豐滿水電站老壩混凝土質量后評價

路振剛，蘇加林，汪在芹

(1.國網新源控股有限公司，北京 100761；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021；3.長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010)

豐滿水電站位于吉林省境內松花江干流上的豐滿峽谷口，下游距吉林市16 km，距哈爾濱市609 km。工程為一等大(1)型，是一座以發電為主，兼顧防洪、灌溉、城市及工農業供水、生態環境保護，并具有旅游、水產養殖等效益的水電站。

豐滿水電站始建于1937年日偽滿時期，1942年蓄水，1943年第1臺機組發電。1953年大壩全部建成?；炷林亓巫畲髩胃?1.7 m，壩頂長1 080 m，澆筑混凝土約191萬m3。受當時設計、施工及管理水平的限制，工程建設伊始，就存在著諸多先天性缺陷，雖經多年補強加固和精心維護[1]，但固有缺陷無法徹底消除，安全隱患突出，大壩安全可靠性低，抵抗風險能力差，失事后果嚴重，影響電站安全可靠運行，對下游人民的生命財產構成威脅。為從根本上解決大壩存在的問題，國家電網公司組織有關專家及科研、設計單位，按照“徹底解決、不留后患、技術可行、經濟合理”的原則，對大壩加固及重建等各種技術方案進行科學論證，最終選擇“下壩址重建方案”作為豐滿大壩全面治理方案[2，3]。

2013年6月15日，豐滿重建工程正式開工。2018年12月12日，豐滿老壩完成了其歷史使命，爆破拆除工作正式啟動。豐滿老壩共60個壩段，拆除的壩段缺口為6號～43號壩段，長684.0 m，缺口底高程為240.20 m。

表1 施工期試驗室機口取樣試驗結果

1 老壩主要問題回顧

1.1 縱縫開裂

限于工程建設時期的施工手段，老壩壩體采用了柱狀分塊設計，每個壩段均由3條縱縫將壩體分割為A、B、C、D獨立的4個比較窄的柱狀塊體，并設有子縱縫和子橫縫，AB縫在1952年做了灌漿和插鋼棒處理，其他縫面均未進行處理，將壩體切割成許多塊體。觀測資料結果表明，AB縫的開度多年變幅約1～2 mm，BC縫的開度達1～7 mm。根據中國水利水電科學研究院和大連理工大學1997年的分析成果[4]，在只考慮縱縫的情況下，大壩的抗滑穩定安全性進一步降低，應力狀況也有所惡化。

1.2 混凝土強度、抗滲、抗凍指標低

豐滿老壩混凝土配合比設計不合理。設計時僅對壩體混凝土提出了水泥用量和抗壓強度要求，水灰比大，沒有抗滲、抗凍要求，混凝土耐久性不滿足現行規范要求?；炷辽暗[石骨料級配差，大骨料僅占全部骨料的6%左右，水泥硅酸鹽含量23.5%，水泥標號偏低。根據施工期試驗室機口取樣試驗報告單統計結果(見表1)，混凝土水泥用量從1941年268.5 kg/m3降低到1943年214.4 kg/m3。平均水灰比0.76，部分大于1.0。混凝土91 d強度(相應保證率為80%)從1941年的95.3 kg/cm2降低到1943年的63.6 kg/cm2。水泥用量逐年減少，混凝土強度逐年降低。根據1989年至1993年的9個鉆孔122組試驗成果表明，混凝土抗壓強度平均值為14.6～50.2 MPa，變異系數達到了0.2～0.56。

1986年對5個壩段5個鉆孔進行取樣，芯樣采取率僅64.3%～75.7%，各孔聲波測試低速段占7.61%～39.6%。1991年～1993年日本人鉆探13孔，不良混凝土比例2.8%～15.5%，2007年～2008年鉆32孔，240 m高程以上不良混凝土約占20%～30%，240 m高程以下不良混凝土占比5%。

1.3 壩體滲漏，混凝土凍融和溶蝕破壞較嚴重

大壩伸縮縫、水平施工縫、導流中底孔及缺口封堵質量差等都是滲漏水通道，混凝土溶蝕破壞較嚴重。工程地處嚴寒地區，由于壩體混凝土低強、抗凍能力差(抗凍等級小于F50)。大壩混凝土普遍凍脹破壞嚴重。

1.4 34號～36號壩段抗滑穩定不滿足規范要求

34號～36號壩段壩基下有一條寬約40 m的F67斷層破碎帶通過，施工時雖然做了一定深挖，但是大壩還是建在軟基上，并沒有專門的地基處理。復核計算結果表明34號～36號壩段抗滑穩定不滿足規范要求。

1.5 大壩防洪能力不足

工程設計時基礎資料嚴重不足。原設計庫容偏大、設計洪水偏小，大壩泄洪能力不足，大壩及廠房防洪標準都不滿足現規范要求，對工程及下游安全構成嚴重威脅。

2 老壩拆除顯示的混凝土缺陷

老壩拆除實施后，對壩體混凝土的現場質量調查、取樣試驗等工作隨即展開，壩體內部的混凝土狀態逐漸展現。老壩缺口拆除采用控制水庫水位、干地分4層鉆爆拆除施工方案。歷史資料及檢測成果顯示，老壩澆筑的混凝土質量在1942年前后(約240 m高程)出現明顯下降[1]。從現場拆除的6號～43號壩段240 m高程以上混凝土來看，壩體內部的混凝土質量狀況較差，之前只能通過鉆孔、聲波等手段探測的問題直觀顯現出來。

2.1 骨料集中、振搗不密實

在距迎水面8 m的位置，可以發現如圖1所示的混凝土質量缺陷，這些缺陷表現為粗骨料集中、異物充填、骨料膠結差、振搗不密實，該類缺陷普遍存在于各拆除壩段。老壩上游240～245 m高程擋水坎下游立面顯示，僅在該高程范圍內，粗骨料集中現象就較為普遍，尤其是在27號、28號壩段，大量集中的骨料形成兩道長約15 m、寬約0.5 m的條帶，其中無膠凝材料填充，可以判斷施工時振搗較差或基本沒有進行振搗。

圖1 部分典型混凝土質量缺陷

2.2 骨料膠結差

豐滿老壩壩體實施拆除后，大部分爆破的混凝土渣料中骨料與砂漿分離，骨料呈散粒體狀態，如圖2所示。有部分骨料間充填后期灌漿的漿液結石，爆后漿液結石呈粉末狀態。

圖2 部分典型混凝土質量缺陷(雜物充填、無膠凝材料膠結)

2.3 蜂窩、空洞

蜂窩、空洞離散地分布在所有壩段、壩塊的不同高程上，壩體不良混凝土的比例較大。出現蜂窩、空洞的主要原因是受到前期混凝土澆筑質量差、鈣質流失的影響；另外，大壩蓄水后在長時間的滲透作用下膠凝材料被帶出也會造成該缺陷。

2.4 混凝土水平縫面

壩體混凝土裂縫表現為各種較為明顯層間裂縫，根據現場的縫面顯示，間歇層層間縫面未經過鑿毛，層面較為平滑；厚約50～60 cm的澆筑胚層層間也普遍存在層間縫，部分水平縫面充填后期灌漿的漿液，如圖3所示，該類缺陷存在于各拆除壩段。

圖3 部分典型混凝土質量缺陷(水平縫面及縱縫)

在壩體拆除至240 m高程時，壩體出現了大面積的水平縫面分布(見圖4)，水平縫面占拆除壩段整體面積比例38%；尤其在27號、28號、35號～41號壩段，占比接近90%。表明該部位在施工時未進行層面處理，層間結合較差。后期的灌漿處理中，受限于施工條件、灌漿材料、方法等限制，并未根本解決此類問題。水平縫的大面積分布嚴重影響該部分壩段壩體的安全穩定，壩體內被各種施工縫縱橫交叉切割成不同尺寸的砌筑體，致使壩體的整體性能嚴重惡化。

2.5 混凝土縱縫

拆除過程中，在240 m高程拆除平臺和5號、44號壩段拆除側面上，壩體縱縫清晰可見，如圖3所示，在較高高程部位，縱縫有張開跡象，高程較低部位，未見縱縫明顯張開，但可見縱縫內無任何處理措施，壩塊混凝土分界明顯。

圖4 240 m高程拆除缺口底板水平縫面分布(陰影部分)

3 混凝土粗骨料級配特性試驗研究

2018年～2019年，結合豐滿老壩的爆破拆除過程，長江科學院通過對A塊取芯，粗骨料現場取樣的方法，對老壩混凝土骨料的級配狀況、礦物成分和壓碎指標進行了研究，成果表明：①老壩混凝土的工作性較差，存在用水量過大、漿體偏少和漿骨分離等問題，且施工過程中混凝土層間結合面未做鑿毛處理，結合面性能較差。②在日偽時期，1943年前建設階段老壩混凝土的質量優于后期建設階段，而同一時修建的溢流壩段混凝土質量優于擋水壩段。③老壩混凝土骨料中的針片狀含量較多，顆粒間搭接作用明顯，且細顆粒含量不足，導致骨料的級配較差。④部分骨料的強度較低、承載能力較差，在混凝土受壓過程中易發生劈裂破壞的現象，對老壩的結構造成隱患，骨料對老壩混凝土的影響是永久的，難以通過服役過程中的灌漿補強、除險加固等措施徹底消除。

4 混凝土質量后評價

4.1 混凝土縫面情況

根據以往研究結論、鉆孔芯樣及孔內電視觀察，大壩縱縫張開，壩體存在貫通的施工縫。現場壩體拆除結果清楚的顯示出，壩體內部縱縫及水平縫大部分開裂明顯，彼此聯通，尤其240 m高程水平縫面在部分壩段已經占面積比例達到90%，嚴重影響大壩的整體性能。

4.2 混凝土質量

既往混凝土芯樣統計結果顯示，Ⅱ類混凝土芯樣占全孔段比例平均值為46.4%，該類芯樣表面手感明顯粗糙，部分芯樣骨料與砂漿脫離，斷口基本吻合，粗糙部位砂漿用手易摳碎。該類混凝土存在質量缺陷，水泥用量達不到要求。Ⅲ類混凝土芯樣占全孔段比例平均值為24.2%，該類芯樣膠結差，表觀多見蜂窩、空洞、砂漿骨料膠結差、骨料表面無或者僅少量砂漿粘結，芯樣呈碎塊狀，側面砂漿脫落嚴重，斷口磨損較明顯，該類混凝土屬壩體不良混凝土，分布高程無明顯界線，各壩段沿壩高均有分布。很多壩段是每4 m左右壩高即出現一次，平均是6～7 m壩高出現一次，出現的幾率是很高的，壩體混凝土質量極不均勻。

通過壩體拆除的過程，鉆孔取芯的結果得到了驗證，老壩的壩體混凝土質量缺陷明顯，粗骨料集中，無膠凝材料膠結、振搗不密實及蜂窩空洞等現象在240～245m高程擋水坎立面上就相當普遍，大壩整體范圍內分布更加廣泛，局部十分密集。骨料表面無或者僅少量砂漿粘結也證明壩體滲漏導致的混凝土溶蝕破壞較為嚴重。

4.3 總體評價

以往分析老壩存在的問題是通過鉆孔取芯、聲波等手段，是以點、線資料進行評價，資料具有局限性。在老壩拆除過程中，是以面、體資料直觀地、全面地揭示老壩混凝土的質量缺陷，證實了前期的判斷，且實際老壩混凝土質量缺陷比前期論證階段掌握的情況更為嚴重，諸多固有缺陷無法通過后期補強加固徹底消除，安全隱患突出。

新建的豐滿大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩整體澆筑，壩體整體性好；壩體混凝土的強度及抗滲、抗凍耐久性相對老壩明顯提高；斷層壩段抗滑穩定性符合規范要求；電站的裝機由原來的1 002.5 MW提高至1 480 MW，提高了調峰和事故備用能力；樞紐的泄洪能力由原11 684 m3/s提高至22 767 m3/s，防洪安全性大幅提升，確保下游人民生命財產和國家重要商品糧基地的防洪安全。

5 結 語

豐滿水電站被譽為我國的“水電之母”，為我國的水電事業作出了卓越貢獻，豐滿老壩始建于20世紀30年代，在運行長達80年后退出服役。在豐滿老壩拆除過程中，全面地揭示了老壩混凝土的質量缺陷，前期對于老壩缺陷的判斷得到了證實，有爭議的問題找到了答案，事實證明前期判斷是客觀、科學、合理的。豐滿老壩可靠性水平低，抵御風險能力差，與我國經濟社會發展水平對工程安全的要求不相適應，鑒于豐滿水電站在流域和地區經濟社會發展中的重要地位與巨大作用，拆除老壩、重建新壩的決策是正確的，達到了“徹底解決、不留后患”的全面治理目標，保障了松花江流域的防洪安全。