劉 晟，李國(guó)瑞，劉康和

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

新中國(guó)成立后，水利事業(yè)迅速發(fā)展，水庫(kù)大壩建設(shè)取得了輝煌成就，在防洪除澇、農(nóng)業(yè)灌溉、攔潮蓄淡、水力發(fā)電、城鄉(xiāng)供水、旅游、環(huán)境生態(tài)以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了巨大的作用，取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，不僅是我國(guó)防洪保安工程體系的骨干力量，還是我國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。由于歷史的原因以及建設(shè)施工時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的限制，大多數(shù)工程標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差，同時(shí)在建成后管理、制度不完善，工程運(yùn)行維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)無(wú)正常渠道投入，工程更新改造、除險(xiǎn)加固經(jīng)費(fèi)投入不足等，致使病險(xiǎn)水庫(kù)大壩存在，病險(xiǎn)工程的安全狀況已成為發(fā)揮工程效益的一大障礙。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水庫(kù)大壩具有“六多”的特點(diǎn)：①總量多，我國(guó)現(xiàn)有9.8 萬(wàn)座水庫(kù)，是世界上水庫(kù)大壩最多的國(guó)家；②小水庫(kù)多，我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)95%是小型水庫(kù)；③病險(xiǎn)水庫(kù)多，目前仍有超過(guò)1 萬(wàn)座病險(xiǎn)水庫(kù)待除險(xiǎn)加固；④土石壩多，我國(guó)92%的水庫(kù)大壩是土石壩；⑤老舊壩多，我國(guó)80%的水庫(kù)大壩建于上世紀(jì)50—70年代；⑥高壩多，200 m 以上的高壩，全世界已建成77 座，中國(guó)有20 座，占26%，排第一位。全世界目前在建的200 m 以上的高壩有22 座，中國(guó)15 座，占68%。由此說(shuō)明小水庫(kù)、病險(xiǎn)水庫(kù)、土石壩、老舊壩占比高，重疊出現(xiàn)比率大，加之極端天氣等環(huán)境因素的影響，給水庫(kù)大壩安全帶來(lái)嚴(yán)峻風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，隨著時(shí)間的流逝及多年的運(yùn)行，土石壩在長(zhǎng)期復(fù)雜的自然環(huán)境條件影響和各種內(nèi)外力的作用下，其狀態(tài)隨時(shí)都在變化，有可能產(chǎn)生不同類型的病害。概括起來(lái)，存在的主要病害有[1，2]：①裂縫，含大壩、鋪蓋及其他建筑物裂縫；②滲漏及管涌，含壩基、壩體、繞壩及其他建筑物滲漏；③滑坡塌坑，含壩體、岸坡滑坡及塌坑；④護(hù)坡沖刷、洪水沖蝕、氣蝕等破壞；⑤輸水、放水及泄水建筑物老化破壞；⑥白蟻破壞、人為扒壩及天然地震等。其中，有人為因素（如設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量欠佳、運(yùn)行管理不當(dāng)?shù)纫蛩兀┖瓦\(yùn)行中出現(xiàn)的滲流破壞、滑坡、裂縫、地震災(zāi)害與液化以及其他形式（包括波浪對(duì)護(hù)坡的破壞、掘穴動(dòng)物破壞等方面）的病害等，如不能及早地發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行除險(xiǎn)加固，其病害必將更深發(fā)展，從而影響大壩的安全運(yùn)行，危及壩體安全，不僅不能充分發(fā)揮效益，還將對(duì)下游人民生命財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生威脅，因此對(duì)土石壩病害的適時(shí)診斷具有重要意義[3]。

1 工程概況

某水庫(kù)工程主要承擔(dān)當(dāng)?shù)亻_(kāi)發(fā)區(qū)工業(yè)、城鎮(zhèn)農(nóng)村人飲、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)建設(shè)等供水任務(wù)。水庫(kù)總庫(kù)容490 萬(wàn)m3，其中調(diào)節(jié)庫(kù)容457 萬(wàn)m3、淤積庫(kù)容8萬(wàn)m3。水庫(kù)正常蓄水位1 398.25 m，庫(kù)底高程1 378 m，壩頂高程1 400 m，壩高22～24 m，壩長(zhǎng)2.24 km。水庫(kù)采用全斷面復(fù)合土工膜防滲。壩體為碾壓式分區(qū)材料壩，前壩區(qū)采用取土場(chǎng)土料填筑，后壩區(qū)為庫(kù)區(qū)內(nèi)礫石料作為穩(wěn)定體建筑。

水庫(kù)采用壩后泵站取水方式，泵站位于水庫(kù)右岸，后接管道并直導(dǎo)入輸水干渠，管道長(zhǎng)525 m，采用管徑1.2 m的PCP管。

2 病害現(xiàn)狀

水庫(kù)蓄水運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)大壩樁號(hào)1+400—1+600段（險(xiǎn)工段）出現(xiàn)裂縫，其中上游壩坡馬道以上有2條比較明顯的裂縫，裂縫走向與壩軸線夾角20°～45°，縫長(zhǎng)約89 m，縫寬0.5～3.5 cm；下游壩坡有4 條裂縫且從壩頂延伸至壩坡腳，裂縫與壩軸線夾角45°～50°，縫長(zhǎng)大于90 m，縫寬一般為1～5 cm，最大縫寬為14 cm（位于下游坡馬道以上至壩頂區(qū)間內(nèi)）。

壩體發(fā)生裂縫后加密了沉降和位移觀測(cè)點(diǎn)及頻次，較正常情況下均有較大變化，具體情況記述如下。

（1）沉降量。壩體裂縫發(fā)現(xiàn)后，除在原有觀測(cè)點(diǎn)正常觀測(cè)，另在樁號(hào)1+400—1+600段增加觀測(cè)點(diǎn)，每20 m增加1個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面從前壩坡馬道到后壩坡坡腳觀測(cè)7個(gè)點(diǎn)，至探測(cè)前最大沉降量為140 mm；其次是樁號(hào)1+800約85 mm；其他段落25～50 mm。

（2）位移量。壩體裂縫發(fā)現(xiàn)后，在樁號(hào)1+400—1+600 段加密位移觀測(cè)點(diǎn)，每20 m 增加1 個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面從前壩坡馬道到后壩坡坡腳觀測(cè)7 個(gè)點(diǎn)，至探測(cè)前位移最大位置在樁號(hào)1+460 外坡腳向上第二根水平隔梁位置，最大位移為308 mm。

現(xiàn)場(chǎng)觀察該段病害具有以下特征：①?gòu)牧芽p分布看，裂縫呈環(huán)狀分布；②樁號(hào)1+500處后壩坡呈上凹下凸?fàn)?；③下游馬道沉降量達(dá)到34.2 mm。由此判斷，該大壩裂縫具有滑坡裂縫的特點(diǎn)。

3 病害診斷思路

根據(jù)大壩裂縫的發(fā)展?fàn)顩r，建設(shè)管理單位組織勘察設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、試驗(yàn)檢測(cè)等參建單位會(huì)診分析，初步認(rèn)為：①水庫(kù)可能存在滲漏（當(dāng)時(shí)水庫(kù)水面平均降深接近9.5 mm/d），滲漏水使壩基壤土飽和、有明水，在上部壩體重力作用下，該層產(chǎn)生沉降變形和滑動(dòng)變形，造成上部壩體拉裂形成裂縫；②險(xiǎn)工段壩體可能存在填筑不均勻、壓實(shí)度偏低、碾壓質(zhì)量欠佳等，加之降雨積水、庫(kù)水位升高等環(huán)境條件的變化，致使壩體形成裂縫。

為查明險(xiǎn)工段壩體裂縫形成的主要原因，需對(duì)庫(kù)內(nèi)入滲點(diǎn)（區(qū)）的位置、壩體或壩基中的滲漏通道以及壩體填筑土體的質(zhì)量等進(jìn)行檢測(cè)診斷，進(jìn)而為庫(kù)壩的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)與施工提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

基于以上認(rèn)識(shí)和任務(wù)要求，綜合考慮該庫(kù)壩險(xiǎn)工段所呈現(xiàn)的病害現(xiàn)狀、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件等因素，并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，選擇以無(wú)損法為主、微破損法為輔的綜合方法對(duì)病害進(jìn)行診斷。然后，結(jié)合設(shè)計(jì)、地質(zhì)、施工、測(cè)量、試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)等資料進(jìn)行綜合分析判斷提出診斷技術(shù)成果[4-6]。具體施測(cè)方法及工作程序如下。

（1）在庫(kù)內(nèi)水域范圍內(nèi)進(jìn)行偽隨機(jī)流場(chǎng)法掃描探測(cè)，查明壩后探坑中積水（滲漏出水點(diǎn)）與庫(kù)水的關(guān)系，并探查庫(kù)內(nèi)入滲點(diǎn)（區(qū)）的位置及其分布范圍。

（2）在大壩險(xiǎn)工段裂縫區(qū)進(jìn)行高密度電法探測(cè)，探查壩體內(nèi)、壩體與基礎(chǔ)接觸部位存在的滲漏通道，包括空間分布位置及其范圍。

（3）在大壩樁號(hào)1+400—1+600險(xiǎn)工段布置勘探鉆孔和試驗(yàn)工作，對(duì)壩體、壩基進(jìn)行分層并觀測(cè)地下水位，通過(guò)試驗(yàn)獲取壩體填筑料（礫石土）的含水率、濕密度、干密度和壓實(shí)度等以及壩基壤土的含水率、濕密度、干密度、孔隙比、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)等，由此分析判斷壩體、壩基地質(zhì)情況。

（4）具體工作程序?yàn)椋孩賯坞S機(jī)流場(chǎng)法探測(cè)→②高密度電法探測(cè)→③鉆孔勘探→④試驗(yàn)→⑤綜合分析→⑥提交成果報(bào)告。

4 成果分析

4.1 偽隨機(jī)流場(chǎng)法探測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)在庫(kù)內(nèi)水域進(jìn)行，按任務(wù)要求和滲漏范圍大小，首先設(shè)計(jì)測(cè)線和測(cè)點(diǎn)的分布，然后根據(jù)查漏進(jìn)展情況及精細(xì)程度不同適時(shí)調(diào)整網(wǎng)度。本次掃描采用5 m×5 m 的測(cè)網(wǎng)布置測(cè)線（點(diǎn)），異常部位加密測(cè)網(wǎng)至3 m×3 m。

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化電位梯度計(jì)算，并繪制觀測(cè)水域內(nèi)電位梯度等值線，如圖1所示。由圖1可知，該庫(kù)內(nèi)水域觀測(cè)電位梯度背景值約為0.033 mV/m。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)測(cè)試值為背景值的2.5～3.0 倍時(shí)可判定為有效異常；大于3.0 倍時(shí)可判定為可靠異常。據(jù)此，本次電位梯度觀測(cè)值為0.08～0.10 mV/m時(shí)為有效異常；大于0.1 mV/m 時(shí)為可靠異常。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查成果，綜合分析圖1可清晰發(fā)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)存在3處滲漏區(qū)，即圖中編號(hào)分別為Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#的區(qū)域。其中，Ⅰ#滲漏區(qū)位于水庫(kù)東北角險(xiǎn)工段部位（對(duì)應(yīng)樁號(hào)1+100—1+648），該區(qū)內(nèi)含2 處嚴(yán)重滲漏區(qū)（編號(hào)為Ⅰ#-1、Ⅰ#-2），分別位于水庫(kù)東北角（Ⅰ#-1 區(qū)對(duì)應(yīng)樁號(hào)1+270—1+648）和泵站出水涵洞附近（Ⅰ#-2 區(qū)對(duì)應(yīng)樁號(hào)1+165—1+200）；Ⅱ#滲漏區(qū)位于水庫(kù)中西部庫(kù)底凸出段邊緣部位；Ⅲ#滲漏區(qū)位于樁號(hào)1+648—1+700壩段。同時(shí)，各滲漏區(qū)邊界均以大地坐標(biāo)形式提供給建管單位，以便進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)和病險(xiǎn)處理。

圖1 偽隨機(jī)流場(chǎng)法探測(cè)成果

4.2 高密度電法探測(cè)

在險(xiǎn)工段壩體、后坡及壩后地面共布設(shè)8 條高密度電法測(cè)線，如圖2 所示。其中，W1、W2、W3 測(cè)線近平行，走向正西，且由近壩頂（W1）逐漸向壩后地面（W3）分布；W4、W5測(cè)線平行，走向NW339°，位于壩后東側(cè)小山包處；WB1、WB2 測(cè)線平行，走向NW318°，位于險(xiǎn)工段東側(cè)；WB3 測(cè)線接W2 測(cè)線西端并向西延伸，走向正西。

圖2 壩體險(xiǎn)工段高密度電法測(cè)線布置

現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)采用α 排列，且單一排列均為60 根電極，基本電極距5 m，電極隔離系數(shù)19，供電電壓270 V?；趯?shí)測(cè)高密度電法基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)用高密度電法處理軟件（RES2DINV）進(jìn)行編輯、圓滑、調(diào)整等處理，再利用最小二乘法進(jìn)行反演處理，最終獲得高密度電法反演電阻率斷面圖。典型高密度電法反演斷面，如圖3所示。

圖3 典型高密度電法反演斷面

由圖3 可知，高密度電法W1、W2、W3 測(cè)線反演電阻率值分布及等值線變化梯度在垂向上均可分為3 個(gè)物性層，電阻率剖面均具有“上下高中間低”的變化特征。其中，上層電阻率一般為30～400 Ω·m，層厚在W1測(cè)線處約20 m、W2測(cè)線處約16 m、W3測(cè)線處約5 m，該層在W1、W2 測(cè)線多為壩體填筑土體，而在W3 測(cè)線為相對(duì)干燥的原地層表層壤土或角礫層；中間層電阻率一般為5～30 Ω·m，層厚相對(duì)較小，一般為5～8 m，電阻率低，推測(cè)該層飽和或富含水，局部已發(fā)育形成滲漏通道（見(jiàn)圖中標(biāo)注）；下層電阻率一般為40～500 Ω·m，該電性結(jié)構(gòu)層多表現(xiàn)為相對(duì)高阻，主要為壩基強(qiáng)～弱風(fēng)化砂巖的反映。

為更形象地表征高密度電法探測(cè)成果，將8 條高密度電法反演斷面圖在空間上按照坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)及其相對(duì)位置集成為三維（3D）展示圖，如圖4 所示，圖4 中對(duì)下游壩坡集中滲漏通道及其空間范圍進(jìn)行圈定。由此可知，該險(xiǎn)工段所呈現(xiàn)的滲漏通道主要在壩體與壩基接觸部位集中發(fā)育，基本包括部分壩段壩體下部填筑層、壤土層、角礫層及基巖頂部區(qū)域，但主要存在于壩基壤土層內(nèi)，其分布主要位于樁號(hào)1+570—1+660段。

圖4 高密度電法探測(cè)成果3D展示

4.3 勘探與試驗(yàn)

表1 壩身填筑土體壓實(shí)度試驗(yàn)成果

（3）二疊系上統(tǒng)石千峰組（P2sh）。巖性為砂巖，紫紅色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，為強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，偶見(jiàn)全風(fēng)化。巖芯整體呈塊狀，普遍發(fā)育陡傾角～近直立裂隙。

（4）水文地質(zhì)條件。前期勘察設(shè)計(jì)資料顯示，該工程區(qū)范圍內(nèi)地下水埋深較大，均超出工程勘探深度范圍。此次險(xiǎn)工段壩體勘探過(guò)程中，鉆孔內(nèi)均揭露有水，普遍埋深23.7～28.2 m，高程1 371.3～1 375.9 m，與庫(kù)盆蓄水滲漏后的整體水位觀測(cè)資料基本一致。

4.4 綜合診斷成果

（1）由于庫(kù)盆基礎(chǔ)局部不均勻沉降變形以及防滲土工膜的施工質(zhì)量欠佳等因素影響，庫(kù)盆防滲體系遭受破壞，導(dǎo)致庫(kù)內(nèi)水域存在3處滲漏區(qū)域，其中2 處較嚴(yán)重入滲區(qū)位于險(xiǎn)工段附近。庫(kù)水下滲后集中沿原沖溝淺部壤土層穿越險(xiǎn)工段流向下游，該滲漏通道分布在壩體與壩基接觸部位（含壩體下部填筑層、壩基壤土層和角礫層等），但主要滲漏通道位于壩基壤土層內(nèi)，這與鉆孔水位觀測(cè)資料吻合。

（2）險(xiǎn)工段壩體填筑料以礫石土為主，局部存在粉土及砂礫石，礫石含量較低，組成復(fù)雜，密實(shí)度不均一，壓實(shí)度較低，多未達(dá)到工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求的壓實(shí)度。注水試驗(yàn)表明，填筑料屬中等透水性，在降雨量較大時(shí)引起自身沉降以及不均勻沉降變形等。

（3）險(xiǎn)工段壩基主要為第四系更新統(tǒng)壤土層，一般多呈可塑狀，具有中等壓縮性，而局部呈軟塑～流塑，具高等壓縮性，土體松軟，加之庫(kù)區(qū)滲漏造成壩基壤土飽和、軟化，從而引起基礎(chǔ)不均勻沉降及滲透變形或滑動(dòng)變形，由此導(dǎo)致險(xiǎn)工段壩體表面出現(xiàn)不同程度的裂縫。

綜上所述，因庫(kù)內(nèi)水域存在多個(gè)滲漏點(diǎn)（區(qū)），并形成集中滲漏通道，導(dǎo)致壩基淺層壤土飽和軟化，強(qiáng)度降低，且其分布厚度也有較大差異，在上部壩身土體荷載的作用下導(dǎo)致不均勻沉降變形或滑移變形；另一方面壩體填筑介質(zhì)不均一，密實(shí)度不高，遭遇強(qiáng)降雨時(shí)強(qiáng)度降低，自身沉降變形。壩基、壩體兩者原因造成不均勻沉降變形或滑移變形，導(dǎo)致險(xiǎn)工段壩體產(chǎn)生多處裂縫。

5 結(jié)論

（1）該診斷成果提交建設(shè)管理單位后，立即組織設(shè)計(jì)單位進(jìn)行加固處理方案優(yōu)化。對(duì)庫(kù)內(nèi)入滲點(diǎn)（區(qū)）開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)防滲土工膜損壞嚴(yán)重，且下部基礎(chǔ)發(fā)生較大的不均勻沉降變形，及時(shí)進(jìn)行了加固和修補(bǔ)處理并對(duì)險(xiǎn)工段壩體裂縫進(jìn)行灌漿補(bǔ)強(qiáng)。經(jīng)加固修復(fù)和灌漿補(bǔ)強(qiáng)后該水庫(kù)進(jìn)行蓄水，至目前已安全運(yùn)行超過(guò)4 a，其功能均滿足設(shè)計(jì)要求，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）土石壩病害類型復(fù)雜、種類繁多，加之壩體不屬于常規(guī)地質(zhì)體，其填筑材料和介質(zhì)多不均勻，所以給病害檢查帶來(lái)了諸多困難，也對(duì)診斷方法、儀器設(shè)備及數(shù)據(jù)資料分析解譯等提出了特殊要求。所以，要綜合運(yùn)用物探、鉆探、試驗(yàn)等多種診斷手段，并盡量采用快速、經(jīng)濟(jì)、非破損檢測(cè)技術(shù)，以查明病害的基本特征和具體情況以及形成原因等，為制定費(fèi)省效宏、切實(shí)可行的修復(fù)加固設(shè)計(jì)方案提供科學(xué)依據(jù)。

（3）策劃病險(xiǎn)診斷項(xiàng)目時(shí)要針對(duì)不同工程的客觀實(shí)際和具體情況，對(duì)診斷檢測(cè)技術(shù)方案的優(yōu)化考慮如下因素：①工程區(qū)巖土介質(zhì)及檢測(cè)對(duì)象的物性參數(shù)及其差異；②診斷檢測(cè)任務(wù)要求的探測(cè)深度和精度；③工程區(qū)環(huán)境條件與干擾因素等。只有在綜合了解、深入分析和理解診斷檢測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，對(duì)某種診斷檢測(cè)方法解決具體病害或工程問(wèn)題的適宜性和效果進(jìn)行評(píng)判，才能發(fā)揮診斷檢測(cè)技術(shù)的最大效用。事實(shí)表明，采用綜合診斷檢測(cè)技術(shù)和綜合分析解釋，使各方法成果相互佐證、取長(zhǎng)補(bǔ)短是提高診斷檢測(cè)資料解釋精度和可靠性的必由之路。