浅谈小型水库除险加固工程地质勘察的侧重点

朱振华

（广西百色市水利电力设计院 广西百色 533000）

浅谈小型水库除险加固工程地质勘察的侧重点

朱振华

（广西百色市水利电力设计院 广西百色 533000）

建国初期修建的小型水库由于种种原因，这些小型水库很多出现危害水库安全运行的险情。有些小型水库虽然还没有出现险情，但是按发展趋势将出现危害水库安全运行的险情。水库类型不同、“病险”类型不同、“病险”轻重不同，工程地质勘察的侧重点必须不同，只有这样，工程地质勘察才有针对性和有效性，才能为设计部门提供合理的建议，使“病险”水库达到除险加固的目的。

已出现病险问题的水库；按发展趋势将出现病险问题的水库；工程地质勘察；除险加固

1 前言

广西20世纪50～70年代修建的小型水库，由于受当时的技术条件限制，大多数小型水库建库时没有进行工程地质勘察，没有地质资料，个别水库进行简单的地质勘察，地质资料简单、深度不够。这些水库存在以下问题：①建库时土石坝的填筑土料没有进行击实试验和渗透试验；②截水槽开挖不合格、清基不彻底；③缺乏机械设备，人工填筑的土石坝坝身质量较差，压实度达不到要求；④筑坝人员主要是没有多少文化的当地农民，他们对开采筑坝土料的要求不清楚，也不了解什么部位能填筑那种类型的土、不能填筑那种类型的土，所以出现部分土石坝小型水库坝身心墙部位中夹杂有较多的腐植土、淤泥质土、粉砂土、含泥质较少的碎石等不符合要求的土，有些坝外坡填筑澎涨土而出现开裂；⑤有些坝体填土的力学强度偏低，建坝后坝体逐渐下陷、坝体内外坡坡度逐渐变缓，造成坝高不够；⑥部分土石坝内外坡坡度陡、缓不合理，造成因坡度陡而崩塌；⑦部分小型水库内坡护坡块石为容易风化的石料，风化成小碎石、砂后被库水带到库底，使内坡土体裸露，升降的库水冲刷内坡造成崩塌；⑧土石坝的溢洪道底板、边墙及浆砌石坝，其石料为强度低及抗风化能力差的粉砂岩、含泥质粉砂岩，胶结料、批挡料为粘力低的石灰沙浆之类，这些材料建成的水工建筑物质量差；⑨修建于灰岩区的水库因溶洞发育而出现渗漏。

由于建库时存在种种问题，建库后水库运行几十年，这些小型水库很多出现危害水库安全运行的险情和按发展趋势将出现危害水库安全运行的各种各样险情。主要险情有：坝体渗漏或绕坝渗漏引起的渗流破坏、滑坡或崩塌、裂缝、不均匀沉陷、坝基土体液化、浆砌石坝块石料风化等等。

水库类型不同、“病险”类型不同、“病险”轻重不同，工程地质勘察的侧重点必须不同，一些“病险”水库只需要查明险情、填筑土料的类型和质量就行，另一些“病险”水库不仅需要查明险情同时也必须查明其详细的工程地质条件，只有这样，工程地质勘察才有针对性和有效性，才能为设计部门提供合理的建议，使“病险”水库达到除险加固的目的。

坝体虽非地质体，但是对于土石坝，地质师也必须查明土石坝的填土类型、填筑质量、渗透性能及坝体土的其他物理力学特征；对于拱坝和重力坝的坝体质量的查明较简单。

以下举几个实例来说明不同类型水库、不同“病险”类型、不同轻重“病险”的水库其工程地质勘察的侧重点。小型水库由于库区小库水相对浅，运行了几十年的小库区一般没有险情，其除险加固工程地质勘察一般都集中在水库有水工建筑物的范围内，以下所举实例为坝区除险加固的工程地质勘察。

2 工程实例

2.1 需要查明“病险”问题及工程地质条件的小型水库除险加固工程地质勘察

央达水库2008年第二次除险加固时的工程地质勘察：

央达水库为1967年建成的小（一）型水库，最大坝高为19.88m，坝顶长度为149.45m，水库大坝为均质土坝，建库时没有进行地质勘察，没有任何地质资料。由于大坝渗漏严重而于1998年对水库大坝进行防渗灌浆，此次对水库维护也没有形成地质资料。

2008年8月份再次进行水库除险加固时经现场初步地质调查、查阅水库运行记录和问询水库管理人员，水库大坝主要病险问题有：①坝外坡反滤堆中部及右坝脚与山坡接触处库水渗漏严重。②坝外坡坡脚和反滤堆发生严重沉陷，同时坝外坡出现三条纵向沉陷裂缝。③右坝基有断层通过。

由于水库坝身和坝基坝肩均存在较严重的险情，而且水库之前没有进行过工程地质勘察，为了砌底排除水库的险情，必须对大坝坝基坝肩进行工程地质勘察，查明其工程地质条件，同时查明坝身“病险”问题。勘察采用钻探揭露、坝身进行注水试验和基岩压水试验、重型标准贯入试验、采取原状土和扰动土样进行室内试验、1：1000地质测绘。对于坝外坡坡脚和反滤堆发生严重沉陷的问题，考虑留下到除险加固施工时放干库水挖除旧反滤堆和坝外坡坡脚时再作施工地质勘察。对工程地质勘察成果进行地质分析和综合评价，得出如下结论：

2.1.1 坝体质量

钻孔揭露坝体表面为一薄层厚约1.4m的暗灰色～灰黄色含腐植质碎石质粉质粘土，其他为黄色、浅红色碎石质粘土。即是均质土坝没有严格均质。碎石质粘土坝体的质量是：①坝土体成分：砾粒组17.6%，砂粒组7.8%，粉粒组30.4%，粘粒组44.3%，为轻粘土。不均匀系数Cu＞5，为级配良好的土。曲率系数Cc＜1，为缺少中间颗粒。②土体的力学特性：压缩系数av1-2=0.115～0.464MPa-1，压缩模量Ev1-2为4.02～13.5MPa，为中压缩性土。土体抗剪强度：快剪：粘聚力标准值为29.5kPa，内摩擦角标准值15.5°；静三轴总应力：粘聚力标准值为30.5kPa，内摩擦角标准值12.7°；有效应力：粘聚力标准值为28.4kPa，内摩擦角标准值15.4°。土体力学强度一般。③透水性能：钻孔注水试验的渗透系数1.24×10-4～4.3×10-4cm/s，为中等透水性。原状土室内渗透试验，垂直渗透系数KV20为1.43×10-6～6.66×10-4cm/s，以中等透水性为主，局部为微透水性。坝体土体不满足规范规定的均质土坝渗透系数小于1×10-4cm/s的要求。④允许水力坡降J允=0.47。⑤压实度：大坝填筑土压实度平均为87.1%，没有达到《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）规定的中小型土坝压实度为95～97%的要求。坝脚的反滤堆坝中部库水渗漏严重的原因是这个部位的坝土体及坝基基岩的透水性能偏大。

2.1.2 坝基坝肩工程地质条件

坝基清基情况、地层岩性、岩石风化、截水槽处基岩的透水性能：截水槽清基较彻底，除了断层部位之外截水槽清基到弱风化基岩。截水槽的上、下游河床基本上不清基，钻孔揭露显示坝体之下的原河床处有1.27～2.25m淤泥夹少许砂砾石层。截水槽上、下游的两岸坝肩清基很差，仅清除植被。坝右端有断层通过，断层右侧基岩为三迭系中统板纳组第一段（T2b1），岩性为中、厚层状为主的粉砂岩夹薄层状泥岩；断层左侧基岩为三迭系中统兰木组（T2L），岩性为中层、中厚层状粉砂岩、泥质粉砂岩或中～薄层状粉砂质泥岩。由于断层两侧岩石强风化，截水槽处在右坝端断层处就存在透水性约67Lu的中等透水的强风化基岩，这是右坝脚与山坡接触处库水渗漏的原因。其他部位的坝基坝肩截水槽下伏基岩有2.3～5.4m透水率7.1～9.5Lu的弱风化下部～微风化上部的基岩，不满足规范要求。

2.1.3 右坝基断层破碎带特征及对水库安全运行的影响

坝基右端断层破碎带岩土为断层两侧岩石在构造力（包括热液）作用下的产物，为断层泥，土质为黄色、浅红色等颜色的粘土夹角砾，角砾主要是小角砾，结构密实。承载力可达250kPa以上，透水性能小于1×10-4cm/s，不会造成库水沿断层渗漏，断层对水库安全运行的影响很小。但是断层两侧强风化基岩透水率最大达67Lu，造成库水渗漏。

2.1.4 坝外坡坡脚和反滤堆沉陷，出现三条纵向沉陷裂缝的原因

沉陷缝均是从左坝端开始沉陷，平行地向右坝延伸，延伸到近右坝端逐渐消失，沉陷线上、下侧坝体最大高差为0.75m，沉陷缝最大宽度13cm。坝体之下的原河床处有1.27～2.25m淤泥夹少许砂砾石层，淤泥为高孔隙比、高压缩性、低透水性、低抗剪强度的软土，承载力很低，工程地质条件很差，这是造成沉陷裂缝的主要原因。次要原因是反滤堆坝中部处库水渗漏严重使村民把下游农田改为鱼塘，渗漏的库水无法向下游排泄，外坡近坝脚的坝体、坝下淤泥饱和，力学强度降低，水位升、降现象使坝土体反复出现吸水饱和、失水收缩的现象，造成坡外坡出现沉陷缝及反滤堆出现沉陷破坏，严重影响大坝的安全！

针对上述“病险”问题，推荐设计采用方案：对坝体、坝基进行防渗帷幕灌浆处理。挖除反滤堆下游鱼塘及挖除已经沉陷破坏的反滤堆及其下伏淤泥夹砾石层，重建反滤堆。对坝外坡沉陷缝至反滤堆的坝体沉陷地段进行培土、平整。

2.2 只需重点查明工程地质条件的小型水库除险加固工程地质勘察

山洲水库除险加固工程地质勘察：

山洲水库为1976年建成的小（一）型水库，最大坝高为28.8m，坝顶长度为112m，水库大坝为均质土坝。

现场踏勘、查阅水库运行记录和问询水库管理人员，坝体本身险情轻微，大坝在正常高水位时外坡出现渗润。但是右坝肩山坡中部和底部均出现严重的管涌状绕坝渗漏。现场地质测绘大坝处于背斜轴部，右坝肩为岩石破碎的古滑坡体。因为坝轴线地质条件复杂且不理想，所以除险加固地质勘察必须重点查明坝基坝肩工程地质条件和水文地质条件，顺便了解坝土体质量。勘察手段采用钻探及钻孔中注水试验和压水试验，钻孔在坝体部位采取原状土样做土工试验和采取岩芯扰动土样进行击实试验。勘察重点是右坝肩，所以在右坝肩沿坝轴线施工3个钻孔，在左坝肩和坝基中部各施工1个钻孔。同时为了兼顾查明坝身质量及截水槽的上、下游清基质量，在坝内、外坡各施工1个钻孔。对工程地质勘察成果进行地质分析和综合评价，得出如下结论：

2.2.1 坝体质量

①大坝土体成分：主要是含砂粉质粘土，局部夹粘土。②土体的力学特性：压缩系数 av1-2=0.066～0.466MPa-1，压缩模量 Ev1-2为 3.87～25.83MPa，为中～低压缩性土。土体抗剪强度，快剪：粘聚力为57.5kPa，内摩擦角16.3°；静三轴有效应力粘聚力为50.4kPa，内摩擦角25.0°，土体力学强度较好。③透水性能：室内土工试验垂直渗透系数KV20在2.33×10-7～3.54×10-4cm/s之间，水平渗透系数 Kh20在 1.55×10-7～3.76×10-4cm/s，为微～中等透水性。钻孔注水试验坝轴线部位渗透系数K值2.6×10-4～1.2×10-3cm/s，坝内外坡渗透系数K值3.8×10-4～1.5×10-3cm/s，为中等透水性，坝顶处透水性相对大，表现出近坝顶的土体透水性比其他部位土体的透水性大的特征，而坝体中部土体的透水性能最小。坝土体不满足规范规定的均质土坝渗透系数小于1×10-4cm/s的要求。④允许水力坡降J允=0.48。⑤压实度：大坝填筑土压实度平均为94.9%，约等于95%，基本达到《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》（SL189-96）规定的中小型土坝压实度为95～97%的要求，但存在局部压实度不达到要求的情况。可见坝体透水性能稍大之外其他方面均较好，而透水性能方要是近坝顶较大，与水库运行中库水高水位时坝体上部湿润相符。

2.2.2 坝基（肩）工程地质条件

（1）坝基清基情况、地层岩性、岩石风化、截水槽处基岩的透水性能：河床处截水槽上、下游清基很差，有1.6～1.9m泥质砂砾卵石层分布；左右坝肩截水槽上下游清基差，有薄层腐植土及厚度1～2m的残坡积碎石质粉质粘土层。截水槽清基：除了右坝脚之外坝基截水槽开挖到弱风化顶部灰黄色基岩；左坝肩截水槽：上部基岩黄色强风化破碎，下部岩石灰黄色弱风化较破碎；右坝肩截水槽：基岩黄色强风化破碎，为古滑坡体的碎裂岩，古滑坡体碎裂岩之下压着形状呈倾斜倒三角形状的砂砾卵漂石夹粉质粘土冲积层，结构密实，钻孔揭露垂直厚度约6m。坝基截水槽处基岩3个钻孔的钻孔压水试验值为0.88～1.9Lu，为弱～微透水性；左坝肩截水槽处弱风化基岩中等偏弱透水性，强风化基岩中等透水性。坝基基岩为三迭系中统板纳组第二段（T2b2）的粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩互层，夹少量细砂岩。

（2）右坝肩古滑坡体工程地质条件：①滑坡体的性质：滑坡体在地表上没发现有断陷带（地裂缝），但在地质测绘中发现推定的滑坡体界线范围内基岩很破碎。从建库至今在滑坡体界线范围内无论是水库上游库岸还是下游的山坡均没出现滑坡、崩塌的现象，而且根据当地老农反映建库前的数十年滑坡体界线范围内也没出现过滑坡、崩塌的现象。因此滑坡体的现状是已经稳定的、不再发展的古滑坡体，右岸坝肩稳定。②滑坡体的范围、规模：根据现场地质测绘，坝上游侧沿库岸约38～44m处、坝轴线方向的库右岸山包约44m处、坝下游右岸坝脚约12.5m处，由上述界线组成的半弧形范围的内侧即为滑坡体，其半弧形线即是古滑坡体的滑动面。滑坡体在坝轴线处的滑动面与右坝肩山坡坡面近平行，此两个平面的间距约是10.2m。从滑坡体的范围可见其规模是比较大的。③滑坡体岩土的特征：根据建库时右岸的清基开挖、勘察施工的钻孔，滑坡体的岩土体是破碎岩松散的堆积体，其中在滑动面约1m厚度的岩石最破碎。④滑坡体岩土体的渗透性能：根据钻孔地质编录、注水试验，从滑坡体上部至滑动面的渗透系数分别为 1.4×10-2cm/s、7.9×10-3cm/s、1.2510-2cm/s，中部为中等透水性；上、下部为强透水性，这是造成右坝肩绕坝渗漏的主要原因。

（3）右岸坝肩底部被古滑坡体掩埋的古河床冲积层工程地质条件：冲积层为砂砾卵漂石夹泥质，钻孔揭露其结构密实，渗透系数分别为2.5×10-3cm/s，为中等透水性。现场勘察此处冲积层有库水呈小管涌状渗漏，这是造成右坝肩绕坝渗漏的另一个原因。

根据工程地质勘察查明的问题，地质部门建议：对坝体、坝基（肩）进行防渗帷幕灌浆处理，对古滑坡体及被古滑坡体掩埋的古河床冲积层进行灌注水泥浆防渗加固处理，灌浆孔应当加密且施工后一段时间进行注水试验，渗透系数必须≤1×10-4cm/s。

2.3 只需重点查明“病险”问题的小型水库除险加固工程地质勘察

那梭水库除险加固工程地质勘察：

那梭水库于为1975年2月建成的小（二）型水库，水库处于山区小河流中，水库大坝为浆砌石连拱重力坝，坝顶长54.84m，宽1.0m，最大坝高17.0m，大坝分溢流坝段和非溢流坝段。那梭水库建库没有进行工程地质勘察，没有任何地质资料。

水库主要病险问题：①坝体出现库水渗漏，使拱坝下游坝面大面积湿润，以面渗为主，局部出现小管涌；②拱坝上游面的水泥混凝土批挡层老化且有较多裂缝，下游坝面有大量灌木生长，部分灌木高达几米；③大坝左坝肩存在漏水，局部有小股管涌，渗漏水量约2L/s。

现场踏勘得知：坝址处基岩为三迭系中统板纳组第一段中厚层状、厚层状粉砂岩夹少许细砂岩和泥岩，坝下游小河中及两岸坡脚基岩裸露，岩石微风化，岩石较坚硬，岩层产状68°∠52°，岩层倾向上游，倾角相对陡，岩层走向与坝轴线交角约是15°（坝轴线从左往右方位角为353°），对坝体抗滑稳定有利。坝基没有断层、没有缓倾角构造面、下游没有临空面，坝体抗滑安全性较好。两岸山坡陡，左右坝肩岩石弱风化～微风化。根据现场踏勘和水库存在的病险问题，现场踏勘得到的坝基工程地质条件能够作为水库今后的安全运行的分析基础，本水库不必进行查明工程地质条件的工程地质勘察，只需查明病险问题即可。

工程地质勘察查明那梭水库“病险”问题为：①拱坝上游面的水泥混凝土批挡层水泥质量不高，水库运行多年造成水泥混凝土批挡层老化，同时由于水泥混凝土批挡层较薄在阳光的温差作用下产生裂缝。下游坝面看到拱坝石料为灰黄色弱风化砂岩，胶结料为水泥砂浆，砂岩块石料之间不满浆、有大量空洞，库水通过上游坝面水泥混凝土批挡层的裂缝向下游砂岩块石之间不满浆的空洞中流出，主要是面渗，局部有小管涌。由于库水渗漏造成下游坝面大面积湿润，使灌木生长能够在空洞中生长。②左坝肩基岩弱风化，库水漏水处明显存在由节理发育形成的小裂隙及稍破碎的岩石，拱坝坝肩较薄，渗径短，这是左坝肩出现库水渗漏的原因。

为了消除水库险情，加固水库，地勘部门提出的建议为：①坝体上游面凿花已有批挡层，修建一层厚度在20cm左右的钢筋水泥混凝土层，同时在上游坝基处紧贴坝基进行深入坝体基础浆砌石之下约1～2m的防渗灌浆。坝体下游面清除草木之后修建一层厚度在20cm左右的钢筋水泥混凝土层护面。②左右两坝肩中下部至上部为弱风化基岩，顶部有少量强风化基岩，其弱风化和强风化基岩的透水率均大于10Lu，不满足规范要求，建议对两坝肩基岩进行防渗帷幕灌浆。

3 结语

20世纪50～70年代修建的没有地质资料的小型病险水库除险加固的工程地质勘察是“查明工程地质条件”还是“查明病险问题”，或者二者兼顾，必须根据具体情况决定。坝体处基岩裸露良好、工程地质条件简单、水库“病险”问题不复杂的小型水库除险加固的工程地质勘察可以是“查明病险问题”。坝体处基岩裸露不好且覆盖层厚、工程地质条件复杂、水库“病险”问题较多且有些“病险”问题可能是多种原因引起的，这种小型水库除险加固的工程地质勘察就必须是“查明工程地质条件”和“查明病险问题”。目前肉眼观察没有“病险”问题，但是现场踏勘确定坝基坝肩工程地质条件复杂且不理想，水库运行年久，可能存在安全隐患，或者水库已出现轻微“病险”问题，按发展趋势将出现安全隐患；另外，为了向水库以后的运行管理提供分析基础而必须对工程区的工程地质条件进行复核，这类小型水库除险加固的工程地质勘察必须是“查明工程地质条件”。总之，小型水库除险加固的工程地质勘察必须有所侧重、有针对性地开展，才能为设计部门提供合理的建议，使“病险”水库达到除险加固的目的。

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2016-4-18