鬧德海水庫(kù)病險(xiǎn)分析及除險(xiǎn)加固對(duì)策

張福利

（遼寧省鬧德海水庫(kù)管理局 遼寧 阜新 123099）

1 工程概況

鬧德海水庫(kù)位于柳河上游，遼寧省彰武縣滿(mǎn)堂紅鄉(xiāng)鬧德海村。為一調(diào)洪滯沙、工農(nóng)業(yè)供水綜合利用的水利樞紐，始建于1942年，壩型為直線(xiàn)式混凝土重力壩，控制流域面積4051km2。建國(guó)后歷經(jīng)1965年加固、1970年改建、1991年加固，現(xiàn)壩高44.50m，壩長(zhǎng)仍為167m，最大庫(kù)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(kù)。鬧德海水庫(kù)對(duì)削減柳河洪峰和減輕下游泥沙災(zāi)情發(fā)揮了非常顯著的作用，同時(shí)鬧德海水庫(kù)又是盤(pán)錦灌區(qū)、阜新市城市居民生活用水的主要水源地。保護(hù)下游150萬(wàn)畝農(nóng)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(kù)一旦失事，將給下游農(nóng)田、城鄉(xiāng)、公交設(shè)施等帶來(lái)毀滅性災(zāi)害。

水庫(kù)樞紐建筑物由擋水壩段、溢流壩段、五個(gè)排沙底孔、二個(gè)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(kāi)敞式實(shí)用堰，溢流堰凈寬53.60m，堰頂高程181.50m，堰上設(shè)6個(gè)1.40m橋墩。

為了充分利用水資源，解決缺水問(wèn)題，鬧德海水庫(kù)于1995年提出延長(zhǎng)水庫(kù)蓄水期方案，在保持水庫(kù)多年沖淤基本平衡的前提下，增加了城市和農(nóng)業(yè)供水量，提高了水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。由于歷次加固、改建受資金等條件的限制，未能補(bǔ)建壩下消能工以及相應(yīng)設(shè)施的進(jìn)一步改造。

2 水庫(kù)建設(shè)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(shí)補(bǔ)強(qiáng)底孔斷面和裂縫沖溝，使大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)百年一遇。加固原因是1963年大洪水時(shí)，洪水漫過(guò)擋水壩頂0.62m，造成大壩設(shè)施的部分水毀破壞。

1970年改建：主要是對(duì)水庫(kù)的運(yùn)用方式進(jìn)行改造，將5個(gè)底孔、2個(gè)中孔安裝閘門(mén)，在溢流堰頂設(shè)置6個(gè)橋墩（計(jì)劃在溢流堰頂安裝閘門(mén)，提高正常蓄水位，實(shí)際沒(méi)有安裝）。水庫(kù)運(yùn)用方式由全年敞排變?yōu)椤岸畲悍?、汛期敞排”。?jīng)過(guò)多年運(yùn)用，庫(kù)容較為穩(wěn)定，每年春季可向下游灌區(qū)供水 5000萬(wàn) m3～7000萬(wàn) m3。

1991年加固，主要原因是壩高低于規(guī)范規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，大壩經(jīng)50年運(yùn)行，混凝土老化，壩體滲漏嚴(yán)重，壩頂無(wú)交通橋等。本次加固主要項(xiàng)目有：擋水壩頂高程提高到194.00m、溢流壩上橋墩加高加長(zhǎng)、增設(shè)交通橋、大壩上游面設(shè)瀝青混凝土防滲面板、二壩頭進(jìn)行帷幕灌漿。

3 水庫(kù)存在的主要病險(xiǎn)

3.1 樞紐工程

3.1.1 溢流壩壩下無(wú)消能設(shè)施

水庫(kù)大壩建成于1942年，經(jīng)1965年固，1970年改建，1991年加固，因受當(dāng)時(shí)運(yùn)行方式及資金的制約，一直未能對(duì)溢流壩下消能設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)建。1994年洪水?dāng)U大了壩下沖坑面積和深度，護(hù)坦發(fā)生斷裂、沉陷。據(jù)資料查證：現(xiàn)護(hù)坦長(zhǎng)度不能滿(mǎn)足要求，如滿(mǎn)足消能要求，護(hù)坦長(zhǎng)需80m，并需修建高6.5m的壅水堰。

現(xiàn)溢流壩下護(hù)坦長(zhǎng)不足20m，其下游沖坑雖經(jīng)1991年加固時(shí)的塊石回填，但只經(jīng)幾次中小洪水的沖刷，現(xiàn)已經(jīng)沒(méi)有塊石存在了?，F(xiàn)已將護(hù)坦下的沖坑淘刷至近10m深，深坑范圍已達(dá)1200m2。沖坑位于護(hù)坦下游邊緣，僅距壩址20m，并位于大壩最大斷面處。發(fā)現(xiàn)溢流壩下左部護(hù)坦沉陷斷裂，對(duì)壩體的安全穩(wěn)定構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

3.1.2 排沙、泄水孔

壩體設(shè)有5個(gè)排沙底孔，2個(gè)泄水中孔。由于是改建時(shí)增設(shè)的閘門(mén)等設(shè)施，整體布置不盡合理，各孔進(jìn)口段漸變不足，致使水流條件不好，沒(méi)有檢修閘門(mén)等設(shè)施。除底孔3、5號(hào)及中孔6、7號(hào)外均未設(shè)通氣孔，因?yàn)楦魍饪坠灿猛粋€(gè)外部出口，摻氣量不足，1～5號(hào)底孔均有不同程度的氣蝕現(xiàn)象。底孔1、2、4號(hào)未設(shè)通氣孔，配套的啟閉機(jī)只能滿(mǎn)足低水位運(yùn)行，不能作為度汛泄洪排沙孔。

3.1.3 閘門(mén)與啟閉機(jī)

汛期度汛時(shí)將閘門(mén)與滑輪組之間解體，將閘門(mén)懸掛于門(mén)槽頂部，將滑輪組提升至設(shè)計(jì)洪水水面線(xiàn)以上，水庫(kù)空庫(kù)迎洪度汛。

沒(méi)有檢修閘門(mén)，不能對(duì)工作閘門(mén)進(jìn)行及時(shí)檢修，無(wú)法確保閘門(mén)正常開(kāi)啟。

1、2、4 號(hào)啟閉機(jī)啟門(mén)力為50t，只能在空庫(kù)條件下啟閉，影響防洪度汛。6、7號(hào)啟閉機(jī)鋼絲繩纏繞時(shí)亂繩，對(duì)閘門(mén)提升極為不利。1、4、6、7號(hào)啟閉機(jī)材質(zhì)為沸騰鋼，焊縫未做X光檢測(cè)。3、5號(hào)啟閉機(jī)運(yùn)行良好。

3.1.4 輸水洞

1974年增建的直徑3m，長(zhǎng)450m的輸水洞，只作了混凝土襯砌，未作回填及固結(jié)灌漿處理。輸水洞運(yùn)行時(shí)右壩頭滲流加劇，右壩頭下游巖石已產(chǎn)生凍融破壞，有壩塌及滑坡產(chǎn)生，嚴(yán)重威脅順壩頭的安全穩(wěn)定。

輸水洞進(jìn)口有大面積的風(fēng)化巖石脫落，已經(jīng)將3m的洞徑淤堵1.70m。

3.1.5 擋水壩、溢流壩

大壩長(zhǎng)167m，未設(shè)伸縮縫，僅有工作縫將壩體分為9個(gè)壩段，在壩體上游面設(shè)有止水銅片。施工時(shí)砼內(nèi)部未采用散熱設(shè)施，澆筑后的大體積砼產(chǎn)生的大小溫度裂縫數(shù)百條。壩面上共有垂直壩軸線(xiàn)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(diǎn)抬高，溢出范圍加大。

溢流壩壩面混凝土剝蝕現(xiàn)在明顯。4、5、6號(hào)橋墩在堰頂處產(chǎn)生傾向45度的裂縫，從外部觀察已經(jīng)貫穿橋墩，尚無(wú)定性分析。

3.1.6 壩內(nèi)廊道

廊道在拱頂上有一條與其走向平行的貫穿裂縫，側(cè)墻存在很多垂直裂縫，共計(jì)150余條，一般深20cm～30cm，工作縫處大于60cm，寬0.2mm～0.5mm，個(gè)別達(dá)0.7mm。沿工作縫有大量鈣質(zhì)析出，已經(jīng)形成寬10cm，厚5cm～8cm的鈣質(zhì)結(jié)晶體形成。壩體滲漏雖經(jīng)處理，但沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果。

3.1.7 交通橋

在南北擋水壩與交通橋聯(lián)接處各存在2處折點(diǎn)，長(zhǎng)不足10m，寬4m的引橋連續(xù)存在夾角為25度的折點(diǎn)。在南北過(guò)橋車(chē)輛的慣性沖擊下，橋面產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)，對(duì)現(xiàn)在的薄板橋墩影響很大，并對(duì)緊臨的上游工作橋的穩(wěn)定構(gòu)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(qiáng)風(fēng)化巖石，體積達(dá)數(shù)千立方米，目前經(jīng)?；?，若產(chǎn)生大體積滑坡坍塌，將會(huì)堵塞1、2、3號(hào)底孔。底孔堵塞后，將減少下瀉洪水的流量，提高壩前水位，導(dǎo)致大壩在非設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的危險(xiǎn)運(yùn)行。

4 存在病險(xiǎn)分析

4.1 自然因素

壩址地區(qū)巖石裂隙發(fā)育，導(dǎo)致繞壩滲流嚴(yán)重，目前滲流呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)。東北地區(qū)冬季氣溫低于冰點(diǎn)，反復(fù)的凍融，亦使巖石風(fēng)化破碎加劇，滲流日趨嚴(yán)重。溢流壩下形成沖坑，除護(hù)坦太短外，壩下河底巖石強(qiáng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工質(zhì)量都比較低，大壩混凝土標(biāo)號(hào)在很多部位都不能滿(mǎn)足運(yùn)行要求。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)僅考慮大壩是短時(shí)間滯洪、滯沙，沒(méi)考慮樞紐工程蓄水。

1965年加固主要考慮大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)低和1963年大洪水水毀工程修復(fù)、加固問(wèn)題。工程加固受經(jīng)濟(jì)條件制約也不曾考慮補(bǔ)建壩下消能設(shè)施問(wèn)題。大壩運(yùn)行方式依然是滯洪、滯沙的攔沙堰。

20世紀(jì)70年代隨著遼寧缺水日趨嚴(yán)重，柳河水資源的利用已成為必然。1970年改建鬧德海水庫(kù)也不曾象修建新水庫(kù)那樣綜合、長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮水庫(kù)的各項(xiàng)問(wèn)題。只是利用原底孔、中孔安裝機(jī)械和手動(dòng)閘門(mén)，攔蓄非汛期徑流，汛期的鬧德海水庫(kù)仍然是一座空庫(kù)迎洪、滯洪、滯沙的堰堤。泄流排沙孔閘門(mén)全部采用平板定輪鋼閘門(mén)配合QPQ型卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)啟閉。其中5個(gè)底孔和2個(gè)中孔孔口寬度尺寸相同，均為1.7m。閘門(mén)型式為潛孔平面定輪鋼閘門(mén)，采用Q235A焊接結(jié)構(gòu)。其中5個(gè)底孔的底坎高程為151.02m，2個(gè)中孔閘門(mén)的底坎高程為163.00m。

1991年加固，也是在水庫(kù)冬蓄春放、空庫(kù)迎洪的運(yùn)用原則下加固的。改手動(dòng)的啟閉閘門(mén)為機(jī)械啟閉，加寬加高了原來(lái)的擋水壩，設(shè)置了簡(jiǎn)易交通橋，大壩上游增設(shè)了瀝青混凝土防滲面板。由于沒(méi)考慮水庫(kù)汛期蓄清排渾運(yùn)用，檢修閘門(mén)、工作閘門(mén)最大啟閉門(mén)高度能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)洪水下泄水面線(xiàn)的要求，1、2、4號(hào)閘門(mén)在非空庫(kù)要件下能否啟閉等都不在加固設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在1991年除險(xiǎn)加固過(guò)程中，由于受資金及當(dāng)時(shí)水庫(kù)運(yùn)用方式的限制，只對(duì)原1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)人工手動(dòng)無(wú)水啟閉的閘門(mén)安裝了啟門(mén)力為50t的QPQ型卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，沒(méi)有增設(shè)通氣孔，閘門(mén)啟閉水頭限制為160m。3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)孔閘門(mén)啟閉機(jī)可以在任意水位下動(dòng)水運(yùn)行。7孔閘門(mén)均由啟閉機(jī)分動(dòng)水和無(wú)水啟閉二種運(yùn)行方式，滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)“冬蓄春放，蓄清排渾，汛期敞排”的運(yùn)用方式。

5 除險(xiǎn)加固對(duì)策

依據(jù)水利部大壩安全管理中心壩函[2005]989號(hào)文《關(guān)于柴河等六座水庫(kù)大壩安全鑒定成的核查意見(jiàn)》，開(kāi)展本次除險(xiǎn)加固工程。

本次加固實(shí)施的項(xiàng)目有：補(bǔ)建壩下消能工；繞壩滲流帷幕灌漿；不穩(wěn)定岸坡處理；增設(shè)排沙底孔、中孔檢修閘門(mén)及配套工程；抬高工作橋、取直交通橋；輸水洞進(jìn)口改造、洞身回填固結(jié)灌漿；壩體缺陷、裂縫處理；工程觀測(cè)設(shè)施改造；水文、泥沙觀測(cè)工程；碼頭等。

5.1 完善水工建筑工程

本次除險(xiǎn)加固內(nèi)容主要有：壩下消能設(shè)計(jì)，壩體應(yīng)力分析、岸坡壩段滲流和繞壩滲漏設(shè)計(jì)，不穩(wěn)定岸坡處理，溢流壩段增設(shè)檢修閘門(mén)后，有閘墩、閘門(mén)槽、啟閉排架、工作橋、啟閉機(jī)室等設(shè)計(jì)，輸水洞改造，壩體缺陷及裂縫處理設(shè)計(jì)、交通橋設(shè)計(jì)等項(xiàng)。

壩下消能方式采用消力池方案，拆除原有護(hù)坦，新設(shè)計(jì)11.8m長(zhǎng)、2m厚護(hù)坦，接消力池消力池斜坡段長(zhǎng)25m，坡比1∶4.0，池長(zhǎng)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(hào)0+016.7起，沿壩軸線(xiàn)方向，灌漿至樁號(hào)0-063.3，右岸從樁號(hào)0+143.70起，沿壩軸線(xiàn)方向，灌漿至樁號(hào)0+203.70。

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

本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)增加所有底孔和中孔檢修閘門(mén)配套工程，原有工作門(mén)由斜拉改為直立提升。新增閘墩上架設(shè)排架，排架上起工作橋，工作橋上設(shè)置啟閉機(jī)室。

輸水洞進(jìn)口重新布設(shè)攔污柵、檢修閘門(mén)槽及啟閉機(jī)室，原斜拉式工作門(mén)改為垂直提升輸水洞做回填灌漿和固結(jié)灌漿處理。

將壩體缺陷、裂縫，按寬度、深度不同分類(lèi)，采取不同的方法進(jìn)行修補(bǔ)加固處理。

交通橋改造設(shè)計(jì)有：擴(kuò)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(xiàn)上。

觀測(cè)項(xiàng)目新增壩頂水平、垂直位移真空激光觀測(cè)，對(duì)原有滲流、揚(yáng)壓力和繞壩滲流觀測(cè)進(jìn)行改造。新增壩址區(qū)水文、雨量觀測(cè)和庫(kù)區(qū)泥沙觀測(cè)。

5.2 改造新購(gòu)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備

鬧德海水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程金屬結(jié)構(gòu)部由泄流排沙孔和輸水洞兩部分的閘門(mén)及其啟閉設(shè)備組成。泄流排沙孔其中七扇工作閘門(mén)經(jīng)改造后，可以繼續(xù)使用，只對(duì)七臺(tái)啟閉機(jī)中的五臺(tái)啟門(mén)力不足的進(jìn)行更換。由于水庫(kù)運(yùn)行方式由汛期空庫(kù)迎洪度汛改為長(zhǎng)年蓄水運(yùn)行，七孔工作閘門(mén)增設(shè)檢修閘門(mén)及啟閉設(shè)備輸水洞進(jìn)口檢修閘門(mén)、攔污柵及啟閉設(shè)備全部進(jìn)行更換。

在不影響正常防洪、滯沙、水庫(kù)供水的運(yùn)用方式下，對(duì)水庫(kù)的底孔、中孔、輸水洞閘門(mén)啟閉機(jī)更新改造。

由于受當(dāng)初建設(shè)結(jié)構(gòu)的影響，排沙孔平板閘門(mén)不能改變，平板閘門(mén)汛期多次啟閉調(diào)水閘門(mén)及水封的損壞嚴(yán)重，為了不影響正常供水，及時(shí)做好閘門(mén)與啟閉機(jī)的檢修，故增設(shè)了大壩排沙孔的檢修門(mén)槽及其門(mén)槽金屬結(jié)構(gòu)埋件，增設(shè)了檢修閘門(mén)及啟閉設(shè)備。增設(shè)了七孔共用一個(gè)檢修閘門(mén)重3.88t，檢修閘門(mén)啟閉用20t電動(dòng)葫蘆，其間聯(lián)結(jié)采用機(jī)械抓梁，能夠在檢修閘門(mén)關(guān)閉后，電動(dòng)葫蘆與檢修閘門(mén)分離，用作工作門(mén)檢修時(shí)配合啟閉機(jī)使用。

新購(gòu)啟閉機(jī)由三門(mén)峽新華水工機(jī)械有限公司制造，三臺(tái)150t，二臺(tái)100t，改造二臺(tái)150t舊機(jī)。底孔閘門(mén)安裝了閘門(mén)開(kāi)度顯示儀。更加方便了調(diào)水時(shí)閘門(mén)開(kāi)度的設(shè)置與控制。1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)泄水孔增設(shè)了通氣孔。

輸水洞閘門(mén)、啟閉機(jī)與攔污柵全部進(jìn)行更換，門(mén)槽埋件及攔污柵槽進(jìn)行更換，保證了供水時(shí)不進(jìn)污物，及汛期大洪水防止輸水洞進(jìn)入泥沙的要求。

經(jīng)過(guò)此次加固，大壩七個(gè)泄水孔閘門(mén)均可以在任意水位下，動(dòng)水啟閉，并能夠除汛前正常檢修外，可以在任意供水時(shí)間完成對(duì)泄水孔閘門(mén)和啟閉機(jī)的檢修。在保證水庫(kù)安全度汛的同時(shí)不誤城市供水。水庫(kù)運(yùn)用方式變?yōu)椋貉雌谠诜篮橄拗扑幌抡＿\(yùn)行，其它季節(jié)“蓄豐補(bǔ)欠”，提高了對(duì)阜新城市供水量。

5.3 配套機(jī)電設(shè)備

改造設(shè)備老化及設(shè)備增加需要對(duì)變壓器、溢洪道七孔門(mén)、輸水洞進(jìn)口檢修門(mén)、備用電源等進(jìn)行設(shè)備更新及重新設(shè)計(jì)。同時(shí)增設(shè)溢流壩3#和5#閘門(mén)實(shí)施微機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。增設(shè)一套遠(yuǎn)程電視監(jiān)控系統(tǒng)。增設(shè)水庫(kù)庫(kù)區(qū)局域網(wǎng)，使水庫(kù)各項(xiàng)自動(dòng)化分系統(tǒng)形成網(wǎng)絡(luò)化，與上下級(jí)和有關(guān)部門(mén)聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到信息的及時(shí)傳遞和指令的及時(shí)下達(dá)，做到數(shù)據(jù)共享。

6 結(jié)論

本次加固工程批復(fù)后，工程由遼寧省宏禹監(jiān)理公司監(jiān)理，遼寧省水利工程局承建，于2007年11月11日全面開(kāi)工，2010年10月30日工程完工，于12月28日完成竣工驗(yàn)收，現(xiàn)正在工程已投入正常運(yùn)行中，運(yùn)行至今效果良好。陜西水利