冊田水庫病險成因分析

郭春玲

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

冊田水庫位于山西省大同縣境內，屬海河流域，永定河水系，是桑干河干流上山西省出境處的控制性工程。冊田水庫下游為官廳水庫，壩址以上控制流域面積1.67萬km2，占官廳水庫以上總流域面積的38.5%。水庫設計總庫容5.8億m3。水庫樞紐工程由大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、漿砌石重力壩等組成。水庫的主要任務是以防洪為主，兼顧城市供水和農業(yè)灌溉。可為大同市供水1.5 m3/s；冊田水庫灌區(qū)骨干水源工程是山西省十大灌區(qū)之一。

工程于1958年開始修建，1960年攔洪，1963年大壩填筑到953.6 m高程，為水中填土筑壩，1970年進行二期擴建工程，至1976年完成了土壩和正常溢洪道的施工，擴建后壩頂高程達到961.5 m，最大壩高41.5 m，為碾壓筑壩，水庫建成后，因存在諸多隱患，未能按原設計運行，被列為全國43座病險庫之一。

為確保水庫安全運行，1988年經原水利電力部批準進行了除險加固，1992年除險加固完工，水庫進入正常運行期；2000年1月進行了冊田水庫震后應急工程，2003年應急工程實施完成；2004年進行了冊田水庫壩址區(qū)環(huán)境治理工程；2007年經水利部海河水利委員會復核、山西省發(fā)改委批復進行了除險加固，工程于2009年1月開工建設，2010年12月通過竣工驗收，并交付使用。

2 水庫病險的成因分析

2.1 自然、地質原因

冊田水庫位于山西省大同縣境內，本流域屬高原溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多風沙，蒸發(fā)量大；夏季盛行東南風，降雨量主要集中在這一季節(jié)；秋季東南季風減退，降水量逐漸減少；冬季寒冷、干燥、少雪。根據(jù)大同市（1971—2000年）地面氣候統(tǒng)計資料，多年平均氣溫7.0℃，多年月平均最低氣溫-10.6℃，年內溫差較大，極端最高氣溫37.2℃，極端最低氣溫-27.2℃；無霜期為162 d；年平均封凍天數(shù)為119 d，最大凍土深為186 cm（1977年）。多年平均風速為2.9 m/s，極值最大風速為26.6 m/s，風向為NNW。

根據(jù)上述氣象資料，由于本地常年氣溫溫差較大，冬季冰凍時間長，風力較大，導致冊田水庫正常溢洪道、非常溢洪道的混凝土結構存在嚴重的凍融破壞。

2017年5月，冊田水庫管理局委托中國水利水電科學研究院，對正常溢洪道、非常溢洪道的混凝土結構進行現(xiàn)場檢測（詳見《山西冊田水庫溢洪道底板混凝土凍融缺陷檢測報告》），報告提出水庫正常溢洪道和非常溢洪道底板混凝土存在較為嚴重的凍融破壞，骨料外露，部分鋼筋保護層偏薄，鋼筋外露銹蝕。凍融對底板的整體性和耐久性都存在較大影響，將縮短底板混凝土的使用年限。

1989—1999年，在山西大同—陽高地區(qū)連續(xù)發(fā)生的3次中強地震活動，冊田水庫位于地震烈度7°區(qū)，地震后在大壩上游及壩頂發(fā)現(xiàn)10條橫縫，4條縱橫。并使得南副壩上游壩基砂層加速液化，會產生危及大壩安全的事故。

2.2 設計原因

第一，冊田水庫1976年完成了壩體加高后，達不到洪水標準100年一遇，也達不到校核洪水2 000年一遇，不滿足《防洪標準》（GB 50201-2000）要求。經2009年除險加固后，方才滿足防洪標準要求。

第二，主壩大部分建在玄武巖上，基巖滲透系數(shù)在0.02～2 m/d之間。壩址區(qū)玄武巖柱狀節(jié)理和裂隙普遍發(fā)育。在主河槽內開挖截水槽一道，長約100 m，寬4 m，嵌入基巖1～4 m。壩基黏土截水槽底寬4m，當庫水位為935.06m時其平均滲透坡降為1.43，相應水位下計算的截水槽內回填的黏土最大坡降為4.95，而其允許的滲透坡降可采用5～10。截水槽底部填土與基巖接觸面的允許滲透坡降約為1.5～3.0，而槽底實際運用中的滲透坡降較大，且截水槽僅嵌入基巖1～4 m，基巖表層節(jié)理發(fā)育，滲透性強，因此，庫水位提高后，沿截水槽底部與巖層接觸面處可能發(fā)生集中滲流。根據(jù)資料查到的允許坡降為0.08，而實際上主壩段的部分壩體坐落在玄武巖界面在庫水位956.0 m時的平均坡降為0.18。以上說明壩基存在接觸沖砂問題，而設計中未充分考慮此問題，留下了隱患。

第三，北京水利水電科學研究院用擬靜力地震總應力法對大壩地震穩(wěn)定性進行了分析計算。選取主壩段0+550斷面，壩高41.5 m。詳見表1。

表1 大壩地震穩(wěn)定性分析計算

對計算結果分析表明，在遭遇地震烈度7°時，最小安全系數(shù)K=1.038，最大安全系數(shù)K=1.191，說明主壩段上、下游壩坡安全系數(shù)均不滿足規(guī)范規(guī)定的1.21～1.26。

第四，正常溢洪道是1970年擴建工程完成的項目，閘門是1976年冊田水庫完成正常溢洪道施工時安裝的，至今已運行40年，超過閘門使用折舊年限要求，且門體、埋件銹蝕、銹穿現(xiàn)象嚴重，閘門強度和穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求；啟閉設備陳舊老化，運行控制系統(tǒng)可靠性差，電動機功率及零部件主要傳動部分不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，嚴重影響閘門的正常啟閉運行，門體漏水嚴重，影響泄槽混凝土。

第五，非常溢洪道為1989年除險加固項目，1992年竣工驗收，閘門至今運行已24年，工作閘門門體存在銹蝕現(xiàn)象，門體強度和穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求；啟閉設備設計標準低，功率嚴重不足，電氣控制系統(tǒng)布局紊亂，運行控制功能不健全，嚴重影響閘門的正常啟閉運行。門體漏水，影響泄槽混凝土。

非常溢洪道閘室共有12個懸臂式混凝土轉向輪支墩，承托后拉式啟閉機轉向機構，是閘門啟閉過程中的主要受力構件。閘室自建成以來，并未達到滿負荷運行，但支墩混凝土均不同程度產生了斜裂縫。現(xiàn)場檢測結果：轉向輪支墩混凝土裂縫情況嚴重，各支墩均有多條裂縫寬度超出《水工混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定的限值0.35 mm；抽測8條裂縫深度為6.3～16.6 cm；取樣結果表明，鉆芯部位混凝土內部質量較差，支墩內部亦有裂縫，且鉆芯處水平鋼筋有輕微銹蝕。結構計算發(fā)現(xiàn)所配箍筋面積嚴重不足，且不滿足規(guī)范最小配筋率0.15%的要求。

以上五點說明冊田水庫在設計過程中未能充分考慮周詳，存在設計隱患。

2.3 施工原因

第一，大壩壩體存在填筑施工方法不一，造成壩體上硬下軟，且壩體內存在局部軟弱區(qū)，所以壩體質量不均。大壩壩體填筑完成后，即壩頂高程達961.5 m，1975年汛后開始蓄水，1977年12月份發(fā)現(xiàn)43條橫縫，2條縱向裂縫。43條橫向裂縫中，縫寬大于5 mm的裂縫有13條，最寬為15 mm；縫寬2～4 mm的裂縫有16條，其余14條縫寬0.5～1.5 mm，這些橫縫主要分布在南、北副壩及南、北副壩與主壩的接頭處。縱縫在大壩上游955.1 m高程以上。

第二，漿砌石重力壩壩基、溢洪道基礎防滲帷幕施工質量存在問題：

大壩樁號0+629～0+764為F2斷層灌漿帷幕，全長150 m（兩樁號距離146 m）。灌漿孔為雙排，排、孔距均為5 m，呈梅花形布置。灌漿平均耗水泥量320 kg/m。通過檢查孔透水率值分析，在4個檢查孔中，呂榮值為10～100 Lu之間數(shù)量占62%，呂榮值大于100 Lu占38%，比灌漿前呂榮值2 000～3 000 Lu大大減少，但未達到現(xiàn)行規(guī)范透水率q＜5 Lu的要求。

大壩樁號0-055～0+237，為溢洪道灌漿帷幕，為雙排灌漿孔，帷幕灌漿設計要求呂榮值小于10 Lu，未達到《碾壓式土石壩設計規(guī)范》透水率q＜5 Lu的要求，質量較差。

第三，北副壩清泉洞壩段（樁號0+223～0+278，長55 m）防滲施工時未封閉，存在滲流安全隱患。

2.4 運行管理原因

滲流、滲壓觀測設施多年失修，觀測數(shù)據(jù)不準確，不滿足運行要求；壩變形觀測基點多數(shù)破損嚴重，規(guī)型與現(xiàn)行測量儀器不配套。水情預報系統(tǒng)已建立，但無洪水預報軟件。

以上兩點說明冊田管理局在日常運行管理中，未能及時對大壩主要的觀測設備進行清理、維護、更換，存在管理隱患。

3 結 語

綜上所述，在以上各項因素疊加、共同作用下，冊田水庫的壩體、各個主要建筑物出現(xiàn)各種不同程度的安全隱患，有些較為嚴重。所以有必要對冊田水庫按有關規(guī)范進行徹底加固改造，嚴格控制施工質量，加強水庫日常巡查及管理，以確保水庫的安全，使得各方面綜合效益得到最大發(fā)揮。