雪克來(lái)提·巴斯托夫

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

20世紀(jì)50、60年代以來(lái)，全國(guó)興建了一大批水庫(kù)，在防洪、供水、灌溉等方面發(fā)揮著巨大的作用，為數(shù)眾多的水庫(kù)中，土石壩所占比例達(dá)70%以上。由于當(dāng)時(shí)財(cái)力、施工技術(shù)力量的限制，部分水庫(kù)在施工時(shí)就已經(jīng)存在隱患；經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，受自然災(zāi)害影響，出現(xiàn)了各種險(xiǎn)情，影響了水庫(kù)功能的正常發(fā)揮。根據(jù)最近對(duì)水利系統(tǒng)管理的8萬(wàn)余座水庫(kù)大壩普查表明，病險(xiǎn)水庫(kù)十分普遍，其數(shù)量達(dá)30%以上，其中絕大部分為土石壩。

土石壩壩體存在的主要病害有：①壩坡過(guò)陡，壩面出現(xiàn)明顯變形、開(kāi)裂，甚至滑動(dòng)；②壩體填筑土料質(zhì)量不能滿足規(guī)范要求，存在分散性土等不良土；大壩填筑質(zhì)量差，沉降量超過(guò)正常范圍；③壩體滲透穩(wěn)定存在問(wèn)題，壩體浸潤(rùn)線及出逸點(diǎn)偏高，容易出現(xiàn)管涌、流土、壩面塌陷等滲透破壞問(wèn)題；④壩基包括齒槽或嵌溝未按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行清基，壩基接觸面存在滲漏問(wèn)題；⑤壩體結(jié)構(gòu)存在缺陷，如防滲體高程低于最高洪水位、未設(shè)置必要的反濾層或反濾層設(shè)置不符合要求等。

為了確定病險(xiǎn)水庫(kù)的危險(xiǎn)程度，評(píng)價(jià)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固的必要性，需要對(duì)水庫(kù)的病害險(xiǎn)情進(jìn)行勘察。病險(xiǎn)水庫(kù)勘察一般有運(yùn)行觀測(cè)、工段表觀測(cè)試和地質(zhì)勘察3種方法，其中地質(zhì)勘察方法更能揭示病險(xiǎn)工段的空間位置、病險(xiǎn)性質(zhì)、病險(xiǎn)程度和病險(xiǎn)成因，勘察成果具有系統(tǒng)性、科學(xué)性、全面性和可靠性。由于病險(xiǎn)水庫(kù)的病險(xiǎn)工段多具隱蔽性以及建筑物的隨機(jī)復(fù)雜性，增加了病險(xiǎn)水庫(kù)地質(zhì)勘察的難度和復(fù)雜程度。目前大壩安全鑒定勘察尚無(wú)專門的規(guī)程規(guī)范可執(zhí)行，僅在SL55—2005《中小型水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的相關(guān)章節(jié)中規(guī)定了病險(xiǎn)水庫(kù)勘察的內(nèi)容及方法等，與新建大壩相比，病險(xiǎn)土石壩還須查明壩體現(xiàn)有工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件并進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合作者多年的工作實(shí)踐，本文重點(diǎn)介紹病險(xiǎn)水庫(kù)的地質(zhì)勘察方法，對(duì)勘察工作中的勘察工作量布置、壩體裂縫勘察、反濾層勘察、壩體浸潤(rùn)線繪制及主要設(shè)計(jì)參數(shù)等問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)探討，其目的是為了準(zhǔn)確有效地查明和評(píng)價(jià)病險(xiǎn)水庫(kù)的病害險(xiǎn)情，為水庫(kù)病害成因分析及后續(xù)除險(xiǎn)加固提供依據(jù)和指導(dǎo)。

2 勘探工作量布置原則

勘探工作量布置前應(yīng)收集并分析相關(guān)資料，包括大壩原有地質(zhì)和設(shè)計(jì)資料、施工及運(yùn)行期監(jiān)測(cè)情況，以及病害處理等資料，如少數(shù)工程在設(shè)計(jì)圖中存在防滲齒槽，但實(shí)際上并未施工等，這些情況應(yīng)著重查明?？碧焦ぷ髁康牟贾迷瓌t是：一般壩體勘探剖面縱向布置一條斷面，橫向根據(jù)大壩長(zhǎng)度可布置一條以上斷面，橫斷面間距一般為100～200 m；在上、下游壩坡及壩頂至少布置1只控制鉆孔。通常情況下縱斷面沿壩軸線(防滲體軸線)布置，橫斷面應(yīng)布置在大壩最大斷面處，以便對(duì)壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。在詳細(xì)查閱設(shè)計(jì)、施工過(guò)程有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘及走訪水庫(kù)原大壩施工管理人員等基礎(chǔ)上確定大壩最大斷面。

圖1 某大壩橫剖面示意圖

在可能存在地質(zhì)病害及隱患的部位合理布置相應(yīng)的勘探工作，并綜合運(yùn)用鉆探、坑槽探、物探等勘察手段。鉆探時(shí)孔深要求為：壩軸線(防滲體軸線)鉆孔應(yīng)深入相對(duì)隔水層以下5～10m，其它鉆孔一般深入壩基以下5m左右。物探是一種重要的檢測(cè)手段，如在高密度電阻率CT探測(cè)技術(shù)中，可通過(guò)圈定視電阻率值異常點(diǎn)及對(duì)異常點(diǎn)分布范圍、密度的分析，初步評(píng)價(jià)壩體的填筑質(zhì)量。該方法既可以檢查大壩的填筑質(zhì)量，也可以指導(dǎo)后續(xù)勘探工作的布置。

3 勘察重點(diǎn)

3.1 壩體裂縫勘察

壩體裂縫勘察非常重要，應(yīng)予充分重視，因?yàn)閴误w裂縫可能是滑動(dòng)面或集中滲漏通道。

壩體的裂縫可分為兩種。一是沉降縫，沉降縫又可分為平行壩軸線方向的縱縫與垂直壩軸線方向的橫縫。橫縫由壩基不均勻(如分段填筑時(shí)施工縫處理不當(dāng)形成差異沉降)或壩體中發(fā)生管涌等導(dǎo)致的壩體不均勻沉降引起，一般分布在岸坡與河床的交接部位或壩體中部。橫縫一般貫穿大壩上下游，延伸較長(zhǎng)，往往成為壩體滲水的通道，破壞性較大?？v縫是由于壩坡較陡壩體局部不穩(wěn)定，或迎水坡土體頻繁出現(xiàn)飽水和失水造成的，一般出現(xiàn)在壩坡凹陷隆起部位的上方，裂縫一般延伸較短，縱縫雖然對(duì)大壩滲流影響較小，但當(dāng)其延伸較長(zhǎng)或呈圓弧狀持續(xù)變形時(shí)，會(huì)對(duì)壩坡穩(wěn)定構(gòu)成威脅。二是干裂縫，主要指由于壩體土粘粒含量較高，干旱時(shí)失水造成的龜裂，干裂縫延伸很短，對(duì)大壩無(wú)破壞性。

壩體裂縫可通過(guò)坑槽探查明，坑槽深度不宜超過(guò)5m。

3.2 反濾層勘察

反濾層是指設(shè)置在滲透系數(shù)差異較大的兩種不同介質(zhì)之間的砂礫層。反濾層通常由粗到細(xì)、分層填筑而成，主要起預(yù)防潛蝕，防止細(xì)顆粒被水流帶走的作用，因此有無(wú)合格的反濾層是大壩安全鑒定勘察的重點(diǎn)，一般用坑探或鉆孔植物膠取樣法進(jìn)行勘察。反濾層一般設(shè)置在大壩下游、滲流的出逸段、壩體土與粗粒土石壩殼之間。反濾層顆粒膠結(jié)性能差，給取柱狀芯樣帶來(lái)很大困難，用植物膠取樣法可大大提高柱狀芯樣的獲得率。

如某大壩為粘土斜墻壩，斜墻與壩后堆石之間設(shè)置一層中粗砂反濾層，厚度30～100cm，如圖1所示，為檢查反濾層是否合格，需進(jìn)行勘察?？辈鞎r(shí)，由于壩頂附近壩殼厚度較薄，采用坑探效果較好，因?yàn)榭犹娇梢灾苯咏衣秹螝は虏糠礊V層是否存在，及其級(jí)配情況；在壩殼厚度較大部位，可以鉆孔并采用植物膠取樣法。取樣后編錄芯樣時(shí)應(yīng)特別注意壩殼與壩體土接觸面的情況，重點(diǎn)查明有無(wú)設(shè)置反濾層，及反濾層有無(wú)按要求由細(xì)到粗分層填筑。

3.3 地下水位觀測(cè)與浸潤(rùn)線繪制

大壩安全鑒定勘察成果中應(yīng)提供壩體浸潤(rùn)線，通過(guò)壩體浸潤(rùn)線反演計(jì)算，可以對(duì)滲透參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，進(jìn)而對(duì)大壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。一般情況下，大壩壩體埋設(shè)有測(cè)壓管可以觀測(cè)壩體地下水位，但有的大壩沒(méi)有布設(shè)測(cè)壓管，或測(cè)壓管失效，這時(shí)可通過(guò)鉆孔進(jìn)行觀測(cè)并復(fù)核。在壩體鉆孔過(guò)程中可以觀測(cè)到兩種水位，即初見(jiàn)水位與穩(wěn)定水位。在壩體土干鉆或干打過(guò)程中，若某部位取上來(lái)的土樣存在干濕交替現(xiàn)象，則該交界面的高程即為初見(jiàn)水位。

實(shí)際工作中，若鉆孔中需要進(jìn)行水文試驗(yàn)(注水試驗(yàn))，試驗(yàn)后孔底有積水，初見(jiàn)水位很難準(zhǔn)確觀測(cè)到，這種情況下可以觀測(cè)壩體穩(wěn)定水位。實(shí)際觀測(cè)中，不能把終孔地下水位作為壩體穩(wěn)定水位，正確的作法是不揭穿壩體土，在約1/3～2/3壩高處停止鉆進(jìn)并靜止10h以上，這時(shí)觀測(cè)到的水位即為壩體穩(wěn)定水位。

根據(jù)滲流觀測(cè)斷面測(cè)壓管布置，對(duì)某時(shí)間的水庫(kù)水位及測(cè)壓管水位可以做出壩體的實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線，也可以計(jì)算測(cè)壓管位勢(shì)并繪制位勢(shì)過(guò)程線檢查壩體滲流情況。資料分析中不能忽視測(cè)壓管水位滯后因素的影響。尤其要注意壩體浸潤(rùn)線并不是測(cè)壓管或鉆孔觀測(cè)水位的簡(jiǎn)單連線，在大壩不同分區(qū)的界面上，浸潤(rùn)線會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，繪制時(shí)應(yīng)引起注意。常見(jiàn)的土石壩浸潤(rùn)線型式如圖2所示。

根據(jù)水庫(kù)的實(shí)際情況，綜合利用各種方法分析測(cè)壓管資料(如過(guò)程線分析、相關(guān)線分析、圈套圖分析、浸潤(rùn)線分析和位勢(shì)分析等)，并結(jié)合其他方面的分析進(jìn)行綜合評(píng)判，如壩體滲流量、變形及人工巡視檢查的結(jié)果等，才能最終確定大壩的工作狀況。

圖2 土石壩典型浸潤(rùn)線型式

3.4 壩體分區(qū)(分層)

對(duì)病險(xiǎn)土石壩進(jìn)行壩體分區(qū)不能照搬、照抄原大壩設(shè)計(jì)資料，否則會(huì)出現(xiàn)同一土層性質(zhì)差異大、物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)成果不一致等問(wèn)題。實(shí)際壩體分區(qū)宜根據(jù)原有工程竣工剖面，并結(jié)合勘探成果視具體情況予以調(diào)整。部分土石壩防滲土料欠缺，而且筑壩時(shí)由于急于求成，往往上部壩體填筑的防滲土料性質(zhì)較差，特別是進(jìn)行過(guò)加高處理的大壩，其加高部分防滲體與下部防滲體性質(zhì)差異較大，此時(shí)應(yīng)根據(jù)勘探成果對(duì)防滲體進(jìn)行分層，各層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與透水性能不僅是控制庫(kù)壩區(qū)滲漏的主要因素，也是選定滲流控制措施的重要依據(jù)，因此應(yīng)逐層提出有關(guān)地質(zhì)參數(shù)，為滲流安全評(píng)價(jià)提供地質(zhì)資料和參數(shù)依據(jù)。

4 壩體參數(shù)選擇

病險(xiǎn)土石壩的勘察報(bào)告應(yīng)提供結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)所需的各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)(如：天然密度、壩體滲透系數(shù)、壓縮模量、強(qiáng)度參數(shù)及允許坡降等)，其中壩體滲透系數(shù)k與強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值的選取是關(guān)鍵，壩體滲透系數(shù)為滲流安全計(jì)算的重要參數(shù)，可評(píng)價(jià)防滲體的防滲性能，確定有效防滲高程；而壩體強(qiáng)度參數(shù)是結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。

4.1 防滲體滲透系數(shù)的確定

根據(jù)SL55—2005，勘察時(shí)壩體宜進(jìn)行注水試驗(yàn)。注水試驗(yàn)可根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行適當(dāng)控制，當(dāng)注入量較小時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，若試驗(yàn)時(shí)間太短，注水后水位沒(méi)有穩(wěn)定，會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果偏大；當(dāng)注入量較大時(shí)，試驗(yàn)時(shí)間宜適當(dāng)縮短，以防對(duì)大壩產(chǎn)生不利影響。

現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)往往會(huì)比室內(nèi)滲透系數(shù)大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，大壩填筑越不均勻、質(zhì)量越差，這種情況就越明顯，究其原因有：①現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)段一般長(zhǎng)3～5m，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果代表該段次內(nèi)不同土質(zhì)土體滲透性指標(biāo)的綜合值。而室內(nèi)試驗(yàn)土樣取樣間距一般為2m左右，土樣長(zhǎng)度一般為25cm或30cm，因此室內(nèi)試驗(yàn)成果只能代表該孔段內(nèi)局部土體的滲透性。另外能取樣進(jìn)行試驗(yàn)的土樣一般都是比較好的，而礫石含量集中等較松散部位由于很難取樣往往造成土樣缺失，無(wú)法進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。②鉆孔取樣過(guò)程中存在的土體壓縮現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)偏小。③室內(nèi)滲透試驗(yàn)用環(huán)刀切樣時(shí)，剔除了土樣中部分礫石等粗顆?；蛴孟魍恋斗磸?fù)涂抹試樣表面，也會(huì)造成滲透系數(shù)偏小?，F(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)由于試驗(yàn)時(shí)觀測(cè)時(shí)間較短，壩體未形成穩(wěn)定滲流，觀測(cè)到的流量偏大，導(dǎo)致計(jì)算的滲透系數(shù)值偏大。

滲透系數(shù)建議值可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)與室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果綜合確定，一般情況下宜以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主，分區(qū)提出壩體土層的滲透系數(shù)及允許滲透坡降。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)值相差太大時(shí)，應(yīng)分析其原因，如是否由于現(xiàn)場(chǎng)注水試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間太短或者壩體局部地段存在(微)裂縫等因素造成，根據(jù)分析結(jié)果剔除個(gè)別不合理試驗(yàn)成果，最后對(duì)防滲土體的防滲性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。需要指出的是一般土石壩采取平碾壓實(shí)法填筑而成，故其防滲體的水平滲透系數(shù)一般大于垂直滲透系數(shù)。

4.2 壩體土層強(qiáng)度指標(biāo)

壩體穩(wěn)定計(jì)算按規(guī)程規(guī)范應(yīng)采用有效應(yīng)力法計(jì)算，施工期及水位降落期采用總應(yīng)力法計(jì)算復(fù)核，故應(yīng)提供三軸試驗(yàn)有效應(yīng)力、總應(yīng)力指標(biāo)及快剪、固快指標(biāo)，其中三級(jí)以下中壩可采用慢剪指標(biāo)代替有效應(yīng)力指標(biāo)。

由于壩體土層碎石含量較大，因取樣困難導(dǎo)致原狀土樣較少，進(jìn)行剪切試驗(yàn)的組數(shù)就更少，故必要時(shí)應(yīng)分區(qū)加密取樣，避免取樣數(shù)量過(guò)少或代表性不強(qiáng)，應(yīng)保證有足夠的原狀土樣(規(guī)范要求不宜少于6組)。土樣剪切試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)刀所取的多為碎石含量少(或已剔除部分碎石)的土體，會(huì)使土體的凝聚力c值偏高、摩擦角φ值偏低，有時(shí)在統(tǒng)計(jì)成果中甚至?xí)霈F(xiàn)砂性土摩擦角φ比黏性土低的現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)對(duì)土層的c、φ建議值做合理的調(diào)整?？傊?，確定參數(shù)時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況，綜合考慮取樣、試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)等各環(huán)節(jié)因素影響，結(jié)合工程實(shí)踐和類似工程的經(jīng)驗(yàn)分區(qū)提供合理、可靠的土體強(qiáng)度指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

病險(xiǎn)土石壩勘察是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要綜合運(yùn)用多種勘察方法與手段，物探方法作為一種無(wú)損檢測(cè)手段，盡管其精度還有待提高，但在病險(xiǎn)大壩勘察中將發(fā)揮重要的作用，這方面的研究需要加強(qiáng)。病險(xiǎn)土石壩的勘察重點(diǎn)是大壩隱患部位并分析病害原因，因此要重視病險(xiǎn)土石壩現(xiàn)有資料的分析、整理，合理提供各土層地質(zhì)參數(shù)，為工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)和滲流安全評(píng)價(jià)提供地質(zhì)資料和依據(jù)。

文中對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)勘察工作中的一些具體問(wèn)題進(jìn)行了仔細(xì)分析，闡明了工作量布置原則、壩體裂縫勘察、反濾層勘察、地下水位觀測(cè)及壩體浸潤(rùn)線繪制等規(guī)范中未涉及，而實(shí)際工作中又非常重要的問(wèn)題；同時(shí)對(duì)壩體參數(shù)整理中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及處理方法進(jìn)行分析，提出了建設(shè)性意見(jiàn)。