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[摘要] 四川省某水库存在坝体沉降过大等问题，坝体裂缝和浸润现象较严重。为对水库进行除险加固，需对裂缝和浸润区进行检测分析，为整治处理提洪依据。通过现场实测资料对浸润区的形态和成因进行分析，并提出整治建议。
[关键词] 土石坝 裂缝 浸润区 成因分析
1. 水库工程概况
四川省某水库位于四川省荣县境内，在沱江水系釜溪河一级支流的旭水河上游，其控制流域面积80.25 km2，总库容5800 万m3，正常库容5500 万m3，兴利库容4380 万m3，防洪库容316 万m3，死库容1120 万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水、旅游、发电等综合效益的中型骨干水利工程。
该水库枢纽工程主要建筑物包括：大坝、溢洪道、充水隧洞、放空（导流）隧洞以及放水隧洞等。
水库大坝为粘土斜墙石渣坝，设计坝顶高程393.4 m，最大坝高50 m，坝长400 m，坝顶宽8.0 m，坝底最大宽度273.4 m，防浪墙顶高程394.6 m。上游坝坡为三级：1:3.0，1:3.5，1:2.0（堆石棱体），下游坝坡为四级1:2.5，1:2.75，1:3.0，1:2.0（堆石棱体）。粘土斜墙由粘土及风化粘土岩筑成，石渣主要为新鲜的泥岩块碎石及砂岩块碎石，少量灰岩块碎石。斜墙基础为混凝土齿墙，齿墙下设悬挂式帷幕一道。斜墙上下游面分别设有过渡反滤层和石渣坝壳。上游坝面为干砌石护坡，下游坝面为草皮护坡。
工程建成至今已十多年，由于种种原因，工程处于带病运行状态。
2. 坝后浸润区检测
浸润区是指坝体中自由水面接近坝体表面的范围。
该水库下游坝面的左下接近排水棱体部分有较明显的湿润区间，坡面时常湿润，挖坑观察后有积水。
浸润区的存在表明水位较高，对边坡的稳定性有不利影响。究明其范围、成因、补给水源对于坝体的安全性评价有着非常重要的意义。
2.1检测对象及内容
该检测项目在于对水库大坝坝后浸润区进行检测，通过检测其浸润区范围、渗漏水来源，分析确定浸润区的渗漏通道。
水库大坝坝后浸润区的检测包括浸润区范围的检测以及渗漏水来源的确定。
对于浸润区范围的检测，采用电法导纳CT层析法对怀疑可能的浸润区域进行扫描。土壤中相同的两点之间会因为含水率不同而有不同的导电特性，电法导纳CT层析法就是根据这一原理，通过扫描区域内不同测点之间的导电性能来分析确定区域内土壤含水率的变化，从而确定浸润区范围。
导纳的定义为：
其中，为测线长度，为测试的电阻。可以看出，导电性约好，导纳越大。
由于水具有良好的导电性，因此当测试区域中有较高的自由水面时，导纳会有较大幅度的增加。
对于坝后浸润区渗漏水来源的确定，通过温度测试确定浸润区大致影响范围之后，布置了三深六浅共九个观测孔，通过水位观测以及投放示踪剂，并结合水库管理处提供的相关观测资料，来分析确定渗水来源。
其中，示踪剂采用Mg2+、Na+和K+三种金属离子。考虑到Mg2+的分析灵敏度最高，因此对可能性最大的方向采用了Mg2+离子
2.2检测结果
发现的浸润区位于坝后左岸L1区域，为了确认浸润区范围，对L1区域以及其周边的L2、L3区域进行检测分析；同时，根据水库管理处提供的观测资料，位于R1区域坝基测压管观测点F4的水位偏高，接近于库水位，为了确定右岸是否有浸润区的存在，对R1区域也进行检测分析。
浸润区的分布如下图所示。可以看出，浸润区位于左岸，且主要集中在L1区域，而且范围较小，没有相互连通。
浸润区测试结果示意图
2.3浸润区的形态及成因推测
根据电法平面CT、孔内水位以及金属离子投放的检测结果，对于坝后浸润区，我们认为：
2.3.1浸润区的位置、范围和规模
浸润区的范围不大，面积均在30 m2以下，未连成片；
浸润区主要分布在左下L1区段，在左岸L2区段、顺岩坡部位以及右岸L1区段也有小范围浸润区。
2.3.2 左岸浸润区的成因
关于左岸浸润区的成因，我们推测有以下几个方面：
1）排水棱体前存在低透水区
根据孔内水位的观测结果，在5#和8#观测水孔之间，即排水棱体左部前方存在一个低透水体。
根据对施工历史的调查，在坝体填筑期间，该部位为施工机械的上坝通路。由于重型机械的反复碾压，以及材料方面的原因，造成该部位的透水性远远低于其他部位。
2）下部坝基岩体存在透水通道
根据孔内水位的观测结果和电法CT的检测结果，浸润区范围局限在比较狭小的范围。同时，5#孔的水位非常稳定，可以排除降雨等原因。因此，其来水补给源为库水，漏水通道在坝基岩体中的可能性较大。
3）水方向为左岸山体的可能性
根据对孔内水位及对金属离子流动方向的观测结果，可以基本确定来水方向为左岸山体方向。
因此，我们认为，左部浸润区的成因为左岸山体绕流，在坝基岩体中有漏水通道，并在浸润区下有渗水口。此外，由于排水棱体前存在低透水区对排水形成阻挡，所以形成水位涌高和产生浸润区。
右岸浸润区的成因与左部类似。值得说明的是，右岸浸润区距库水更近，因此其水压力也会更高。但由于坝体材料透水性较为均匀，而且相应部位的坝体高度也更高，所以右岸浸润区没有左岸明显。
2.4 浸润区的危害
在目前的状况下，由于浸润区范围较窄，而且由于坝体漏水的可能性小，所以其危害性相对较小。
但是当库水位升高时，浸润区来水压力增大，其范围以及动水压力都会有相应的增大。特别是由于岩溶的击穿等原因造成透水通道急剧加大的时候，左右岸浸润区会有大幅扩展，有可能对坝体安全造成严重的危害。
3.建议
尽管检测到的裂缝和浸润区的规模不大，在目前的低水位运行状况下尚不会对坝体造成安全上的危害。但是，当水位大幅升高或者坝肩岩溶体部分出现击穿等变化时，裂缝和浸润区对坝体的安全性有可能造成较大的威胁，建议进行相应的处理。
在处理过程中，我们认为有以下几点值得注意：
1）大坝中部产生裂缝的可能性很大，强烈建议加以修补。其中，部分裂缝从表面可能难以观测得到。因此，结合坝顶的加高和防渗体的修补工程，在条件许可的情况下希望能够对裂缝的状况加以进一步核实；
2）大坝坝顶两岸部分有一定存在裂缝的可能性，而且其从防渗体上部背水面开展的可能性较大。虽然相比中部裂缝，其危害要小，但从慎重的角度考虑，建议加以修补；
3）消除浸润区的根本方法在于做好坝基和坝肩岩体（尤其是后者）的防渗工作；
4）排水棱体前的低透水区不利于排水和降低浸润线，建议采用打设砂桩、碎石桩或其他方式以增加其透水性；
5）为了进一步保证大坝的安全性，建议对大坝安全监测资料进行更加详细的整编和分析，对不能正常工作的大坝安全监测仪器、设备进行必要的维修和更换。
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[关键词] 土石坝 裂缝 浸润区 成因分析
1. 水库工程概况
四川省某水库位于四川省荣县境内，在沱江水系釜溪河一级支流的旭水河上游，其控制流域面积80.25 km2，总库容5800 万m3，正常库容5500 万m3，兴利库容4380 万m3，防洪库容316 万m3，死库容1120 万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、供水、旅游、发电等综合效益的中型骨干水利工程。
该水库枢纽工程主要建筑物包括：大坝、溢洪道、充水隧洞、放空（导流）隧洞以及放水隧洞等。
水库大坝为粘土斜墙石渣坝，设计坝顶高程393.4 m，最大坝高50 m，坝长400 m，坝顶宽8.0 m，坝底最大宽度273.4 m，防浪墙顶高程394.6 m。上游坝坡为三级：1:3.0，1:3.5，1:2.0（堆石棱体），下游坝坡为四级1:2.5，1:2.75，1:3.0，1:2.0（堆石棱体）。粘土斜墙由粘土及风化粘土岩筑成，石渣主要为新鲜的泥岩块碎石及砂岩块碎石，少量灰岩块碎石。斜墙基础为混凝土齿墙，齿墙下设悬挂式帷幕一道。斜墙上下游面分别设有过渡反滤层和石渣坝壳。上游坝面为干砌石护坡，下游坝面为草皮护坡。
工程建成至今已十多年，由于种种原因，工程处于带病运行状态。
2. 坝后浸润区检测
浸润区是指坝体中自由水面接近坝体表面的范围。
该水库下游坝面的左下接近排水棱体部分有较明显的湿润区间，坡面时常湿润，挖坑观察后有积水。
浸润区的存在表明水位较高，对边坡的稳定性有不利影响。究明其范围、成因、补给水源对于坝体的安全性评价有着非常重要的意义。
2.1检测对象及内容
该检测项目在于对水库大坝坝后浸润区进行检测，通过检测其浸润区范围、渗漏水来源，分析确定浸润区的渗漏通道。
水库大坝坝后浸润区的检测包括浸润区范围的检测以及渗漏水来源的确定。
对于浸润区范围的检测，采用电法导纳CT层析法对怀疑可能的浸润区域进行扫描。土壤中相同的两点之间会因为含水率不同而有不同的导电特性，电法导纳CT层析法就是根据这一原理，通过扫描区域内不同测点之间的导电性能来分析确定区域内土壤含水率的变化，从而确定浸润区范围。
导纳的定义为：
其中，为测线长度，为测试的电阻。可以看出，导电性约好，导纳越大。
由于水具有良好的导电性，因此当测试区域中有较高的自由水面时，导纳会有较大幅度的增加。
对于坝后浸润区渗漏水来源的确定，通过温度测试确定浸润区大致影响范围之后，布置了三深六浅共九个观测孔，通过水位观测以及投放示踪剂，并结合水库管理处提供的相关观测资料，来分析确定渗水来源。
其中，示踪剂采用Mg2+、Na+和K+三种金属离子。考虑到Mg2+的分析灵敏度最高，因此对可能性最大的方向采用了Mg2+离子
2.2检测结果
发现的浸润区位于坝后左岸L1区域，为了确认浸润区范围，对L1区域以及其周边的L2、L3区域进行检测分析；同时，根据水库管理处提供的观测资料，位于R1区域坝基测压管观测点F4的水位偏高，接近于库水位，为了确定右岸是否有浸润区的存在，对R1区域也进行检测分析。
浸润区的分布如下图所示。可以看出，浸润区位于左岸，且主要集中在L1区域，而且范围较小，没有相互连通。
浸润区测试结果示意图
2.3浸润区的形态及成因推测
根据电法平面CT、孔内水位以及金属离子投放的检测结果，对于坝后浸润区，我们认为：
2.3.1浸润区的位置、范围和规模
浸润区的范围不大，面积均在30 m2以下，未连成片；
浸润区主要分布在左下L1区段，在左岸L2区段、顺岩坡部位以及右岸L1区段也有小范围浸润区。
2.3.2 左岸浸润区的成因
关于左岸浸润区的成因，我们推测有以下几个方面：
1）排水棱体前存在低透水区
根据孔内水位的观测结果，在5#和8#观测水孔之间，即排水棱体左部前方存在一个低透水体。
根据对施工历史的调查，在坝体填筑期间，该部位为施工机械的上坝通路。由于重型机械的反复碾压，以及材料方面的原因，造成该部位的透水性远远低于其他部位。
2）下部坝基岩体存在透水通道
根据孔内水位的观测结果和电法CT的检测结果，浸润区范围局限在比较狭小的范围。同时，5#孔的水位非常稳定，可以排除降雨等原因。因此，其来水补给源为库水，漏水通道在坝基岩体中的可能性较大。
3）水方向为左岸山体的可能性
根据对孔内水位及对金属离子流动方向的观测结果，可以基本确定来水方向为左岸山体方向。
因此，我们认为，左部浸润区的成因为左岸山体绕流，在坝基岩体中有漏水通道，并在浸润区下有渗水口。此外，由于排水棱体前存在低透水区对排水形成阻挡，所以形成水位涌高和产生浸润区。
右岸浸润区的成因与左部类似。值得说明的是，右岸浸润区距库水更近，因此其水压力也会更高。但由于坝体材料透水性较为均匀，而且相应部位的坝体高度也更高，所以右岸浸润区没有左岸明显。
2.4 浸润区的危害
在目前的状况下，由于浸润区范围较窄，而且由于坝体漏水的可能性小，所以其危害性相对较小。
但是当库水位升高时，浸润区来水压力增大，其范围以及动水压力都会有相应的增大。特别是由于岩溶的击穿等原因造成透水通道急剧加大的时候，左右岸浸润区会有大幅扩展，有可能对坝体安全造成严重的危害。
3.建议
尽管检测到的裂缝和浸润区的规模不大，在目前的低水位运行状况下尚不会对坝体造成安全上的危害。但是，当水位大幅升高或者坝肩岩溶体部分出现击穿等变化时，裂缝和浸润区对坝体的安全性有可能造成较大的威胁，建议进行相应的处理。
在处理过程中，我们认为有以下几点值得注意：
1）大坝中部产生裂缝的可能性很大，强烈建议加以修补。其中，部分裂缝从表面可能难以观测得到。因此，结合坝顶的加高和防渗体的修补工程，在条件许可的情况下希望能够对裂缝的状况加以进一步核实；
2）大坝坝顶两岸部分有一定存在裂缝的可能性，而且其从防渗体上部背水面开展的可能性较大。虽然相比中部裂缝，其危害要小，但从慎重的角度考虑，建议加以修补；
3）消除浸润区的根本方法在于做好坝基和坝肩岩体（尤其是后者）的防渗工作；
4）排水棱体前的低透水区不利于排水和降低浸润线，建议采用打设砂桩、碎石桩或其他方式以增加其透水性；
5）为了进一步保证大坝的安全性，建议对大坝安全监测资料进行更加详细的整编和分析，对不能正常工作的大坝安全监测仪器、设备进行必要的维修和更换。
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”