病险水库讲座.ppt

1,病险水库工程地质勘察与评价关键技术,2,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,3,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,4,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,5,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,6,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,7,98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,8,1.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。,9,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,10,（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,11,3. 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,12,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）,13,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,14,（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,15,（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。,16,（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）,17,（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。,18,（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,19,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。,20,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。,21,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。,22,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。,23,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。,24,2 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。,25,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,26,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）,27,（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。,28,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,29,5 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。,30,(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。,31,(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,32,(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。,33,水平段和出口段允许渗流坡降值,34,（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。,35,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。,36,(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