丰满水电站坝体混凝土质量分析

张永鑫，孙木星，刘书南，王 江

（1.丰满发电厂，吉林 吉林市 132108；2.临江电站筹建处，辽宁 沈阳 110180；3.中国水利电力对外公司，北京 100120）

丰满水电站坝体混凝土质量分析

张永鑫1，孙木星2，刘书南1，王 江3

（1.丰满发电厂，吉林 吉林市 132108；2.临江电站筹建处，辽宁 沈阳 110180；3.中国水利电力对外公司，北京 100120）

丰满大坝由于历史原因存在先天性缺陷，虽经多次补强加固，但问题未能得到根本上解决。通过综合分析加固改造工程效果及近年来的混凝土调查现状，分析了丰满大坝坝体混凝土目前存在的主要问题。

坝体混凝土；加固改造；质量分析；丰满水电站

1 工程概况

丰满水电站为一等大（1）型工程，大坝于 1937 年 4 月开始兴建，1942 年 11 月水库开始蓄水，1943 年 3 月第一台机组发电。主要建筑物有混凝土重力坝，坝后式一、二期发电厂房，左岸泄洪洞、三期发电厂房及变电开关站等。丰满水电站是以发电为主，兼顾防洪、灌溉、航运、城市和工业用水等综合任务的大型水利工程。

丰满水库为狭长河谷式，回水总长 180 km。大坝加高后水库最高水位为 267.7m，相应的库容为 109.88 亿 m3。

混凝土大坝为 1 级建筑物，最大坝高 91.7 m，坝顶全长 1 080 m，共分 60 个坝段，坝段长度为 18 m。大坝自左向右 9—194 号坝段为溢流坝段，21—314 号为发电取水坝段，其他为挡水坝段。大坝基本横断面为三角形，上游坝坡为 1∶0.05，下游坝坡为 1∶（0.75～0.78），大坝在施工时沿顺河流向将坝体的横断面分为A，B，C，D 4 个坝块，见图 1。

2 先天缺陷与加固改造

由于大坝在日伪时期施工，战争导致施工匆忙，管理混乱，且没有正规设计书，没有完整的施工规划和施工组织设计，施工图纸少，冬季施工没有采取保温措施导致施工质量不好，特别是 1943 年后浇筑了大量低强混凝土，大坝纵缝大部分未做键槽和回填灌浆，致使大坝存在运行初期漏水严重，坝体变形大，大坝稳定安全性低等先天性缺陷。

图1 坝体横剖面图

运行初期，坝体漏水比较严重。1950 年 4 月苏联专家报告，当水位 253 m 时，坝体漏水量 30～50 L/s，当水位上升到 260.50 m 时，检查廊道收集到的漏水量达 70～80 L/s，漏水区主要在 220 m 高程以上。

1949 年 11 月至 1950 年 5 月，在库水位 251.50 m 基本不变的情况下，由于坝体降温裂缝扩展，检查廊道漏水量增至 100 L/s，有漏水的地方均有碳酸钙析出。

前苏联 366 号设计对坝体做灌浆处理，使漏水量减少很多。在以后的运行中，丰满发电厂又不断地进行坝体灌浆，漏水量进一步减少。

大坝运行到 20 世纪 80 年代，因坝体混凝土施工质量低劣，坝体渗漏严重，上下游坝面的冻融破坏越加普遍，溢流坝面普遍裂缝和冻胀变形鼓起，有的坝段破坏规模和破坏深度越来越大，大坝因老化而越来越危险。1981 年在大坝泄洪时，溢流面冲走混凝土 40 m3；1986 年 8 月大坝在泄洪时，12—14 号坝段溢流面在 220m 高程以下部位发生大面积冲毁事故。1986 年原东北勘测设计研究院提出了《丰满大坝溢流面抢修工程设计报告》和《丰满大坝加固工程初步设计报告》，主要内容是对大坝上下游面外包混凝土、坝顶加高、AB 坝块间钢棒并缝等全面加固措施，此工程于1997 年基本结束。经 1986—1997 年的全面加固后，一定程度上提高了大坝的安全运用水平。

2006—2007 年，丰满发电厂对溢流坝段下游表面裂缝时进行了灌浆修补。该工程实施后，溢流面裂缝密集区的混凝土表面封闭程度得到了加强。但在 2009 年和 2010 年现场检查时，发现部分处理过的裂缝表面环氧树脂出现起皮、开裂、脱落，少数裂缝出现析钙现象。

2008—2009 年，中水一局和丰满发电厂完成了溢流坝段降低渗水压力工程。主要内容包括对溢流坝段坝体进行防渗灌浆、在防渗帷幕下游新钻设排水孔幕、在上游原基础廊道内新钻设三排扇形排水孔、同时对原有导流底孔和中孔进行加强封堵灌浆处理。工程实施后从大坝的运行情况看，原坝体排水孔漏水量较工程实施前有所减小，新钻排水孔漏水量要明显大于原有排水孔的漏水量。这说明工程实施后坝体含水依然较多，原有坝体排水孔大多已失效。观测数据表明，在降低坝体渗压、减小坝体渗漏方面，此次溢流坝段降渗工程起到一定的作用，但效果不明显。溢流坝灌浆，虽在一定程度上缓解了溢流坝泄洪存在的潜在安全隐患，对溢流坝段泄洪安全起到了一定的改善作用，但坝体没有灌浆的部位，其整体性差和抗渗性降低的问题仍然存在。

由于大坝存在先天性缺陷，虽然经过多次大规模加固补强，但未能从根本上解决运行中存在的全部问题，尚有坝体渗漏、整体性差、负温区冻胀、混凝土低强、导流底孔中孔封堵回填效果差、渗水严重等问题。

3 质量调查

3.1 下游面渗水调查

1997—2005 年，丰满发电厂共对大坝下游面渗水情况做了 5 次调查，调查情况见表 1。11—14 号坝段在高程193～198 m 为导流底孔，13—15 号坝段在高程 214～219 m为导流中孔，而该范围正是溢流面漏水点和裂缝的集中区域。从先后几次的调查情况来看，溢流面的漏水点有逐渐增多、漏水量有逐渐增大的趋势，且漏水点大部分集中在溢流面 220m 高程以下。

表1 大坝下游面渗水调查统计表

3.2 裂缝调查

3.2.1 丰满发电厂调查情况

1998—2005 年，丰满发电厂共对大坝下游面裂缝情况做了 3 次调查，调查成果，见表 2。

表2 大坝下游面裂缝调查成果表

3.2.2 华东公司调查情况

2006 年 5 月杭州华东工程检测技术有限公司对 9～19号坝段 250～193.5 m 高程溢流面裂缝进行了缝长、缝宽和缝深的检测。

2011 年 5 月，上述检测单位再次对 10，13，15 坝段溢流面相同高程范围进行详查。此次调查与 2006 年相同调查范围内结果相比，3 个坝段 5 年间新增裂缝 37 条，总长增加137.7 m，缝宽在 0.4 mm 及以下；有 7 条旧缝延长，总延 长16.5m，缝宽 0.3mm 及以下。其中新增裂缝分布于 240 m高程以上有 14 条，总长 90m；240m 高程以下有 23 条，总长 47.7 m。延长裂缝分布 240 m 高程以上有 2 条，总长 3.5 m；240 m 高程以下有 5 条，总长 13 m。

此次调查还发现，上述3个坝段已修补的裂缝基本上都出现了起皮、开裂、脱落现象，多处裂缝有灌木生长，局部坝面有破损麻面，并且骨料外露。

调查结果表明：溢流面裂缝呈现逐年增加趋势，且增长速度较快。

3.3 钻孔取芯调查

2006—2007 年，中国水电顾问集团华东勘测设计研究院对坝体混凝土进行了详细地调查。经过对各种勘察手段取得的成果、资料综合分析，大坝混凝土总体可分为三类：Ⅰ类为较好混凝土，Ⅱ类为一般混凝土，Ⅲ类为不良混凝土（如图 4）。Ⅰ，Ⅱ类混凝土抗压强度较高，认为基本可满足大坝混凝土质量要求，Ⅲ类混凝土抗压强度低或存在蜂窝、集料窝、混凝土胶结差等缺陷，不能满足大坝混凝土质量要求。其中高程 240 m 以上 A 坝块Ⅰ类混凝土平均占有比例为 51.5%，Ⅱ类混凝土平均占有比例为 33.4%、Ⅲ类混凝土平均占有比例为 15.1%，且 28，35 和 38 号坝段不良混凝土比例较高，分别为 15.70%，21.95%和 23.54% ；高程 240 m 以下 A 坝块Ⅰ类混凝土平均占有比例为 52.7%，Ⅱ类混凝土平均占有比例为 42.6%、Ⅲ类混凝土平均占有比例为4.7%。

大坝不同高程均存在不良混凝土问题（不良混凝土包括蜂窝狗洞、低强、声波低速带、裂缝、渗漏、冻融冻胀破坏等），大致以 240 m 高程为界限，不良混凝土占有的比例（勘探钻孔芯样长度）有明显的不同：挡水坝段 A 坝块高程240 m 以上 11%～20%，部分孔段可达 27.8%以上，高程 240 m 以下 3%左右；溢流坝段 A 坝块高程 240m 以上 10%左右，15A-DQ2 孔达 21.1%，高程 240 m 以下 2%～7%；B 坝块根据 4 个钻孔统计为 8%～10%。大坝不良混凝土分布形态各异，范围大小不一，规律性差；总体上不良混凝土主要分布于高程 240m以上，出现的频度也高于下部，说明大坝高程 240 m 以下混凝土质量优于上部混凝土，溢流坝段混凝土质量优于挡水坝段混凝土。

大坝混凝土坝体内存在多处水平裂缝及垂直裂缝，总体上高程 240m 以上分布较多。未发现贯穿整个坝体的裂缝，但在某一坝段相邻钻孔同一高程发现裂缝有 12号坝段高程 233.81～233.78 m，28 号坝段高程 258.32～258.50m，32，33 号坝段 4 孔高程 263.01～263.34 m，32 号坝 段高程217.10 ～218.56 m，33 号 坝 段 高 程 248.51 ～248.79 m 处 ，35号坝段高程 205.53～205.49m，这些裂缝可认为在同坝段是连通的，估计线连通率 100%。而其余裂缝仅在同一孔段出现，在相邻钻孔同高程部位未发现裂缝，估计线连通率56% ～60%。特别 是 12 号坝段 高程 233.81～233.78 m，32 号坝段高程 217.10 ～218.56 m，35 号 坝 段高 程 205.53～205.49 m处对坝体稳定有一定影响。

施工浇筑缝普遍存在砂浆夹层，多数层面胶结强度低，部分胶结较高。其中 28 号坝段高程 249.82～251.16m处层面胶结差，贯穿性较好，对坝体稳定性影响较大。其它胶结差的层面分布于不同高程，仅在某一孔段出现，在相邻孔段未发现胶结差的层面。坝体的纵缝有一定的开度，渗水痕迹和钙质析出现象明显，这些裂缝的存在对坝体的整体性不利。

4 主要问题

丰满大坝已运行 70 余年，丰满发电厂先后在坝体、坝基内采取了普通水泥灌浆、化学灌浆、预应力锚索、外包钢筋混凝土、沥青混凝土防渗、增设排水孔、敷设并缝钢棒等工程措施，使大坝得以运行至今。但是，大坝的先天性缺陷，在现有的技术条件下，未能从根本上解决运行中存在的全部问题。目前坝体混凝土存在主要问题如下：

1）坝体混凝土已达使用寿命，并超期服役。近年来混凝土老化现象明显，老化速度呈加快趋势。

2）坝体不同高程均存在不良混凝土问题（不良混凝土包括蜂窝狗洞、低强、声波低速带、裂缝、渗漏、冻融冻胀破坏等），坝体混凝土施工质量差，导致坝体渗漏冻胀、渗透压力过高、混凝土溶蚀、冻胀、开裂，影响大坝耐久性，影响防洪安全。

3）坝体表面裂缝、渗水呈现逐年增加趋势，裂缝修补材料出现起皮脱落，局部有破损麻面，削弱了混凝土表面的完整性和抗冲能力。坝体混凝土内存在水平裂缝及垂直裂缝，施工浇筑缝普遍存在砂浆夹层，多数层面胶结强度低，对坝体稳定性影响较大。

4）坝体整体性差。坝体被众多的纵缝、横缝与子纵缝、子横缝分割，水平施工缝也多有开裂，并且这些施工缝均未进行处理，使大坝结构类似为众多的混凝土砌块堆垒而成。大坝施工时设置的3条纵缝上部未设键槽且未灌浆，削弱了坝体整体性。虽然采取了上、下游面外包混凝土、AB缝钢棒联结等措施，有一定的并缝作用，但作用有限，纵缝仍是薄弱环节，且 BC，CD 缝至今未处理。坝体的纵缝有一定的开度，渗水痕迹和钙质析出现象明显，这些裂缝的存在对坝体的整体性不利。

［1］刘青海.丰满大坝第三次定检运行总结报告［R］.吉林：丰满发电厂，2011.

［2］张永鑫.丰满大坝第三次定检现场检查报告［R］.吉林：丰满发电厂，2011.

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