臧少慧,張明占,劉仲秋,章 青,夏曉舟

1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津300350

2.謝寨引黃灌溉管理處,山東 菏澤274000

3.山東農業(yè)大學 水利土木工程學院,山東 泰安271018

4.河海大學 力學與材料學院,江蘇 南京211100

截止2017 年，我國共擁有84917 座水庫，其中406 座大型水庫、2617 座中型水庫和81894 座小型水庫[1]。很多水庫建于20 世紀50～70 年代，當時的建設資金、技術以及施工工藝比較滯后，水庫的質量很難達到當前質量標準。另外，多數水庫年久失修，存在安全隱患，不僅影響水庫效益，在很大程度上也威脅著周邊人們的生命財產安全。1954～2012 年統(tǒng)計數據顯示，全國共發(fā)生水庫潰壩3520 座，年均59.7 座[2]。通過近十余年的病險水庫除險加固建設，大中型水庫病險問題明顯改善，但仍有大量小型病險水庫亟待除險加固。本文從歷史進程、設計、后評價、施工方法、管理五個方面，歸納總結了我國水庫除險加固研究的進展情況，并展望了未來的研究方向。

1 歷史進程

我國政府歷來十分重視水庫安全與病險水庫除險加固工作，列入各期全國性規(guī)劃的病險水庫的主要信息如表1 所示。

由表1 可見，自河南“75·8”大洪水后，水庫安全受到空前重視，病險水庫除險加固被提上了重要位置，同時也從側面說明了病險水庫除險加固對我國水利事業(yè)，以及對民生經濟等的重要性。2009年之前，我國病險水庫加固建設主要針對大中型水庫，此后，小型病險水庫除險加固成為主要目標。病險水庫除險加固的數量與投資也不斷增加，尤其是1998 年以來，中央加大了投資力度，開展了大規(guī)模的病險水庫除險加固工程建設。截止目前，大中型水庫安全狀況顯著改善，但大量小型病險水庫除險加固任務仍十分艱巨。

表1 我國病險水庫除險加固進度及投資統(tǒng)計表Table 1 Statistical table on the progress of reinforcement and investment in China dangerous reservoirs

2 研究現狀

2.1 設計

隨著我國水利事業(yè)的發(fā)展，水庫除險加固設計方面的工作也在不斷加強，國內眾多學者從經濟、安全（滲流、沉降、潰壩）、加固次序、方案優(yōu)化等方面進行了研究。

2.1.1 經濟評價 孫東亞等[9]考慮水庫運行期間失事概率變化及大壩失事導致的固定資產和生產損失，將風險溢價理論應用到除險加固情景分析。通過比較是否實施除險加固兩種情景的成本效益分析結果，從經濟角度論證了大壩和其他主要設施除險加固的可行性和必要性，也可為不同水庫除險加固次序輔助決策。董勝等[10]采用蒙特卡洛法隨機產生洪峰系列，并求出效益的概率分布，在此基礎上采用等效分布法推求該工程經濟決策指標的風險率，并分析了有關參數的靈敏度，可精確判斷工程加固方案的合理程度和效益指標的高低。楊春雷[11]考慮防洪效益和風險間的關系，先利用經典蒙特卡洛隨機模擬法模擬徑流系列，計算防洪效益和洪水發(fā)生概率，再采用隨機模擬法模擬水庫在經濟使用期內的水產養(yǎng)殖效益值并加以擬合，最后以對數正態(tài)分布擬合工程年維修費用，建立了除險加固凈效益極限方程，求解出工程投資風險臨界值。

通過對加固工程的經濟評價，可精確判斷工程加固方案的合理程度和效益指標的高低，論證加固工程的可行性，為進一步對除險加固工程方案進行優(yōu)化提供了明確的思路和途徑。

2.1.2 安全 馮宵等[12]針對土石壩除險加固設計的壩體滲流穩(wěn)定復核，采用Geo Studio 軟件SEEP/W和SLOPE/W 模塊，結合壩體材料的力學參數，進行滲流和穩(wěn)定計算，方便準確地為大壩安全評價提供了依據，可應用于除險加固壩坡穩(wěn)定設計復核計算。趙杰[13]總結歸納出用層次分析法決定成本、質量、工期、施工安全、施工難易程度、環(huán)境影響程度六項決策指標的權重，用灰色關聯度理論建立了土石壩除險加固防滲技術方案多目標決策模型，可從眾多可行的方案當中選出最合理方案的方法。該方法尚需建立更詳細的指標體系，運用計算機軟件求解。孫文杰[14]考慮滲流場與溫度場的相似性，利用ANSYS 軟件強大的前處理器賦予三維有限元模型不同區(qū)域以不同材質，再進行網格劃分、施加荷載、求解及后處理，分析計算出正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位下的最大水力比降，與實際水力比降進行比對，判斷是否需要進行除險加固。該方法在水工運用中缺少解決自由面的無壓滲流問題的能力。

除險加固工程的數值分析計算應用較少，與其施工的年份與結構特性簡單有關。隨著以有限單元法為代表的數值分析方法的普及，采用不同功能的數值分析軟件有針對性地對土石壩等擋水結構進行滲流、穩(wěn)定、沉降及其多場耦合分析，有助于準確而便捷地優(yōu)化和確定除險加固方案，但應合理選擇材料的本構模型以及對應的參數[15]。

2.1.3 加固次序 徐冬梅等[16]基于改進灰色聚類方法確定震損水庫的加固順序，對震損指標進行量化分析后將震損水庫劃分為四個灰類級別，得到了水庫局部震損程度評分表，采用二元對比法和專家意見法確定了影響土石壩震損級別的各指標權重和各個水庫對四個灰類的綜合聚合系數。計算的綜合價值測度大者，優(yōu)先加固。該方法評分時具有主觀影響，但有利于快速確定加固次序，提高工作效率。馮沛濤[17]提出基于信息熵權-TOPSIS 法來擬定大壩除險加固次序。通過建立大壩安全因素評價樹狀圖，根據風險情況打分，利用熵技術法經過同趨勢化、歸一化處理后建立大壩矩陣表和正負理想點，通過計算各個大壩與其之間的距離及接近程度對各個大壩進行排序，值越小表明該壩更加危險，可實現大壩除險加固的重點、有次序地進行。孫東亞等[18]基于美國亞利桑那州病險水庫加固排序方法，從受險人群、防洪標準、抗?jié)B穩(wěn)定性、抗滑穩(wěn)定性、輸水建筑物、特殊情況六個方面，采用專家評分法對各個因素進行賦分，根據總分值的大小進行排序，并考慮了地區(qū)特殊性進行的人工干預因素，方法可操作性強，結論合理。

除險加固次序的擬定對處理病險大壩問題具有重要的指導意義。基于改進灰色聚類方法和基于美國亞利桑那州病險水庫加固排序方法建立的量化評分模型都需專家確定指標值，主觀影響較大；而利用熵技術法對影響大壩安全性態(tài)的各因素進行統(tǒng)一權值確定，較為客觀。對病險水庫進行相對安全評價，確定大壩的安全性態(tài)次序，能夠科學嚴謹地實現大壩有序加固。

2.1.4 方案優(yōu)化 目前，我國水庫除險加固方案的投入大多根據標準和規(guī)范定性確定，缺乏定量的論證。為確定最佳除險加固方案，減少主觀因素影響，國內眾多學者致力于把方案優(yōu)化的定性分析轉變?yōu)槎糠治?，建立了一系列量化模型?/p>

為平衡資金投入與工程安全的問題，胡江等[19]基于已有潰壩資料建立了潰壩生命損失的快速估算公式，融合LQI 理論和風險理論，結合水利建設項目評估的有無對比的效益計算原則，提出基于LQI 的病險水庫除險加固效應評價模型。該方法未考慮生態(tài)損失、經濟損失等其它潰壩損失，也未考慮多失效模式組合下大壩體系失效風險率。針對決策人員對事件認識具有模糊性與局限性特點，楊杰等[20]基于區(qū)間數GRA 決策方法，并建立最優(yōu)化模型，得出考慮理想最優(yōu)與臨界最優(yōu)方案的綜合關聯系數，將AHP 主觀賦權方法與Entropy 客觀賦權方法相結合，根據求得的加權綜合關聯度對備選方案進行排序決策。顏祖文等[21]在層次分析的基礎上，利用灰色關聯方法，建立了適用于病險水庫除險加固技術方案決策的灰色關系分析決策模型，并提出了基于病險類型、病害程度及大壩風險的除險加固技術方案決策方法，使技術方案的決策更具客觀性和科學性。為了綜合考慮水庫大壩工程安全與下游居民安全、社會經濟、交通等風險及對環(huán)境的影響，阮建清等[22]提出了基于風險分析的除險加固方案優(yōu)選方法。首先初步識別除險加固工程施工過程中的風險類型、成因及其后果，估計和預測風險發(fā)生的可能性和相應損失大小，采用層次分析法綜合分析大壩風險、加固規(guī)模、加固效果、安全程度四個指標，從而選出最優(yōu)除險加固方案。為了提高對工程風險的控制能力，田林鋼等[23]采用多目標智能加權灰靶決策理論，確定處理效果、與當地條件結合度、施工難度、投資成本四個決策目標，實現對病險水庫的防滲設計、上游壩坡、溢洪道消能改造的設計方案決策優(yōu)化。為給震損水庫制定科學合理的除險加固方案，田林鋼等[24]提出了基于改進熵權－TOPSIS 法的震損水庫最佳除險加固方案選擇。首先運用熵權法及改進的TOPSIS 求出各指標權重和綜合權重，進而利用改進的TOPSIS 求出各方案的相對貼近度，確定了最佳的水庫除險加固方案，為徹底消除震損水庫險情、隱患提供了依據。

對多種除險加固方案進行比較分析，能很好地平衡有限的財政資金和水庫等重大民生工程安全標準問題，從施工過程、社會效應等角度使病險水庫除險加固標準的確定有據可依。通過量化評價模型可以定量地對各個方案進行比較，避免人為主觀的局限性。

2.2 后評價

我國病險水庫眾多，除險加固的效果評價仍是較難實現的操作。為能夠定性、定量地對病險水庫加固效果做出評價，眾多學者進行了一系列研究，提出了一些評價模型。

盧欣[25]根據模糊綜合評判模型，通過專家打分方式確定各層指標的權重矩陣，根據最終得到的評價目標效果矩陣，對照效果滿意度等級分值表做出效果評價。張計[26]同樣提出了量化評價模型，把專家評分轉化為符合大壩安全程度變化規(guī)律的量化評價系數，量化指標包括工程質量、運行管理、防洪安全、結構安全、滲流安全、抗震安全和金屬結構安全，采用線性加權評價法進行綜合評價，以大壩除險加固前安全程度為基準，得到加固后效果量化評價指標，基于“土石壩除險加固效果量化評價等級劃分及其涵義表”進行評價，對于經濟評價、可持續(xù)評價、影響評價等還需進一步完善。針對傳統(tǒng)層次分析法難以求解非線性組合優(yōu)化問題，王寧等[27]提出了基于模糊退火層次算法的層次分析技術，將層次分析法中描述因素集的層次單排序及其一致性檢驗問題轉化為無約束的組合優(yōu)化問題，通過比較目標函數和標準值判斷是否需要專家重新打分，該結果穩(wěn)定，精度較高，具有可行性和適用性。黃顯峰等[28]針對水庫除險加固效益評價問題，提出了遺傳層次分析法，即將一致性問題檢驗轉化為非線性求解，通過物元分析法求解關聯函數及關聯度，判斷工程效益和設計預期效益標準間關系，但評價指標經典域、節(jié)域范圍界定等問題還有待進一步討論和研究。潘翔等[29]提出先對加固前后時效性指標進行無量綱化處理，建立指標安全度量化公式及安全等級提升系數計算公式，通過進一步數學處理，確定時效性指標的評價值及其評價等級，可有效地減少人為等主觀因素對時效性指標評價的影響，使得最終評價結果趨于更加合理。

大壩安全及除險加固效果評價是復雜的綜合評價項目，項目內部各種因素相互作用、相互影響。借助一些更先進的理論與方法，找到一種使指標更合理的方法，以便找出具有代表性的指標，從而建立更加科學、合理以及實用的指標體系[23]。建立大壩除險加固效果量化評價體系可以比較客觀全面地反映出病險水庫治理后的工程效益，以便于及時調整水庫的維護管理措施。

2.3 施工

病險水庫除險加固作業(yè)具有一定的復雜性，施工單位需要依照水庫實際險情，采取適宜的工程方案和合理的施工技術與工藝，以達到除險、防滲、加固目的。

地基和壩體除險加固方面主要包括：高壓灌漿技術，如寧化縣寨頭里水庫[30]、南京市石窯水庫、蔣家壩水庫[31]的土壩防滲加固中都應用了高壓旋噴灌漿技術；劈裂灌漿技術，例如南京市金壩水庫涵洞兩側防滲處理采用了水泥黏土劈裂灌漿[31]；高聚物注漿技術，利用高聚物材料混合后發(fā)生化學反應形成的泡沫狀固體，填充脫空和加固地基[32]，鋼塑復合加筋帶[33]，非開挖水平定向鉆進技術[34]。用于面板堆石壩的疏松墊層加密灌漿和面板脫空充填灌漿技術[35]。多種防滲材料修補技術，例如特種黏土固化漿液防滲心墻[36]、剛塑性混凝土組合防滲墻[37]、復合土工膜防滲結構[38]。修復混凝土結構和裂縫的水泥基滲透結晶型防水材料[39]、貼嘴環(huán)氧灌漿充填裂縫[35]、遇水膨脹止水條[40]、聚脲表面噴涂材料[41]、FPSC 聚合物水泥基砂漿[41]、表面貼補材料[41]、鑿槽嵌補材料[41]、樹脂錨固劑材料[42]、水下不分散混凝土和PBM 聚合物混凝土[41]。在壩坡處理方面，主要包括水泥裹沙噴射混凝土加固砌石護坡技術[41]、格賓石籠[43]、土工模袋混凝土護坡技術、復合粉煤灰多孔保溫砌塊[44]。

經過幾十年的工程實踐，我國在病險水庫除險加固技術方面積累了豐富的經驗，基本形成了較完整的技術體系。在水庫大壩加固領域的新材料、新技術、新設備與新工藝等方面還需要加大研究與推廣應用力度，以推動我國水庫大壩安全診斷與除險加固技術的不斷進步[45]。

2.4 管理

要保證水庫真正除險，非工程措施也尤為重要。近年來，國內學者針對無損探測和智能控制監(jiān)測系統(tǒng)等方面進行了研究，對除險加固水庫的管理起到了積極的作用。

除險加固探測的主要方法包括探地雷達法、直流電阻率法、自然電場法、常規(guī)電磁法、流場法、地震勘探法、溫度場法、綜合示蹤法、磁共振法、測井層析成像法、激發(fā)極化法、沖擊試驗法和其他等方法，各類探測方法各具明顯的特點，應科學歸納病險水庫的尺寸、材料物理性質和特征參數特點，提取病險隱患典型檢測信號特征，選用合適的探測方法和儀器及組合，聯合探測與分析[2,46]。

在監(jiān)測和管理方面，盧興等[47]對太浦閘除險加固工程采用自動化系統(tǒng)設計，運用汛情會商系統(tǒng)、閘門監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、多媒體演示系統(tǒng)綜合進行監(jiān)控，以冗余光纖以太環(huán)網作為監(jiān)控網絡結構；楊啟貴[48]提出了水下聲像復合查漏技術和水庫安全智能評價與管理一體化系統(tǒng)，針對湖南白云水庫大壩采用深水聲像復合查漏技術，準確檢測到了滲漏源、滲漏部位及面板破壞規(guī)模，并具備安全監(jiān)測、運行調度、維修養(yǎng)護一體化管理功能，可自動生成安全評價報告，并應用到安徽、湖北、四川等多個水庫工程。韓東海[49]采用了多種方法（幾何水準測量、流體靜力水準測量、水管式沉降儀和垂直傳高的方法對芒稻閘和邵伯閘除險加固施工期進行了沉降觀測，為除險加固施工和安全運行提供了依據。任翔等[50]提出各省采用統(tǒng)一開發(fā)數據庫系統(tǒng)對病險水庫相關信息進行采集，國家級水庫大壩管理部門通過使用“中心信息管理模塊”，實現數據匯總、統(tǒng)計分析、用戶管理與信息發(fā)布等功能。水利決策部門、水利行業(yè)用戶和公眾通過使用PC 和PDA，由Internet 或通訊網查詢系統(tǒng)的“信息服務模塊”，以獲取相關病險水庫除險加固信息。鐘磊[51]提出“多中心理論”，即有多個權力中心，市場、社會組織或個人都可得到相應的權力去參與小型水庫的管理，可以彌補政府、市場和社會的調控協調，提高水庫管理效率和活力，但要避免出現各組織以自身利益為主的“無中心”現象以及政府對社會組織干預力度過大。

在滲漏探測方法研究中，間接探測方法占據主導地位，尤其地球物理探測方法具有連續(xù)掃描、代表性廣、無損傷檢測等特點，具有一定的發(fā)展優(yōu)勢。病險水庫除險加固工程包括大量信息，對各類信息進行統(tǒng)計，研究其相關規(guī)律，對了解我國水庫工程總體情況、指導工程設計、檢驗實施效果等具有重要意義。

3 展望

我國大型水電工程開發(fā)將在21 世紀50 年代基本結束，病險水庫大壩的補強加固將成為水利學科的研究重點[52]。根據我國水庫除險加固研究現狀，筆者認為應在以下幾個方面進行深入研究：

（1）針對除險加固設計方案安全性方面，應結合工程的實際具體環(huán)境，結合風險分析技術，考慮其在地震、溫度、化學侵蝕等特殊情況下的結構短期及長期安全分析，并從宏觀、細觀與納觀等角度入手，將研究對象由單一連續(xù)介質材料過渡到局部損傷及破壞的不連續(xù)材料[52]，從而有針對性分析設計，有條件的還應基于生態(tài)安全評價模型進行計算[53]，從而做到經濟性、安全性和生態(tài)性的統(tǒng)一；對于較為成熟的計算理論與方法，建議納入水利行業(yè)的除險加固鑒定內容相關的規(guī)范，以便指導類似工程的設計。

（2）水庫除險加固對象和環(huán)境十分復雜，應在深刻理解除險加固施工技術基礎上，結合新時代水生態(tài)文明建設所需的水生態(tài)修復技術體系，有針對性地采用新理論、新技術和新材料進行環(huán)境友好型除險加固施工，并加強設計與施工的匹配性，從而保障施工質量與進度。

（3）針對病險水庫加固次序、方案優(yōu)化和后評價方面，眾多學者的定量研究應結合實際工程的投資和設計要求，基于實際示范性工程確定統(tǒng)一的評價體系和全部可量化評價指標，并結合專家評價方法，采用智能算法進行非線性優(yōu)化組合計算；有條件的還應結合時效性指標和非時效性指標特性[29]，研究各個評價指標間的相互影響，構建相關影響的關聯度矩陣和關聯度模糊模型，從而提升除險加固效果綜合評價的效果。

（4）病險水庫加固后的運行壽命診斷和退役或改建等內容也是水利學科研究的重點，基于運行多年監(jiān)測資料發(fā)展水工結構的強度、穩(wěn)定與耐久性等分析理論和方法，對病險工程進行安全監(jiān)控、預報與病險預警等十分重要[52]。在無損檢測方面，應科學歸納各類病險目標對象的空間尺寸、物理性質和特征參數的特點，以及對探測深度和分辨率的不同要求，提取病險隱患典型檢測信號特征，選用合適的探測方法及其組合；對于大型工程，還可采用無人機及其配套缺陷檢測診斷系統(tǒng)，進行“聯合”探測與分析[54]。對于水庫除險加固后期監(jiān)測的信息化管理，應運用大數據和智能化的理論和方法，采用多目標綜合模糊模型評價和管理病險水庫的健康水平[55]。同時，對技術上不可行、經濟上不合理、生態(tài)環(huán)境負面影響大的病險大壩實行降等或拆除。實施大壩退役既要重視工程安全與經濟論證，更要重視生態(tài)環(huán)境論證，避免或減少對社會和生態(tài)環(huán)境等的負面影響，確保在遭遇洪水或地震等情況時不出現新的安全問題[56]。

（5）對于除險加固后的中小型水庫，應結合當下的“河長制”、“湖長制”實施方案，多層次、多渠道融資，不斷學習借鑒國內外病險水庫管理和建設的新思路、新經驗、新技術、新設備，不斷提高技術創(chuàng)新層次和水平[57]。堅持“建設與管護并重”的原則，建立水利設施運行管護長效機制[58]，提高水庫的經濟效益和社會效益，充分發(fā)揮水庫的服務功能[59]。