豐滿水電站壩體混凝土質(zhì)量分析

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(zhì)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(jīng)多次補(bǔ)強(qiáng)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(diào)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(zhì)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(jī)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(guān)站等。豐滿水電站是以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、航運(yùn)、城市和工業(yè)用水等綜合任務(wù)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(yīng)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?qū)误w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(dǎo)致施工匆忙，管理混亂，且沒有正規(guī)設(shè)計書，沒有完整的施工規(guī)劃和施工組織設(shè)計，施工圖紙少，冬季施工沒有采取保溫措施導(dǎo)致施工質(zhì)量不好，特別是 1943 年后澆筑了大量低強(qiáng)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(yùn)行初期漏水嚴(yán)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(yùn)行初期，壩體漏水比較嚴(yán)重。1950 年 4 月蘇聯(lián)專家報告，當(dāng)水位 253 m 時，壩體漏水量 30～50 L/s，當(dāng)水位上升到 260.50 m 時，檢查廊道收集到的漏水量達(dá) 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(kuò)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(shè)計對壩體做灌漿處理，使漏水量減少很多。在以后的運(yùn)行中，豐滿發(fā)電廠又不斷地進(jìn)行壩體灌漿，漏水量進(jìn)一步減少。

大壩運(yùn)行到 20 世紀(jì) 80 年代，因壩體混凝土施工質(zhì)量低劣，壩體滲漏嚴(yán)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(shè)計研究院提出了《豐滿大壩溢流面搶修工程設(shè)計報告》和《豐滿大壩加固工程初步設(shè)計報告》，主要內(nèi)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(jié)束。經(jīng) 1986—1997 年的全面加固后，一定程度上提高了大壩的安全運(yùn)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(jìn)行了灌漿修補(bǔ)。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(qiáng)。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(nèi)容包括對溢流壩段壩體進(jìn)行防滲灌漿、在防滲帷幕下游新鉆設(shè)排水孔幕、在上游原基礎(chǔ)廊道內(nèi)新鉆設(shè)三排扇形排水孔、同時對原有導(dǎo)流底孔和中孔進(jìn)行加強(qiáng)封堵灌漿處理。工程實施后從大壩的運(yùn)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(jīng)過多次大規(guī)模加固補(bǔ)強(qiáng)，但未能從根本上解決運(yùn)行中存在的全部問題，尚有壩體滲漏、整體性差、負(fù)溫區(qū)凍脹、混凝土低強(qiáng)、導(dǎo)流底孔中孔封堵回填效果差、滲水嚴(yán)重等問題。

3 質(zhì)量調(diào)查

3.1 下游面滲水調(diào)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(diào)查，調(diào)查情況見表 1。11—14 號壩段在高程193～198 m 為導(dǎo)流底孔，13—15 號壩段在高程 214～219 m為導(dǎo)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(diào)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(diào)查統(tǒng)計表

3.2 裂縫調(diào)查

3.2.1 豐滿發(fā)電廠調(diào)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(diào)查，調(diào)查成果，見表 2。

表2 大壩下游面裂縫調(diào)查成果表

3.2.2 華東公司調(diào)查情況

2006 年 5 月杭州華東工程檢測技術(shù)有限公司對 9～19號壩段 250～193.5 m 高程溢流面裂縫進(jìn)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(jìn)行詳查。此次調(diào)查與 2006 年相同調(diào)查范圍內(nèi)結(jié)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(diào)查還發(fā)現(xiàn)，上述3個壩段已修補(bǔ)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(diào)查結(jié)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(diào)查

2006—2007 年，中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院對壩體混凝土進(jìn)行了詳細(xì)地調(diào)查。經(jīng)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(qiáng)度較高，認(rèn)為基本可滿足大壩混凝土質(zhì)量要求，Ⅲ類混凝土抗壓強(qiáng)度低或存在蜂窩、集料窩、混凝土膠結(jié)差等缺陷，不能滿足大壩混凝土質(zhì)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(qiáng)、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(dá) 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(dá) 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(zhì)量優(yōu)于上部混凝土，溢流壩段混凝土質(zhì)量優(yōu)于擋水壩段混凝土。

大壩混凝土壩體內(nèi)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(rèn)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(jié)強(qiáng)度低，部分膠結(jié)較高。其中 28 號壩段高程 249.82～251.16m處層面膠結(jié)差，貫穿性較好，對壩體穩(wěn)定性影響較大。其它膠結(jié)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(jié)差的層面。壩體的縱縫有一定的開度，滲水痕跡和鈣質(zhì)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(yùn)行 70 余年，豐滿發(fā)電廠先后在壩體、壩基內(nèi)采取了普通水泥灌漿、化學(xué)灌漿、預(yù)應(yīng)力錨索、外包鋼筋混凝土、瀝青混凝土防滲、增設(shè)排水孔、敷設(shè)并縫鋼棒等工程措施，使大壩得以運(yùn)行至今。但是，大壩的先天性缺陷，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，未能從根本上解決運(yùn)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(dá)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(qiáng)、聲波低速帶、裂縫、滲漏、凍融凍脹破壞等），壩體混凝土施工質(zhì)量差，導(dǎo)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(bǔ)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(nèi)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(jié)強(qiáng)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(jìn)行處理，使大壩結(jié)構(gòu)類似為眾多的混凝土砌塊堆壘而成。大壩施工時設(shè)置的3條縱縫上部未設(shè)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(jié)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(zhì)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(yùn)行總結(jié)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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