闹德海水库病险分析及除险加固对策

张福利

（辽宁省闹德海水库管理局 辽宁 阜新 123099）

1 工程概况

闹德海水库位于柳河上游，辽宁省彰武县满堂红乡闹德海村。为一调洪滞沙、工农业供水综合利用的水利枢纽，始建于1942年，坝型为直线式混凝土重力坝，控制流域面积4051km2。建国后历经1965年加固、1970年改建、1991年加固，现坝高44.50m，坝长仍为167m，最大库容2.23亿m3，为柳河干流上唯一已建的大型控制性工程，属大（Ⅱ）型水库。闹德海水库对削减柳河洪峰和减轻下游泥沙灾情发挥了非常显著的作用，同时闹德海水库又是盘锦灌区、阜新市城市居民生活用水的主要水源地。保护下游150万亩农田，沈山、高新、大郑三条铁路，八三输油管道，沈锦、沈承两条公路，京四高速公路，以及彰武、新民二座县城。水库一旦失事，将给下游农田、城乡、公交设施等带来毁灭性灾害。

水库枢纽建筑物由挡水坝段、溢流坝段、五个排沙底孔、二个泄洪中孔、输水洞组成。挡坝顶高程194.00m，坝顶宽4.0m，上游坝坡1∶0.1，下游坝坡1∶0.8。溢流坝为克奥Ⅱ型开敞式实用堰，溢流堰净宽53.60m，堰顶高程181.50m，堰上设6个1.40m桥墩。

为了充分利用水资源，解决缺水问题，闹德海水库于1995年提出延长水库蓄水期方案，在保持水库多年冲淤基本平衡的前提下，增加了城市和农业供水量，提高了水库的经济效益。由于历次加固、改建受资金等条件的限制，未能补建坝下消能工以及相应设施的进一步改造。

2 水库建设历程

1965年加固：在原挡水坝顶加高顶宽1.0m，底宽2.05m的混凝土子埝，子埝顶高程至191.00m。同时补强底孔断面和裂缝冲沟，使大坝防洪标准达百年一遇。加固原因是1963年大洪水时，洪水漫过挡水坝顶0.62m，造成大坝设施的部分水毁破坏。

1970年改建：主要是对水库的运用方式进行改造，将5个底孔、2个中孔安装闸门，在溢流堰顶设置6个桥墩（计划在溢流堰顶安装闸门，提高正常蓄水位，实际没有安装）。水库运用方式由全年敞排变为“冬蓄春放、汛期敞排”。经过多年运用，库容较为稳定，每年春季可向下游灌区供水 5000万 m3～7000万 m3。

1991年加固，主要原因是坝高低于规范规定的防洪标准，大坝经50年运行，混凝土老化，坝体渗漏严重，坝顶无交通桥等。本次加固主要项目有：挡水坝顶高程提高到194.00m、溢流坝上桥墩加高加长、增设交通桥、大坝上游面设沥青混凝土防渗面板、二坝头进行帷幕灌浆。

3 水库存在的主要病险

3.1 枢纽工程

3.1.1 溢流坝坝下无消能设施

水库大坝建成于1942年，经1965年固，1970年改建，1991年加固，因受当时运行方式及资金的制约，一直未能对溢流坝下消能设施进行补建。1994年洪水扩大了坝下冲坑面积和深度，护坦发生断裂、沉陷。据资料查证：现护坦长度不能满足要求，如满足消能要求，护坦长需80m，并需修建高6.5m的壅水堰。

现溢流坝下护坦长不足20m，其下游冲坑虽经1991年加固时的块石回填，但只经几次中小洪水的冲刷，现已经没有块石存在了。现已将护坦下的冲坑淘刷至近10m深，深坑范围已达1200m2。冲坑位于护坦下游边缘，仅距坝址20m，并位于大坝最大断面处。发现溢流坝下左部护坦沉陷断裂，对坝体的安全稳定构成严重威胁。

3.1.2 排沙、泄水孔

坝体设有5个排沙底孔，2个泄水中孔。由于是改建时增设的闸门等设施，整体布置不尽合理，各孔进口段渐变不足，致使水流条件不好，没有检修闸门等设施。除底孔3、5号及中孔6、7号外均未设通气孔，因为各通气孔共用同一个外部出口，掺气量不足，1～5号底孔均有不同程度的气蚀现象。底孔1、2、4号未设通气孔，配套的启闭机只能满足低水位运行，不能作为度汛泄洪排沙孔。

3.1.3 闸门与启闭机

汛期度汛时将闸门与滑轮组之间解体，将闸门悬挂于门槽顶部，将滑轮组提升至设计洪水水面线以上，水库空库迎洪度汛。

没有检修闸门，不能对工作闸门进行及时检修，无法确保闸门正常开启。

1、2、4 号启闭机启门力为50t，只能在空库条件下启闭，影响防洪度汛。6、7号启闭机钢丝绳缠绕时乱绳，对闸门提升极为不利。1、4、6、7号启闭机材质为沸腾钢，焊缝未做X光检测。3、5号启闭机运行良好。

3.1.4 输水洞

1974年增建的直径3m，长450m的输水洞，只作了混凝土衬砌，未作回填及固结灌浆处理。输水洞运行时右坝头渗流加剧，右坝头下游岩石已产生冻融破坏，有坝塌及滑坡产生，严重威胁顺坝头的安全稳定。

输水洞进口有大面积的风化岩石脱落，已经将3m的洞径淤堵1.70m。

3.1.5 挡水坝、溢流坝

大坝长167m，未设伸缩缝，仅有工作缝将坝体分为9个坝段，在坝体上游面设有止水铜片。施工时砼内部未采用散热设施，浇筑后的大体积砼产生的大小温度裂缝数百条。坝面上共有垂直坝轴线方向的大裂缝21条，其中右岸挡水坝5条，左岸挡水坝7条，溢流坝9条。绕坝渗流加剧，在下游两岸边坡的溢出点抬高，溢出范围加大。

溢流坝坝面混凝土剥蚀现在明显。4、5、6号桥墩在堰顶处产生倾向45度的裂缝，从外部观察已经贯穿桥墩，尚无定性分析。

3.1.6 坝内廊道

廊道在拱顶上有一条与其走向平行的贯穿裂缝，侧墙存在很多垂直裂缝，共计150余条，一般深20cm～30cm，工作缝处大于60cm，宽0.2mm～0.5mm，个别达0.7mm。沿工作缝有大量钙质析出，已经形成宽10cm，厚5cm～8cm的钙质结晶体形成。坝体渗漏虽经处理，但没有达到预期效果。

3.1.7 交通桥

在南北挡水坝与交通桥联接处各存在2处折点，长不足10m，宽4m的引桥连续存在夹角为25度的折点。在南北过桥车辆的惯性冲击下，桥面产生过大的振动，对现在的薄板桥墩影响很大，并对紧临的上游工作桥的稳定构成威胁。

3.2 大坝周边条件

大坝上游右岸坡距坝面2m处有大面积强风化岩石，体积达数千立方米，目前经常滑落，若产生大体积滑坡坍塌，将会堵塞1、2、3号底孔。底孔堵塞后，将减少下泻洪水的流量，提高坝前水位，导致大坝在非设计标准下的危险运行。

4 存在病险分析

4.1 自然因素

坝址地区岩石裂隙发育，导致绕坝渗流严重，目前渗流呈现增强趋势。东北地区冬季气温低于冰点，反复的冻融，亦使岩石风化破碎加剧，渗流日趋严重。溢流坝下形成冲坑，除护坦太短外，坝下河底岩石强度低，也是主要原因。

4.2 工程因素

闹德海堰堤建成于1942年，设计标准、施工质量都比较低，大坝混凝土标号在很多部位都不能满足运行要求。当时的设计仅考虑大坝是短时间滞洪、滞沙，没考虑枢纽工程蓄水。

1965年加固主要考虑大坝防洪标准低和1963年大洪水水毁工程修复、加固问题。工程加固受经济条件制约也不曾考虑补建坝下消能设施问题。大坝运行方式依然是滞洪、滞沙的拦沙堰。

20世纪70年代随着辽宁缺水日趋严重，柳河水资源的利用已成为必然。1970年改建闹德海水库也不曾象修建新水库那样综合、长远考虑水库的各项问题。只是利用原底孔、中孔安装机械和手动闸门，拦蓄非汛期径流，汛期的闹德海水库仍然是一座空库迎洪、滞洪、滞沙的堰堤。泄流排沙孔闸门全部采用平板定轮钢闸门配合QPQ型卷扬启闭机启闭。其中5个底孔和2个中孔孔口宽度尺寸相同，均为1.7m。闸门型式为潜孔平面定轮钢闸门，采用Q235A焊接结构。其中5个底孔的底坎高程为151.02m，2个中孔闸门的底坎高程为163.00m。

1991年加固，也是在水库冬蓄春放、空库迎洪的运用原则下加固的。改手动的启闭闸门为机械启闭，加宽加高了原来的挡水坝，设置了简易交通桥，大坝上游增设了沥青混凝土防渗面板。由于没考虑水库汛期蓄清排浑运用，检修闸门、工作闸门最大启闭门高度能否满足设计洪水下泄水面线的要求，1、2、4号闸门在非空库要件下能否启闭等都不在加固设计范围内。在1991年除险加固过程中，由于受资金及当时水库运用方式的限制，只对原1号、2号、4号人工手动无水启闭的闸门安装了启门力为50t的QPQ型卷扬启闭机，没有增设通气孔，闸门启闭水头限制为160m。3号、5号、6号、7号孔闸门启闭机可以在任意水位下动水运行。7孔闸门均由启闭机分动水和无水启闭二种运行方式，满足当时“冬蓄春放，蓄清排浑，汛期敞排”的运用方式。

5 除险加固对策

依据水利部大坝安全管理中心坝函[2005]989号文《关于柴河等六座水库大坝安全鉴定成的核查意见》，开展本次除险加固工程。

本次加固实施的项目有：补建坝下消能工；绕坝渗流帷幕灌浆；不稳定岸坡处理；增设排沙底孔、中孔检修闸门及配套工程；抬高工作桥、取直交通桥；输水洞进口改造、洞身回填固结灌浆；坝体缺陷、裂缝处理；工程观测设施改造；水文、泥沙观测工程；码头等。

5.1 完善水工建筑工程

本次除险加固内容主要有：坝下消能设计，坝体应力分析、岸坡坝段渗流和绕坝渗漏设计，不稳定岸坡处理，溢流坝段增设检修闸门后，有闸墩、闸门槽、启闭排架、工作桥、启闭机室等设计，输水洞改造，坝体缺陷及裂缝处理设计、交通桥设计等项。

坝下消能方式采用消力池方案，拆除原有护坦，新设计11.8m长、2m厚护坦，接消力池消力池斜坡段长25m，坡比1∶4.0，池长63m池宽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。

岸坡坝段渗流和绕坝渗漏采取灌浆处理左岸从桩号0+016.7起，沿坝轴线方向，灌浆至桩号0-063.3，右岸从桩号0+143.70起，沿坝轴线方向，灌浆至桩号0+203.70。

上游右坝头至输水洞进口间不稳定岸坡采用削坡处理，由现近直立的坡放至1∶0.75处理长度约60m。输水洞洞口附近不稳定岸坡采用锚喷设计方案，处理范围约30m，由高程165m至194m。下游左岸不稳定岸坡采用削坡处理，由近乎直立坡削至1∶0.75，处理长度约20m，高度30m左右。

本次除险加固设计增加所有底孔和中孔检修闸门配套工程，原有工作门由斜拉改为直立提升。新增闸墩上架设排架，排架上起工作桥，工作桥上设置启闭机室。

输水洞进口重新布设拦污栅、检修闸门槽及启闭机室，原斜拉式工作门改为垂直提升输水洞做回填灌浆和固结灌浆处理。

将坝体缺陷、裂缝，按宽度、深度不同分类，采取不同的方法进行修补加固处理。

交通桥改造设计有：扩宽溢流坝段交通桥，拆除一部分闸墩和斜桥，与挡水坝段相接使得坝顶交通在一条直线上。

观测项目新增坝顶水平、垂直位移真空激光观测，对原有渗流、扬压力和绕坝渗流观测进行改造。新增坝址区水文、雨量观测和库区泥沙观测。

5.2 改造新购金属结构设备

闹德海水库除险加固工程金属结构部由泄流排沙孔和输水洞两部分的闸门及其启闭设备组成。泄流排沙孔其中七扇工作闸门经改造后，可以继续使用，只对七台启闭机中的五台启门力不足的进行更换。由于水库运行方式由汛期空库迎洪度汛改为长年蓄水运行，七孔工作闸门增设检修闸门及启闭设备输水洞进口检修闸门、拦污栅及启闭设备全部进行更换。

在不影响正常防洪、滞沙、水库供水的运用方式下，对水库的底孔、中孔、输水洞闸门启闭机更新改造。

由于受当初建设结构的影响，排沙孔平板闸门不能改变，平板闸门汛期多次启闭调水闸门及水封的损坏严重，为了不影响正常供水，及时做好闸门与启闭机的检修，故增设了大坝排沙孔的检修门槽及其门槽金属结构埋件，增设了检修闸门及启闭设备。增设了七孔共用一个检修闸门重3.88t，检修闸门启闭用20t电动葫芦，其间联结采用机械抓梁，能够在检修闸门关闭后，电动葫芦与检修闸门分离，用作工作门检修时配合启闭机使用。

新购启闭机由三门峡新华水工机械有限公司制造，三台150t，二台100t，改造二台150t旧机。底孔闸门安装了闸门开度显示仪。更加方便了调水时闸门开度的设置与控制。1号、2号、4号泄水孔增设了通气孔。

输水洞闸门、启闭机与拦污栅全部进行更换，门槽埋件及拦污栅槽进行更换，保证了供水时不进污物，及汛期大洪水防止输水洞进入泥沙的要求。

经过此次加固，大坝七个泄水孔闸门均可以在任意水位下，动水启闭，并能够除汛前正常检修外，可以在任意供水时间完成对泄水孔闸门和启闭机的检修。在保证水库安全度汛的同时不误城市供水。水库运用方式变为：汛期在防洪限制水位下正常运行，其它季节“蓄丰补欠”，提高了对阜新城市供水量。

5.3 配套机电设备

改造设备老化及设备增加需要对变压器、溢洪道七孔门、输水洞进口检修门、备用电源等进行设备更新及重新设计。同时增设溢流坝3#和5#闸门实施微机远程自动控制。增设一套远程电视监控系统。增设水库库区局域网，使水库各项自动化分系统形成网络化，与上下级和有关部门联网，达到信息的及时传递和指令的及时下达，做到数据共享。

6 结论

本次加固工程批复后，工程由辽宁省宏禹监理公司监理，辽宁省水利工程局承建，于2007年11月11日全面开工，2010年10月30日工程完工，于12月28日完成竣工验收，现正在工程已投入正常运行中，运行至今效果良好。陕西水利