我国水库大坝病害特点及除险加固技术概述

谭界雄，位 敏

（长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，430010，武汉）

一、概 况

新中国成立以来，水利事业得到了迅速发展，我国已建成各类水库近8.7万座。但是，很多水库大坝先天不足、后天失调，致使40%左右的水库存在不同程度的病险隐患。大量病险水库的存在不但影响水库效益的发挥，而且还严重威胁下游人民生命财产及设施的安全，制约经济社会发展。病险水库已日益成为防洪体系中最为薄弱的环节和防洪安全的最大隐患。

1.病险水库分布特点

据2007年统计，全国水利系统病险水库数量累计约3.78万座，其中大型水库287座、中型水库2 122座、小（1）型水库 9 057 座、小（2）型水库约2.6万座。病险水库涉及我国各大流域，就区域而言，南方地区病险水库多于北方地区。按流域划分，大型病险水库长江流域最多，松辽流域次之，黄河与淮河流域相差不大，太湖流域最少；中型病险水库长江流域最多，黄河流域次之，松辽流域与珠江流域随后，太湖流域最少。按省份划分，湖北、湖南、江西三省水库总量较多，相应的病险水库也位居前列，而天津、甘肃、西藏及北京的病险水库数量均较少。

2.病险水库坝型特点

我国水库大坝数量大，分布广，坝型多。就坝型而言，主要有土石坝、浆砌石坝和混凝土坝等。据统计，在我国已建水库大坝中，数量最多的为土石坝，约占90%；其次为浆砌石坝，约占6%；其余为混凝土坝，约占4%。在土石坝坝型中，以均质土坝居多，约占66%；黏土心墙坝次之，约占30%；其余则为黏土斜墙坝等。根据统计的1 744座病险水库除险加固资料，病险水库中水库主坝坝型为土石坝的约占93.3%，浆砌石坝约占5.6%，其余为混凝土坝。因此，在病险水库除险加固中，土石坝加固分布最广，数量最多，其加固技术在病险水库除险加固中占有十分重要的地位。

二、病险水库病害特点

我国水库尽管数量众多，但绝大多数是中小型水库，其主要建筑物通常由挡水建筑物、泄水建筑物及输水建筑物等组成，少部分水库有发电建筑物。根据 《水库大坝安全评价导则》（SL 258—2000），对于水库大坝安全状态，主要从工程质量、运行管理、防洪标准、结构安全、渗流安全、抗震安全及金属结构安全等方面对水库大坝进行全面评价，对水库大坝病害进行诊断，确定水库大坝安全类别。

为了分析我国安全类别为三类坝的水库大坝存在的主要病害问题，统计了国内129座经安全鉴定为三类坝的水库大坝的病害问题。按照《水库大坝安全评价导则》（SL 258—2000）分类，各类大坝安全问题比例分布见图1。统计分析表明，三类坝病险水库中，常见病害、多发病害主要为以下几个方面：

1.水库防洪标准不满足规范要求

主要表现为大坝坝顶高程不够或泄水建筑物泄洪能力不足。主要原因：①随着水文资料系列的延长，设计洪水洪量、洪峰和洪水过程发生较大改变；②原设计洪水标准本身偏低，不满足现行规范要求；③泄水建筑物因过流断面偏小或淤塞等原因，泄洪能力不足；④泄水建筑物存在安全隐患，不能正常泄洪；⑤因经济社会发展，泄水建筑物下游无行洪通道，无法泄洪等。

2.水库大坝稳定和强度不满足规范要求

主要表现为土坝坝体滑坡，重力坝、拱坝结构变形、裂缝等。主要原因：①土石坝坝坡偏陡，重力坝建基面或沿基础深层结构面抗滑稳定安全性不够；②拱坝坝肩单薄或存在软弱结构面，坝肩稳定性不足；③土石坝坝体填筑质量差，坝体填料抗剪强度偏低，影响坝体抗滑稳定；④浆砌石坝砌筑质量差，影响大坝整体稳定性；⑤混凝土或浆砌石重力坝帷幕和排水失效或部分失效，造成大坝稳定性降低。

3.水库大坝渗漏严重，影响大坝安全

主要表现为土石坝坝体长期存在渗漏、管涌、散浸、流土，甚至有的坝脚呈现沼泽化；浆砌石坝下游坝面及坝内廊道漏水。主要原因：①土石坝土质防渗体渗透性不满足规范要求；②土石坝下游无排水棱体或已失效；③坝下涵管管壁与坝体接触部位由于设计或施工等原因发生冲刷；④土石坝坝基、坝肩清基不彻底，坝基基岩未采取渗控措施或防渗措施设计不合理；⑤浆砌石坝砌体不密实，上游防渗面板混凝土产生裂缝，止水被破坏等。

4.泄水、输水建筑物强度与结构稳定性不满足规范要求

主要表现为溢流坝闸墩结构裂缝、变形，泄槽出现冲蚀破坏，下游冲刷破坏严重，输水隧洞衬砌出现裂缝、冲蚀、漏水，涵管出现漏水、裂缝甚至断裂。主要原因：①溢流坝闸墩结构单薄，混凝土强度低；泄槽未衬砌或衬砌质量差；泄槽底板基础变形，混凝土产生裂缝甚至坍陷；消能工未完建或无行洪通道。②输水隧洞衬砌结构施工质量差，强度低或设计不完善。③涵管基础差，不均匀变形严重，涵管结构强度低等。

5.抗震标准不够

主要表现为大坝等建筑物抗震安全性低，安全系数不满足规范要求。遭遇地震时，坝体出现裂缝、沉陷、变形和滑塌，土石坝中细砂或黏性土存在液化可能，降低坝坡抗滑稳定性。主要原因：①在水库大坝建设时期，对地震设防认识不足或根本没有考虑地震设防安全措施；②地震设防标准低，不满足现行规范要求，遇地震易产生纵、横向裂缝或震陷。

6.闸门、启闭机设备老化，锈蚀严重

主要表现为部分闸门高度不满足挡水要求，闸门变形，启闭机不能正常启闭。主要原因：①部分水库在建坝时，水文资料缺乏或变化，现复核闸门高度不满足要求，或水库调度的改变，造成闸门高度不够；②闸门因长期运行老化，锈损严重，导致结构构件截面积减小，结构强度、刚度、稳定性降低，承载力下降，构件产生变形；③启闭设备老化，启闭力不足，闸门的行车轮、导向轮锈死或不灵活，影响闸门正常启闭。

7.管理与监测设施陈旧落后或不完善

主要表现为：①水库缺少防洪和兴利调度运用规程或未按审批的防洪和兴利调度运用规程进行水库调度；②管理制度不完善；③水库的水文测报、大坝观测系统不完善，或监测设施陈旧、失效、损坏严重，甚至没有水文测报及观测设施；④运行管理人员素质差，责任心不强，管理监测手段落后。

三、病险水库除险加固技术概述

我国病险水库数量大，坝型多，各建筑物差异大，为安全、有效、经济地对病险水库进行除险加固，需进行除险加固技术研究。根据上述我国病险水库坝型及其病害特点，总结我国近年病险水库大坝除险加固经验，按坝型对常见病害加固处理技术进行概述。

1.土石坝加固技术

（1）提高防洪标准的加固技术

提高水库土石坝防洪标准的加固措施主要有两种：①加设防浪墙。在无防浪墙的大坝坝顶上游加设防浪墙，防浪墙高度一般为1.0～1.2 m。②加高大坝坝体。加高分为3种方式：a.在原大坝下游培厚并加高坝顶。这种方式不影响水库蓄水，也不受水库蓄水限制。丹江口水利枢纽工程左岸土石坝加高就是采用下游培厚加高的方式。b.在原大坝上游面培厚大坝并加高坝顶。这种方式适用于大坝上游坝坡抗滑稳定不满足规范要求或下游坝坡地形、地物不容许培厚加高的条件。在水库大坝上游坡培厚加高需降低库水位或放空水库，在设计中应研究合适的施工期控制库水位方式。c.戴帽加高。在土石坝坝体加高高度相对不大且原坝体的填筑质量较好、坝坡抗滑稳定有一定安全裕度时，可采用在坝顶戴帽加固的方式。

（2）防渗加固技术

土石坝防渗加固措施可分为水平防渗和垂直防渗两大类，原则是上堵下排，使其渗透坡降不超过允许坡降，保持土体的渗透稳定。

①混凝土防渗墙。混凝土防渗墙加固土石坝，主要是采用钻凿、抓斗等方法在坝体或地基中建造槽形孔后，浇筑成连续的混凝土墙，达到防渗的目的。混凝土防渗墙适用性广，实用性强，施工条件要求较宽，耐久性好，防渗可靠性高，现广泛应用于我国病险水库土石坝防渗加固中，如江西油罗口水库，湖北陆水水库、青山水库，安徽卢村水库、钓鱼台水库等，均采用混凝土防渗墙防渗加固，取得很好的防渗效果。

②高压喷射灌浆。高压喷射灌浆适用于淤泥质土、粉质黏土、粉土、砂土、砾石、卵（碎）石等松散透水地基或填筑体内的防渗工程，具有可灌性好、可控性好、适应性广、设备简单及对施工场地要求不高等特点。目前国内病险土石坝防渗加固采用此法的工程较多，如广西客兰水库、布见水库、三利水库等。但应注意的是，高压喷射灌浆防渗效果受地层条件、施工工艺及技术参数等影响较大，需要通过现场高喷试验确定其施工技术参数，对施工队伍的经验要求较高，含有较多漂石或块石的地层应慎重使用。

③劈裂灌浆。坝体劈裂灌浆是在土坝沿坝轴线布置竖向钻孔，采取一定压力灌浆将坝体沿坝轴线方向（小主应力面）劈开，灌注适宜的压力泥浆形成竖直连续的浆体防渗泥墙，从而达到防渗加固的目的。该加固方法技术机理明确，施工简便，工效高，费用低，目前已应用于部分省市病险水库土坝和险堤工程。但一般只适用于坝高50m以下的均质坝和宽心墙坝，且要求在低水位下进行施工；灌浆压力不易控制，灌浆过程中坝体易出现失稳、滑坡；灌入坝体中的泥浆固结时间较长，耐久性较差；对施工队伍的经验要求较高。

④土工膜。土工膜是一种由高聚合物制成的透水性极小的土工合成材料，具有很好的防渗性、弹性和适应变形的能力，能承受不同施工条件下的工作应力，广泛应用于水库大坝和堤防的防渗工程中。我国先后在云南省李家菁水库和福建省犁壁桥水库土坝采用土工膜进行防渗加固，取得了良好的防渗效果。

⑤其他防渗方式。冲抓套井回填黏土防渗墙是利用冲抓式打井机具，在土坝或堤防渗漏范围中造孔，用黏性土料分层回填夯实，形成连续的黏土防渗墙，截断渗流通道。该法具有机械设备简单、施工方便、工艺易掌握、工程量小、工效高、造价低、防渗效果较好等优点，中小型水库土坝使用较多；缺点是造孔深一般不超过25m，否则易发生偏斜，对处理坝基渗漏和地下水水位以下部位较难，雨季不适宜施工。

倒挂井防渗墙即在土石坝防渗体中用人工开挖井孔，在井口浇筑锁口梁后由上向下逐段开挖，逐段浇筑钢筋混凝土衬砌，开挖到位后回填混凝土或黏性土。该方法具有施工安全度高、工程量小、相应设备易制作等优点，但处理深度一般不超过20 m。目前，采用倒挂井防渗墙主要用于坝体局部防渗处理，尤其适用于土石坝坝体内输水涵管部位的防渗处理。陕西石头河水库土石坝、丹江口水库左岸土石坝加固均成功采用倒挂井防渗墙施工，防渗效果良好。

（3）坝坡稳定加固

土石坝坝坡稳定加固处理原则是设法减少滑动力与增加抗滑力，加固处理措施可概括为“上部减载，下部压重”。土石坝坝坡加固一般采取以下措施：

①削坡放缓：坝体局部坝坡抗滑稳定不满足要求，且坝顶较宽，可适当削坡放缓坝坡。②培坡放缓：坝坡较陡引起坝体失稳的，可采取培厚放缓坝坡以满足稳定要求。③增设防渗、排水设施。④置换筑坝材料：坝体填筑材料性能较差，局部稳定不满足要求时，可挖除原坝坡筑坝材料，换填性能较好、透水性大的材料，从而提高稳定性。⑤加密坝体：对于坝体填筑密实度较差的砂性土坝，坝坡稳定不满足要求时，可采用振冲或挤密砂桩等方法提高坝坡填筑材料的密实度，从而增大填筑材料的强度，使坝坡稳定满足要求。

（4）抗震加固

砂基或采用砂土填筑的土石坝，在地震作用下可能产生液化破坏或抗震安全度不够，对其抗震加固可采取置换、人工加密、抛石压重以及设置排水减压井等方法。置换是将液化区砂土挖除，填筑块石石渣等抗液化性能好的材料；人工加密可采取振冲、强夯等措施提高砂土的密实度，使砂土达到抗液化的能力；抛石压重是在砂土表面加压，提高砂土的有效应力，从而使其能够抵抗地震液化；排水减压井是在砂层内设置砾石或碎石井，消散地震荷载产生的超静孔隙水压力。

（5）护坡加固改造

护坡是土石坝坝体结构的重要组成部分，由于长期受风浪、水浸、冻融、坝体变形等影响，容易发生破坏。护坡加固时可根据现场实际及损坏情况采取局部翻砌维修、细石混凝土或砂浆灌注加固、拆除重建等工程措施。上游护坡可采用块石护坡、现浇混凝土护坡及预制混凝土块护坡；下游护坡可采用草皮护坡、格构草皮护坡、块石护坡、现浇混凝土护坡及预制混凝土块护坡等。对于具有旅游、生态功能的水库，加固时上下游坝坡应选用具有美化、生态功能的护坡形式。

2.重力坝加固技术

（1）坝体加高

对不满足计算高度的大坝进行加高时，加高形式需考虑坝体应力、稳定条件、水库运行要求、施工条件以及投资费用等因素。目前国内外重力坝坝体加高方式可分为后帮式、前帮式、外包式和直接戴帽加高式等。按新浇筑坝体和原坝体的接合牢固情况可分为整体式、半整体式和分离式。

（2）防渗加固

渗漏分为坝体渗漏和坝基渗漏两种情况。坝体渗漏导致坝体扬压力上升，侵蚀坝体物质，特别是对于浆砌石坝体，渗漏会导致坝体胶结物析出，块石风化加速；坝基渗漏导致基底扬压力增大，不利于坝体稳定，长期坝基渗漏侵蚀坝基岩体，造成破坏。

①坝体防渗加固：对于浆砌石重力坝、混凝土重力坝，坝体防渗加固主要方法有新建防渗板、防渗涂层、防渗灌浆等。②坝基防渗加固：重力坝坝基渗漏一般采用灌浆进行加固处理，可采用水泥灌浆、水泥与黏土混合材料灌浆或化学材料灌浆等。

（3）裂缝补强处理

裂缝处理基本方法可分为3种，即表面修补法、内部修补法和锚固法。位于混凝土表面且其表面有防渗漏、抗冲耐磨等要求的裂缝，应进行表面处理；对削弱结构整体性、强度、抗渗能力和导致钢筋产生锈蚀的裂缝，要进行内部处理；对危及建筑物安全运用和影响正常功能发挥的裂缝，除进行表面处理、内部处理外，还需采取锚固或预应力锚固等结构措施进行处理。

3.拱坝加固技术

（1）防渗加固

①坝体防渗加固。对于混凝土拱坝，横缝受到破坏会发生渗漏；对于浆砌石拱坝，因未设防渗层导致砌缝处理不当或设有防渗层但施工质量差等问题均会引发渗漏。解决坝体防渗可以采用灌浆、喷涂防渗层、浇筑防渗面板等措施。

②坝基与坝肩防渗加固。拱坝坝基和坝肩渗漏会造成扬压力偏高，恶化坝基坝肩地质条件，对坝肩稳定形成威胁，同时降低水库的运行效益。坝基渗漏及坝肩绕坝渗漏一般采用帷幕灌浆处理，坝肩地下水水位较高时，可在坝肩设置排水孔或与帷幕灌浆组合设置。

（2）坝体结构加固

①坝体结构加固。坝体结构加固可采用上游面加厚、下游面加厚或两者结合的方式，加厚部位可根据工程具体情况布置在中下部、中上部或整个坝体高度内，在拱圈平面上可采取等厚或不等厚方式。

②坝体裂缝处理。对裂缝处理一般采用凿槽充填法和灌浆法，凿槽充填法是对裂缝表面进行处理，可采取环氧砂浆、柔性复合止水材料等；灌浆法是对裂缝深层进行处理，可采取水泥灌浆和化学灌浆。对拱坝而言，大多采用化学灌浆，根据拱坝受力特点，裂缝灌浆宜选在低温、低水位条件下进行，灌浆压力及布孔方式应根据工程具体情况确定。

③坝肩加固。坝肩岩体加固措施可采用排水孔（洞）、固结灌浆、锚固抗滑桩、推力墩或预应力锚索等处理措施或综合处理措施。

4.金属结构加固改造

病险水库中金属结构主要包括各种金属闸门、启闭机及其各种闸阀和控制设备。受建库时设计、制造、安装技术等条件的限制及其他社会因素的影响，部分金属结构设计不合理，存在制造、设计、安装质量差等问题，经过几十年的运行，金属结构多数已陈旧老化，并已到了折旧年限，一般应根据实际情况采取拆除、设计更换或除锈翻新等措施。

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