張志遠

(中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司， 廣東 中山 528400)

我國水庫數(shù)量由新中國成立初期348座增加到9.88萬座，其中小型水庫75%以上建于20世紀50～70年代，壩型以土石壩為主。限于當時經(jīng)濟水平和技術(shù)條件，水庫大壩建設(shè)存在建設(shè)標準低、設(shè)計方案不盡合理、工程質(zhì)量差等問題[1]。

許多水庫因工程設(shè)施長期運行自然老化, 缺乏必要的維護, 造成存在病險問題。加固過程中, 地質(zhì)勘察工作體現(xiàn)出其重要性和必要性。工程勘察和病險分析作為水庫加固工程的前期工作，在整個工程中起著十分重要的作用。良好的工程勘察和病險分析工作往往能大幅提高整體加固工程的效率和降低整體工程的花費[2-3]。

小型土石壩的主要病害類型有滲流破壞(滲漏)、滑坡、裂縫、不均勻沉陷、壩下涵管破壞、地震災(zāi)害、液化與洪水漫頂以及其他病害(如波浪破壞,白蟻掘穴)[4-9]。

本文以新莊水庫為例，結(jié)合工程相關(guān)歷史資料，采用工程地質(zhì)測繪、鉆探、原位測試、注水試驗等綜合勘探方法，根據(jù)工程勘察結(jié)果從庫區(qū)工程、主壩工程、副壩工程、其他主要建(構(gòu))筑物等多方面對水庫加固工程進行病險分析，發(fā)現(xiàn)主壩迎水面存在貫穿裂縫、背水坡見2處疑似螻蛄洞、輸水涵管有輕微漏水現(xiàn)象等一些問題，進行了室內(nèi)水質(zhì)分析實驗和現(xiàn)場注水實驗對主壩與副壩穩(wěn)定性做出合理評價。為新莊水庫后續(xù)加固工程提供指導(dǎo)建議。

1 工程概況

新莊水庫位于廣州市花都區(qū)花東鎮(zhèn)的銅鼓坑上游，水庫集雨面積6.32 km2，總庫容608萬m3，是一座以防洪、灌溉為主的小型(1)水庫。

水庫建成于1958年2月，1979年和1996年分別對水庫進行過擴建加固，2014年完成達標加固整治。新莊水庫屬于Ⅳ等水利工程，其主要建筑物級別為4級，次要建筑物為5級，大壩按50年一遇洪水標準設(shè)計，500年一遇洪水標準校核。

新莊水庫主要建筑物有大壩2座，溢洪道1座，輸水涵管1座。具體情況如下：

(1)主壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂高程約54.87 m，最大壩高17.2 m，壩頂寬5.0 m，壩頂長263.0 m，防浪墻頂高程約55.67 m。迎水坡為混凝土面板護坡，坡比為1∶2.70；背水坡為草皮護坡，坡比為1∶2.50，在高程47.98 m處設(shè)4.50 m寬平臺。壩腳設(shè)有排水棱體。

(2)副壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂高程56.55 m，最大壩高8.0 m，壩頂寬3.0 m，壩頂長150.0 m。迎水坡為混凝土面板護坡，坡比為1∶2.75；背水坡為草皮護坡，坡比為1∶2.50。壩腳設(shè)貼坡式反濾層，層頂高程48.58 m。

(3)泄水建筑物為開敞式寬頂堰溢洪道，位于主壩和副壩之間的天然山坳上，總長475.0 m，堰頂高程50.89 m，共寬12.0 m，側(cè)墻為漿砌石結(jié)構(gòu)，底板現(xiàn)澆混凝土，堰前長90 m、寬23 m，在70 m處開始收窄，匯入12 m 寬的陡槽段，陡槽段長270 m。消力池為等寬式，過水斷面為矩形，長17 m，寬12 m。

(4)輸水建筑物位于主壩壩中偏右，為鋼筋混凝土壓力圓管，內(nèi)徑0.6 m，最大輸水流量4.94 m3/s。灌區(qū)有東、西兩干渠，全長6.6 km。

2 工程勘查

本次為初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察，為了確保水庫大壩的安全運行，主要目的是為壩體穩(wěn)定計算與滲透分析、安全加固設(shè)計與施工提供真實、可靠的地質(zhì)資料。

2.1 工程勘察技術(shù)要求

出于對工作精度的考量，同時也為了避免資源的浪費，在勘察工作開始前，設(shè)立了以下技術(shù)要求：

(1)工程地質(zhì)測繪。測繪范圍為整個庫區(qū)，著重對壩址區(qū)域及周邊影響水庫運行的不良地質(zhì)現(xiàn)象及成因類型、地形地貌等進行充分的地質(zhì)踏勘、調(diào)繪。

(2)布孔要求。該水庫布孔按照設(shè)計要求進行布置，該水庫于主壩布置5個鉆孔，副壩布置3個鉆孔，合計8個鉆孔。

(3)孔深要求?？咨顟?yīng)到達壩基以下≥5 m，若深度范圍內(nèi)遇基巖，應(yīng)鉆入基巖≤5 m。

(4)試驗要求。對原狀土樣做常規(guī)試驗項目；對砂層、卵石層應(yīng)進行顆粒分析；對黏性土進行土常規(guī)試驗；對水樣做簡分析試驗；標準貫入試驗在所有勘探孔中進行。

2.2 工程勘察方法

本次勘察工作采用了工程地質(zhì)測繪、鉆探、原位測試、注水試驗等綜合勘探方法。具體如下：

(1) 測量?？碧近c實地位置是根據(jù)總平面圖及勘探點平面布置圖，采用GPS-RTK結(jié)合實際地物進行測設(shè)孔位及測定孔口標高。

(2) 鉆探。野外作業(yè)計劃動用鉆機1臺，完成鉆孔8個并采用泥漿護壁干鉆投球取芯法工藝，滿足各巖土層的描述要求，確保分層的準確性。

(3) 原位測試。包括動探和標貫，標貫試驗主要在中細砂層、粉質(zhì)黏土層中進行，標貫試驗均采用自動落錘裝置，在測試中嚴格遵循操作規(guī)程，確保測試數(shù)據(jù)的準確性。

(4)注水試驗。試驗前進行地下水位觀測，觀測時間間隔不少于5 min；試段長度不大于5 m，同一試段不宜跨越透水性相差懸殊的兩種巖土層。

(5) 取土試樣。采用薄壁取土器、厚壁取土器，等取出各種土樣；擾動土樣直接取自巖芯管和標貫器；巖樣直接取自巖芯管。

(6) 取水。水樣取自鉆孔內(nèi)，在鉆孔水位靜置24 h后于鉆孔內(nèi)直接采取地下水樣。水樣采取后立即封好瓶口，貼好標簽，及時送回化驗室。

(7) 水位觀測。鉆探施工時先采用無水干鉆鉆進，鉆至見到地下水位后，觀測初見水位；在鉆孔施工結(jié)束后，靜置24 h后量測鉆孔內(nèi)混合靜止水位，各水位量測記錄于相應(yīng)的鉆探班報表。

2.3 工程勘察具體任務(wù)

本次勘察工作的主要任務(wù)為：

(1)查明工程區(qū)域的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，提供有關(guān)巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

(2)調(diào)查壩體滲漏、開裂、沉陷、滑坡以及其他不良地質(zhì)現(xiàn)象和隱患的分布位置、范圍、特征及處理情況與效果。

(3)調(diào)查壩基、岸坡水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，重點是調(diào)查壩基、壩肩滲漏情況，并對原防滲效果及滲透穩(wěn)定性進行初步評價。

(4)調(diào)查溢洪道水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，評價其穩(wěn)定狀況。

(5)調(diào)查水庫水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，初步評價其滲漏、淤積及穩(wěn)定狀況

3 工程病險分析及評價

3.1 庫區(qū)工程

庫區(qū)位于丘陵地貌區(qū)，主要成因為構(gòu)造剝蝕，庫區(qū)整體呈靴形，南北最大長約2.0 km，最大寬約0.6 km，庫區(qū)周邊均為剝蝕山體，山勢低矮，植被發(fā)育。

根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，從以下3個方面對庫區(qū)工程進行病險分析及評價：

(1)庫區(qū)滲漏問題。庫區(qū)內(nèi)基巖大部分為燕山期花崗巖，未發(fā)現(xiàn)通往庫外的大斷裂，不存在向庫外的滲水通道。

(2)庫岸穩(wěn)定性問題。庫區(qū)范圍內(nèi)為剝蝕殘丘地貌，山勢低矮，岸坡一般較平緩，表面植被較發(fā)育，覆蓋層為殘坡積土層，局部見基巖出露。庫區(qū)內(nèi)未見大的滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，庫底基巖穩(wěn)固，總體上庫岸基本穩(wěn)定。

(3)庫區(qū)淤積問題。經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，該水庫庫區(qū)周圍為丘陵地貌，地形較平緩，岸坡植被覆蓋良好，上游及庫區(qū)徑流來源很少，水庫淤積情況不明顯。

3.2 主壩工程

主壩位于庫區(qū)南部，壩址區(qū)屬山間埡口沖洪積地貌區(qū)，兩側(cè)壩肩山體低矮，地形均呈緩坡狀向上抬升，植被發(fā)育，壩頂?shù)孛娓叱碳s54.85 m(珠江高程基準)。

3.2.1 主壩工程病險分析

該主壩壩體位移觀測設(shè)施和滲流監(jiān)測設(shè)施齊全，但個別滲流觀測管存在堵塞現(xiàn)象；主壩迎水面混凝土面板存在大量貫穿裂縫，分縫處填縫泡沫板老化破損嚴重，混凝土面板存在老化，且有不均勻沉降現(xiàn)象，個別沉降差最大達5 cm；背水坡為草皮護坡，長勢較好，現(xiàn)場檢查整體覆蓋完好；下游反濾排水棱體設(shè)置完好，無破損、沉降現(xiàn)象；坡腳排水溝結(jié)構(gòu)完好，無積水現(xiàn)象。

3.2.2 主壩工程評價

本次主壩工程評價主要通過室內(nèi)水質(zhì)分析實驗和現(xiàn)場注水實驗兩個實驗得出區(qū)域水體的腐蝕性和壩填土的滲透性，再綜合結(jié)果對主壩工程穩(wěn)定性進行評價。

主壩壩址區(qū)水體的腐蝕性：主壩壩址區(qū)地下水對混凝土無腐蝕性，在干濕交替情況下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，環(huán)境水腐蝕性數(shù)據(jù)及結(jié)果詳見表1。

壩填土的滲透性：本次壩填土做注水試驗共計16次，滲透系數(shù)最小值1.04×10-5cm/s，最大值5.87×10-4cm/s，平均值1.57×10-4cm/s，大值平均值3.82×10-4cm/s由試驗成果可知，壩填土滲透性離散性較大，密實度不均。具體實驗結(jié)果見表2。

表1 主壩區(qū)環(huán)境水腐蝕性評價

表2 主壩壩填土鉆孔注水試驗成果統(tǒng)計

根據(jù)本次勘察前期設(shè)計提供資料，主壩中心線靠上游1.30 m存在300 mm厚塑性混凝土防滲墻。但根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)繪，主壩下游排水溝無積水，且壩體浸潤線在壩頂處向下游出現(xiàn)陡降，說明該壩體防滲墻效果較好。

3.3 副壩工程

副壩位于庫區(qū)西部，壩址區(qū)屬山間埡口沖洪積地貌區(qū)，兩側(cè)壩肩山勢低矮，地形呈緩坡狀向上抬升，植被發(fā)育，壩頂?shù)孛娓叱碳s56.53 m(珠江高程基準)。

3.3.1 副壩工程病險分析

副壩壩體迎水面混凝土面板存在大量裂縫，混凝土面板存在老化，且有不均勻沉降現(xiàn)象，別沉降差最大達3 cm，面板排水孔孔口設(shè)置朝上，不利于排水；背水坡為草皮護坡，長勢較好，現(xiàn)場檢查整體覆蓋完好，但右壩肩處排水溝附近土質(zhì)裸露，易受雨水沖刷，應(yīng)注意修復(fù)；下游貼坡排水體上部見2處疑似螻蛄洞，應(yīng)注意消殺；下游貼坡式反濾排水體設(shè)置完好，無破損、沉降現(xiàn)象；反濾層上部排水溝排水不暢，有積水現(xiàn)象；坡腳排水溝結(jié)構(gòu)完好，無積水。

3.3.2 副壩工程評價

本次副壩工程評價主要通過室內(nèi)水質(zhì)分析實驗和現(xiàn)場注水實驗兩個實驗得出區(qū)域水體的腐蝕性和壩填土的滲透性，再綜合結(jié)果對副壩工程穩(wěn)定性進行評價。

副壩壩址區(qū)地下水對混凝土無腐蝕性，在干濕交替情況下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。具體情況見表3。

表3 副壩區(qū)環(huán)境水腐蝕性評價表

本次副壩壩填土做注水試驗共計4次，滲透系數(shù)最小值7.43×10-5cm/s，最大值7.35×10-4cm/s，平均值4.67×10-4cm/s，大值平均值7.15×10-4cm/s。由試驗成果可知，壩填土普遍呈中等透水性，副壩壩體沒有滲漏風(fēng)險。具體數(shù)據(jù)見表具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 副壩壩填土鉆孔注水試驗成果統(tǒng)計

4 結(jié) 論

本工程對保障水庫下游防洪安全、灌溉具有積極的作用，同時對類似水庫加固工程也有一定的指導(dǎo)意義。通過工程勘察和病險分析得到下列結(jié)論：庫區(qū)未發(fā)現(xiàn)通往庫外的大斷裂，不存在向庫外的滲水通道；場地內(nèi)水庫水對混凝土無腐蝕性；主壩迎水面混凝土面板存在大量貫穿裂縫，需要一定程度的監(jiān)控；背水坡局部土質(zhì)裸露，建議修復(fù)，背水坡見2處疑似螻蛄洞，應(yīng)注意消殺；溢洪道底板混凝土存在裂縫，建議修復(fù)；輸水涵管出口管下部有輕微漏水現(xiàn)象，應(yīng)采取防滲措施；管理房地基條件良好，整體現(xiàn)狀完好。

本次勘察為初步設(shè)計階段勘察，由于勘察階段的時間限制，導(dǎo)致勘測得到的實際工況有限，需要充分重視已有的資料分析才能較為全面地提供各種地質(zhì)參數(shù)。