安徽省小型水庫砌石拱壩主要病害及加固措施研究

龐牧華，李瑞忠 ，梁建

（1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 合肥 230088；2.山東電力建設第三工程有限公司，山東 青島 266100）

1 引言

安徽省地處中緯度，為亞熱帶與暖溫帶過渡區，受季風影響，降水年內年際變化大，洪澇、干旱等自然災害頻發。建國以來省內已建成大量防洪、除澇和灌溉等水利設施。截至2020年10月，安徽省在冊小型水庫中共有拱壩168座，其中砌石拱壩160座，混凝土拱壩8座，集中分布在皖南及皖西山區。這些拱壩多興建于20世紀70至90年代，投入運行以來，充分發揮了防洪和興利效益。受建設年代條件限制，水庫大壩普遍存在建設標準低、筑壩材料控制不嚴、防滲體系不完善和工程老化等工程質量缺陷和安全隱患。

文章選取安徽省79座小型水庫砌石拱壩為研究對象，統計砌石拱壩病害及相應加固措施，總結規律，旨在為小型水庫砌石拱壩除險加固中科學合理地選取加固措施提供幫助。

2 主要病害統計分析

抽取的樣本水庫中，砌石拱壩的病害問題主要有防洪能力不足、壩體滲漏、壩基滲漏及消能設施損毀等，如圖1所示。

圖1 安徽省小型水庫砌石拱壩的病害問題占比圖

由圖1可知，小型水庫砌石拱壩病害中壩體滲漏占比72.2%，防洪能力不足占比44.3%，消能設施損毀占比30.4%，壩基滲漏占比29%，壩肩滲漏占比19%，砌縫砂漿脫落占比19%，溢流段裂縫占比29%，拱圈應力超標占比16.5%。

2.1 防洪能力不足

受建設年代的限制，水庫建設時水文資料短缺，防洪標準普遍偏低，另外水庫建設時的經濟條件，限制了工程投資，也影響到防洪標準的確定。隨著社會經濟的發展，下游防護等級和防洪標準發生了變化，原有的防洪標準不能滿足生產生活要求，使得目前水庫防洪能力出現不足。

2.2 壩體病害

由于設計不合理、填筑材料不佳、接縫處理差，運行期出現壩體裂縫、沉降變形、混凝土材料的老化脫落等因素，導致壩體出現諸多病害。抽取的樣本顯示，安徽省內小型水庫砌石拱壩壩體病害多表現為壩體滲漏、砌縫砂漿脫落及拱圈應力超標。

分析研究壩體滲漏發現，樣本水庫壩體迎水面砌體內雖設置混凝土防滲墻，但施工縫處理不規范，經多年運行，防滲墻混凝土老化現象嚴重，局部失效，裂縫較多，加之壩體砌縫砂漿脫落，增加了壩體滲漏的概率。大壩運行中長期處于滲漏狀態，施工中引起的死縫和大壩多年運行中疲勞徐變引起的活縫時張時閉，并向縱深發展最終貫穿壩體，帶來混凝土的溶蝕、凍脹，進一步危及大壩安全。

砌縫砂漿脫落多因水庫建設年代的條件和技術引起。壩體建設時采用人工砌筑施工，施工質量難以控制，砌石砂漿填充不飽滿，砂漿標號普遍不高，砂漿本身干縮產生裂縫，后期運行中受水流沖刷、滲透及凍融作用極易產生壩體砌縫砂漿脫落。

拱壩相對于其他壩型，由于壩體較薄，使得在同樣的地形地質及水位條件下，壩體的應力水平較高。抽取的樣本顯示，抽樣水庫砌石拱壩壩體體型較薄、厚高比較小、壩體剛度偏小等因素的存在，導致壩體局部拉應力較大，有些部位甚至出現拉裂現象。

2.3 壩基、壩肩滲漏

拱壩中，壩基滲漏改變了壩基滲流條件，直接影響到壩體揚壓力的大小，關系到壩體抗滑穩定和受力安全；壩肩滲漏改變兩岸地下水位，影響到壩肩滲透壓力大小，對壩肩巖體的抗滑穩定安全產生不利影響，危害壩體安全。大壩的滲流問題，在水庫大壩的整體安全中占有重要地位。

樣本水庫中壩基滲漏占29%，壩肩滲漏占19%。受限于建設期設計、施工條件，部分砌石拱壩未作防滲處理或經多年運行原設置的防滲設施老化，出現局部失效。部分大壩施工前未進行詳細的地勘工作，施工中壩體與基礎接觸不夠緊密，基礎面處理不好，清基不徹底，齒槽設置不當等使壩基、壩肩出現滲漏通道。正常運行中，維修養護不到位，壩體隱患得不到及時處理，也加大了滲漏危害的出現和擴大概率。

2.4 溢流段裂縫、消能設施損毀

溢流段裂縫多由綜合因素造成，主要包括溫度變化、砌體干縮、地基不均勻沉降或變形、施工質量問題和超載運行等，砌石壩體本身的塊間和層間弱面也是應力集中的重要區域。溢流段裂縫得不到及時處理，更加劇了水流沖刷及沖蝕破壞的危害，抽取樣本也顯示出溢流段裂縫的存在，使得壩體過流面存在嚴重的沖蝕破壞。

根據現場調查情況，部分水庫經多年運行，消能建筑物沖刷損壞嚴重，挑流消能沖刷坑較深，消能設施損毀后并未能得到及時修復，使得汛期泄洪時大壩面臨下泄水流淘刷壩腳的威脅，嚴重影響大壩安全和水庫正常運行。

3 加固措施

在對本次樣本水庫加固措施調研的基礎上，文章總結出省內砌石拱壩病害除險加固措施主要有新建防滲面板、帷幕灌漿、新建防浪墻、溢流面襯砌等，如圖2所示。

圖2 安徽省小型水庫砌石拱壩各部位除險加固措施占比圖

由圖2可知，安徽省內小型水庫砌石拱壩除險加固措施如下：防洪能力方面，新建防浪墻及加高壩頂措施；壩體維修方面，采用上游新建防滲面板措施應用廣泛，占比56%，壩體裂縫灌漿占比16%，改善應力則采用加厚壩體的措施；壩基、壩肩滲漏主要采取帷幕灌漿措施，占比各為27%和19%；泄洪設施除險加固措施以溢流面襯砌和整修下游護坦為主。

3.1 防洪能力提高措施

調研中發現，針對現有水庫大壩防洪能力不足問題，由于現狀砌石拱壩采用壩身泄洪，泄洪設施拓寬難度較大，因此，在水庫除險加固中采用增加非泄洪段壩頂高程措施，壩頂高程不宜改變時，則多采用壩頂增設防浪墻的措施。這種措施投資少、施工難度小，施工中保證新建部位與壩體連成整體，兩端則應與壩肩基巖相接。

3.2 壩體維修加固措施

壩體滲漏，一般是對壩體上游面進行防滲處理。本次抽取樣本顯示56%的砌石拱壩采用壩體上游新建防滲面板，該方法明處施工，質量易于保證且方便維修，防滲效果可靠，因而被廣泛應用。施工中新老混凝土接觸部位處理尤為重要，為進一步提高混凝土防滲面板與混凝土預制塊的粘結強度，可設置錨筋，預留灌漿孔，進行接觸灌漿。新建防滲面板施工工期較長，投資較大。

寬度較小的壩體裂縫，采用壩體灌漿處理較為便捷，灌漿一般選用環氧樹脂類、甲基丙烯酸酯類、鉻木質素類、聚氨酯類等多種化學漿材。施工時對裂縫表面去污、去塵處理后埋設管嘴注漿，最后用密封材料進行密封。壩體灌漿投資較少，施工方便快捷，工期較短，但對施工人員要求高，灌漿時應控制好灌漿壓力，防止對壩體產生不利影響。

結合壩體防滲加固處理措施，對壩體砂漿脫落、砂漿填充不飽滿及壩體空洞處采用水泥砂漿勾縫處理，截斷滲漏通道、增強壩體整體性。

工程實踐證明，壩肩和壩底常是壩體最大應力分布區，拉應力過大容易引發壩肩失穩甚至潰壩。加厚壩體使得拉應力有了顯著的降低，研究結果表明加厚壩體，壩內最大拉應力減小了30%左右，因而加厚壩體能在降低壩體拉應力上效果十分明顯。

3.3 壩基、壩肩處理措施

抽取的樣本顯示，壩基、壩肩防滲處理中帷幕灌漿措施占比較高。帷幕灌漿以其明顯降低壩底滲流壓力，有效防止壩基內部產生機械或化學管涌，減少壩基滲流量等優點，成為目前最有效的基礎防滲處理方法并被廣泛應用。灌漿處理前應查清工程地質與水文地質情況，施工時應進行現場灌漿試驗，確定最佳漿液成份及灌漿壓力等技術參數。位于透水性較小基巖的水庫，灌漿帷幕后設置壩基排水孔，進一步降低壩底面的揚壓力。

部分樣本水庫，基礎位于節理裂隙較發育的基巖上，對基礎采用固結灌漿能提高基巖的整體性和強度，降低地基的透水性。另外基礎進行固結灌漿后，可提高帷幕灌漿的壓力，增強壩基的防滲性能。壩基、壩肩灌漿處理漿液選取需慎重，優先選用環保、無污染的漿液，防止對地下水質產生污染。

3.4 泄洪設施加固措施

抽取的樣本顯示，泄洪設施病險多為溢流面裂縫和消能設施損毀。為保證安全泄洪，除險加固中不改變原有泄洪設施布局，對裂縫處采取鑿除修補的方法。挑流段需將銹蝕鋼筋一并鑿除，重新布設鋼筋，再回填修復。泄洪設施表面修復應不改變原型體尺寸，修復后平整度滿足規范要求。流速大、沖刷嚴重部位宜加錨筋，保證新設面層與原壩體為一整體。

下游護坦破壞多因下游巖石完整性較差，抗沖能力弱所致，除險加固中常采用混凝土回填沖坑，部分沖刷嚴重水庫，可在壩腳設置混凝土護腳，增強壩基穩定性。

4 結語

砌石拱壩是山區水庫常見的壩型之一，省內砌石拱壩建設年代多數較為久遠，經多年運行壩體出現諸多問題，不僅影響水庫效益的發揮，也存在較大的安全隱患。通過對安徽省近年來小型水庫除險加固中砌石拱壩病害形式及除險加固措施的統計分析，發現大壩防洪能力不足、滲漏及消能設施損毀現象較為嚴重，采用的新建防浪墻、新建防滲面板、壩肩壩基帷幕灌漿、護坦整修等加固措施效果顯著。在今后的小型水庫除險加固中，可根據砌石拱壩具體病險問題，針對性地選取工程中普遍適用的加固措施。