水库大坝水下安全保障技术探讨

卢建华，徐 轶，田金章

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉；2.国家大坝安全工程技术研究中心，430010，武汉）

水库大坝是流域防洪工程体系的重要组成部分，是水电开发的控制性工程，在保障国家防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全、生态安全等方面发挥了重大作用。我国南北方气候条件不同、地形地质条件差异巨大，地震、地质、洪涝等各类自然灾害频发，各类水库大坝在应对重大自然灾害及安全保障方面也面临越来越严峻的挑战和考验。一方面，我国水库大坝数量众多，绝大部分建于20世纪50—70年代，随着已建工程运行年限的逐渐增长，大量水工建筑物存在的先天不足、工程老化、应对突发事件保障能力薄弱等问题日益突出；另一方面，我国已建高坝大库规模庞大，一旦发生重大自然灾害引起建筑物损伤破坏，将给人民生命财产安全和经济社会发展带来巨大威胁。

水库大坝出现开裂渗漏、破损塌陷等病险情及重大安全隐患后，一般要采取放空水库或降低水位等措施检修加固。然而，有些水库放空难度极大，有些在较深水域的工程处理难度极高，特别是对高坝大库而言，放空水库的环境影响和经济代价很大。水工建筑物水下损伤隐蔽性高、时空分布随机，一直以来存在“到不了”“看不清”“处置难”的问题。因此，水库大坝水下安全保障技术是工程界必须面对和研究解决的重大课题。

本文主要分析了水库大坝的典型水下安全问题及深水检测、加固等水下安全保障技术现状，并对水下安全保障技术的发展趋势进行了探讨。

一、水库大坝典型水下安全问题

由于水库大坝常年蓄水运行，随着坝龄不断增长、结构自然老化，有些工程还遭遇高烈度地震、超标准洪水等自然灾害，不可避免会出现坝体混凝土裂缝或破损、止水失效、金属结构破坏等水下缺陷隐患，易造成大坝渗漏、变形塌陷、结构失稳等破坏。尤其是拱坝、重力坝、面板堆石坝等坝型，坝高库大，混凝土建筑物常年水下运行，水深大、水下环境复杂，各类安全问题时有发生。根据近年来的工程实践经验，水库大坝典型水下安全问题表现在以下几个方面：

1.混凝土裂缝

裂缝是混凝土坝体最为常见的病害。重力坝、拱坝等受坝体温度应力影响，上游坝面容易产生温度裂缝，并逐渐向坝体内部发展。面板堆石坝在填筑体自重和水压力等外荷载作用下，坝体的不均匀沉降变形和面板受力不均匀等易引起上游薄层面板产生结构性裂缝。裂缝发展到一定程度，将对大坝的外观、承载力和整体性产生影响，混凝土结构可能因失去承载能力而破坏。位于水下的混凝土裂缝，将对大坝的防渗性和耐久性产生不同程度的破坏。奥地利科尔布莱恩拱坝因坝体底部结构偏薄，且中下部结构过于倾向上游，蓄水运行后坝体严重开裂，首次蓄水渗水量达200 L/s，坝顶位移突增135 mm。丹江口重力坝因建设年代早、施工水平有限，初期坝体受温度荷载影响产生裂缝达1000余条，主要包括上游面水平裂缝、纵向裂缝、竖向劈头裂缝、预应力闸墩裂缝等（见图1）。

图1 丹江口重力坝初期工程坝前水平裂缝

2.混凝土变形破损

混凝土面板挤压破坏、脱空变形、错台、塌陷等是近年来高面板堆石坝面临的突出问题。面板混凝土变形破损的根源是堆石坝散粒体、面板连续体及坝基岩体之间的变形不稳定和变形不协调。面板垂向挤压破坏多发生在蓄水初期的压性垂直缝上，从坝顶向下发展；水平向挤压破坏多为沿水平施工缝的挤压破坏和面板内沿水平向的挤压破坏。堆石体变形过大会导致面板脱空过大或脱空不均匀，出现面板错台、断裂等，乃至发生面板塌陷破坏。巴西肯柏诺沃面板堆石坝因坝体变形过大，蓄水后坝顶最大沉降40 cm，沿坝轴线向河谷中心最大位移14 cm，导致L16与L17面板高程535～660 m间垂直缝挤压破坏、中下部面板水平挤压断裂和上游坝脚堆石体滑坡（见图2）。

图2 巴西肯柏诺沃面板堆石坝面板破坏

3.止水结构破坏

混凝土坝和面板堆石坝等坝型的上游坝面防渗体结构缝均布置止水材料，某种意义上止水失效比坝体裂缝带来的影响更为广泛和恶劣。因坝体混凝土厚实，而止水系统相对薄弱，且止水与坝体混凝土的连接质量不易保证。工程运行多年后，止水材料逐渐老化、破损、失效导致集中渗漏的现象较为普遍。湖南五强溪水电站大坝为常规混凝土重力坝，因坝体横缝止水铜片周边混凝土振捣不密实导致止水系统破损较严重，大坝蓄水后横缝出现渗漏。湖南株树桥、白云等面板堆石坝均出现了较大规模的止水结构破坏（见图3）。

图3 湖南白云面板堆石坝垂直缝底部铜片止水拉裂

4.金属结构锈蚀、破损、失效

闸门、埋件等金属结构因长期水下运行，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，使构件产生变形、破损甚至失效。近年来，随着水利水电工程建设规模的不断扩大，金属结构运行的环境条件也越来越复杂，面临着高水头、大孔口、超大流量动水启闭等运行条件。也有一些工程因建设质量缺陷导致金属结构破坏失效而出现事故。如2013年云南某水电站工程下闸蓄水期间发生临时生态放水孔封堵闸门损坏事故，水库几乎放空。

5.大坝渗漏

渗漏是水库大坝最常见的水下病害，是影响大坝安全的重要因素之一。主要表现为土石坝坝体长期存在渗漏、散浸、流土现象；有的坝脚甚至存在沼泽化；浆砌石坝下游坝面及坝内廊道漏水；混凝土重力坝、拱坝坝体和坝基渗漏，甚至出现大量析钙问题。同时，大坝渗漏也是其他水下病害的最终表现形式之一，坝体混凝土裂缝、变形破损、止水结构破坏、金属结构缺陷等，都会导致渗漏。

总结水库大坝的典型水下安全问题，主要有隐蔽性、多重性、滞后性等特点。因水库大坝常年水下运行，水深大、水下环境复杂，病害隐患点多面广，隐蔽性强，问题难以察觉；因荷载或变形等原因产生坝体混凝土结构性裂缝、止水失效、破损塌陷及渗漏等多重问题往往同时存在且相互交织；水下病害由量变到质变逐步发展，过程时间较长，如株树桥、白云等面板坝发现严重渗漏破坏时已运行十多年。随着已建工程的运行年限不断增长，新建工程的规模也在不断扩大，水库大坝水下安全问题呈现多发、频发态势。

二、水库大坝水下检测与加固技术

水库大坝水下病害形式多样，加固处理技术条件十分复杂，水下检测与加固技术因其针对性强、灵活性高、经济性好、环境友好，受到广泛关注。研究并采用系统的水下检测、加固等技术对于及时消除水库大坝水下安全隐患、确保工程安全运行具有重要意义。

1.相关技术概况

水下工程检测与水下加固、修复等安全保障技术最早应用于海洋工程领域。自20世纪90年代以来，各国水下工程技术的研究重点已从常规有人潜水技术向大深度无人遥控潜水方向发展，并初步形成以智能化、高效率、遥控化为特征的现代水下工程技术。发达国家在此类技术及装备的研发和产业化上处于领先，但我国引进后面临技术壁垒高、成本及维护费用高、技术更新慢等问题，而且水利水电工程水下应用环境与海洋领域差异较大，引进的技术难以直接应用。根据特殊的水域环境和边界条件研发专用的水下技术和装备是当前水利水电行业水下工程技术的发展趋势。近年来，我国在水利水电工程水下技术及装备方面已开展了大量研究，有效支撑了水库大坝安全保障能力提升。但是由于水库大坝筑坝条件、服役环境愈趋复杂，极端气候事件愈加频发，水下病害问题愈加突出，具有突发性强、隐蔽性高、发展迅速等特点，甚至可能引发灾难性后果，严重威胁大坝的安全运行。及时发现、尽早处置水下病害问题是保障水库大坝安全运行的重要内容。我国现有水下工程技术储备仍难以满足水库大坝面临重大病险隐患时的防范、应急检测与处置需求。

2.大坝水下检测技术

针对水库大坝出现病害问题时的水下检测技术，其目的是发现病害位置所在，了解严重程度，为下一步制定处理方案提供依据。根据检测性质、检测原理和检测项目的不同，水下检测技术类型较多。按检测原理的不同，可分为潜水员人工检测法、水下电视检测法（水下无人检测法）、声波法、示踪法、电法、电磁法、流场法和水下磁粉探伤技术等；按检测项目的不同，可分为水下混凝土缺陷检测、水下地形检测、水下渗漏检测、水下金属结构检测等。传统技术手段在水库大坝水下检测中得到了广泛应用，但仍存在测深小、效率低、风险高、难测准、不直观等问题。近年来，水下机器人（ROV）检测法、深水渗漏微流速声呐检测、磁电阻率渗漏检测等典型新技术在水下检测中得到推广应用，具有测深大、精准高效、安全智能、直观可视等优势。

（1）多场景水下机器人检测

随着水下无人技术、视频成像技术的不断发展，ROV视频检查、水下喷墨摄像检查在大坝水下混凝土缺陷及渗漏探测中应用越来越广泛。依托国家重点研发计划课题“大坝深水渗漏探测技术与设备”等项目研发形成的水下浮游、爬行、吸附多场景水下机器人检测系统，搭载高清摄像及喷墨示踪设备，抗流能力强，具备定点驻停详查功能，最大检测深度超过200 m，水下定位系统精度达M级，可满足水下坝体水平面、直立面和斜坡面等多种工况的检测要求，有效提高坝体水下缺陷检测的智能化水平（见图4）。

图4 水下高清摄像喷墨示踪检测

（2）深水渗漏微流速声呐检测

深水渗漏微流速声呐检测技术基于多普勒流速测量原理，对渗漏入口流速进行测量，实现高坝大库上游坝面深水微流速表面广域普查。针对水库大坝渗漏，可在库面布设4 m×4 m测量网格，通过测船下放探头测量库底流速，流速探测精度可达10-3cm/s、深度超150 m。该法可形成库底渗漏微流速分区云图，直观可视化展示渗漏流速异常区。配合水下机器人定点详查、示踪试验验证可实现水下渗漏入口精确定位检测。深水渗漏微流速声呐检测在湖南白云水电站、内蒙古霍林河水库、新疆某水电站、柬埔寨某水电站、广西大藤峡水利枢纽等国内外10多座水库大坝渗漏检测中成功应用（见图5）。

图5 水下声呐渗漏探测示意图

（3）磁电阻率渗漏探测

磁电阻率渗漏探测法系借助渗漏水体建立地下电流通道，通过仪器测量地表磁场，反演地下电流通道空间分布及渗漏路径。通过地表非接触式无损测量地表磁场，有效解析渗漏通道三维空间分布，可用于基础岩溶渗漏通道等检测。该法成功应用于江西九江瑞昌市高泉水库。高泉水库大坝为土石坝，最大坝高41.50 m，水库运行过程中出现渗漏，导致水库长期低水位运行，应用磁电阻率渗漏探测法后查明两处岩溶渗漏通道（见图6）。

图6 磁电阻率检测三维可视化成果

3.大坝水下加固技术

针对大坝水下病害的加固处理一般需要根据不同坝型和不同病害部位，采取不同的加固措施。传统的加固措施主要有放空水库干地处理、降低水位局部干地处理、水上抛投处理等。干地处理的优点是检查方便，准确率高，施工简单，处理彻底。考虑到部分水库不具备放空条件，也有相当数量的大坝采用了潜水员人工作业水下加固处理的方式。水下加固具有随时处置、经济性好、灵活性高等优势，可避免放空水库等不利影响，但也面临常规空气潜水深度受限（60 m以内）等不足。

近年来，一些新型处理技术不断发展并在工程实践中应用，使得水下加固技术不断向深水领域、复杂病害类型突破，取得了较大的进展。

（1）面板堆石坝渗漏水下处理

面板堆石坝由上游混凝土面板、趾板、接缝止水及帷幕灌浆等组成。渗漏是面板堆石坝混凝土面板裂缝、脱空、挤压破坏、止水失效等各种病害破坏的临界表现。为降低大坝渗漏量，需针对面板堆石坝主要病害特点，采取综合性的加固措施。面板堆石坝渗漏处理技术经历了由干地到水下、浅水到深水、局部到系统的发展历程。湖南株树桥、白云面板堆石坝通过放空水库全面查明病害情况，针对上游防渗体系缺陷采取了破损面板拆除及恢复、止水修复、裂缝处理、垫层料与过渡料充填灌浆、脱空处理等综合处理措施，全面恢复面板防渗体系及下部支撑结构的完整性，处理成效显著。重庆蓼叶水库、新疆某水电站及柬埔寨某水电站等面板堆石坝则通过水下检测技术查明了上游面板的集中渗漏通道，针对水下病害特点采取了集中渗漏入口灌注堵水料减渗、水下快速封闭材料嵌填裂缝、垫层料灌浆充填、面板表面柔性封闭等综合性技术措施，恢复了面板堆石坝下部支撑体和面板防渗结构，并能适应高水位时的大变形，实现水下渗漏处理由30 m向70 m深度的不断跨越。针对柬埔寨某水电站面板铺盖下部的渗漏问题，研究提出了水下铺盖料灌浆重构防渗体技术，解决了铺盖下部渗漏无法直接处理的难题，水下灌浆水深达100 m。

（2）水下混凝土裂缝处理

坝前水下混凝土裂缝是混凝土坝和面板堆石坝等常见病害。干地条件下混凝土裂缝处理主要有表面喷涂、凿槽嵌填、化学灌浆、锚固等措施。坝前混凝土裂缝的处理除针对裂缝的补强修复处理措施外，还应进行缝口防水处理，一般骑缝粘贴SR防渗盖片。水下混凝土裂缝处理仍以潜水员人工作业方式为主。

丹江口水利枢纽重力坝初期工程于1973年年底建成，因建设年代早、施工水平有限，上游坝面出现不同程度的裂缝。大坝厂房坝段（25～32坝段）102.0 m高程防渗板廊道所有横缝均出现不同程度的渗水；18坝段上游面查出水下裂缝12条，总长121 m，最深至高程126.0 m。经研究，采取浅层裂缝表面封闭法和深层裂缝灌浆法相结合的综合修补技术，水下裂缝采取凿槽填塞止水材料、骑缝粘贴SR防渗盖片以及裂缝灌浆等措施处理；人工潜水完成裂缝水下清理、钻凿、灌浆、嵌填及表面封闭等修复作业，最大水深达60 m。处理后，渗水量明显减少，缝面稳定无扩展。

金沙江观音岩水电站大坝为混凝土重力坝，最大坝高159 m，蓄水运行后大坝出现较为严重的渗漏现象，经ROV水下检测发现坝面混凝土存在多处水下裂缝，总长度达290 m。因坝前裂缝水下修补最大深度达110 m，超过空气潜水60 m的安全潜水深度，最终采用氦氧混合气潜水完成水下裂缝修补处理，主要措施包括缝面切槽、钻孔灌浆、嵌压塑性止水材料、粘贴防渗保护材料封边固定等。该项目为我国水利水电行业首次采用大规模氦氧混合气潜水作业项目，实现了百米级深水水下裂缝处理的突破。

（3）高水头大坝帷幕补强灌浆

高坝大库降低水位或放空水库进行补强灌浆施工，会影响正常效益发挥，因此，一旦需要对帷幕进行补灌，高水头灌浆往往难以避免，江垭、三峡、隔河岩等大型水利枢纽均进行了高水头灌浆。实践表明，高水头灌浆常常存在涌水现象，动水条件下进行水泥灌浆施工难度大，需要高压灌浆时大坝稳定、涌水条件下灌浆及反复待凝条件下快速灌浆等关键技术支撑。

丹江口大坝加高工程，大坝全线加高14.6 m，水位抬升13.0 m，经检测局部帷幕的防渗性能及耐久性不足，需在60～70 m高水头下进行补强灌浆。通过地质分析和现场试验，应用“大段长（10 m）、短待凝（3 h～6 h）”的快速灌浆技术，结合“湿磨细水泥+丙烯酸盐复合灌浆”分序灌浆技术，透水率减小为25%，涌水量减小为40%，确保了灌浆处理效果。该法通过分区段临时封堵排水孔和灌浆，严控抬动变形，在水库正常运行条件下，确保了灌浆施工期的大坝稳定安全。

三、技术展望

随着水下工程技术的不断发展，水利水电行业的水下检测与加固技术取得了长足进步，得到了相当数量的工程实践验证，在水库大坝水下安全保障方面发挥了重要作用。但是，我国水库大坝数量多、分布广、坝型种类繁杂、运行条件差异大，面临着地震、地质、洪涝等自然灾害频发的严峻考验。随着越来越多高坝大库不断建成运行和众多已建工程运行年限的逐渐增长，水工建筑物运行管护工作的重要性日益凸显。及时发现并消除水库大坝的病害隐患，特别是点多面广、隐蔽性强的水下病害隐患，对于保障工程安全运行具有重要意义。结合技术现状及未来应用需求分析，水库大坝水下工程技术仍有许多需要进一步解决和突破的难题，发展前景广阔。

一是实现水下缺陷检测智能、精准。精准探查水下缺陷部位和缺陷程度是分析病险成因、消除安全隐患的首要环节。近年来，水库大坝水下检测技术装备水平得到了明显提升，但仍面临以下难题：①由于水库大坝规模庞大，水下缺陷部位的未知性造成检测工作量巨大；②水库狭窄水域深水检测环境复杂，存在浑浊度高、泥沙淤积、动水等各类复杂条件；③受现有技术水平限制，水下检测的解译精度普遍不高、智能化水平低。传统潜水员检查潜水深度受限、安全风险低，应用较多的ROV视频检查仍采用遥控作业及人工观察方式，存在检测工作量大、效率低、水下复杂环境难以覆盖、定位精度差等不足。随着惯性导航、声学、光学等定位手段的不断进步，采用声学超短基线、定位浮标、惯性定位与物理标定等多种方式组合互补进行水下高精度定位的方法在水下检测潜水器和ROV中得到发展。但仍需要进一步突破300 m级高坝深水快速智能巡检技术与装备及高精度水下定位技术，实现水下坝面智能自动化巡检及水下三维可视化检测。

二是实现水下修复作业深水、高效。水下作业技术主要有人工潜水作业及有人/无人潜水器两个发展方向。自20世纪90年代以来，各国水下工程技术的研究重点已从常规的人工潜水技术向大深度有人/无人遥控潜水方向发展，并初步形成以智能化、高效率、遥控化为特征的现代水下工程技术。水库大坝因所处环境复杂或局部水域空间狭小，水下修复作业技术仍以人工潜水方式为主。2018年观音岩水电站大坝水下建筑物病害检测及补强加固工程已能实现百米级人工潜水的水下裂缝修补作业，但人工潜水作业受安全风险和作业效率等因素制约仍较大。水利水电行业目前已研制出小型化、以检测为主、具备简单作业功能的水下载人潜水器和无人作业ROV，如“禹龙”号潜水器，但仍多为试验性应用。有必要进一步开发具备常规水下修补作业功能的大坝水下作业机器人系统，弥补人工作业方式的不足；针对工序复杂的水下加固，进一步研发可快速部署的大深度载人潜水作业平台和300 m级饱和潜水技术装备及保障系统。

三是实现水下修复材料环保、耐久。我国开发了一系列聚氨酯类和环氧树脂类等传统水下修补材料，并在工程实践中得到广泛应用。受水下水体流动和环境变化的影响，传统有机类修复材料不可避免会发生老化、磨损及脱落等现象，影响修复后结构的耐久性，对水体环境造成污染。目前水库大坝水下渗漏缺陷及裂缝的常规处置方法过多依赖传统材料，封堵时效性和材料水下服役耐久性、环保性不佳，且配套水下机器人作业的各类修复材料也相对缺乏，深入研发适用于深水、动水等复杂环境下可快速施工的高耐久性、高环保性水下修复材料也是我国水下工程技术的工作重点。

四、结语

本文结合国内外水库大坝水下病害检测及处理的丰富实践，分析了水库大坝的典型水下安全问题及深水检测、加固等水下安全保障技术现状，并对技术发展趋势进行了探讨。现有的水下检测及加固技术体系仍依赖于人工遥控观察和人工潜水等方式的作业技术与装备，还难以适应高坝深水大库大范围复杂水域环境的水下检测与加固处置需求。因此需要充分利用现代信息化、无人化、智能化的水下工程技术，进一步发展并完善水下检测与加固处置关键技术装备和水下修复材料，构建相关技术标准体系，提升我国水库大坝应对重大病险隐患的水下安全保障能力。