中小型水库均质土坝坝体变形问题勘察分析

汪燊

（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司 广东韶关 512025）

1 工程概况

乐昌市秀水镇叶子川水库为一座小（二）型水库，大坝为均质土坝，最大坝高21.90m，现坝顶高程296.6m，坝顶轴线长115m，坝顶宽5m，坝上游坝坡坡比为1：2.23～2.6，下游坝坡坡比为1：2.0。该水库于上世纪七十年代建成，存在早期水利建设中普遍存在的问题[1]，未进行过勘察试验工作，缺乏完整的勘察设计资料，施工技术水平较落后，属于典型的“三边工程”。

水库曾经长期存在的渗漏问题经灌浆防渗处理后得到解决，现存在的主要问题为大坝开裂变形。该水库历史异常险情及除险加固情况如下：

（1）2005～2007年间大坝上游坡中下部出现过三次塌陷，后期均经过简单施工恢复原状。

（2）水库长期伴有渗漏问题，2006年对坝体及坝基灌浆防渗处理后背水坡渗漏问题得到解决。

（3）水库于2007年12月正式开展除险加固，清除原有上游坡干砌石培厚加固并设置混凝土护坡。

（4）2013年10月该水库出现新的险情，坝体迎水坡左半区域发生第一次变形，近坝顶分布有纵向裂缝，坝面上部沉陷下部隆起，经过简单修整恢复原状。

（5）2017年1月，该水库在同样部位发生第二次变形。此次坝体变形位于坝迎水坡左侧部分，距坝顶3～4m处沿坝纵向分布有连续的6条张开裂缝[2]，走向大体一致为NE72°，延伸长度总和近40m，张开宽度一般在1～3cm，局部甚至达到8cm，在裂缝处用钢筋可轻易插入，深度2m以上。变形区域水平方向长约35m，宽约33m，坡面斜长约36m，坝面马道以上区域沉陷，沉陷深度0.1～0.3m，马道及马道以下区域隆起，隆起高度0.2～0.4m，混凝土护坡亦出现变形，但坝上游边线未发生明显位移。

2 地质概况

水库位于乐昌市西北部的秀水镇，属于丘陵～低山地貌，库区所在山谷为U型河谷，高宽比范围1：6.5～1：5，谷底平坦，谷坡陡斜，冲积地貌不发育。库区内主要地层有第四系冲积（Qal）堆积的粘性土、残积（Qel）的砂质粘土、左岸岸坡出露的石炭系下统大塘阶测水组（C1c）砂岩或泥岩，右岸岸坡出露的石炭系下统大塘阶连县组（C1l）石灰岩。库区左岸地表石灰岩出露情况较好，产状N10°W∠SW33°，层面发育，为中厚层状夹薄层状，呈弱风化状态，发育有两组共轭节理，第一组节理产状N8°W∠SW75°，属走向节理，溶蚀现象不明显，多闭合，地表延伸长度较短，与坝轴线交角约为81°。第二组节理产状N15°E∠NW80°，属斜向节理，溶蚀现象较为明显，多呈现为陡立的溶隙，溶缝宽20～40cm，充填泥质，地表出露延伸长度7～10m，与坝轴线交角约为58°，与坝址河谷走向一致。

3 勘探成果

3.1 钻（坑）探成果

本项目布置的3个钻孔均在变形区域内，变形区地质剖面如图1，其中ZK1布置在第一次塌陷位置附近，ZK2布置在第二、三次塌陷位置附近，根据ZK2取土芯观察及取样试验结果，该处下伏坝体土层土质相对较软，且于坝基面附近发现一处20cm的土洞，其分布范围不明。坝基为残积砂质粘土及弱风化石灰岩，基岩裂隙较发育，但未揭露有溶洞。TK1及TK2布置在坝前坡纵向裂缝上，裂缝在竖直方向延伸较短很快闭合，坑壁未发现有明显的滑动面。

图1 变形区Ⅰ～Ⅰ'地质剖面图

3.2 室内试验成果

变形区纵向上土体由坝体填筑土和坝基残积土构成，其中坝体填筑土可分为坝前坡培厚土和旧坝体填筑土，坝体内还存在相对软弱土体，室内试验定名均为低液限粘土（CL）或含砾低液限粘土（CLG）。坝体土击实试验结果显示坝体土料最大干密度ρmax=1.70g/cm3，最优含水量Wop=19.2%，粘粒含量9.5%，坝体土物理力学指标对比见表1。坝前坡培厚土和旧坝体填筑土性质差异较小，但均出现填筑质量问题，具体表现为土质一般，填筑质量较差，碾压不紧密，天然含水率及塑性指数偏高，甚至局部为高压缩性土，饱和快剪指标偏低。与坝前坡培厚土及旧坝填筑土整体特性对比，软弱土天然含水率高27.2～31.6%，干密度低8.6～9.2%，孔隙比高19.6～22.1%，压缩系数高19.0～31.6%，饱和快剪凝聚力低33.0～39.7%，内摩擦角低31.1～36.0%。

3.3 物探成果

本次物探勘察[3]测线网状布置在水坝的迎水面，目的是采用合适的物探手段查明坝体有无土洞分布、渗漏通道、轻微滑动面等要素，并进一步分析岩土体的分层规律以及基岩的起伏形态。物探方法采用高密度电法和浅层地震面波勘探法。

物探方法解译原理：高密度电法测量坝体，当介质均匀分布时，由于浅表部干燥密实，下部水分增多，视电阻率等值线呈层状分布，从坝顶向下呈降低趋势。当坝体内存在不均匀土体、裂缝、渗漏通道等隐患时，则视电阻率等值线梯度变化大，出现高阻或低阻异常闭合圈，因此可根据视电阻率等值线的变化情况及曲线形态，结合地质情况和坝体特征，推断隐患的性质、产状、和埋深等情况。地震瑞利面波法对坝体的渗漏区进行勘探具备了很好的地球物理条件，软弱层与上下岩土层存在明显波阻抗差异，表现为软弱层或富水层面波速度较低。

通过综合物探方法，解释推断了D1－D4号测线断面图（图2），B1-B1’测线面波速度反演等值线图（图3上），结合钻探成果绘出坝体异常位置的平面边界范围图（图3下），勘察区内并未发现渗漏迹象，未测到明显滑动面的存在。基本查明了4处软弱体或富水区，马道附近下方为大面积分布区域。

表1 坝体土物理力学指标对比表

图2 物探推断地质解译图

图3 面波速度反演等值线图（上）及软弱体平面分布范围图（下）

4 变形成因定性分析及处理建议

坝体产生变形的过程及原因主要总结为以下几点：

（1）历史上坝体迎水坡曾发生多次塌陷，推测为坝基长期的异常渗流引起渗透变形，掏空上游坝基形成空隙所致。

（2）坝基部位的空隙使坝体土在自重下发生多次沉陷，沉陷破坏了土体结构，又由于该部位坝体填筑质量差，原本坝体土的压实度不达标，因此坝体土的密实度下降，在库水正常渗流作用下马道以下的坝土体逐渐软化。

（3）该坝属于均质土坝，则前坝坡变形可视为粘性土边坡变形问题，马道以下坝脚土层软化，正常蓄水时长期处在饱和状态，其稠度状态一般呈软可塑状态，抗剪强度极低，软弱土体在库水位下降后脱水固结缓慢，抗剪强度仍然较低。下部剪应力超过该处土料实有的抗剪强度因而产生塑性蠕变，导致上部坡面出现一条或数条裂缝，由断续分布而逐渐连通。马道以下坝脚软弱土层沉陷变形，牵引上部土体开裂下移，前坡整体受坡脚挡墙（阻滑体）阻挡，未产生整体滑动，使得呈现上部开裂，中部下陷，下部隆起的变形特征。

因此，历史上坝基部位的异常渗透变形是根本原因，坝体土质较差碾压不紧密是次要原因，后期加固培厚所产生的荷载是本次蠕动变形的诱发因素。坝坡的蠕动变形常为滑动变形前兆，严重可发展成滑坡[4]。坝体和坝基中软弱面（带）的存在，为可能滑动面（带）的形成提供了有利条件。处理建议：马道上部削坡，或适当降低坝高；马道以下存在软弱土体，建议该段整体翻坡碾压，全部挖除软弱土回填并分层夯实抗剪强度高的土料；当考虑到翻坡碾压施工难度以及对坝体稳定不利影响而选择部分挖除软弱土体时，还应在马道以下增加防滑体或增加镇压台等坝脚压重。

5 结论

早期中小型水库均质土坝的险情隐患发生既有其历史原因并受制于当时经济和技术条件，也有后期管理上的原因，具体有以下几点表现：

（1）建坝时基本上无勘察工作，无据可依，给后期病险查因的勘察工作增加了许多难度，在不了解坝基岩土层的性质以及断层破碎带或节理密集带的特征情况下，对坝基清基不彻底或者需要做坝基处理的未做，往往产生渗漏及渗透稳定问题，如本例就忽视了对喀斯特地区节理溶隙密集带的防渗处理。

（2）建坝时对坝体土料的性质认识不足，采用了不符合均质土坝用料质量技术标准的土，如本例坝体土料塑性指数范围在17.1～23.5，大部分土对含水率比较敏感，难于压实，干湿变化时变形大。

（3）建坝时施工机械功能低下，土的实际压实度偏低，如本例施工中就是用人工碾压或拖拉机带平磙，即使工程建成运行几十年检测干密度仍然远远达不到技术标准。

（4）坝基渗漏曾长期存在，但由于工程等级较低、管理和经费等原因迟迟未能解决，致使异常渗透变形掏空坝基形成空隙。后期除险加固在未能查明病因的情况下盲目培厚坝体，诱发新的问题。在水库除险加固中各方应重视勘察工作，同时勘察也可以多采用新的方法，如物探方法具有透视性、高效率、低成本的优势，虽然有其局限性和条件性，而且解译时具有多解性的缺陷，但在探测大坝的洞穴、裂缝、渗漏通道等隐患方面[5]，有时能发挥很重要的作用，应结合具体的地质条件合理采用。