鬧德海水庫病險分析及除險加固對策

張福利

（遼寧省鬧德海水庫管理局 遼寧 阜新 123099）

1 工程概況

鬧德海水庫位于柳河上游，遼寧省彰武縣滿堂紅鄉鬧德海村。為一調洪滯沙、工農業供水綜合利用的水利樞紐，始建于1942年，壩型為直線式混凝土重力壩，控制流域面積4051km2。建國后歷經1965年加固、1970年改建、1991年加固，現壩高44.50m，壩長仍為167m，最大庫容2.23億m3，為柳河干流上唯一已建的大型控制性工程，屬大（Ⅱ）型水庫。鬧德海水庫對削減柳河洪峰和減輕下游泥沙災情發揮了非常顯著的作用，同時鬧德海水庫又是盤錦灌區、阜新市城市居民生活用水的主要水源地。保護下游150萬畝農田，沈山、高新、大鄭三條鐵路，八三輸油管道，沈錦、沈承兩條公路，京四高速公路，以及彰武、新民二座縣城。水庫一旦失事，將給下游農田、城鄉、公交設施等帶來毀滅性災害。

水庫樞紐建筑物由擋水壩段、溢流壩段、五個排沙底孔、二個泄洪中孔、輸水洞組成。擋壩頂高程194.00m，壩頂寬4.0m，上游壩坡1∶0.1，下游壩坡1∶0.8。溢流壩為克奧Ⅱ型開敞式實用堰，溢流堰凈寬53.60m，堰頂高程181.50m，堰上設6個1.40m橋墩。

為了充分利用水資源，解決缺水問題，鬧德海水庫于1995年提出延長水庫蓄水期方案，在保持水庫多年沖淤基本平衡的前提下，增加了城市和農業供水量，提高了水庫的經濟效益。由于歷次加固、改建受資金等條件的限制，未能補建壩下消能工以及相應設施的進一步改造。

2 水庫建設歷程

1965年加固：在原擋水壩頂加高頂寬1.0m，底寬2.05m的混凝土子埝，子埝頂高程至191.00m。同時補強底孔斷面和裂縫沖溝，使大壩防洪標準達百年一遇。加固原因是1963年大洪水時，洪水漫過擋水壩頂0.62m，造成大壩設施的部分水毀破壞。

1970年改建：主要是對水庫的運用方式進行改造，將5個底孔、2個中孔安裝閘門，在溢流堰頂設置6個橋墩（計劃在溢流堰頂安裝閘門，提高正常蓄水位，實際沒有安裝）。水庫運用方式由全年敞排變為“冬蓄春放、汛期敞排”。經過多年運用，庫容較為穩定，每年春季可向下游灌區供水 5000萬 m3～7000萬 m3。

1991年加固，主要原因是壩高低于規范規定的防洪標準，大壩經50年運行，混凝土老化，壩體滲漏嚴重，壩頂無交通橋等。本次加固主要項目有：擋水壩頂高程提高到194.00m、溢流壩上橋墩加高加長、增設交通橋、大壩上游面設瀝青混凝土防滲面板、二壩頭進行帷幕灌漿。

3 水庫存在的主要病險

3.1 樞紐工程

3.1.1 溢流壩壩下無消能設施

水庫大壩建成于1942年，經1965年固，1970年改建，1991年加固，因受當時運行方式及資金的制約，一直未能對溢流壩下消能設施進行補建。1994年洪水擴大了壩下沖坑面積和深度，護坦發生斷裂、沉陷。據資料查證：現護坦長度不能滿足要求，如滿足消能要求，護坦長需80m，并需修建高6.5m的壅水堰。

現溢流壩下護坦長不足20m，其下游沖坑雖經1991年加固時的塊石回填，但只經幾次中小洪水的沖刷，現已經沒有塊石存在了。現已將護坦下的沖坑淘刷至近10m深，深坑范圍已達1200m2。沖坑位于護坦下游邊緣，僅距壩址20m，并位于大壩最大斷面處。發現溢流壩下左部護坦沉陷斷裂，對壩體的安全穩定構成嚴重威脅。

3.1.2 排沙、泄水孔

壩體設有5個排沙底孔，2個泄水中孔。由于是改建時增設的閘門等設施，整體布置不盡合理，各孔進口段漸變不足，致使水流條件不好，沒有檢修閘門等設施。除底孔3、5號及中孔6、7號外均未設通氣孔，因為各通氣孔共用同一個外部出口，摻氣量不足，1～5號底孔均有不同程度的氣蝕現象。底孔1、2、4號未設通氣孔，配套的啟閉機只能滿足低水位運行，不能作為度汛泄洪排沙孔。

3.1.3 閘門與啟閉機

汛期度汛時將閘門與滑輪組之間解體，將閘門懸掛于門槽頂部，將滑輪組提升至設計洪水水面線以上，水庫空庫迎洪度汛。

沒有檢修閘門，不能對工作閘門進行及時檢修，無法確保閘門正常開啟。

1、2、4 號啟閉機啟門力為50t，只能在空庫條件下啟閉，影響防洪度汛。6、7號啟閉機鋼絲繩纏繞時亂繩，對閘門提升極為不利。1、4、6、7號啟閉機材質為沸騰鋼，焊縫未做X光檢測。3、5號啟閉機運行良好。

3.1.4 輸水洞

1974年增建的直徑3m，長450m的輸水洞，只作了混凝土襯砌，未作回填及固結灌漿處理。輸水洞運行時右壩頭滲流加劇，右壩頭下游巖石已產生凍融破壞，有壩塌及滑坡產生，嚴重威脅順壩頭的安全穩定。

輸水洞進口有大面積的風化巖石脫落，已經將3m的洞徑淤堵1.70m。

3.1.5 擋水壩、溢流壩

大壩長167m，未設伸縮縫，僅有工作縫將壩體分為9個壩段，在壩體上游面設有止水銅片。施工時砼內部未采用散熱設施，澆筑后的大體積砼產生的大小溫度裂縫數百條。壩面上共有垂直壩軸線方向的大裂縫21條，其中右岸擋水壩5條，左岸擋水壩7條，溢流壩9條。繞壩滲流加劇，在下游兩岸邊坡的溢出點抬高，溢出范圍加大。

溢流壩壩面混凝土剝蝕現在明顯。4、5、6號橋墩在堰頂處產生傾向45度的裂縫，從外部觀察已經貫穿橋墩，尚無定性分析。

3.1.6 壩內廊道

廊道在拱頂上有一條與其走向平行的貫穿裂縫，側墻存在很多垂直裂縫，共計150余條，一般深20cm～30cm，工作縫處大于60cm，寬0.2mm～0.5mm，個別達0.7mm。沿工作縫有大量鈣質析出，已經形成寬10cm，厚5cm～8cm的鈣質結晶體形成。壩體滲漏雖經處理，但沒有達到預期效果。

3.1.7 交通橋

在南北擋水壩與交通橋聯接處各存在2處折點，長不足10m，寬4m的引橋連續存在夾角為25度的折點。在南北過橋車輛的慣性沖擊下，橋面產生過大的振動，對現在的薄板橋墩影響很大，并對緊臨的上游工作橋的穩定構成威脅。

3.2 大壩周邊條件

大壩上游右岸坡距壩面2m處有大面積強風化巖石，體積達數千立方米，目前經常滑落，若產生大體積滑坡坍塌，將會堵塞1、2、3號底孔。底孔堵塞后，將減少下瀉洪水的流量，提高壩前水位，導致大壩在非設計標準下的危險運行。

4 存在病險分析

4.1 自然因素

壩址地區巖石裂隙發育，導致繞壩滲流嚴重，目前滲流呈現增強趨勢。東北地區冬季氣溫低于冰點，反復的凍融，亦使巖石風化破碎加劇，滲流日趨嚴重。溢流壩下形成沖坑，除護坦太短外，壩下河底巖石強度低，也是主要原因。

4.2 工程因素

鬧德海堰堤建成于1942年，設計標準、施工質量都比較低，大壩混凝土標號在很多部位都不能滿足運行要求。當時的設計僅考慮大壩是短時間滯洪、滯沙，沒考慮樞紐工程蓄水。

1965年加固主要考慮大壩防洪標準低和1963年大洪水水毀工程修復、加固問題。工程加固受經濟條件制約也不曾考慮補建壩下消能設施問題。大壩運行方式依然是滯洪、滯沙的攔沙堰。

20世紀70年代隨著遼寧缺水日趨嚴重，柳河水資源的利用已成為必然。1970年改建鬧德海水庫也不曾象修建新水庫那樣綜合、長遠考慮水庫的各項問題。只是利用原底孔、中孔安裝機械和手動閘門，攔蓄非汛期徑流，汛期的鬧德海水庫仍然是一座空庫迎洪、滯洪、滯沙的堰堤。泄流排沙孔閘門全部采用平板定輪鋼閘門配合QPQ型卷揚啟閉機啟閉。其中5個底孔和2個中孔孔口寬度尺寸相同，均為1.7m。閘門型式為潛孔平面定輪鋼閘門，采用Q235A焊接結構。其中5個底孔的底坎高程為151.02m，2個中孔閘門的底坎高程為163.00m。

1991年加固，也是在水庫冬蓄春放、空庫迎洪的運用原則下加固的。改手動的啟閉閘門為機械啟閉，加寬加高了原來的擋水壩，設置了簡易交通橋，大壩上游增設了瀝青混凝土防滲面板。由于沒考慮水庫汛期蓄清排渾運用，檢修閘門、工作閘門最大啟閉門高度能否滿足設計洪水下泄水面線的要求，1、2、4號閘門在非空庫要件下能否啟閉等都不在加固設計范圍內。在1991年除險加固過程中，由于受資金及當時水庫運用方式的限制，只對原1號、2號、4號人工手動無水啟閉的閘門安裝了啟門力為50t的QPQ型卷揚啟閉機，沒有增設通氣孔，閘門啟閉水頭限制為160m。3號、5號、6號、7號孔閘門啟閉機可以在任意水位下動水運行。7孔閘門均由啟閉機分動水和無水啟閉二種運行方式，滿足當時“冬蓄春放，蓄清排渾，汛期敞排”的運用方式。

5 除險加固對策

依據水利部大壩安全管理中心壩函[2005]989號文《關于柴河等六座水庫大壩安全鑒定成的核查意見》，開展本次除險加固工程。

本次加固實施的項目有：補建壩下消能工；繞壩滲流帷幕灌漿；不穩定岸坡處理；增設排沙底孔、中孔檢修閘門及配套工程；抬高工作橋、取直交通橋；輸水洞進口改造、洞身回填固結灌漿；壩體缺陷、裂縫處理；工程觀測設施改造；水文、泥沙觀測工程；碼頭等。

5.1 完善水工建筑工程

本次除險加固內容主要有：壩下消能設計，壩體應力分析、岸坡壩段滲流和繞壩滲漏設計，不穩定岸坡處理，溢流壩段增設檢修閘門后，有閘墩、閘門槽、啟閉排架、工作橋、啟閉機室等設計，輸水洞改造，壩體缺陷及裂縫處理設計、交通橋設計等項。

壩下消能方式采用消力池方案，拆除原有護坦，新設計11.8m長、2m厚護坦，接消力池消力池斜坡段長25m，坡比1∶4.0，池長63m池寬50m，池深5.8m，池底高程144.7m，底板厚度2.0m。池后接原天然河道。

岸坡壩段滲流和繞壩滲漏采取灌漿處理左岸從樁號0+016.7起，沿壩軸線方向，灌漿至樁號0-063.3，右岸從樁號0+143.70起，沿壩軸線方向，灌漿至樁號0+203.70。

上游右壩頭至輸水洞進口間不穩定岸坡采用削坡處理，由現近直立的坡放至1∶0.75處理長度約60m。輸水洞洞口附近不穩定岸坡采用錨噴設計方案，處理范圍約30m，由高程165m至194m。下游左岸不穩定岸坡采用削坡處理，由近乎直立坡削至1∶0.75，處理長度約20m，高度30m左右。

本次除險加固設計增加所有底孔和中孔檢修閘門配套工程，原有工作門由斜拉改為直立提升。新增閘墩上架設排架，排架上起工作橋，工作橋上設置啟閉機室。

輸水洞進口重新布設攔污柵、檢修閘門槽及啟閉機室，原斜拉式工作門改為垂直提升輸水洞做回填灌漿和固結灌漿處理。

將壩體缺陷、裂縫，按寬度、深度不同分類，采取不同的方法進行修補加固處理。

交通橋改造設計有：擴寬溢流壩段交通橋，拆除一部分閘墩和斜橋，與擋水壩段相接使得壩頂交通在一條直線上。

觀測項目新增壩頂水平、垂直位移真空激光觀測，對原有滲流、揚壓力和繞壩滲流觀測進行改造。新增壩址區水文、雨量觀測和庫區泥沙觀測。

5.2 改造新購金屬結構設備

鬧德海水庫除險加固工程金屬結構部由泄流排沙孔和輸水洞兩部分的閘門及其啟閉設備組成。泄流排沙孔其中七扇工作閘門經改造后，可以繼續使用，只對七臺啟閉機中的五臺啟門力不足的進行更換。由于水庫運行方式由汛期空庫迎洪度汛改為長年蓄水運行，七孔工作閘門增設檢修閘門及啟閉設備輸水洞進口檢修閘門、攔污柵及啟閉設備全部進行更換。

在不影響正常防洪、滯沙、水庫供水的運用方式下，對水庫的底孔、中孔、輸水洞閘門啟閉機更新改造。

由于受當初建設結構的影響，排沙孔平板閘門不能改變，平板閘門汛期多次啟閉調水閘門及水封的損壞嚴重，為了不影響正常供水，及時做好閘門與啟閉機的檢修，故增設了大壩排沙孔的檢修門槽及其門槽金屬結構埋件，增設了檢修閘門及啟閉設備。增設了七孔共用一個檢修閘門重3.88t，檢修閘門啟閉用20t電動葫蘆，其間聯結采用機械抓梁，能夠在檢修閘門關閉后，電動葫蘆與檢修閘門分離，用作工作門檢修時配合啟閉機使用。

新購啟閉機由三門峽新華水工機械有限公司制造，三臺150t，二臺100t，改造二臺150t舊機。底孔閘門安裝了閘門開度顯示儀。更加方便了調水時閘門開度的設置與控制。1號、2號、4號泄水孔增設了通氣孔。

輸水洞閘門、啟閉機與攔污柵全部進行更換，門槽埋件及攔污柵槽進行更換，保證了供水時不進污物，及汛期大洪水防止輸水洞進入泥沙的要求。

經過此次加固，大壩七個泄水孔閘門均可以在任意水位下，動水啟閉，并能夠除汛前正常檢修外，可以在任意供水時間完成對泄水孔閘門和啟閉機的檢修。在保證水庫安全度汛的同時不誤城市供水。水庫運用方式變為：汛期在防洪限制水位下正常運行，其它季節“蓄豐補欠”，提高了對阜新城市供水量。

5.3 配套機電設備

改造設備老化及設備增加需要對變壓器、溢洪道七孔門、輸水洞進口檢修門、備用電源等進行設備更新及重新設計。同時增設溢流壩3#和5#閘門實施微機遠程自動控制。增設一套遠程電視監控系統。增設水庫庫區局域網，使水庫各項自動化分系統形成網絡化，與上下級和有關部門聯網，達到信息的及時傳遞和指令的及時下達，做到數據共享。

6 結論

本次加固工程批復后，工程由遼寧省宏禹監理公司監理，遼寧省水利工程局承建，于2007年11月11日全面開工，2010年10月30日工程完工，于12月28日完成竣工驗收，現正在工程已投入正常運行中，運行至今效果良好。陜西水利