丰满水电站坝体混凝土质量分析.pdf

2 0 1 4年第 1 O 东北水利水电 工程建设与管理 文章编号 】 1 O 0 2 一o 6 2 4 ( 2 O 1 4 ) 1 O 一0 o 5 1 0 3 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 1 3 2 1 0 8 ； 2 临江电站筹建处， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 8 0 ； 3 中国水利电力对外公司， 北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘 要】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。 关键词】坝体混凝土； 加固改造； 质量分析； 丰满水电站 中图分类号】 T V 6 9 8 2 + 1 文献标识码 A 1 工程概况 丰满水 电站为一等大( 1 ) 型工程 ， 大坝于 1 9 3 7 年 4月 开始兴建 ， 1 9 4 2 年 1 1 月水库开始蓄水 ， 1 9 4 3 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 1 8 0 k m。 大坝加高 后水库最高水位为 2 6 7 7 m， 相应的库容为 1 0 9 8 8 亿 m 】 。 混凝土大坝为 1 级建筑物 ， 最大坝高 9 1 7 m， 坝顶全 长 1 0 8 0 m， 共分 6 0 个坝段 ， 坝段长度为 1 8 m。大坝自左 向右 9 1 9 4 号坝段为溢流坝段 ， 2 1 3 1 4 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 0 5 ， 下游坝坡为 1 ： ( 0 7 5 0 7 8 ) ， 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旖工质 量不好 ， 特别是 1 9 4 3 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。 运行初期， 坝体漏水比较严重。1 9 5 0 年 4 月苏联专家 图 1 坝体 横剖面图 报告 ， 当水位 2 5 3 m时 ， 坝体漏水量 3 0 5 0 L s ， 当水位上 升到 2 6 0 5 O m时， 检查廊道收集到的漏水量达 7 8 0 L s ， 漏水区主要在 2 2 0 m高程以上。 1 9 4 9 年 1 1 月至 1 9 5 0 年 5 月， 在库水位 2 5 1 5 0 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 1 0 0 L s ， 有漏水的地方均有碳酸钙析出。 前苏联 3 6 6 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 2 0 世纪 8 O 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 51 工程建设与管理 东北水利水电 2 0 1 4 年第 1 0 期 坏深度越来越大， 大坝因老化而越来越危险。1 9 8 1 年在大 坝泄洪时 ， 溢流面冲走混凝土 4 0 m 3 ； 1 9 8 6 年 8 月大坝在泄 洪时 ， l 2 1 4 号坝段溢流面在 2 2 0 m高程以下部位发生大 面积冲毁事故。1 9 8 6 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、 A B坝块间钢棒并缝等全面加固措施， 此工程于 1 9 9 7 年基本结束。经 1 9 8 6 1 9 9 7 年的全面加固后， 一定程 度上提高了大坝的安全运用水平。 2 0 0 6 -2 0 0 7 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 2 0 0 9 年和 2 0 1 0 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。 2 0 0 8 -2 0 0 9 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 l 9 9 7 2 o o 5 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 。1 1 1 4 号坝段在高程 1 9 3 - 1 9 8 r n 为导流底孔 ， 1 3 1 5 号坝段在高程 2 1 4 - 2 1 9 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 2 2 0 m高程以下。 5 2 表 1 大 坝下游 面渗水调查 统计表 调查时 间 调查 结果 1 0 号 坝段共有1 O 处析钙、 漏水； 1 5 号坝段有2 7 处析钙或漏 水； 1 9 9 7 年5 月1 7 号坝 段有1 处漏水； 1 8 号坝段有2 处漏水； 在 全部的1 1 个溢 流坝段中有6 个坝 段在高程2 0 2 m以 下有析 钙及漏水。 2 0 0 3 年 1 O 月 2 0 0 4 年8月 2 0 0 5 年 2 月 1 5 号坝 段在高 程1 9 2 - 1 9 8 m处有3 条 裂缝漏水； 1 4 1 5 号坝段 横缝在2 0 5 m高程处漏水； 1 4 号坝段1 9 2 m高程水平缝漏水； 1 1 号坝段1 9 6 m高程水平缝2 处漏水； 9 号坝段2 3 5 m高程水 平 缝1 处漏 水。 1 4 号、 1 5 号坝段2 0 5 ， 2 0 0 。 1 9 0 m高程水平缝均有漏水： 1 4 1 5 号坝 段横缝2 1 5 m高程处漏水； 1 7 号坝 段1 92In 高程 处水平缝 漏水； 1 9 号坝 段2 5 2 m高 程处水 平缝漏水 。 1 1 号坝段2 2 5 m高程左 右有很多漏水点； l 2 号坝段2 2 5 m高 程上下水 平缝漏水； 1 4 号、 1 5 号坝段在2 2 0 m高程水平裂缝漏 水， 2 2 0 m高程以 下也有 这样的 漏水裂 缝存在； 1 4 1 5 号 坝段横 缝2 0 4 m高程处有水流出。已接管引走； 1 5 号坝段在2 2 5 m高 程有漏水点； 1 6 号坝 段2 2 0 m高 程水平缝漏水； 1 7 号坝段2 2 5 m高程附 近竖向 缝、 水平缝 均漏水。 嬲年 月9 ,1 0 il 中 l 1 4 , 1 5 , 援 醒 L l 3 2 裂缝调 查 3 2 1丰满发电厂调查情况 1 9 9 8 -2 0 0 5 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 2 0 0 6 年 5月杭州华东工程检测技术有限公司对 9 1 9 号坝段 2 5 0 - 1 9 3 5 m高程溢流面裂缝进行了缝长 、缝宽和 缝深的检测。 2 0 1 1 年 5月，上述检测单位再次对 1 O ， 1 3 ， 1 5 坝段溢 流面相同高程范围进行详查。 此次调查与 2 0 0 6 年相同调查 范围内结果相比， 3 个坝段 5 年间新增裂缝 3 7 条， 总长增加 1 3 7 7 m， 缝宽在 0 4 m m及以下 ； 有 7 条旧缝延长 ， 总延长 1 6 5 m， 缝宽 0 3 m m及以下。其中新增裂缝分布于 2 4 0 m 高程以上有 1 4 条，总长9 0 m； 2 4 0 m高程以下有2 3 条， 总 长 4 7 7 m。 延长裂缝分布 2 4 0 m高程以上有 2 条， 总长 3 5 m； 2 4 0 m高程以下有 5 条 ， 总长 1 3 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 2 0 1 4 年第 1 0 期 东北水利水电 一 工程建设与管理 速度较快。 3 3 钻孔取芯调查 2 0 0 6 -2 0 0 7 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 ， 类为一般混凝土 ， 类为不良混凝 土( 如图4 ) 。 I ， 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， 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 2 4 0 m以上 A坝块 I 类混凝土平均 占有 比例为 5 1 5 ， I I 类混凝土平均 占有比例为 3 3 4 、 类混 凝土平均占有比例为 1 5 1 ， 且 2 8 ， 3 5和 3 8号坝段不良混 凝土比例较高， 分别为 1 5 7 0 ， 2 1 9 5 和 2 3 5 4 ； 高程 2 4 0 m以下 A坝块 I 类混凝土平均 占有比例为 5 2 7 ，1 I 类混 凝土平均占有比例为 4 2 6 、1 1I 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 2 4 0 n l 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 2 4 0 m 以上 1 1 - 2 0 。 部分孔段可达 2 7 8 以上 ， 高程 2 4 0 I n以下 3 左右；溢流坝段 A坝块高程 2 4 0 m以上 1 0 左 右。 1 5 A D Q 2 孔达 2 1 1 ，高程 2 4 0 m以下 2 - 7 ； B坝 块根据 4 个钻孔统计为 8 - 1 0 。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 2 4 0 m以上 ， 出现的频度也高于下部， 说明大坝 高程 2 4 0 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 2 4 0 m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 1 2 号坝 段高程 2 3 3 8 1 - 2 3 3 7 8 m， 2 8 号坝段高程 2 5 8 3 2 - 2 5 8 5 0 m， 3 2 ， 3 3号坝段 4 孔高程 2 6 3 0 1 - 2 6 3 3 4 m， 3 2号坝段高程 2 1 7 1 0 2 1 8 5 6 m， 3 3号坝段 高程 2 4 8 5 1 - 2 4 8 7 9 m处 ， 3 5 号坝段高程 2 0 5 5 3 2 0 5 4 9 m， 这些裂缝可认为在同坝段是 连通的。 估计线连通率 1 0 0 。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 5 6 - 6 0 。特别是 1 2 号坝段高程 2 3 3 8 1 - 2 3 3 7 8 m， 3 2 号 坝段高程 2 1 7 1 0 - 2 1 8 5 6 n l ， 3 5 号坝段 高程 2 0 5 S 3 0 5 4 9 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2 8 号坝段高程2 4 9 8 2 2 5 1 6 峨 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 l l 主要问题 丰满大坝 已运行 7 0 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 l 筋混凝土、 沥青混凝土防渗、 增设排水孔、 敷设并缝钢棒等 工程措旆 ， 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 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、 A B 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 B C， C D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。 【 参 考 文 献】 1 刘青海 丰满大坝第三次定检运行总结报告 R 吉林： 一 丰满发 电厂， 2 0 1 1 2 张永鑫 丰满大坝第三次定检现场检查报告J R 吉林： 丰满发电厂， 2 0 1 1 【 收稿日 期】 2 0 1 3 - 1 2 - 1 2 5 3