坝基工程地质勘察的优化方案

一、不同坝型对地质工作的要求

（1）土坝和堆石坝。对坝基工程地质条件的要求，可稍低一些。勘察中除料场外，应着重查明松散覆盖层和风化岩作为坝基的适宜性及其处理深度，以及坝基和绕坝渗漏等。

（2）混凝土坝或浆砌石重力坝。一般要求坝基是岩石地基。坝基岩石应有较高的承载能力和较大的抗剪强度以及较小的变形，且坝基的基岩还应较坚硬、完整。勘探中应着重查明地基岩石的各种抗压强度及其不均一性；岩石本身（主要是软弱层）之间及岩石与重力坝底（混凝土或砌石）之间的抗剪强度；岩石受断层破碎带或裂隙的破坏程度；坝基与绕坝的渗透条件；混凝土骨料或砌石料的质量、数量和运输条件。

（3）拱坝。这种坝型对两岸坝头的地形、地质条件要求较高，勘察时应着重查明坝端拱座岩体的完整性和强度，选择两岸岩石完整、坚固的部位为坝线。

二、软基勘察

以第四纪松散岩层作为大坝坝基的称为软基。

（一）软基的主要工程地质问题

（1）坝基为淤泥、黄土、粘性土等软弱土层时，其沉陷量大、承载能力低。

（2）软基的抗剪强度低，抗滑稳定及边坡稳定系数小。

（3）松散的砂层、砂砾（卵）石层的渗漏量大。

（4）又松又细的砂土容易产生液化。

（5）砂土、砂壤土等无粘性或少粘性土层容易产生管涌现象，抗冲刷能力低。

（二）软基的勘察内容及方法

首先进行地貌调查，并结合工程设计方案，布设必要的勘探剖面，查明以下几个问题：

（1）在勘探剖面上挖坑、钻探及取样试验，查明第四纪各岩层或岩组（如中砂含砾石、中细砂含卵石、砾质粗砂等）的定名、颗粒级配、空间分布、成层条件及其沉积规律。要特别注意泥质、石膏质或钙质胶结的半坚硬岩石的强度、风化及溶蚀程度；注意软化粘土、淤泥、泥炭、粉细砂、大孔性土（黄土及黄土性土）、具有架空结构的砾石卵石层和不均一的坡积层（如冲积扇或崩塌的碎石堆）以及各种具有孔穴通道等软弱土层的情况；注意相对隔水层的空间分布、隔水性能、隔水层厚度及其连续完整程度。

（2）在坑、孔中进行简易水文地质观测和抽水（或注水）试验，了解各透水地层（特别是强透水层和承压含水层）的地下水类型、水位、水质、渗透系数、厚度变化情况以及各透水层之间的水力联系和动态。并要查明坝基和坝端有无存在集中渗漏带的情况。

在无条件进行野外水文地质试验和只需概略数据时，可根据室内取样试验计算渗透系数或参考表5-1的数据值。

（3）在试验钻孔中分层取样进行物理、力学性质试验，以取得可说明各土层（或岩组）水文工程地质特性的各项技术指标。一般试验项目如表3-1所示。勘测时要根据不同地质条件和坝型、坝高与设计人员共同研究确定试验项目。试验组数一般不少于3～5组。取样时应注意代表性（有的取原状样）。无条件做试验时，可参阅表5-2、表5-4～表5-6经验数据，选用时应结合当地地质条件选用接近的数值。有条件的水库可用贯入试验取得工程设计数据。

（4）特殊类型的软弱土层，应结合水工建筑物的要求，争取在室内或在野外详细研究其工程地质特性，或者参考经验数据，以便预测是否可能产生不均匀沉陷、滑动、管涌、液化等不稳定的问题。

表3-1　松散土层试验项目表

表3-2　土层允许水平坡降（J允许）表

注 本表摘自《辽宁省中型水库调查技术总结》内部资料。

软弱土层在渗透水流作用下要保持稳定，需满足下面两个要求：

1）坝基部分的实际水平平均坡降J平均小于土层允许的水平坡降J允许。

2）坝脚下游出逸部位土体的实际出逸坡降J出逸不超过渗透破坏坡降J渗透。J平均与J逸出应通过试验或由设计人员参考适当公式直接计算求得。

J允许可参考表3-2选用。

（三）软基勘探网布置原则及要求

（1）勘探手段。以采用手摇钻、挖坑或坝端挖浅槽、物探等为主，并配合少量人力土钻。只有需要了解基岩的渗透条件时，才使用机械钻探。有条件的单位可以布置贯入试验孔。

（2）勘探剖面。最少需沿坝轴线布置一条勘探剖面和1～3条代表性的顺河剖面。地质条件复杂时，在上下游坝基范围内还应平行坝轴线再布置1～2条横河剖面，以便控制整个坝基的地质情况。孔距、孔深应根据不同地质条件和工程要求而定，以能查明上述工程地质问题为原则，一般轴线孔距为50～100m。辅助剖面孔距可以放宽。一条勘探剖面一般不能少于3个坑（孔）。勘探钻孔深度，应结合设计方案的需要而定，例如坝基覆盖层较厚，设计方案不需要考虑基岩的渗漏条件时，则钻孔打到基岩面即可。一般轴线上孔深采用1～1.5倍水头（或坝高）。孔径以能满足试验需要为原则。

三、岩基勘察

以坚硬岩石（不是松散的）作大坝地基的称为岩基。

（一）岩基的工程地质问题

（1）确定坝基可利用的岩面线。

（2）断裂破碎带、节理密集带及软弱夹层的处理措施（方法和范围）。

（3）断层、裂隙、溶洞等渗漏通道的防渗处理措施（方法和范围）。

（4）坝基及坝端的稳定性。

（5）溢流坝下冲刷问题。

（二）岩基的勘察内容及方法

1.地质测绘

在分析已有地质资料基础上，首先进行1∶2000～1∶500的地质测绘工作（包括坑槽探），了解整个坝址区的地层岩性、地质构造和水文地质条件。内容与要求详见本章第一节。测绘后应编制坝址平面地质图、代表性地质剖面图、断层总表和井、泉调查总表等，可参阅图3-5及表3-3和表3-4。

2.通过勘探剖面和配合地表测绘，要求查明的问题

（1）在剖面上进行挖坑、槽探、物探或钻探，及其岩心鉴定，以了解：

1）河床第四纪覆盖层的总厚度及各松散岩层的定名、颗粒组成、矿物成分等。

2）各坚硬岩层的岩石名称、成分、颜色、结构、风化程度、岩石完整性（要分段描述记录岩石块体大小、数量和特征）以及软弱岩层和岩体内各种软弱结构面的性质、空间分布等。即使这些软弱夹层很薄，也要在图上或记录上单独划分、描述和表示出来。

为了了解岩石风化程度随深度和随平面的变化情况，要在坑槽探和岩心鉴定时进行岩石的垂直风化分带，以便根据岩石风化及构造破坏程度（即岩石块体大小和裂隙张裂、充填性质），确定坝基可利用的岩面线，提出开挖范围。重力坝一般可利用弱风化岩顶面；土坝可利用比较完整的强风化岩作为坝基。岩石通常是表面风化最重，越往深部风化越轻。从岩面开始，一般可分为：全风化带、强风化带、弱风化带、微风化带及新鲜岩石等五带。构造破坏，则可能出现深风化囊等局部反常现象。有关岩石风化分带标准见表3-5。

表3-5　岩石风化分带标准表

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图3-5　坝址平面地质示意图

1—机钻孔；2—土钻孔；3—探槽；4—溶洞；5—下降泉；6—岩层界线；7—岩层产状；8—实测及推断正断层；9—实测及推断逆断层；10—断层破碎带；11—河流及流向；12—岩层代号，由新至老顺序如下：下奥陶系冶理组薄层灰岩；中厚层灰岩；片状灰岩与竹叶状灰岩互层；厚层灰岩；薄层灰岩夹中厚层竹叶状灰岩；上部中厚层灰岩底部厚层灰岩。上寒武系风山组薄层泥质灰岩夹中厚层砾状竹状灰岩中厚层灰岩夹竹叶状灰岩少量粉砂岩。长山组紫红色竹叶状灰岩与片状页岩互层；厚层鲕状或结晶灰岩夹薄层灰岩；中厚层鲕状灰岩。崮山组紫红色铁锰质粉砂岩夹竹叶状灰岩；薄层灰岩夹泥质灰岩；厚层粗大鲕状灰岩；深灰色薄层灰岩夹薄层黄色泥质灰岩；暗紫色粉砂质页岩夹紫红色竹叶状灰岩

根据实践经验，强风化带上部和下部的工程特性相差较大，故在岩心鉴定和野外测绘时要根据块体大小和风化程度，再细分为强风化岩上带（破碎的强风化岩）和强风化岩下带（块状的强风化岩），以便设计时选用。

（2）坝轴线上的钻孔应进行压水试验，以了解岩石的透水性（单位吸水量ω值）及裂隙性，以便绘制坝轴线渗透剖面图和研究防渗处理的深度和范围。还有承压地下水时，应测定涌水量、水头压力、初见和稳定水位以及渗透系数，并提出封闭或导出承压水的有关措施和建议。第四纪覆盖层必要时需作抽水试验以了解其渗透性（渗透系数），便于决定施工开挖时的抽水设备。

（3）在坑孔内取地下水样，同时取河水样进行水质分析，如能收集已有水质资料可不取样，研究水对混凝土的侵蚀性及是否可以饮用。

（4）在坑、孔内取岩石样品进行物理力学性质试验，了解各岩层工程地质特性。一般土坝和不高的重力坝多采用地质类比法选用表5-11～表5-13及表5-16的经验数据。必要时，可做少量代表性样品进行校核性试验，取样深度一般为1/2坝高范围内。

（5）在两岸坝端进行节理裂隙调查和详细测绘，了解坝端裂隙发育性质、规律、充填物的厚度、成分和其他物理地质现象。特别是要注意研究软弱岩层和软弱结构面（重点是顺坡向的和缓倾角的）的分布和性质，以及它们的组合关系，提出施工时的临时边坡和永久边坡的建议值及处理、预防的措施意见。必要时应布置钻孔查明坝端岩石情况及地下水位，并作压水试验求得渗透性能（ω值），作为研究绕坝渗漏和帷幕灌浆以及坝端稳定的资料。

（6）通过坑、孔观察及取样试验，按照地质制图的规定，查明断层、破碎带、节理密集带和各种软弱夹层，在坝基下提出各坝段可利用岩面高程，及其工程地质特性；研究可能产生渗漏和管涌破坏的性质和程度，以及处理措施的建议数据。

勘探后应及时编制钻孔成果表及坝轴线水文、工程地质剖面图，参见图3-6。

（三）勘探网布置的原则及要求

勘探网布置取决于坝型、坝高及地质条件。岩基勘探应着重了解基岩以下各岩层的情况：

（1）重力坝坝基。一般是沿坝轴线，布一条剖面，孔距为50～100m，孔数不少于3孔，孔深应视实际需要以能了解清楚地质条件为准。一般为1.5倍水头或打到可利用的岩面下10～15m，为了解相对隔水层或地质构造，个别孔可适当深一些。最终孔径以不影响水文地质试验和取岩样为原则，一般不宜小于91mm。

除了轴线剖面外，尚需在下游坝脚附近平行轴线最少布置一条辅助剖面。以查明地质构造和风化岩分带，但孔距可适当放宽，孔深可适当缩减。一般不做压水试验。

（2）主坝。一般沿坝轴线布一条剖面，孔距通常为80～150m，如果地质条件复杂可按需要布孔。孔深一般为0.8～1倍水头或打至可利用岩面线下5～10m。孔径同重力坝。在坝基范围内，有时还应布置土钻剖面，以查明覆盖层的性质，特别是软弱层（淤泥、细砂、泥炭等）的空间分布，一般是平行坝轴线在上下游各布置一条剖面。

（3）两岸坝端钻孔。一般孔深应打至河床高程附近，其中最高的一个钻孔位置需布置在正常库水位以上1～5m高程处，如图3-6之钻孔位置。

四、特殊地层坝基的地质勘察

（一）岩溶地基的勘察

岩溶坝基很容易沿着洞穴、暗河通道产生大量库水集中渗漏，使水库蓄不住水，或者变成干库，这些渗漏通道是不易查明和处理的，故必须特别细致地进行地质勘察工作。但只要摸清岩溶发育规律和现状，采取适当处理措施，在岩溶地基修库是完全可能的，这种成功的实例是很多的。

岩溶地基除需按岩基要求进行工作外，尚应重点进行下列工作：

（1）进行大面积（有的要超出坝址区）岩溶调查和水文地质调查，逐个描述、测量岩溶形态（如溶槽、溶沟、溶蚀裂隙、溶洞、漏斗、盲谷、暗河等）的成因、位置、高程、产状、大小规模、充填物性质及数量、地下水活动情况、洞穴间连通情况以及与地貌、构造等的关系；逐个描述、测量井、泉、坑、孔等地下水露头点的位置、高程、水量、水温、水位等以及地下水随不同季节的变化情况，特别是与降雨和河水的相互关系。以便掌握地表岩溶形态的空间分布、现状和岩溶发生、发展规律以及坝址的水文地质条件。要注意分清是悬挂式地下水还是真正的排水基准面。

（2）打钻了解地下岩溶的空间分布和洞穴、裂隙的充填情况。通过孔内压水或抽水试验，了解岩石单位吸水量或渗透系数以及地下洞穴联通情况。预测岩溶洞穴集中渗漏通道、岩溶渗漏带的宽度和垂直深度。并估算其渗漏量和提出防渗处理范围。坝端钻孔要长期观测地下水位及其与河水的相互变化关系。

（3）应分层取可溶解岩层的岩样进行化学分析。在野外可用盐酸试验（稀或浓两种）看其与岩石作用的起泡剧烈程度，来判别岩石的含硅质或铁质含量。

（4）通过地表测绘和勘探工作，查明相对隔水层的空间分布和隔水层的可靠程度（厚度、连续性和完整性）。

（5）为了解坝基、坝端洞穴连通情况，有水的洞穴可在进水洞口处放入糠壳（锯末、废机油或带有颜色的液体均可），看其是否从下游流出，无水的干洞可用熏烟等办法进行试验，以查明洞穴的出口和连通情况。

（6）勘探网的布置可不受前述各节（段）要求的限制，应以能查明岩溶的工程地质特性及防渗要求为准。

在岩溶化地基选择坝址，应结合当地岩溶水文地质条件，充分利用各种有利因素，尽量选在有隔水层的横谷（即岩层走向垂直河谷）的河段，如岩层倾向上游，倾角较陡就更为理想。当然，必须结合库区渗漏条件全面考虑。如辽宁省某河段有两个坝址，上游坝址基岩全为马家沟纯质灰岩，河床下岩溶发育，溶洞很多，渗漏严重，处理困难；下游坝址在河道陡弯处基岩表部虽为灰岩（该灰岩岩溶不发育），但下部有砂页岩隔水层埋深于坝基下20～30m深度内，钻探中未见溶洞，岩溶不发育，渗透性不大，处理不困难，较上游坝址优越。但坝址左侧有马家沟灰岩其岩层走向斜穿上游库区和下游河道，因而带来了河湾渗漏可能性。故必须全面对比。无隔水层河段则应选择弱岩溶化地段作坝址，但要根据岩石化学成分、岩溶形态、数量及规模等因素进行判断和选择。

（二）风成砂坝基的勘察

风成砂的特点是颗粒均匀，滚圆度好，比较疏松，孔隙度很大，工程地质条件不好。因此，应尽可能的避免在风成砂沉积区筑坝。如果不能避开，则要特别注意研究坝基液化、管涌、沉陷及坝基开挖的流砂等问题，如处理得好，方可建库。如辽宁省大清沟水库坝址周围均为风成砂丘，1958年建库，坝高19.3m，坝体用风成砂修筑的均质沙坝，迎水坡1∶3有块石护坡且水位变幅小，背水坡1∶7及1∶8，浸润线在下游坡脚处，低于滤水坝址，十几年来运用正常，这说明只要通过一定试验和计算，在设计施工上认真采取相应措施，在风成砂地区筑坝也是可以的。坝基勘察方法与软基勘察相同。但要着重研究以下几点：

（1）风成砂丘是活动的，还是已经静止固定了的。

（2）测定风成砂的机械成分、孔隙度及压密（作最松散及最紧密时的孔隙度与天然孔隙度的比较）、渗透系数、抗剪强度等。

（3）在渗透与建筑物自重作用下，坝基产生渗漏、液化、管涌、沉陷及坝基开挖时形成流砂等问题的可能性及其预防措施。

（三）淤泥层坝基的勘察

所谓淤泥，系指天然含水量大于液限，孔隙比大于1.0的亚砂土或亚粘土以及孔隙比大于2.5的粘土，淤泥具有高压缩性、低抗剪强度和弱透水性等特点。一般压缩系数大于0.0005m2/kN，垂直渗透系数在10-6cm/s左右，内摩擦角小于13度，凝聚力小于5kN/m2，且有机质含量高。在饱和状态下很易于稀释流动，干燥时又会大量收缩。和淤泥性质相近的土称淤泥质土。厚层淤泥一般在滨海地区、内陆湖及河流下游比较发育。冲积层中常有牛轭湖相的淤泥沉积，一般厚度较薄，常是透镜体状。淤泥是个软弱地层，对坝的稳定不利，但它又是一种隔水层，对防渗有利。故对坝基下埋藏不深的薄层淤泥或透镜体状淤泥，由于不能起防渗作用，应尽量挖除。对无法挖除的厚层淤泥，用于修建不高的土坝仍是可以的。如东沟县某水库，坝基主要为淤泥质亚粘土，其厚度为5.82～12.45m（详见表3-6及图3-7）。1958年修建成，坝高为7.2m的粘土心墙坝，上游坝坡1∶2.5，下游坝坡1∶2.0，建成后曾多次加高，多年来运用正常，基本不漏水。1971年坝高加至12m，但由于坝坡太陡和施工方法不当（在坝后取土等），曾产生大坝滑坡。后经采取垫平坝坑、下游加盖重、坝坡放缓等补强措施，效果较好。东沟县的高桥，十字街等许多小水库的拦河坝都是在淤泥、草炭土上修建的，经采取必要的措施后，十多年来都运用正常，这说明在淤泥层上修建土坝只要调查清楚，采取正确措施，如放缓坝坡、下游加盖重、加强排水设施（如可采取在坝下挖排水沟）和施工时适当控制上坝速度或其他利于坝基淤泥排水等措施仍然是可以的。

图3-7　某水库坝线地质剖面图

在淤泥上筑坝，应着重查明其空间分布、成分、物理力学及水理性质。其他同软基勘察。取样试验项目可参考表3-6。

（四）黄土及黄土状土地基的勘察

黄土的特点是粉粒含量特别多，粘粒含量则很少（一般小于10%），且粘结性很弱、结构疏松，质地均匀而轻，有极大的孔隙度（达48%～60%）。除小孔隙外，还有肉眼可见的大孔隙，故亦称黄土为“大孔隙土”。黄土在干时坚硬、坡陡、搓碎易成粉末，浸水时又会产生沉陷甚至是剧烈沉陷（湿陷）崩解。故对建坝极为不利，需特别注意。勘察时应按表3-7特征项目描述，着重研究其湿陷性对稳定的影响。例如某水库坝基就因系一不对称河谷，一岸为岩基，一岸为黄土状土，蓄水后就因黄土湿陷而产生不均匀沉陷。

表3-7　黄土与黄土状土的主要特征表

黄土状土由于结构不同，垂直方向比水平方向的渗透系数有时大4～40倍。一般K值是0.25～0.50m/昼夜。个别的是0.02～12m/昼夜。

湿陷破坏是黄土及黄土状土的独特现象，也是其主要工程地质问题。

一般可用压密性指标（Kd）来判别黄土及黄土状土是否可能产生湿陷，其公式为

如果：Kd＜0则为强湿陷；

Kd＞0.5就没有湿陷的危险；

Kd≥1.0没有湿陷而可能是膨胀。

必要时，也可在野外挖坑进行浸水湿陷试验。一般可根据野外观察及参考表3-8的经验数值，提供设计使用。

表3-8　黄土的物理、力学性质近似值