小型水库拱坝安全鉴定勘察问题分析

王晨浩 陈建辉

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 概 述

截至2021年底，我国现有各类水库9.8万多座，其中，小型水库9.4万多座。这些小型水库在为当地群众生产生活提供水源保障的同时，也是水旱灾害防御、农田灌溉和农村安全饮水的重要水利基础设施。绝大多数小型水库修建于1950—1970年间，由当地投工投劳兴建而成。小型水库普遍存在工程标准低、建设质量差、老化失修严重等问题，且经过数年运行，小型水库存在不同程度的安全隐患。1998年以来，中央和地方不断加大投入力度，开展病险水库除险加固。截至2020年底，对超过6.9万座小型病险水库进行了除险加固，切实保障了水库安全，有效发挥了水库防洪、供水、灌溉等综合效益[1]。

按照“十四五”期间水库除险加固和运行管护的总体要求，到2022年底前，完成小型水库除险加固项目遗留问题处理；完成对已到安全鉴定期限的水库安全鉴定任务；对乡镇村组分散管理的小型水库，实行政府购买服务、“以大带小”等专业化管护模式。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；完善雨水情测报、安全监测设施，健全水库运行管护长效机制[2-3]。

水库安全是关系社会公共安全的一项系统工程，保障众多小型水库安全则是重点之一。本文结合此前历年小型水库大坝安全鉴定、除险加固工作经验，以浙江省3座典型小型拱坝水库安全鉴定勘察实例为切入点，总结小型拱坝勘察实践经验，为进一步保障小型拱坝水库的安全运行，提升我国小型病险水库除险加固的勘察质量和水平提供借鉴。

2 小型拱坝水库特征

2.1 拱坝类型

拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游，两端紧贴着峡谷壁。在平面上向上游弯曲，呈曲线形，能把一部分水平荷载传给两岸的岩体，是一个空间壳体结构[4-6]。

根据拱弧半径和拱中心角的不同，可划分为单曲拱坝、双曲拱坝。结合工程实际，现状多为双曲拱坝(本文中的3座典型小型拱坝坝型均为双曲拱坝)，见图1、图2。

图1 铁场水库双曲拱坝示意图

图2 铁场水库双曲拱坝

2.2 小型拱坝水库特征

小型水库相比大、中型水库来说，往往具有建设年代较早，设计标准偏低，使用功能单一，控制运用简单，结构型式固定，施工质量不明，规模大小不一，效益千差万别的特点。

小型拱坝监测设施往往落后于大、中型拱坝，缺少扬压力、漏水量、坝体拱座变形、坝体接缝、坝基及坝体的应力、应变等一系列的观测管理设备[7]，往往维修养护不及时，存在“重建轻管”“以建代管”的现象。

小型水库为当地群众生产生活提供水源保障，是水旱灾害防御、农田灌溉和农村安全饮水的重要水利基础设施，水库安全是关系到社会公共安全，小型水库大坝安全鉴定、除险加固[8]也是“十四五”期间对水库运行管护总体要求的重要内容。

3 甘溪水库拱坝安全鉴定勘察分析

3.1 工程概况

甘溪水库(见图3、图4)位于临安区，坐落于天目溪支流丰陵溪上，坝址以上集雨面积19.60km2，是一座兼顾防洪、灌溉、发电等综合利用的小(1)型水库，工程等别为Ⅳ等，坝高41m，坝型为混凝土双曲拱坝，水库总库容236.29万m3，常水位库容196.85万m3。

图3 甘溪水库双曲拱坝轴线剖面

图4 甘溪水库双曲拱横剖面

拱坝始建于20世纪80年代初期，1998年曾对大坝迎水坡进行喷浆处理，后经过几十年的运行，在坝体及坝基不同部位出现了渗漏，渗漏量随季节及库水位高低发生变化，并有逐年加大趋势，致使拱坝存在安全隐患，后经过安全鉴定，于2019年底完成除险加固工作。

3.2 坝体安全鉴定评价

甘溪水库的坝体主要由两侧混凝土预制块、混凝土心墙和混凝土砌块石组成，下部有混凝土垫层和帷幕灌浆。水库拱坝坝体单薄，坝体易受外界环境的影响，从而引发裂缝、漏水等问题。

坝体喷浆前渗漏严重，库内水面(高程345.0m)以上上游坝面未见明显裂缝，迎水坡中上部为混凝土面板，下游坝面局部有轻微裂缝及渗水现象，主要分布于下游坝面下部。

混凝土单轴饱和抗压强度为30.5～65.0MPa，基本满足原设计要求。坝体块石料粒径较大，为20.0～50.0cm，级配差，混凝土胶结差，局部有空洞现象，埋石占整体混凝土的33%～38%，块石表面有风化锈着现象，坝体混凝土浇筑质量较差。

坝体见多处漏水点，左、右坝肩有明显的喷水现象，且喷水位置呈带状分布，主要位于坝体表面预制块结合部。根据坝体钻孔注水试验，坝体混凝土不起防渗作用，左坝肩主要渗漏位置为坝顶以下8.0m内，右坝肩渗漏位置主要为坝顶以下7.0m和12.0m处。上游坝面上部未设置混凝土面板，钻进过程中上部漏水严重，存在坝体渗漏问题。

3.3 坝基安全鉴定评价

大坝坝基下伏基岩为侏罗系上统黄尖组(J3h)熔结凝灰岩，灰绿色，块状构造，等粒结构，新鲜岩石致密、坚硬。

左坝肩及左坝段下伏揭露基岩较为完整，裂隙发育较少，岩体以微风化为主。基岩透水率q=1.32～7.62Lu，属弱透水性，坝基存在渗漏问题，建议采取相应措施，完善防渗体系。

右坝肩及右坝段下伏揭露基岩较为破碎，裂隙较多，倾角多为45°左右，岩石以弱风化为主，含锈染。基岩透水率q=1.59～3.40Lu，属弱透水性，但现场有渗漏现象，存在渗透问题。

两坝肩岩体以弱风化、微风化岩石为主，不存在坝肩顺层滑动的裂隙面，不存在坝肩抗滑稳定问题。

4 天竺水库拱坝安全鉴定勘察分析

4.1 工程概况

天竺水库(见图5、图6)位于舟山市普陀山北部，是一座为普陀山旅游区供水的小(2)型水库。水库大坝上游为佛顶山，下游临海。库区山坡林木茂盛，水库集水面积0.56km2(其中自身0.35km2，引水0.21km2)，最大坝高27m，坝顶弧长148.5m，正常蓄水位32.0m，相应库容19.2万m3，总库容20.4万m3。

图5 天竺水库双曲拱坝轴线剖面

图6 天竺水库双曲拱横剖面

大坝于1984年11月开工，于1987年4月竣工，水库防洪要求已达到200年一遇，已运行20余年。坝型为混凝土双曲拱坝，坝顶宽为2m，厚高比为0.129，属薄拱坝。水工建筑物主要由溢流坝段、非溢流坝段、涵管及泵站等组成。

4.2 坝体安全鉴定评价

在右坝肩距坝顶1.4～2.0m的施工分缝处混凝土坝身向上游有漏水现象，高水位时两坝肩距坝顶2.0m的施工分缝处混凝土坝身向下游局部有漏水现象，建议进行处理。大坝坝体伸缩缝处，高水位时有少量渗漏，此现象已多年存在，未见增大。

大坝坝型为混凝土双曲拱坝，坝体由Ⅰ层混凝土和Ⅱ层埋石混凝土组成，坝体防渗系统主要由Ⅰ层混凝土组成。Ⅱ层埋石混凝土一般呈极微透水—微透水，满足原设计防渗要求，仅右坝肩顶部局部属中等透水，局部有振捣不实现象，建议进行处理。

坝体埋石混凝土，岩芯完整，浇筑时，振捣较密实，防渗性较好。混凝土饱和抗压强度为35.2～68.2MPa，平均44.7MPa，基本满足原设计要求。

4.3 坝基安全鉴定评价

大坝坝基已开挖至基岩，下伏Ⅲ层基岩一般为钾长花岗岩(ξγ53(1)d)，局部可见细粒花岗岩(ξγ53(1)d)、辉长辉绿岩(γβ53(1)a)及蚀变软弱带。

大坝坝基下伏基岩透水率一般为0.20～0.81Lu，属微透水，左坝肩11.2～15.2m处透水率为5.18Lu，大于5.0Lu，为弱透水，建议进行处理。Ⅰ层混凝土和Ⅲ层基岩接触段透水率为0.48～4.16Lu，属微透水—弱透水，基本满足抗渗要求。

在坝址区未见规模较大断裂，小断层和构造裂隙较为发育。ⓐ坝基坑内有断层7条(F1～F7)，除F7断层位于左坝肩外，其余均集中在河床坝基；ⓑ坝基坑内有小错动8条(f1～f8)，均基本顺河向，为高倾角断裂构造，一般宽仅5cm，局部宽度为20cm，一般有构造碎裂岩、糜棱岩充填，这些小错动一般在嵌槽底显著变窄或趋于尖灭；ⓒ坝基内有节理密集带2处：Lm1密集带宽2.0～3.0m，主要由一组节理密集而成，节理产状：355°，NE∠85°，间距3.0～5.0cm；Lm2位于河床坝基F6断层之上盘，带宽1.0～2.0m，主要由一组张扭性节理密集而成，节理产状：318°,SW∠77°，间距5.0～20.0cm；ⓓ坝基内构造节理普遍发育(J1～J13)，以高倾闭合节理为主，也见有一些张开裂隙(L1～L11),一般宽2～10mm，有风化、岩屑充填或无充填，其中L5、L6、L7、L9、L10和L11为缓倾裂隙，倾角6°～25°。

根据现有资料及现场调查，主要工程地质问题在施工阶段已经做了相应的处理。

a.抗滑稳定问题处理措施。两坝肩均有缓倾角夹泥裂隙，尤其在实测高程33m以上较为发育，呈成组出现，间距0.5～1.0m。两坝肩勘探竖井查明，在实测高程32m以下缓倾角裂隙减弱以至消失，岩体趋于完整，呈弱风化。坝基已经过开挖深处理，改善了稳定条件。

b.基础嵌槽开挖与处理。左坝肩基础岩石经过开挖后达到弱风化中下部，性质较差的蚀变软弱带已经过开挖深处理，顺河向的小错动f1、f2、f3和张开裂隙L1、L2及节理密集带Lm1等开挖刻槽凿深0.5m以上，并用砂浆勾缝及混凝土回填捣实。右坝肩基础岩石经过开挖后较新鲜完整，达到弱风化下部，其中，“拱1”附近缓倾裂隙L11、侧向陡倾节理J12和J13以及后缘F7断层等结构面组成的不稳定体，已经挖除。河床坝基右侧岩石经开挖后较新鲜完整，达到弱风化下部，左侧断层构造较发育，已经用混凝土塞做了专门性处理。

c.重力墩基础开挖与处理。左右重力墩基础已经挖除了强风化层和缓倾角夹泥裂隙带，置于较为新鲜完整的弱风化下部岩体上。其中，左重力墩已开挖至实测高程32.0m，右重力墩已开挖至实测高程32.5m，开挖后边坡为1∶0.5。

d.坝基渗漏与渗透稳定处理。左侧河床坝基由于顺河向断裂发育集中，成为严重渗漏通道。开挖深10.0m以下，对断层F5、F6在靠近迎水坡面处分别加挖防渗井处理。其中F5防渗井实际挖深1.9m，井长2.5m，宽1.0m，开挖后宽度为20cm，F6防渗井挖深2.05m，井长1.5m，宽0.6m，开挖后断层近乎尖灭。随后对两防渗井进行砂浆勾缝，并用混凝土回填。其余断层和小错动也做了刻槽凿深处理。

因此不存在坝肩及坝基抗滑稳定问题。

5 铁场水库拱坝安全鉴定勘察分析

5.1 工程概况

铁场水库(见图7、图8)位于浙江省苍南县，水库集雨面积4.52km2，水库正常蓄水位以下库容为115万m3，总库容143万m3。挡水建筑物大坝为变中心角变半径浆砌石双曲拱坝，为4级建筑物，拱坝坝高28.5m，坝顶高程为98.5m，坝顶外弧长199.2m，中心角为99°，坝顶宽2.5m，坝底高程为70.0m，坝底厚7.5m，厚高比0.263，弧高比4.18。水库是一座以防洪、供水为主，结合灌溉、发电的小(1)型水库。

图7 铁场水库双曲拱坝轴线剖面

图8 铁场水库双曲拱横剖面

水库于1997年10月开工，在坝基开挖中，对坝轴线作了适当调整，大坝整体向上游平移了6m，大坝于1999年上半年基本建成。大坝在试运行过程中，发现存在裂缝和漏水，并且下游坝面出现较大面积的白色游离钙析出物。2002年1月对大坝进行取芯鉴定，并对大坝的坝型和应力状态进行复核计算和相关分析，4月完成对大坝封拱灌浆的施工。

5.2 坝体安全鉴定评价

大坝坝型为浆砌石双曲拱坝，坝体填筑材料由Ⅰ层浆砌条石、Ⅱ层C20混凝土，Ⅲ层C15埋石混凝土组成。

坝体填筑质量：大坝坝体填筑材料由Ⅰ层浆砌条石、Ⅱ层C20混凝土，Ⅲ层C15埋石混凝土组成。Ⅰ层浆砌条石砌筑紧密；Ⅱ层C20混凝土胶结好；Ⅲ层C15埋石混凝土振捣较密实，混凝土胶结一般，局部存在因振捣不实而形成的空洞及竖向缝隙，空洞及缝隙发育不大，且不具贯通性。

坝体防渗质量：坝体Ⅲ层C15埋石混凝土属微透水—弱透水，仅钻孔ZK1孔深5.10m处属中等透水，Ⅲ层属微透水—中等透水，局部属强透水。

大坝防渗体系由Ⅱ层C20混凝土及防渗帷幕组成，考虑Ⅱ层混凝土的厚度及功能，历次勘察均未进行钻探。坝踵处未发现明显渗水现象，钻孔实测稳定水位均位于基岩面处，分析Ⅱ层C20混凝土防渗墙整体防渗效果良好。

大坝坝体下游背水坡坡面存在多处渗水点。推测施工缝存在渗漏问题，通过Ⅲ层渗出坝体，致使背水坡出现渗水点，也不排除个别渗水为降水渗入Ⅲ层埋石混凝土，形成渗水点。

5.3 坝基安全鉴定评价

大坝坝基已开挖至微风化基岩，基岩为燕山晚期第三次侵入的钾长花岗岩(ξγ53(1)c)。Ⅲ层C15埋石混凝土与Ⅳ层坝基基岩接触带属微透水—弱透水。混凝土与基岩接触段胶结较好，局部接触段基岩节理较发育，透水率较大。根据本次勘察，微风化基岩属弱透水，不存在坝基渗漏及绕坝渗漏问题。

两坝肩节理多闭合，无充填，陡倾角，延伸短。坝体施工时已对较不利结构面进行施工处理。不存在坝基抗滑稳定问题。

6 小型拱坝水库安全鉴定勘察总结

a.小型拱坝水库往往因修建年代早，存在工程标准偏低、建设质量偏差、老化失修严重等问题，存在不同程度的安全隐患，其安全鉴定勘察中需通过问询走访建年代背景、基础资料，补充工程地质测绘等方式，进行复核基础地质条件，复核稳定计算等工作。

b.小型拱坝坝体薄，多由混凝土、埋石混凝土、浆砌条石等建筑材料组成，受制于修建年代，往往会出现建筑材料老化、局部脱空、振捣不实等现象，致使防渗效果变差。与此同时，坝体施工多分缝处理，运行多年后，分缝间止水受热胀冷缩影响，出现分缝间渗水、喷水等安全隐患，但往往不涉及坝体结构安全。坝体勘察期间应尽可能在充分研究设计坝体结构后布置相应的勘察工作，勘察期间需要时刻保护坝体结构，尤其是坝体防渗结构。

c.小型拱坝坝基往往坐落于地质条件相对较好的地段，其安全鉴定勘察中需对坝基工程地质条件进行复核测绘工作，并结合前期竣工资料或对施工负责人、参与者进行的走访问询，对现状坝基及坝肩渗透稳定、抗滑稳定等进行复核。同时，拱坝坝体运行多年，勘察期间需对坝基工程地质条件进行复核，尤其是坝基及坝肩岩体风化程度、裂隙发育程度、坝基与岩体透水性等变化。

7 现状分析与展望

a.小型拱坝安全隐患往往突出体现为坝体渗水、坝基坝肩抗滑性差等问题，因拱坝坝体单薄，各类问题往往比较直观显现在坝体背水坡面、坝肩镇墩附近。小型拱坝水库的管理需尽可能多安排安全巡视稽查，各类台账数据需保存完整，随时为水库安全鉴定、除险加固勘察做准备。

b.常见拱坝大都以双曲拱坝为主，坝体往往较薄弯曲，勘察常用手段中，钻探往往以直线钻进为主，无法做到沿坝体曲线钻进，从而无法准确获得整个坝体的数据，与此同时，物探检测在单薄、陡峭场地下的效果往往也差强人意。希望不久的将来会涌现出更多的勘察方法、设备以满足拱坝的安全鉴定、除险加固勘察要求。

c.小型拱坝坝体本身在防渗、抗滑等方面起着至关重要的作用，在坝体老化、年久失修的情况下，往往需要定期进行安全鉴定或除险加固工作。每次安全鉴定、除险加固勘察中，都应尽可能少地扰动拱坝坝体，应尽量防止勘察期间因钻探、压水试验等工作对坝体造成不可逆的损伤，导致形成新的安全隐患，勘察完成后要严格控制破坏部分的修复工作。

d.大数据和人工智能在当代发展迅速，近年来这两个领域的研究相互交叉促进，产生了很多新的方法和应用技术。小型拱坝安全监测手段应与时俱进，融入更多新的监测设施和方法，如智能传感器、数据采集系统、综合自动化系统、视频图像监控、人工与智能相结合的新型安全报警体系等，不断开拓进取，确保拱坝安全。