张家宏 鲁一晖
（中国水利水电科学研究院 北京 100038）
摘要：丰满大坝由于建坝时的施工技术水平差，施工质量低劣，大坝建成以来即存在着一些严重的先天性缺陷，如混凝土强度偏低，坝体分缝分块造成坝体整体性较差，扬压力偏高，渗漏、冻胀、化学溶蚀等因素引发的老化现象不断发展。大坝在不利的环境下已经蓄水运行了七十多年，虽经上世纪五十年代的续建、改建和以后多年的持续维修加固，大坝存在的缺陷得到了一定程度的处理，大坝老化进程也有所缓解，但坝体混凝土强度偏低、渗漏、扬压力偏高、溶蚀及冻胀等影响大坝长期安全性问题依然突出。通过组织国内外专家进行现场调研、资料分析和国内外工程案例研究总结出了丰满大坝长期安全性的结论。本文在是在该评价结论基础上提出了大坝全面治理可行性方案，为大坝全面加固处理下一阶段工作提供技术依据。
关键词：大坝老化 长期安全性评价 全面治理 可行性研究
1 前言
丰满发电厂是中国第一座大型水电站，始建于上世纪三十年代。电厂位于第二松花江上游吉林市东南16km处，总装机容量为1002.5MW，是东北电网的骨干电厂，负责调峰、调频、事故和检修备用等任务，兼有防洪、灌溉及城市供水等综合作用。枢纽由混凝土重力坝、泄洪隧洞、发电引水隧洞、右岸一、二期坝后式电站厂房及左岸三期河岸式电站厂房等组成。坝顶高程267.7m，最大坝高91.7m，全长1080m，共有60个坝段。
图片1 丰满大坝全景
由于建坝时的施工技术水平差，施工质量低劣，大坝建成以来存在着一些严重的先天性缺陷，如混凝土强度偏低、均匀性差，坝体分缝处理不当造成坝体整体性较差。大坝在不利的环境下已经蓄水运行近七十年，扬压力偏高，渗漏、冻胀、化学溶蚀等因素引发的老化现象明显、老化速度加快。坝体混凝土强度偏低、渗漏、扬压力偏高、溶蚀及冻胀等影响大坝长期安全性的问题突出。
因此，迫切需要在总结与借鉴国内外已有的研究成果以及已有的工程加固成功经验的基础上，提出全面的、综合性的大坝加固处理方案，使得丰满大坝的病害问题得到全面的、根本性解决，保证大坝安全运行和延长电站使用寿命。
2 大坝长期安全性现状评价
通过组织国内外专家进行现场调研、资料分析和国内外工程案例研究总结出了丰满大坝长期安全性的主要结论如下：
(1) 大坝混凝土质量与整体性差
由于历史原因，大坝混凝土没有明确的设计指标，只规定了水泥用量。混凝土施工质量很差，存在着大量的低强混凝土、蜂窝空洞等严重缺陷。大坝由60个坝段组成，坝段之间存在伸缩缝。大坝顺河向被3条纵缝分为4个坝块。水平施工缝间距为1.5~2.0m。施工期间纵缝没有灌浆、水平施工缝未打毛处理，因此，大坝的整体性很差。
(2) 大坝抗滑稳定及结构安全裕度偏低
由于大坝整体性差，存在低强混凝土及施工纵缝的不利影响，使大坝处于较高且较复杂的应力状态。分析表明：在今后高水位遇地震条件下可能出现结构物的局部损坏。
(3)大坝渗漏问题突出、混凝土耐久性差
丰满大坝的渗漏途径是沿坝体混凝土、裂缝和接缝而形成，使得大坝混凝土遭受溶蚀、冻融和冻胀破坏。而渗漏、溶蚀、和冻融、冻胀破坏通常是同时出现又互相加重，导致大坝混凝土的持续老化和力学性能持续的降低。
影响丰满大坝耐久性的根本原因是渗漏问题。渗漏引起坝体混凝土的溶蚀破坏和密实性的下降，使坝体混凝土处于饱水状态。冬季大坝混凝土受冻破坏，表层脱落，深层冻胀，坝顶上抬，加剧了大坝混凝土的老化。
因此，遏制由于严重渗漏而引起的大坝混凝土快速劣化趋势，是丰满大坝补强加固处理方案应解决的首要问题。
3 方案选择的原则
丰满大坝综合治理的关键是技术措施的选择，这一过程具有很大的困难，它需要考虑到许多因素，包括技术、经济、环境以及实践经验方面的因素等等。综合治理的目的是恢复大坝结构的整体性和安全性，使大坝安全使用年限得到保证和延长。在充分借鉴国内外大坝加固经验的基础上，结合丰满大坝实际，按照“彻底解决、不留后患、技术可行、经济合理”的原则，对大坝加固及重建等各种技术方案进行深入研究和充分论证，科学选择丰满大坝全面加固技术方案。
作为挡水建筑物，首先是在所有荷载作用下，混凝土材料本身要能为大坝提供足够的强度和稳定保障；其次是大坝混凝土材料应该有效地阻止库水的渗漏，自身形成有效的防渗屏障。大坝施工时采用柱状块浇筑，施工纵缝、子纵缝、子横缝以及水平施工缝等，均未采取有效的工程措施进行处理，进而影响了大坝的整体性。大坝因受冻害范围大，冻害较深，以致削弱了坝体的断面，影响到坝体的整体稳定和强度。
显然，大坝渗漏问题突出、混凝土耐久性差, 大坝混凝土强度与整体性差, 大坝抗滑稳定及结构安全裕度偏低等问题，尚不能采用同一种技术措施完全解决，必须采用不同技术措施进行综合治理。
4 全面治理方案
影响丰满大坝耐久性的根本原因是渗漏问题。对丰满大坝进行综合治理的基本思路是探索如何在不同的条件下，首先对大坝进行防渗治理，同时，采取配套措施对大坝其他病害进行全面治理，从而形成完整的综合治理方案。尽量达到治理工作不影响或少影响丰满电站的正常运行，能保证大坝的泄洪能力和对下游的供水要求。
以实现大坝防渗为主要着眼点，就施工条件而言，大致可归纳分为三大类型方案：
第1类型：坝体上游面水下施工防渗方案；
第2类型：坝体上游面干场施工防渗方案；
第3类型：坝体内部防渗方案；
其中对于每一类方案所选用的综合措施，根据其条件又有不同种方法的组合。
4.1 坝体上游面水下施工防渗方案
丰满大坝坝体上游面防渗水下施工综合治理方案，即综合治理可选方案一，本方案的突出优点可以直接在坝体上游面形成完整的防渗体系，对水库运行影响程度很小。
该方案包括：
(1) 将水位降至预定水位(有两种选择，一种是降至高程242m；另一种是降至高程225m)，疏浚丰满大坝上游河床距坝面15m范围内的淤泥以进行PVC复合柔性防渗体系施工前的准备。对丰满大坝坝体上游面的蜂窝、狗洞等缺陷进行安装前修补。对坝面，特别是拟安装固定零件部位的明显的低强（或因冻融、溶蚀等原因被破坏）混凝土，进行补强加固；
(2) 在上游面水下安装PVC复合柔性防渗体系。彻底解决坝体渗漏严重的问题。上游面水上部分可采用安装PVC复合柔性防渗体系防渗或喷聚脲防渗方法；
(3) 在坝体下游面和坝顶外包高性能混凝土，以防止目前坝体下游面和坝顶表层混凝土质量进一步恶化，并解决坝体下游面和坝顶混凝土冻胀问题，增强坝体抗滑稳定安全；
(4) 为了增强坝体整体性，在坝体内部和部分存在软弱夹层的坝基安装预应力锚索，对坝体内混凝土质量很差、渗漏严重的部位进行局部灌浆之外，一个重要的措施就是在坝体纵缝部位设置混凝土塞并安装水平预应力锚索；
(5) 对坝基防渗帷幕进行补充灌浆，并增设坝基和坝体排水，以降低坝基和坝体扬压力，提高坝体抗滑稳定安全性。
4.2 坝体上游面干场施工防渗方案
丰满大坝上游面防渗干场施工综合治理方案，即综合治理可选方案二，本方案的突出优点是在坝体上游面形成了干场施工环境，可以对坝体上游面质量低劣的混凝土进行彻底处理。其缺点是部分河床坝段施工过程中，水库需要控制水位运行。
该方案包括：
(1) 在坝体上游面安装一外径34m、壁厚5m的半圆形浮式拱围堰，形成一工作区域不小于8m×18m的干场施工环境；
(2) 在坝体上游面重新形成防渗体系，即在坝体上游面采用预应力混凝土叠合层、或混凝土防渗墙、或沥青混凝土防渗墙、或者混凝土墙与柔性防渗膜联合防渗等措施，重新在坝体上游面形成一道防渗体系，以彻底解决目前丰满大坝存在的渗漏严重以及由此引发的其他问题；
(3) 在坝体下游面和坝顶外包高性能混凝土，以防止目前坝体下游面和坝顶表层混凝土质量进一步恶化，并解决坝体下游面和坝顶混凝土冻胀问题，增强坝体抗滑稳定安全；
(4) 为了增强坝体整体性，本方案除在坝体内部和部分存在软弱夹层的坝基安装预应力锚索，对坝体内混凝土质量很差、渗漏严重的部位进行局部灌浆之外，一个重要的措施就是在坝体纵缝部位设置混凝土塞并安装水平预应力锚索；
(5) 对坝基防渗帷幕进行补充灌浆，并增设坝基和坝体排水，以降低坝基和坝体扬压力，提高坝体抗滑稳定安全性。
4.3 坝体内部防渗方案
丰满大坝坝内置换混凝土防渗综合治理方案，即综合治理可选方案三，该方案的突出优点是在坝体和坝后施工，对枢纽运行的影响程度很小。但该方案无法彻底解决坝体上游面A块混凝土存在的问题。
该方案包括：
（1）在靠近坝体上游面的AB纵缝部位（见图1）通过切割置换原有混凝土，重新形成一道2m宽的高性能混凝土防渗墙，在尽量不影响枢纽正常运行的前提下彻底解决目前丰满大坝存在的渗漏严重以及由此引发的其他问题；
（2）在坝体下游面和坝顶外包高性能混凝土；
（3）新老混凝土之间加设排水，以防止目前坝体下游面和坝顶表层混凝土质量进一步恶化，并解决坝体下游面和坝顶混凝土冻胀问题，增强坝体抗滑稳定安全性；
（4）在坝体内部和部分存在软弱夹层的坝基安装预应力锚索，对坝体内混凝土质量很差、渗漏严重的部位进行局部灌浆，以增强坝体整体性。
（5）对坝基防渗帷幕进行补充灌浆，并增设坝基和坝体排水，以降低坝基和坝体扬压力，提高坝体抗滑稳定安全性。
5 小结
丰满大坝的全面治理工作是一复杂的系统工程，丰满大坝综合治理所推荐的方案，既要满足技术可行，又要强调方法的安全可靠。上述三类可选方法是在全面考虑与总结国内外类似工程成功与失败案例，结合丰满工程实际而提出，同时借鉴了国内外成功实践。
建议丰满大坝全面治理下一段工作中，对各类方案进行更进一步的比较、论证与优化。
