病险土石坝勘察的几个重点问题探讨

王周萼，陈 薇，王小波

(1.水利部长江勘测技术研究所，湖北 武汉 430011； 2.长江科学院检测中心，湖北 武汉 430010)

我国已建大坝中90%以上为土石坝，且多建成于20世纪50至70年代，普遍存在防洪标准低、施工质量差等问题[1-2]。随着运行时间的增长，很多土石坝出现了渗漏、沉陷、裂缝等险情，成为病险土石坝，使工程无法充分发挥效益，少数土石坝甚至发生溃决，给人民生命和财产安全带来威胁。近二十年来，国家投入大量资金对病险水库进行了加固，但仍有很多病险水库未得到处理，存在安全隐患。根据有关规定，水库大坝每隔十年应进行一次安全鉴定。因此，相当长一段时间内，病险水库除险加固勘测设计仍是水利行业的一项长期工作。

笔者认为，为做好病险土石坝勘察工作，需理解并把握四个方面的重点问题，即险情问题、勘探问题、钻孔注水试验问题和土体抗剪强度试验问题。本文对这四个问题逐一进行简要分析，以期为病险土石坝勘察工作提供借鉴。

1 险情问题

土石坝险情是指大坝出现了具有一定表观特征的危险情况[3-5]。大坝出现险情，如不及时处置，可能造成大坝无法正常运行，但是否会导致大坝溃决，取决于险情的类型及发展情况。有的险情可以进行修复，有的可能造成严重破坏，而有的险情会引起大坝溃决。因此，大坝出现险情，需开展险情调查，这是病险土石坝勘察的一项重要内容，也是基本要求。通过险情调查，可明确险情的大致范围，分析出险原因，界定险情性质，并预测险情发展趋势，为大坝安全评价提供支撑，也为下一步开展针对性的勘探布置提供依据。

根据勘察实践，土石坝与地质有关的险情包括渗漏和变形两大类。

1.1 渗漏险情

水库运行期间，坝后坡、坝脚或坝基(肩)等部位出现漏水现象，称为渗漏。按渗漏的性质分为异常渗漏和正常渗漏，异常渗漏的渗流量一般较大，水中含有细小颗粒等杂物，有时水质浑浊，可能造成大坝破坏，是关注的重点；正常渗漏的渗流量不大，水质透明，一般不含细小颗粒，不会造成大坝破坏。异常渗漏包括坝体、坝基、坝肩及其他渗漏。坝体渗漏主要因填筑土渗透性不满足规范要求，局部存在渗漏通道所致；有的输水涵管位于坝体内，与填筑土接合不好，致使坝体发生不均匀沉陷而产生裂缝，形成渗漏通道。坝基渗漏主要因岩土体渗透性过大，未进行防渗处理或处理不到位，致使库水渗向下游。坝肩渗漏包括两岸山体岩、土体渗漏及其与坝体接触面之间的渗漏。其他渗漏如输水洞和溢洪道的渗漏，多因建筑物基础处理及与山体接合部位的防渗处理欠缺，伸缩缝止水材料老化及灌浆封孔质量较差等。

对于渗漏探测，目前多采用基于地震、电法、电磁法或其他类别的物探技术[6-7]。单一技术有其局限性，无法实现对土石坝隐患的快速、精准探测。在国家重点研发计划项目“土石堤坝渗漏探测巡查及抢险技术装备研发”(2019YFC1510800)中，建立了一套基于电法+示踪法的渗漏精准探测技术，并研发了相应装备，可作为渗漏探测的首选技术。

1.2 变形险情

变形险情类型主要有沉陷和裂缝。

沉陷是坝身或坝脚附近出现的局部凹陷现象，多因坝体局部填筑质量差或管涌、渗漏等险情未能及时发现和处理所导致。沉陷会破坏坝体的完整性，也可能缩短渗径，有时还伴随渗漏等险情。沉陷严重程度主要从陷坑规模、是否有水、发展变化程度等方面综合分析。

裂缝是大坝不均匀沉陷变形等原因引起坝体开裂的现象，是土石坝普遍存在的险情。土石坝发现裂缝后，应通过观测、探槽(井)和仪器探测等手段，查明裂缝的形状、走向、深度，分析发展变化趋势。裂缝的危害主要表现在渗透破坏和滑坡等方面，预示大坝可能会发生破坏，需高度重视，并及时进行处理。

2 勘探问题

2.1 勘探布置原则

勘探布置是病险土石坝勘察工作的重要一环，应遵循以下原则：

(1) 勘探方法主要以钻探为主，辅以坑槽探或物探。勘探目的在于查明大坝险情原因和地质条件，需在收集已有险情和地质资料的基础上布置。一般沿建筑物中心线布置勘探，均质土坝一般沿坝顶中心线或上、下游马道中心线布置，心墙坝沿心墙中心线布置。有的心墙坝经过加高处理，心墙中心可能不在坝顶中间，需结合实际的心墙中心线布置。

(2) 钻孔布置应考虑险情因素。安全鉴定阶段坝轴线钻孔间距宜控制在100 m以内，初步设计阶段钻孔间距宜控制在50 m以内。大坝较长时，坝顶中心线上的钻孔数量应在3个以上；大坝较短时，坝顶中心线上的钻孔数量为1～3个。上、下游坝坡(平台)上也应布置钻孔，以便形成大坝勘探控制网。

(3) 钻孔应重点布置在下列部位：① 主要险情部位，如沉陷、裂缝、坝后漏水点及老河床和河流深槽部位等；② 可能出现险情的建筑物如溢洪道、发电管(洞)及输水管(洞)等轴线附近；③ 副坝低矮时可只需沿大坝中心轴线布置钻孔。

(4) 应结合加固方案布置钻孔，如大坝防渗中心轴线应布置纵剖面。

(5) 心墙坝的坝壳代料及坝后反滤堆石棱体等，应布置钻孔查明其物理力学性质及渗透性。

(6) 钻孔深度一般要求：①防渗帷幕线上的钻孔应进入坝基隔水层不小于10 m，其他钻孔应进入坝基不小于3 m；②当坝基存在砂卵石等强透水层时，钻孔应穿过强透水层进入相对隔水层内不小于5 m。

2.2 勘探注意事项

尽量选择库水位较低或非汛期时进行勘探，库水位较高或汛期钻进时应注意防洪安全，此时也不宜在坝后钻孔。若库水位高过孔口高程，坝基可能存在的承压含水层被打穿时易导致地下水喷出，影响大坝安全。

钻孔结束应进行封孔，若孔内有地下水快速流出，可能导致封孔材料在孔内悬浮，封孔困难。解决办法是尽可能增加地面以上的套管长度，这样可以提高孔内的水位，减缓孔内水流速度，然后再进行封孔。

3 钻孔注水试验问题

在病险土石坝勘察中，为评价土体渗透性，应查明其渗透系数。坝体心墙或均质坝的坝轴线部位一般采用钻孔注水试验，坝壳代料也可采用试坑注水试验。这里重点分析钻孔注水试验，该试验是获取大坝填筑土及坝基砂卵石层、破碎岩体等岩土体渗透性的常用方法，按试验方法的不同分为常水头注水试验和降水头注水试验。

3.1 常水头注水试验

试验开始前需对试段进行隔离，即用套管封住非试验段的岩土体，如果是孔口往下的初次试验，则不用隔离。用盛水容器或水管向孔内注水，当孔内水位处于某一易于观测的位置时，保持水位不变，开始记录注入的水量和时间，试验总历时不得小于2 h。0～5 min，每隔1 min测量一次注水量；5 min～25 min，每隔5 min测量一次注水量；30 min之后，每隔0.5 h测量一次注水量。当两次注水量相差较小时(8%～10%)，则认为渗流已经处于稳定状态，试验可停止。采用下式计算渗透系数k：

(1)

式中:k为渗透系数,cm/s;L为试段长,cm;q为单位时间注入流量,cm3/s;D为套管直径,cm;Hc为不变水位,cm。

3.2 降水头注水试验

当土体渗透性较小时，通常采用降水头注水试验获取渗透系数，尤其是大坝心墙，渗透性一般较小，很适合该试验。若某试验段渗透性突然增大时，可改为常水头注水试验。试验设备与常水头注水试验相同，试验开始前也需进行试段隔离工作，如果是孔口往下的初次试验，则不用隔离。用盛水容器或水管向孔内注水，当孔内水位处于孔口附近易于观测的位置时，保持水位不变，记录初始时间和水位。前5 min，按第1 min、3 min及5 min分别量测水位下降值；5 min之后，每隔5 min量测一次水位下降值，试验历时约1 h。若土体渗透性较强，孔内水位下降较快，可缩短量测间隔，如前5 min内，先按每隔0.5 min量测一次水位下降值，然后按每隔1 min量测水位下降值；5 min之后，每隔2 min～3 min量测一次水位下降值，试验历时可缩至30 min～40 min。采用下式计算渗透系数k：

(2)

式中:k为渗透系数,cm/s;T为延续时间,s;D为套管直径,cm;L为试段长,cm。

这里采用实例说明降水头试验数据记录和处理。某大坝心墙厚26.5 m，做钻孔降水头注水试验5段，表1和表2分别列出了其中3段试验记录数据和计算结果。

现场试验时，除了记录表1中的数据，还需记录试验孔径、试验前套管长度以及地下水位埋深等3项，用于计算渗透系数。

3.3 两种注水试验适用条件

两种注水试验均用于获取土体渗透系数，但适用条件不同。对于粉细砂、砂卵石及破碎岩体等渗透性较强的岩土层，应采用常水头注水试验，降水头注水试验可能完全不适用。如砂卵石注水试验，若采用降水头，钻孔水位下降很快，可能在取得有限的少量数据后，水头已消散或孔内水位过低无法量测。对于黏性土和粉土等渗透性弱的细粒土，则应采用降水头注水试验。对于两种试验方法均适用的土层， 对比试验表明获得的渗透系数相差不大[8-10]。从试验历时看，降水头试验历时短很多，一般只需1 h或更短，常水头试验历时不得小于2 h，因此实际勘察中以降水头试验为主，仅在降水头试验不适用时才采用常水头试验。需注意的是，除了孔口往下的第一试验段，其他试验段均需下套管隔水。如果没有下套管隔水，获得的渗透系数有可能大大超过实际，并有可能与实际渗透性完全偏离。

钻孔注水试验需连续进行，不得间断，试段长一般为5 m左右，如果岩土体渗透性较强，可缩短段长。同时，可在钻孔中取原状土样做室内渗透试验，与现场钻孔注水试验进行比较分析。

表1 某大坝心墙钻孔降水头注水试验数据

表2 某大坝心墙钻孔降水头注水试验结果

3.4 渗透系数建议值

渗透系数是土体渗透性的评价指标。根据勘察实践，大坝纵剖面轴线各地段渗透系数量级相同或相差一个量级时，可采用渗透系数的平均值作为建议值；相差两个或以上量级时，渗透系数不宜合并取平均值，可分区域提出建议值，以准确反映大坝不同部位的渗透性。

对于钻孔注水试验和室内渗透试验，多数情况是钻孔注水试验值大于室内渗透试验值，原因在于现场注水时，土体具有不均匀和各向异性的特点，可能存在透水夹层、裂缝等渗透性较强的部位；室内渗透试验的土样是一小段土体，性状比较均一。因此现场注水试验更符合实际，宜以现场注水试验结果为主。

4 土体抗剪强度试验问题

4.1 直剪试验和三轴试验

土体抗剪强度指标即土的内摩擦角(φ)和黏聚力(c)，通常采用直剪试验和三轴试验两种试验方法获取。直剪试验按固结及剪切速率分为快剪(Q)、固结快剪(R)和慢剪(S)，三轴试验按固结排水条件分不排水剪(UU试验，试样不固结，在剪切过程中保持含水量不变)、固结不排水剪(CU试验，试样固结，在剪切过程中保持含水量不变)和排水剪(CD试验，试样固结，在排水条件下缓慢剪切)，分别与直剪试验的快剪、固结快剪和慢剪对应。

两种试验方法各有优缺点，直剪试验具有结构简单，操作方便，固结快，历时短等优点，应用广泛[11-12]，三轴试验更为准确，一般重大工程应尽量做三轴试验。建议优先采用三轴试验，3级以下的中低坝，可采用直剪试验。

4.2 坝坡稳定分析方法和工况

(1) 坝坡稳定分析方法。坝坡稳定分析方法包括有效应力法和总应力法。有效应力法概念清晰，是一种比较合理的稳定性分析方法[13-14]，可采用三轴或直剪试验确定其强度指标。

(2) 坝坡稳定分析工况。坝坡稳定分析需考虑以下两种工况：

①稳定渗流期，采用有效应力强度指标进行上、下游坝坡稳定分析[15-17]。在该工况，需要考虑上游为正常蓄水位或设计洪水位，下游为相应水位时上、下游坝坡的稳定情况。

②库水位降落期，需考虑库水位自稳定运行水位快速降落至死水位、防汛水位或其它低水位过程中上游坝坡的稳定，是上游坝坡稳定的控制工况，适宜采用有效应力分析。

4.3 用于坝坡稳定分析的抗剪强度试验

通过三轴或直剪试验均可获得总应力法和有效应力法强度指标用于坝坡稳定分析[18]。

(1) 三轴试验方面，有效应力抗剪强度(c′、φ′)采用固结排水剪(CD)获取；总应力抗剪强度(ccu、φcu)可采用固结不排水剪(CU)获取。由于固结排水剪时间很长，多以固结不排水剪取代，试验过程中测量孔隙水压力U，间接求取有效应力抗剪强度。

(2) 直剪试验方面，有效应力抗剪强度(c′、φ′)采用慢剪(S)获取；总应力抗剪强度(ccu、φcu)采用固结快剪(R)获取。

5 结 语

(1) 病险土石坝因大坝规模、地质条件的不同，具体勘察内容可能存在一定差异，但总的勘察思路大同小异。本文分析的四个方面重点问题贯穿病险土石坝勘察的始终，掌握了这四点，也就掌握了病险土石坝勘察的关键内容，对做好勘察工作有重要意义。

(2) 渗漏险情应重点关注渗漏部位、分析渗漏成因，初步判断是坝体还是坝基(肩)渗漏，为下一步勘探做准备。勘探布置应有针对性，应重点针对险情布置勘探工作。钻孔注水试验需严格做好试段隔水，否则无法真实反映土体渗透性。抗剪强度试验应取得总应力法和有效应力法两种试验条件下的参数，以此作为坝体稳定性分析的抗剪强度指标；试验方法上，建议优先采用三轴试验，3级以下的中低坝可采用直剪试验。