病险水库地质勘察存在的若干问题分析

摘要:病险水库的隐蔽性和复杂性,给病险水库地质勘察增加了难度,为了使水库能正常发挥其应有的效益,给水库除险加固工程提供可行的勘察资料,准确无误地消除病险水库的病害险情。本文将在分析水库病害成因的同时,介绍病险水库的地质勘察的方法。

关键词:病险水库;成因分析;地质勘察

1 水库病害成因分析

水库病害主要受运行条件、气候、地理、地质条件以及建设时期的特定环境影响,各水库工程就存在各种各样的病害,使得水库达不到设计蓄水量,甚至许多水库空库运行,有效灌溉面积减少。不仅如此,由于水库存在不安全隐患,对下游人民生命财产安全也带来严重威胁。如何兴利除弊,首先就必须及时准确地分析水库病害成因,为水库除险加固工程的必要性和设计提供可靠依据。在对全区病险水库实地踏勘和室内分析整理,病险水库病害成因主要是以下几种。

1.1 库岸不稳定

一部分病险水库的水下岸坡存在不稳定体,在水库蓄水前期则已产生一定的位移或滑塌,在建水库时未进行处理。水库蓄水后,由于地下水环境的改变而加剧其不稳定性,尤其是近坝不稳定体,对水库的安全影响最大。库岸滑坡主要受岸坡第四系松散堆积物厚度、岩体风化程度、岩体软弱结构面的优势面、岸坡坡度和地下水环境改变的控制和影响。不稳定体滑动面一般是第四系松散堆积物与基岩接触带,或岩体软弱结构面的优势面,或全、强风化岩体中的应力集中接带。山高坡陡,基岩裂隙水位较高,地下水多从谷坡裂隙渗出,并经松散堆积物与基岩接触带排泄于谷底,同时软化和润滑接触口,这些因素导致接触口抗剪强度降低,从而引起坡积层沿基岩面的滑动。

1.2 土石坝沉降

在小(二)型水库中,坝体均为土石坝,但这些土石坝坝基不同程度的保留了第四系松散堆积物,堆积厚度一般是2～4m,软弱层极少见,这些堆积物的天然密度多大于坝体填筑密度,同时在坝体荷载作用下进一步压密,坝基的压缩变形是极有限的。所以土石坝的沉降问题主要来自于土石坝坝体本身因填筑物的不密实而产生的自重固结变形。在修建这些水库时,是解放初期,多为投工投劳和人工操作,机械化程度低,坝体填筑密实度达不到要求,一是碾压不够,钻孔岩心结构松散,标准贯入试验击数偏低,钻孔注水试验渗水量大(许多水库均未进行);二是填筑土含水量太高,采用在坝基水下抛土截流,并让未经合适处理的截流戗体成为土坝的一部分,在水库运行期间,高含水量的原戗体发生沉降变形;三是分段填筑的施工缝处理不当,当时人工挑土上坝,二三个坝段同时填筑,因坝段间施工缝自坝底至坝顶均未作碾压处理或处理不当,使坝体产生沉降变形,过量的变形导致坝体裂缝或坝高不足。

1.3 土石坝裂缝

常见的土石坝裂缝是平行坝轴线方向的纵缝和垂直坝轴线方向的横缝。土石坝背水坡的纵缝多由坝坡偏陡、上下游差异沉降、坝体土粘粒含量太高产生干缩和坝体向下游的渗透动水压力作用所引起的。但多数土石坝背水坡较为平整,且布有贴坡或棱体反滤排水,因此土石坝背水坡的纵缝一般不多见。土石坝迎水坡或坝顶的纵缝多由坝坡偏陡、坝体向上游的渗透动水压力作用和坝体土粘粒含量太高产生干缩所引起的。由于水库的不断蓄水和放水,使土石坝迎水坡的坝体土频繁出现饱水和失水过程,尤其是在库水位发生骤降情况下,这种纵缝更容易产生,严重时还会产生坝体滑坡。土石坝的横向裂缝除了坝体土粘粒含量太高产生干缩外,另外的原因就是坝体在分段填筑时施工缝处理不当,坝体产生差异滑动与沉降所造成的。象小底西水库病险原因就是这样产生的,现也进行了除险加固。

1.4 土石坝渗透稳定

土石坝的渗漏源于防渗体的空隙过大或穿坝涵洞及其他构筑物差异变形产生的渗漏缝隙。当渗透流速大于砂、土的涌动流速(砂、土被水流带走的临界渗流速度) 时,土石坝则产生渗透破坏,还有因生物作用而产生渗透破坏的。水库在2008年产生大坝渗漏,坝体全面透水,出现险情。

1.5 坝基抗滑稳定

除了上述情况外,有些水库大坝是坝底宽度较小的刚性坝,由于接触面抗剪强度不足、基岩优势面抗剪强度不足、坝基扬压力太大等原因使大坝发生险情。

1.6 坝基渗透稳定

已建大坝的坝基出现的渗透稳定问题,分析其原因主要是由于松散岩土孔隙、断层软弱破碎带、软弱破碎夹层和岩溶洞穴存在所引起的。库水通过这些薄弱带侵蚀坝基,促使坝基发生渗透破坏,这种情况多发生在贯通土石坝基的砂砾石层中。

1.7 绕坝渗透稳定

水库成为病险库的情况中,绕坝渗透破坏也是一个常见的问题,其主要表现在两个方面:一是近坝肩断层破碎带管涌影响坝肩稳定;二是绕坝渗漏引起坝肩下游深风化岩坡或土坡的滑坡,进而影响坝肩稳定。

2 病险水库地质勘察

水库除险加固工程的实施能否起到兴利除害的目的,使水库能充分发挥其作用,前期地质勘察工作有着至关重要的作用。由于病险水库为已建工程,所以其地质勘察与新建工程的工程地质勘察有比较明显的区别。首先是坝基地质情况呈隐蔽性,资料记录不完全,水库蓄水后地质情况发生改变;其次是对一些构筑物的质量和位置需要进行勘探和测试,所以称之为病险水库地质勘察,而不单纯是病险水库的工程地质勘察;三是地质勘察工作集中在安全鉴定勘察和除险加固初步设计勘察阶段,安全鉴定勘察时,无可参照的规程或规范,需根据现场勘察情况及经验得出结论和建议。就病险水库安全鉴定勘察的精度问题,现行可以参照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)和《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55-2005)所规定的“初步设计阶段工程地质勘察”和“技施设计阶段工程地质勘察之专门性工程地质问题勘察”精度实行。结合病险水库的前期建设资料和后期成为病险库时勘察的地形地质条件,工程地质勘察一般采用施工、运行调查与地质勘探、地质测试相结合的方法,才能使地勘工作有的放矢,同时查明其他存在的病害隐患,确保地质勘察成果的全面性和可靠性。病险水库地质勘察的原则是以病险工段作为重点勘察,必要时做专门勘察,一般工段做常规勘察。

2.1施工和运行调查

由于我区水库建设时期,受当时财力、技术水平、施工设备、施工经验等条件限制,给工程留下安全隐患。如建筑物结构不合理,清基不彻底,工段结合部存在缺陷,建筑材料不合格,明渠导流设施处理不当等原因;且在工程运行期间,由于受自然灾害、动植物、风化营力、环境水腐蚀、超荷运行、渗流及人为破坏等情况又给水库带来很大影响,造成水库出现安全隐患。有些病险段虽经过紧急处理,但因处理未完全,病险隐患也依然存在。这些情况都要通过施工和运行调查,为地质勘察和病险工段成因分析及水库病险程度评价提供基本资料(调查资料要形成文件,要由水库管理单位或其上级水行政主管部门出具调查资料文本),作为病险水库地质勘察和水库病险地质评价的依据。

2.2库区地质勘察

病险水库地质勘察的主要内容是库岸稳定、水库渗漏和水库淤积问题。其中水库渗漏和水库淤积问题的地质勘察,视病险的实际情况进行。而库岸稳定的地质勘察,不管病险是否存在,均要进行,尤其是要对近坝库岸的潜在危险进行研究。勘察方法一般采用地质测绘和槽坑探的地表研究以及必要的工程钻探或硐探的深层研究。

2.3坝区地质勘察

坝区地质勘察分坝体勘察和坝区工程地质勘察

2.3.1 坝体勘察。勘察的主要内容是了解坝体的填(浇) 筑质量,裂缝位置、宽度、性状,渗漏通道、范围、性质,浸润面分布状况,滑坡体范围、滑移面宽度、性状,施工缺陷,结构体材料的性质及其他病险特征和相关问题。勘察方法一般采用钻探、坑探、井探和物探等地质勘探手段,标准贯入试验、动力触探试验、结构体的岩土试验和压(注、渗)水试验、连通试验、示踪试验、波速测试、堤坝病险探测、孔内电视等观测手段对坝体病害进行综合勘察。对于不同水库的病险工段的勘察,宜针对病险情况,选择合适的勘察手段和测试方法,勘探点的间距视需要而定;对于一般工段的常规勘察,宜结合坝基工程地质勘察范围布置勘探点,勘探点的间距参照《水利水电工程地质勘察规范》( GB 50487-2008)和《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55-2005)所规定的“初步设计阶段工程地质勘察”的要求布置。

2.3.2 坝基工程地质勘察。工程地质勘察内容是在分析前期相关工程地质勘察成果的基础上,通过地质踏勘,了解工程区地形条件,调查施工和运行期间的坝基险情及隐患,查明坝基清基情况和坝基工程地质条件,分析坝基工程地质问题,评价坝基工程地质问题对坝基稳定的影响程度。勘察方法一般采用地质测绘、钻探、槽探、坑探、井探和物探等地质勘探手段,以及标准贯入试验、动力触探试验、岩土试验、压(注) 水试验、坝基承压水头(扬压力) 观测、连通试验、示踪试验、声波测井、孔内电视等观测手段对坝基进行工程地质勘察。重点勘察坝基前期及调查了解的险情及隐患。对其他坝基的勘察手段和测试方法以及勘察范围和勘探点间距可参照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008) 和《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55-2005)所规定的初步设计阶段工程地质勘察的要求。

2.4涵洞工程地质勘察

2.4.1 规模较小的水库为穿坝输水涵地质勘察。混凝土坝中的穿坝输水涵病害勘察内容主要是了解涵管裂缝。通过管内检查、工程钻探、压(注)水试验和声波测井、孔内电视等,查明裂缝宽度与分布状况;土坝中的穿坝输水涵病害勘察内容主要是了解涵管裂缝、位移以及管周坝体土的性状与浸润线高程。一般通过管内检查、工程钻探手段,以及标准贯入试验、土工试验和注水试验等测试方法,查明涵管位移和裂缝状况,评价管周坝体土的渗透稳定性和抗冲稳定性。

2.4.2 规模较大的水库即是对输水隧洞工程地质勘察。勘察内容主要是了解洞衬砌体或围岩的裂缝、断裂或其他变形及渗透破坏情况,通过洞内外观检查、工程钻探、岩土试验、压(注) 水试验和声波测井、孔内电视等,重点勘查隧洞病险洞段,评价洞室围岩的稳定性。

2.5溢洪道工程地质勘察

工程地质勘察内容是在分析前期相关工程地质勘察成果的基础上,通过施工和运行调查,了解病险工段,查明闸室或堰基清基情况,查明闸室或堰基及其他工段的工程地质条件,分析溢洪道地基工程地质问题,评价溢洪道地基工程地质问题对溢洪道稳定的影响程度。勘察方法一般采用地质测绘、钻探、槽探等地质勘探手段,标准贯入试验、动力触探试验、岩土试验、压(注) 水试验、闸室或堰基承压水头(扬压力) 观测、声波测井、孔内电视等观测手段对溢洪道地基进行工程地质勘察,重点勘察溢洪道地基的病险工段。

2.6其他建筑物地基工程地质勘察

工程地质勘察内容和方法视病险工段情况而定,如无险情,一般可不进行工程地质勘察。对需改建或重建的建筑物地基则按相关规程规范要求进行相应设计阶段的工程地质勘察。

3结语

因为水库所处的气候、地理、地质条件以及已建工程的建设时期条件影响等特征,各地形成的水库病害各式各样。所以对这些病险水库进行细致周到的工程地质勘察,得出工程结构的特点和险情,结合搜集到的原有地质资料,选择适合的地质勘察手段和方法,才能提出合理的建议和评价,正确分析水库病害成因,为确定水库病害程度和病险水库除险加固设计提供依据,有效针对这些不同的病害成因,采取行之有效的治理方案,彻底消除隐患,恢复水库的功能。

参考文献

[1]《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008).中国计划出版社

[2]《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55-2005).中国水利水电出版社