病險水庫常見的地質病害及應對措施

張小會

（水利部綜合事業局 北京 100053）

范連志

（水利部水利建設與管理總站 北京 100038）

1 病險水庫及險情

病險水庫，是經水庫大壩安全鑒定程序對大壩防洪標準、結構、滲流、抗震、金屬結構、工程質量和運行管理等項進行安全復核與評價，綜合評價為三類壩的水庫。病險水庫一般是實際抗御洪水標準低于部頒水利樞紐工程除險加固近期非常運用洪水標準，或者工程存在較嚴重的質量問題，影響大壩安全，不能正常運行的水庫。

常見的病險水庫的險情與隱患如下：

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，不能滿足設計洪水的要求。

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

c.壩體浸潤線和出逸點偏高，下游壩坡出現散浸與滲水，有滲流變形問題，或產生裂縫與塌滑現象。

d.壩基和壩肩滲漏，存在滲透穩定問題，或滲漏量較大，影響水庫效益。

e.泄洪時對壩下游沖刷，已影響壩基穩定或引起兩岸邊坡失穩。

f.溢洪道邊坡不穩，或近壩地段存在庫岸穩定問題。

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，金屬結構銹蝕嚴重，破損或已為淘汰報廢產品。

i.無大壩安全監測設施，或已有的監測設施損毀。

j.防汛通道和相關管理設施達不到防洪要求。

水庫大壩的險情與隱患雖然較多，對一座水庫而言，以上險情與隱患可全部或部分存在，但影響大壩安全的險情是第一位的。

2 病險水庫常見的地質病害

據統計資料分析，病險水庫常見的險情及隱患，大部分與地質因素有關，主要表現在壩基滲漏、壩基穩定性、邊坡失穩、壩體填筑質量四個方面。

2.1 壩基滲漏及滲透穩定

壩基滲漏是病險水庫最常見的險情。按照壩基地質條件，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土滲漏。多數壩體直接坐落于古河床或階地上，壩基具二元結構，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多在i×10-2或i×10-3cm/s量級，屬強或中等透水層，滲漏量多在每秒數十升，雖然壩體下游坡腳做了排水棱體或減壓井，但不能阻止滲漏，當排水棱體或減壓井失效時，其滲流條件惡化，壩基砂土出現滲透變形。礫質土滲漏主要為大壩兩岸直接坐落于殘坡積礫質土上，多為均質土壩，或心墻堆石壩，兩岸心墻清基不徹底，部分心墻置于礫質土層上，而引起的滲漏。礫質土的滲透系數多在i×10-4或i×10-3cm/s量級，大壩運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，可使下游壩坡發生變形或沉陷與滑動。

b.裂隙性巖體滲漏。裂隙性巖體滲漏多發生于以砂巖、片麻巖或板巖、巖漿巖為壩基的各類壩型。河床壩基多為弱風化巖體，兩岸壩基殘留有強風化巖體，其裂隙發育，透水率在10～100Lu之間，呈分散性滲漏，滲漏量多在每秒數升至數十升，影響下游壩坡穩定，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，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，滲漏主要表現為中等強度透水，各類壩型均有發生，多呈集中滲漏，滲漏量多在每秒數升至十余升，其滲漏部位及影響程度視破碎帶的規模、產狀與分布的部分不同而異，尤其是對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。壩基為石灰巖、白云質灰巖、鈣質膠結的砂礫巖的各類壩型均有發生，多數沿溶隙、溶洞等巖溶系統發生的滲漏，其滲漏量一般較大，可在每秒數十升至數百升，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出現巖溶管道性滲漏，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 壩基穩定性

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

混凝土壩常因壩基巖體中有緩傾角結構面，且性狀差，特別是有長大緩傾角泥化夾層時，常有抗滑穩定性的隱患，當軟弱夾層的層數較多或厚度較大時，亦有沉降變形的隱患。

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

b.抗震穩定性。高烈度區的病險水庫大壩，常因抗震設計標準不夠，存在抗震穩定性的隱患。部分土石壩，因壩基有軟粘土或飽和粉細砂層，亦有震陷或震動液化的隱患。

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

2.3 邊坡失穩

邊坡失穩是水庫常見的隱患。如土石壩溢洪道一側或兩側、泄洪洞進出口洞臉，一般開挖一定高度的人工邊坡，有的做了邊坡襯砌支護，有的部分處理或者措施不當，在泄洪水流沖刷下，出現邊坡失穩，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，有的大壩下游無消能防沖設施，泄洪沖刷坑逐步擴大加深，不僅出現兩岸邊坡失穩，還危及大壩穩定。

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

2.4 壩體質量不合格

多數土石壩，容易出現壩體填筑質量不合格問題，常常是由于壩體填筑料和施工質量失控造成的。險情主要表現為：浸潤線及出逸點高；下游坡散浸、滲水；壩頂或壩坡裂縫、變形甚至滑動等。

在均質土壩中，由于壩體土料不均勻，特別是后期壩體加高部分，土質混雜，結合差，除粘土外常混雜有粉土、礫質土，甚至淤泥質土或砂土，碾壓密實度達不到設計要求，取樣試驗表現在干密度低，多小于1.6g/cm3，密實度 0.85～0.95，滲透系數偏大，K＞i×10-4cm/s，達不到K≤i×10-4cm/s的要求。還有的錯誤采用了膨脹土、紅粘土、濕陷性土質等特殊土，使得壩體填筑土的性狀，隨含水量的變化而改變。

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

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 病險水庫的地質隱患勘察

3.1 勘察的主要任務

病險水庫除險加固勘察的主要任務是復查病險水庫工程壩區水文地質、工程地質條件，分析地質病害產生的原因；檢查壩體質量，提出有關地質參數，為水庫大壩安全評價、除險加固設計提供地質資料和計算參數，對水庫安全評價分級和加固處理措施提出地質方面針對性的建議。

從病險水庫險情的地質因素，可看出病險水庫除險加固勘察工作，不同于新建水利樞紐的地質勘察，主要表現如下：

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

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

c.勘察任務雙重性。病險水庫既有壩體（或防滲體）的險情，也有地基的隱患，因而要求勘察對壩體的險情和地基隱患的原因都要有所調查分析，作出論證評價。

d.鉆探工作復雜。病險水庫勘察，一般是在水庫有水條件下進行的，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情，也不能留下隱患，勘探比施工前設計階段更困難，必須有切實可行的技術保障。

3.2 勘察的主要內容

病險水庫除險加固勘察是對已建工程進行的工程地質調查研究，場地工程地質及水文地質條件已發生變化，壩體與壩基已聯為整體，同時經水庫擋水，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，病險水庫除險加固勘察內容應根據水庫險情和隱患的性質、類型、危害程度，有針對性地布置勘察工作。主要內容如下：

a.充分收集原有的地質、設計、施工及檢測資料和水庫運行中的監測資料，壩體險情加固及改擴建工程資料等。

b.調查壩身、壩基病害險情，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情和不良地質現象的分布位置、范圍、特征、上下游水位、險情成因、發生險情過程、搶險措施及效果等。

c.查明壩體填料顆粒組成、物理力學性質，調查大壩施工溝縫、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系，查明防滲體、反濾料的性質、顆粒組成及填筑厚度。

e.查明壩基與壩體接觸部位的物質組成及滲透特性。

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、厚度、層次及其物理力學特性等。

g.調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，評價土的滲透穩定性。

h.分析可溶巖壩基喀斯特發育規律，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條件和滲漏情況。

j.調查分析壩區人工開挖邊坡及近壩庫岸巖土邊坡穩定條件，并對其穩定性和影響作出評價。

4 工程實例

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，經水庫大壩安全鑒定為病險水庫。其中以8號副壩安全隱患最為突出。

8號副壩位于主壩左側，為均質土壩，壩長1543m，最大壩高25.6m，坐落在陸水古河床上。通過勘察，壩基上部為粉質粘土、粉質壤土，厚4～9m，局部僅2m，夾有砂壤土，弱—中等透水；下部為中細砂及卵礫石，厚1.5～5m，中—強透水；基巖為志留系砂頁巖。蓄水后出現滲流問題，1967年和1971年分別做了壩后壓浸臺、增設減壓井和局部灌漿等處理，維持運行。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。壩下游魚塘每當汛期水位上漲時，淹沒壓浸臺及減壓井，影響滲控設施的運行，對壩腳穩定不利。同時壩體分期填筑，二期填筑土碾壓不均，使得壩體浸潤線升高，已影響下游壩坡穩定等問題，需進行加固處理。

加固設計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，經水庫大壩安全鑒定為病險水庫。

大壩壩基為寒武系上統黑石溝組灰巖和白云巖，巖層緩傾下游偏右岸，緩傾角斷層、裂隙發育，溶蝕強烈，建壩時根據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，當庫水位達310.97m時，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。經進一步勘察分析，右岸山體覆蓋層較厚，植被茂密，未進行巖溶及卸荷裂隙的調查。雖然施工開挖溢洪道時已發現巖溶發育，并可見長25m、寬0.2～2.5m的洞穴，但未引起重視，原設計的帷幕亦未完成，其深度也不夠，因而出現巖溶滲漏。

根據補充勘察資料進行了加固處理，截斷了右岸F13斷層以上的強巖溶滲漏帶，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準低、主副壩滲漏等問題，進行了加固和擴建。在擴建溢洪道時，在溢洪道左側邊坡出現了滑坡變形。

滑坡體位于溢洪道進口左側，下距泄洪閘約40m，1988年溢洪道擴建時，先后出現5次滑動。當即采用排水、擋土墻進行處理，后又出現變形，危及泄洪安全。經勘察，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。滑坡原因是，該段分布志留系下統砂質板巖、炭質頁巖夾劣煤，巖體強風化深8m，上覆有數米厚的殘坡積物，擴建溢洪道時因開挖不當，引起滑動。

根據勘察的邊界條件及取樣試驗所得參數，滑體濕容重19kN/m3，飽和容重20.719kN/m3，滑面抗剪強度f=0.45，c=0.02MPa，飽和狀態 f=0.4，c=0.01MPa，進行各種工況下的穩定計算，均處于臨界和不穩定狀態，同時進行了滑動時涌浪估算，若滑體滑動均會導致閘門及對岸副壩漫頂。邊坡經過減載、排水、設置支護擋墻等綜合處理后，確保了邊坡穩定。

5 結語

綜上所述，病險水庫隱患與地質條件密切相關。因此，病險水庫除險加固必須全面地調查研究場地工程地質條件，分析與地質因素有關的險情隱患的成因，評價其對工程安全的影響，并提出有關地質參數及處理建議，為加固處理設計提供所需的地質資料。

1 張嚴明.全國病險水庫與水閘除險水庫加固專業技術論文集.北京：中國水利水電出版社，2000.

2 朱建業等.水利水電工程地質勘察規范.北京：中國計劃出版社，1999.

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