我国病险土石坝隐患分类及快速检测方法概述

我国病险土石坝隐患分类及快速检测方法概述


2024年4月4日发(作者:中国空天飞机)

第8卷第3期 

Vo1.8 No.3 

2 0 1 0年6月 

水利与建筑工程学报 

ournal of Water Resources and Architectural 

Jun.,201 0 

我国病险土石坝隐患分类及快速检测方法概述 

徐竹青 ,张桂荣 ,郑 军 

(1.南京水利科学研究院,江苏南京210024;2.南京市地铁指挥部,江苏南京210005) 

摘要:土石坝一般会在失事前出现各种不同的病兆险情,究其根源是其病害隐患的存在,及早发现其 

隐患是病险土石坝除险加固的关键。通过几个土石坝失事案例的分析,指出防洪标准不足、渗漏和结构 

裂缝是土石坝最主要的病害隐患,并对此类隐患提出了采用无损快速检测技术,就几种主要无损检测技 

术的优缺点进行了概述。在实际工作中采用合适的探测技术及其组合,可以提高检测结果的可靠度。 

关键词:岩土工程;病险土石坝;概述;隐患;快速检测 

中图分类号:TV641 文献标识码:A 文章编号:1672一l144(2010)o3—0o5O—03 

Classification of Hidden Troubles and Corresponding Rapid Detection 

Methods about Sick Earth.rock Dam in China 

XU Zhu—qing ,ZHANG Gui—tong ,ZHENG Jun2 

(1.Nnajing Hydraulic Research h ̄titute,Nanjir ̄g,Jiangsu 210024,China; 

2.Nanifng Metro Headquaters,Nanjing,Jiangsu 210005,China) 

Abstract:Generally,the various kinds of dangerous conditions would occur before the failure of earth—rock dams,and the main 

cause is the existence of hidden troubles.Therefore,the key of earth—rock dam’S reinforcement is to detect the hidden troubles 

as soon as possible.By the data collection and compilation about the failed earth—rock dam’S cases,the uppermost hidden toru・ 

bles of earth—rock dam are indicated here,which are lack of standards for flod control,seepage and crack.Aimed at these hid・ 

den troubles,the non-destructive detection technologies are put forward,and applied to the rapid detection.At the sanle time, 

the merits and faults of several main non—destructive detection technologies are pointed out.At last,it is opinted out that in prac— 

rice,it’S essential to adopt the appropriate detection methods and their combination in order to improve the reliability of detection 

ms ̄ts. 

Keywords:geotechnical engineering;sick earth-rock dam;smnmary;hidden trouble;rapid detection 

0前言 

北嘉鱼县牌洲湾合镇垸大堤溃堤,堤内5.7万人的家园被 

淹,死亡、失踪44人;8月7 13,九江长江大堤决口,成为1998 

由于受筑坝及管理技术限制和特定的历史原因,目前我 

年洪水过程中最大事件…;②黄河流域的大中型水库大多 

国已建成的8.5×lO4座水库中有30 413座为病险水库,约占 

建于20世纪50、60年代,经过30~4JD a的运行,多数已成为 

全国水库总数的36%,且病险水库中绝大部分为小型水库, 

病险水库。据统计,黄河流域现有大中型病险水库84座,大 

约占病险水库总数的96%。其中,土石坝是采用最普遍的一 

型12座,中型72座。其中,以陕西、山东两省的病险水库数 

种坝型,我国的土石坝数量占到大坝总数的93%,且大多建 

量最多,分别占总数的28%、32%|2 J。另外,2008年的汶川大 

于建国后的前两个“五年”计划(1953年一1962年)、大跃进时 

地震共造成震区内2 380座水库大坝出现病险隐患险情,引 

期以及十年“文革”期间。很多工程的建设标准低,施工技术 

起国家和人民的高度关注。其中离震中最近的两座高坝 

落后,缺少必要的工程质量控制手段与措施,加上长期以来 

——

沙牌碾压混凝土拱坝和紫坪铺面板堆石坝虽然整体安 

工程运行不当与维护经费不落实,管理粗放,老化失修严重, 

全,但都出现了不同程度的损坏,特别是后者坝体局部出现 

以及环境变化等因素,造成水库病险率高,工程不能正常运 

沉陷,面板脱空错位,坝顶、坝后防护设施有所损坏等。 

行,未能充分发挥效益。 

大量存在的病险水库大坝,若得不到全面检测和监测, 

对于水库建设最为集中的长江和黄河流域,大坝病险隐 

工作人员就无法及时准确地掌握其实际运行状态,一旦破坏 

患更是层出不穷。①1998年长江洪水过程中,发生多次溃 

过程发生由量变到质变的渐进演变,极易引发溃坝等严重事 

堤事故,比较严重的有:6月26日江西省德安县城堤溃,县城 

故,后果不堪设想。如2005年青海省英得尔水库大坝失事, 

被淹;6月底江西省波阳县内72座圩堤先后漫顶决口;7月3 

其主要原因是由于右副坝上溢洪道底板和边墙与坝体接触 

日岳阳市华容县小集成垸溃堤,受灾人口1万人;8月1日湖 

部位存在裂缝,库水通过裂缝进入坝体产生坝体接触渗流, 

收稿日期:20lO o4.15 修回日期:2010-04.23 

基金项目:南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(重点项目) 

作者简介:徐竹青(1967一),男(汉族),江苏如皋人,教授级高级工程师,主要从事安全监测、质量检测等工作。 

第3期 徐竹青,等:我国病险土石坝隐患分类及快速检测方法概述 

道质量和管理不当等其他形式。 

51 

从而导致坝顶溢洪道局部滑动继而造成溃口事故。 

常见的土石坝病险隐患检测方法主要有破损法和无损 

法。前者包括人工破损探测(坑探、槽探、井探、钻探等),后 

者包括地球物理探测、同位素示踪探测等。但由于人工破损 

1.2病险土石坝的病害隐患成因与病兆险情分析 

1.2.1 防洪标准不足的病害隐患成因与病兆险情分析 

大坝若防洪标准不足,当洪水来袭时,在较短时间内会 

发生水位明显上升,容易导致水库土石坝漫坝等险情的发 

生,极易引发溃坝事故。如河南板桥、石漫滩两座水库土石 

坝,由于防洪标准偏低,洪水来袭时,最终易导致垮坝引发灾 

探测技术使本已处于病险状态的水库大坝再次遭受损伤,因 

此工程人员更青睐于采用物探、同位素示踪等无损检测技 

术。相比于前者,该技术具有无损性、连续性、整体性、快速 

性以及高分辨率能力等优点,能快速有效地发现目标隐患。 

1病险土石坝常见隐患及其分类 

土石坝是一个复杂系统,其失事绝非偶然,一般在失事 

前会出现各种不同的病兆险情,究其根源是其病害隐患的存 

在。因此要从根本上“治愈”病险土石坝,就要从源头摸清土 

石坝所存在的病害隐患,并及早认定可能引发大坝失事的关 

键性病害隐患,这是目前病险土石坝除险加固的热点和难点。 

1.1病险土石坝的病害隐患分类 

我国的病险土石坝绝大多数建成于20世纪50年代至 

70年代,根据国内病险土石坝失事案例资料,表1列出了320 

座病险土石坝发生失事的病害隐患的统计结果,结果表明病 

险土石坝的主要病害隐患有:洪水设计标准不足、坝基坝体 

渗漏严重、坝体内存在裂缝、坝坡稳定不满足要求、泄洪建筑 

物破坏以及大坝必要的观测设施损坏或不完善等问题,对人 

民生命财产、经济发展和社会稳定形成潜在的威胁。 

表1 320座病险土石坝病害隐患的统计表 

从以上分析可看出,防洪标准不足、结构裂缝和渗流破 

坏是土石坝最主要的病害隐患,其次为滑坡、大坝质量、溢洪 

难。 

防洪标准不足的主要成因在于:①水库所在地区的水 

文资料查询不足,水文分析工作不够细致;②大坝坝顶发生 

较大沉降或原设计考虑不充分易导致坝顶超高不足;③原 

设计泄洪断面不够或底高程被抬高易导致溢洪道洪水标准 

不足,如果在设计时或运行期间复核时多搜集邻近地区的洪 

水系列资料,提高洪水分析精度,则可能不会发生漫坝失事。 

1.2.2大坝渗流的病害隐患成因与病兆险情分析 

水库蓄水后,在上游水压力作用下,易通过坝体孔隙、坝 

基和坝端两岸的岩体裂隙产生渗流。随着水位的抬高,坝体 

孔隙水压力和坝基扬压力逐渐增加,可以使土体发生管涌、 

流土、接触冲刷和接触流土破坏,引起坝体和坝基破坏。 

大坝渗流破坏的病害机理主要是坝体密实度欠佳及其 

结合体抗渗性能不足,主要包括坝体渗流、坝基渗流、绕坝渗 

流、涵洞周围渗流和白蚁洞穴渗漏等。 

1.2.3大坝结构的病害隐患成因与病兆险情分析 

大坝结构的病害机理主要是结构强度、稳定和刚度不足 

以及构造措施不合理,多反映在其主体结构稳定性改变上。 

主要包括泄洪问题、滑坡、沉陷、裂缝、护坡、排水设备等。 

大坝中的渗流通道极易在裂缝、动物洞穴等结构损伤部 

位形成,从而为坝体渗流的形成提供了诱发条件。而裂缝、 

动物洞穴等结构损伤,一般较为随机和隐蔽,要迅速准确地 

发现它们,就需要采取方便快捷的检测方法。 

2病险土石坝无损检测技术 

近年来,运用何种技术快速而准确地发现隐患、预报险 

情的问题已被提到了我国堤防工作的重要议事日程。对水 

库坝体渗流的探测和修复,可以避免事故的发生和减少危 

害,在保证大坝安全的前提下,充分发挥工程效益。 

目前在堤坝隐患检测中应用较多的检测手段包括物探 

技术(电法、电磁法等)、同位素示踪技术及弹性波探测技术。 

针对坝体不同的工程地质问题和某些特殊的应用地区,分析 

研究其可能产生的地球物理异常场而选择有效的探测方法, 

是物探方法取得成功应用的关键。 

在堤坝上应用地球物理方法进行检测,与一般的地质勘 

探有很大不同。其特点在于:①分辨率要求高。由于要检 

测孤立异常体(如空洞等),而堤坝一般要求检测深度为20 m 

30 m,若需测直径为1 m的隐患,分辨率需达3% 5%,其 

难度很大;②堤坝检测中所测的隐患多为非金属物质。这 

类物质与周围环境物性质反差小,且有些堤防筑堤材料非常 

不均匀,因此环境干涉非常大;③实际工程中需要检测地下 

水位及浸润线以下的隐患。 

52 水利与建筑工程学报 第8卷 

2.1电法探测技术 

在地质体中只要有渗流,就会在岩、土中产生并聚积电 

荷,此过程中,均可形成自然电场,此即为电法检测堤坝隐患 

的信号,进而探测堤坝隐患。现有的地质雷达探测系统用于 

堤坝隐患检测,对于含水率少埋深较浅的堤段隐患有效果。 

探地雷达检测隐患的关键点是在对雷达探测所得到的 

图像资料的解译上。地质雷达资料的解释是根据现场测试 

的雷达图像进行异常分析,通过对测量数据进行中值滤波、 

反褶积、偏移处理,消除了多次波和其它干扰波,根据异常的 

形态、特征及电磁波的衰减情况进行地质推断解释l6_ I

的原理。在工程地质勘测中,使用此法可以探测堤坝基础二 

坝体、坝肩、渠道两岸、管道和水库护坡等重大渗漏、洞穴、溶 

洞和断裂等水文、工程地质问题。渗漏电位的强度很大程度 

上决定于地下水的规模、埋深和渗漏速率的大小,与渗流埋 

深成反比,与其规模渗透速率成正比。 

电法探测堤坝隐患的深度取决于如下条件:①被探测 

2.3同位素示踪技术 

放射性同位素示踪法是近年来发展应用的一种检测地 

堤坝本身的因素,如大小、形状、隐患埋深及与围岩的电阻率 

差别;②供电电极距(AB)的大小;③观测精度;④地形和不 

均匀体的干扰;⑤外来电场的干扰。如不考虑后面两个因 

素,其探测深度主要取决于前三个因素。 

2.2电磁法探测技术 

电磁法是根据岩石或矿石的导电性和导磁性的不同,利 

用电磁感应原理进行找矿勘探的方法。将电磁法应用于堤 

坝隐患检测中是近年来相关学科的研究热点。电磁法探测 

技术主要包括瞬变电磁法探测技术、频率域电磁法探测技术 

及地质雷达探测技术3种,这3类方法中每种都有其优点和 

局限性。 

2.2.1瞬变电磁探测技术 

瞬变电磁法也称时间域电磁法,其工作原理是利用不同 

位置、不同深度地层对一次磁场变化产生涡流强度的不同, 

探测地质异常。地层电导率高,产生涡流强度大,二次磁场 

强。中国水利水电科学研究院房纯刚教授l3 J等率先将该方 

法应用于土坝和堤防渗漏隐患探测,并研制成功SDC一2型 

堤坝渗漏探测仪。该仪器既可作堤防和土坝渗漏隐患探测, 

又可用来定位渗透漏通道。 

2.2.2频率域电磁探测技术 

频率域电磁探测仪器利用发射频率的变化或收发距的 

变化来实现对不同深度的目标体进行探测,也可以利用发射 

线圈与接收线圈的不同结构来提高仪器的探测能力和探测 

效果。早期的频率域电磁探测仪器主要发射低频信号,典型 

的频率范围为0.05 Hz一60 kHz,这类宽频带仪器在固体矿产 

勘查领域发挥了作用,但用于浅层勘查,还需要提高频率。 

房纯刚教授 4]等在将频率域电磁探测技术应用于堤坝隐患 

检测方面做了些工作。他们采用引进的频率域电磁法仪器 

EM34—3型大地电导率仪和自己研制的SDC一2型堤坝渗漏 

探测仪对7座大坝和3段堤防进行了渗漏隐患探测和管涌 

通道定位探测。 

2.2.3地质雷达探测技术 

地质雷达被广泛应用于电阻率较高地区的探测,并且具 

有较高的分辨能力,可以探测几厘米到几十米深度,但是在 

电阻率小于30 n・m的环境中,这种仪器的探测深度被限定 

在1 m之内,如粘土覆盖地区_5 J。探地雷达基本原理是基于 

高频电磁波理论,工作方式是以宽频带、短脉冲的电磁波形 

式,由地面通过发射天线射入地下,经地下地层或目的体的 

电磁性差异反射而返回地面,被另一天线所接收,分析接收 

下水运动规律的方法,其基本原理是以少量放射性示踪剂标 

记被观测的地下水,根据测量其放射性变化来确定地下水的 

运动规律。根据其基本原理,同位素示踪法也是探测堤坝管 

涌及管涌渗透性的一种有效的方法,通过借助放射性示踪剂 

运移在流场中不同部位的不同表现,进而推断其渗流场。 

管涌探测主要依据管涌发生时相伴的各种物理场、化学 

场的变化进行。在实际探测过程中,通过天然示踪方法测出 

地下水中的强度、电导率、pH值等参数,然后利用同位素示 

踪单孔稀释法测定各地层渗透流速,利用同位素示踪单孔测 

定水平流向,利用同位素示踪测定注水和不注水条件下垂向 

流,进而确定堤坝管涌及管涌区渗透性。 

江苏省农业科学研究院原子能研究所在这方面做了许 

多研究和生产实践工作I7 J。该所研制的一种智能地下水动 

态参数测量仪,能较好地在天然流场下的单井中测量地下水 

的各种渗透特性。利用该方法及上述仪器设备,黄委勘测规 

划设计研究院在黄河下游截渗墙施工质量的检测中取得了 

较好的成果。 

2.4弹性波探测技术 

堤及土坝中有些隐患(缺陷、损坏),如滑坡、裂缝、坍塌、 

沉陷与堤坝砂土剪切强度和压缩强度低有关,因此要了解砂 

土的物理力学特性。应用弹性波法进行检测,能够检测出介 

质内部结构隐患性态,同时能对砂土、混凝土力学指标进行 

间接估算,其结果还可以作为堤坝质量评价指标。 

土坝体隐患探测中的弹性波波媒主要包括纵波、横波、 

表面波等等,其主要原理是利用堤坝隐患与背景场的波速及 

波阻抗差异。天津水利科学研究所田世炀等_8 J采用地震反 

射波法(单点反射)快速扫描检测段,探测施工结合部位和堤 

防土体成层情况,发现较大隐患,确定可疑堤段,然后再采用 

其它方法对可疑段进行详查。 

3结论 

(1)根据国内病险土石坝失事案例资料,我国病险土石 

坝最主要的病害隐患是防洪标准不足、结构裂缝和渗流破 

坏,其次为滑坡、大坝质量、溢洪道质量和管理不当等其它因 

素。 

(2)掌握土石坝的工程地质特点及坝型结构,正确认识 

土石坝的隐患性质与分布情况,是土石坝隐患快速无损检测 

的主要依托。 

(下转第81页) 

第3期 林加兴:山美水库大坝两岸防渗帷幕灌浆效果检测与评价 

8l 

数明显降低,节理裂隙发育带岩体纵波波速明显提高;岩体 地段是弱风化一微风化岩体渗漏的主要通道,也是需要灌浆 

平均纵波波速提高t50 m/s~720 rn/s。 

改进岩体防渗的主要部位。 

左岸副坝段灌浆前预测4个孔(ZB:32 、60 、85 、 从灌浆后检测4个孔(Y :3 、5 、6 、7 )统计结果,右 

95 ),岩体纵波波速2 520m/s 4 880m/s。岩体呈强风化一 岸A线岩体平均纵波波速4 760 m/s~5 790 m/s,完整性指数 

弱风化一微风化状态;完整指数0.19~0.71,岩体较完整一 

0.67~1。波速指标显示,岩体多达到完整微风化状态纵波 

破碎。由于岩体破碎,有的钻孔塌孔、掉块卡孔、漏水严重, 

波速指标(完整指数大于0.75);岩体平均纵波波速提高100 

孔中声波测试困难,造成个别孔段测试资料不全。 m/s~600 m/s。YM3岩体纵波波速低值点大于3 800 m/s, 

从灌浆后检测4个孔(ZBJ:4 、7 、9 、10 )统计结果, 

YAJ5、YAJ6、YAJ7岩体纵波波速低值点均大于4 000 m/s。节 

岩体纵波波速2 430 m/s~5 230 m/s。岩体完整指数0.17 

理裂隙发育带岩体纵波波速明显提高l5 J。 

0.81,从破碎一较破碎一较完整一完整状态;波速离散系数 

明显降低,节理裂隙发育带岩体纵波波速明显提高;岩体平 

5结论 

均纵波波速提高120 m/s一630 m/s(ZBJ4孔前部除外)。 

13个超声波检测孔,分段共70段:其中67段,占总段数 

4.2右岸YB线 

的95.7%,超声波检测评判为灌浆效果好。其它3个孔中的 

灌浆前预测4个孔(YB:10 、20 、26 、34 )统计结果, 

3个检测段YBJ3检查孔2.0 m~7.2 m段(高程104.915~ 

右岸B线岩体纵波波速3 860 m/s~5 430 m/s。波速指标显 

99.715)、YBJ4检查孔14.8 nl~19.6 rfl段(高程99.184~ 

示,岩体呈弱风化一微风化状态;完整指数0.44~0.88,岩体 

94.384)、ZBJ4检查孔7.0 m~9.8 m段(高程101.034~ 

呈完整一较完整一较破碎状态。局部岩体构造裂隙发育段 

98.234)超声波检测评判为灌浆效果差,占总段数的4.3%。 

波速稍低,岩体纵波波速低值点在3 500 m/s以下,节理裂隙 

参照水工建筑物水泥灌浆施工技术规范,可评价为帷幕灌浆 

发育带低于3 000 m/s。YB线岩体比YA线的岩体稍差,但整 

工程质量合格。 

体上仍属于致密坚硬、完整性尚好的岩体。 

参考文献: 

从灌浆后检测3个孔(YBJ:3 、4 、5 )统计结果,右岸B 

[1]林善勇.福建省山美水库大坝防渗加固工程超声波检测报告 

线岩体纵波波速4 360 m/s~5 280 m/s。完整指数0.57~ 

[R].福州:福建省水利水电勘测设计研究院,2009. 

0.83,波速指标显示,岩体处于较完整一完整、弱风化一微风 

[2]李新社,刘勇.青海南门峡水库左坝肩帷幕灌浆技术[c]//2oo4 

化状态。节理裂隙发育带岩体纵波波速明显提高。岩体平 

水利水电地基与基础工程技术一中国水利学会地基与基础工 

均纵波波速提高0 m/s~4OO m/s。 

程专业委员会2004年学术会议论文集.北京:中国水利学会, 

4.3右岸YA线 

2004. 

灌浆前预测5个孔(YA:02 、38 、47 、58 、69 )统计结 

[3]郭斯良.浅谈除险加固工程土坝坝基帷幕灌浆的特点[J].广东 

水利水电,2002,(5):4J647. 

果,右岸A线岩体平均纵波波速4 470 m/s~5 560 m/s(Ⅵ 、 

[4]黄连,许广智.坝基处理单排孔帷幕灌浆参数的确定[N].伊犁 

YA38预测孔表层除外),波速离散系数0.018~0.22,完整性 

日报(汉),2007. 

指数0.59~0.92。波速指标显示,岩体多呈完整一较完整的 

[5]李涛,郝学军.西山湾水利枢纽左坝肩帷幕灌浆设计与施工 

微风化状态;地表浅处与局部岩体构造裂隙发育段波速稍 

[C]//2004水利水电地基与基础工程技术一中国水利学会地基 

低,呈弱、微风化过度状态。岩体纵波波速低值点在3 500 

与基础工程专业委员会2004年学术会议论文集.北京:中国水 

m/s以下,节理裂隙发育带低于3 000 m/s。这些低速度(带) 

利学会,2004. 

坏 尔 乖 乖 尔 奈 帘 环 采 尔 

尔 术 矫 尔 矫 尔 尔 尔 

(上接第52页) 

及除险加固措施[J].人民黄河,2002,24(1o):38. 

(3)地球物理探测技术可以用于堤坝隐患的普查和详 

[3]房纯刚.瞬变电磁法探测堤防渗漏隐患[C]//全国堤防加固技 

测。但是,物探方法检测结果受到砂土、混凝土等多种物性 

术研讨会文集,1999. 

参数的影响,其结果具有多解性。同时由于干涉背景的存 

[4]房纯刚.大地电导率仪探测堤防渗漏隐患[c]//全国堤防加固 

在,会影响检测结果的分析及得到正确结论。因此,在充分 

技术研讨会文集,1999. 

了解每种检测方法的适用性及局限性基础上,一般情况下至 

[5]林君.电磁探测技术在工程与环境中的应用现状[J].物探与化 

少需有2种方法或仪器同时检测,以便互相校核及互相补 

探,2000,24(3):167—177. 

充。 

[6] 田锋,王国群.西北地区水库土石坝渗流隐患探地雷达图像特 

征分析[J].物探与化探,2006,30(6):554—557. 

参考文献: 

[7]杜国平.同位素示踪技术在堤防隐患探测中的应用[c]//全国 

[1] 王复明.大坝堤防工程质量检测与安全监控技术[J].河南水利 

堤防加固技术研讨会文集,2000. 

与南水北调,2007,(2):3-4,12. 

[8] 田世炀.综合物探在堤防隐患探测中的应用[c]//全国堤防加 

[2]王敏,王红声,谈皓,等.黄河流域大中型病险水库存在的问题 

固技术研讨会文集,2000. 


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