土石坝病害诊断成果分析

刘 晟，李国瑞，刘康和

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

新中国成立后，水利事业迅速发展，水库大坝建设取得了辉煌成就，在防洪除涝、农业灌溉、拦潮蓄淡、水力发电、城乡供水、旅游、环境生态以及促进经济社会发展等方面发挥了巨大的作用，取得了显著的社会效益和经济效益，不仅是我国防洪保安工程体系的骨干力量，还是我国水利基础设施的重要组成部分。由于历史的原因以及建设施工时技术经济条件的限制，大多数工程标准低、质量差，同时在建成后管理、制度不完善，工程运行维修养护经费无正常渠道投入，工程更新改造、除险加固经费投入不足等，致使病险水库大坝存在，病险工程的安全状况已成为发挥工程效益的一大障碍。据统计，我国水库大坝具有“六多”的特点：①总量多，我国现有9.8 万座水库，是世界上水库大坝最多的国家；②小水库多，我国现有水库95%是小型水库；③病险水库多，目前仍有超过1 万座病险水库待除险加固；④土石坝多，我国92%的水库大坝是土石坝；⑤老旧坝多，我国80%的水库大坝建于上世纪50—70年代；⑥高坝多，200 m 以上的高坝，全世界已建成77 座，中国有20 座，占26%，排第一位。全世界目前在建的200 m 以上的高坝有22 座，中国15 座，占68%。由此说明小水库、病险水库、土石坝、老旧坝占比高，重叠出现比率大，加之极端天气等环境因素的影响，给水库大坝安全带来严峻风险和挑战。

统计数据表明，随着时间的流逝及多年的运行，土石坝在长期复杂的自然环境条件影响和各种内外力的作用下，其状态随时都在变化，有可能产生不同类型的病害。概括起来，存在的主要病害有[1，2]：①裂缝，含大坝、铺盖及其他建筑物裂缝；②渗漏及管涌，含坝基、坝体、绕坝及其他建筑物渗漏；③滑坡塌坑，含坝体、岸坡滑坡及塌坑；④护坡冲刷、洪水冲蚀、气蚀等破坏；⑤输水、放水及泄水建筑物老化破坏；⑥白蚁破坏、人为扒坝及天然地震等。其中，有人为因素（如设计标准低、施工质量欠佳、运行管理不当等因素）和运行中出现的渗流破坏、滑坡、裂缝、地震灾害与液化以及其他形式（包括波浪对护坡的破坏、掘穴动物破坏等方面）的病害等，如不能及早地发现并进行除险加固，其病害必将更深发展，从而影响大坝的安全运行，危及坝体安全，不仅不能充分发挥效益，还将对下游人民生命财产产生威胁，因此对土石坝病害的适时诊断具有重要意义[3]。

1 工程概况

某水库工程主要承担当地开发区工业、城镇农村人饮、农业灌溉及生态建设等供水任务。水库总库容490 万m³，其中调节库容457 万m³、淤积库容8万m³。水库正常蓄水位1 398.25 m，库底高程1 378 m，坝顶高程1 400 m，坝高22～24 m，坝长2.24 km。水库采用全断面复合土工膜防渗。坝体为碾压式分区材料坝，前坝区采用取土场土料填筑，后坝区为库区内砾石料作为稳定体建筑。

水库采用坝后泵站取水方式，泵站位于水库右岸，后接管道并直导入输水干渠，管道长525 m，采用管径1.2 m的PCP管。

2 病害现状

水库蓄水运行期间发现大坝桩号1+400—1+600段（险工段）出现裂缝，其中上游坝坡马道以上有2条比较明显的裂缝，裂缝走向与坝轴线夹角20°～45°，缝长约89 m，缝宽0.5～3.5 cm；下游坝坡有4 条裂缝且从坝顶延伸至坝坡脚，裂缝与坝轴线夹角45°～50°，缝长大于90 m，缝宽一般为1～5 cm，最大缝宽为14 cm（位于下游坡马道以上至坝顶区间内）。

坝体发生裂缝后加密了沉降和位移观测点及频次，较正常情况下均有较大变化，具体情况记述如下。

（1）沉降量。坝体裂缝发现后，除在原有观测点正常观测，另在桩号1+400—1+600段增加观测点，每20 m增加1个观测断面，每个断面从前坝坡马道到后坝坡坡脚观测7个点，至探测前最大沉降量为140 mm；其次是桩号1+800约85 mm；其他段落25～50 mm。

（2）位移量。坝体裂缝发现后，在桩号1+400—1+600 段加密位移观测点，每20 m 增加1 个观测断面，每个断面从前坝坡马道到后坝坡坡脚观测7 个点，至探测前位移最大位置在桩号1+460 外坡脚向上第二根水平隔梁位置，最大位移为308 mm。

现场观察该段病害具有以下特征：①从裂缝分布看，裂缝呈环状分布；②桩号1+500处后坝坡呈上凹下凸状；③下游马道沉降量达到34.2 mm。由此判断，该大坝裂缝具有滑坡裂缝的特点。

3 病害诊断思路

根据大坝裂缝的发展状况，建设管理单位组织勘察设计、监理、施工、试验检测等参建单位会诊分析，初步认为：①水库可能存在渗漏（当时水库水面平均降深接近9.5 mm/d），渗漏水使坝基壤土饱和、有明水，在上部坝体重力作用下，该层产生沉降变形和滑动变形，造成上部坝体拉裂形成裂缝；②险工段坝体可能存在填筑不均匀、压实度偏低、碾压质量欠佳等，加之降雨积水、库水位升高等环境条件的变化，致使坝体形成裂缝。

为查明险工段坝体裂缝形成的主要原因，需对库内入渗点（区）的位置、坝体或坝基中的渗漏通道以及坝体填筑土体的质量等进行检测诊断，进而为库坝的除险加固设计与施工提供可靠的科学依据。

基于以上认识和任务要求，综合考虑该库坝险工段所呈现的病害现状、现场环境条件等因素，并结合实际工程经验，选择以无损法为主、微破损法为辅的综合方法对病害进行诊断。然后，结合设计、地质、施工、测量、试验、监测等资料进行综合分析判断提出诊断技术成果[4-6]。具体施测方法及工作程序如下。

（1）在库内水域范围内进行伪随机流场法扫描探测，查明坝后探坑中积水（渗漏出水点）与库水的关系，并探查库内入渗点（区）的位置及其分布范围。

（2）在大坝险工段裂缝区进行高密度电法探测，探查坝体内、坝体与基础接触部位存在的渗漏通道，包括空间分布位置及其范围。

（3）在大坝桩号1+400—1+600险工段布置勘探钻孔和试验工作，对坝体、坝基进行分层并观测地下水位，通过试验获取坝体填筑料（砾石土）的含水率、湿密度、干密度和压实度等以及坝基壤土的含水率、湿密度、干密度、孔隙比、压缩系数、渗透系数等，由此分析判断坝体、坝基地质情况。

（4）具体工作程序为：①伪随机流场法探测→②高密度电法探测→③钻孔勘探→④试验→⑤综合分析→⑥提交成果报告。

4 成果分析

4.1 伪随机流场法探测

现场施测在库内水域进行，按任务要求和渗漏范围大小，首先设计测线和测点的分布，然后根据查漏进展情况及精细程度不同适时调整网度。本次扫描采用5 m×5 m 的测网布置测线（点），异常部位加密测网至3 m×3 m。

由实测数据进行归一化电位梯度计算，并绘制观测水域内电位梯度等值线，如图1所示。由图1可知，该库内水域观测电位梯度背景值约为0.033 mV/m。依据工程经验，当测试值为背景值的2.5～3.0 倍时可判定为有效异常；大于3.0 倍时可判定为可靠异常。据此，本次电位梯度观测值为0.08～0.10 mV/m时为有效异常；大于0.1 mV/m 时为可靠异常。结合现场调查成果，综合分析图1可清晰发现库内存在3处渗漏区，即图中编号分别为Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#的区域。其中，Ⅰ#渗漏区位于水库东北角险工段部位（对应桩号1+100—1+648），该区内含2 处严重渗漏区（编号为Ⅰ#-1、Ⅰ#-2），分别位于水库东北角（Ⅰ#-1 区对应桩号1+270—1+648）和泵站出水涵洞附近（Ⅰ#-2 区对应桩号1+165—1+200）；Ⅱ#渗漏区位于水库中西部库底凸出段边缘部位；Ⅲ#渗漏区位于桩号1+648—1+700坝段。同时，各渗漏区边界均以大地坐标形式提供给建管单位，以便进行防渗设计和病险处理。

图1 伪随机流场法探测成果

4.2 高密度电法探测

在险工段坝体、后坡及坝后地面共布设8 条高密度电法测线，如图2 所示。其中，W1、W2、W3 测线近平行，走向正西，且由近坝顶（W1）逐渐向坝后地面（W3）分布；W4、W5测线平行，走向NW339°，位于坝后东侧小山包处；WB1、WB2 测线平行，走向NW318°，位于险工段东侧；WB3 测线接W2 测线西端并向西延伸，走向正西。

图2 坝体险工段高密度电法测线布置

现场施测采用α 排列，且单一排列均为60 根电极，基本电极距5 m，电极隔离系数19，供电电压270 V。基于实测高密度电法基础数据，应用高密度电法处理软件（RES2DINV）进行编辑、圆滑、调整等处理，再利用最小二乘法进行反演处理，最终获得高密度电法反演电阻率断面图。典型高密度电法反演断面，如图3所示。

图3 典型高密度电法反演断面

由图3 可知，高密度电法W1、W2、W3 测线反演电阻率值分布及等值线变化梯度在垂向上均可分为3 个物性层，电阻率剖面均具有“上下高中间低”的变化特征。其中，上层电阻率一般为30～400 Ω·m，层厚在W1测线处约20 m、W2测线处约16 m、W3测线处约5 m，该层在W1、W2 测线多为坝体填筑土体，而在W3 测线为相对干燥的原地层表层壤土或角砾层；中间层电阻率一般为5～30 Ω·m，层厚相对较小，一般为5～8 m，电阻率低，推测该层饱和或富含水，局部已发育形成渗漏通道（见图中标注）；下层电阻率一般为40～500 Ω·m，该电性结构层多表现为相对高阻，主要为坝基强～弱风化砂岩的反映。

为更形象地表征高密度电法探测成果，将8 条高密度电法反演断面图在空间上按照坐标和高程数据及其相对位置集成为三维（3D）展示图，如图4 所示，图4 中对下游坝坡集中渗漏通道及其空间范围进行圈定。由此可知，该险工段所呈现的渗漏通道主要在坝体与坝基接触部位集中发育，基本包括部分坝段坝体下部填筑层、壤土层、角砾层及基岩顶部区域，但主要存在于坝基壤土层内，其分布主要位于桩号1+570—1+660段。

图4 高密度电法探测成果3D展示

4.3 勘探与试验

表1 坝身填筑土体压实度试验成果

（3）二叠系上统石千峰组（P2sh）。岩性为砂岩，紫红色，中粒结构，块状构造，为强风化～弱风化，偶见全风化。岩芯整体呈块状，普遍发育陡倾角～近直立裂隙。

（4）水文地质条件。前期勘察设计资料显示，该工程区范围内地下水埋深较大，均超出工程勘探深度范围。此次险工段坝体勘探过程中，钻孔内均揭露有水，普遍埋深23.7～28.2 m，高程1 371.3～1 375.9 m，与库盆蓄水渗漏后的整体水位观测资料基本一致。

4.4 综合诊断成果

（1）由于库盆基础局部不均匀沉降变形以及防渗土工膜的施工质量欠佳等因素影响，库盆防渗体系遭受破坏，导致库内水域存在3处渗漏区域，其中2 处较严重入渗区位于险工段附近。库水下渗后集中沿原冲沟浅部壤土层穿越险工段流向下游，该渗漏通道分布在坝体与坝基接触部位（含坝体下部填筑层、坝基壤土层和角砾层等），但主要渗漏通道位于坝基壤土层内，这与钻孔水位观测资料吻合。

（2）险工段坝体填筑料以砾石土为主，局部存在粉土及砂砾石，砾石含量较低，组成复杂，密实度不均一，压实度较低，多未达到工程设计技术要求的压实度。注水试验表明，填筑料属中等透水性，在降雨量较大时引起自身沉降以及不均匀沉降变形等。

（3）险工段坝基主要为第四系更新统壤土层，一般多呈可塑状，具有中等压缩性，而局部呈软塑～流塑，具高等压缩性，土体松软，加之库区渗漏造成坝基壤土饱和、软化，从而引起基础不均匀沉降及渗透变形或滑动变形，由此导致险工段坝体表面出现不同程度的裂缝。

综上所述，因库内水域存在多个渗漏点（区），并形成集中渗漏通道，导致坝基浅层壤土饱和软化，强度降低，且其分布厚度也有较大差异，在上部坝身土体荷载的作用下导致不均匀沉降变形或滑移变形；另一方面坝体填筑介质不均一，密实度不高，遭遇强降雨时强度降低，自身沉降变形。坝基、坝体两者原因造成不均匀沉降变形或滑移变形，导致险工段坝体产生多处裂缝。

5 结论

（1）该诊断成果提交建设管理单位后，立即组织设计单位进行加固处理方案优化。对库内入渗点（区）开挖，发现防渗土工膜损坏严重，且下部基础发生较大的不均匀沉降变形，及时进行了加固和修补处理并对险工段坝体裂缝进行灌浆补强。经加固修复和灌浆补强后该水库进行蓄水，至目前已安全运行超过4 a，其功能均满足设计要求，取得了良好的社会效益和经济效益。

（2）土石坝病害类型复杂、种类繁多，加之坝体不属于常规地质体，其填筑材料和介质多不均匀，所以给病害检查带来了诸多困难，也对诊断方法、仪器设备及数据资料分析解译等提出了特殊要求。所以，要综合运用物探、钻探、试验等多种诊断手段，并尽量采用快速、经济、非破损检测技术，以查明病害的基本特征和具体情况以及形成原因等，为制定费省效宏、切实可行的修复加固设计方案提供科学依据。

（3）策划病险诊断项目时要针对不同工程的客观实际和具体情况，对诊断检测技术方案的优化考虑如下因素：①工程区岩土介质及检测对象的物性参数及其差异；②诊断检测任务要求的探测深度和精度；③工程区环境条件与干扰因素等。只有在综合了解、深入分析和理解诊断检测任务的基础上，对某种诊断检测方法解决具体病害或工程问题的适宜性和效果进行评判，才能发挥诊断检测技术的最大效用。事实表明，采用综合诊断检测技术和综合分析解释，使各方法成果相互佐证、取长补短是提高诊断检测资料解释精度和可靠性的必由之路。