我国水库大坝安全挑战与运维思考

新时期水库大坝安全的新要求

水库大坝是洪旱灾害的“减震器”，是清洁能源的“稳定器”，是国家水网的“重要结点”和“调节器”。三峡、南水北调、乌东德、白鹤滩等新时代“国之重器”承担着保障国家防洪安全、供水安全、能源安全、生态安全等重要功能，具有很强的公益性、基础性和先导性。

我国水库大坝建设成就

通过70多年的实践创新，至2022年年底，我国已建成各类水库大坝约9.8万座，总库容9887亿 m ³ ，水电装机容量近4.135亿kW（含抽水蓄能0.315亿kW），其中大型水库814座、中型水库4192座，大坝数量、高坝数量及装机规模均居世界第一。100m以上高坝由2000年的50座增至2020年的223座，水布垭、锦屏一级、黄登等大坝坝高位居同类坝型之首。全世界已建成的200m以上高坝共77座，我国有23座；全世界在建200m以上高坝23座，我国有15座，均居世界之首。此外，面板堆石坝、碾压混凝土坝、堆石混凝土坝、胶结颗粒料坝等新坝型发展迅速，展现出良好的适应性和生命力， 我国高坝大库建造技术已处于世界领先水平 。

大坝安全面临的形势与任务

通过健全法规制度和技术标准体系、推动水管体制改革、开展病险水库除险加固、强化水库大坝安全监管等工作，我国水库大坝安全状况得到根本改善。新时期，有力支撑经济社会高质量发展对大坝安全提出了新要求，水库大坝安全面临新的形势与任务。

国家战略对重大水利水电工程建设提出新需求

长江经济带发展、“双碳”目标等国家重大战略对大坝安全提出了更高的要求。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出实施国家水网、雅鲁藏布江下游水电开发等重大工程，推进重大生态系统保护修复和重大引调水工程、防洪减灾工程等项目建设。未来在高地震烈度、高陡边坡与深厚覆盖层等复杂地质条件，高海拔、高寒大温差、深山峡谷等建造条件，生态脆弱等复杂环境条件的西南部地区，大坝建设和安全保障任务非常繁重，技术挑战巨大。

保障现有水库大坝安全是实现国家水安全的迫切需要

“十四五”规划纲要提出要加快病险水库除险加固，水利部明确在2025年年底前完成现有病险水库除险加固任务，对新出现的病险水库要及时除险加固，消除安全隐患。同时，要完善雨水情测报、安全监测相关设施的建设，健全水库运行管护长效机制。

2023年5月，中共中央、国务院印发《国家水网建设规划纲要》。作为国家水网之“结”，水库尤其高坝大库是具有控制性地位与功能的调蓄工程，是水流集蓄、中转、再分配的枢纽。根据国家水网布局，实施过程中既要充分利用现有水库工程，还要新建一批结点水库。

水库大坝安全面临的挑战

运行潜在风险日益突出

极端气候引发超标准洪水频发

受全球性气候变化影响，我国强降水等极端事件增多增强，气候风险水平趋于上升。根据《中国气候变化蓝皮书（2021）》，我国1991—2020年气候风险指数平均值（6.8）较1961—1990年平均值（4.3）增加了58%。以全球变暖为主要特征的气候变化，导致特大暴雨、超标准洪水发生的机率和强度显著增加。如2021年“7·20”郑州特大暴雨，多个国家级气象观测站监测的日降雨量突破有气象记录以来的历史极值，主要防洪河道出现超标准洪水，导致重大人员伤亡和经济损失。随着极端气候事件的增多，暴雨洪涝灾害的突发性、反常性、极端性、不可预见性日益突出，突破历史纪录、颠覆传统认知的水灾害事件频繁出现，水库大坝安全面临巨大挑战。如2023年9月，受“丹尼尔”飓风影响，利比亚瓦迪德纳河两座梯级水库连溃，致1.13万人遇难、1.01万人失踪，造成灾难性后果。

土石坝数量多，中小型水库防洪能力偏低

土石坝作为历史最为悠久的坝型，占我国大坝总数的92%，但其抗风险能力相对较弱。1954—2018年，全国各类水库发生溃坝事件3541起，土坝占92.8%，其中1/3以上是由于遭遇特大洪水、设计洪水偏低和泄洪设备失灵而引起洪水漫顶失事。中小型水库溃坝占比96.27%。中小型水库防洪能力不足主要体现在防洪标准偏低和泄洪能力不足。

①防洪标准偏低。 美国高风险区小型水库洪水标准为0.5倍至1倍的可能最大洪水（PMF），我国3、4、5级永久性水工建筑物校核洪水标准分别为2000年一遇~1000年一遇、1000年一遇~300年一遇、300年一遇~200年一遇，洪水标准相对偏低。随着经济社会快速发展，我国许多水库已变为城边甚至城中水库，下游人口密集、城市密集、经济布局密集，其防洪保护对象和运行环境变化很大，按照当前的防灾标准衡量，相当数量的中小型水库洪水标准偏低。

②部分水库泄洪能力不足。 我国早期修建的中小型水库大坝放水设施大多采用坝体埋管的形式，由于运行时间长、坝体出现沉降等，涵管老化、破裂、堵塞等问题突出，导致洪水宣泄能力严重不足。大范围病险水库除险加固实施后，仍可能存在部分水库泄洪设施可靠性难保证、部分行洪通道被侵占导致泄洪能力明显降低等问题。

超合理使用年限的大坝数量多

我国水库大多建于20世纪50—70年代，占已建水库的82%。《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654—2014）中规定3、4、5级工程合理使用年限为50年，2030年约76%的大坝将超合理使用年限，随着工程继续服役还可能产生新的病险。

流域梯级水库群多，运管安全风险较高

我国在猫跳河、红水河、乌江干流及金沙江、大渡河干流等初步建成首尾衔接梯级水库群，梯级间风险存在传递、叠加、放大效应，一旦失事将造成公共灾难。1954年至今，我国水库连溃事件共发生130余起，给下游带来了严重后果。

运行管理信息化、智能化水平不高

中小型水库安全监测感知能力不足

监测感知设施是水库大坝安全运行的“耳目”。《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）要求开展小型水库监测能力提升试点等工作，但囿于资金、水平等原因，仍存在水库监测项目不全、监测采集自动化水平低、监测感知设施完好率低、新型智能巡检及空天地感知手段应用普遍偏少等，中小型水库监测感知能力仍显不足。

大坝安全智能化分析预警能力有待提升

水库大坝的各类检查信息、监测数据等是判断工程安全性态的重要依据。目前，多数水库建设的安全监测管理类系统主要功能为监测数据查询统计、图形报表制作以及数据管理等，大部分尚未建立安全分析预警体系，且分析应用能力相对薄弱，不能及时研判大坝运行性态，大坝安全智能化分析预警应用能力较数字孪生水利工程要求的预报、预警、预演、预案“四预”能力建设仍存在相当距离。

安全保障技术装备存在薄弱环节

深水深埋隐患诊断技术装备不足

随着运行时间的增加，大坝不可避免地出现老化、裂缝、钢筋锈蚀、坝体或坝基渗漏等问题。现有技术手段和装备难以精准、快速查明深水缺陷、深埋隐患的程度及范围。大坝水下损伤隐蔽性强、时空分布随机，加之水特殊的传导性和水下环境的复杂性，电、磁等方式难以准确检测水下损伤。大坝混凝土内部隐性裂缝、心墙土体的渗透破坏等病害具有隐蔽、复杂、埋深大的特点，常规无损检测的电法、电磁法、振动波法等技术的高频信号易被坝体材料吸收，抗干扰能力低，大坝安全监测和隐患排查治理能力存在短板。

深水加固作业手段有限

目前，大坝深水缺陷修补加固仍存在装备瓶颈和技术短板，难度高、耗时长、代价大、影响广、效果欠佳。人工潜水作业仍是当前水下处置最主要的方式，工程应用深度可达110m，更大深度的饱和潜水（300m级）作业在海洋行业中有所应用，但针对大坝深水环境、复杂工序、精细作业方面的设备研发、集成控制技术研究还不充分，缺乏成套技术设备，同时生命保障系统复杂、价格昂贵，应用推广受限。

应急管理水平与技术能力有待提升

近年来，极端暴雨、特大洪水、超强台风等极端事件出现的频率和强度呈上升态势，加之违规超蓄、下垫面变化、管理疏忽等人为因素的影响，水库出险等情况仍有发生，当前应对水库突发事件的水平和能力仍显不足。如2023年7月底，受台风“杜苏芮”影响，华北、黄淮等地出现极端降雨过程，沿太行山地区局地48小时降水量接近1000mm，均远超过当地常年平均雨量（600~700mm），引发重大洪涝灾害。

突发事件的预警能力不足

表现为中小型水库雨水情监测设施不完备、预报精度不高、预警标准缺失，部分水库缺乏极端天气引发超标准洪水的识别、预警能力。部分中小型水库巡视检查和安全监测制度未严格执行。

应急预案的有效性和可操作性不足

近年来，国家层面和水利行业出台了水库大坝突发事件的相关法律法规、规范导则等，包括《中华人民共和国突发事件应对法》《国家突发公共事件总体应急预案》《水库大坝安全管理条例》《水库大坝安全管理应急预案编制导则》等。各水库大坝管理单位以此制定了各类应急预案，但预案的针对性、有效性和可操作性仍有提升空间，公众风险意识也有待增强。

应急避险设施建设不足

我国部分已投运的高坝大库缺少应急放空设施或应急放空能力不足，遭遇地震、超标准洪水等极端事件时潜在风险大。中小型水库方面，部分缺乏应急电源、物资和应急通信设备，部分小水库未设上坝公路。

大坝安全运维思考

构建更具韧性的大坝防洪安全体系

完善中小水库的防洪安全复核标准

根据《水库大坝安全评价导则》（SL 258—2017），对于防洪标准达不到现行规范要求的，可分期提高运用洪水标准，但近期非常运用洪水标准不得低于《水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准的意见》（水规〔1989〕21号），意见中并未明确给出4、5级建筑物的近期非常运用洪水标准，而是由各省（自治区、直辖市）水利（水务）厅（局）自行确定，部分省份确定的近期非常运用洪水标准明显低于《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）的要求。建议安全评价时尽可能提高大坝特别是土石坝的防洪标准，对于不满足《防洪标准》（GB 50201—2014）和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）的直接评定为三类坝。

加强基于全流域的防洪调度

考虑到近年来极端强降雨事件频发、极端洪水事件增多，需加强基于全流域的防洪调度，将流域内具有水文、水力联系的水库以及相关工程设施进行统一的防洪协同调度，使整个流域的洪灾损失降至最低。建议针对各梯级大坝风险特征赋予不同的风险防控目标及安全标准，统筹考虑梯级水库群的设计洪水标准，制定对应的防洪调度方案，保障大坝在极端组合条件下的安全。

加强雨水情监测预报预警

水库雨水情信息为水库防洪、兴利调度提供数据支撑，当前中小型水库雨水情监测以大坝上固定的雨量站、水位站为主，需补充完善必要的库区雨水情监测站网，拓展“天空地”采集手段和遥感等现代技术应用，构建气象卫星和测雨雷达、雨量站、水文站组成的雨水情监测预报“三道防线”，增强监测能力，开展中小河流洪水预报预警，提高预见期和预报精度，实现洪水影响范围预报及洪水风险预警，保障中小型水库的安全运行。

提升土坝漫顶防溃能力

当土坝遭遇超标准洪水漫顶时，下游坝体在水流冲刷作用下可能会逐步崩解垮塌甚至溃决。建议在土石坝坝顶及后坝坡采取衬砌防护或防冲刷措施，如预设漫顶段采用现浇混凝土面板衬砌、砌石护坡结合加糙或台阶式消能等防冲设施，使洪水漫坝时能够在预先设置的防护段下泄以满足坝面短历时过水要求，降低溃坝风险甚至实现土石坝“漫而不溃”。

建设更具智慧的大坝安全管理体系

提升大坝运行管理信息化水平

根据数字孪生水利工程建设要求，围绕大坝运行及监督管理业务，建设配套的物联感知、通信传输、数据融合与存储、数据共享与发布、网络安全、业务应用、系统运维等行业技术标准。同时，分级建立全国统一的水库管理信息填报、审核、更新机制，实现水库运行管护等信息动态管理。

加强大坝安全感知能力建设

大坝安全态势感知提升能力需结合数字技术，如物联网、北斗、遥感等建设。对于小型水库，要采用自动化、智能化以及普惠性的新技术、新装备、新产品，力争做到全覆盖，保障监测设施及时维护、正常运行。同时，加强大中型水库大坝监测设施智能化改造工作，增设监测设施和自动化采集装置，提升监测设施自动化监测水平。加强水库监测数据整编分析，提升预测、预警能力。

加快推进数字孪生工程

按照水利部部署，加快水库大坝数字孪生建设相关研究和实践，实现大坝全过程安全管理的信息化、可视化、智慧化。借助数字孪生技术，积累和渐进式地开展数据治理，将设计数据、地理空间数据、工程建设过程数据、规则数据等进行知识结构化，使大坝工程开展物理实体建设的同时，在信息空间同步构建数字孪生体，实现对大坝全生命期的模拟、验证、控制和预测。

提升更精准高效的大坝安全诊断与加固能力

研发大坝高效精准检测技术与装备

借助无人机、激光、摄影测量、阵列超声、水下机器人等先进技术，开展大坝智能检测技术及装备研究，突破复杂条件下缺陷智能识别与精细定位等技术瓶颈，实现大坝全方位检测。借助无人机搭载高清摄像、红外成像、激光传感器等功能模块，实现大坝裂缝、缺陷的精确探测定位与智能识别分析诊断。引入阵列超声横波反射成像检测技术，结合声波射线追踪和反演成像技术，实现大坝结构全空间快速精细化检测。基于水下机器人检测平台，结合水下三维检测技术，实现水下复杂结构的自动化和可视化检测。创建新型水下声呐渗漏检测技术和高清示踪检测技术，提升深水机器人定位、检测与作业的时效和精度。

研发水下机器人作业平台

针对大坝深水病害的多发性与共性特点，强化技术集成创新，推动载人潜水器、水下多功能高效作业、加固修复等核心技术突破和装备研发，实现水下作业支持平台和多功能作业协同控制。研究基于机器人的多功能一体化处置作业技术及设备，以适应深水、动水、浑水环境。研发基于机器人的水下钻凿、嵌填、灌浆模块化作业设备，实现水下渗漏高效封堵、破损修复等多功能修复作业功能。

提高更实用管用的大坝安全应急处置水平

建设全国水库大坝安全应急平台

围绕灾害预报、溃坝分析、风险评估、应急响应等研究通用化专业模型体系，建设全国水库大坝安全应急平台。平台面向省、市、县以及水库管理单位等多个管理层级，涵盖水库风险管理及预警、应急信息发布、应急响应处置等多种功能、业务，支撑个人电脑、移动终端等多用户、多设备管理业务应用，形成多部门、多领域、多区域联动的决策模式，实现应急信息及时发布、快速获取、极速响应，提高水库应急管理能力和处置效率。

提高应急预案的科学性实用性

基于梯级水库群、多坝型溃坝规律及数值模拟结果，确定溃坝洪水演进过程及淹没范围，完善水库大坝风险区规划与相关标准。集成下游居民信息，利用GIS技术确定下游可能受灾居民点，基于道路数据确定最佳撤离路线，并根据水库大坝的运行环境变化适时更新应急预案，确保应急预案能真正发挥科学指导的作用。同时，加强水库应急安全宣传、培训和应急演练，增强公众的水库大坝风险意识和应急避险能力。

加快研发大坝溃决抢险技术与装备

主要包括机械开挖或爆破成渠的专门技术，以及大功率高扬程机械抽排、虹吸排水等成套装备。加大应对水库大坝突发事件的应急避险设施建设力度，特别是建设高坝大库安全且高效的应急放空设施。

结语

回顾我国近75年的坝工建设史，成效巨大；展望未来，经济社会对水安全提出了更高要求，大坝安全保障任重道远。在高质量发展新阶段，面对各流域洪旱防御、南水北调后续工程建设、抽水蓄能快速发展等繁重任务，按照美丽中国、数字社会、国家水网构建总要求， 建议全方位完善大坝安全保障体系，包括构建更具韧性的防洪体系，建设更智慧的安全管理体系，提升诊断加固能力和应急处置能力， 为如期全面建成社会主义现代化强国提供坚强的水安全保障贡献坝工力量。