北京地区小型水库大坝安全评价分析与探讨

窦国钦 孙宗峰 吕智君

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.北京燕平水利工程勘察设计有限责任公司，北京 102200)

2003年，水利部《水库大坝安全鉴定办法》(水建管〔2003〕271号)规定：大坝实行定期安全鉴定制度，首次安全鉴定应在竣工验收后5年内进行，以后应每隔6～10年进行一次。运行中遭遇特大洪水、强烈地震、工程发生重大事故或出现影响安全的异常现象后，应组织专门的安全鉴定。

2021年1月，水利部组织编制了《坝高小于15米的小(2)型水库大坝安全鉴定办法(试行)》，规范坝高小于15m的小(2)型水库大坝安全鉴定工作。

2021年4月，《国务院办公厅关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》(国办发〔2021〕8号)中明确：2022年年底前，有序完成2020年已到安全鉴定期限水库的安全鉴定任务；对病险程度较高的水库，抓紧实施除险加固；探索实行小型水库专业化管护模式。2025年年底前，全部完成2020年前已鉴定病险水库和2020年已到安全鉴定的期限、经鉴定后新增病险水库的除险加固任务；对“十四五”期间每年按期开展安全鉴定后新增的病险水库，及时实施除险加固；健全水库运行管护长效机制。

我国中小型水库尤其是小型病险水库的主要问题表现在三方面：第一，水库大部分工程已经达到了设计使用年限。我国 80%以上的水库修建于20世纪50年代到70年代末，经过几十年运行，功能老化的现象比较严重，所以出现病险具有一定的客观性。第二，受超标洪水、强烈地震等自然灾害影响，水库一旦遭遇突发暴雨洪水，超出自身的防御标准，就可能引发严重的水损，产生病险。据统计，2020年的洪涝灾害共损坏大型水库 131 座、小型水库 1991 座，其中许多被鉴定为病险水库。第三，管护薄弱，后天不良。部分地方存在“重建轻管”“以建代管”的现象，疏于水库日常管理、维修养护，尤其是小型水库，多归农村集体经济组织所有，小型水库维修养护不及时，有的积病成险[1]。

“十三五”期间，北京陆续完成密云、官厅等大中型水库安全评价工作，对小型病险水库的安全评价及除险加固也在如火如荼地开展当中。水库大坝安全评价是水库安全运行管理和除险加固的前期关键工作，如何做好小型水库的安全评价工作，直接影响到防洪、供水安全以及除险加固设计方案的合理性和科学性。

北京市共有水库工程88座，总库容93.77亿m3。其中，大型水库工程4座，分别为密云水库、官厅水库、怀柔水库和海子水库；中型水库17座；小型水库67座。

北京市水库工程的主要任务是防洪和供水。其中82座水库具有防洪任务，总防洪库容12.25亿m3，控制流域面积6.71万km2；69座水库具有供水任务，总设计年供水量43.61亿m3，2011年实际总供水量6.49亿m3[2]。

根据统计情况，截至2019年底，小(1)型与小(2)型水库为67座，占水库总数的76%，其中小(1)型水库大坝坝型主要为土石坝(均质土坝、黏土心墙坝)，砌石护砌；小(2)型多为重力坝或者拱坝，以浆砌石材料为主。该类小型水库大坝多建于20世纪50—70年代，由于当时的建设条件和标准限制，水库建成时就存在一定问题，加之运行时间长、工程老化、现场管理水平较低、基础资料缺失，存在诸多安全隐患[3-4]。因此需要做好小型水库安评工作，消除北京市范围内小型水库建设标准低、基础资料缺乏、安全管理水平低下等问题，做到“一库一策”，解决小型病险水库防汛薄弱环节。

1 安全评价面临的主要问题

1.1 基本资料缺失

大部分小型水库建设于20世纪 50—70年代，当时资金及人员条件有限，绝大多数工程勘测、设计、施工、运行、监测资料缺乏，勘测设计及施工资料缺失尤为严重，虽然部分水库历史上经历过除险加固，但由于对小型水库管理不到位，设计与施工资料未得到妥善保存，造成遗失。当进行新一轮水库大坝安全评价时，针对工程质量情况、大坝结构数据、库区地形、上下游河道比降以及金属结构数据，均需要开展大量的复测、勘察，查清项目区地质情况，绘制工程图纸等基础工作，才能正常完成《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2017)(以下简称SL 258—2017)规定的相关内容。另外，承担安全鉴定任务的单位往往注重对大坝等主要挡水设施进行资料收集复核，忽略对溢洪道和输水管，特别是坝下埋管检查和检测相关资料的收集复核。以上这些情况，给顺利、高效开展水库大坝安全评价工作带来了很大难题[4-5]。

1.2 无标准化管理

北京地区小型水库尚未完全实现标准化管理。大部分小型水库位于山区，现场杂草丛生，建筑物年久失修，有些水库甚至没有方便的上坝公路。ⓐ小型水库一般由当地乡镇人民政府委托附近村民管理，无专业技术人员参与，水库大坝的日常检查和定期养护得不到保障；ⓑ规章制度不够健全，部分水库大坝无巡视检查、安全监测、机电设备操作、应急管理措施等必要的运行管理规章制度保证大坝正常运行；ⓒ管理手段较落后，即使有日常定期的巡视检查，但是缺乏必要的水库大坝监测手段，应急管理工作薄弱，容易出险且险情触发后不能及时上报和组织抢险。

1.3 无统一评价标准

根据SL 258—2017，水库大坝安全评价标准适用于坝高15m及以上或库容100万m3及以上的已建水库大坝安全评价，坝高小于15m的小(2)型已建水库大坝参考执行。目前，水库大坝安全评价工作基本是参考以上评价导则执行[6]。

2021年1月12日水利部印发《坝高小于15米的小(2)型水库大坝安全鉴定办法(试行)》(以下简称试行办法)，此办法适用于库容10万(含)～100万m3(不含)且坝高小于15m(不含)的水库。至此，才初步建立起小型水库大坝安全评价基本方法及标准，试行办法第十二条规定：“判别大坝安全类别采用现场安全检查和专题评价相结合方式。现场安全检查能够满足大坝安全类别判别需要的，可不进行专题评价。”[7]

目前，除部分现场管理较好、水文条件稳定、工程资料齐全和大坝运行态势较好的小型水库大坝外，大部分小型水库不具备仅靠现场安全检查就能完全判别水库大坝安全类别的条件，仍需开展专题评价，目前试行办法中规定专题评价内容为防洪能力专题评价、渗流安全专题评价、结构安全专题评价、金属结构安全专题评价四个方面。值得注意的是试行办法中并不包含SL 258—2017中“抗震安全评价”内容，依据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，北京地区小型水库大坝大多处于地震烈度为Ⅶ度或Ⅷ度地区，大坝抗震设防烈度为7度及以上，再加上大部分小型水库始建于20世纪50—70年代，当初大坝修建时未进行抗震设计或抗震设计标准较低，相应的抗震工程措施不足，对于此类小型水库大坝，在进行安全评价时，抗震安全复核显得非常必要。

另外，试行办法中对于水库大坝现场安全检查需要达到的深度未作明确要求。

综上，对于小型水库大坝安全评价，应完全按照试行办法执行，还是参照SL 258—2017执行，还存在一定困扰。

2 小型水库安全评价关键点及方法

2.1 资料收集整理

基础资料的收集是水库大坝安全评价能够顺利开展的主要前提，基础资料主要有大坝工程特性、工程地质、水文资料、大坝设计、施工、运行、检查、监测、除险加固、维修养护、以往安全鉴定情况及管理情况等[8]。

对于一般小型水库，当设计资料缺失、缺乏可靠的监测资料时，需要通过现场工程测量与安全鉴定勘察采集一手数据，为工程安全鉴定分级提供计算依据与地质资料。

2.1.1 主要工作内容

a.对水库地形，库容、大坝及附属建筑物结构进行复测。

b.复查影响工程安全的工程地质和水文地质条件，检查工程运行后地质条件的变化情况。

c.对于土石坝，了解坝体结构分区、填筑材料，对填筑质量作出地质评价，评价坝基是否存在砂土液化问题；对于混凝土坝或砌石坝，调查坝基和绕坝渗漏分布范围，对坝基、坝肩稳定不利的断层破碎带、软弱夹层等分布情况，库区两岸及近坝库区边坡稳定情况。

d.对坝基、岸坡等处理效果作出地质初步分析。

e.复核工程区场址的地震动参数。

2.1.2 主要勘察方法

a.收集区域地质资料，复核工程区区域地质环境，构造环境背景。

b.根据现行国家标准《中国地震动参数区划图》复核工程区地震动参数。

c.收集有关资料，包括勘察、设计、施工和水库运行监测及水库险情处理资料。

d.调查与隐患险情有关的现象，调查近坝库区不良地质现象。

e.沿坝轴线方向布置1 条横剖面，在最大坝高处布置一条纵剖面，横纵剖面上共布置5 个钻孔，孔深进入基岩5～10m。

f.根据需要布置坑槽、探井勘探工作。

g.对坝体填筑物及坝基岩体进行注水试验和地下水位观测。

h.根据坝体填筑物，在钻孔内进行标准贯入试验和动力触探试验。

i.分层取样，每层土的有效组数不少于6组，对其进行物理力学试验。

通过上述测量地勘工作，获得主要成果(见表1)，这些成果可以作为专项复核结构计算的工作依据与数据支撑，同时也为现场安全检查提供基础数据[9-10]。

表1 水库大坝安全鉴定测量地勘成果

2.2 现场安全检查

安全评价承担单位根据前期制定的大坝安全鉴定工作计划，组织专家进行现场安全检查，包括查勘工程现场，查阅工程设计、施工与运行资料，与管理人员或熟悉工程情况的人员座谈等，并做好相关记录。重点关注水库大坝防洪、渗流、结构、金属结构等安全问题，同时反映水雨情测报、安全监测、防汛交通、通信条件、管理用房等设施问题以及下游河道、周边环境问题，填写现场安全检查表。根据现场检查情况，结合发现的问题提出质量检测、病害部位勘探试验、专题评价等意见和建议。

从现场安全检查情况来看，对于混凝土坝或砌石坝来说，目前北京区域小型水库典型问题有以下几方面(见图1)：ⓐ泄洪排水相关金属结构、机电设备设施老化、锈蚀，缺乏日常定期维护；ⓑ坝体表面砌石勾缝脱落，干砌石松动且凹凸不平；ⓒ坝体溢洪段表层混凝土风化冲蚀严重；ⓓ部分水库大坝缺乏消能设施或消力池混凝土结构破损严重；ⓔ水库大坝坝肩与山体接缝处有渗漏现象；ⓕ近坝库区山体有滑坡情况等；ⓖ土石坝坝下埋管或混凝土管涵缺乏检查检测。

图1 砌石坝现场安全检查典型问题

2.3 专项复核

目前有关规范要求中提出的小型水库安全专题评价主要包括以下四个方面：

a.对于大坝的防洪标准、设计洪水、抗洪能力的复核，以及水库调洪计算的防洪安全评价。

b.对于大坝渗流控制措施和渗流性态是否正常的渗流安全评价。

c.对于大坝变形、强度与稳定性是否满足规范要求的结构安全评价。

d.对于泄洪建筑物、输水建筑物的闸门、启闭机及电气设备、保障供电可靠性的金属结构安全评价。

2.3.1 防洪复核

对于北京地区小型水库大坝来说，部分老旧水库大坝防洪能力存在一定的问题，主要是部分砌石重力坝坝顶高程复核不满足现行规范要求。小型水库洪峰流量复核，一般依据2005年编制的《北京市水文手册:第二分册 洪水篇》查取暴雨参数进而推求设计洪水。根据地形和气候特征等情况，将北京无实测洪水资料的山区分为三个区：背山区、山后区和山前区。背山区(Ⅰ区)指延庆盆地和白河上游地区；山后区(Ⅱ区)包括永定河、清水河地区和潮河密云水库上游地区；山前区(Ⅲ区)指山前迎风区。在北京山区，若流域缺乏水文资料，一般综合采用经验公式加推理公式(改进推理公式)分析估算设计洪峰流量[11]。

北京市现用经验公式基本形式如下：

Q=KNmFn

(1)

式中：Q为洪峰流量，m3/s；K为综合系数；N为重现期，a；F为流域面积，km2；m、n为指数。

对于20km2以上山区，主要采用以下推理公式：

Qp=0.278ψFS/τn

(2)

式中：Qp为洪峰流量，m3/s；S为最大1h降雨量，mm；F为流域面积，km2；n为暴雨递减指数；ψ为洪峰径流系数；τ为汇流时间，h。其最适合面积在90～700km2。

20km2以下山区，主要采用以下改进推理公式：

Q=0.278Fht/t

(3)

τ=0.278θ/(mQ1/4)

(4)

计算时采用先列表后图解的方法，分别计算不同历时的Q-t、Q-τ关系，在坐标纸上点绘两条相关线，其相交点坐标即为所求洪峰流量Qp、汇流历时τ。建议此方法仅在小流域使用。

部分北京地区小型水库存在防洪能力偏低的现象，高风险水库大坝有必要搜集近年极端降雨资料作为水库防洪能力评估复核的依据。

2.3.2 渗流复核

对于北京地区小型水库大坝，通过现场检查大坝渗流表象，初步判断大坝渗流安全状况。当工程存在土石坝上游坝坡塌陷、下游坝坡散浸、渗流量在相同条件下不断增大、渗漏水出现浑浊或可疑物质等现象时，可初步认为大坝渗流性态不安全或存在严重渗流安全隐患，需进一步采用监测资料分析法或计算方法进行分析。当小型水库大坝监测资料缺乏且精度低，无法反映大坝实际渗流状况时，一般采用现场检查法和计算方法进行复核。

以小型水库大坝常见的土石坝为例，采用有限元法对大坝进行渗流计算，根据大坝现状最大横断面简图(见图2)建立有限元模型，模型范围为大坝向上游与下游各取12m，建基面以下取12m。采用四边形单元为主、三角形单元为辅的方式进行有限元网格剖分，大坝共包括1847个单元、1918个节点，得到的有限元网格见图3。

图2 大坝渗流计算断面简图 (高程单位：m，尺寸单位：mm)

图3 大坝渗流计算有限元网格剖分

参考《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)规定，渗流计算应考虑运行中出现的不利工况条件，按稳定渗流考虑，并考虑以下渗流计算工况：

a.正常蓄水位工况：上游正常蓄水位49.500m，下游对应水位取47.153m。

b.设计洪水位工况：上游设计洪水位49.700m，下游对应水位取47.153m。

c.校核洪水位工况：上游校核洪水位50.400m，下游对应水位取47.153m。

d.水位骤降工况Ⅰ：上游水位按水位降落速度0.1m/d由正常蓄水位49.500m骤降至死水位46.000m，下游对应水位取47.153m。

e.水位骤降工况Ⅱ：上游水位按水位降落速度0.5m/d由正常蓄水位49.500m骤降至死水位46.000m，下游对应水位取47.153。

大坝渗流计算的渗透坡降、渗流量及逸出点成果见表2，计算的浸润线位置及等势线见图4～图8。

图4 正常蓄水位工况浸润线位置及等势线

图5 设计洪水位工况浸润线位置及等势线

图6 校核洪水位工况浸润线位置及等势线

图7 水位骤降工况Ⅰ等势线及浸润线位置(3.5日终降时)

图8 水位骤降工况Ⅱ等势线及浸润线位置(7日终降时)

表2 各工况渗流分析结果

对于均质土坝，以上计算结果应与大坝该断面实际高水位形成稳定渗流的测压管资料，或者前期地勘钻孔观测到的坝体浸润线进行比较，两者值比较接近时，计算结果才比较符合实际。如果差距较大，应结合坝体、坝基渗流量监测资料，或根据勘察钻探资料确定坝体渗透性分区和渗透系数，计算各级水位的浸润线、渗流坡降，同时进行渗流量的拟合计算。

2.3.3 结构复核

结构安全复核主要复核大坝变形、强度与稳定性是否满足规范要求。

目前，结构安全复核一般会综合采用现场检测资料、监测资料和结构计算等两种及以上方法对大坝及相关结构进行评价，由于小型水库的设计及现场监测资料通常缺失，需要通过工程地质勘察确定坝体填筑质量、坝基岩石土样物理参数等，作为结构计算复核的基本参数。

以响潭水库砌石重力坝为例，参考《混凝土重力坝设计规范》(SL 319—2018)，结构复核主要复核强度与稳定性，在正常蓄水位和校核洪水位工况下，合理选取典型横断面，采用抗剪断强度计算公式和抗剪强度计算公式确定抗滑稳定安全系数，采用同时计入动、静力作用下的弯曲和剪切变形的材料力学法进行强度计算。

2.3.3.1 计算截面

选取的典型横断面见图9～图10。

图9 选取的典型横断面1(非溢流坝段计算截面1-1与2-2)(单位：m)

图10 选取的典型横断面2(溢流坝段计算截面1-1、2-2、3-3)(单位：m)

2.3.3.2 抗滑稳定计算参数

参考现场地勘报告，以及对应规范附录D中坝基岩体力学参数表D.0.2的Ⅲ级岩体选取抗滑稳定计算的抗剪摩擦系数、抗剪断摩擦系数和黏聚力值，见表3。

表3 坝基面抗滑稳定计算参数

2.3.3.3 强度计算参数

根据已有工程设计书或者现场地勘报告，确定坝体浆砌石天然密度最大值为2.78g/cm3，最小值为2.33g/cm3，平均值为2.57g/cm3，单轴饱和抗压强度最大值为151.46MPa，最小值为21.08MPa，平均值为81.97MPa；基岩的天然密度最大值为2.86g/cm3，最小值为2.69g/cm3，平均值为2.74g/cm3，单轴饱和抗压强度最大值为108.25MPa，最小值为41.32MPa，平均值为77.49MPa。

2.3.3.4 计算工况

正常蓄水位工况：上游水位161.8m，下游对应水位125.0m。

校核洪水位工况：上游水位163.0m，下游对应水位128.2m。

2.3.3.5 荷载计算结果

为进行稳定和强度计算，需先进行荷载计算。正常蓄水位与校核洪水位两种工况下主要计算荷载包括坝体自重、静水压力、扬压力等，扬压力根据所给出的各个截面的扬压力水头进行计算。各计算截面主要荷载计算结果见表4。

表4 各计算截面主要荷载计算结果

2.3.3.6 坝体抗滑稳定性分析计算结果

在正常蓄水位以及校核洪水位三种工况下，基于渗流复核计算确定的各坝段横剖面坝基扬压力结果，考虑结构自重、静水压力、扬压力和地震作用等荷载，运用刚体极限平衡法中的抗剪断强度公式和抗剪强度公式分别计算坝体沿建基面的抗滑稳定。依据规范公式分别核算后的抗滑稳定安全系数K′和(由抗剪断强度公式推导)K(由抗剪强度公式推导)见表5。

表5 建基面抗滑稳定安全系数

由表5所列结果可以看出在正常蓄水位以及校核洪水位两种工况下，根据规范推荐公式分别计算出的响潭水库非溢流和溢流这两个坝段的抗滑稳定安全系数值均大于最小允许安全系数值。因此，水库重力坝满足两种工况的坝基面抗滑稳定要求。

2.3.3.7 坝体强度评价结果

在正常蓄水位以及校核洪水位两种工况下，基于渗流复核计算确定的各坝段横剖面坝基扬压力结果，考虑结构自重、静水压力、扬压力等荷载，运用规范公式计算坝踵和坝趾处的垂直应力，计算结果见表6。

表6 各截面上下游面的垂直应力

计算结果的符号约定如下：压应力为正，拉应力为负。

根据各截面的垂直应力计算结果，两种工况下，响潭水库重力坝上游坝踵垂直应力未出现拉应力，且均小于基岩容许承载力值。坝体结构应力中，最大主压应力为校核洪水位工况下非溢流坝段1-1截面处的下游垂直应力，数值为681.35kPa，小于坝体压应力容许值。经校核，所选断面的上下游边缘垂直应力均符合强度指标。

2.3.4 金属结构

对于北京地区小型水库来说，一般通过现场巡视检查和历史资料分析对水库金属结构部分进行评价，必要时也需进行金属结构无损检测。水库中的灌溉(排水)管大多处于废弃或闲置状态，锈蚀较严重；有些设有溢洪道闸门的水库由于定期保养维护，金属结构相对较完好，但也存在局部止水装置老化、防腐涂料层脱落、闸门局部锈蚀等典型问题，启闭机、闸门等其他设备均能正常运行。这些问题通过加强日常保养与维护完全可以解决。

3 结 语

水库大坝安全评价是做好水库大坝管理很重要的基础工作，小型水库与大中型水库的基本要求相同，但小型水库由于规模小，基层技术力量薄弱，资金投入少，相较于大中型水库容易被忽视。

水库大坝出现事故或问题从根本上应归咎于人为因素。如何降低库水位，以及选择合适的防洪设计标准都需要设计者去设计和复核，不合适要重新调整。因此，只有做好小型水库安全评价工作，特别是小型水库大坝现场安全检查工作、泄洪能力复核、结构安全复核，根据每个小水库的具体情况,做到“一库一策”，才能从根本上保证水库大坝的安全。