病险水库主要问题及除险策略

刘志明，汤洪洁

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

水库大坝安全一直是世界坝工领域普遍关注的重大问题。由于在江河上筑坝是与大自然相处的一个过程，对自然规律认识的局限性、前期工作的不足、施工质量控制不到位、加上长期运行的损耗，病险水库的存在是一个普遍现象，也是世界坝工领域的一个难题。因病险水库对下游人民生命财产带来了较大的安全隐患，我国党和政府对此给予了高度重视，在成功建设了众多世界级高坝的同时，也解决了病险水库除险加固的难题。

1 水库大坝除险加固实施总体情况

根据《2018年全国水利发展统计公报》，我国水库数量由新中国成立初期348座增加到9.88万座，其中大中型4690座、小型9.41万座。据统计，大中型水库50%以上、小型水库75%以上建于20世纪50至70年代，坝型以土石坝为主。限于当时经济水平和技术条件，水库大坝建设存在建设标准低、设计方案不尽合理、工程质量差等问题。因此，50年代至70年代，曾经出现较多的溃坝事故，其中1960、1961、1963三年，全国溃坝数量年均超过150座，特别是在“75.8”大洪水中，河南板桥、石漫滩、竹沟、田岗等4座大中型水库和58座小型水库溃决，造成巨大的人员伤亡和经济财产损失。从那时起，我国加大了病险水库除险加固力度，但受当时经济发展水平限制，也仅是针对重点问题进行了局部加固，大坝管理监测设施基本没有考虑。1986年水利部开展了重点病险水库除险加固工作，确定了43座全国重点病险水库，标志着病险水库除险加固工作的全面展开。1992年又确定了38座全国重点病险水库，两批次共确定重点病险水库81座，其中大型水库69座，影响30万人口以上城市的重要中型水库12座。

1998年，长江、松花江和嫩江发生全流域性特大洪水后，国家先后启动了《全国病险水库除险加固专项规划》《东部地区重点小型病险水库除险加固规划》《全国重点小(2)型病险水库除险加固规划》《关于切实加强中小河流治理和山洪地质灾害防治的若干意见》《加快灾后水利薄弱环节建设实施方案》等多项规划的四轮病险水库除险加固。至2020年底，共安排资金1553亿元，对2800多座大中型和6.9万多座小型病险水库进行了除险加固。加固范围之广，种类之多，投资之巨大，是世界上任何国家都无法比拟的。病险水库加固，充分体现出中国共产党以人民为中心，群众生命安危至上的执政理念，充分体现出社会主义制度的优越性，使数万座水库大坝焕然一新，在保障国家水安全的新的征程中发挥更好的作用。2008年“5.12”汶川8.0级强烈地震作用下，地震区2000多座水库大坝无一溃坝，就是病险水库除险加固成就的集中体现。

2 病险水库主要问题

我国病险水库的病险问题呈多样化，主要涉及大坝、泄洪建筑物、穿坝输水建筑物等“三大件”，主要表现为防洪标准、泄洪能力、抗震标准等达不到设计标准，大坝稳定性差，坝体或坝基渗漏严重，输放水及泄洪建筑物老化或损坏，金属结构或机电设备不能正常运行，管理设施和观测设备不完善等问题。大中型水库与小型水库的病险特点有所不同。

2.1 大中型水库病险问题

大中型水库前期勘测设计工作相对较为完善，施工质量总体可控，但部分工程受建设时基础资料不足、设计施工水平有限、资金不足等因素影响，使得一些工程存在“先天不足”情况。水库病险问题主要表现在以下几个方面：

一是早期的水库水文系列短或者水文计算参数选用不合理，导致水库防洪标准不能满足设计要求。例如，1995年7月浑河流域发生大洪水，浑河设计洪水成果增大很多，以新的浑河洪水系列复核大伙房水库，其实际抗御洪水标准已达不到原设计要求，连带浑河下游重点城市和经济区防洪均达不到设计要求。

二是随着工程抗震标准、大坝填筑或碾压设计标准、结构稳定安全系数等设计规范或标准的更新提高，导致原设计采用的安全标准偏低。例如，新丰江水电站原水库大坝设防烈度按地震基本烈度6度考虑，水库于1959年10月下闸蓄水后，库坝区开始频频发生有感地震，1960年9月大坝按地震烈度8度进行第一期抗震加固。但1962年3月坝址区附近又发生震级6.1级的强烈地震，右岸13—17号坝段出现了长达82m的水平裂缝，为此二期加固工程大坝按抗震设计烈度9.5度与正常蓄水位116.00m组合工况进行加固，保障了水库大坝安全。

三是早期技术认知不足，导致设计或施工不能达到原设计的工程功能要求。如毛家村水库泄洪洞原设计最大泄流量为1320m3/s，由于原设计对斜井式泄洪洞和高速水流尚缺乏经验，泄洪隧洞虽经消缺和补强加固及反弧段改建等补救措施，但泄洪能力仍然难以达到原设计水平。

四是长期运行导致泄水、输水、发电建筑物以及金属结构、机电等设备老化，影响工程运行的安全性。例如：佛子岭水库工程是建国初期第一批治淮骨干工程之一，1952年1月开工建设，1954年11月竣工。工程经历了多次洪水和地震的考验。但水库运行近50年，存在年久失修、运行设备陈旧等问题，降低了防洪度汛能力，对下游造成安全威胁，因此，于20世纪末对该工程进行了除险加固，并于2002年完成。

五是受前期管理水平及资金所限，管理设施较为落后，需要更新改造。如部分病险水库的水文测报、大坝观测系统不完善；管理手段和管理设施陈旧落后；防汛道路标准低，防汛设施配备不完善等。

2.2 小型水库病险问题

小型水库数量大、分布广，早期主要靠发动农村群众自行建设，民间称为“两山夹一洼，中间打个坝”，建设的水库多数存在工程标准偏低、建设质量较差、老化失修严重、工程管理落后、配套设施不全、缺乏良性管理等一系列问题，主要表现在以下几个方面：

一是水库安全标准低。许多小型水库建设时缺乏足够的水文资料，后因水文系列变化或水库运用方式改变，导致水库防洪标准降低，大坝坝顶高程不满足规范要求，水库泄洪能力不足等。

二是坝体、坝基渗漏严重。大坝，尤其是土石坝，存在坝基渗漏、绕坝渗漏、接触冲刷破坏、散浸、沼泽化、流土、管涌等严重问题，危及大坝安全。

三是输、放水及泄洪建筑物老化、破坏较为普遍。许多水库存在输、放水建筑物断裂、冲蚀、漏水等问题，严重影响建筑物结构的整体性，特别是遇坝下埋管(涵)时，极易导致接触冲刷破坏，危及坝体安全。金属结构和机电设备老化、锈蚀严重、止水失效，正常运转非常困难，严重影响水库安全。

四是管理设施、通讯、观测设备等不完善。大多数小型病险水库没有水文测报、大坝观测系统，许多水库的管理设施陈旧简陋，没有通讯预警系统，防汛公路标准低，甚至没有防汛道路。

3 水库大坝除险加固的程序和技术特点

3.1 险除加固基本程序

早期大批水库的建设是运动式的，但大规模病险水库除险加固是科学的、规范的，有严格的建设程序和技术指导。保障水库除险加固取得圆满成效的基建程序包括以下几个方面：

一是对水库进行安全鉴定。水利部颁发了修订后的《水库大坝安全鉴定办法》，明确规定了大坝安全鉴定程序，包括大坝安全评价、大坝安全鉴定技术审查和大坝安全鉴定意见审定，鉴定组织单位、鉴定承担单位、鉴定审定部门的权限和职责，不同等级水库大坝鉴定单位的资质要求，以及鉴定工作的主要内容等。通过科学严谨的安全鉴定，保证对病险水库的诊断基本准确。

二是加强水库除险加固项目的前期工作。原国家计委、水利部多次就病险水库除险加固出台管理办法，明确凡申请中央投资的水库加固项目，必须提交大坝安全鉴定书和水利部大坝安全管理中心的复核意见，提交初步设计批复文件；大(2)型水库或投资2亿元以下、3000万元以上的水库加固项目，或投资3000万元以下但需要中央投资的项目，其初步设计必须经过流域机构复核后，按事权由相应政府主管部门审批；大(1)型水库或投资2亿元以上的水库加固项目，编制初步设计之前必须编报可行性研究报告，由原国家计委审批。对于小型病险水库加固项目，水利部专门印发《重点小型病险水库除险加固初步设计指导意见》，指导地方小型水库加固项目的设计工作更加科学合理。

三是加强建设管理。完善水库加固项目的建设管理体制，全面落实项目法人责任制、招标投标制、建设监理制、合同管理制；针对小型水库加固工程项目小、难以吸引优秀施工队伍的特点，允许对同一地区多个小型水库加固项目实行打捆招标，保证建设队伍的专业性，保证水库加固的质量。

四是落实管养经费。水库加固工程完工后，必须按照SL 223—2008《水利水电建设工程验收规程》进行验收，并按照《水利工程管理体制改革实施意见》落实加固后水库的管养经费。

3.2 险除加固主要技术特点

我国病险水库多，涵盖大中小型水库和各种坝型，这些水库所处的地理位置不同，地质条件有差别，影响的范围和存在的问题也不一样，每个加固工程各有自己的特点。归纳起来，除险加固工程所采取的加固方案应做到经济上合理，技术上可行，主要技术特点概括起来有以下几点：

一是因地制宜，对症下药，保障水库功能得以恢复和加强。防洪安全是水库大坝核心功能，也是除险加固第一要义。提高水库防洪能力的除险加固技术主要有3种：①加高大坝，增加库容、提高水库调蓄能力；②加大泄洪建筑物规模，扩大泄洪能力，降低水库设计或校核洪水位；③加固坝体和坝基，提升结构物和基础的自身安全性和稳定性。对于大坝加高来讲，土石坝和混凝土坝各不相同。土石坝加高一般在下游坝坡培厚加高，可不放空水库，在加高施工过程中可保持水库一定的运行效益；但坝坡稳定安全度不够时，应结合坝坡稳定选择在上游或下游培厚加高；对无防浪墙的大坝，经复核后，如坝体结构满足正常运用要求，可通过在坝顶上游加设防浪墙的方法加高大坝。混凝土坝加高可在原坝顶上浇筑混凝土加高大坝，同时在大坝上游面或下游面扩大断面。对于增加泄洪规模，除挖掘已有泄洪建筑物潜力外，可在原溢洪道上扩宽或加深，也可新建溢洪道，如响洪甸水库新建一条泄洪洞和一座溢洪道，以满足水库5亿 m3蓄洪库容、校核洪水标准5000年一遇的要求。对于坝体和坝基加固，主要是针对问题进行处理，如新安江大坝安全鉴定发现岸坡挡水坝段侧向稳定安全性安全裕度不大，F1断层处理井防渗效果不理想，坝体、坝基个别部位渗漏较严重等问题，因此加固措施是对4—5号和5—6号宽缝进行回填混凝土(分别厚8、3m)，对F1防渗井进行了化学灌浆，对部分坝段上游面横缝和主要裂缝进行了防渗处理，坝基固结灌浆加密处理等。

二是宜材适构，适应工程运行特点及地形地质条件进行加固和改建，满足工程安全运行要求。土石坝断面不足或坝坡稳定加固时，多采用培土放缓坝坡的方法。上游坝坡培土放缓加固，一般采用比原坝坡材料透水性大的材料，有利于库水降落时排水；下游坝坡培土放缓加固，其下部培土应采用透水性好的材料，以利降低下游坝体浸润线。密实性差的砂土在地震作用下可能产生液化破坏，根据施工条件及当地材料特性，砂土抗地震液化加固方法可采用置换法、加密法和压重法等，如1977年密云水库白河土坝抗震加固，是在放空水库情况下，清除坝上游面可液化砂砾层，用石渣料回填，同时加厚了坝前铺盖层及部分斜墙。1998年密云水库潮河土坝抗震加固，在水库不放空的情况下进行，水下部分采用抛石压坡，水上部分用石渣料替换现有的斜墙上游保护层砂砾料。抛石压坡体增加了保护层砂砾料的有效应力，提高砂砾料抗液化能力；同时，压坡体放缓了坝坡，增加了滑弧路径长度，从而提高了坝坡稳定安全系数。对于中小型水库的土石坝，渗漏加固的重点是穿坝的输水管涵，这往往是导致坝体失稳的重要诱因，对于此类问题，在地形地质条件允许的条件下，应将原坝下涵管废弃封堵，并在岸边新建输水隧洞替代；坝下涵管目前采用的自密实混凝土封堵技术效果良好。

三是推进了新材料、新技术、新工艺的发展和应用。大坝除险加固的一项主要内容是对影响大坝安全的土石坝渗漏和混凝土坝体或结构缺陷进行处理，在工程实施过程中积极采用新材料、新方法、新工艺，获得了费省效宏的加固效果。针对土石坝渗漏处理，主要采用混凝土防渗墙、高压喷射灌浆、劈裂灌浆、膏状稳定浆液灌浆、土工膜防渗等措施。例如，混凝土防渗墙已广泛应用于病险水库加固，包括坝体和基础防渗；高喷灌浆主要用于粉土层和砂土层的防渗，近年来在砂砾层中也有许多成功应用。新材料更多用于混凝土坝和土石坝的穿坝输水管涵的除险加固。例如，佛子岭水库及梅山水库连拱坝等均采用硬质发泡沫聚氨酯保温和钢纤维混凝土结构加固新材料和新技术，加固后的大坝达到应有效果和安全度；大黑汀水库溢流面修补采用聚丙烯纤维网混凝土材料，不仅能抑制混凝土的塑性龟裂，而且能够提高混凝土的抗冻性能，抗冲磨性能；坝下涵管及隧洞加固采用加贴高强碳纤维布内衬方法，对于承受内水压水抗裂性能不满足要求、或混凝土衬砌存在裂缝、空蚀等问题的隧洞混凝土衬砌，在其洞壁粘贴1～3 层高强碳纤维布内衬，可以达到对隧洞混凝土衬砌进行强度和防渗加固的目的。

四是完善管理设施，提高管理水平。按照现代化管理要求，积极推进水库安全生产标准化达标创建工作，完善水库安全监测设施，更新改造闸门及启闭设备；增建防汛码头、改建防汛道路，增设防洪调度设施与物资仓库等；更新改造水情测报、防汛通讯系统和工程安全监测自动化设施；加强对水库运行管理人员的培训等。

4 水库大坝除险加固取得的成效

经过多年的努力，病险水库除险加固工作取得了巨大成效。除险加固后，水库自身防洪能力和工程安全状况均能满足现行国家或行业有关技术标准，安全隐患得以消除，水库防洪、供水、灌溉等原有功能得到恢复，水库下游地区洪灾风险大大降低，供水保证率和水资源利用水平明显提高，良性运行机制初步建立，为防洪安全、供水安全、粮食安全和生态安全的实现奠定了坚实基础。主要表现在以下几个方面：

一是解除了安全隐患，完善了防洪体系。已完成除险加固的水库，不但基本解除这些工程自身对坝址下游的众多县级以上城市、大量常住人口、上亿亩农田，以及京广、京九、陇海等国家重要铁路干线、重要军事设施及大型厂矿企业的威胁，还提高了受保护对象的防洪标准。例如，河南白龟山水库除险加固后，防洪标准达到了国家标准，校核水位由107.7m提高到109.56m，相应的库容由7.16亿m3增加到9.22亿m3，调洪库容增加2.06亿m3，加上与上游昭平台水库进行联合运用，有效保护了河南省平顶山、漯河、周口和安徽省界首、临泉等市数千万群众生命安全以及众多重要交通设施、众多工矿企业的防洪安全，防洪减灾效益显著。

二是恢复了水库兴利功能，提高了水资源调控能力。我国的气候特点和降水的时空分布特点决定了我国江河的自身调蓄能力较弱，要靠兴建一大批水库实现对水资源时空分布不均的调控。但由于大批病险水库的存在，使得水资源调控能力存在不足。病险水库除险加固对恢复江河调控能力发挥了重要作用。据初步统计，已实施完成的病险水库除险加固项目，恢复了水库兴利库容，普遍提高了受益大中城市、农村饮水和农业灌溉的供水保证率。例如，根据宁夏已完成除险加固的15座水库统计分析，恢复和新增供水能力2700万m3，恢复和新增有效灌溉面积1.31万亩，改善灌溉面积20万亩，灌溉保证率由不足30%提高到75%，灌区内粮食产量明显提高。

三是发挥了综合效益，推动了生态文明建设。以往因为水库长期得不到维修，病险水库不能或限制蓄水，这些水库的消落区、水域及大坝自身环境较差。通过近年来的除险加固，大批经过除险加固的水库面貌焕然一新，许多水库成为当地的生态明珠和旅游风景区。此外，病险水库除险加固只是恢复水库原有设计功能和指标，投资小、周期短、见效快，避免了新建水库工程容易产生的生态环境影响和移民安置等问题。随着江河多年不断的开发利用，条件优越的坝址越来越少，而我国经济社会发展对水库的依赖却日益增强，除险加固较好地缓解和解决了这一矛盾。例如，甘肃省红崖山水库通过清淤、大坝除险加固加高，总库容由0.99亿m3增加到1.48亿m3，多年平均增供水量1858万m3，其中增供青土湖生态水量960万m3、防风固沙林带水量47万m3。2016年到2019年，通过红崖山水库向青土湖下泄生态水量，青土湖水域面积扩大到26.7km2，干涸半个世纪之久的青土湖重现碧波，成功阻隔腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠两大沙漠合拢，生态效益十分显著。

5 “十四五”期间水库大坝除险加固要求

中国在水库大坝建设方面取得的成就是举世瞩目的，我国现在已是世界上溃坝率最低的国家之一。但随着岁月推移，许多水库接近、达到、甚至超过设计使用年限，功能老化的现象比较严重；受超标洪水、地震等自然灾害的影响，水库大坝遭遇暴雨洪水和地震作用，可能导致严重的水损和震损，产生病险。特别是今年我国遭遇了历史上较为严重的洪涝灾害，许多水库尤其是小型水库受到了影响，也暴露出部分地方存在“重建轻管”“以建代管”的现象，小型水库的维修养护不及时，有的积病成险。因此，加强对病险水库除险加固已成当务之急。

党的十九届五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，明确提出要“加快病险水库除险加固”。按照党中央、国务院决策部署，“十四五”期间水库除险加固的目标任务是：到2022年底前，完成小型水库除险加固项目遗留问题处理；完成已到安全鉴定期限的水库安全鉴定任务；到2025年底前，完成现有病险水库除险加固和每年安全鉴定后新增的病险水库除险加固，确保水库安全运行。为实现上述“十四五”期间目标任务，5年共需投资近1000亿元。

2020年12月，水利部召开全国水库除险加固和运行管护工作会议，安排部署“十四五”期间全国水库除险加固和运行管护工作，要求各级水利部门要按照“十四五”总体安排，列出任务清单、制定实施办法、落实投资任务、细化工作举措、强化属地责任、加大问责力度，确保完成水库除险加固和运行管护任务。