病險(xiǎn)水庫常見的地質(zhì)病害及應(yīng)對(duì)措施

張小會(huì)

（水利部綜合事業(yè)局 北京 100053）

范連志

（水利部水利建設(shè)與管理總站 北京 100038）

1 病險(xiǎn)水庫及險(xiǎn)情

病險(xiǎn)水庫，是經(jīng)水庫大壩安全鑒定程序?qū)Υ髩畏篮闃?biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)、滲流、抗震、金屬結(jié)構(gòu)、工程質(zhì)量和運(yùn)行管理等項(xiàng)進(jìn)行安全復(fù)核與評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)為三類壩的水庫。病險(xiǎn)水庫一般是實(shí)際抗御洪水標(biāo)準(zhǔn)低于部頒水利樞紐工程除險(xiǎn)加固近期非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)，或者工程存在較嚴(yán)重的質(zhì)量問題，影響大壩安全，不能正常運(yùn)行的水庫。

常見的病險(xiǎn)水庫的險(xiǎn)情與隱患如下：

a.大壩或心墻的高度不夠，泄洪建筑物斷面不足或已部分損壞，不能滿足設(shè)計(jì)洪水的要求。

b.大壩的橫斷面偏小，上下游坡比偏陡，出現(xiàn)了變形或存在抗滑或沉降變形穩(wěn)定性問題。

c.壩體浸潤線和出逸點(diǎn)偏高，下游壩坡出現(xiàn)散浸與滲水，有滲流變形問題，或產(chǎn)生裂縫與塌滑現(xiàn)象。

d.壩基和壩肩滲漏，存在滲透穩(wěn)定問題，或滲漏量較大，影響水庫效益。

e.泄洪時(shí)對(duì)壩下游沖刷，已影響壩基穩(wěn)定或引起兩岸邊坡失穩(wěn)。

f.溢洪道邊坡不穩(wěn)，或近壩地段存在庫岸穩(wěn)定問題。

g.壩下輸水涵管破裂漏水，或輸水隧洞漏水。

h.混凝土建筑物裂縫、碳化，金屬結(jié)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重，破損或已為淘汰報(bào)廢產(chǎn)品。

i.無大壩安全監(jiān)測設(shè)施，或已有的監(jiān)測設(shè)施損毀。

j.防汛通道和相關(guān)管理設(shè)施達(dá)不到防洪要求。

水庫大壩的險(xiǎn)情與隱患雖然較多，對(duì)一座水庫而言，以上險(xiǎn)情與隱患可全部或部分存在，但影響大壩安全的險(xiǎn)情是第一位的。

2 病險(xiǎn)水庫常見的地質(zhì)病害

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，病險(xiǎn)水庫常見的險(xiǎn)情及隱患，大部分與地質(zhì)因素有關(guān)，主要表現(xiàn)在壩基滲漏、壩基穩(wěn)定性、邊坡失穩(wěn)、壩體填筑質(zhì)量四個(gè)方面。

2.1 壩基滲漏及滲透穩(wěn)定

壩基滲漏是病險(xiǎn)水庫最常見的險(xiǎn)情。按照壩基地質(zhì)條件，可分為覆蓋層滲漏、裂隙性巖體滲漏、斷層破碎帶滲漏和巖溶滲漏。

a.覆蓋層滲漏。常見的覆蓋層滲漏包括沖積砂礫石滲漏和殘坡積礫質(zhì)土滲漏。多數(shù)壩體直接坐落于古河床或階地上，壩基具二元結(jié)構(gòu)，上部為粘性土，下部為砂礫石層。一般是由于河床部分壩基清基不徹底而引起滲漏。砂礫石層的滲透系數(shù)多在i×10-2或i×10-3cm/s量級(jí)，屬強(qiáng)或中等透水層，滲漏量多在每秒數(shù)十升，雖然壩體下游坡腳做了排水棱體或減壓井，但不能阻止?jié)B漏，當(dāng)排水棱體或減壓井失效時(shí)，其滲流條件惡化，壩基砂土出現(xiàn)滲透變形。礫質(zhì)土滲漏主要為大壩兩岸直接坐落于殘坡積礫質(zhì)土上，多為均質(zhì)土壩，或心墻堆石壩，兩岸心墻清基不徹底，部分心墻置于礫質(zhì)土層上，而引起的滲漏。礫質(zhì)土的滲透系數(shù)多在i×10-4或i×10-3cm/s量級(jí)，大壩運(yùn)行后兩岸下游壩坡散浸或滲水，一般滲漏量小，但在高水頭長期滲流作用下，可使下游壩坡發(fā)生變形或沉陷與滑動(dòng)。

b.裂隙性巖體滲漏。裂隙性巖體滲漏多發(fā)生于以砂巖、片麻巖或板巖、巖漿巖為壩基的各類壩型。河床壩基多為弱風(fēng)化巖體，兩岸壩基殘留有強(qiáng)風(fēng)化巖體，其裂隙發(fā)育，透水率在10～100Lu之間，呈分散性滲漏，滲漏量多在每秒數(shù)升至數(shù)十升，影響下游壩坡穩(wěn)定，特別是粘土窄心墻或斜墻壩，透水巖層的漏水其底部又無混凝土墊層時(shí)，還可能引起接觸沖刷破壞。

c.斷層破碎帶滲漏。壩基下分布有斷層破碎帶、巖脈破碎帶或存在一些破碎夾層，滲漏主要表現(xiàn)為中等強(qiáng)度透水，各類壩型均有發(fā)生，多呈集中滲漏，滲漏量多在每秒數(shù)升至十余升，其滲漏部位及影響程度視破碎帶的規(guī)模、產(chǎn)狀與分布的部分不同而異，尤其是對(duì)粘土窄心墻或斜墻土石壩，需注意接觸沖刷破壞問題。

d.巖溶滲漏。壩基為石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)膠結(jié)的砂礫巖的各類壩型均有發(fā)生，多數(shù)沿溶隙、溶洞等巖溶系統(tǒng)發(fā)生的滲漏，其滲漏量一般較大，可在每秒數(shù)十升至數(shù)百升，常造成大壩上下游壩坡沉陷，危及大壩安全。另有部分水庫在庫內(nèi)出現(xiàn)巖溶管道性滲漏，向壩下游或低鄰谷與洼地滲漏，其滲漏量較大，常在數(shù)十升甚至在1m3/s以上，雖不危及大壩安全，但影響水庫效益。

2.2 壩基穩(wěn)定性

a.抗滑穩(wěn)定與沉降變形。山區(qū)土石壩因地基條件而引起的抗滑穩(wěn)定性與沉降變形險(xiǎn)情很少。而在平原區(qū)的土石壩，壩基下存在高壓縮性土，常有抗滑穩(wěn)定性與沉降變形的險(xiǎn)情發(fā)生。

混凝土壩常因壩基巖體中有緩傾角結(jié)構(gòu)面，且性狀差，特別是有長大緩傾角泥化夾層時(shí)，常有抗滑穩(wěn)定性的隱患，當(dāng)軟弱夾層的層數(shù)較多或厚度較大時(shí)，亦有沉降變形的隱患。

部分混凝土壩或漿砌石壩，壩頂泄洪，常因下游消能設(shè)施不當(dāng)或沒有消能防沖設(shè)施，沖刷坑不斷向上游追蹤擴(kuò)大而出現(xiàn)壩基穩(wěn)定的隱患，危及大壩安全。

b.抗震穩(wěn)定性。高烈度區(qū)的病險(xiǎn)水庫大壩，常因抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不夠，存在抗震穩(wěn)定性的隱患。部分土石壩，因壩基有軟粘土或飽和粉細(xì)砂層，亦有震陷或震動(dòng)液化的隱患。

c.濕陷性變形。壩基下存在有濕陷性土層且未經(jīng)工程措施處理或壩體填筑料為濕陷性土，當(dāng)水庫蓄水后，因濕陷性土浸水而造成壩基濕陷，壩體產(chǎn)生下沉變形，壩體形成裂隙，或者加大壩基及壩體的滲漏。

2.3 邊坡失穩(wěn)

邊坡失穩(wěn)是水庫常見的隱患。如土石壩溢洪道一側(cè)或兩側(cè)、泄洪洞進(jìn)出口洞臉，一般開挖一定高度的人工邊坡，有的做了邊坡襯砌支護(hù)，有的部分處理或者措施不當(dāng)，在泄洪水流沖刷下，出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)，影響水庫正常泄洪，危及大壩安全。

混凝土壩和漿砌石壩多采用壩頂泄洪，有的由于泄洪水流沖刷或水霧引起兩岸邊坡失穩(wěn)，有的大壩下游無消能防沖設(shè)施，泄洪沖刷坑逐步擴(kuò)大加深，不僅出現(xiàn)兩岸邊坡失穩(wěn)，還危及大壩穩(wěn)定。

另外，部分水庫兩岸壩肩或壩體段存在滑坡體，隨庫水漲落、修建道路或強(qiáng)降雨誘發(fā)岸坡失穩(wěn)，成為水庫的隱患。

2.4 壩體質(zhì)量不合格

多數(shù)土石壩，容易出現(xiàn)壩體填筑質(zhì)量不合格問題，常常是由于壩體填筑料和施工質(zhì)量失控造成的。險(xiǎn)情主要表現(xiàn)為：浸潤線及出逸點(diǎn)高；下游坡散浸、滲水；壩頂或壩坡裂縫、變形甚至滑動(dòng)等。

在均質(zhì)土壩中，由于壩體土料不均勻，特別是后期壩體加高部分，土質(zhì)混雜，結(jié)合差，除粘土外常混雜有粉土、礫質(zhì)土，甚至淤泥質(zhì)土或砂土，碾壓密實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，取樣試驗(yàn)表現(xiàn)在干密度低，多小于1.6g/cm3，密實(shí)度 0.85～0.95，滲透系數(shù)偏大，K＞i×10-4cm/s，達(dá)不到K≤i×10-4cm/s的要求。還有的錯(cuò)誤采用了膨脹土、紅粘土、濕陷性土質(zhì)等特殊土，使得壩體填筑土的性狀，隨含水量的變化而改變。

施工填筑質(zhì)量差也是比較普遍的現(xiàn)象，施工就近取土，填筑了質(zhì)量差的土料，施工碾壓不密實(shí)，部分粗料集中形成滲漏通道、新老層結(jié)合差等。

另外，部分壩體由于生物洞穴，如白蟻洞穴等引起的滲漏，同樣危及大壩安全。

3 病險(xiǎn)水庫的地質(zhì)隱患勘察

3.1 勘察的主要任務(wù)

病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固勘察的主要任務(wù)是復(fù)查病險(xiǎn)水庫工程壩區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，分析地質(zhì)病害產(chǎn)生的原因；檢查壩體質(zhì)量，提出有關(guān)地質(zhì)參數(shù)，為水庫大壩安全評(píng)價(jià)、除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供地質(zhì)資料和計(jì)算參數(shù)，對(duì)水庫安全評(píng)價(jià)分級(jí)和加固處理措施提出地質(zhì)方面針對(duì)性的建議。

從病險(xiǎn)水庫險(xiǎn)情的地質(zhì)因素，可看出病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固勘察工作，不同于新建水利樞紐的地質(zhì)勘察，主要表現(xiàn)如下：

a.險(xiǎn)情因素隱蔽。病險(xiǎn)水庫勘察要求查明險(xiǎn)情和隱患的地質(zhì)因素，而壩基的地質(zhì)條件及問題，均被大壩和庫水所覆蓋，壩體已填筑完成，不能直觀地進(jìn)行地面調(diào)查，具有極大隱蔽性。

b.隱患成因復(fù)雜。同一險(xiǎn)情或隱患，可以由一種或多種原因引起，如滲漏，它既有復(fù)雜的地質(zhì)因素，也可能有設(shè)計(jì)、施工等多方面的原因，尤其土石壩（或防滲體）是一種人工地質(zhì)體，給勘察工作及分析論證帶來復(fù)雜性。

c.勘察任務(wù)雙重性。病險(xiǎn)水庫既有壩體（或防滲體）的險(xiǎn)情，也有地基的隱患，因而要求勘察對(duì)壩體的險(xiǎn)情和地基隱患的原因都要有所調(diào)查分析，作出論證評(píng)價(jià)。

d.鉆探工作復(fù)雜。病險(xiǎn)水庫勘察，一般是在水庫有水條件下進(jìn)行的，有的勘探鉆孔，必須穿過壩體或防滲心墻，既不能因鉆探而引起新的險(xiǎn)情，也不能留下隱患，勘探比施工前設(shè)計(jì)階段更困難，必須有切實(shí)可行的技術(shù)保障。

3.2 勘察的主要內(nèi)容

病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固勘察是對(duì)已建工程進(jìn)行的工程地質(zhì)調(diào)查研究，場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件已發(fā)生變化，壩體與壩基已聯(lián)為整體，同時(shí)經(jīng)水庫擋水，壩基、壩體填筑料的性狀也有一定程度上的變化，工程上存在的問題日趨顯露。因此，病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固勘察內(nèi)容應(yīng)根據(jù)水庫險(xiǎn)情和隱患的性質(zhì)、類型、危害程度，有針對(duì)性地布置勘察工作。主要內(nèi)容如下：

a.充分收集原有的地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工及檢測資料和水庫運(yùn)行中的監(jiān)測資料，壩體險(xiǎn)情加固及改擴(kuò)建工程資料等。

b.調(diào)查壩身、壩基病害險(xiǎn)情，包括壩坡滑坡、開裂、塌陷、滲水、管涌流土、砂沸、淘刷等，以及其他各種病害險(xiǎn)情和不良地質(zhì)現(xiàn)象的分布位置、范圍、特征、上下游水位、險(xiǎn)情成因、發(fā)生險(xiǎn)情過程、搶險(xiǎn)措施及效果等。

c.查明壩體填料顆粒組成、物理力學(xué)性質(zhì)，調(diào)查大壩施工溝縫、生物洞穴等的分布情況。

d.分析壩體浸潤線、壩基場壓力分布情況及其與庫水位的關(guān)系，查明防滲體、反濾料的性質(zhì)、顆粒組成及填筑厚度。

e.查明壩基與壩體接觸部位的物質(zhì)組成及滲透特性。

f.查明壩基、壩肩及各建筑物分布的地層巖性、巖體層次及其透水性，包括壩基土的分布、性質(zhì)、厚度、層次及其物理力學(xué)特性等。

g.調(diào)查壩基地層及壩體土的滲流條件和滲透特性，包括繞壩滲漏，研究判別土滲透變形類型，確定臨界水力比降、允許水力比降，評(píng)價(jià)土的滲透穩(wěn)定性。

h.分析可溶巖壩基喀斯特發(fā)育規(guī)律，主要溶洞和喀斯特通道的連通、分布、充填和處理情況。

i.查明溢洪道、涵管、地下洞室的工程地質(zhì)條件和滲漏情況。

j.調(diào)查分析壩區(qū)人工開挖邊坡及近壩庫岸巖土邊坡穩(wěn)定條件，并對(duì)其穩(wěn)定性和影響作出評(píng)價(jià)。

4 工程實(shí)例

4.1 砂礫石壩基

陸水蒲圻水庫，由混凝土主壩及15座土石副壩組成。水庫正常蓄水位55m，總庫容7.06億m3，是一座大（2）型水庫。2003年7月，經(jīng)水庫大壩安全鑒定為病險(xiǎn)水庫。其中以8號(hào)副壩安全隱患最為突出。

8號(hào)副壩位于主壩左側(cè)，為均質(zhì)土壩，壩長1543m，最大壩高25.6m，坐落在陸水古河床上。通過勘察，壩基上部為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土，厚4～9m，局部僅2m，夾有砂壤土，弱—中等透水；下部為中細(xì)砂及卵礫石，厚1.5～5m，中—強(qiáng)透水；基巖為志留系砂頁巖。蓄水后出現(xiàn)滲流問題，1967年和1971年分別做了壩后壓浸臺(tái)、增設(shè)減壓井和局部灌漿等處理，維持運(yùn)行。由于年久，減壓井已大部失效，壩基砂礫石層滲漏明顯，部分壩段滲水范圍較大，滲漏量增大。壩下游魚塘每當(dāng)汛期水位上漲時(shí)，淹沒壓浸臺(tái)及減壓井，影響滲控設(shè)施的運(yùn)行，對(duì)壩腳穩(wěn)定不利。同時(shí)壩體分期填筑，二期填筑土碾壓不均，使得壩體浸潤線升高，已影響下游壩坡穩(wěn)定等問題，需進(jìn)行加固處理。

加固設(shè)計(jì)采用了壩體與壩基混凝土防滲墻方案，墻深一般30～35m，穿過砂礫石層，進(jìn)入基巖1m，下伏透水性大的基巖采用帷幕灌漿。

4.2 巖溶滲漏

西北口水庫大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高95m，正常蓄水位 322m，總庫容 2.1 億 m3，為大（2）型水庫。2000年4月，經(jīng)水庫大壩安全鑒定為病險(xiǎn)水庫。

大壩壩基為寒武系上統(tǒng)黑石溝組灰?guī)r和白云巖，巖層緩傾下游偏右岸，緩傾角斷層、裂隙發(fā)育，溶蝕強(qiáng)烈，建壩時(shí)根據(jù)原有資料曾做過帷幕灌漿處理。1991年9月開始蓄水，1992年5月，當(dāng)庫水位達(dá)310.97m時(shí)，壩下游水位明顯升高，至6月15日，測得壩后最大滲漏量為1.8m3/s。經(jīng)進(jìn)一步勘察分析，右岸山體覆蓋層較厚，植被茂密，未進(jìn)行巖溶及卸荷裂隙的調(diào)查。雖然施工開挖溢洪道時(shí)已發(fā)現(xiàn)巖溶發(fā)育，并可見長25m、寬0.2～2.5m的洞穴，但未引起重視，原設(shè)計(jì)的帷幕亦未完成，其深度也不夠，因而出現(xiàn)巖溶滲漏。

根據(jù)補(bǔ)充勘察資料進(jìn)行了加固處理，截?cái)嗔擞野禙13斷層以上的強(qiáng)巖溶滲漏帶，并將右岸灌漿平硐向山體延伸32m，灌漿深度為高程296.5m至高程240m，并進(jìn)行雙排，排距1.5m、孔距2m的灌漿處理。

4.3 溢洪道滑坡

黃材水庫大壩為粘土心墻壩，最大壩高61.5m，正常蓄水位160m，總庫容1.497億m3，為大（2）型水庫。1984年因工程存在防洪標(biāo)準(zhǔn)低、主副壩滲漏等問題，進(jìn)行了加固和擴(kuò)建。在擴(kuò)建溢洪道時(shí)，在溢洪道左側(cè)邊坡出現(xiàn)了滑坡變形。

滑坡體位于溢洪道進(jìn)口左側(cè)，下距泄洪閘約40m，1988年溢洪道擴(kuò)建時(shí)，先后出現(xiàn)5次滑動(dòng)。當(dāng)即采用排水、擋土墻進(jìn)行處理，后又出現(xiàn)變形，危及泄洪安全。經(jīng)勘察，滑坡地段地形上下陡中間緩，坡度為25°～40°，后緣為陡壁，高2～3m，前緣至溢洪道底板，高差35m，長約80m，寬約30～45m，厚約10～20m。滑體為松散的碎塊石夾粘性土?；略蚴?，該段分布志留系下統(tǒng)砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)頁巖夾劣煤，巖體強(qiáng)風(fēng)化深8m，上覆有數(shù)米厚的殘坡積物，擴(kuò)建溢洪道時(shí)因開挖不當(dāng)，引起滑動(dòng)。

根據(jù)勘察的邊界條件及取樣試驗(yàn)所得參數(shù)，滑體濕容重19kN/m3，飽和容重20.719kN/m3，滑面抗剪強(qiáng)度f=0.45，c=0.02MPa，飽和狀態(tài) f=0.4，c=0.01MPa，進(jìn)行各種工況下的穩(wěn)定計(jì)算，均處于臨界和不穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行了滑動(dòng)時(shí)涌浪估算，若滑體滑動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致閘門及對(duì)岸副壩漫頂。邊坡經(jīng)過減載、排水、設(shè)置支護(hù)擋墻等綜合處理后，確保了邊坡穩(wěn)定。

5 結(jié)語

綜上所述，病險(xiǎn)水庫隱患與地質(zhì)條件密切相關(guān)。因此，病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固必須全面地調(diào)查研究場地工程地質(zhì)條件，分析與地質(zhì)因素有關(guān)的險(xiǎn)情隱患的成因，評(píng)價(jià)其對(duì)工程安全的影響，并提出有關(guān)地質(zhì)參數(shù)及處理建議，為加固處理設(shè)計(jì)提供所需的地質(zhì)資料。

1 張嚴(yán)明.全國病險(xiǎn)水庫與水閘除險(xiǎn)水庫加固專業(yè)技術(shù)論文集.北京：中國水利水電出版社，2000.

2 朱建業(yè)等.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范.北京：中國計(jì)劃出版社，1999.

3 汝乃華，牛運(yùn)光.大壩事故與安全·土石壩.北京：中國水利水電出版社，2001.