病险水库工程地质勘察和试验研究(上传)

病险水库工程地质勘察和试验研究

陈 汉 宝

（湖北省水利水电勘测设计院 武汉 430070）

【摘要】论文探讨病险水库工程地质勘察特点和目前存在的问题，提出了地质勘察目的和任务、勘探布置原则，论述了土坝稳定分析、渗流分析对抗剪强度试验和注水试验的要求。

【关键词】病险水库 勘探布置原则 抗剪强度试验 注水试验

0 前言

截至2002年底，我国已建成各类水库85288座。这些水库绝大部分兴建于上世纪50～70年代，受当时社会、经济、技术条件等因素的制约，先天不足，后天失修，存在着各种病险问题。据调查(1)，全国有病险水库约3万座，占水库总数的36%，其中大中型水库的病险率接近30%，小型水库的病险率更高。长期以来，这些病险水库不但难以发挥防洪减灾效益，工程本身已成为安全度汛的薄弱环节和心腹之患，严重时造成水库垮坝并导致人员伤亡。随着我国经济的不断发展,水利工程在我国国民经济战略中的地位日益提高，其安全状况日益受到关注。98’大水后，水利部为贯彻落实党中央、国务院关于加快病险水库除险加固工作的一系列指示精神，编制了《全国病险水库除险加固专项规划》，集中力量开展了以病险水库除险加固为重点的防洪保安工程建设。

工程地质勘察是病险水库除险加固工作的基础, 目前国家尚无专门针对病险水库勘察

的规程规范。笔者总结近年来工程实践中的经验教训，根据现有规程规范和除险加固设计对地质勘察的要求，探讨病险水库工程地质勘察和试验中的若干技术问题。

1 病险水库工程地质勘察存在的问题

由于种种原因，参加病险水库地质勘察的单位水平不一，经验不足；受市场竞争的影响，前期勘察经费过少，有的勘察不能满足规范规定和加固设计的要求，存在的主要问题是：

（1）对地质调查和测绘重视不够，对现场的险情及地质条件未作详细调查；

（2）勘探布置不合理，针对性不够，未抓住主要险情，未将勘探布置在关键部位，或勘探孔深度不够，勘察方法单一，未查明坝基岩土层结构、分布及性质；

（3）对设计意图不了解，野外勘探取样、试验内容或方法不符合要求，或试验项目不全，试验条件不清，取样试验的代表性差，尤其是缺少岩土渗透和渗透变形参数；

（4）对岩土物理力学的参数取值原则和要求不清，不能合理选取建议值；

（5）土石坝对坝体勘察重视不够，未查清坝体结构和物理力学性质；对坝体取样试验代表性差，或数量不够精度差。

（6）小型水库由于资金少，周期紧，勘察工作量偏少；

（7）对病险水库的工程地质评价内容和方法研究不够。

2 病险水库勘察特点

病险水库的勘察具有下列特点:

（1）病险水库多建于上世纪60－70年代，由于历史原因，缺少基础地质资料，或者根本没有地质勘察资料，而坝基已被坝身所覆盖，要查清基础问题主要靠钻探、坑槽探等，此外可根据具体工程特点、险情隐患和现场条件开展综合测试。

（2）我国现在还没有病险水利工程勘测的规范，一般是沿用新建水库工程或堤防工程勘察的有关规范。而已建的病险水库勘察有其特殊性，且由于时间紧，经费不足，不可能象新建水库工程全面布置勘察。病险水库的勘测的重点和方法应根据水库大坝存在的病害情况和设计要求而定。

（3）病险水库已运行多年，险情已暴露，出险部位、险情种类都有记录，可通过险情调查，抓住主要问题，有的放矢地开展工作；一般水库管理单位对历史险情已开展初步整险加固或临时加固，因此对当时加固过程和效果应进行分析。

（4）病险水库中有大部分是土石坝，系用天然建筑材料堆筑而成，应视坝体为人工地质体，与基础作为统一的勘测对象，查明坝体本身的物质组成、结构、填筑材料的物力特性，坝体内水的活动规律以及坝体与基础边坡的结合特点等。对于坝体这种特殊的人工地质体不能根据钻孔直接连成剖面，而应该根据设计或竣工图判断绘制剖面。

(5)部分工程有观测资料，如渗流观测、变形观测等，应重视使用安全监测所得到的资料，同时要加强加固处理前期、施工期和运行期的监测。这些宝贵资料应充分利用，与勘查资料相互印证。

（6）有的中型水库是经过多次加高扩建形成的，不同时期施工质量不同，留下隐患，如土坝施工接头、建筑物结合部等。应了解水库的建设和管理历史，针对薄弱部位和存在的问题开展勘察工作。

（7）勘察评价的对象除永久性挡水建筑物（坝体）以外，还包括与大坝安全有关的泄水、输水和过船建筑物及金属结构等建筑物及地基。

3 病险水库工程地质勘察的目的和任务

病险水库工程地质勘察的目的是查明大坝及建筑物的地质条件和物理力学参数，尤其是与险工、险段和险情部位有关的地质条件，以便分析出险原因，为大坝安全评价（安全鉴定阶段）和除险加固设计（加固设计阶段）提供地质依据。

安全鉴定阶段的地质勘察主要是为水库大坝安全鉴定提供必需的地质资料,具体任务和要求是：

（1）区域地质和地震

中小型病险水库的勘察主要是收集最新的区域地质资料，简述区域地壳稳定性，确定场区地震动参数及地震基本裂度。在构造复杂和地震基本烈度为七度及以上地区，还要研究区域主要构造单元、活动性断裂、新构造运动、历史地震等。

（2）库区工程地质

病险水库以收集资料为主，对水库渗漏和近坝库岸的稳定性等进行评价。但如果存在影响工程安全的地质问题则要专门做库区地质勘察工作。

（3）坝址工程地质和水文地质

初步查明坝区水文地质和工程地质条件，包括坝区的地形地貌、地层岩性、地质构造、不良工程地质现象等。重点查明坝基岩土体水文地质和工程地质特性。水文地质条件主要是坝基含水层和相对隔水层的分布及其埋藏条件，各含水层的类型及其与水库的补排关系等，以评价坝基渗漏的途径和范围。坝基工程地质条件主要是查明坝基、坝肩清基情况；岩体风化分带及特征，裂隙、断层分布及透水性。

（4）坝体状况勘察

对于土石坝，要查明坝体填筑土物质组成及工程特性；对于心墙坝，重点查明心墙料和代料物质组成、物理力学性质(参数)、填筑质量、密实度及透水性；有的大坝经过多次加高，要查明大坝加固前后两期坝体质量，尤其是结合面质量；大坝施工中的接头（横向缝）填土质量；坝体与基础接触带情况及透水性。对于均质土坝应查明坝体的防渗性能；另外还要查明坝后反滤排水棱体的排水性能。

对于混凝土坝一般是由具备资质的检测部门对混凝土质量进行检测。

（5）调查大坝存在的险情性质、特征、分布位置、发展历史及处理效果；

（6）分析水库大坝存在的主要工程地质问题，如边坡稳定、混凝土坝抗滑稳定、渗流稳定等问题，并对其进行评价。

（7）查明溢洪道基础及边墙填土物质成分及力学性质。注意岩体抗冲性和边坡稳定性。

（8）查明输水涵管、隧洞基础岩性及力学性质。评价输水涵管地基稳定、渗漏、隧洞

围岩稳定和进出口边坡稳定问题。

（9）地质附图、附表主要包括：

工程地质平面图（1∶1000～1∶2000）；

主要建筑物工程地质纵横剖面图（1∶500～1∶1000）；

坝轴线（防渗轴线）渗透剖面图（1∶500～1∶1000）；

典型钻孔柱状图；

岩土物理力学参数统计表等。

4 地质勘探布置原则

勘察工作的布置是病险水库工程地质勘察工作的首要环节，它直接关系到勘察技术成果的优劣。一般应遵循下列原则：

(1) 对于已建病险水库工程，勘探方法主要是钻探，辅以坑槽探或物探。在安全鉴定阶段，勘探工作以查清病险水库大坝基本地质条件和险情原因为目的。因此勘探布置在充分收集已有的勘探资料和历年险情的基础上，应结合险情和工程特点，布置在建筑物轴线上。对于均质土坝，一般布置在坝轴线形成纵剖面；对于心墙坝，纵剖面布置在心墙中间（坝顶）；在大坝的上下游坡（或平台上）布置钻孔形成横剖面。注意有的心墙土坝是经过几次加高培厚形成的，心墙已不在坝顶中间。

(2) 纵横剖面上的钻孔间距不能平均布置，可参考《水利水电工程地质勘察规范》的相关规定，安全鉴定和可行性阶段主要勘探剖面线上钻孔间距一般不大于100m，以查清坝基的基本地质条件和险情为原则。初步设计混凝土坝钻孔间距20－50m，土石坝50－100m。

剖面上的钻孔不少于3个，在坝顶、上游、下游坝坡至少有一孔控制。钻孔深度应穿过坝身进入坝基隔水层一定深度。

(3) 横剖面应布置在下列部位：

a. 主要险情部位如：坝后散浸溢出点、渗水、漏水点、裂缝、塌陷、跌窝、滑坡等处布置横剖面；

b. 在老河床及原河流深槽处、大坝施工合拢处、施工接头处、现有反滤坝处等；

c. 在可能出现险情的建筑物如输水管（涵、洞）、发电管（洞）、溢洪道等轴线附近应布置横剖面。

d. 有的大坝由主坝和数个副坝组成，也要布置相应剖面。低矮的副坝仅布置纵剖面即可。

(4) 要结合加固方案布置勘探，例如防渗方案，沿防渗墙轴线应布置勘探剖面。

(5) 土石坝下游的反滤堆石棱体（反滤坝）、压浸台、心墙坝的代料坝等，因水库工程已建成多年，条件和渗流性态已发生变化，应布置勘探查明其物质组成、物

理力学性质、渗透性等。如果钻探较困难，可采用坑槽探开挖、取样和现场注水试验查明。

(6) 钻孔深度应根据险情隐患、坝型规模、地质条件和加固设计要求确定：

a. 一般孔深应穿过坝体进入坝基一定深度，当隔水层或软土层埋藏较浅时，应深入相对隔水层内3～5m。

b. 土坝坝基当遇砂、卵石等强透水层时，宜穿过透水层进入相对隔水层内3～5m。

c. 帷幕线上的钻孔深度应进入相对隔水层不少于10m 。

d. 需作基础处理的坝段，孔深应能满足基础处理设计要求。

e. 专门水文地质试验孔的孔深，应根据含水层层位确定。

(7) 在勘察中应随时分析资料，发现新问题及时修改勘察计划。

（8）钻孔取样组数要求：在安全鉴定阶段和可行性研究阶段，每一主要岩土层室内试验累计组数不少于6组；初步设计阶段每一主要岩土层室内试验累计组数不少于10组。

5 土坝稳定分析对抗剪强度试验的要求

5．1 抗剪强度指标测定的三种代表性试验

土的力学性质指标中对建筑物稳定与安全关系最大的是抗剪强度指标：内摩擦角（φ）

和凝聚力（C）。 对同一种土料，其c、φ并不是一个常量，它与土的性质、土的固结度、应力历史、荷载条件等诸多因素有关。通常采用三种代表性试验模拟土体在不同荷载作用下的抗剪强度：不固结不排水抗剪试验（试样不固结，在剪切过程中保持含水量不变）；固结不排水（试样固结，在剪切过程中保持含水量不变）；排水剪（试样固结，在排水条件下，缓慢剪切）。测定方法有直剪试验、三轴压缩试验和十字板剪切试验。在室内主要是前两种试验。

5．2 三轴试验和直剪试验

三轴试验和直剪试验各自有优缺点：三轴仪的优点是受力状态明确，排水条件容易控制，剪切面不指定，并能准确测定土的孔隙压力和体积变化。对比之下，直剪试验只是用剪切速率的“快”和“慢”来模拟试验中的“不排水”和“排水”，直剪试验不能严格控制排水，剪切面是指定的，而剪切面积随剪切位移的增加而减少，剪应力和剪应变分布都不均匀。因此对比较重要的工程应尽可能做三轴试验。但是直剪仪也有它的优点，如结构简单，操作方便，试件厚度薄，固结快，试验历时短，仪器盒的刚度大，试件没有侧向膨胀，此外直剪试验积累了大量的实践经验，在有经验的地区，在一定条件下可以使用。按照土石坝设计规范规定(2)，应优先采用三轴仪测定土的抗剪强度。3级以下的中坝，可用直剪试验。

直剪试验按固结及剪切速率分为快剪（Q）、固结快剪（R）和慢剪 （S） ；三轴试验按固结排水条件分不排水剪（快剪）、固结不排水剪（固结快剪）和排水剪（慢剪）。

稳定分析方法有有效应力法和总应力法。按照有效应力原理，只有有效应力才能引起土的抗剪强度的变化。用有效应力法及相应强度指标进行计算，概念明确，是一种比较合理的稳定性分析方法。当土中的孔隙水压力能通过试验、计算或其它方法确定时，应采用

有效应力法。有效应力强度指标可用三轴排水剪或三轴固结不排水剪（测孔隙水压力）确定。

5．3 土石坝稳定分析工况

一般土石坝的稳定分析需要考虑以下具有代表性的三种工况：

（1）施工期（包括竣工时）的上、下游坝坡

施工期与竣工时，稳定分析按不排水剪或快剪测定的指标c、φ 进行 总应力 分析。在该工况，粘性土坝坡和防渗体在填筑过程中产生的孔隙水压力一般还来不及消散，故需要考虑孔隙水压力对坝坡的影响。但实际上施工期孔隙水压力会部分消散，故按总应力分析偏于保守。

（2）稳定渗流期的上、下游坝坡

稳定分析采用有效应力强度指标进行有效应力分析具有良好的精度。在该工况，需要考虑上游为正常蓄水位或设计洪水位，下游为相应水位时下游坝坡的稳定，地震情况只与正常蓄水位工况组合。

（3）水库水位降落期的上游坝坡

在该工况，需要考虑水库水位自稳定运行蓄水位快速降落至死水位、防汛水位或其它低水位过程中上游坝坡的稳定，是上游坝坡的控制情况，适宜采用有效应力分析。

5．4 土坝稳定分析对抗剪强度试验的要求

土石坝的结构安全评价要求对土坝进行稳定分析，抗剪强度指标的选取是其关键。水库安全鉴定阶段对坝体现状要进行稳定分析，主要工况是稳定渗流期的上、下游坝坡和库水位降落期的上游坝坡。抗剪强度指标的选取对试验的要求是：

1）三轴试验：采用固结排水剪（CD）提供有效应力抗剪强度（c′ ，φ′）和固结不排水剪（CU）提供总应力抗剪强度（Ccu ,φcu）。考虑到做排水剪很费时间，通常用固结不排水剪求Ccu、φcu并同时量测孔压u的方法来代替固结排水剪（CD）。

2）直剪试验：采用慢剪（S）提供有效应力抗剪强度（c ′，φ′）和固结快剪（S）提供总应力抗剪强度（Ccu ,φcu）。

3）坝体填筑土样，位于浸润线以下的要预先饱和，而浸润线以上的不需要饱和。

4）按照土石坝设计规范规定(2)，应优先采用三轴仪测定土的抗剪强度。3级以下的中坝，也就是说库容小于1.00亿m3的中、小型水库可用直剪试验。

6 水文地质试验

6．1 水文地质试验的一般要求

在病险水库勘察中，为评价岩土体的透水性，应查明其渗透系数。土石坝通常采用坝体注水试验、试坑注水试验，对基岩采用压水试验，对原河床砂砾石层采用抽水试验或注水试验等。此外，可根据险情和大坝安全评价的需要进行渗透变形(管涌)试验试验等。渗透变形试验可取土样在室内进行试验。必要时宜进行现场渗透变形试验，以提供土体的抗渗强度指标。

6．2 钻孔注水试验

注水试验分试坑注水和钻孔注水试验，是一种人为抬高水头来测定渗透性的原位测试方法。其中应用最多的是钻孔注水试验。根据试验方法和计算公式不同又分为常水头注水试验和变水头注水试验。目前水利部门没有专门的注水试验规范（正在编制），一般采用有色金属工业协会的行业标准，具体要求可参见《注水试验规程》（YS5214—2000）。

（1）常水头注水试验

钻孔上部非试验段下套管止水，预留试验段不下套管。用带水表的注水管连续向套管内注入清水，使管中水位至管口保持固定，测出高出地下水位的固定水头Hc，并记录时间和读数，开始正式记录注入水流量。先按1分钟间隔测5次，再按5分钟间隔测6次，以后每间隔30分钟测一次，直到最后2小时平均流量之差不大于10％时，视为流量稳定，即可终止试验。试验时必须保持固定水头Hc不变，其波动幅度不得大于1.0 cm。

采用下式计算渗透系数：

2L)Dk2 LHc qln(k—渗透系数，cm/s ;

q—单位时间的注入水流量，cm3/s ;

L—试段长度，cm ;

D—套管直径，cm ;

Hc—固定的静水头，cm 。

（2）变水头注水试验

变水头注水试验是采用滞后时间和渗透方式，按达西定律确定试验岩土层的渗透系数。滞后时间T是指孔中注满水后，出现初始水头Ho ，并以初始流量qo进行渗透，水头H随时间推移逐渐消散，当水头H消散为0时所需要的时间。试验装置同常水头注水试验，上部用套管止水，先向套管内注入清水，使管中水位与套管口齐平，记录注水时间和水头高度，然后试验开始。记录水位的下降值，先按每30秒间隔测10次，再按每1分钟测10次，然后按5～10分钟间隔进行，总观测时间不少于1小时。对较强的透水层，观测时间间隔和总观测时间可以缩短。试验过程中，随时在半对数坐标纸上绘制水头比（H/Ho）与时间T的关系图。当观测点有10个以上皆在直线上时，可采用将直线外延与H/Ho=0.37横线相交的办法来确定滞后时间T 。

采用下式计算渗透系数：

2L)D8LT

D2ln(kk—渗透系数，cm/s ;

L—试段长度，cm ;

D—套管直径，cm ;

T—滞后时间，s 。

（3）常水头与变水头注水试验适用条件和对比分析

常水头注水试验适用于地下水位以下渗透性较强的岩土层；变水头注水试验适用于地下水位以上或以下的粉土、砂土或渗透性不大的碎石土等岩土层。有人对这两种试验进行对比研究(3)，认为这两种方法计算出的渗透系数结果相近，但常水头试验稳定延续时间需要2－8小时，而变水头试验仅需1小时左右，有利于缩短工期和节约成本，故工程实践中多采用变水头注水试验。但变水头试验适用范围是渗透性不大的土层，渗透性较强的岩土层需采用常水头注水试验才行。此外，这两种方法都要求下套管止水（除第一段采用常水头外），有的勘测单位在做注水试验时没有下套管止水，往往造成结果偏大，甚至根本不准确。

一般要求在土石坝坝体钻孔中从上到下每5m一段连续做注水试验，在坝体和基岩接触带也采用注水试验。另外，可以在钻孔中取原状样做室内渗透试验，与野外试验进行对比，合理采用建议值。

6．3 渗透系数取值原则

地基渗透系数取值要考虑评价的对象和用途，其取值要具有代表性。水利工程作地基渗透性评价，可根据土体结构、渗流状态，采用室内试验或抽（注）水试验的大值平均值作为标准值；用于水位降落和排水计算的渗透系数（例如坝后排水棱体），应采用试验值的小值平均值作为标准值；用于供水工程计算的渗透系数，应采用抽水试验的平均值作为标准值。

病险水库勘察中分别对坝体作现场钻孔注水试验和室内土样渗透试验，往往是注水试验值大于室内试验值，原因是现场对土体注水，而土体具有结构，存在夹层、裂缝，具有不均匀和各向异性；土样是对土块注水。现场注水试验更符合实际，应以现场注水试验为主。注水试验成果是评价坝体和坝基岩土体渗透性、确定防渗加固方案的重要依据，因而要严格检查野外注水试验的精度和可信度，试验中要做好套管止水，减少误差。