册田水库病险成因分析

郭春玲

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概述

册田水库位于山西省大同县境内，属海河流域，永定河水系，是桑干河干流上山西省出境处的控制性工程。册田水库下游为官厅水库，坝址以上控制流域面积1.67万km2，占官厅水库以上总流域面积的38.5%。水库设计总库容5.8亿m3。水库枢纽工程由大坝、正常溢洪道、非常溢洪道、浆砌石重力坝等组成。水库的主要任务是以防洪为主，兼顾城市供水和农业灌溉。可为大同市供水1.5 m3/s；册田水库灌区骨干水源工程是山西省十大灌区之一。

工程于1958年开始修建，1960年拦洪，1963年大坝填筑到953.6 m高程，为水中填土筑坝，1970年进行二期扩建工程，至1976年完成了土坝和正常溢洪道的施工，扩建后坝顶高程达到961.5 m，最大坝高41.5 m，为碾压筑坝，水库建成后，因存在诸多隐患，未能按原设计运行，被列为全国43座病险库之一。

为确保水库安全运行，1988年经原水利电力部批准进行了除险加固，1992年除险加固完工，水库进入正常运行期；2000年1月进行了册田水库震后应急工程，2003年应急工程实施完成；2004年进行了册田水库坝址区环境治理工程；2007年经水利部海河水利委员会复核、山西省发改委批复进行了除险加固，工程于2009年1月开工建设，2010年12月通过竣工验收，并交付使用。

2 水库病险的成因分析

2.1 自然、地质原因

册田水库位于山西省大同县境内，本流域属高原温带大陆性季风气候，春季干旱多风沙，蒸发量大；夏季盛行东南风，降雨量主要集中在这一季节；秋季东南季风减退，降水量逐渐减少；冬季寒冷、干燥、少雪。根据大同市（1971—2000年）地面气候统计资料，多年平均气温7.0℃，多年月平均最低气温-10.6℃，年内温差较大，极端最高气温37.2℃，极端最低气温-27.2℃；无霜期为162 d；年平均封冻天数为119 d，最大冻土深为186 cm（1977年）。多年平均风速为2.9 m/s，极值最大风速为26.6 m/s，风向为NNW。

根据上述气象资料，由于本地常年气温温差较大，冬季冰冻时间长，风力较大，导致册田水库正常溢洪道、非常溢洪道的混凝土结构存在严重的冻融破坏。

2017年5月，册田水库管理局委托中国水利水电科学研究院，对正常溢洪道、非常溢洪道的混凝土结构进行现场检测（详见《山西册田水库溢洪道底板混凝土冻融缺陷检测报告》），报告提出水库正常溢洪道和非常溢洪道底板混凝土存在较为严重的冻融破坏，骨料外露，部分钢筋保护层偏薄，钢筋外露锈蚀。冻融对底板的整体性和耐久性都存在较大影响，将缩短底板混凝土的使用年限。

1989—1999年，在山西大同—阳高地区连续发生的3次中强地震活动，册田水库位于地震烈度7°区，地震后在大坝上游及坝顶发现10条横缝，4条纵横。并使得南副坝上游坝基砂层加速液化，会产生危及大坝安全的事故。

2.2 设计原因

第一，册田水库1976年完成了坝体加高后，达不到洪水标准100年一遇，也达不到校核洪水2 000年一遇，不满足《防洪标准》（GB 50201-2000）要求。经2009年除险加固后，方才满足防洪标准要求。

第二，主坝大部分建在玄武岩上，基岩渗透系数在0.02～2 m/d之间。坝址区玄武岩柱状节理和裂隙普遍发育。在主河槽内开挖截水槽一道，长约100 m，宽4 m，嵌入基岩1～4 m。坝基黏土截水槽底宽4m，当库水位为935.06m时其平均渗透坡降为1.43，相应水位下计算的截水槽内回填的黏土最大坡降为4.95，而其允许的渗透坡降可采用5～10。截水槽底部填土与基岩接触面的允许渗透坡降约为1.5～3.0，而槽底实际运用中的渗透坡降较大，且截水槽仅嵌入基岩1～4 m，基岩表层节理发育，渗透性强，因此，库水位提高后，沿截水槽底部与岩层接触面处可能发生集中渗流。根据资料查到的允许坡降为0.08，而实际上主坝段的部分坝体坐落在玄武岩界面在库水位956.0 m时的平均坡降为0.18。以上说明坝基存在接触冲砂问题，而设计中未充分考虑此问题，留下了隐患。

第三，北京水利水电科学研究院用拟静力地震总应力法对大坝地震稳定性进行了分析计算。选取主坝段0+550断面，坝高41.5 m。详见表1。

表1 大坝地震稳定性分析计算

对计算结果分析表明，在遭遇地震烈度7°时，最小安全系数K=1.038，最大安全系数K=1.191，说明主坝段上、下游坝坡安全系数均不满足规范规定的1.21～1.26。

第四，正常溢洪道是1970年扩建工程完成的项目，闸门是1976年册田水库完成正常溢洪道施工时安装的，至今已运行40年，超过闸门使用折旧年限要求，且门体、埋件锈蚀、锈穿现象严重，闸门强度和稳定性不能满足规范要求；启闭设备陈旧老化，运行控制系统可靠性差，电动机功率及零部件主要传动部分不能满足现行规范要求，严重影响闸门的正常启闭运行，门体漏水严重，影响泄槽混凝土。

第五，非常溢洪道为1989年除险加固项目，1992年竣工验收，闸门至今运行已24年，工作闸门门体存在锈蚀现象，门体强度和稳定性不能满足规范要求；启闭设备设计标准低，功率严重不足，电气控制系统布局紊乱，运行控制功能不健全，严重影响闸门的正常启闭运行。门体漏水，影响泄槽混凝土。

非常溢洪道闸室共有12个悬臂式混凝土转向轮支墩，承托后拉式启闭机转向机构，是闸门启闭过程中的主要受力构件。闸室自建成以来，并未达到满负荷运行，但支墩混凝土均不同程度产生了斜裂缝。现场检测结果：转向轮支墩混凝土裂缝情况严重，各支墩均有多条裂缝宽度超出《水工混凝土结构设计规范》规定的限值0.35 mm；抽测8条裂缝深度为6.3～16.6 cm；取样结果表明，钻芯部位混凝土内部质量较差，支墩内部亦有裂缝，且钻芯处水平钢筋有轻微锈蚀。结构计算发现所配箍筋面积严重不足，且不满足规范最小配筋率0.15%的要求。

以上五点说明册田水库在设计过程中未能充分考虑周详，存在设计隐患。

2.3 施工原因

第一，大坝坝体存在填筑施工方法不一，造成坝体上硬下软，且坝体内存在局部软弱区，所以坝体质量不均。大坝坝体填筑完成后，即坝顶高程达961.5 m，1975年汛后开始蓄水，1977年12月份发现43条横缝，2条纵向裂缝。43条横向裂缝中，缝宽大于5 mm的裂缝有13条，最宽为15 mm；缝宽2～4 mm的裂缝有16条，其余14条缝宽0.5～1.5 mm，这些横缝主要分布在南、北副坝及南、北副坝与主坝的接头处。纵缝在大坝上游955.1 m高程以上。

第二，浆砌石重力坝坝基、溢洪道基础防渗帷幕施工质量存在问题：

大坝桩号0+629～0+764为F2断层灌浆帷幕，全长150 m（两桩号距离146 m）。灌浆孔为双排，排、孔距均为5 m，呈梅花形布置。灌浆平均耗水泥量320 kg/m。通过检查孔透水率值分析，在4个检查孔中，吕荣值为10～100 Lu之间数量占62%，吕荣值大于100 Lu占38%，比灌浆前吕荣值2 000～3 000 Lu大大减少，但未达到现行规范透水率q＜5 Lu的要求。

大坝桩号0-055～0+237，为溢洪道灌浆帷幕，为双排灌浆孔，帷幕灌浆设计要求吕荣值小于10 Lu，未达到《碾压式土石坝设计规范》透水率q＜5 Lu的要求，质量较差。

第三，北副坝清泉洞坝段（桩号0+223～0+278，长55 m）防渗施工时未封闭，存在渗流安全隐患。

2.4 运行管理原因

渗流、渗压观测设施多年失修，观测数据不准确，不满足运行要求；坝变形观测基点多数破损严重，规型与现行测量仪器不配套。水情预报系统已建立，但无洪水预报软件。

以上两点说明册田管理局在日常运行管理中，未能及时对大坝主要的观测设备进行清理、维护、更换，存在管理隐患。

3 结 语

综上所述，在以上各项因素叠加、共同作用下，册田水库的坝体、各个主要建筑物出现各种不同程度的安全隐患，有些较为严重。所以有必要对册田水库按有关规范进行彻底加固改造，严格控制施工质量，加强水库日常巡查及管理，以确保水库的安全，使得各方面综合效益得到最大发挥。