水库大坝水下安全保障技术

水库大坝水下安全保障技术

叶大兴

浙江九州治水科技股份有限公司 浙江 衢州 324000

摘要：由于不能泄洪或泄洪成本较高，因此，必须对蓄洪后的坝体进行监测与加固。本项目拟通过对我国水库坝体水下缺陷探测和治理的大量研究，对我国目前水库坝体存在的一些典型水下问题以及目前深水探测和加固等水下保护技术的发展状况进行研究，并对其发展方向进行讨论。为满足高坝、深水、大库区、大面积、复杂水体中的水下探测与加固处理的要求，提高国家对重大、重大疾病的水下防护能力。

关键字：库坝；水底疾病；水底探测；水底加固；安全性

前言

在出现了裂缝渗漏、破损塌陷等病险情以及出现了重大的安全隐患之后，通常要采用放空水库或降低水位等措施进行检修和加固。但部分水库在深水条件下难以进行泄洪，部分深水区域更难以进行泄洪，尤其对于高坝大库，泄洪造成的生态破坏与经济损失巨大。水工构筑物的水毁具有高度的隐蔽性，且时空分布具有随机性，长期面临着“到不了”、“看不清”、“处置难”等难题。所以，如何保证库坝的水底安全性，已成为工程领域亟待解决的重要问题。

通过对目前国内外在深水环境中存在的一些突出的水下安全问题以及目前在深水环境中探测和加固等方面存在的问题的研究，提出了今后的发展方向。

一、水库大坝典型水下安全问题

1.混凝土裂缝

开裂是大坝中最普遍的一种病害。由于重力坝和拱坝的存在，在大坝的上部，由于受到了一定的温度应力作用，在大坝的上部会出现一种由热裂纹扩展到大坝的上部表面，并逐步扩展到大坝的内侧。在填料自重、水压等外部载荷的共同影响下，由于大坝不均衡的沉陷、不均衡的面板应力等因素，很容易导致上游薄层板出现结构性裂纹。当裂缝扩展到某一范围时，不仅会对大坝的外观、承载力及完整性造成影响，而且还会使大坝的混凝土构件丧失承载力而发生失效。在水底存在着大量的裂纹，这些裂纹会影响到水坝的抗渗性能和耐久性。

2.止水结构破坏

在大坝的上游，如混凝土坝、面板堆石坝等，由于其在坝面的构造缝处都设置了止水材料，其止水破坏在一定程度上会造成较大的破坏。由于大坝的砼较厚，而止水体系较弱，而且大坝砼与止水层之间的结合质量难以确保[1]。随着多年的使用，防渗材料逐渐老化、破损和失效，出现集中渗漏的情况越来越常见。

3.金属结构锈蚀、破损、失效

由于在水中的长时间使用，如闸门、嵌入件等，其结构的腐蚀和老化会造成构件截面的缩小，从而降低其强度、刚度和稳定性，降低其承载力，造成构件变形、破坏，甚至失效。近几年，伴随着水利工程的快速发展，其所处的工作环境日趋复杂，出现了高水头、大孔口、超大流量、大开度等工况。

二、水库大坝的水底监测及加固工艺

1水坝探伤技术

当水库坝体发生病害时，采用水下探测技术进行监测，旨在找出病害发生部位，掌握其严重性，以便制定相应的治理措施。根据探测性质、探测原理、探测内容等，可分为多种探测技术。按照检测原理的不同，可以将其划分为：潜水员人工检测法、水下电视检测法（水下无人检测法）、声波法、示踪法、电法、电磁法、流场法和水下磁粉检测技术等。根据探测的内容，可以划分为水下混凝土缺陷探测，水下地形探测，水下渗漏探测，水下金属结构探测等等。目前，常规的探测技术已被普遍采用，但其探测深度小，探测效率低，风险高，精度差，不直观[2]。目前，以大深度、精确高效、安全智能和直观为特点的新型探测技术，如：潜航器探测方法、深海渗漏微水流声纳探测和磁电阻率探测等，已被广泛运用于海底渗漏探测领域。

2水坝的水工强化

对于水坝中出现的各种病害，要按其类型、发生的位置进行相应的加固。常规加固方法包括：对库容进行排水处理，降低水位进行局部干燥处理，以及在水面上进行抛石处理。干法处理具有检验简便、准确率高、操作简便、治理透彻等特点。在一些水库没有泄洪能力的情况下，仍有大量的坝体采取了由潜水手进行的水下加固方法。水下强化技术具有应急处置、经济性好、灵活性高等优点，可有效规避蓄水池泄洪等不良效应，但同时也存在着传统的氧气潜入深度限制（60米以下）的缺点。

三、技术展望

一是实现对水底缺陷的智能精准检测。对水下病害的准确探测，是进行病害成因解析、消除隐患的第一步。目前，我国已取得了较好的技术进步，但仍然存在着如下问题：①因水库体型较大，且存在着未知的水下损伤位置，导致测试工作量较大。②在狭小的库区，探测的深度有高混浊、泥沙淤积、动水等各种情况，因此探测的深度和深度都比较困难。③受限于当前技术水平，目前对水声探测的理解准确率和智能化程度普遍较低。目前广泛使用的ROV摄像技术仍然是远程操作和手动观测方式，具有探测工作量大、效率低、难以覆盖复杂水下环境和定位精度低等缺点[3]。随着惯性导航、声学、光学等定位技术的发展，利用声学超短基线、定位浮标以及惯性定位与物理校准相结合的优势，实现高精密的水下定位。然而，在300米高坝的深水快速智能巡视和高精度水下定位等方面，尚需在大坝表面的智能化巡视和水下的3D可视化监测等方面进行深入研究。

二是保证海底修补作业的深水化和高效化。水下工作技术的发展分为两大类，一类是手动操作，另一类是有人/无人操作。1990年代后，世界范围内的深海作业技术研究重心已经由传统的人造潜水转向了深水无人/远程控制的深海作业，并形成了以智能化、高效和远程控制为主要特点的新型深海作业技术。由于所处环境较复杂，或者部分区域的水体较窄，目前在库坝的水下维修工作中，主要采用的是人工潜入的方法。2018年度观音岩坝下结构缺陷监测与补强项目已经可以进行100m级别的水底裂纹修复，但目前该项目还存在着施工过程中的安全隐患与高效性不足等问题。

三是达到了环保和持久的海底修补材料的目的。目前，国内已研制出一批以PU为基体、以环氧基体为基体的常规水下修复材料，并已被大量使用。在水中水流运动和环境改变的作用下，常规的有机修补材料在使用过程中难免会出现老化、磨损、脱落等问题，从而降低修补后的结构寿命，并对周围的水环境产生污染。当前，针对当前水库坝体内普遍存在的漏水、裂纹等问题，主要采用传统的处理方式，存在堵塞时效差、材质耐久性差、环保性能差等问题，以及与水下机械人操作相适应的各种修补材料较为匮乏等问题，而针对深水、动水等复杂条件，研究开发出高耐久性、高环保性、能够迅速进行修补的新型修补材料，也是当前国内水工技术研究的热点问题。

四、总结

根据大量的水库坝体水下缺陷探测和治理的实际经验，对目前我国水库坝体水下缺陷探测和治理中存在的一些突出问题和水下保护技术，如深层探测和加固等，提出了今后的技术发展方向。目前的水下探测和增强技术系统仍然存在。

目前所依靠的远程观测、人工潜入等操作技术和设备，尚无法满足高坝、深水、大水库、大面积、大面积、复杂水体的水下探测及加固处理需要。为此，有必要利用现代信息化、无人化、智能化的水下工程技术，进一步发展和健全水下检测与加固处理的核心技术装备和水下修复材料，建立相应的技术标准体系，提高我国水库大坝应对重大疾病的水下安全保障能力。

参考文献

[1]水利部水利水电规划设计总院，中水东北勘测设计研究有限责任公司.水利水电工程水文自动测报系统设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[2]陈凯，平扬，熊寻安，等.智慧水利应用实践土石坝雷达遥感与北斗变形监测[M].北京：江苏凤凰科学技术出版社，2021.

[3]陈雷.水工设计手册（11卷）（第2版）（水工安全监测）[M].北京：中国水利水电出版社，2008.