張永鑫，孫木星，劉書南，王 江

（1.豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林市 132108；2.臨江電站籌建處，遼寧 沈陽 110180；3.中國水利電力對外公司，北京 100120）

豐滿水電站壩體混凝土質量分析

張永鑫1，孫木星2，劉書南1，王 江3

（1.豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林市 132108；2.臨江電站籌建處，遼寧 沈陽 110180；3.中國水利電力對外公司，北京 100120）

豐滿大壩由于歷史原因存在先天性缺陷，雖經多次補強加固，但問題未能得到根本上解決。通過綜合分析加固改造工程效果及近年來的混凝土調查現(xiàn)狀，分析了豐滿大壩壩體混凝土目前存在的主要問題。

壩體混凝土；加固改造；質量分析；豐滿水電站

1 工程概況

豐滿水電站為一等大（1）型工程，大壩于 1937 年 4 月開始興建，1942 年 11 月水庫開始蓄水，1943 年 3 月第一臺機組發(fā)電。主要建筑物有混凝土重力壩，壩后式一、二期發(fā)電廠房，左岸泄洪洞、三期發(fā)電廠房及變電開關站等。豐滿水電站是以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、航運、城市和工業(yè)用水等綜合任務的大型水利工程。

豐滿水庫為狹長河谷式，回水總長 180 km。大壩加高后水庫最高水位為 267.7m，相應的庫容為 109.88 億 m3。

混凝土大壩為 1 級建筑物，最大壩高 91.7 m，壩頂全長 1 080 m，共分 60 個壩段，壩段長度為 18 m。大壩自左向右 9—194 號壩段為溢流壩段，21—314 號為發(fā)電取水壩段，其他為擋水壩段。大壩基本橫斷面為三角形，上游壩坡為 1∶0.05，下游壩坡為 1∶（0.75～0.78），大壩在施工時沿順河流向將壩體的橫斷面分為A，B，C，D 4 個壩塊，見圖 1。

2 先天缺陷與加固改造

由于大壩在日偽時期施工，戰(zhàn)爭導致施工匆忙，管理混亂，且沒有正規(guī)設計書，沒有完整的施工規(guī)劃和施工組織設計，施工圖紙少，冬季施工沒有采取保溫措施導致施工質量不好，特別是 1943 年后澆筑了大量低強混凝土，大壩縱縫大部分未做鍵槽和回填灌漿，致使大壩存在運行初期漏水嚴重，壩體變形大，大壩穩(wěn)定安全性低等先天性缺陷。

圖1 壩體橫剖面圖

運行初期，壩體漏水比較嚴重。1950 年 4 月蘇聯(lián)專家報告，當水位 253 m 時，壩體漏水量 30～50 L/s，當水位上升到 260.50 m 時，檢查廊道收集到的漏水量達 70～80 L/s，漏水區(qū)主要在 220 m 高程以上。

1949 年 11 月至 1950 年 5 月，在庫水位 251.50 m 基本不變的情況下，由于壩體降溫裂縫擴展，檢查廊道漏水量增至 100 L/s，有漏水的地方均有碳酸鈣析出。

前蘇聯(lián) 366 號設計對壩體做灌漿處理，使漏水量減少很多。在以后的運行中，豐滿發(fā)電廠又不斷地進行壩體灌漿，漏水量進一步減少。

大壩運行到 20 世紀 80 年代，因壩體混凝土施工質量低劣，壩體滲漏嚴重，上下游壩面的凍融破壞越加普遍，溢流壩面普遍裂縫和凍脹變形鼓起，有的壩段破壞規(guī)模和破壞深度越來越大，大壩因老化而越來越危險。1981 年在大壩泄洪時，溢流面沖走混凝土 40 m3；1986 年 8 月大壩在泄洪時，12—14 號壩段溢流面在 220m 高程以下部位發(fā)生大面積沖毀事故。1986 年原東北勘測設計研究院提出了《豐滿大壩溢流面搶修工程設計報告》和《豐滿大壩加固工程初步設計報告》，主要內容是對大壩上下游面外包混凝土、壩頂加高、AB 壩塊間鋼棒并縫等全面加固措施，此工程于1997 年基本結束。經 1986—1997 年的全面加固后，一定程度上提高了大壩的安全運用水平。

2006—2007 年，豐滿發(fā)電廠對溢流壩段下游表面裂縫時進行了灌漿修補。該工程實施后，溢流面裂縫密集區(qū)的混凝土表面封閉程度得到了加強。但在 2009 年和 2010 年現(xiàn)場檢查時，發(fā)現(xiàn)部分處理過的裂縫表面環(huán)氧樹脂出現(xiàn)起皮、開裂、脫落，少數(shù)裂縫出現(xiàn)析鈣現(xiàn)象。

2008—2009 年，中水一局和豐滿發(fā)電廠完成了溢流壩段降低滲水壓力工程。主要內容包括對溢流壩段壩體進行防滲灌漿、在防滲帷幕下游新鉆設排水孔幕、在上游原基礎廊道內新鉆設三排扇形排水孔、同時對原有導流底孔和中孔進行加強封堵灌漿處理。工程實施后從大壩的運行情況看，原壩體排水孔漏水量較工程實施前有所減小，新鉆排水孔漏水量要明顯大于原有排水孔的漏水量。這說明工程實施后壩體含水依然較多，原有壩體排水孔大多已失效。觀測數(shù)據(jù)表明，在降低壩體滲壓、減小壩體滲漏方面，此次溢流壩段降滲工程起到一定的作用，但效果不明顯。溢流壩灌漿，雖在一定程度上緩解了溢流壩泄洪存在的潛在安全隱患，對溢流壩段泄洪安全起到了一定的改善作用，但壩體沒有灌漿的部位，其整體性差和抗?jié)B性降低的問題仍然存在。

由于大壩存在先天性缺陷，雖然經過多次大規(guī)模加固補強，但未能從根本上解決運行中存在的全部問題，尚有壩體滲漏、整體性差、負溫區(qū)凍脹、混凝土低強、導流底孔中孔封堵回填效果差、滲水嚴重等問題。

3 質量調查

3.1 下游面滲水調查

1997—2005 年，豐滿發(fā)電廠共對大壩下游面滲水情況做了 5 次調查，調查情況見表 1。11—14 號壩段在高程193～198 m 為導流底孔，13—15 號壩段在高程 214～219 m為導流中孔，而該范圍正是溢流面漏水點和裂縫的集中區(qū)域。從先后幾次的調查情況來看，溢流面的漏水點有逐漸增多、漏水量有逐漸增大的趨勢，且漏水點大部分集中在溢流面 220m 高程以下。

表1 大壩下游面滲水調查統(tǒng)計表

3.2 裂縫調查

3.2.1 豐滿發(fā)電廠調查情況

1998—2005 年，豐滿發(fā)電廠共對大壩下游面裂縫情況做了 3 次調查，調查成果，見表 2。

表2 大壩下游面裂縫調查成果表

3.2.2 華東公司調查情況

2006 年 5 月杭州華東工程檢測技術有限公司對 9～19號壩段 250～193.5 m 高程溢流面裂縫進行了縫長、縫寬和縫深的檢測。

2011 年 5 月，上述檢測單位再次對 10，13，15 壩段溢流面相同高程范圍進行詳查。此次調查與 2006 年相同調查范圍內結果相比，3 個壩段 5 年間新增裂縫 37 條，總長增加137.7 m，縫寬在 0.4 mm 及以下；有 7 條舊縫延長，總延 長16.5m，縫寬 0.3mm 及以下。其中新增裂縫分布于 240 m高程以上有 14 條，總長 90m；240m 高程以下有 23 條，總長 47.7 m。延長裂縫分布 240 m 高程以上有 2 條，總長 3.5 m；240 m 高程以下有 5 條，總長 13 m。

此次調查還發(fā)現(xiàn)，上述3個壩段已修補的裂縫基本上都出現(xiàn)了起皮、開裂、脫落現(xiàn)象，多處裂縫有灌木生長，局部壩面有破損麻面，并且骨料外露。

調查結果表明：溢流面裂縫呈現(xiàn)逐年增加趨勢，且增長速度較快。

3.3 鉆孔取芯調查

2006—2007 年，中國水電顧問集團華東勘測設計研究院對壩體混凝土進行了詳細地調查。經過對各種勘察手段取得的成果、資料綜合分析，大壩混凝土總體可分為三類：Ⅰ類為較好混凝土，Ⅱ類為一般混凝土，Ⅲ類為不良混凝土（如圖 4）。Ⅰ，Ⅱ類混凝土抗壓強度較高，認為基本可滿足大壩混凝土質量要求，Ⅲ類混凝土抗壓強度低或存在蜂窩、集料窩、混凝土膠結差等缺陷，不能滿足大壩混凝土質量要求。其中高程 240 m 以上 A 壩塊Ⅰ類混凝土平均占有比例為 51.5%，Ⅱ類混凝土平均占有比例為 33.4%、Ⅲ類混凝土平均占有比例為 15.1%，且 28，35 和 38 號壩段不良混凝土比例較高，分別為 15.70%，21.95%和 23.54% ；高程 240 m 以下 A 壩塊Ⅰ類混凝土平均占有比例為 52.7%，Ⅱ類混凝土平均占有比例為 42.6%、Ⅲ類混凝土平均占有比例為4.7%。

大壩不同高程均存在不良混凝土問題（不良混凝土包括蜂窩狗洞、低強、聲波低速帶、裂縫、滲漏、凍融凍脹破壞等），大致以 240 m 高程為界限，不良混凝土占有的比例（勘探鉆孔芯樣長度）有明顯的不同：擋水壩段 A 壩塊高程240 m 以上 11%～20%，部分孔段可達 27.8%以上，高程 240 m 以下 3%左右；溢流壩段 A 壩塊高程 240m 以上 10%左右，15A-DQ2 孔達 21.1%，高程 240 m 以下 2%～7%；B 壩塊根據(jù) 4 個鉆孔統(tǒng)計為 8%～10%。大壩不良混凝土分布形態(tài)各異，范圍大小不一，規(guī)律性差；總體上不良混凝土主要分布于高程 240m以上，出現(xiàn)的頻度也高于下部，說明大壩高程 240 m 以下混凝土質量優(yōu)于上部混凝土，溢流壩段混凝土質量優(yōu)于擋水壩段混凝土。

大壩混凝土壩體內存在多處水平裂縫及垂直裂縫，總體上高程 240m 以上分布較多。未發(fā)現(xiàn)貫穿整個壩體的裂縫，但在某一壩段相鄰鉆孔同一高程發(fā)現(xiàn)裂縫有 12號壩段高程 233.81～233.78 m，28 號壩段高程 258.32～258.50m，32，33 號壩段 4 孔高程 263.01～263.34 m，32 號壩 段高程217.10 ～218.56 m，33 號 壩 段 高 程 248.51 ～248.79 m 處 ，35號壩段高程 205.53～205.49m，這些裂縫可認為在同壩段是連通的，估計線連通率 100%。而其余裂縫僅在同一孔段出現(xiàn)，在相鄰鉆孔同高程部位未發(fā)現(xiàn)裂縫，估計線連通率56% ～60%。特別 是 12 號壩段 高程 233.81～233.78 m，32 號壩段高程 217.10 ～218.56 m，35 號 壩 段高 程 205.53～205.49 m處對壩體穩(wěn)定有一定影響。

施工澆筑縫普遍存在砂漿夾層，多數(shù)層面膠結強度低，部分膠結較高。其中 28 號壩段高程 249.82～251.16m處層面膠結差，貫穿性較好，對壩體穩(wěn)定性影響較大。其它膠結差的層面分布于不同高程，僅在某一孔段出現(xiàn)，在相鄰孔段未發(fā)現(xiàn)膠結差的層面。壩體的縱縫有一定的開度，滲水痕跡和鈣質析出現(xiàn)象明顯，這些裂縫的存在對壩體的整體性不利。

4 主要問題

豐滿大壩已運行 70 余年，豐滿發(fā)電廠先后在壩體、壩基內采取了普通水泥灌漿、化學灌漿、預應力錨索、外包鋼筋混凝土、瀝青混凝土防滲、增設排水孔、敷設并縫鋼棒等工程措施，使大壩得以運行至今。但是，大壩的先天性缺陷，在現(xiàn)有的技術條件下，未能從根本上解決運行中存在的全部問題。目前壩體混凝土存在主要問題如下：

1）壩體混凝土已達使用壽命，并超期服役。近年來混凝土老化現(xiàn)象明顯，老化速度呈加快趨勢。

2）壩體不同高程均存在不良混凝土問題（不良混凝土包括蜂窩狗洞、低強、聲波低速帶、裂縫、滲漏、凍融凍脹破壞等），壩體混凝土施工質量差，導致壩體滲漏凍脹、滲透壓力過高、混凝土溶蝕、凍脹、開裂，影響大壩耐久性，影響防洪安全。

3）壩體表面裂縫、滲水呈現(xiàn)逐年增加趨勢，裂縫修補材料出現(xiàn)起皮脫落，局部有破損麻面，削弱了混凝土表面的完整性和抗沖能力。壩體混凝土內存在水平裂縫及垂直裂縫，施工澆筑縫普遍存在砂漿夾層，多數(shù)層面膠結強度低，對壩體穩(wěn)定性影響較大。

4）壩體整體性差。壩體被眾多的縱縫、橫縫與子縱縫、子橫縫分割，水平施工縫也多有開裂，并且這些施工縫均未進行處理，使大壩結構類似為眾多的混凝土砌塊堆壘而成。大壩施工時設置的3條縱縫上部未設鍵槽且未灌漿，削弱了壩體整體性。雖然采取了上、下游面外包混凝土、AB縫鋼棒聯(lián)結等措施，有一定的并縫作用，但作用有限，縱縫仍是薄弱環(huán)節(jié)，且 BC，CD 縫至今未處理。壩體的縱縫有一定的開度，滲水痕跡和鈣質析出現(xiàn)象明顯，這些裂縫的存在對壩體的整體性不利。

［1］劉青海.豐滿大壩第三次定檢運行總結報告［R］.吉林：豐滿發(fā)電廠，2011.

［2］張永鑫.豐滿大壩第三次定檢現(xiàn)場檢查報告［R］.吉林：豐滿發(fā)電廠，2011.

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