豐滿大壩建設、運行期存在的問題和加固治理方案選擇分析

謝強張雷

（1.華北電力大學，北京102206;2.內(nèi)蒙古東部電力有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

1 豐滿水電站概況

豐滿水電站位于吉林省吉林市第二松花江中游，上游距白山水電站210 km，下游距吉林市24 km。下游有吉林、哈爾濱等重要城市及鐵路干線。壩址控制流域面積42 500 km2，多年平均流量439 m3/s，水庫正常蓄水位263.5 m，總庫容109.88億m3，為不完全多年調(diào)節(jié)水庫。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運、城市及工業(yè)用水、養(yǎng)殖和旅游等綜合效益。電站始建于1937年，1942年水庫蓄水，1943年第一臺機組發(fā)電;1948年和1949年恢復建設工作;1951～1953年進行了擴建和改建;1953年全部建成，電站裝機8臺，總?cè)萘繛?54 MW。1965～1975年完成了泄洪洞工程，主要承擔非常洪水的泄洪任務。為適應東北電網(wǎng)負荷增長的需要，1991年實施二期（9號、10號）擴機，安裝2臺單機容量85 MW機組。1997年利用泄洪洞進行三期擴機，安裝2臺單機容量140 MW機組，經(jīng)兩次擴機后，現(xiàn)裝機總?cè)萘繛? 002.5 MW，多年平均年發(fā)電量約20億kWh。樞紐工程主要由混凝土重力壩及壩身溢洪道、泄洪洞、發(fā)電引水隧洞、右岸一期和二期壩后式廠房及三期岸邊式廠房等組成，混凝土重力壩壩頂高程267.7 m、壩頂長度1 080 m，最大壩高91.7 m。

豐滿水電站不僅是東北電網(wǎng)的骨干電站，承擔電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務，而且作為第二松花江干流的控制性工程，其控制流域面積達42 500 km2，下游有吉林、黑龍江兩省，對吉林、哈爾濱兩座重要城市和11個市縣的防洪、灌溉、航運、供水作用十分突出，承擔著重要的社會責任。

由于豐滿水電站主體工程建設時間正處于特殊時期，因此工程的設計和施工存在問題很多，使工程建成后留下許多不可彌補的先天性缺陷。

2 豐滿大壩歷次加固治理工作回顧

2.1 灌漿防滲處理及排水工程

豐滿大壩由于施工質(zhì)量低劣，壩體滲漏通道多，導流孔及缺口封堵質(zhì)量差，上游壩面的蜂窩、狗洞、伸縮縫、水平施工縫等都是滲漏水通道，大壩滲漏極為嚴重。

為減少壩基及壩體滲漏水和溶蝕，降低揚壓力，采用灌漿防滲及排水的處理方法。

采取上述措施處理后壩基平均揚壓力系數(shù)有所降低，但仍大于設計允許值，未從根本上得以解決。

2.2 壩面修補工程

豐滿大壩混凝土施工質(zhì)量低劣，壩體滲漏嚴重，地處寒冷的東北，因此大壩上下游面受凍融、凍脹及風化等影響，混凝土破損脫落嚴重。1953～1985年多次進行壩面修補加固;1986～1987年進行溢流面搶修;1988～1996年上下游壩面進行全面加固。

2.3 泄洪設備改造和溢流閘墩及堰頂加固工程

原泄洪設備運行近50年，由于大壩加高1.2 m，閘門最高擋水水頭提高2 m，經(jīng)檢測，閘門及啟閉設備均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，因此2001～2002年對泄洪設備進行了改造。對閘墩上下游表面外包鋼筋混凝土，厚度分別為1 m、1.5 m，并在閘墩中部沿水流方向布置2排對穿預應力錨索，縫內(nèi)灌注水泥漿。閘墩頂部騎縫作防滲止水，在閘墩兩側(cè)挖除0.4 m深不良混凝土并補上新鋼筋混凝土。工程于2001年開工，2002年10月完工。

雖然經(jīng)過多次加固處理，但壩體滲漏、壩體安全問題始終未能徹底解決。不但損失豐滿水電站的發(fā)電效益，而且對下游防護區(qū)內(nèi)的人民生命、財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。

3 存在問題

a．大壩泄洪能力不足，大壩及廠房防洪標準未滿足規(guī)范要求。

豐滿大壩正常運用洪水重現(xiàn)期為500年，非常運用洪水重現(xiàn)期為10 000年。根據(jù)華東院和東北院預可行性研究報告，當采用1991年型（同頻放大），并按國汛［2004］8號文批復的《白山、豐滿水庫聯(lián)合調(diào)度方案》進行調(diào)洪計算，起調(diào)水位260.5 m，10 000年一遇洪水水位:華東院計算結(jié)果為271.08 m，東北院計算結(jié)果為270.7 m，均超過現(xiàn)壩頂高程3 m以上，當10 000年一遇洪水時，壩頂將過流。

電站廠房的設計標準為200年一遇洪水，校核標準為1 000年一遇洪水，主廠房的尾水平臺高程及廠壩間導流墻高程為198.8 m。當500年一遇洪水時，廠房的尾水位為198.58 m，壩后廠房的非常運用洪水重現(xiàn)期只能達到500年，當超過500年一遇洪水時將淹沒廠房。由于大壩泄洪能力不足，大壩及廠房防洪標準均未滿足規(guī)范要求。

b．大壩混凝土缺陷多，壩體整體性差，抗震能力弱。

由于高程200m以上的縱縫縫面無聯(lián)結(jié)措施，為垂直縫。AB縫在1952年進行灌漿和插鋼棒處理，BC、CD縫至今未處理。根據(jù)水科院和大連理工大學1997年的分析結(jié)果，在只考慮縱縫的情況下，大壩的抗滑穩(wěn)定安全性進一步降低，應力狀況也有所惡化，在地震作用下其抗震能力進一步降低。

c．大壩部分壩段抗滑穩(wěn)定未滿足要求。

34～36號壩段基礎地質(zhì)條件不好，大壩抗滑穩(wěn)定未滿足要求。部分壩段層間抗滑穩(wěn)定未滿足要求。

d．大壩為低強混凝土，壩體滲漏、溶蝕、揚壓力高。

日偽時期施工質(zhì)量低劣，混凝土原材料、混凝土材料設計、混凝土配合比、混凝土的拌和及施工工藝都不能滿足質(zhì)量控制要求。通過鉆孔芯樣統(tǒng)計分析，作為大壩防滲體的A壩塊不能滿足要求，壩體揚壓力較高。

至今，大壩低強混凝土、壩體揚壓力偏高、壩體滲漏及溶蝕等問題仍未徹底解決，影響大壩耐久性和安全運行。

e．大壩混凝土凍融、凍脹破壞，影響混凝土耐久性。

由于壩體裂縫多、滲漏、溶蝕、壩體低強混凝土、抗凍能力差及其所處嚴寒地區(qū)，使得大壩凍融、凍脹破壞問題十分突出，影響了大壩的耐久性和安全性。日偽施工時，在河床溢流壩段設置了導流孔，由于孔口封堵質(zhì)量差，是目前溢流壩段滲漏的主要通道，一旦溢流面滲漏水飽和后經(jīng)過凍融、凍脹破壞，將對泄洪安全構(gòu)成威脅。

4 全面治理方案簡介

a．大壩上下游外包混凝土、壩頂加高、降低庫水位上游干地施工的治理方案。

加高后壩頂高程271.4 m（原壩頂高程267.7 m）。在擋水壩段上游面和溢流堰體以下設置防滲5 m厚的外包混凝土;取水壩段外包不小于6.5 m厚的混凝土，并將檢修門槽等設施向前移至新設的外包混凝土防滲層內(nèi)。

擋水壩段下游外包混凝土厚4.0～7.0 m;溢流壩體225 m以下部位外包混凝土厚度為6～7 m，225 m以上部位外包混凝土厚度逐漸變薄直到堰頂5.0 m厚。取水壩段下游外包4～6 m厚的混凝土，溢流壩段為5～7 m。同時，左右岸道路相應加高。

對一、二期電站廠房頂部鋼桁架進行拆除重建，對壓力鋼管進行全面改造，對部分機組及機電設備進行更新改造。

上游圍堰為庫內(nèi)水下填筑，擋水標準為20年一遇洪水，圍堰頂高程253.4 m，圍堰高度63.4 m。施工期內(nèi)水庫水位降至242 m。圍堰填筑量481.9萬m3，其中水下拋投459.1萬m3，混凝土防滲墻5.05萬m2。

b．壩內(nèi)置換混凝土防滲墻、下游外包混凝土、壩頂加高方案。

采用壩體和壩后施工，通過不斷去除舊混凝土、填筑新混凝土的方式，在壩內(nèi)設置自上而下的連續(xù)混凝土防滲墻，解決大壩防滲問題。采用壩下游面外包混凝土解決大壩下游面抗凍問題;采用在壩下游面外包混凝土及縱縫頂部并縫解決大壩整體性差的問題;加高壩頂解決大壩防洪能力不足問題。

c．大壩上游面設置土工膜、下游外包混凝土、壩頂加高方案。

從壩頂?shù)綁熙嘣O置一個連續(xù)抗?jié)B的防滲膜（PVC土工膜），防滲膜與壩基相接，使壩體上游面形成一個封閉完整的防滲系統(tǒng)，解決大壩防滲問題。采用壩下游面外包混凝土解決大壩下游面抗凍問題，但不能解決大壩上游面抗凍且上游防滲體在低高程難以閉合問題;采用在壩下游面外包混凝土及縱縫頂部并縫解決大壩整體性差的問題;加高壩頂解決大壩防洪能力不足問題。

d．局部干地上游面設置防滲層、下游外包混凝土、壩頂加高方案。

采用水下鋼筋混凝土拱形空腔圍堰（或雙壁鋼圍堰）方式，在壩前有水條件下圍住1～2個壩段，閉氣并排水后擋水，在壩體上游面形成局部干地施工環(huán)境進行大壩上游面防滲層施工。采用壩下游面外包混凝土解決大壩下游抗凍問題，在壩下游面外包混凝土及縱縫頂部并縫解決大壩整體性差問題;加高壩頂解決大壩防洪能力不足問題。

e．原壩址下游新建大壩，老壩部分拆除的方案。

新建大壩在原壩址下游120 m處，并保留原豐滿三期工程;壩型采用碾壓混凝土重力壩，壩頂高程為269.5 m，泄洪方式采用壩身泄洪，挑流消能。左岸壩后廠房設4臺180 MW發(fā)電機組，新建工程裝機容量720 MW。新建大壩施工利用老壩上游擋水，下游修筑鋼木圍囹，一期工程采用機組過流、二期采用左岸導流洞過水的導流方式。施工導流標準為10年一遇洪水，下游圍堰擋水標準為2 000m3/s。

新壩建成后，引水發(fā)電和泄洪壩段對應的老壩部分拆除至高程240 m，拆除寬度為522 m（29個壩段）。

5 代表性方案對比分析

經(jīng)過對多個治理方案的綜合比較，選擇干地施工全包加固治理方案和下壩址重建方案進行對比。

5.1 對上下游影響

加固方案死水位242 m運行2年5個月，小流量（161 m3/s）運行時間較長。重建方案在冬季低水位243 m運行1個月。

5.1.1 對下游供水的影響

根據(jù)資料，2007～2008年水庫下泄日均流量平均為270 m3/s，161 m3/s的情況未出現(xiàn)。從吉林市各用水單位實際取水情況看，目前河道水位偏低，吉林炭素廠、吉林鐵合金廠、吉林化肥廠、吉林松花江熱電廠、冀東水泥廠5個單位的6個取水戽頭處于取水危機狀態(tài)。自來水四廠、吉林市鋼廠、沈鐵水電段、吉化動力廠1泵站、吉林熱電廠、吉林化纖廠6個單位的7個取水戽頭河道水位滿足不了泵站的設計取水位要求。結(jié)合豐滿水庫歷史運行資料，下泄流量短時間內(nèi)（1～2 h）維持161 m3/s時，不會給下游供水帶來危機性影響。但維持161 m3/s數(shù)小時就會引起沿江單位用水危機。

加固方案維持死水位運行歷時較長，難以保障不出現(xiàn)長時間小流量（161 m3/s）運行的情況，必須采取措施解決下游生產(chǎn)、生活取水問題。根據(jù)實際調(diào)查，可采取改造取水戽頭的方式。重建方案施工期間，要求豐滿水庫控制低水位243 m的時間為1個月，但三期機組正常發(fā)電，單機流量300 m3/s，對下游供水無影響。

5.1.2 對沿江環(huán)境的影響

加固方案需死水位運行歷時較長，水庫下泄持續(xù)小流量（161 m3/s）無疑會對生態(tài)環(huán)境造成一定的影響，尤其是對水質(zhì)的影響。由于水量減少，而原有的污染源沒有改變，納污能力減弱，將對下游的水質(zhì)帶來一定影響。另外，圍堰施工過程中，由于大型機器設備運作及施工需要，豐滿水庫底泥會受到攪動，會對水環(huán)境造成一定影響，造成飲用水水源水質(zhì)不達標。另一方面，河床水位降低，松花江44個沿江排污水口有些會外露，如果生活及工業(yè)污水口長時間暴露，對沿江兩岸的空氣質(zhì)量會造成嚴重影響，給沿江兩岸居民生活、房地產(chǎn)開發(fā)、招商引資等造成一系列的影響。

重建方案對松花湖水環(huán)境的影響，僅限于壩體拆除低水位運行對環(huán)境的影響，其影響相對要小，對飲用水水源的水質(zhì)造成的影響可能性很小。

5.1.3 對漁業(yè)的影響

松花湖屬于增養(yǎng)殖水體，湖區(qū)現(xiàn)存魚類約40余種。水產(chǎn)品年統(tǒng)計產(chǎn)量約3 000 t。

據(jù)初步測算，如果水位降至242 m高程，將會使松花湖可養(yǎng)魚面積縮小約40%;攔網(wǎng)內(nèi)可養(yǎng)魚面積將縮小60%～70%。降低水位對松花湖漁業(yè)的影響主要有以下幾個方面:一是對攔網(wǎng)水域魚類種群的影響;二是施工期間對攔網(wǎng)漁業(yè)的效益影響;三是對養(yǎng)殖設施的折舊影響;四是施工后3～5年內(nèi)對攔網(wǎng)漁業(yè)恢復生產(chǎn)的影響;五是對松花湖整體漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響。

加固方案影響?zhàn)B殖周期為3年。季節(jié)更替使得水庫大面積底質(zhì)裸露，破壞了魚類的餌料基礎，影響魚類生長。自然魚類在2～3個繁殖周期內(nèi)沒有適宜的繁殖場所，嚴重影響魚類的自然繁殖，破壞漁業(yè)生態(tài)平衡，進而影響松花湖供水源地功能的發(fā)揮。另外，攔網(wǎng)養(yǎng)殖周期是3～5年，魚類恢復需要較大的投入。

由于重建方案低水位運行在當年的2月份持續(xù)1個月，正值冬季，基本不影響魚類的正常繁殖。

另外，加固方案和重建方案對航運、野生動植物和林木采伐等也有一定影響。

5.2 加固方案評價

5.2.1 優(yōu)點

工程本體投資少;施工臨時建筑占地規(guī)模較小;建設期對原大壩防洪、度汛無影響。

5.2.2 缺點

a．能夠徹底解決影響豐滿大壩安全運行存在的問題，但工程實施后安全運行年限具有不確定性。加固方案在原壩體外整體外包一層新混凝土，能夠徹底解決影響豐滿大壩安全運行存在的問題，保證大壩安全運行。但壩體原混凝土、鋼材存在的缺陷依然存在。工程實施后安全運行年限具有不確定性。

b．對上下游影響較大。加固方案在低水位運行時間較長，對上游環(huán)境、下游供水、庫區(qū)及下游景觀等影響較大。尤其是上游已穩(wěn)定的原有生物群棲息環(huán)境遭到破壞，下游生活及工業(yè)污水口長時間暴露，沿江兩岸的空氣質(zhì)量受到嚴重影響等，從生態(tài)環(huán)境保護和地方經(jīng)濟的發(fā)展上都是難以接受的。

c．對水庫正常調(diào)度運行有很大影響。加固方案在242 m低水位運行2年5個月，原電站1、2期10臺機組不能運行，對水庫正常調(diào)度運行有重大影響。

d．對發(fā)電影響很大、電量損失多。因加固方案在施工期間低水位運行時間長，致使電量損失較大。

5.3 重建方案評價

5.3.1 優(yōu)點

a．可從根本上徹底解決豐滿大壩目前存在的問題，保證大壩運行100年以上。

b．建設期對原大壩防洪、度汛無影響，對水庫正常調(diào)度運行影響較小。

c．對大壩上下游基本沒有影響。

d．對發(fā)電影響較小、電量損失相應較少。按照對原壩拆除高程的要求，只是在大壩拆除的半年內(nèi)，需逐步降低庫水位，對發(fā)電影響較小、電量損失相應較少。

e．可抬高水庫汛限水位0.5 m，增加興利庫容及發(fā)電量?，F(xiàn)豐滿水庫汛限水位為260.5 m，工程重建后可抬高至261.0 m，可增加興利庫容1.97 ×108m3，增加發(fā)電效益約500×104kWh。

f．有增加裝機容量潛力。重建方案有為系統(tǒng)增加180～360 MW調(diào)峰電力的潛力。

5.3.2 缺點

a．工程本體投資較大。

b．施工臨時建筑占地規(guī)模較大。工程建設期間，重建方案施工臨建建筑占地規(guī)模比加固方案要大，對壩址附近兩岸的影響相對較大。

c．需研究舊壩拆除問題。新壩建成后，須對舊壩進行部分拆除（拆除量約為原壩體的1/10）。如何在確保新壩安全運行的同時，盡可能縮短拆除部分舊壩的時間是需要進一步深入研究的新課題。

5.4 方案選擇分析

加固方案優(yōu)點是投資少。缺點是大壩整體性差，混凝土材料、鋼材材質(zhì)未滿足現(xiàn)行規(guī)范要求等問題依然不能根除。對上游環(huán)境、下游供水、庫區(qū)及下游景觀、水庫正常調(diào)度運行等影響很大。尤其是上游已經(jīng)穩(wěn)定的原有生物群棲息環(huán)境遭到破壞，下游生活及工業(yè)污水口長時間暴露，沿江兩岸的空氣質(zhì)量受到嚴重影響等。該方案中臨時圍堰在深水中填筑約500萬m3（相當于豐滿大壩體積2倍多），國內(nèi)外尚無工程實例，存在風險，且完工后圍堰拆除難度較大。

重建方案優(yōu)點是可從根本上徹底解決大壩存在的問題，保證大壩運行100年以上。對上游環(huán)境、下游供水、庫區(qū)及下游景觀等基本無影響，具有增加裝機容量（180～360 MW）的潛力，缺點是投資較大。

重建方案除投資較大外，其他方面均優(yōu)于加固方案。