管养较好，建议加强监测和进行养护处理。

3.5 输水涵管工程现状分析

启闭连杆表面涂层基本脱落，存在多处锈蚀，启闭机运行正常，电动机铭牌缺失。底流式消能池内有积水，斜坡段长有杂草，未积水段混凝土表面有较为明显的冲刷磨损痕迹。

根据输水涵管CCTV检测成果报告共发现结构性缺陷1处，管道内壁下沿处出现少许的铁锈。属于Ⅰ级缺陷，结构条件基本完好，不需要修复，功能性缺陷0处，管道运行基本不受影响，没有明显需要处理的缺陷，建议加强监测。

3.6 发电厂房现状分析

根据施工开挖资料以及现场查勘了解：厂房基础绝大部分已坐落于风化基岩上，整个基础承载力抗滑、抗变形以及抗渗能力均满足设计要求。整个发电厂房现状变形沉陷现象极少，挡土墙现状稳定。

4 病险综合治理建议

大坝填筑土压实度较低，密实程度不均匀，存在进一步沉降变形的风险；坝体与坝基及坝轴线填土均呈中等透水性[3]，需进行坝体渗流稳定复核，条形山现状条件下渗流稳定，建议加强监测。溢洪道、输水涵管与发电厂运行良好，建议加强监测和进行养护处理。

针对上述地质勘察存在工程问题提出以下建议：(1)库区在雨季时，由于水土流失会造成一定程度的淤积问题，应该改善植被，保持水土；在雨季来临之前进行加固；雨季期间加强监测清淤工作，避免出现问题。(2)大坝填筑土压实度较低，密实程度不均匀，施工质量差异明显，在附加应力的作用下容易出现不均匀沉降，建议设计对大坝和进行沉降稳定复核。(3)坝基与坝体结合部总体呈中等透水性，存在一定的渗漏风险，针对该问题应定期监测，对出现渗漏问题采用注浆等手段进行加固。(4)对条形山、溢洪道、输水涵管等设备虽目前良好，但也要定期监测，发现问题及时进行处理。

5 结 论

通过库区的详勘和病险分析得到以下结论：(1)岸坡稳定性较好，不存在永久性渗漏问题，水质对混凝土、钢结构的腐蚀性较弱；(2)后期需对大坝进行沉降稳定和渗漏稳定复核；(3)水库稳定性勘察分析的方法和手段比较综合，通过钻孔取样和实验分析远远不够，往往需要设计先进的实验如声呐渗流、追踪实验来更加精确探明的渗漏情况。