豐滿大壩溢流壩段長期滲漏原因探析

2010-08-08 07:19俞介剛蘇加林楊成祝

東北水利水電 2010年11期

俞介剛，蘇加林，楊成祝

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春 130021）

1 豐滿大壩水工樞紐布置

大壩位于第二松花江吉林市上游24 km處，控制流域面積4.25萬km2，占第二松花江總流域面積的54.5%。以發(fā)電為主，發(fā)電、防洪并重，兼有灌溉、城市及工業(yè)用水、航運(yùn)、環(huán)境保護(hù)、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用效益。水庫總庫容108億m3，水庫面積550 km2。

水電站樞紐由混凝土壩、壩后式廠房、開關(guān)站和泄洪洞等建筑物組成。攔河大壩全長1 080 m，最大壩高91.5 m，全壩分60個壩段，每個壩段長18 m。1～8號為左岸擋水壩段。9～19號為溢流壩段，布置在主河床。20號為過渡壩段為擋水壩段。20～30號壩段為10個發(fā)電引水壩段，布置在右岸河床和部分灘地上，31～60號壩段為右岸擋水壩段，布置在右岸灘地。

泄洪洞布置在左岸，內(nèi)徑9 m，最大泄洪量1 186 m3/s，與溢流壩段最大泄洪量9 240 m3/s，共同組成泄洪系統(tǒng)。壩后電站廠房先裝有8臺水輪發(fā)電機(jī)組。二個備用機(jī)組段的機(jī)組于1986年安裝，泄洪洞尾部后期建一個分岔做為發(fā)電引水支洞裝了二臺機(jī)組，使電站總裝機(jī)容量達(dá)100.4萬kW，年發(fā)電量20億kW·h。

2 豐滿大壩施工導(dǎo)流與圍堰修筑

豐滿大壩施工，左右岸共分三期導(dǎo)流施工，左右岸均設(shè)了施工導(dǎo)流底孔，截流二次。導(dǎo)截流工程施工時間較長，左岸導(dǎo)流底孔封堵不好，長期滲漏，具體如下：

1）一期圍堰修筑

大壩施工采用分期導(dǎo)流，先修筑右岸一期圍堰即右岸圍堰，圍堰位置大致在18～20號壩段，右岸圍堰占去了河床寬度的一部分，使河水由左岸主河道過流。右岸灘地上主體工程施工，包括右岸壩基開挖，混凝土澆筑等，并在右岸21～25號壩段修筑了4個導(dǎo)流底孔，底孔底板高程190 m。

右岸圍堰1937年10月25日開始施工，系土石建筑，內(nèi)部為粘土，表面用砂礫石。圍堰總長680 m，頂寬4 m，平均高度10.41 m，圍堰頂部高程203 m，高出水面2 m，邊坡1∶1.5。圍堰施工利用冬季江面結(jié)冰的條件下進(jìn)行。在1 m厚的冰面上，按照選定的圍堰位置，打開一條水路，寬度等于圍堰寬度，然后在兩側(cè)沉下石籠，作為圍堰防水流沖刷骨架，再在石籠中間填入粘土作為防滲層，以后填砂土直至斷面所需坡度為止。在迎水面鋪一層卵石蛇籠護(hù)坡，厚0.45 m。在水流沖刷嚴(yán)重的上中部波浪面鋪二層蛇籠護(hù)坡。右岸圍堰于1938年4月30日竣工。

圍堰施工正值嚴(yán)冬，地面土凍結(jié)厚度超過1 m，采土需要爆破。為使填筑的凍土塊融解，增加圍堰密實(shí)性，在圍堰的中央部位沿全長挖一道溝，用鐵軋沖孔，然后抽水灌溝，水沿孔下滲，用此法促使內(nèi)部凍土融解，結(jié)果有些部位下沉達(dá)2 m，對增加圍堰密實(shí)度起了一定作用。

1938年汛期，事先雖將圍堰加高加厚，拋石護(hù)坡，因洪水較大，仍被大水沖決一段。經(jīng)打樁拋石重新堵復(fù)。

2）二期圍堰修筑

二期圍堰即截流圍堰，二期圍堰施工開始于1939年9月29日。當(dāng)時右岸圍堰內(nèi)4個導(dǎo)流底孔混凝土已澆筑完畢。當(dāng)截流圍堰開始施工時，即將右岸圍堰打開，引導(dǎo)江水由四個導(dǎo)流底孔排走。但是河流束窄后，左岸河道水流速度增大，河床原有1.5 m厚土砂全被沖走，這對左岸河床壩基開挖有利。但水深增大，圍堰的施工較右岸圍堰施工困難，截流圍堰斷面也比右岸圍堰大。施工時先用木船沉下作沉床（當(dāng)時尚未結(jié)冰），船中填塊石，然后在沉床兩側(cè)拋石，以此作為圍堰的基礎(chǔ)，再在兩沉床的中間及兩側(cè)填以砂土。由于截流圍堰二側(cè)有水位差，不能像修筑右岸圍堰那樣灌注水和泥土，因此左岸圍堰密實(shí)性差。12月末江水流量約為50 m3/s，其中約40 m3/s經(jīng)右岸導(dǎo)流底孔流出，其余約10 m3/s，則從左岸土石圍堰中滲漏流過。漏水量很大，截流圍堰內(nèi)不能抽干。為此又決定在土石圍堰內(nèi)的上游側(cè)增修一道混凝土圍堰，在起重機(jī)軌道的混凝土橋墩間澆筑混凝土堵塞（當(dāng)時圍堰內(nèi)已有一排門機(jī)混凝土棧橋墩），作為防水壁用。由于冬季澆筑混凝土，將水加熱至60～70℃，砂石未加熱，拌成混凝土溫度為4～5℃，即進(jìn)行水下混凝土澆筑。模板與基礎(chǔ)不密合處，則由潛水工用木楔、棉被堵塞，使模板內(nèi)流速不超過4 m/s。澆筑混凝土?xí)r每次以長12 m，寬6.3 m，高3 m為一塊。最后剩2.5 m寬一段，因漏水量大，先在上游側(cè)下門板，填棉被堵塞，然后迅速用3 m3混凝土罐倒入2罐混凝土堵住。

混凝土防水壁的下游仍有個別漏水點(diǎn)，采用在漏水點(diǎn)下游再筑副壁的辦法堵水，有的地方筑兩道副壁。

施工最困難的地方是混凝土圍堰與右岸土圍堰相接觸的部分，長約50 m，土圍堰基礎(chǔ)有2 m厚土砂，且有原拋的石籠，除去這些土石非常困難。經(jīng)多次改變方法，最后采用氣壓沉箱法（潛涵施工）才將土砂塊石清除干凈，截流成功。

土石圍堰截流成功的時間為1940年1月20日。而在土石圍堰合籠后處理圍堰漏水，在土石圍堰內(nèi)澆筑混凝土防水壁以及再做二道和三道局部防水壁和處理混凝土圍堰和右岸圍堰接頭處漏水，把圍堰漏水堵住，則一直工作到1940年4月才做完。

由于左岸圍堰內(nèi)基坑共有12個壩段，其中有11個是溢流壩段，其開挖及基礎(chǔ)混凝土澆筑工作量很大，可能是施工管理者估計(jì)到大汛前很難完成這么多工作量，于是將左岸截流圍堰內(nèi)的工作分做二期來完成。于是先在靠近右岸的16號壩段位置搶筑了一道混凝土縱向子埝，再將16～20號壩段打上基礎(chǔ)混凝土后將上游圍堰打開，使江水從16～20號壩段間下泄。后進(jìn)行17號壩段以左的壩段主體工程施工。

1940年6月封堵了右岸（21～25號壩段）導(dǎo)流底孔，使江水從17～20號壩段位置的河床下泄。在1940年6月至1941年間澆筑9～15號壩段混凝土，并同時在10～14號壩段又留出了4個左岸導(dǎo)流底孔和一個流筏缺口過流。江水改從左岸導(dǎo)流底孔下泄后，17～20號壩段混凝土開始澆筑。

故豐滿大壩施工分3次導(dǎo)流、2次截流，左右岸均有導(dǎo)流底孔。

1942年11月17日10～14號壩段的導(dǎo)流底孔進(jìn)口采用混凝土塊、砂土以及棉被等物封堵。水庫開始蓄水。

從1940年資料照片中見有個別封堵底孔的斜井，但1942年末壩體已升高至220 m高程以上，估計(jì)斜井未使用?；靥罘绞脚c質(zhì)量不詳。從左岸9～15號壩段在偽滿時期溢流壩腳殘破，護(hù)坦首塊有幾處高約5 m，寬9 m范圍被沖走，1952—1953年后溢流護(hù)面均有漏水看，底孔封堵質(zhì)量肯定不好。

1943年2月15-20日，豐滿二臺廠用機(jī)組發(fā)電，3月25日主機(jī)1號機(jī)發(fā)電，5月13日主2號機(jī)發(fā)電，并以154 kV線路向長春哈爾濱送電。9月庫水位到達(dá)240.8 m。

3 導(dǎo)流底孔壩段運(yùn)行情況

1943年7月8日，13，14，15號壩段導(dǎo)流中孔過水，護(hù)坦第一次被沖毀?？赡苡捎诘卓诐B流影響和澆筑間歇時間過長，9～15號段反弧段下部質(zhì)量欠佳，以致1943，1944年沖毀嚴(yán)重，1953年汛期也有少量沖毀現(xiàn)象。

1944年8月，10號壩段（▽244）、12號壩段（▽241）各二孔臨時導(dǎo)流缺口過水，護(hù)坦第二次被沖毀。

1953年左岸導(dǎo)流底孔壩段灌漿有幾個孔耗漿很大，情況如下：

13號壩段5號孔（在13號壩段中間）在基礎(chǔ)檢查廊道底板施灌，（廊道底板高程200 m）孔深9.05 m，灌前孔口揚(yáng)壓力80 m水頭，冒水量3.6 L/s。共灌入水泥干料26 352 kg，砂1 012 kg，鋸木屑3麻袋。當(dāng)時按“366”號設(shè)計(jì)，灌漿孔距為2 m，未將灌漿孔距再加密。而采用間隙灌漿方法灌到此孔不再吃漿為止。

13號壩段的4號孔、水泥注入量為14 342 kg。

12號壩段4號孔（200 m高程廊道底板上施灌），孔深7.7 m，灌前揚(yáng)壓力25 m水頭，冒水量6.34 L/s，共灌入水泥干料 37 613 kg，砂 3 735 kg，灌入鋸木屑3麻袋。鉆孔日記上記載：“124號孔深7.7 m處混凝土內(nèi)可能有大洞”，與124號孔相鄰的123號和125號鉆孔的耗灰量分別是12 145 kg和17 359 kg。

1981年汛期溢流面沖毀面積280 m2，沖深20～50 cm。

1986年8月7日在11～13號壩段，溢流面沖毀面積1 091 m2，沖走混凝土1 917 m3。最大沖深3 m。

于1987年至1995年，對11個溢流壩段溢流面均挖去3.5 m深老混凝土，并澆筑4.0 m厚優(yōu)質(zhì)新混凝土，并鋪鋼筋網(wǎng)。

1998，2003，2005年3次對溢流面做混凝土裂縫、滲水及溢流面破壞調(diào)查，情況見表1。

調(diào)查表明，溢流面裂縫數(shù)量及裂縫寬度及滲漏水點(diǎn)均發(fā)展很快，混凝土破損面積也增加很多。認(rèn)為這均與壩體滲漏有關(guān)。

另外，多個壩段壩體內(nèi)揚(yáng)壓力很高。

認(rèn)為這些情況是與左岸導(dǎo)流底孔封堵質(zhì)量不好有關(guān)。它是導(dǎo)致壩體滲漏特別是溢流壩段滲漏的主要原因。考慮到歷史情況，預(yù)防溢流面混凝土再一次被沖毀。故2005年后水庫采取汛期降低庫水位運(yùn)行。

表1 3次對溢流面做混凝土裂縫、滲水及溢流面破壞調(diào)查表

4 左岸導(dǎo)流底孔封堵質(zhì)量不好原因分析

主要原因認(rèn)為是溢流壩段施工工期太緊。施工工期安排不妥。從1942年4月17日所攝照片看，1942年前溢流壩段混凝土澆筑倉面高程在195 m左右。它從1940年截流后，在1941年、直至1942年4月期間，它的混凝土倉面高程長期滯留在該高程上。其長期滯留的原因分析是為了不淹沒上游202門機(jī)棧橋。因?yàn)樯嫌?02門機(jī)棧橋它是為澆筑全壩A壩塊和B壩塊混凝土而存在的，不把這些部位混凝土澆到一定高程，門機(jī)就不能撤走。但是，這段時間又不能澆筑溢流壩段的混凝土（基礎(chǔ)混凝土除外），因?yàn)橐缌鲏味我糜谘雌谶^流用。如果溢流段壩體升高了，汛期上游門機(jī)棧橋?qū)谎蜎]。所以，從照片看，直到1942年4月17日，溢流壩段混凝土倉面高程仍然很低，使混凝土的澆筑處于二難境地。

但是到1942年底，水庫的庫水位突然升至220.0 m高程，此時，溢流壩段A壩塊混凝土也升至200 m高程了。說明1942年從4月17日到1942年12月間溢流壩段混凝土澆筑量很大，澆筑速度也很快。溢流壩段澆筑混凝土首先是要澆筑B壩塊的221B門機(jī)棧橋橋墩混凝土，待221B門機(jī)軌道鋪好后，把上游202棧橋上的門機(jī)移到221B棧橋上來，后才能澆筑A壩塊混凝土。即，221B棧橋上的門機(jī)從下游203D棧橋上吊3 m3混凝土罐再轉(zhuǎn)吊到溢流壩段澆筑A壩塊混凝土。進(jìn)行A壩塊混凝土澆筑，使溢流段A壩塊混凝土從195 m高程迅速升高到220 m高程。因此工作量大而且時間緊迫，因?yàn)?943年要趕著發(fā)電。所以就把封堵導(dǎo)流底孔時固定預(yù)制混凝土門位置的進(jìn)口導(dǎo)流墻和導(dǎo)流墻上的門槽，可能忽略，改于導(dǎo)流底孔進(jìn)水口封堵時只好“用混凝土塊、棉被和砂土來封堵”，造成了后患。

左岸導(dǎo)流底孔用預(yù)制混凝土門封堵，本來?xiàng)l件是具備的。從照片中看到，進(jìn)口低高程部位兩側(cè)有導(dǎo)墻，導(dǎo)墻上有簡易閘門槽，另外B壩塊上已經(jīng)鋪好門機(jī)軌道，預(yù)制閘門可以用起重機(jī)吊運(yùn)至進(jìn)水口封堵。分析是導(dǎo)流墻和門槽并沒有再往高高程處延伸，這時庫水位已逐漸升高，雖用混凝土門封堵，但水壓力增大后門落不到底，這時只好用混凝土塊、棉被、土來封堵。

至于為什么在1942年下半年突然間把庫水位逼高，1943年急著要發(fā)電，甚至于對影響大壩安全的因素完全不顧，（除了底孔未按正常程序封堵外，還有A壩塊單獨(dú)抵擋高庫水位，造成A壩塊應(yīng)力狀況惡化等）分析其原因可能是當(dāng)時的形勢和戰(zhàn)事需要有關(guān)。

因?yàn)?942年6月4日發(fā)生了中途島海戰(zhàn)，中途島海戰(zhàn)成為太平洋戰(zhàn)爭的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，中途島海戰(zhàn)使日軍損失摻重。它改變了太平洋區(qū)域日美?？樟α康膶Ρ?。從此，戰(zhàn)爭主動權(quán)開始轉(zhuǎn)到美國方面。

中途島事件后，日本當(dāng)局一方面要求東北地區(qū)加緊大量生產(chǎn)戰(zhàn)爭物資以滿足戰(zhàn)事需要，需電量大增；另一方面也可能動搖了日本人對戰(zhàn)爭勝利的信心，以致于對工程主要強(qiáng)調(diào)以快速為主了。

5 豐滿壩導(dǎo)截流設(shè)計(jì)問題及其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

原豐滿壩的導(dǎo)流、截流設(shè)計(jì)存在的問題是：

1）導(dǎo)流工程工程量大，工程繁復(fù)。豐滿壩分3次導(dǎo)流、2次截流，左右岸均設(shè)置導(dǎo)流底孔。導(dǎo)流底孔均要封堵。因此工作量大而又繁復(fù)，必然拖延工期，影響工程質(zhì)量。

混凝土重力壩在寬闊的河床上，采用分期導(dǎo)流方式施工比較多。即先修筑低水圍堰，進(jìn)行一岸的主體工程施工，同時主河床過流。在一期主體工程形成同時，形成導(dǎo)流底孔。第二期主河床截流，施工主河床的主體工程。這時江水從已建成的導(dǎo)流底孔中過流。壩體升至一定高度后，封堵導(dǎo)流底孔，水庫蓄水，電站發(fā)電。但像豐滿那樣先形成右岸導(dǎo)流底孔再形成左岸導(dǎo)流底孔，再封堵右岸、左岸導(dǎo)流底孔，這樣的工程實(shí)例較少，因?yàn)樗黾庸ぷ髁?，增加工期?/p>

2）右岸導(dǎo)流底孔設(shè)置位置不合理。豐滿右岸導(dǎo)流底孔設(shè)在發(fā)電引水壩段和壩后廠房的位置上，影響了發(fā)電引水壩段和電站廠房的施工。而引水壩段和電站廠房一般是整個電站工程的控制工程。導(dǎo)流底孔和導(dǎo)流渠壓占了廠房和引水壩段位置，必然影響廠房和引水壩段施工，拖后廠房工程工期，使控制性工程工期加長，即整個工程工期加長。

右岸導(dǎo)流底孔的施工時時較長，但它使用時間較短，即從1939年9月截流工程開始到1940年5月左岸又恢復(fù)部分河床過流時結(jié)束。1940年6月右岸導(dǎo)流底孔就封堵了。

設(shè)想，如果右岸導(dǎo)流底孔位置不是在發(fā)電引水壩段，也不是溢流壩段，而是在擋水壩段位置，則右岸導(dǎo)流底孔就不會影響電站廠房和引水壩段施工，也就不用急忙封堵這幾個導(dǎo)流底孔，而且也不用在左岸再設(shè)置導(dǎo)流底孔。這樣做，右岸和左岸均會減少很多工作量，減少左右岸的施工工期，使發(fā)電時間提前。

而要這樣做，是否有這個可能呢？這種可能性也許是存在的。如果施工導(dǎo)流與水工樞紐布置緊密的結(jié)合起來研究，在不影響水工樞紐使用功能的情況下，適度調(diào)整水工樞紐布置，也許就可以做到這一點(diǎn)。原豐滿壩在右岸的4個導(dǎo)流底孔，其中有2個導(dǎo)流底孔位置是設(shè)在9號和10號預(yù)留機(jī)組段的位置上，這二個預(yù)留機(jī)組段是否必需留呢？或者把整個電廠廠房位置做適當(dāng)右移，也有可能騰出幾個壩段做為擋水壩段即右岸導(dǎo)流底孔位置的，從而就有可能把導(dǎo)流系統(tǒng)簡化。這是一個設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)或教訓(xùn)，即導(dǎo)截流設(shè)計(jì)要與水工樞紐布置設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，或者說水工樞紐布置設(shè)計(jì)要考慮施工導(dǎo)截問題。