安徽省小型水库砌石拱坝主要病害及加固措施研究

庞牧华，李瑞忠 ，梁建

（1.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 合肥 230088；2.山东电力建设第三工程有限公司，山东 青岛 266100）

1 引言

安徽省地处中纬度，为亚热带与暖温带过渡区，受季风影响，降水年内年际变化大，洪涝、干旱等自然灾害频发。建国以来省内已建成大量防洪、除涝和灌溉等水利设施。截至2020年10月，安徽省在册小型水库中共有拱坝168座，其中砌石拱坝160座，混凝土拱坝8座，集中分布在皖南及皖西山区。这些拱坝多兴建于20世纪70至90年代，投入运行以来，充分发挥了防洪和兴利效益。受建设年代条件限制，水库大坝普遍存在建设标准低、筑坝材料控制不严、防渗体系不完善和工程老化等工程质量缺陷和安全隐患。

文章选取安徽省79座小型水库砌石拱坝为研究对象，统计砌石拱坝病害及相应加固措施，总结规律，旨在为小型水库砌石拱坝除险加固中科学合理地选取加固措施提供帮助。

2 主要病害统计分析

抽取的样本水库中，砌石拱坝的病害问题主要有防洪能力不足、坝体渗漏、坝基渗漏及消能设施损毁等，如图1所示。

图1 安徽省小型水库砌石拱坝的病害问题占比图

由图1可知，小型水库砌石拱坝病害中坝体渗漏占比72.2%，防洪能力不足占比44.3%，消能设施损毁占比30.4%，坝基渗漏占比29%，坝肩渗漏占比19%，砌缝砂浆脱落占比19%，溢流段裂缝占比29%，拱圈应力超标占比16.5%。

2.1 防洪能力不足

受建设年代的限制，水库建设时水文资料短缺，防洪标准普遍偏低，另外水库建设时的经济条件，限制了工程投资，也影响到防洪标准的确定。随着社会经济的发展，下游防护等级和防洪标准发生了变化，原有的防洪标准不能满足生产生活要求，使得目前水库防洪能力出现不足。

2.2 坝体病害

由于设计不合理、填筑材料不佳、接缝处理差，运行期出现坝体裂缝、沉降变形、混凝土材料的老化脱落等因素，导致坝体出现诸多病害。抽取的样本显示，安徽省内小型水库砌石拱坝坝体病害多表现为坝体渗漏、砌缝砂浆脱落及拱圈应力超标。

分析研究坝体渗漏发现，样本水库坝体迎水面砌体内虽设置混凝土防渗墙，但施工缝处理不规范，经多年运行，防渗墙混凝土老化现象严重，局部失效，裂缝较多，加之坝体砌缝砂浆脱落，增加了坝体渗漏的概率。大坝运行中长期处于渗漏状态，施工中引起的死缝和大坝多年运行中疲劳徐变引起的活缝时张时闭，并向纵深发展最终贯穿坝体，带来混凝土的溶蚀、冻胀，进一步危及大坝安全。

砌缝砂浆脱落多因水库建设年代的条件和技术引起。坝体建设时采用人工砌筑施工，施工质量难以控制，砌石砂浆填充不饱满，砂浆标号普遍不高，砂浆本身干缩产生裂缝，后期运行中受水流冲刷、渗透及冻融作用极易产生坝体砌缝砂浆脱落。

拱坝相对于其他坝型，由于坝体较薄，使得在同样的地形地质及水位条件下，坝体的应力水平较高。抽取的样本显示，抽样水库砌石拱坝坝体体型较薄、厚高比较小、坝体刚度偏小等因素的存在，导致坝体局部拉应力较大，有些部位甚至出现拉裂现象。

2.3 坝基、坝肩渗漏

拱坝中，坝基渗漏改变了坝基渗流条件，直接影响到坝体扬压力的大小，关系到坝体抗滑稳定和受力安全；坝肩渗漏改变两岸地下水位，影响到坝肩渗透压力大小，对坝肩岩体的抗滑稳定安全产生不利影响，危害坝体安全。大坝的渗流问题，在水库大坝的整体安全中占有重要地位。

样本水库中坝基渗漏占29%，坝肩渗漏占19%。受限于建设期设计、施工条件，部分砌石拱坝未作防渗处理或经多年运行原设置的防渗设施老化，出现局部失效。部分大坝施工前未进行详细的地勘工作，施工中坝体与基础接触不够紧密，基础面处理不好，清基不彻底，齿槽设置不当等使坝基、坝肩出现渗漏通道。正常运行中，维修养护不到位，坝体隐患得不到及时处理，也加大了渗漏危害的出现和扩大概率。

2.4 溢流段裂缝、消能设施损毁

溢流段裂缝多由综合因素造成，主要包括温度变化、砌体干缩、地基不均匀沉降或变形、施工质量问题和超载运行等，砌石坝体本身的块间和层间弱面也是应力集中的重要区域。溢流段裂缝得不到及时处理，更加剧了水流冲刷及冲蚀破坏的危害，抽取样本也显示出溢流段裂缝的存在，使得坝体过流面存在严重的冲蚀破坏。

根据现场调查情况，部分水库经多年运行，消能建筑物冲刷损坏严重，挑流消能冲刷坑较深，消能设施损毁后并未能得到及时修复，使得汛期泄洪时大坝面临下泄水流淘刷坝脚的威胁，严重影响大坝安全和水库正常运行。

3 加固措施

在对本次样本水库加固措施调研的基础上，文章总结出省内砌石拱坝病害除险加固措施主要有新建防渗面板、帷幕灌浆、新建防浪墙、溢流面衬砌等，如图2所示。

图2 安徽省小型水库砌石拱坝各部位除险加固措施占比图

由图2可知，安徽省内小型水库砌石拱坝除险加固措施如下：防洪能力方面，新建防浪墙及加高坝顶措施；坝体维修方面，采用上游新建防渗面板措施应用广泛，占比56%，坝体裂缝灌浆占比16%，改善应力则采用加厚坝体的措施；坝基、坝肩渗漏主要采取帷幕灌浆措施，占比各为27%和19%；泄洪设施除险加固措施以溢流面衬砌和整修下游护坦为主。

3.1 防洪能力提高措施

调研中发现，针对现有水库大坝防洪能力不足问题，由于现状砌石拱坝采用坝身泄洪，泄洪设施拓宽难度较大，因此，在水库除险加固中采用增加非泄洪段坝顶高程措施，坝顶高程不宜改变时，则多采用坝顶增设防浪墙的措施。这种措施投资少、施工难度小，施工中保证新建部位与坝体连成整体，两端则应与坝肩基岩相接。

3.2 坝体维修加固措施

坝体渗漏，一般是对坝体上游面进行防渗处理。本次抽取样本显示56%的砌石拱坝采用坝体上游新建防渗面板，该方法明处施工，质量易于保证且方便维修，防渗效果可靠，因而被广泛应用。施工中新老混凝土接触部位处理尤为重要，为进一步提高混凝土防渗面板与混凝土预制块的粘结强度，可设置锚筋，预留灌浆孔，进行接触灌浆。新建防渗面板施工工期较长，投资较大。

宽度较小的坝体裂缝，采用坝体灌浆处理较为便捷，灌浆一般选用环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类、铬木质素类、聚氨酯类等多种化学浆材。施工时对裂缝表面去污、去尘处理后埋设管嘴注浆，最后用密封材料进行密封。坝体灌浆投资较少，施工方便快捷，工期较短，但对施工人员要求高，灌浆时应控制好灌浆压力，防止对坝体产生不利影响。

结合坝体防渗加固处理措施，对坝体砂浆脱落、砂浆填充不饱满及坝体空洞处采用水泥砂浆勾缝处理，截断渗漏通道、增强坝体整体性。

工程实践证明，坝肩和坝底常是坝体最大应力分布区，拉应力过大容易引发坝肩失稳甚至溃坝。加厚坝体使得拉应力有了显著的降低，研究结果表明加厚坝体，坝内最大拉应力减小了30%左右，因而加厚坝体能在降低坝体拉应力上效果十分明显。

3.3 坝基、坝肩处理措施

抽取的样本显示，坝基、坝肩防渗处理中帷幕灌浆措施占比较高。帷幕灌浆以其明显降低坝底渗流压力，有效防止坝基内部产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量等优点，成为目前最有效的基础防渗处理方法并被广泛应用。灌浆处理前应查清工程地质与水文地质情况，施工时应进行现场灌浆试验，确定最佳浆液成份及灌浆压力等技术参数。位于透水性较小基岩的水库，灌浆帷幕后设置坝基排水孔，进一步降低坝底面的扬压力。

部分样本水库，基础位于节理裂隙较发育的基岩上，对基础采用固结灌浆能提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。另外基础进行固结灌浆后，可提高帷幕灌浆的压力，增强坝基的防渗性能。坝基、坝肩灌浆处理浆液选取需慎重，优先选用环保、无污染的浆液，防止对地下水质产生污染。

3.4 泄洪设施加固措施

抽取的样本显示，泄洪设施病险多为溢流面裂缝和消能设施损毁。为保证安全泄洪，除险加固中不改变原有泄洪设施布局，对裂缝处采取凿除修补的方法。挑流段需将锈蚀钢筋一并凿除，重新布设钢筋，再回填修复。泄洪设施表面修复应不改变原型体尺寸，修复后平整度满足规范要求。流速大、冲刷严重部位宜加锚筋，保证新设面层与原坝体为一整体。

下游护坦破坏多因下游岩石完整性较差，抗冲能力弱所致，除险加固中常采用混凝土回填冲坑，部分冲刷严重水库，可在坝脚设置混凝土护脚，增强坝基稳定性。

4 结语

砌石拱坝是山区水库常见的坝型之一，省内砌石拱坝建设年代多数较为久远，经多年运行坝体出现诸多问题，不仅影响水库效益的发挥，也存在较大的安全隐患。通过对安徽省近年来小型水库除险加固中砌石拱坝病害形式及除险加固措施的统计分析，发现大坝防洪能力不足、渗漏及消能设施损毁现象较为严重，采用的新建防浪墙、新建防渗面板、坝肩坝基帷幕灌浆、护坦整修等加固措施效果显著。在今后的小型水库除险加固中，可根据砌石拱坝具体病险问题，针对性地选取工程中普遍适用的加固措施。