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小型病险水库除险加固工程地质勘察的若干问题

来源: 作者: 时间:2018-10-26 快速评论

每一个工程都有自已的特点,但其病险问题却往往具有普遍性和规律性,有的放矢地开展工程地质勘察,正确地作出病险性质的判断和评价,就可以收到事半功倍的效果。

【摘要】小型病除水库除险加固的工程地质勘察,从查明工程地质条件调整为查明病险问题,是勘察思路的根本性转换;放弃全面防渗的习惯性工程处理措施,坚持“允许渗漏但不允许渗透破坏”的基本原则,是当前病险水库除险加固的务实选择。 
 

【关键词】病险水库 除险加固 工程地质勘察 渗透破坏 规程规范 
 

全国需要除险加固的小型病险水库数量巨大,分布范围广泛,所处的地质环境千差万别,很难制定出一个统一的除险加固工程地质勘察的范本,如果真有这样的范本,那一定也是挂一漏万的。尽管如此,我们仍然需要认真总结工程勘察经验,找出一些规律性的带有普遍意义的共性问题,为当前和今后类似工程的地质勘察提供借鉴。总体来说,我们需要理清工程地质勘察思路;就个体工程而言,我们更为着重强调的是针对性。每一个工程都有自已的特点,但其病险问题却往往具有普遍性和规律性,有的放矢地开展工程地质勘察,正确地作出病险性质的判断和评价,就可以收到事半功倍的效果。 

 1 工程地质勘察思路的调整 

 工程地质勘察的任务是查明工程地质条件,界定主要工程地质问题,为工程设计提供必需的地质资料,提出对地质缺陷处理措施的建议。这对新建工程来说是完全正确的,但对于已经建成且运行数十年的小型水库工程来说,就可能存在较大误区。这里最大的误区是将工程区的工程地质条件全部查一遍(前期无地质资料或资料已经丢失了的),或进行全面复核(有前期地质资料的)。如此勘察指导思想,其勘察工作的复杂程度并不比新建工程简单,勘察工作量在某种程度上将是增加的(较新建工程)。例如针对坝基的钻孔要从已建坝体顶部向下钻进,增加了无效钻进段;又如对已建大坝坝体(均质土坝)质量的检测(有的学者称为对人工地质体的勘察),需要首先对坝体分段分区,上、下游坝坡,浸润线以上、以下区域等等均应分开取样试验才有实际意义;但如果是新建工程,则只需对筑坝材料作击实试验和渗透试验就够了。 
 显然,我们首先需要做的是对工程地质勘察指导思想的清理,在勘察思路上作出调整。从工程地质勘察任务来说,我们将查明工程地质条件调整为查明工程地质问题;在勘察原则上,我们强调不是全面勘察,而是针对病险问题实施重点勘察;在总体思路上,我们需要果断地抛弃那种大型工程新建工程的勘察思路,杀鸡不必用牛刀! 
 如此勘察思路的调整,有可能是违背工程勘察常规的,还有可能与现行规程规范背道而驰,这些统统都不重要!重要的是坚持一切从工程实际出发的技术思想,抛弃本本主义和条条框框的无聊约束,这正是工程地质专业魅力无穷的精髓。勘察为设计服务,满足除险加固工程设计的要求,我们的任务就基本完成了,其他更高层次的要求等我们发了财地位提高了再说。 
 从以查明“条件”到以查明“问题”的转换,是目前小型病险水库除险加固工程地质勘察思路的根本转换,在学术上也许会引起较大争议。有人认为,“条件”都没有搞清楚,“问题”将无从谈起。笔者认为,对于新建工程来说是完全正确的,而对于已建工程来说就大可不必了!例如提拔干部,绝对是要看基本条件的,即必须查明其任职条件;而已经在某一职位上任职多年的官员,显然看的是现实表现而不是历史条件,如果有问题就要坚决一查到底,没有问题的不可能再去全面查明他的基本条件,除非再来一次“文革”搞扩大化的“人人过关”;同理,对于一座已建大坝,如果坝基不存在病险问题,再去查明或复查坝基工程地质条件,这对除险加固没有什么实际意义。如果实在要普查一遍基本条件,就大有感冒病人去医院被CT、B超、心电图、γ射线、胃镜等等“蒙骗”之嫌疑! 
 当然,如果前期经费充足,勘测周期也可以满足,从专业技术的角度来说,把工程区的工程地质条件查得清清楚楚明明白白,那是再好不过的了,这对于工程今后的运行管理也提供了分析基础,就像人们要进行全面体检一样。但这里需要说明的是什么样的工程需要全面勘察,什么样的工程则没有必要!人们进行体检也是因人而异的,机关干部每年都有免费体检,山区农民大多数有可能一辈子都不会体检一次,如果有人出钱免费给农民体检,人家当然也不会反对。
 当前的问题是,小型病险水库数量太大,勘测设计周期太短,前期经费严重不足,全面勘察实际上是做不到的。另一方面,对人体来说,越年轻身体越好不必年年体检;对大坝工程来说,特别是土坝、土质坝基,则是越老质量越好,因为历经了各种自然条件和库水位的考验,坝体和坝基达到了充分固结沉降,坝前淤积对防渗有利;而混凝土类、钢材类建筑物,与人一样,越老身体状况(建筑物质量)就越差! 
 写到这里,笔者的勘察观已经基本上阐述清楚了,下面我们来解答具体技术问题。 

 2 关于勘察阶段、勘察深度和规程规范的理解与把握 

 工程勘察是工程建设的侦察兵,地质师是有先见之明的,这不但体现在建设程序上,更体现在标准的制定上。例如《堤防工程地质勘察规程》(SL/T 188-96)于1997年初发布,对98洪水后大规模的堤防工程除险加固起到了积极的指导作用;又如2005年4月发布的修编后的《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55-2005)[1],及时地将“病险水库除险加固工程勘察”作为一个章节增加进去,这对近年来重点开展的全国中、小型病险水库除险固工程勘察的指导意义是显而易见的。 
 关于规程规范的理解与勘察阶段和勘察深度的把握,水利水电规划设计总院在《全国重点小型病险水库除险加固工程初步设计指导意见》(给水利部病险水库会议提交的技术文件,以下简称《意见》)中的表述:“小型病险水库除险加固工程初步设计工程地质勘察工作原则上应执行《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL55-2005)(以下简称《规范》)中的有关规定。当安全鉴定阶段工程地质勘察资料较为充分、不影响初设阶段工程地质结论的成立、不存在影响工程安全的特殊工程地质问题时,可适当简化初设阶段的地质勘察工作,并可根据前期试验资料结合工程类比原则提出岩土体物理力学建议参数”。 
 以上这段文字的意思还是清楚的,一是原则上应执行《规范》,二是可以适当简化。但解释起来却有些困难,主要难在如何根据工程实际情况去灵活把握勘察阶段、勘察深度和《规范》之间的关系。《规范》将除险加固工程地质勘察分为安全鉴定和初步设计两个阶段,对于地勘工作,这两个阶段存在合二为一的条件,当第一阶段工作还留下尾巴或尚存在技术问题的论证缺实际资料时,第二阶段应予以补充。 
 《意见》中“根据前期试验资料结合工程类比提出地质建议参数”的提法,是鉴于许多小型水库工程缺少试验资料的现实条件,更需要有经验的地质师根据工程实际结合工程类比去把握,特别应注意工程类比的条件,谨慎地提出缺少试验资料条件下的地质建议参数。 
 对于规范的把握,我们提倡技术工作要“源于规范高于规范”[2],当规范的规定与现实工程实际情况不相符合时,应按工程实际情况考虑,这就是一切从实际出发的技术思想。教条式机械地执行规范,除了在法律上可以解脱工程师的技术责任之外,对工程建设有害无益,技术人员在向国家负责向人民负责的道义上是脱不了干系的。 

 3 加强工程地质分析强调工程地质勘察的针对性 

 工程地质分析是工程地质勘察的灵魂,某些工程地质勘察报告所欠缺的正是这个灵魂。还有一些工程数十年来多次进行除险加固至今仍然是病险工程,原因也许是多方面的,但工程地质分析不力,看病不准,误诊甚至误导设计的情况也是存在的。显然,针对病险工程的病因分析,特别是与地质有关的病因要全面深入地分析之后,才可能有的放矢地去开展工程地质勘察工作,去布置并实施必要的地质勘探,实现明确的勘察目标,获得有意义的勘察资料。 
 我们强调针对性,是针对工程存在什么问题就重点勘察什么问题,没有问题的就不必全面勘察。关于“不查明工程地质条件怎么知道不存在问题”的说法,当然也是有道理的,因此我们可以变通地表述为:对已经出现了险情或可能存在隐患的部位(某一段坝基、存在质疑的建筑物地基、影响工程安全的岸坡等)实施重点勘察,这就包括查明这些部位的工程地质条件,界定主要工程地质问题,分析评价问题的性质和对工程安全的影响程度,提出地质建议参数和处理措施的建议,等等;其余未出现险情不存在隐患的部位不必全面勘察。工程险情和隐患的界定依据,一是安全鉴定报告,二是工程运行记实,三是工程地质分析结论。 
 例如某小(1)型水库,建在一岩溶残丘洼地区,均质土坝最大坝高14.5m,坝轴线长达到1.4km,相当于平原水库。坝轴线上6个钻孔有4个钻孔遇溶洞。地质分析认为,水库库盆是漏水的,库水不知道漏到哪里去了;坝基是漏水的(岩溶管道型渗漏),有局部坝段因坝基岩溶塌陷导致坝体塌陷。此类工程你要去把工程区岩溶工程地质条件水文地质条件查清楚是相当困难的,按常规勘察要求,再打50个钻孔也不一定能将坝址区和库区岩溶条件查明白。显然,有限的勘探基本上不能解决什么问题,坝基全线垂直防渗的地质依据并不充分,因为尚未查明岩溶发育的下限就找不到相对隔水区带的位置。笔者认为,该工程最简单实用的方案是,如果具备水库放空条件,放空水库后将库盆中的渗漏天窗用粘土回填夯实,已发现的塌陷坝段做些坝基回填灌浆处理,修复已塌陷坝段。如果不具备放空水库条件,只好仅对已发现塌陷坝段作局部坝基处理并修复已破坏坝体即可,其他坝段加强观测以观后效。运行时应边蓄水边观测边分析,当水位抬高出现异常时应立即停止库水位上升。用通俗语言表述,就是试探性地向上蓄水,能蓄到什么位置就算什么位置。当然,待条件允许时再对库盆和坝基作全面防渗处理,必将万无一失,但有可能处理工程造价比新建一个等量级工程还要高。 
 这里的针对性不但是对地质勘察而言,也包括了工程处理措施的基本思路。

 4 渗漏问题应坚持“允许渗漏但不允许渗透破坏”的原则 

 许多病险水库工程的主要“病险”之一是渗漏,防渗就成为“除险”措施的首选,且多以垂直防渗为主。防渗是从根上除险,没有渗漏就不存在渗透破坏。如此推论好象逻辑性很强,其实大有探讨的必要。 
 渗漏有一个发展过程,到了极端状态将产生渗透破坏,没有发展到这个极端状态之前,只能说存在隐患,但工程仍然是相对安全的!因此,我们说渗漏是产生渗透破坏的必要条件,不是充分条件。我们要做的是将渗漏控制在一个工程安全可以接受的范围之内,只要做到了这一点,工程就是安全的。“允许渗漏但不允许渗透破坏”应该成为除险加固工程处理的基本原则。一见渗漏就防渗的做法,其技术理由并不充分。 
 接受了这样的观点,防渗性除险加固的目标就不是防止渗漏,而是防止渗透破坏。任何一座水库大坝都不可能做到滴水不漏,既然做不到滴水不漏,那么漏到什么程度可以接受,超过什么程度就不能接受?研究清楚了这个问题,确定工程防渗措施的技术方案就有了依据。 
 地质上要回答的问题是,首先将渗漏范围分为坝基渗漏和坝体渗漏两大类,某些工程对此基本分类都作不出判断,以致于防渗措施显得较为盲目。其次是确定渗漏的具体部位,并进行渗漏量的估算和渗漏定性。第三是提出处理措施的地质建议。 

5 坝基渗漏的勘察与评价 

 坝基渗漏又称绕坝渗漏,包括主坝段和两岸斜坡坝段(即坝肩),应分开评价。 
 根据本文的基本技术思想,坝基不存在渗漏问题就不必进行全面勘察,但应根据坝址区基本地质条件和大坝数十年的运行表现作出不存在渗漏问题的定性评价。 
 坝基渗漏问题的勘察,首先应对坝基按问题分段分类,分出有问题坝基段和没有问题坝基段;其次是针对有问题坝基段实施重点勘察,在垂直方向上还应分出覆盖层渗漏、基岩渗漏和接触带渗漏,查明渗漏区岩土体的透水性质和相对不透水边界,分析渗漏原因,估算渗漏量,评价产生渗透破坏的可能性;最后应根据渗漏性质提出处理措施的建议,不存在渗透破坏和渗漏量在允许范围之内的,可建议简化处理或不予处理。 
 坝肩渗漏问题的评价较为复杂。某些工程一见下游坝脚岸坡区漏水即判定为坝肩绕渗,实际上理由并不充分。因为坝肩下游区漏水可能是库水绕渗,也可能是岸坡山体地下水的出溢,也可能是这两部分水的组合,属于“疑似”绕坝渗漏问题。此类问题一般情况下应根据库水位、降雨量和渗漏量之间的观测资料,结合岸坡地形地质条件认真分析论证后才可以较为准确地得出结论;当这些资料并不充分仅为“疑似”时,应重点补充勘察予以论证,渗漏较轻微的也可按今后运行管理加强观测以观后效的原则考虑。坝肩渗漏还需要明确回答的问题是,渗漏对坝肩岩体稳定的影响。处理措施的建议可以是防渗,也可以是排水,也可以是二者的组合。 
 坝基渗透稳定评价是专业技术的难点,理论研究与工程实际存在差距,实际情况可能较理论分析的更为复杂,也可能更为简单,客观地作出符合工程实际的评价,考核的是地质师的分析能力和分析水平。地质定性错误就可能误导设计,误导的结果可能没有达到除险加固的目的,也可能造成工程处理的巨大浪费。因此处理措施的建议也是十分慎重的,必需要有充分的地质依据。关于坝基处理与不处理和处理技术方案的选择,地质师与设计师应充分交流沟通,准确地把握好“坝基处理”这个度,充分展示出工程师的经验和智慧,与获得奥运金牌具有同等价值。 
 坝基渗漏问题处理或不处理,加强观测都是必须的。某些小型水库工程运行数十年来没有基本的观测资料,哪怕最简易的渗漏量的观测都没有,导致安全鉴定和除险加固勘测设计十分被动,这是运行管理的问题,应严肃责任,立即进行亡羊补牢,以观后效。

 6 坝体质量检测 

 《意见》对坝体质量的检测有明确表述:宜分类进行,存在坝坡稳定问题的应针对“问题”区取原状样进行室内物理力学试验;存在渗漏问题的应针对渗漏区取原状样进行室内渗透系数测试。以上试验资料还应结合工程实际进行工程类比,提出坝体土物理力学建议参数和相应渗漏区坝体土的渗透系数建议值,供设计选用。不存在以上稳定问题和渗漏问题的坝体区不必全面取样试验。 
 《意见》中这段文字仍然强调的是“有病即查无病不乱查”的原则,宣扬的是无病推论的工程理念,即只要大坝运行数十年来未发现位移、裂缝、塌陷等损伤现象,大坝就是安全的,起码也是基本安全的。许多小型水库大坝看上去很单薄,有的均质土坝的上下游坝坡不足1:1,坝顶宽度不足1m,如果进行坝坡稳定性核算,可能这些坝坡都是不稳定的,但却在那里我自岿然不动数十年!5.12汶川地震后,灾区数千座水库大坝没有一座发生垮塌,有的还在溢洪道上加了子堰,库水位早已超过了正常高水位,地震后贯通坝顶的纵向裂缝张开数十厘米,大坝震损严重,但并未垮坝。 
 以上事实应该令工程技术人员深刻思考。我们的设计理念、稳定分析理论以及对险情隐患的评价准则,都值得进一步探索。地质专业在推荐开挖边坡比值时,有一个非常最重要的原则,就是根据坡高来决定坡比,即对于相同工程地质条件的岩土体边坡,建议边坡比值的决定因素就是坡高,低矮边坡与中高边坡的比值有较大区别。这里,我们将开挖边坡比值的取值原则推论到均质土坝的坝坡坡度,就可以解释为什么那些坝坡较陡的低矮大坝仍然是安全的这样一个基本事实。其实,地方上在兴建小型水库工程时,那些似乎不起眼的基层技术人员已经作出了十分具有创造性的选择,才可能兴建了数以万计的小型水库工程。我们现在用高坝大库的眼光去看待和评价这些小型水库工程,用正规军的战略战术去衡量地方游击队的小规模战斗原则,其间的差距显而易见,难道不值得深思吗? 
 最近遇一基层水利干部向我请教,他们一座小型水库是条石(砂岩)拱坝,最大坝高不足20m,被安全鉴定为病险工程,原因是坝体渗漏,现象是坝下游坡面条石浸水潮湿,除险加固设计是在坝体上做一道防渗帷幕。此干部大为不满的是坝体进行帷幕灌浆时将数百万方库水放空,引起下游靠此库水灌田的农民极大不满,问我有什么好办法。笔者初步分析,这种工程基本上属于没事找事,没病找病地在那里自我瞎折腾。这种浆砌砂岩条石坝坝体渗水的途径一是条石接缝,二是砂岩本身,砂岩属于孔隙性岩石但真要灌浆又是灌不进去的;而条石接缝处灌浆不知效果如何,估计在坝体上很难形成一道完整的帷幕。如果为了进行坝基帷幕灌浆那是另一回事。这种10来米水头的低矮条石坝,坝体渗点水对大坝安全基本上没有什么影响,人家运行了数十年一直站在那里就是最好的证明。反正我觉得这个工程的灌浆帷幕方案值得商榷! 
 大坝不是地质体,坝体工程地质勘察的提法是不科学不慎重的。按理说坝体质量检测也不是地质师的事,但坝体材料是地质师较为熟悉的岩土材料,特别是土坝,是土力学研究的重点,地质师对土体性质的认识和了解,是可以借用一些地质基本理论的,土体物理力学性质测试的方法和手段,地质师也较为熟悉。尽管如此,地质师仍然不可能也不应该套用地质基本理论去对大坝这一水工建筑物说三到四,这种建筑物的填筑质量不但取决于土的质量,更取决于当时的施工条件,可以说其质量是随机的,坝体中的空洞、透水夹层的分布将更为随机,生物洞穴还具有再生性,地质基本理论解释不了此类问题[2][3]。 
 大多数除险加固工程对均质土坝坝体都进行了注水试验,以测定填筑土体的渗透系数。根据水利部2007年11月26日发布的《水利水电工程注水试验规程》(SL 345 -2007)(以下简称《规程》)的表述,注水试验有两种方法,即试坑注水试验和钻孔注水试验[4]。认真研究这两种方法的适用条件和限制条件可以发现,均不适合于小型水库均质土坝坝体渗透系数的测试。不适用的最基本理由是边界条件相差太大,《规程》中的边界条件是半无限空间地质体和水平地下水位,而坝体是一孤立的人工填筑体且浸润线(面)是倾斜的。因此《意见》建议对坝体取原状样进行室内渗透系数的测试,并根据工程实际提出地质建议参数,以此作为除险加固工程设计依据。 
 坝坡稳定和坝体渗漏还可以结合坝址区实际出露的岩性去分析填筑土料的性质。一般来说,泥岩、页岩风化料具有较高的力学强度和较好的防渗性能,但由于数十年前建坝时无重型施工碾压机械,人工填筑夯实效果不好;花岗岩风化残积土含有较多的石英砂颗粒,粘泥含量较低,渗透系数较大,类似于砂性土。此类均质土坝有均质“透水坝”之嫌疑。某些土坝的筑坝材料具有多样性或存在“渗漏”夹层、较强渗漏区(例如部分填筑质量很差)等问题,实际上属于“非均质土坝”。此类土坝坝坡稳定和坝体防渗措施的地质建议应按实际情况区别考虑。 
 坝体中具有随机性和再生性的生物洞穴(鼠洞、蚁洞等),已经发现的要追踪探测追踪处理,运行管理中加强巡视,制定处理预案,发现后立即按既定方针坚决执行。  

7 其他问题 

 泄洪建筑物主要是冲刷水流导致冲刷区岩土体失稳问题。地质上一是要作出溢洪道边坡稳定问题的地质评价;二是要预测泄洪水流对周围地质环境的改变所带来的次生环境地质问题;三是应建议防冲刷护坡工程措施。
 小型水库工程的放水建筑物多为小尺寸下卧式涵管,多数埋置于坝体中。这种建筑物一旦受损漏水,可能会导致建筑物与坝体之间的接触冲刷破坏,需要具体分析判定。此类问题的定性不是地质师的强项,属于水工建筑物漏水,设计师更有发言权,应予以尊重。 
 多数均质土坝上游无护坡,坝坡受浪蚀作用形成陡坎,继续下去将导致坝坡失稳,因此上游护坡措施是必需的,至少也应该在水位变动范围区实施护坡措施,以有效地保护坝坡稳定性。 
 北方黄土地区的均质土坝坝体的质量检测和评价应按特殊类土考虑,处理措施也存在特殊的区域性,但仍然应坚持针对“病险”来开展工作,不必对无“病险”区进行全面检测和处理。 

 8 结语 
 本文主观上希望罗列出众多小型水库除险加固工程技术问题与大家讨论,客观上却很难做到。自然界地质条件的复杂性我们可以借用名人语录“上天容易下地难”来自圆其说,但具体工程上的技术特点和难点总还是可以明确的。相似的工程问题虽然并不具备复制条件,却具备分析和借鉴意义。 
 小型病险水库除险加固工程地质勘察,我们应抛弃以查“条件”为主的常规工程勘察思路,树立以查“问题”为主的求实思想;对于渗漏问题的评价和处理,需要结合具体工程实际,坚持“允许渗漏但不允许渗透破坏”的基本原则;对于规程规范,应注意原则性与灵活性的准确把握[2]。以上纯属个人观点,欢迎讨论。 
 
 参考文献: 

 [1][1]中华人民共和国水利部2005-04-18发布.《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55-2005).北京:中国水利水电出版社,2005,6 
 [2] [2]韦港,冀建疆.堤防工程地质勘察中的若干问题.水利水电技术,2001,3
 [3] [3]韦港、冀建疆.关于《堤防工程地质勘察规程》中若干问题的探讨.水利水电技术,1999,10 
 [4] [4]中华人民共和国水利部2007-11-26发布.《水利水电工程注水试验规程》(SL 345-2007).北京:中国水利水电出版社,2008,2 

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