病险水库讲座课件.ppt

病险水库工程地质勘察与评价关键技术,病险水库工程地质勘察 与评价关键技术研究 陈 汉 宝 湖北省水利水电规划勘测设计院 二一一年九月,主要内容,病险水库工程地质勘察1病险水库分类及病险水库勘察特点2病险水库工程地质勘察的目的和任务3勘察依据、规程规范4. 病险水库地质勘探布置的原则5. 取样、试验和测试等技术要求6土石坝稳定分析对抗剪强度试验的要求 病险水库工程地质评价1坝体质量评价2坝基工程地质条件和评价3试验指标的统计分析和取值原则4地质报告、地质图,我国病险水库状况 自从上世纪40、50年代以来，世界上大坝的修建数量日益增加，大坝的安全问题也就越来越引起人们的关注。世界上的大坝数量众多，例如美国大约有大坝70000座；俄罗斯近4000座水库。 截至2002年底，我国已建成各类水库85288座，总库容达到5594亿立方米，其中大型水库487座，中型水库2955座，小型水库81846座。省际间对比水库的分布很不均匀，数量相差较大。上海市无一座水库，而湖南、江西、广东、四川、湖北和云南6省，各自拥有的水库数均超过5000座，这6个省份的水库总数占全国水库总数的55。其中湖南省拥有的水库为全国之最，共11 000多座，大约相当于全国水库总数的17。,概 述,目前全国有病险水库约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。这些病险水库，尤其是小型水库绝大部分兴建于上世纪5070年代，受当时社会、经济、技术条件等因素的制约，工程存在着先天不足、后天失修、病险严重等问题。 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。据报告(汪恕诚,2004),自1954年有垮坝统计资料以来至2003年底，全国累计垮坝3484座，年均垮坝近70座。其中20世纪70年代水库垮坝数量最多，年均垮坝204座；20世纪90年代以来垮坝数量最少，年均垮坝18座，其中2001年和2003年每年垮坝水库都为4座 。,概 述,水库一旦垮坝失事，轻则造成财产损失，重则造成重大人员伤亡或毁灭性灾害，不仅给国家和人民造成重大损失，也会影响社会稳定。1975年“”河南省板桥、石漫滩水库垮坝，造成数万人死亡，历史教训千万不能忘记。1993年，青海省沟后水库（小型，坝高71m）溃坝，瞬间冲毁1000多户房舍，328人丧生，上千人受伤，财产损失达1.5亿元。甘肃小海子水库（管涌、溃坝)。,概 述,98洪水后，水利部编制了全国病险水库除险加固专项规划，确定了1346座第一批中央补助项目，累计投入158亿元，计划在34年内完成水库的除险加固任务。2004年12月水利部又向国家发展改革委报送了二期规划，共确定1913座病险水库作为第二批中央补助项目。由中央和地方投资的中小型水库除险加固设计工作正在进行中。此外，按照水库大坝安全鉴定办法的规定，大坝实行定期安全鉴定制度，应每隔610年进行一次。因此水库安全鉴定和除险加固将是一个长期任务。,概 述,1.病险水库勘察存在的问题,存在的主要问题,（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，尤其是缺少岩土渗透和渗透变形参数；,（4）对岩土物理力学参数的取值原则和要求不清，不能合理提出建议值；,（5）小型水库由于资金少，周期紧，勘察工作量偏少，精度不高；,（6）对病险水库的工程地质评价内容和方法研究不够。,病险水库的病险种类多种多样，除了水库大坝防洪能力低、水库抗震标准不够等以外，坝体存在各种病险隐患。病险水库绝大多数是土石坝，其险情类别主要有：坝体渗漏坝基或绕坝渗漏坝体不均匀沉降裂缝滑坡坝下埋管漏水、水工建筑物破坏（冲刷、开裂、不均匀沉陷等）其中以坝体及坝基渗漏和滑坡的危害性较大有的水库以一种险情为主，有的发生多种险情,病险水库险情分类,（1）病险水库多建于上世纪6070年代，缺少基础地质资料，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（2）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（3）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，坝体和基础连成整体，应视坝体为人工地质体，应当查明坝体本身的物质组成、结构、填筑材料的物理力学特性(4)部分工程有观测资料，如渗流观测、变形观测等，应充分利用，与勘查资料相互印证。（5）有的中型水库是经过多次加高扩建形成的，土坝施工接头、建筑物结合部等是隐患。应针对薄弱部位和存在的问题开展勘察工作。（6）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。,2. 病险水库勘察特点,3. 勘察目的和任务,病险水库工程地质勘察的基本任务是查明大坝及建筑物地基的地质条件和物理力学参数，查明与险工、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。对土石坝而言，还要查明坝身土体的性状及物理力学性质，为设计稳定复核提供参数。 病险水库工程地质勘察与评价要抓住两个结合： 与病险水库特点、险情结合； 与加固设计方案结合，如防渗依托层、参数，满足设计要求,勘察依据、规程规范,（1）水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）（2）中小型水利水电工程地质勘察规范（SL55-2005）（3）堤防工程地质勘察规范（SL188-2005）（4） 碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）（5） 水利水电工程地质测绘规程（SL299-2004）（6） 水利水电工程注水试验规程（SL345-2007）（7）水利水电工程钻孔压水试验规程（SL31-2003）（8）水利水电工程钻探规程（SL291-2003）（9）水利水电工程天然建筑材料勘察规程（SL251-2000）（10）水库大坝安全评价导则（SL258-2000）（11）中国地震动参数区划图（GB18306-2001）（12）土的工程分类标准（GB/T50145-2007）,工程地质测绘与险情调查 钻探 取 样 （原状样 、扰动样 ）地下水位观测 钻孔封孔 大坝隐患探测的物探方法 井探、槽探 (反滤坝、探坑注水试验）天然建筑材料调查 土工试验 水文地质试验 （坝体注水试验 、基岩压水试验 ）,4 勘察方法与手段,（1） 勘探布置原则,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。可行性研究和初步设计阶段要为除险加固设计提供地质依据勘探布置原则：1.纵剖面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）；2纵横剖面上的钻孔间距，安全鉴定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2050m，土石坝50100m。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.横剖面应布置主要险情、老河床、建筑物等部位。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；5.钻孔深度应根据险情、坝型、地质条件和加固设计要求确定，一般孔深应穿过坝体进入坝基一定510m。帷幕线上的钻孔深度应进入相对隔水层不少于10m 。需作基础处理的坝段，孔深应能满足基础处理设计要求。 6.土石坝下游的反滤堆石棱体（反滤坝）、压浸台、心墙坝的代料坝等应布置勘探,（2）病险水库钻探应注意的问题,勘探时间应选择水库低水位或非汛期的条件钻进，在水库高水位条件或汛期应特别注意防洪安全，防止钻孔涌水。尤其是在大坝下游坡钻孔，因孔口高程低于水库水位，当揭露坝基含水层时容易造成地下水从钻孔涌出，因此汛期或水库高水位条件一般不宜在坝下游钻孔，以免人为造成险情。对于土石坝坝体钻探孔采用粘土泥球封孔 有时遇地下水位过高，甚至涌水出孔口，泥球不能沉到孔底影响封孔，可接套管到一定高度，抑制地下水涌出，在静水头条件下封孔。尽量避免在动水条件下封孔，否则会影响封孔质量，甚至无法投泥球完成封孔。,（3）土坝稳定分析对抗剪强度试验的要求,抗剪强度指标的测定和应用（表）,（4）土坝稳定分析对抗剪强度试验的要求,1）三轴试验：采用固结排水剪（CD）提供有效应力抗剪强度（c ，）和固结不排水剪（CU）提供总应力抗剪强度（Ccu ,cu）。考虑到做排水剪很费时间，通常用固结不排水剪求Ccu、cu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 ，）和固结快剪（S）提供总应力抗剪强度（Ccu ,cu）。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，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。,（5）坝体注水试验,为评价岩土体的透水性，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 坝体注水试验 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,常水头注水试验,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。（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5分钟间隔测5次，以后每间隔20分钟测一次，至少连续量测6次，直到最后连续2次量测的注入水量之差不大于最后一次注入流量的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。,降水头注水试验,（2）降水头注水试验降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。,降水头注水试验,记录水位的下降值，开始间隔时间为1分钟，连续观测5次；然后间隔10分钟，观测3次；后期观测间隔时间应根据水位下降速度决定，可按30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 。当试验水头下降到初始水头的0.3倍或连续观测点达到10个以上时，即可结束试验。,常水头与变水头注水试验对比分析,有人对这两种试验进行对比研究，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28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。,病险水库工程地质评价,1 坝体质量评价 坝体质量评价的基本方法有：现场巡视检查法；历史资料分析法；勘探、试验检查法。坝体填筑质量评价采用压实度评价。压实度的评价标准：1级、2级坝和高坝的压实度应为98100，3级中、低坝和3级以下的中坝压实度应为9698；土石坝防渗体防渗性能评价包括防渗体完整性和渗透性。对心墙土料，其渗透系数应105cm/s，均质土坝的渗透系数应104 cm/s。,2 坝基工程地质条件和评价,病险水库坝基地质问题主要是坝基渗漏问题（包括岩溶渗漏问题）、绕坝渗漏问题、软基滑动问题（深层滑动问题）、不均匀沉降问题自然和人工边坡稳定问题。在详细描述坝基地质条件（地层岩性、断裂构造产状和分布）的基础上，结合险情重点评价岩（土）体的透水性、承载力，可以划分工程地质单元，分区分段评价。,试验成果按工程地质单元分别进行整理，并进行数据的取舍，舍去不合理的离散值。土的物理指标取值以试验的算术平均值作为标准值；土的抗剪强度宜采用试验峰值的小值平均值作为标准值；建议值的取值应采用以整理后的试验值作为标准值，再根据水工建筑物地基工程地质条件进行调整，提出地质建议值。地基渗透系数取值要考虑评价的对象和用途。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，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。,3 试验指标的统计分析和取值原则,统计分析对试验组数的要求,每一工程地质单元每一层累计有效室内试验组数 （1）堤防工程勘察要求：可行性研究不宜少于6组 初步设计不宜少于10组 （2）水利水电枢纽工程：可研阶段不少于5组 ，初设阶段岩石不少于10组、土基不少于11组 （3）工民建勘察（岩土工程）：不应少于6件（组）,（4） 病险水库加固勘察,安全鉴定阶段：坝体区每不少于6组 ，坝基每层不少于3组 ，初步设计阶段不少于10组 （5）试验组数不足如何提建议值有条件的工程，最好能补充勘探和取样，尤其注意在关键的层位取样和试验。 当无法补充取样时，可采用工程类比法确定参数，注意类比的条件是相似原理，即地质条件、层位、受力状况等相似；或者采用地区经验值。,根据碾压式土石坝设计规范（SL2742001），土石坝帷幕深度应根据建筑物的重要性、水头大小、地质条件、渗透特性以及对帷幕所提出的防渗要求等按下列方法综合研究确定：a.坝基下存在相对不透水层，且埋藏深度不大时，帷幕应深入该层至少5m；b.当坝基相对不透水层埋藏较深或分布无规律时，应根据渗流分析、防渗要求，并结合类似工程经验研究确定帷幕深度；c.岩溶地区的帷幕深度，应根据岩溶及渗漏通道的分布情况和防渗要求确定。d.基岩相对不透水层透水率标准：1级、2级坝及高坝透水率宜为35Lu，3级及其以下的坝透水率宜为510Lu。中小型水库为3级工程，因此采用10Lu。,4 土石坝坝基岩石帷幕防渗标准,5 土石坝渗流分析与评价,（1）无粘性土渗透变形与渗透破坏形式 土体在渗流作用下发生破坏，由于土体颗粒级配和土体结构不同，无粘性土渗透变形与渗透破坏形式有： 流土、 管涌、 接触冲刷、 接触流失4种型式。,(2)土的抗渗强度临界水力比降和允许水力比降,土的抗渗强度表示土体抵抗渗透破坏的能力，包括抗渗临界比降和允许比降。允许比降Jb由临界比降JC除以安全系数得到。 土的抗渗强度决定于土的性质和渗流条件（渗透破坏形式）两个方面。开始发生渗透变形以前的最大渗流坡降为临界坡降。当渗流坡降小于临界坡降时，管涌土的土料处于渗透静稳定状态。土体内部结构产生渗透破坏的最小渗流坡降为破坏坡降。当渗流坡降小于破坏坡降时，管涌土处于渗透动稳定状态。 砂性土的破坏坡降约等于土的浮比重。,(3)流土的临界水力比降确定方法,a）公式法计算流土型宜采用下式计算：Jcr=（Gs-1）（1-n）式中Jcr土的临界水力比降；Gs土的颗粒密度与水的密度之比；n土的孔隙率（%）。b）在野外取大样做渗透变形试验c）采用经验值综合判断确定,(4) 无粘性土的允许比降,以土的临界水力比降除以1.52.0的安全系数;对水工建筑物的危害较大,取2的安全系数;对于特别重要的工程也可用2.5的安全系数。 无试验资料时可根据表4.2.2-1选用经验值。注：本表适用于渗流出口无反滤层情况。有人建议将数值提高2.5倍用于有反滤层保护的情况。,水平段和出口段允许渗流坡降值,（5）粘性土的抗渗强度,粘性土的渗透破坏特性取决于容重、含水率、粘土矿物成分、交换性阳离子的数量和成份、孔隙液体的含盐浓度和成分等物理化学因素，因此，它远比无粘性土渗透破坏特性复杂。 粘性土可分为分散性粘土，非分散性粘土和过渡型粘土。分散性粘土遇水后土颗粒逐渐脱落而形成悬液，极易被水流带走，其破坏要比细砂和粉土更为容易。而非分散性粘性土由于其凝聚力很大，只会发生流土破坏，不会发生管涌破坏，有反滤保护时，其临界比降可以超过20以上，而一般取45为粘性土的抗渗允许坡降。,粘性土的抗渗强度较高，但遭遇偶然因素影响的局部抗渗强度则低得多。因此，粘性土层的允许渗流坡降，取破坏坡降的1/61/12（在有可靠反滤层保护下）。 对于粘土心墙坝中粘土心墙抗渗性评价，要考虑心墙结构，有无反滤保护，在有可靠反滤层保护下，一般取粉质粘土为36，粘土为610。无可靠保护层时，粉质粘土仅0.50.6。,(6) 渗漏险情加固措施,土石坝防渗加固措施一般原则是“上堵下排”。上堵的措施有水平防渗和垂直防渗。水平防渗有人工粘土铺盖和利用天然铺盖等，加固方法有翻修铺盖、延长铺盖长度或增加厚度，增设帷幕、采取混凝土防渗墙或开挖截水槽回填粘土。下排的措施有：在坝体背水坡脚附近开挖导渗沟、减压井和盖重压渗等。 在可溶岩地区，坝基可能存在岩溶管道渗漏，要查清岩溶管道的位置、分布、连通性，一般采取灌浆方式封堵。,垂直防渗加固措施,（a）混凝土防渗墙；（b）深层搅拌连续防渗墙；（c）劈裂灌浆防渗；（d）高压喷射灌浆；（e）振动成模防渗墙；（f）板桩灌注防渗墙；（g）冲抓套井回填；（h）倒挂井人工垂直开挖防渗墙；（i）土工合成材料防渗；（j）水泥帷幕灌浆等。,6 溢洪道工程地质评价,（1）闸室地基稳定（抗剪强度）（2）溢流堰或闸室地基渗透性（3）溢洪道边坡稳定（4）泄槽段挡土墙地基稳定和边坡稳定（5）泄槽段在泄洪时的渗漏对坝坡的影响（6）消力池地基稳定与抗冲性（7）交通桥地基评价,7 输水管工程地质评价,（1）输水管地基稳定（地基承载力）（2）拆除重建输水管进口闸室（排架、竖井）地基评价（3）拆除重建输水管进口闸室工作桥地基评价（4）隧洞围岩稳定评价（5）隧洞进出口边坡稳定评价,8 如何提高图纸质量,平面图(工程地质平面图） 平面布局合理、平衡，突出重点；线条、字体要清晰（彩图、黑白）图例（编排顺序）、说明地形图、地图要清晰，有条件的用彩图。主要建筑物位置、轮廓、险情。,工程地质剖面图、渗透剖面图,（1）比例尺纵横比例合适，纵1：200 ，横1：500 ，纵横比例不相差5倍，钻孔的剖面图间距10cm为宜（2）字体大小，数字大小，标注要清晰，（例如压水、注水试验）（3）符合地层沉积关系（新老、切割、渐变）（4）砂层、软土地层画到三分之二处（5）人工填土用岩性符号表示。（6）剖面方向，面对下游；高程系统（7）高程系统（8）方便印制，合理安排图幅大小，采用A3幅图，平面分幅。,谢 谢 大 家,2011年9月25日,