郭春玲

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

冊(cè)田水庫(kù)位于山西省大同縣境內(nèi)，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(cè)田水庫(kù)下游為官?gòu)d水庫(kù)，壩址以上控制流域面積1.67萬(wàn)km2，占官?gòu)d水庫(kù)以上總流域面積的38.5%。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容5.8億m3。水庫(kù)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(kù)的主要任務(wù)是以防洪為主，兼顧城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉?？蔀榇笸泄┧?.5 m3/s；冊(cè)田水庫(kù)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(kāi)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(jìn)行二期擴(kuò)建工程，至1976年完成了土壩和正常溢洪道的施工，擴(kuò)建后壩頂高程達(dá)到961.5 m，最大壩高41.5 m，為碾壓筑壩，水庫(kù)建成后，因存在諸多隱患，未能按原設(shè)計(jì)運(yùn)行，被列為全國(guó)43座病險(xiǎn)庫(kù)之一。

為確保水庫(kù)安全運(yùn)行，1988年經(jīng)原水利電力部批準(zhǔn)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，1992年除險(xiǎn)加固完工，水庫(kù)進(jìn)入正常運(yùn)行期；2000年1月進(jìn)行了冊(cè)田水庫(kù)震后應(yīng)急工程，2003年應(yīng)急工程實(shí)施完成；2004年進(jìn)行了冊(cè)田水庫(kù)壩址區(qū)環(huán)境治理工程；2007年經(jīng)水利部海河水利委員會(huì)復(fù)核、山西省發(fā)改委批復(fù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固，工程于2009年1月開(kāi)工建設(shè)，2010年12月通過(guò)竣工驗(yàn)收，并交付使用。

2 水庫(kù)病險(xiǎn)的成因分析

2.1 自然、地質(zhì)原因

冊(cè)田水庫(kù)位于山西省大同縣境內(nèi)，本流域?qū)俑咴瓬貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng)沙，蒸發(fā)量大；夏季盛行東南風(fēng)，降雨量主要集中在這一季節(jié)；秋季東南季風(fēng)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(jì)資料，多年平均氣溫7.0℃，多年月平均最低氣溫-10.6℃，年內(nèi)溫差較大，極端最高氣溫37.2℃，極端最低氣溫-27.2℃；無(wú)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(fēng)速為2.9 m/s，極值最大風(fēng)速為26.6 m/s，風(fēng)向?yàn)镹NW。

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(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)力較大，導(dǎo)致冊(cè)田水庫(kù)正常溢洪道、非常溢洪道的混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的凍融破壞。

2017年5月，冊(cè)田水庫(kù)管理局委托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，對(duì)正常溢洪道、非常溢洪道的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)（詳見(jiàn)《山西冊(cè)田水庫(kù)溢洪道底板混凝土凍融缺陷檢測(cè)報(bào)告》），報(bào)告提出水庫(kù)正常溢洪道和非常溢洪道底板混凝土存在較為嚴(yán)重的凍融破壞，骨料外露，部分鋼筋保護(hù)層偏薄，鋼筋外露銹蝕。凍融對(duì)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(yáng)高地區(qū)連續(xù)發(fā)生的3次中強(qiáng)地震活動(dòng)，冊(cè)田水庫(kù)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(huì)產(chǎn)生危及大壩安全的事故。

2.2 設(shè)計(jì)原因

第一，冊(cè)田水庫(kù)1976年完成了壩體加高后，達(dá)不到洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，也達(dá)不到校核洪水2 000年一遇，不滿足《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2000）要求。經(jīng)2009年除險(xiǎn)加固后，方才滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)開(kāi)挖截水槽一道，長(zhǎng)約100 m，寬4 m，嵌入基巖1～4 m。壩基黏土截水槽底寬4m，當(dāng)庫(kù)水位為935.06m時(shí)其平均滲透坡降為1.43，相應(yīng)水位下計(jì)算的截水槽內(nèi)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(shí)際運(yùn)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(qiáng)，因此，庫(kù)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(shí)際上主壩段的部分壩體坐落在玄武巖界面在庫(kù)水位956.0 m時(shí)的平均坡降為0.18。以上說(shuō)明壩基存在接觸沖砂問(wèn)題，而設(shè)計(jì)中未充分考慮此問(wèn)題，留下了隱患。

第三，北京水利水電科學(xué)研究院用擬靜力地震總應(yīng)力法對(duì)大壩地震穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計(jì)算。選取主壩段0+550斷面，壩高41.5 m。詳見(jiàn)表1。

表1 大壩地震穩(wěn)定性分析計(jì)算

對(duì)計(jì)算結(jié)果分析表明，在遭遇地震烈度7°時(shí)，最小安全系數(shù)K=1.038，最大安全系數(shù)K=1.191，說(shuō)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(kuò)建工程完成的項(xiàng)目，閘門(mén)是1976年冊(cè)田水庫(kù)完成正常溢洪道施工時(shí)安裝的，至今已運(yùn)行40年，超過(guò)閘門(mén)使用折舊年限要求，且門(mén)體、埋件銹蝕、銹穿現(xiàn)象嚴(yán)重，閘門(mén)強(qiáng)度和穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求；啟閉設(shè)備陳舊老化，運(yùn)行控制系統(tǒng)可靠性差，電動(dòng)機(jī)功率及零部件主要傳動(dòng)部分不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，嚴(yán)重影響閘門(mén)的正常啟閉運(yùn)行，門(mén)體漏水嚴(yán)重，影響泄槽混凝土。

第五，非常溢洪道為1989年除險(xiǎn)加固項(xiàng)目，1992年竣工驗(yàn)收，閘門(mén)至今運(yùn)行已24年，工作閘門(mén)門(mén)體存在銹蝕現(xiàn)象，門(mén)體強(qiáng)度和穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求；啟閉設(shè)備設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，功率嚴(yán)重不足，電氣控制系統(tǒng)布局紊亂，運(yùn)行控制功能不健全，嚴(yán)重影響閘門(mén)的正常啟閉運(yùn)行。門(mén)體漏水，影響泄槽混凝土。

非常溢洪道閘室共有12個(gè)懸臂式混凝土轉(zhuǎn)向輪支墩，承托后拉式啟閉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，是閘門(mén)啟閉過(guò)程中的主要受力構(gòu)件。閘室自建成以來(lái)，并未達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，但支墩混凝土均不同程度產(chǎn)生了斜裂縫?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果：轉(zhuǎn)向輪支墩混凝土裂縫情況嚴(yán)重，各支墩均有多條裂縫寬度超出《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的限值0.35 mm；抽測(cè)8條裂縫深度為6.3～16.6 cm；取樣結(jié)果表明，鉆芯部位混凝土內(nèi)部質(zhì)量較差，支墩內(nèi)部亦有裂縫，且鉆芯處水平鋼筋有輕微銹蝕。結(jié)構(gòu)計(jì)算發(fā)現(xiàn)所配箍筋面積嚴(yán)重不足，且不滿足規(guī)范最小配筋率0.15%的要求。

以上五點(diǎn)說(shuō)明冊(cè)田水庫(kù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中未能充分考慮周詳，存在設(shè)計(jì)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(nèi)存在局部軟弱區(qū)，所以壩體質(zhì)量不均。大壩壩體填筑完成后，即壩頂高程達(dá)961.5 m，1975年汛后開(kāi)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?？v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(chǔ)防滲帷幕施工質(zhì)量存在問(wèn)題：

大壩樁號(hào)0+629～0+764為F2斷層灌漿帷幕，全長(zhǎng)150 m（兩樁號(hào)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(guò)檢查孔透水率值分析，在4個(gè)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(dá)到現(xiàn)行規(guī)范透水率q＜5 Lu的要求。

大壩樁號(hào)0-055～0+237，為溢洪道灌漿帷幕，為雙排灌漿孔，帷幕灌漿設(shè)計(jì)要求呂榮值小于10 Lu，未達(dá)到《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》透水率q＜5 Lu的要求，質(zhì)量較差。

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

2.4 運(yùn)行管理原因

滲流、滲壓觀測(cè)設(shè)施多年失修，觀測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，不滿足運(yùn)行要求；壩變形觀測(cè)基點(diǎn)多數(shù)破損嚴(yán)重，規(guī)型與現(xiàn)行測(cè)量?jī)x器不配套。水情預(yù)報(bào)系統(tǒng)已建立，但無(wú)洪水預(yù)報(bào)軟件。

以上兩點(diǎn)說(shuō)明冊(cè)田管理局在日常運(yùn)行管理中，未能及時(shí)對(duì)大壩主要的觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行清理、維護(hù)、更換，存在管理隱患。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在以上各項(xiàng)因素疊加、共同作用下，冊(cè)田水庫(kù)的壩體、各個(gè)主要建筑物出現(xiàn)各種不同程度的安全隱患，有些較為嚴(yán)重。所以有必要對(duì)冊(cè)田水庫(kù)按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行徹底加固改造，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，加強(qiáng)水庫(kù)日常巡查及管理，以確保水庫(kù)的安全，使得各方面綜合效益得到最大發(fā)揮。