淺談小型水庫除險加固工程地質勘察的側重點

朱振華

（廣西百色市水利電力設計院 廣西百色 533000）

淺談小型水庫除險加固工程地質勘察的側重點

朱振華

（廣西百色市水利電力設計院 廣西百色 533000）

建國初期修建的小型水庫由于種種原因，這些小型水庫很多出現危害水庫安全運行的險情。有些小型水庫雖然還沒有出現險情，但是按發展趨勢將出現危害水庫安全運行的險情。水庫類型不同、“病險”類型不同、“病險”輕重不同，工程地質勘察的側重點必須不同，只有這樣，工程地質勘察才有針對性和有效性，才能為設計部門提供合理的建議，使“病險”水庫達到除險加固的目的。

已出現病險問題的水庫；按發展趨勢將出現病險問題的水庫；工程地質勘察；除險加固

1 前言

廣西20世紀50～70年代修建的小型水庫，由于受當時的技術條件限制，大多數小型水庫建庫時沒有進行工程地質勘察，沒有地質資料，個別水庫進行簡單的地質勘察，地質資料簡單、深度不夠。這些水庫存在以下問題：①建庫時土石壩的填筑土料沒有進行擊實試驗和滲透試驗；②截水槽開挖不合格、清基不徹底；③缺乏機械設備，人工填筑的土石壩壩身質量較差，壓實度達不到要求；④筑壩人員主要是沒有多少文化的當地農民，他們對開采筑壩土料的要求不清楚，也不了解什么部位能填筑那種類型的土、不能填筑那種類型的土，所以出現部分土石壩小型水庫壩身心墻部位中夾雜有較多的腐植土、淤泥質土、粉砂土、含泥質較少的碎石等不符合要求的土，有些壩外坡填筑澎漲土而出現開裂；⑤有些壩體填土的力學強度偏低，建壩后壩體逐漸下陷、壩體內外坡坡度逐漸變緩，造成壩高不夠；⑥部分土石壩內外坡坡度陡、緩不合理，造成因坡度陡而崩塌；⑦部分小型水庫內坡護坡塊石為容易風化的石料，風化成小碎石、砂后被庫水帶到庫底，使內坡土體裸露，升降的庫水沖刷內坡造成崩塌；⑧土石壩的溢洪道底板、邊墻及漿砌石壩，其石料為強度低及抗風化能力差的粉砂巖、含泥質粉砂巖，膠結料、批擋料為粘力低的石灰沙漿之類，這些材料建成的水工建筑物質量差；⑨修建于灰巖區的水庫因溶洞發育而出現滲漏。

由于建庫時存在種種問題，建庫后水庫運行幾十年，這些小型水庫很多出現危害水庫安全運行的險情和按發展趨勢將出現危害水庫安全運行的各種各樣險情。主要險情有：壩體滲漏或繞壩滲漏引起的滲流破壞、滑坡或崩塌、裂縫、不均勻沉陷、壩基土體液化、漿砌石壩塊石料風化等等。

水庫類型不同、“病險”類型不同、“病險”輕重不同，工程地質勘察的側重點必須不同，一些“病險”水庫只需要查明險情、填筑土料的類型和質量就行，另一些“病險”水庫不僅需要查明險情同時也必須查明其詳細的工程地質條件，只有這樣，工程地質勘察才有針對性和有效性，才能為設計部門提供合理的建議，使“病險”水庫達到除險加固的目的。

壩體雖非地質體，但是對于土石壩，地質師也必須查明土石壩的填土類型、填筑質量、滲透性能及壩體土的其他物理力學特征；對于拱壩和重力壩的壩體質量的查明較簡單。

以下舉幾個實例來說明不同類型水庫、不同“病險”類型、不同輕重“病險”的水庫其工程地質勘察的側重點。小型水庫由于庫區小庫水相對淺，運行了幾十年的小庫區一般沒有險情，其除險加固工程地質勘察一般都集中在水庫有水工建筑物的范圍內，以下所舉實例為壩區除險加固的工程地質勘察。

2 工程實例

2.1 需要查明“病險”問題及工程地質條件的小型水庫除險加固工程地質勘察

央達水庫2008年第二次除險加固時的工程地質勘察：

央達水庫為1967年建成的小（一）型水庫，最大壩高為19.88m，壩頂長度為149.45m，水庫大壩為均質土壩，建庫時沒有進行地質勘察，沒有任何地質資料。由于大壩滲漏嚴重而于1998年對水庫大壩進行防滲灌漿，此次對水庫維護也沒有形成地質資料。

2008年8月份再次進行水庫除險加固時經現場初步地質調查、查閱水庫運行記錄和問詢水庫管理人員，水庫大壩主要病險問題有：①壩外坡反濾堆中部及右壩腳與山坡接觸處庫水滲漏嚴重。②壩外坡坡腳和反濾堆發生嚴重沉陷，同時壩外坡出現三條縱向沉陷裂縫。③右壩基有斷層通過。

由于水庫壩身和壩基壩肩均存在較嚴重的險情，而且水庫之前沒有進行過工程地質勘察，為了砌底排除水庫的險情，必須對大壩壩基壩肩進行工程地質勘察，查明其工程地質條件，同時查明壩身“病險”問題。勘察采用鉆探揭露、壩身進行注水試驗和基巖壓水試驗、重型標準貫入試驗、采取原狀土和擾動土樣進行室內試驗、1：1000地質測繪。對于壩外坡坡腳和反濾堆發生嚴重沉陷的問題，考慮留下到除險加固施工時放干庫水挖除舊反濾堆和壩外坡坡腳時再作施工地質勘察。對工程地質勘察成果進行地質分析和綜合評價，得出如下結論：

2.1.1 壩體質量

鉆孔揭露壩體表面為一薄層厚約1.4m的暗灰色～灰黃色含腐植質碎石質粉質粘土，其他為黃色、淺紅色碎石質粘土。即是均質土壩沒有嚴格均質。碎石質粘土壩體的質量是：①壩土體成分：礫粒組17.6%，砂粒組7.8%，粉粒組30.4%，粘粒組44.3%，為輕粘土。不均勻系數Cu＞5，為級配良好的土。曲率系數Cc＜1，為缺少中間顆粒。②土體的力學特性：壓縮系數av1-2=0.115～0.464MPa-1，壓縮模量Ev1-2為4.02～13.5MPa，為中壓縮性土。土體抗剪強度：快剪：粘聚力標準值為29.5kPa，內摩擦角標準值15.5°；靜三軸總應力：粘聚力標準值為30.5kPa，內摩擦角標準值12.7°；有效應力：粘聚力標準值為28.4kPa，內摩擦角標準值15.4°。土體力學強度一般。③透水性能：鉆孔注水試驗的滲透系數1.24×10-4～4.3×10-4cm/s，為中等透水性。原狀土室內滲透試驗，垂直滲透系數KV20為1.43×10-6～6.66×10-4cm/s，以中等透水性為主，局部為微透水性。壩體土體不滿足規范規定的均質土壩滲透系數小于1×10-4cm/s的要求。④允許水力坡降J允=0.47。⑤壓實度：大壩填筑土壓實度平均為87.1%，沒有達到《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96）規定的中小型土壩壓實度為95～97%的要求。壩腳的反濾堆壩中部庫水滲漏嚴重的原因是這個部位的壩土體及壩基基巖的透水性能偏大。

2.1.2 壩基壩肩工程地質條件

壩基清基情況、地層巖性、巖石風化、截水槽處基巖的透水性能：截水槽清基較徹底，除了斷層部位之外截水槽清基到弱風化基巖。截水槽的上、下游河床基本上不清基，鉆孔揭露顯示壩體之下的原河床處有1.27～2.25m淤泥夾少許砂礫石層。截水槽上、下游的兩岸壩肩清基很差，僅清除植被。壩右端有斷層通過，斷層右側基巖為三迭系中統板納組第一段（T2b1），巖性為中、厚層狀為主的粉砂巖夾薄層狀泥巖；斷層左側基巖為三迭系中統蘭木組（T2L），巖性為中層、中厚層狀粉砂巖、泥質粉砂巖或中～薄層狀粉砂質泥巖。由于斷層兩側巖石強風化，截水槽處在右壩端斷層處就存在透水性約67Lu的中等透水的強風化基巖，這是右壩腳與山坡接觸處庫水滲漏的原因。其他部位的壩基壩肩截水槽下伏基巖有2.3～5.4m透水率7.1～9.5Lu的弱風化下部～微風化上部的基巖，不滿足規范要求。

2.1.3 右壩基斷層破碎帶特征及對水庫安全運行的影響

壩基右端斷層破碎帶巖土為斷層兩側巖石在構造力（包括熱液）作用下的產物，為斷層泥，土質為黃色、淺紅色等顏色的粘土夾角礫，角礫主要是小角礫，結構密實。承載力可達250kPa以上，透水性能小于1×10-4cm/s，不會造成庫水沿斷層滲漏，斷層對水庫安全運行的影響很小。但是斷層兩側強風化基巖透水率最大達67Lu，造成庫水滲漏。

2.1.4 壩外坡坡腳和反濾堆沉陷，出現三條縱向沉陷裂縫的原因

沉陷縫均是從左壩端開始沉陷，平行地向右壩延伸，延伸到近右壩端逐漸消失，沉陷線上、下側壩體最大高差為0.75m，沉陷縫最大寬度13cm。壩體之下的原河床處有1.27～2.25m淤泥夾少許砂礫石層，淤泥為高孔隙比、高壓縮性、低透水性、低抗剪強度的軟土，承載力很低，工程地質條件很差，這是造成沉陷裂縫的主要原因。次要原因是反濾堆壩中部處庫水滲漏嚴重使村民把下游農田改為魚塘，滲漏的庫水無法向下游排泄，外坡近壩腳的壩體、壩下淤泥飽和，力學強度降低，水位升、降現象使壩土體反復出現吸水飽和、失水收縮的現象，造成坡外坡出現沉陷縫及反濾堆出現沉陷破壞，嚴重影響大壩的安全！

針對上述“病險”問題，推薦設計采用方案：對壩體、壩基進行防滲帷幕灌漿處理。挖除反濾堆下游魚塘及挖除已經沉陷破壞的反濾堆及其下伏淤泥夾礫石層，重建反濾堆。對壩外坡沉陷縫至反濾堆的壩體沉陷地段進行培土、平整。

2.2 只需重點查明工程地質條件的小型水庫除險加固工程地質勘察

山洲水庫除險加固工程地質勘察：

山洲水庫為1976年建成的小（一）型水庫，最大壩高為28.8m，壩頂長度為112m，水庫大壩為均質土壩。

現場踏勘、查閱水庫運行記錄和問詢水庫管理人員，壩體本身險情輕微，大壩在正常高水位時外坡出現滲潤。但是右壩肩山坡中部和底部均出現嚴重的管涌狀繞壩滲漏。現場地質測繪大壩處于背斜軸部，右壩肩為巖石破碎的古滑坡體。因為壩軸線地質條件復雜且不理想，所以除險加固地質勘察必須重點查明壩基壩肩工程地質條件和水文地質條件，順便了解壩土體質量。勘察手段采用鉆探及鉆孔中注水試驗和壓水試驗，鉆孔在壩體部位采取原狀土樣做土工試驗和采取巖芯擾動土樣進行擊實試驗。勘察重點是右壩肩，所以在右壩肩沿壩軸線施工3個鉆孔，在左壩肩和壩基中部各施工1個鉆孔。同時為了兼顧查明壩身質量及截水槽的上、下游清基質量，在壩內、外坡各施工1個鉆孔。對工程地質勘察成果進行地質分析和綜合評價，得出如下結論：

2.2.1 壩體質量

①大壩土體成分：主要是含砂粉質粘土，局部夾粘土。②土體的力學特性：壓縮系數 av1-2=0.066～0.466MPa-1，壓縮模量 Ev1-2為 3.87～25.83MPa，為中～低壓縮性土。土體抗剪強度，快剪：粘聚力為57.5kPa，內摩擦角16.3°；靜三軸有效應力粘聚力為50.4kPa，內摩擦角25.0°，土體力學強度較好。③透水性能：室內土工試驗垂直滲透系數KV20在2.33×10-7～3.54×10-4cm/s之間，水平滲透系數 Kh20在 1.55×10-7～3.76×10-4cm/s，為微～中等透水性。鉆孔注水試驗壩軸線部位滲透系數K值2.6×10-4～1.2×10-3cm/s，壩內外坡滲透系數K值3.8×10-4～1.5×10-3cm/s，為中等透水性，壩頂處透水性相對大，表現出近壩頂的土體透水性比其他部位土體的透水性大的特征，而壩體中部土體的透水性能最小。壩土體不滿足規范規定的均質土壩滲透系數小于1×10-4cm/s的要求。④允許水力坡降J允=0.48。⑤壓實度：大壩填筑土壓實度平均為94.9%，約等于95%，基本達到《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》（SL189-96）規定的中小型土壩壓實度為95～97%的要求，但存在局部壓實度不達到要求的情況。可見壩體透水性能稍大之外其他方面均較好，而透水性能方要是近壩頂較大，與水庫運行中庫水高水位時壩體上部濕潤相符。

2.2.2 壩基（肩）工程地質條件

（1）壩基清基情況、地層巖性、巖石風化、截水槽處基巖的透水性能：河床處截水槽上、下游清基很差，有1.6～1.9m泥質砂礫卵石層分布；左右壩肩截水槽上下游清基差，有薄層腐植土及厚度1～2m的殘坡積碎石質粉質粘土層。截水槽清基：除了右壩腳之外壩基截水槽開挖到弱風化頂部灰黃色基巖；左壩肩截水槽：上部基巖黃色強風化破碎，下部巖石灰黃色弱風化較破碎；右壩肩截水槽：基巖黃色強風化破碎，為古滑坡體的碎裂巖，古滑坡體碎裂巖之下壓著形狀呈傾斜倒三角形狀的砂礫卵漂石夾粉質粘土沖積層，結構密實，鉆孔揭露垂直厚度約6m。壩基截水槽處基巖3個鉆孔的鉆孔壓水試驗值為0.88～1.9Lu，為弱～微透水性；左壩肩截水槽處弱風化基巖中等偏弱透水性，強風化基巖中等透水性。壩基基巖為三迭系中統板納組第二段（T2b2）的粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖互層，夾少量細砂巖。

（2）右壩肩古滑坡體工程地質條件：①滑坡體的性質：滑坡體在地表上沒發現有斷陷帶（地裂縫），但在地質測繪中發現推定的滑坡體界線范圍內基巖很破碎。從建庫至今在滑坡體界線范圍內無論是水庫上游庫岸還是下游的山坡均沒出現滑坡、崩塌的現象，而且根據當地老農反映建庫前的數十年滑坡體界線范圍內也沒出現過滑坡、崩塌的現象。因此滑坡體的現狀是已經穩定的、不再發展的古滑坡體，右岸壩肩穩定。②滑坡體的范圍、規模：根據現場地質測繪，壩上游側沿庫岸約38～44m處、壩軸線方向的庫右岸山包約44m處、壩下游右岸壩腳約12.5m處，由上述界線組成的半弧形范圍的內側即為滑坡體，其半弧形線即是古滑坡體的滑動面。滑坡體在壩軸線處的滑動面與右壩肩山坡坡面近平行，此兩個平面的間距約是10.2m。從滑坡體的范圍可見其規模是比較大的。③滑坡體巖土的特征：根據建庫時右岸的清基開挖、勘察施工的鉆孔，滑坡體的巖土體是破碎巖松散的堆積體，其中在滑動面約1m厚度的巖石最破碎。④滑坡體巖土體的滲透性能：根據鉆孔地質編錄、注水試驗，從滑坡體上部至滑動面的滲透系數分別為 1.4×10-2cm/s、7.9×10-3cm/s、1.2510-2cm/s，中部為中等透水性；上、下部為強透水性，這是造成右壩肩繞壩滲漏的主要原因。

（3）右岸壩肩底部被古滑坡體掩埋的古河床沖積層工程地質條件：沖積層為砂礫卵漂石夾泥質，鉆孔揭露其結構密實，滲透系數分別為2.5×10-3cm/s，為中等透水性。現場勘察此處沖積層有庫水呈小管涌狀滲漏，這是造成右壩肩繞壩滲漏的另一個原因。

根據工程地質勘察查明的問題，地質部門建議：對壩體、壩基（肩）進行防滲帷幕灌漿處理，對古滑坡體及被古滑坡體掩埋的古河床沖積層進行灌注水泥漿防滲加固處理，灌漿孔應當加密且施工后一段時間進行注水試驗，滲透系數必須≤1×10-4cm/s。

2.3 只需重點查明“病險”問題的小型水庫除險加固工程地質勘察

那梭水庫除險加固工程地質勘察：

那梭水庫于為1975年2月建成的小（二）型水庫，水庫處于山區小河流中，水庫大壩為漿砌石連拱重力壩，壩頂長54.84m，寬1.0m，最大壩高17.0m，大壩分溢流壩段和非溢流壩段。那梭水庫建庫沒有進行工程地質勘察，沒有任何地質資料。

水庫主要病險問題：①壩體出現庫水滲漏，使拱壩下游壩面大面積濕潤，以面滲為主，局部出現小管涌；②拱壩上游面的水泥混凝土批擋層老化且有較多裂縫，下游壩面有大量灌木生長，部分灌木高達幾米；③大壩左壩肩存在漏水，局部有小股管涌，滲漏水量約2L/s。

現場踏勘得知：壩址處基巖為三迭系中統板納組第一段中厚層狀、厚層狀粉砂巖夾少許細砂巖和泥巖，壩下游小河中及兩岸坡腳基巖裸露，巖石微風化，巖石較堅硬，巖層產狀68°∠52°，巖層傾向上游，傾角相對陡，巖層走向與壩軸線交角約是15°（壩軸線從左往右方位角為353°），對壩體抗滑穩定有利。壩基沒有斷層、沒有緩傾角構造面、下游沒有臨空面，壩體抗滑安全性較好。兩岸山坡陡，左右壩肩巖石弱風化～微風化。根據現場踏勘和水庫存在的病險問題，現場踏勘得到的壩基工程地質條件能夠作為水庫今后的安全運行的分析基礎，本水庫不必進行查明工程地質條件的工程地質勘察，只需查明病險問題即可。

工程地質勘察查明那梭水庫“病險”問題為：①拱壩上游面的水泥混凝土批擋層水泥質量不高，水庫運行多年造成水泥混凝土批擋層老化，同時由于水泥混凝土批擋層較薄在陽光的溫差作用下產生裂縫。下游壩面看到拱壩石料為灰黃色弱風化砂巖，膠結料為水泥砂漿，砂巖塊石料之間不滿漿、有大量空洞，庫水通過上游壩面水泥混凝土批擋層的裂縫向下游砂巖塊石之間不滿漿的空洞中流出，主要是面滲，局部有小管涌。由于庫水滲漏造成下游壩面大面積濕潤，使灌木生長能夠在空洞中生長。②左壩肩基巖弱風化，庫水漏水處明顯存在由節理發育形成的小裂隙及稍破碎的巖石，拱壩壩肩較薄，滲徑短，這是左壩肩出現庫水滲漏的原因。

為了消除水庫險情，加固水庫，地勘部門提出的建議為：①壩體上游面鑿花已有批擋層，修建一層厚度在20cm左右的鋼筋水泥混凝土層，同時在上游壩基處緊貼壩基進行深入壩體基礎漿砌石之下約1～2m的防滲灌漿。壩體下游面清除草木之后修建一層厚度在20cm左右的鋼筋水泥混凝土層護面。②左右兩壩肩中下部至上部為弱風化基巖，頂部有少量強風化基巖，其弱風化和強風化基巖的透水率均大于10Lu，不滿足規范要求，建議對兩壩肩基巖進行防滲帷幕灌漿。

3 結語

20世紀50～70年代修建的沒有地質資料的小型病險水庫除險加固的工程地質勘察是“查明工程地質條件”還是“查明病險問題”，或者二者兼顧，必須根據具體情況決定。壩體處基巖裸露良好、工程地質條件簡單、水庫“病險”問題不復雜的小型水庫除險加固的工程地質勘察可以是“查明病險問題”。壩體處基巖裸露不好且覆蓋層厚、工程地質條件復雜、水庫“病險”問題較多且有些“病險”問題可能是多種原因引起的，這種小型水庫除險加固的工程地質勘察就必須是“查明工程地質條件”和“查明病險問題”。目前肉眼觀察沒有“病險”問題，但是現場踏勘確定壩基壩肩工程地質條件復雜且不理想，水庫運行年久，可能存在安全隱患，或者水庫已出現輕微“病險”問題，按發展趨勢將出現安全隱患；另外，為了向水庫以后的運行管理提供分析基礎而必須對工程區的工程地質條件進行復核，這類小型水庫除險加固的工程地質勘察必須是“查明工程地質條件”。總之，小型水庫除險加固的工程地質勘察必須有所側重、有針對性地開展，才能為設計部門提供合理的建議，使“病險”水庫達到除險加固的目的。

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1004-7344（2016）13-0119-03

2016-4-18