我国水库除险加固研究进展

臧少慧,张明占,刘仲秋,章 青,夏晓舟

1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300350

2.谢寨引黄灌溉管理处,山东 菏泽274000

3.山东农业大学 水利土木工程学院,山东 泰安271018

4.河海大学 力学与材料学院,江苏 南京211100

截止2017 年，我国共拥有84917 座水库，其中406 座大型水库、2617 座中型水库和81894 座小型水库[1]。很多水库建于20 世纪50～70 年代，当时的建设资金、技术以及施工工艺比较滞后，水库的质量很难达到当前质量标准。另外，多数水库年久失修，存在安全隐患，不仅影响水库效益，在很大程度上也威胁着周边人们的生命财产安全。1954～2012 年统计数据显示，全国共发生水库溃坝3520 座，年均59.7 座[2]。通过近十余年的病险水库除险加固建设，大中型水库病险问题明显改善，但仍有大量小型病险水库亟待除险加固。本文从历史进程、设计、后评价、施工方法、管理五个方面，归纳总结了我国水库除险加固研究的进展情况，并展望了未来的研究方向。

1 历史进程

我国政府历来十分重视水库安全与病险水库除险加固工作，列入各期全国性规划的病险水库的主要信息如表1 所示。

由表1 可见，自河南“75·8”大洪水后，水库安全受到空前重视，病险水库除险加固被提上了重要位置，同时也从侧面说明了病险水库除险加固对我国水利事业，以及对民生经济等的重要性。2009年之前，我国病险水库加固建设主要针对大中型水库，此后，小型病险水库除险加固成为主要目标。病险水库除险加固的数量与投资也不断增加，尤其是1998 年以来，中央加大了投资力度，开展了大规模的病险水库除险加固工程建设。截止目前，大中型水库安全状况显著改善，但大量小型病险水库除险加固任务仍十分艰巨。

表1 我国病险水库除险加固进度及投资统计表Table 1 Statistical table on the progress of reinforcement and investment in China dangerous reservoirs

2 研究现状

2.1 设计

随着我国水利事业的发展，水库除险加固设计方面的工作也在不断加强，国内众多学者从经济、安全（渗流、沉降、溃坝）、加固次序、方案优化等方面进行了研究。

2.1.1 经济评价 孙东亚等[9]考虑水库运行期间失事概率变化及大坝失事导致的固定资产和生产损失，将风险溢价理论应用到除险加固情景分析。通过比较是否实施除险加固两种情景的成本效益分析结果，从经济角度论证了大坝和其他主要设施除险加固的可行性和必要性，也可为不同水库除险加固次序辅助决策。董胜等[10]采用蒙特卡洛法随机产生洪峰系列，并求出效益的概率分布，在此基础上采用等效分布法推求该工程经济决策指标的风险率，并分析了有关参数的灵敏度，可精确判断工程加固方案的合理程度和效益指标的高低。杨春雷[11]考虑防洪效益和风险间的关系，先利用经典蒙特卡洛随机模拟法模拟径流系列，计算防洪效益和洪水发生概率，再采用随机模拟法模拟水库在经济使用期内的水产养殖效益值并加以拟合，最后以对数正态分布拟合工程年维修费用，建立了除险加固净效益极限方程，求解出工程投资风险临界值。

通过对加固工程的经济评价，可精确判断工程加固方案的合理程度和效益指标的高低，论证加固工程的可行性，为进一步对除险加固工程方案进行优化提供了明确的思路和途径。

2.1.2 安全 冯宵等[12]针对土石坝除险加固设计的坝体渗流稳定复核，采用Geo Studio 软件SEEP/W和SLOPE/W 模块，结合坝体材料的力学参数，进行渗流和稳定计算，方便准确地为大坝安全评价提供了依据，可应用于除险加固坝坡稳定设计复核计算。赵杰[13]总结归纳出用层次分析法决定成本、质量、工期、施工安全、施工难易程度、环境影响程度六项决策指标的权重，用灰色关联度理论建立了土石坝除险加固防渗技术方案多目标决策模型，可从众多可行的方案当中选出最合理方案的方法。该方法尚需建立更详细的指标体系，运用计算机软件求解。孙文杰[14]考虑渗流场与温度场的相似性，利用ANSYS 软件强大的前处理器赋予三维有限元模型不同区域以不同材质，再进行网格划分、施加荷载、求解及后处理，分析计算出正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位下的最大水力比降，与实际水力比降进行比对，判断是否需要进行除险加固。该方法在水工运用中缺少解决自由面的无压渗流问题的能力。

除险加固工程的数值分析计算应用较少，与其施工的年份与结构特性简单有关。随着以有限单元法为代表的数值分析方法的普及，采用不同功能的数值分析软件有针对性地对土石坝等挡水结构进行渗流、稳定、沉降及其多场耦合分析，有助于准确而便捷地优化和确定除险加固方案，但应合理选择材料的本构模型以及对应的参数[15]。

2.1.3 加固次序 徐冬梅等[16]基于改进灰色聚类方法确定震损水库的加固顺序，对震损指标进行量化分析后将震损水库划分为四个灰类级别，得到了水库局部震损程度评分表，采用二元对比法和专家意见法确定了影响土石坝震损级别的各指标权重和各个水库对四个灰类的综合聚合系数。计算的综合价值测度大者，优先加固。该方法评分时具有主观影响，但有利于快速确定加固次序，提高工作效率。冯沛涛[17]提出基于信息熵权-TOPSIS 法来拟定大坝除险加固次序。通过建立大坝安全因素评价树状图，根据风险情况打分，利用熵技术法经过同趋势化、归一化处理后建立大坝矩阵表和正负理想点，通过计算各个大坝与其之间的距离及接近程度对各个大坝进行排序，值越小表明该坝更加危险，可实现大坝除险加固的重点、有次序地进行。孙东亚等[18]基于美国亚利桑那州病险水库加固排序方法，从受险人群、防洪标准、抗渗稳定性、抗滑稳定性、输水建筑物、特殊情况六个方面，采用专家评分法对各个因素进行赋分，根据总分值的大小进行排序，并考虑了地区特殊性进行的人工干预因素，方法可操作性强，结论合理。

除险加固次序的拟定对处理病险大坝问题具有重要的指导意义。基于改进灰色聚类方法和基于美国亚利桑那州病险水库加固排序方法建立的量化评分模型都需专家确定指标值，主观影响较大；而利用熵技术法对影响大坝安全性态的各因素进行统一权值确定，较为客观。对病险水库进行相对安全评价，确定大坝的安全性态次序，能够科学严谨地实现大坝有序加固。

2.1.4 方案优化 目前，我国水库除险加固方案的投入大多根据标准和规范定性确定，缺乏定量的论证。为确定最佳除险加固方案，减少主观因素影响，国内众多学者致力于把方案优化的定性分析转变为定量分析，建立了一系列量化模型。

为平衡资金投入与工程安全的问题，胡江等[19]基于已有溃坝资料建立了溃坝生命损失的快速估算公式，融合LQI 理论和风险理论，结合水利建设项目评估的有无对比的效益计算原则，提出基于LQI 的病险水库除险加固效应评价模型。该方法未考虑生态损失、经济损失等其它溃坝损失，也未考虑多失效模式组合下大坝体系失效风险率。针对决策人员对事件认识具有模糊性与局限性特点，杨杰等[20]基于区间数GRA 决策方法，并建立最优化模型，得出考虑理想最优与临界最优方案的综合关联系数，将AHP 主观赋权方法与Entropy 客观赋权方法相结合，根据求得的加权综合关联度对备选方案进行排序决策。颜祖文等[21]在层次分析的基础上，利用灰色关联方法，建立了适用于病险水库除险加固技术方案决策的灰色关系分析决策模型，并提出了基于病险类型、病害程度及大坝风险的除险加固技术方案决策方法，使技术方案的决策更具客观性和科学性。为了综合考虑水库大坝工程安全与下游居民安全、社会经济、交通等风险及对环境的影响，阮建清等[22]提出了基于风险分析的除险加固方案优选方法。首先初步识别除险加固工程施工过程中的风险类型、成因及其后果，估计和预测风险发生的可能性和相应损失大小，采用层次分析法综合分析大坝风险、加固规模、加固效果、安全程度四个指标，从而选出最优除险加固方案。为了提高对工程风险的控制能力，田林钢等[23]采用多目标智能加权灰靶决策理论，确定处理效果、与当地条件结合度、施工难度、投资成本四个决策目标，实现对病险水库的防渗设计、上游坝坡、溢洪道消能改造的设计方案决策优化。为给震损水库制定科学合理的除险加固方案，田林钢等[24]提出了基于改进熵权－TOPSIS 法的震损水库最佳除险加固方案选择。首先运用熵权法及改进的TOPSIS 求出各指标权重和综合权重，进而利用改进的TOPSIS 求出各方案的相对贴近度，确定了最佳的水库除险加固方案，为彻底消除震损水库险情、隐患提供了依据。

对多种除险加固方案进行比较分析，能很好地平衡有限的财政资金和水库等重大民生工程安全标准问题，从施工过程、社会效应等角度使病险水库除险加固标准的确定有据可依。通过量化评价模型可以定量地对各个方案进行比较，避免人为主观的局限性。

2.2 后评价

我国病险水库众多，除险加固的效果评价仍是较难实现的操作。为能够定性、定量地对病险水库加固效果做出评价，众多学者进行了一系列研究，提出了一些评价模型。

卢欣[25]根据模糊综合评判模型，通过专家打分方式确定各层指标的权重矩阵，根据最终得到的评价目标效果矩阵，对照效果满意度等级分值表做出效果评价。张计[26]同样提出了量化评价模型，把专家评分转化为符合大坝安全程度变化规律的量化评价系数，量化指标包括工程质量、运行管理、防洪安全、结构安全、渗流安全、抗震安全和金属结构安全，采用线性加权评价法进行综合评价，以大坝除险加固前安全程度为基准，得到加固后效果量化评价指标，基于“土石坝除险加固效果量化评价等级划分及其涵义表”进行评价，对于经济评价、可持续评价、影响评价等还需进一步完善。针对传统层次分析法难以求解非线性组合优化问题，王宁等[27]提出了基于模糊退火层次算法的层次分析技术，将层次分析法中描述因素集的层次单排序及其一致性检验问题转化为无约束的组合优化问题，通过比较目标函数和标准值判断是否需要专家重新打分，该结果稳定，精度较高，具有可行性和适用性。黄显峰等[28]针对水库除险加固效益评价问题，提出了遗传层次分析法，即将一致性问题检验转化为非线性求解，通过物元分析法求解关联函数及关联度，判断工程效益和设计预期效益标准间关系，但评价指标经典域、节域范围界定等问题还有待进一步讨论和研究。潘翔等[29]提出先对加固前后时效性指标进行无量纲化处理，建立指标安全度量化公式及安全等级提升系数计算公式，通过进一步数学处理，确定时效性指标的评价值及其评价等级，可有效地减少人为等主观因素对时效性指标评价的影响，使得最终评价结果趋于更加合理。

大坝安全及除险加固效果评价是复杂的综合评价项目，项目内部各种因素相互作用、相互影响。借助一些更先进的理论与方法，找到一种使指标更合理的方法，以便找出具有代表性的指标，从而建立更加科学、合理以及实用的指标体系[23]。建立大坝除险加固效果量化评价体系可以比较客观全面地反映出病险水库治理后的工程效益，以便于及时调整水库的维护管理措施。

2.3 施工

病险水库除险加固作业具有一定的复杂性，施工单位需要依照水库实际险情，采取适宜的工程方案和合理的施工技术与工艺，以达到除险、防渗、加固目的。

地基和坝体除险加固方面主要包括：高压灌浆技术，如宁化县寨头里水库[30]、南京市石窑水库、蒋家坝水库[31]的土坝防渗加固中都应用了高压旋喷灌浆技术；劈裂灌浆技术，例如南京市金坝水库涵洞两侧防渗处理采用了水泥黏土劈裂灌浆[31]；高聚物注浆技术，利用高聚物材料混合后发生化学反应形成的泡沫状固体，填充脱空和加固地基[32]，钢塑复合加筋带[33]，非开挖水平定向钻进技术[34]。用于面板堆石坝的疏松垫层加密灌浆和面板脱空充填灌浆技术[35]。多种防渗材料修补技术，例如特种黏土固化浆液防渗心墙[36]、刚塑性混凝土组合防渗墙[37]、复合土工膜防渗结构[38]。修复混凝土结构和裂缝的水泥基渗透结晶型防水材料[39]、贴嘴环氧灌浆充填裂缝[35]、遇水膨胀止水条[40]、聚脲表面喷涂材料[41]、FPSC 聚合物水泥基砂浆[41]、表面贴补材料[41]、凿槽嵌补材料[41]、树脂锚固剂材料[42]、水下不分散混凝土和PBM 聚合物混凝土[41]。在坝坡处理方面，主要包括水泥裹沙喷射混凝土加固砌石护坡技术[41]、格宾石笼[43]、土工模袋混凝土护坡技术、复合粉煤灰多孔保温砌块[44]。

经过几十年的工程实践，我国在病险水库除险加固技术方面积累了丰富的经验，基本形成了较完整的技术体系。在水库大坝加固领域的新材料、新技术、新设备与新工艺等方面还需要加大研究与推广应用力度，以推动我国水库大坝安全诊断与除险加固技术的不断进步[45]。

2.4 管理

要保证水库真正除险，非工程措施也尤为重要。近年来，国内学者针对无损探测和智能控制监测系统等方面进行了研究，对除险加固水库的管理起到了积极的作用。

除险加固探测的主要方法包括探地雷达法、直流电阻率法、自然电场法、常规电磁法、流场法、地震勘探法、温度场法、综合示踪法、磁共振法、测井层析成像法、激发极化法、冲击试验法和其他等方法，各类探测方法各具明显的特点，应科学归纳病险水库的尺寸、材料物理性质和特征参数特点，提取病险隐患典型检测信号特征，选用合适的探测方法和仪器及组合，联合探测与分析[2,46]。

在监测和管理方面，卢兴等[47]对太浦闸除险加固工程采用自动化系统设计，运用汛情会商系统、闸门监控系统、视频监视系统、多媒体演示系统综合进行监控，以冗余光纤以太环网作为监控网络结构；杨启贵[48]提出了水下声像复合查漏技术和水库安全智能评价与管理一体化系统，针对湖南白云水库大坝采用深水声像复合查漏技术，准确检测到了渗漏源、渗漏部位及面板破坏规模，并具备安全监测、运行调度、维修养护一体化管理功能，可自动生成安全评价报告，并应用到安徽、湖北、四川等多个水库工程。韩东海[49]采用了多种方法（几何水准测量、流体静力水准测量、水管式沉降仪和垂直传高的方法对芒稻闸和邵伯闸除险加固施工期进行了沉降观测，为除险加固施工和安全运行提供了依据。任翔等[50]提出各省采用统一开发数据库系统对病险水库相关信息进行采集，国家级水库大坝管理部门通过使用“中心信息管理模块”，实现数据汇总、统计分析、用户管理与信息发布等功能。水利决策部门、水利行业用户和公众通过使用PC 和PDA，由Internet 或通讯网查询系统的“信息服务模块”，以获取相关病险水库除险加固信息。钟磊[51]提出“多中心理论”，即有多个权力中心，市场、社会组织或个人都可得到相应的权力去参与小型水库的管理，可以弥补政府、市场和社会的调控协调，提高水库管理效率和活力，但要避免出现各组织以自身利益为主的“无中心”现象以及政府对社会组织干预力度过大。

在渗漏探测方法研究中，间接探测方法占据主导地位，尤其地球物理探测方法具有连续扫描、代表性广、无损伤检测等特点，具有一定的发展优势。病险水库除险加固工程包括大量信息，对各类信息进行统计，研究其相关规律，对了解我国水库工程总体情况、指导工程设计、检验实施效果等具有重要意义。

3 展望

我国大型水电工程开发将在21 世纪50 年代基本结束，病险水库大坝的补强加固将成为水利学科的研究重点[52]。根据我国水库除险加固研究现状，笔者认为应在以下几个方面进行深入研究：

（1）针对除险加固设计方案安全性方面，应结合工程的实际具体环境，结合风险分析技术，考虑其在地震、温度、化学侵蚀等特殊情况下的结构短期及长期安全分析，并从宏观、细观与纳观等角度入手，将研究对象由单一连续介质材料过渡到局部损伤及破坏的不连续材料[52]，从而有针对性分析设计，有条件的还应基于生态安全评价模型进行计算[53]，从而做到经济性、安全性和生态性的统一；对于较为成熟的计算理论与方法，建议纳入水利行业的除险加固鉴定内容相关的规范，以便指导类似工程的设计。

（2）水库除险加固对象和环境十分复杂，应在深刻理解除险加固施工技术基础上，结合新时代水生态文明建设所需的水生态修复技术体系，有针对性地采用新理论、新技术和新材料进行环境友好型除险加固施工，并加强设计与施工的匹配性，从而保障施工质量与进度。

（3）针对病险水库加固次序、方案优化和后评价方面，众多学者的定量研究应结合实际工程的投资和设计要求，基于实际示范性工程确定统一的评价体系和全部可量化评价指标，并结合专家评价方法，采用智能算法进行非线性优化组合计算；有条件的还应结合时效性指标和非时效性指标特性[29]，研究各个评价指标间的相互影响，构建相关影响的关联度矩阵和关联度模糊模型，从而提升除险加固效果综合评价的效果。

（4）病险水库加固后的运行寿命诊断和退役或改建等内容也是水利学科研究的重点，基于运行多年监测资料发展水工结构的强度、稳定与耐久性等分析理论和方法，对病险工程进行安全监控、预报与病险预警等十分重要[52]。在无损检测方面，应科学归纳各类病险目标对象的空间尺寸、物理性质和特征参数的特点，以及对探测深度和分辨率的不同要求，提取病险隐患典型检测信号特征，选用合适的探测方法及其组合；对于大型工程，还可采用无人机及其配套缺陷检测诊断系统，进行“联合”探测与分析[54]。对于水库除险加固后期监测的信息化管理，应运用大数据和智能化的理论和方法，采用多目标综合模糊模型评价和管理病险水库的健康水平[55]。同时，对技术上不可行、经济上不合理、生态环境负面影响大的病险大坝实行降等或拆除。实施大坝退役既要重视工程安全与经济论证，更要重视生态环境论证，避免或减少对社会和生态环境等的负面影响，确保在遭遇洪水或地震等情况时不出现新的安全问题[56]。

（5）对于除险加固后的中小型水库，应结合当下的“河长制”、“湖长制”实施方案，多层次、多渠道融资，不断学习借鉴国内外病险水库管理和建设的新思路、新经验、新技术、新设备，不断提高技术创新层次和水平[57]。坚持“建设与管护并重”的原则，建立水利设施运行管护长效机制[58]，提高水库的经济效益和社会效益，充分发挥水库的服务功能[59]。