小型水庫拱壩安全鑒定勘察問題分析

王晨浩 陳建輝

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 概 述

截至2021年底，我國現有各類水庫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地群眾生產生活提供水源保障的同時，也是水旱災害防御、農田灌溉和農村安全飲水的重要水利基礎設施。絕大多數小型水庫修建于1950—1970年間，由當地投工投勞興建而成。小型水庫普遍存在工程標準低、建設質量差、老化失修嚴重等問題，且經過數年運行，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行了除險加固，切實保障了水庫安全，有效發揮了水庫防洪、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行管護的總體要求，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；對鄉鎮村組分散管理的小型水庫，實行政府購買服務、“以大帶小”等專業化管護模式。到2025年底前，完成現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，確保水庫安全運行；完善雨水情測報、安全監測設施，健全水庫運行管護長效機制[2-3]。

水庫安全是關系社會公共安全的一項系統工程，保障眾多小型水庫安全則是重點之一。本文結合此前歷年小型水庫大壩安全鑒定、除險加固工作經驗，以浙江省3座典型小型拱壩水庫安全鑒定勘察實例為切入點，總結小型拱壩勘察實踐經驗，為進一步保障小型拱壩水庫的安全運行，提升我國小型病險水庫除險加固的勘察質量和水平提供借鑒。

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，是一個空間殼體結構[4-6]。

根據拱弧半徑和拱中心角的不同，可劃分為單曲拱壩、雙曲拱壩。結合工程實際，現狀多為雙曲拱壩(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，往往具有建設年代較早，設計標準偏低，使用功能單一，控制運用簡單，結構型式固定，施工質量不明，規模大小不一，效益千差萬別的特點。

小型拱壩監測設施往往落后于大、中型拱壩，缺少揚壓力、漏水量、壩體拱座變形、壩體接縫、壩基及壩體的應力、應變等一系列的觀測管理設備[7]，往往維修養護不及時，存在“重建輕管”“以建代管”的現象。

小型水庫為當地群眾生產生活提供水源保障，是水旱災害防御、農田灌溉和農村安全飲水的重要水利基礎設施，水庫安全是關系到社會公共安全，小型水庫大壩安全鑒定、除險加固[8]也是“十四五”期間對水庫運行管護總體要求的重要內容。

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，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80年代初期，1998年曾對大壩迎水坡進行噴漿處理，后經過幾十年的運行，在壩體及壩基不同部位出現了滲漏，滲漏量隨季節及庫水位高低發生變化，并有逐年加大趨勢，致使拱壩存在安全隱患，后經過安全鑒定，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混凝土預制塊、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，壩體易受外界環境的影響，從而引發裂縫、漏水等問題。

壩體噴漿前滲漏嚴重，庫內水面(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象，主要分布于下游壩面下部。

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

壩體見多處漏水點，左、右壩肩有明顯的噴水現象，且噴水位置呈帶狀分布，主要位于壩體表面預制塊結合部。根據壩體鉆孔注水試驗，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，右壩肩滲漏位置主要為壩頂以下7.0m和12.0m處。上游壩面上部未設置混凝土面板，鉆進過程中上部漏水嚴重，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黃尖組(J3h)熔結凝灰巖，灰綠色，塊狀構造，等粒結構，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，裂隙發育較少，巖體以微風化為主?；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，巖石以弱風化為主，含銹染?；鶐r透水率q=1.59～3.40Lu，屬弱透水性，但現場有滲漏現象，存在滲透問題。

兩壩肩巖體以弱風化、微風化巖石為主，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供水的小(2)型水庫。水庫大壩上游為佛頂山，下游臨海。庫區山坡林木茂盛，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，水庫防洪要求已達到200年一遇，已運行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象，建議進行處理。大壩壩體伸縮縫處，高水位時有少量滲漏，此現象已多年存在，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層埋石混凝土組成，壩體防滲系統主要由Ⅰ層混凝土組成。Ⅱ層埋石混凝土一般呈極微透水—微透水，滿足原設計防滲要求，僅右壩肩頂部局部屬中等透水，局部有振搗不實現象，建議進行處理。

壩體埋石混凝土，巖芯完整，澆筑時，振搗較密實，防滲性較好?；炷溜柡涂箟簭姸葹?5.2～68.2MPa，平均44.7MPa，基本滿足原設計要求。

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?；◢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，基本滿足抗滲要求。

在壩址區未見規模較大斷裂，小斷層和構造裂隙較為發育。?壩基坑內有斷層7條(F1～F7)，除F7斷層位于左壩肩外，其余均集中在河床壩基；?壩基坑內有小錯動8條(f1～f8)，均基本順河向，為高傾角斷裂構造，一般寬僅5cm，局部寬度為20cm，一般有構造碎裂巖、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；?壩基內有節理密集帶2處：Lm1密集帶寬2.0～3.0m，主要由一組節理密集而成，節理產狀：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理密集而成，節理產狀：318°,SW∠77°，間距5.0～20.0cm；?壩基內構造節理普遍發育(J1～J13)，以高傾閉合節理為主，也見有一些張開裂隙(L1～L11),一般寬2～10mm，有風化、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°。

根據現有資料及現場調查，主要工程地質問題在施工階段已經做了相應的處理。

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

b.基礎嵌槽開挖與處理。左壩肩基礎巖石經過開挖后達到弱風化中下部，性質較差的蝕變軟弱帶已經過開挖深處理，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。右壩肩基礎巖石經過開挖后較新鮮完整，達到弱風化下部，其中，“拱1”附近緩傾裂隙L11、側向陡傾節理J12和J13以及后緣F7斷層等結構面組成的不穩定體，已經挖除。河床壩基右側巖石經開挖后較新鮮完整，達到弱風化下部，左側斷層構造較發育，已經用混凝土塞做了專門性處理。

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

d.壩基滲漏與滲透穩定處理。左側河床壩基由于順河向斷裂發育集中，成為嚴重滲漏通道。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防滲井實際挖深1.9m，井長2.5m，寬1.0m，開挖后寬度為20cm，F6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，結合灌溉、發電的小(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，對壩軸線作了適當調整，大壩整體向上游平移了6m，大壩于1999年上半年基本建成。大壩在試運行過程中，發現存在裂縫和漏水，并且下游壩面出現較大面積的白色游離鈣析出物。2002年1月對大壩進行取芯鑒定，并對大壩的壩型和應力狀態進行復核計算和相關分析，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層C20混凝土，Ⅲ層C15埋石混凝土組成。

壩體填筑質量：大壩壩體填筑材料由Ⅰ層漿砌條石、Ⅱ層C20混凝土，Ⅲ層C15埋石混凝土組成。Ⅰ層漿砌條石砌筑緊密；Ⅱ層C20混凝土膠結好；Ⅲ層C15埋石混凝土振搗較密實，混凝土膠結一般，局部存在因振搗不實而形成的空洞及豎向縫隙，空洞及縫隙發育不大，且不具貫通性。

壩體防滲質量：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，局部屬強透水。

大壩防滲體系由Ⅱ層C20混凝土及防滲帷幕組成，考慮Ⅱ層混凝土的厚度及功能，歷次勘察均未進行鉆探。壩踵處未發現明顯滲水現象，鉆孔實測穩定水位均位于基巖面處，分析Ⅱ層C20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。推測施工縫存在滲漏問題，通過Ⅲ層滲出壩體，致使背水坡出現滲水點，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。

5.3 壩基安全鑒定評價

大壩壩基已開挖至微風化基巖，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基巖接觸段膠結較好，局部接觸段基巖節理較發育，透水率較大。根據本次勘察，微風化基巖屬弱透水，不存在壩基滲漏及繞壩滲漏問題。

兩壩肩節理多閉合，無充填，陡傾角，延伸短。壩體施工時已對較不利結構面進行施工處理。不存在壩基抗滑穩定問題。

6 小型拱壩水庫安全鑒定勘察總結

a.小型拱壩水庫往往因修建年代早，存在工程標準偏低、建設質量偏差、老化失修嚴重等問題，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、基礎資料，補充工程地質測繪等方式，進行復核基礎地質條件，復核穩定計算等工作。

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，往往會出現建筑材料老化、局部脫空、振搗不實等現象，致使防滲效果變差。與此同時，壩體施工多分縫處理，運行多年后，分縫間止水受熱脹冷縮影響，出現分縫間滲水、噴水等安全隱患，但往往不涉及壩體結構安全。壩體勘察期間應盡可能在充分研究設計壩體結構后布置相應的勘察工作，勘察期間需要時刻保護壩體結構，尤其是壩體防滲結構。

c.小型拱壩壩基往往坐落于地質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條件進行復核測繪工作，并結合前期竣工資料或對施工負責人、參與者進行的走訪問詢，對現狀壩基及壩肩滲透穩定、抗滑穩定等進行復核。同時，拱壩壩體運行多年，勘察期間需對壩基工程地質條件進行復核，尤其是壩基及壩肩巖體風化程度、裂隙發育程度、壩基與巖體透水性等變化。

7 現狀分析與展望

a.小型拱壩安全隱患往往突出體現為壩體滲水、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在壩體背水坡面、壩肩鎮墩附近。小型拱壩水庫的管理需盡可能多安排安全巡視稽查，各類臺賬數據需保存完整，隨時為水庫安全鑒定、除險加固勘察做準備。

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為主，無法做到沿壩體曲線鉆進，從而無法準確獲得整個壩體的數據，與此同時，物探檢測在單薄、陡峭場地下的效果往往也差強人意。希望不久的將來會涌現出更多的勘察方法、設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，都應盡可能少地擾動拱壩壩體，應盡量防止勘察期間因鉆探、壓水試驗等工作對壩體造成不可逆的損傷，導致形成新的安全隱患，勘察完成后要嚴格控制破壞部分的修復工作。

d.大數據和人工智能在當代發展迅速，近年來這兩個領域的研究相互交叉促進，產生了很多新的方法和應用技術。小型拱壩安全監測手段應與時俱進，融入更多新的監測設施和方法，如智能傳感器、數據采集系統、綜合自動化系統、視頻圖像監控、人工與智能相結合的新型安全報警體系等，不斷開拓進取，確保拱壩安全。