小型水庫拱壩安全鑒定勘察問題分析

王晨浩 陳建輝

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 概 述

截至2021年底，我國現(xiàn)有各類水庫9.8萬多座，其中，小型水庫9.4萬多座。這些小型水庫在為當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活提供水源保障的同時，也是水旱災(zāi)害防御、農(nóng)田灌溉和農(nóng)村安全飲水的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施。絕大多數(shù)小型水庫修建于1950—1970年間，由當(dāng)?shù)赝豆ね秳谂d建而成。小型水庫普遍存在工程標(biāo)準(zhǔn)低、建設(shè)質(zhì)量差、老化失修嚴(yán)重等問題，且經(jīng)過數(shù)年運(yùn)行，小型水庫存在不同程度的安全隱患。1998年以來，中央和地方不斷加大投入力度，開展病險水庫除險加固。截至2020年底，對超過6.9萬座小型病險水庫進(jìn)行了除險加固，切實(shí)保障了水庫安全，有效發(fā)揮了水庫防洪、供水、灌溉等綜合效益[1]。

按照“十四五”期間水庫除險加固和運(yùn)行管護(hù)的總體要求，到2022年底前，完成小型水庫除險加固項目遺留問題處理；完成對已到安全鑒定期限的水庫安全鑒定任務(wù)；對鄉(xiāng)鎮(zhèn)村組分散管理的小型水庫，實(shí)行政府購買服務(wù)、“以大帶小”等專業(yè)化管護(hù)模式。到2025年底前，完成現(xiàn)有病險水庫除險加固和每年安全鑒定后新增的病險水庫除險加固，確保水庫安全運(yùn)行；完善雨水情測報、安全監(jiān)測設(shè)施，健全水庫運(yùn)行管護(hù)長效機(jī)制[2-3]。

水庫安全是關(guān)系社會公共安全的一項系統(tǒng)工程，保障眾多小型水庫安全則是重點(diǎn)之一。本文結(jié)合此前歷年小型水庫大壩安全鑒定、除險加固工作經(jīng)驗(yàn)，以浙江省3座典型小型拱壩水庫安全鑒定勘察實(shí)例為切入點(diǎn)，總結(jié)小型拱壩勘察實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步保障小型拱壩水庫的安全運(yùn)行，提升我國小型病險水庫除險加固的勘察質(zhì)量和水平提供借鑒。

2 小型拱壩水庫特征

2.1 拱壩類型

拱壩是一種建筑在峽谷中的攔水壩，做成水平拱形，凸邊面向上游，兩端緊貼著峽谷壁。在平面上向上游彎曲，呈曲線形，能把一部分水平荷載傳給兩岸的巖體，是一個空間殼體結(jié)構(gòu)[4-6]。

根據(jù)拱弧半徑和拱中心角的不同，可劃分為單曲拱壩、雙曲拱壩。結(jié)合工程實(shí)際，現(xiàn)狀多為雙曲拱壩(本文中的3座典型小型拱壩壩型均為雙曲拱壩)，見圖1、圖2。

圖1 鐵場水庫雙曲拱壩示意圖

圖2 鐵場水庫雙曲拱壩

2.2 小型拱壩水庫特征

小型水庫相比大、中型水庫來說，往往具有建設(shè)年代較早，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，使用功能單一，控制運(yùn)用簡單，結(jié)構(gòu)型式固定，施工質(zhì)量不明，規(guī)模大小不一，效益千差萬別的特點(diǎn)。

小型拱壩監(jiān)測設(shè)施往往落后于大、中型拱壩，缺少揚(yáng)壓力、漏水量、壩體拱座變形、壩體接縫、壩基及壩體的應(yīng)力、應(yīng)變等一系列的觀測管理設(shè)備[7]，往往維修養(yǎng)護(hù)不及時，存在“重建輕管”“以建代管”的現(xiàn)象。

小型水庫為當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活提供水源保障，是水旱災(zāi)害防御、農(nóng)田灌溉和農(nóng)村安全飲水的重要水利基礎(chǔ)設(shè)施，水庫安全是關(guān)系到社會公共安全，小型水庫大壩安全鑒定、除險加固[8]也是“十四五”期間對水庫運(yùn)行管護(hù)總體要求的重要內(nèi)容。

3 甘溪水庫拱壩安全鑒定勘察分析

3.1 工程概況

甘溪水庫(見圖3、圖4)位于臨安區(qū)，坐落于天目溪支流豐陵溪上，壩址以上集雨面積19.60km2，是一座兼顧防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用的小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等，壩高41m，壩型為混凝土雙曲拱壩，水庫總庫容236.29萬m3，常水位庫容196.85萬m3。

圖3 甘溪水庫雙曲拱壩軸線剖面

圖4 甘溪水庫雙曲拱橫剖面

拱壩始建于20世紀(jì)80年代初期，1998年曾對大壩迎水坡進(jìn)行噴漿處理，后經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，在壩體及壩基不同部位出現(xiàn)了滲漏，滲漏量隨季節(jié)及庫水位高低發(fā)生變化，并有逐年加大趨勢，致使拱壩存在安全隱患，后經(jīng)過安全鑒定，于2019年底完成除險加固工作。

3.2 壩體安全鑒定評價

甘溪水庫的壩體主要由兩側(cè)混凝土預(yù)制塊、混凝土心墻和混凝土砌塊石組成，下部有混凝土墊層和帷幕灌漿。水庫拱壩壩體單薄，壩體易受外界環(huán)境的影響，從而引發(fā)裂縫、漏水等問題。

壩體噴漿前滲漏嚴(yán)重，庫內(nèi)水面(高程345.0m)以上上游壩面未見明顯裂縫，迎水坡中上部為混凝土面板，下游壩面局部有輕微裂縫及滲水現(xiàn)象，主要分布于下游壩面下部。

混凝土單軸飽和抗壓強(qiáng)度為30.5～65.0MPa，基本滿足原設(shè)計要求。壩體塊石料粒徑較大，為20.0～50.0cm，級配差，混凝土膠結(jié)差，局部有空洞現(xiàn)象，埋石占整體混凝土的33%～38%，塊石表面有風(fēng)化銹著現(xiàn)象，壩體混凝土澆筑質(zhì)量較差。

壩體見多處漏水點(diǎn)，左、右壩肩有明顯的噴水現(xiàn)象，且噴水位置呈帶狀分布，主要位于壩體表面預(yù)制塊結(jié)合部。根據(jù)壩體鉆孔注水試驗(yàn)，壩體混凝土不起防滲作用，左壩肩主要滲漏位置為壩頂以下8.0m內(nèi)，右壩肩滲漏位置主要為壩頂以下7.0m和12.0m處。上游壩面上部未設(shè)置混凝土面板，鉆進(jìn)過程中上部漏水嚴(yán)重，存在壩體滲漏問題。

3.3 壩基安全鑒定評價

大壩壩基下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)黃尖組(J3h)熔結(jié)凝灰?guī)r，灰綠色，塊狀構(gòu)造，等粒結(jié)構(gòu)，新鮮巖石致密、堅硬。

左壩肩及左壩段下伏揭露基巖較為完整，裂隙發(fā)育較少，巖體以微風(fēng)化為主?；鶐r透水率q=1.32～7.62Lu，屬弱透水性，壩基存在滲漏問題，建議采取相應(yīng)措施，完善防滲體系。

右壩肩及右壩段下伏揭露基巖較為破碎，裂隙較多，傾角多為45°左右，巖石以弱風(fēng)化為主，含銹染?；鶐r透水率q=1.59～3.40Lu，屬弱透水性，但現(xiàn)場有滲漏現(xiàn)象，存在滲透問題。

兩壩肩巖體以弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖石為主，不存在壩肩順層滑動的裂隙面，不存在壩肩抗滑穩(wěn)定問題。

4 天竺水庫拱壩安全鑒定勘察分析

4.1 工程概況

天竺水庫(見圖5、圖6)位于舟山市普陀山北部，是一座為普陀山旅游區(qū)供水的小(2)型水庫。水庫大壩上游為佛頂山，下游臨海。庫區(qū)山坡林木茂盛，水庫集水面積0.56km2(其中自身0.35km2，引水0.21km2)，最大壩高27m，壩頂弧長148.5m，正常蓄水位32.0m，相應(yīng)庫容19.2萬m3，總庫容20.4萬m3。

圖5 天竺水庫雙曲拱壩軸線剖面

圖6 天竺水庫雙曲拱橫剖面

大壩于1984年11月開工，于1987年4月竣工，水庫防洪要求已達(dá)到200年一遇，已運(yùn)行20余年。壩型為混凝土雙曲拱壩，壩頂寬為2m，厚高比為0.129，屬薄拱壩。水工建筑物主要由溢流壩段、非溢流壩段、涵管及泵站等組成。

4.2 壩體安全鑒定評價

在右壩肩距壩頂1.4～2.0m的施工分縫處混凝土壩身向上游有漏水現(xiàn)象，高水位時兩壩肩距壩頂2.0m的施工分縫處混凝土壩身向下游局部有漏水現(xiàn)象，建議進(jìn)行處理。大壩壩體伸縮縫處，高水位時有少量滲漏，此現(xiàn)象已多年存在，未見增大。

大壩壩型為混凝土雙曲拱壩，壩體由Ⅰ層混凝土和Ⅱ?qū)勇袷炷两M成，壩體防滲系統(tǒng)主要由Ⅰ層混凝土組成。Ⅱ?qū)勇袷炷烈话愠蕵O微透水—微透水，滿足原設(shè)計防滲要求，僅右壩肩頂部局部屬中等透水，局部有振搗不實(shí)現(xiàn)象，建議進(jìn)行處理。

壩體埋石混凝土，巖芯完整，澆筑時，振搗較密實(shí)，防滲性較好?；炷溜柡涂箟簭?qiáng)度為35.2～68.2MPa，平均44.7MPa，基本滿足原設(shè)計要求。

4.3 壩基安全鑒定評價

大壩壩基已開挖至基巖，下伏Ⅲ層基巖一般為鉀長花崗巖(ξγ53(1)d)，局部可見細(xì)?；◢弾r(ξγ53(1)d)、輝長輝綠巖(γβ53(1)a)及蝕變軟弱帶。

大壩壩基下伏基巖透水率一般為0.20～0.81Lu，屬微透水，左壩肩11.2～15.2m處透水率為5.18Lu，大于5.0Lu，為弱透水，建議進(jìn)行處理。Ⅰ層混凝土和Ⅲ層基巖接觸段透水率為0.48～4.16Lu，屬微透水—弱透水，基本滿足抗?jié)B要求。

在壩址區(qū)未見規(guī)模較大斷裂，小斷層和構(gòu)造裂隙較為發(fā)育。?壩基坑內(nèi)有斷層7條(F1～F7)，除F7斷層位于左壩肩外，其余均集中在河床壩基；?壩基坑內(nèi)有小錯動8條(f1～f8)，均基本順河向，為高傾角斷裂構(gòu)造，一般寬僅5cm，局部寬度為20cm，一般有構(gòu)造碎裂巖、糜棱巖充填，這些小錯動一般在嵌槽底顯著變窄或趨于尖滅；?壩基內(nèi)有節(jié)理密集帶2處：Lm1密集帶寬2.0～3.0m，主要由一組節(jié)理密集而成，節(jié)理產(chǎn)狀：355°，NE∠85°，間距3.0～5.0cm；Lm2位于河床壩基F6斷層之上盤，帶寬1.0～2.0m，主要由一組張扭性節(jié)理密集而成，節(jié)理產(chǎn)狀：318°,SW∠77°，間距5.0～20.0cm；?壩基內(nèi)構(gòu)造節(jié)理普遍發(fā)育(J1～J13)，以高傾閉合節(jié)理為主，也見有一些張開裂隙(L1～L11),一般寬2～10mm，有風(fēng)化、巖屑充填或無充填，其中L5、L6、L7、L9、L10和L11為緩傾裂隙，傾角6°～25°。

根據(jù)現(xiàn)有資料及現(xiàn)場調(diào)查，主要工程地質(zhì)問題在施工階段已經(jīng)做了相應(yīng)的處理。

a.抗滑穩(wěn)定問題處理措施。兩壩肩均有緩傾角夾泥裂隙，尤其在實(shí)測高程33m以上較為發(fā)育，呈成組出現(xiàn)，間距0.5～1.0m。兩壩肩勘探豎井查明，在實(shí)測高程32m以下緩傾角裂隙減弱以至消失，巖體趨于完整，呈弱風(fēng)化。壩基已經(jīng)過開挖深處理，改善了穩(wěn)定條件。

b.基礎(chǔ)嵌槽開挖與處理。左壩肩基礎(chǔ)巖石經(jīng)過開挖后達(dá)到弱風(fēng)化中下部，性質(zhì)較差的蝕變軟弱帶已經(jīng)過開挖深處理，順河向的小錯動f1、f2、f3和張開裂隙L1、L2及節(jié)理密集帶Lm1等開挖刻槽鑿深0.5m以上，并用砂漿勾縫及混凝土回填搗實(shí)。右壩肩基礎(chǔ)巖石經(jīng)過開挖后較新鮮完整，達(dá)到弱風(fēng)化下部，其中，“拱1”附近緩傾裂隙L11、側(cè)向陡傾節(jié)理J12和J13以及后緣F7斷層等結(jié)構(gòu)面組成的不穩(wěn)定體，已經(jīng)挖除。河床壩基右側(cè)巖石經(jīng)開挖后較新鮮完整，達(dá)到弱風(fēng)化下部，左側(cè)斷層構(gòu)造較發(fā)育，已經(jīng)用混凝土塞做了專門性處理。

c.重力墩基礎(chǔ)開挖與處理。左右重力墩基礎(chǔ)已經(jīng)挖除了強(qiáng)風(fēng)化層和緩傾角夾泥裂隙帶，置于較為新鮮完整的弱風(fēng)化下部巖體上。其中，左重力墩已開挖至實(shí)測高程32.0m，右重力墩已開挖至實(shí)測高程32.5m，開挖后邊坡為1∶0.5。

d.壩基滲漏與滲透穩(wěn)定處理。左側(cè)河床壩基由于順河向斷裂發(fā)育集中，成為嚴(yán)重滲漏通道。開挖深10.0m以下，對斷層F5、F6在靠近迎水坡面處分別加挖防滲井處理。其中F5防滲井實(shí)際挖深1.9m，井長2.5m，寬1.0m，開挖后寬度為20cm，F(xiàn)6防滲井挖深2.05m，井長1.5m，寬0.6m，開挖后斷層近乎尖滅。隨后對兩防滲井進(jìn)行砂漿勾縫，并用混凝土回填。其余斷層和小錯動也做了刻槽鑿深處理。

因此不存在壩肩及壩基抗滑穩(wěn)定問題。

5 鐵場水庫拱壩安全鑒定勘察分析

5.1 工程概況

鐵場水庫(見圖7、圖8)位于浙江省蒼南縣，水庫集雨面積4.52km2，水庫正常蓄水位以下庫容為115萬m3，總庫容143萬m3。擋水建筑物大壩為變中心角變半徑漿砌石雙曲拱壩，為4級建筑物，拱壩壩高28.5m，壩頂高程為98.5m，壩頂外弧長199.2m，中心角為99°，壩頂寬2.5m，壩底高程為70.0m，壩底厚7.5m，厚高比0.263，弧高比4.18。水庫是一座以防洪、供水為主，結(jié)合灌溉、發(fā)電的小(1)型水庫。

圖7 鐵場水庫雙曲拱壩軸線剖面

圖8 鐵場水庫雙曲拱橫剖面

水庫于1997年10月開工，在壩基開挖中，對壩軸線作了適當(dāng)調(diào)整，大壩整體向上游平移了6m，大壩于1999年上半年基本建成。大壩在試運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)存在裂縫和漏水，并且下游壩面出現(xiàn)較大面積的白色游離鈣析出物。2002年1月對大壩進(jìn)行取芯鑒定，并對大壩的壩型和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行復(fù)核計算和相關(guān)分析，4月完成對大壩封拱灌漿的施工。

5.2 壩體安全鑒定評價

大壩壩型為漿砌石雙曲拱壩，壩體填筑材料由Ⅰ層漿砌條石、Ⅱ?qū)覥20混凝土，Ⅲ層C15埋石混凝土組成。

壩體填筑質(zhì)量：大壩壩體填筑材料由Ⅰ層漿砌條石、Ⅱ?qū)覥20混凝土，Ⅲ層C15埋石混凝土組成。Ⅰ層漿砌條石砌筑緊密；Ⅱ?qū)覥20混凝土膠結(jié)好；Ⅲ層C15埋石混凝土振搗較密實(shí)，混凝土膠結(jié)一般，局部存在因振搗不實(shí)而形成的空洞及豎向縫隙，空洞及縫隙發(fā)育不大，且不具貫通性。

壩體防滲質(zhì)量：壩體Ⅲ層C15埋石混凝土屬微透水—弱透水，僅鉆孔ZK1孔深5.10m處屬中等透水，Ⅲ層屬微透水—中等透水，局部屬強(qiáng)透水。

大壩防滲體系由Ⅱ?qū)覥20混凝土及防滲帷幕組成，考慮Ⅱ?qū)踊炷恋暮穸燃肮δ?，歷次勘察均未進(jìn)行鉆探。壩踵處未發(fā)現(xiàn)明顯滲水現(xiàn)象，鉆孔實(shí)測穩(wěn)定水位均位于基巖面處，分析Ⅱ?qū)覥20混凝土防滲墻整體防滲效果良好。

大壩壩體下游背水坡坡面存在多處滲水點(diǎn)。推測施工縫存在滲漏問題，通過Ⅲ層滲出壩體，致使背水坡出現(xiàn)滲水點(diǎn)，也不排除個別滲水為降水滲入Ⅲ層埋石混凝土，形成滲水點(diǎn)。

5.3 壩基安全鑒定評價

大壩壩基已開挖至微風(fēng)化基巖，基巖為燕山晚期第三次侵入的鉀長花崗巖(ξγ53(1)c)。Ⅲ層C15埋石混凝土與Ⅳ層壩基基巖接觸帶屬微透水—弱透水?；炷僚c基巖接觸段膠結(jié)較好，局部接觸段基巖節(jié)理較發(fā)育，透水率較大。根據(jù)本次勘察，微風(fēng)化基巖屬弱透水，不存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題。

兩壩肩節(jié)理多閉合，無充填，陡傾角，延伸短。壩體施工時已對較不利結(jié)構(gòu)面進(jìn)行施工處理。不存在壩基抗滑穩(wěn)定問題。

6 小型拱壩水庫安全鑒定勘察總結(jié)

a.小型拱壩水庫往往因修建年代早，存在工程標(biāo)準(zhǔn)偏低、建設(shè)質(zhì)量偏差、老化失修嚴(yán)重等問題，存在不同程度的安全隱患，其安全鑒定勘察中需通過問詢走訪建年代背景、基礎(chǔ)資料，補(bǔ)充工程地質(zhì)測繪等方式，進(jìn)行復(fù)核基礎(chǔ)地質(zhì)條件，復(fù)核穩(wěn)定計算等工作。

b.小型拱壩壩體薄，多由混凝土、埋石混凝土、漿砌條石等建筑材料組成，受制于修建年代，往往會出現(xiàn)建筑材料老化、局部脫空、振搗不實(shí)等現(xiàn)象，致使防滲效果變差。與此同時，壩體施工多分縫處理，運(yùn)行多年后，分縫間止水受熱脹冷縮影響，出現(xiàn)分縫間滲水、噴水等安全隱患，但往往不涉及壩體結(jié)構(gòu)安全。壩體勘察期間應(yīng)盡可能在充分研究設(shè)計壩體結(jié)構(gòu)后布置相應(yīng)的勘察工作，勘察期間需要時刻保護(hù)壩體結(jié)構(gòu)，尤其是壩體防滲結(jié)構(gòu)。

c.小型拱壩壩基往往坐落于地質(zhì)條件相對較好的地段，其安全鑒定勘察中需對壩基工程地質(zhì)條件進(jìn)行復(fù)核測繪工作，并結(jié)合前期竣工資料或?qū)κ┕へ?fù)責(zé)人、參與者進(jìn)行的走訪問詢，對現(xiàn)狀壩基及壩肩滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定等進(jìn)行復(fù)核。同時，拱壩壩體運(yùn)行多年，勘察期間需對壩基工程地質(zhì)條件進(jìn)行復(fù)核，尤其是壩基及壩肩巖體風(fēng)化程度、裂隙發(fā)育程度、壩基與巖體透水性等變化。

7 現(xiàn)狀分析與展望

a.小型拱壩安全隱患往往突出體現(xiàn)為壩體滲水、壩基壩肩抗滑性差等問題，因拱壩壩體單薄，各類問題往往比較直觀顯現(xiàn)在壩體背水坡面、壩肩鎮(zhèn)墩附近。小型拱壩水庫的管理需盡可能多安排安全巡視稽查，各類臺賬數(shù)據(jù)需保存完整，隨時為水庫安全鑒定、除險加固勘察做準(zhǔn)備。

b.常見拱壩大都以雙曲拱壩為主，壩體往往較薄彎曲，勘察常用手段中，鉆探往往以直線鉆進(jìn)為主，無法做到沿壩體曲線鉆進(jìn)，從而無法準(zhǔn)確獲得整個壩體的數(shù)據(jù)，與此同時，物探檢測在單薄、陡峭場地下的效果往往也差強(qiáng)人意。希望不久的將來會涌現(xiàn)出更多的勘察方法、設(shè)備以滿足拱壩的安全鑒定、除險加固勘察要求。

c.小型拱壩壩體本身在防滲、抗滑等方面起著至關(guān)重要的作用，在壩體老化、年久失修的情況下，往往需要定期進(jìn)行安全鑒定或除險加固工作。每次安全鑒定、除險加固勘察中，都應(yīng)盡可能少地擾動拱壩壩體，應(yīng)盡量防止勘察期間因鉆探、壓水試驗(yàn)等工作對壩體造成不可逆的損傷，導(dǎo)致形成新的安全隱患，勘察完成后要嚴(yán)格控制破壞部分的修復(fù)工作。

d.大數(shù)據(jù)和人工智能在當(dāng)代發(fā)展迅速，近年來這兩個領(lǐng)域的研究相互交叉促進(jìn)，產(chǎn)生了很多新的方法和應(yīng)用技術(shù)。小型拱壩安全監(jiān)測手段應(yīng)與時俱進(jìn)，融入更多新的監(jiān)測設(shè)施和方法，如智能傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、綜合自動化系統(tǒng)、視頻圖像監(jiān)控、人工與智能相結(jié)合的新型安全報警體系等，不斷開拓進(jìn)取，確保拱壩安全。