水庫大壩安全鑒定工程勘察的難點分析

吳昌旺

摘要：本文結(jié)合了某水庫大壩發(fā)生輕微滲漏，需要安全鑒定，前期進行的工程勘察，著重介紹了在夾雜塊石厚填土壩基進行工程勘察的難點，經(jīng)過勘察論證和分析，查明了大壩的滲漏強度及壩體和壩體后填土的顆粒組成，為工程堵漏及安全鑒定提供了重要的支撐，確保了水庫大壩的穩(wěn)定與運行。

關(guān)鍵詞：水庫大壩；滲漏；工程勘察；安全鑒定

1.前言

水庫大壩常用的壩體類型有混凝土大壩、土石大壩[1]，壩體形式的選擇應(yīng)根據(jù)具體工程、壩體材料運輸?shù)谋憬菪约皡^(qū)域地質(zhì)條件進行，否則大壩壩體會出現(xiàn)不同的問題，為大壩的運行埋下安全隱患。本文著重從已發(fā)生滲漏的水庫大壩、壩體后堆填有厚填土的素填土，作為工程勘察的難點分析，為同類工程提供類似經(jīng)驗。

2.工程實例

某水庫位于廣州市，是以防洪為主，結(jié)合灌溉、除澇、水土保持等綜合利用的?。?）型水庫，集雨面積為10.01km2，水庫水面面積約66.67hm2（1000畝），總庫容為806×104m，水庫大壩為均質(zhì)土壩，水庫原有建筑物有主壩、副壩、溢洪道等，主壩高21m，壩軸線長120m、副壩高17m，壩軸線長60m；溢洪道為開敞式寬頂堰，溢洪凈寬20m；后期增加了水庫背水側(cè)填土。據(jù)了解，因水庫附近某省道修建產(chǎn)生大量土石方，部分土體回填至壩體背水側(cè)，壩體背水側(cè)填土寬約60m～80m。本項目主壩壩頂距某省道約140m，與其有水泥路相連。

因水庫壩體長時間沒進行加固，且背后填土出現(xiàn)滲漏點，故需對壩體進行前期工程勘察的安全鑒定工作。

3.庫區(qū)區(qū)域地質(zhì)概況

（1）地形地貌及地層巖性

庫區(qū)為低山地形，均由混合巖組成，地表為混合巖風化土，厚度較厚，山體多呈渾圓狀。因受雨水作用，沖溝較發(fā)育，沖溝寬度一般為10m～50m，水流量不大。山體植被發(fā)育。山谷地貌主要為山麓緩坡地帶之沖洪積堆積帶。

山麓緩坡發(fā)育沖積層（Qal）和殘積層（Qel）。殘積物主要為砂質(zhì)黏性土?；鶐r為混合巖（Z）及后期侵入的石英脈等。

（2）地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)相關(guān)區(qū)域地質(zhì)圖，工程區(qū)內(nèi)沒有大的構(gòu)造單元通過，但工程區(qū)周邊存在斷裂構(gòu)造，主要為東西向斷層F1及北西向斷層F2。

東西向斷層F1發(fā)育于加里東構(gòu)造層中，斷層面多往南傾，傾角緩（15°～30°），早期為逆斷層（具韌性），晚期為正斷層（具脆性），傾角較陡（50°～60°），構(gòu)造巖類型復(fù)雜，早起為糜棱巖和硅化巖，晚期則多形成構(gòu)造角礫巖和硅化碎裂巖，斷層兩側(cè)往往具有早期的糜棱巖和硅化現(xiàn)象，斷層距離主壩約2.0km，對主壩穩(wěn)定性影響不大；

北西向斷層F2發(fā)育在燕山構(gòu)造層中，斷層走向300°～340°，傾向西南，傾角一般較陡（60°～75°部分40°～50°），構(gòu)造巖以硅化巖為主，其次為破碎硅化巖和硅化角礫巖，斷層多為壓扭性和張扭性，是調(diào)查區(qū)內(nèi)形成較晚的斷層，且往往是含水性斷層，斷層距離主壩約2.1km，對主壩穩(wěn)定性影響不大。

（3）水文地質(zhì)條件

水庫地處亞熱帶季風氣候區(qū)，雨量豐沛，流域內(nèi)的降水以鋒面雨和臺風雨為主，其次是對流雨和地形雨，降水有較強的季節(jié)性，并有覆蓋面積廣、強度大的特點。本流域多年平均降水量為1698mm，降水量年內(nèi)分布不均，汛期（4月～9月）降水量約占年降水總量的80%，其中4月～6月為主汛期，7月～9月有臺風雨，10月至翌年3月為枯水期，枯季降水量占20%。庫區(qū)流域多年平均最大24h降水量為135mm，多年平均最大72h降水量為186mm；實測最大24h降水量218mm，實測最大72h降水量346mm。

庫區(qū)地下水類型可劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類，其中基巖裂隙水為塊狀巖類裂隙水。松散巖類孔隙水廣泛賦存于區(qū)內(nèi)第四系土層中，主要含水地層為筑填土及砂質(zhì)黏性土；塊狀巖類裂隙水的含水地層為混合巖層。該水庫由地下水和溪水等匯聚而成，庫區(qū)內(nèi)地下水豐富，地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積層孔隙潛水?？紫端饕癫赜跍瞎燃皟砂兜谒南灯路e、沖洪積層中，受大氣降水或基巖裂隙水補給，水量不大。庫區(qū)基巖裂隙水主要賦存于巖石全、強風化帶及基巖破碎帶裂隙中，其透水性除受巖石風化程度的影響外，亦受斷層構(gòu)造和裂隙發(fā)育程度的影響，主要受大氣降水補給，并排泄于溝谷中。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及相關(guān)資料顯示，區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)隨季節(jié)性變化，主要受降水支配，松散巖類孔隙水在每次暴雨后水位迅速上升，于每年5月～9月處于高水位期，9月以后隨降水減少而緩慢下降，常在1月份出現(xiàn)水位低谷。基巖裂隙水由于滲入補給時間較長，往往具滯后現(xiàn)象。

4.安全鑒定工程勘察的難點分析

（1）大壩壩體所在場地工程地質(zhì)環(huán)境的不斷變化

大壩壩體經(jīng)過長期的運行和定期的加固注漿處理，壩體素填土的特性發(fā)生了一定的變化，壩體存在的問題也日益顯露。該大壩壩體的安全鑒定工程勘察不同于一般的工民建勘察，主要表現(xiàn)于其土體特性是不斷變化的，不但存在壩體土料的流失的問題，更體現(xiàn)于加固注漿后其土體特性的變化，故大壩安全鑒定工程勘察的針對性更強，精度要求更高[2]。為防止土壩微小土粒的流失，本水庫壩體每隔5年會定期進行加固注漿處理，壩體經(jīng)過加固處理后，其巖土特性不斷變化，想要徹底摸清大壩的地質(zhì)環(huán)境就顯得尤為困難。

（2）沒法直接判別滲漏點的通道及溢流情況

通過野外調(diào)查，庫岸分水嶺地勢雄厚，岸坡坡度較平緩，大部分20°～35°之間，局部大于50°，表面植被發(fā)育，多為高大樹木及灌木；庫周圍基巖為均質(zhì)致密且堅硬的混合巖，除沖溝底部及局部陡坡基巖裸露外，其余均為坡積層及風化土所覆蓋；在大壩背水側(cè)填土層上截排水溝處有水土流失及小面積崩塌，主壩附近庫岸見有少量小面積滑塌痕跡外，未見大的滑坡、坍塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生，庫底基巖穩(wěn)固，庫岸基本穩(wěn)定。庫區(qū)為極不規(guī)則形狀，庫區(qū)兩岸為低山地形，坡積層及風化土層厚度一般大于5m；庫區(qū)內(nèi)巖性單一，兩岸山體分水嶺一般高大雄厚；庫區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)通向庫外的大斷裂，不存在水庫永久性滲漏的可能性，但距離水庫主壩165m處省道外側(cè)有一泉水溢出，流量約為2.633L/s，雨季溢出量稍大，因該泉點已被壩后填土及道路覆蓋，沒法直接判別該泉點的通道及溢流情況，間接增加了工程勘察的難度。

（3）壩體及壩后填土成分復(fù)雜，需要進行粒徑分析

通過工程勘察及土工試驗結(jié)果分析，壩體及壩后填土局部含碎塊石，鉆進過程中出現(xiàn)不同程度的漏水情況，土質(zhì)成分也出現(xiàn)較大的變化，需要對填土進行粒徑分析。

壩體填土主要由混合巖殘積土及風化巖回填而成，回填時間10年以上，壩體頂部含較多混合巖碎巖塊，直徑2cm～20cm，漏水較嚴重，壩體底部局部含較多混合巖碎石，直徑多為10cm～20cm，輕微漏水。壩體石英質(zhì)顆粒2mm～20mm的含量約0～3.2%，土質(zhì)較純，根據(jù)鉆孔揭露，壩頂填土層最厚24.50m，從大壩兩端到壩中間填土深度逐步加深，壩體填土主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土等組成，粉粒（粒徑d>0.005mm）含量變化較大，多在24.4%～49.8%之間，平均在34.8%左右，土料均一性稍差，主要來源于附近山坡的混合巖風化土；黏粒（粒徑d<0.005mm）含量變化較大，在15.4%～28.7%之間，平均在20.8%左右，土料均一性稍差，其中粒徑在0.075mm

壩后填土主要由混合巖殘積土及風化巖回填而成，回填時間10年以上，填土局部含較多塊石，直徑多為10cm～25cm，漏水較嚴重，個別鉆孔沒有測得有效地下水位；根據(jù)鉆孔揭露，壩后填土層最厚21.50m，壩后填土主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土等組成，局部夾雜較多碎石、塊石等，粉粒（粒徑d>0.005mm）含量變化較大，多在22.8%～76.7%之間，平均在39.1%左右，土料均一性稍差，主要來源于附近山坡的混合巖風化土、碎石塊等；黏粒（粒徑d<0.005mm）含量變化較大，在7.9%～20.5%之間，平均在13.6%左右，土料均一性稍差，其中粒徑在0.005mm

（4）壩體注水試驗與室內(nèi)填土樣滲透系數(shù)試驗結(jié)果相差較大

室內(nèi)試驗壩體筑填土的垂直滲透系數(shù)為1.77cm/s×10- 5cm/s～1.96cm/s×10- 5cm/s，水平滲透系數(shù)為1.84cm/s×10-5cm/s～2.16cm/s×10-5cm/s，現(xiàn)場注水試驗壩間填土的滲透系數(shù)為6.838cm/s×10-5cm/s～9.898cm/s×10-4cm/s，詳見表1、表2。

通過對比分析，現(xiàn)場注水試驗滲透系數(shù)大于取樣室內(nèi)試驗成果，主要是因為壩體填土不均勻，密實度變化較大，室內(nèi)試驗測定的滲透系數(shù)只能代表取樣位置處的填土，而現(xiàn)場注水試驗是代表注水段整段的填土層的透水性，更具代表性。

4.壩體工程地質(zhì)評價

大壩為均質(zhì)土壩，主壩高21m，壩軸線長120m、副壩壩高17m，壩軸線長60m。根據(jù)鉆孔地質(zhì)資料，壩體主要由混合巖風化土填筑而成，土質(zhì)較均勻，含少量礫質(zhì)，填土顏色多為褐黃色、肉紅色。

壩體填土土料來源主要來源于附近山體的混合巖風化土和坡積土，土質(zhì)為砂質(zhì)黏性土和含砂低液限黏性土，含礫質(zhì)和強風化碎塊石。根據(jù)土工試驗，填筑土的干密度ρd=1.64g/cm3～1.74g/cm3，平均值為1.69g/cm3，填筑土的密實度相差較大，天然含水量w=20.8%～26.5%，平均值為23.65%，最優(yōu)含水率為16.2%～17.1%，平均值為16.65%；根據(jù)標貫試驗成果（壩身填土標貫擊數(shù)為11～17擊，標準值為13.2擊；壩后填土標貫擊數(shù)為8～14擊，標準值為9.8擊），壩體筑填土屬稍密狀，局部中密狀，壩后筑填土屬松散—稍密狀，密實度一般—較差。壩體筑填土擊實試驗結(jié)果最大干密度為1.64g/cm3，最優(yōu)含水率為17.1%，計算得出壓實度為91.62%，壩后筑填土擊實試驗結(jié)果校正后最大干密度為1.78g/cm3，最優(yōu)含水率為15.3%，計算得出壓實度為86.10%。填土壓實度偏低，未達到《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》DL/T9395-2007的要求。

根據(jù)壩體筑填土各組土樣顆分試驗的平均值的粒徑分布曲線，見圖2，壩體填土的平均細粒含量Pc=59.5%，易發(fā)生的滲透破壞類型為流土型，由臨界水力比降Jcr=（Gs-1）×（1-n）公式計算得出臨界水力比降Jcr=0.937，安全系數(shù)取2.0，允許水力比降J允許=0.469。

壩體混合巖風化土筑填土的滲透系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場注水試驗結(jié)果K（最大值）=9.898m/s×10-4m/s，室內(nèi)試驗垂直滲透系數(shù)K20（最大值）=1.96cm/s×10-5cm/s，水平滲透系數(shù)K20（最大值）=2.16cm/s×10-5cm/s，表明壩體填土層多為弱透水性土，局部存在中等透水性土可能。

大壩壩前坡面以水泥漿抹面保護，水面上坡面以混凝土空心塊護面，前坡坡度約20°～22°，壩后坡面以草皮保護，后坡坡度約25°～30°，在壩后坡底部筑石護坡，對防止雨水沖刷及保證坡體穩(wěn)定有較好的作用，未發(fā)現(xiàn)大壩壩頂或壩坡裂縫。

5.結(jié)論

本工程壩體石英質(zhì)顆粒粒徑一般2mm～20mm左右，含量約0～3.2%，土質(zhì)較純，從壩肩到壩體中部填土深度逐步加深，壩體填土主要由粉、黏粒組成，黏粒（粒徑d﹤0.005mm）含量變化較大，在15.4%～28.7%之間，平均在20.8%左右；對壩體滲漏現(xiàn)象，建議對滲漏點開展專項研討工作，可結(jié)合勘察、物探等綜合方法對其漏水情況進一步觀測和研究。本工程通過對壩體土料填筑質(zhì)量、滲漏穩(wěn)定性、壩體滲透系數(shù)及工程地質(zhì)條件等進行初步分析評價，為同類工程堵漏及安全鑒定提供了重要的支撐借鑒作用。

參考文獻：

[1]周咸秀.淺談土石壩壩體填筑施工方法[J].江西建材， 2015.

[2]曹春.淺談水庫大壩工程加固的地質(zhì)勘察及其施工要點[J].防護工程， 2018.