豐滿大壩汛期施工臨時(shí)斷面高水位運(yùn)行狀況分析

俞介剛，蘇加林，楊成祝

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

豐滿大壩1942年水庫蓄水,1943年二臺(tái)主機(jī)發(fā)電,1944年汛期遇大水,豐滿大壩高水位運(yùn)行。研究表明，豐滿大壩A壩塊在1944年汛期就可能已經(jīng)被拉裂破壞。具體情況如下。

1942年11月27日左岸導(dǎo)流底孔用混凝土塊、棉被土砂等封堵，水庫開始蓄水。

1943年2月15日—20日廠用機(jī)2臺(tái)先后發(fā)電，3月25日主1號(hào)機(jī)發(fā)電，5月13日主4號(hào)機(jī)發(fā)電。從圍堰開始施工到主1號(hào)主機(jī)發(fā)電，共用工期65個(gè)月。

1943年庫水位從3月的220 m開始至9月達(dá)240.8 m，12月又回至229 m左右，壩體5—9月曾多次溢流，13—15號(hào)壩上中孔過水。

1944年混凝土澆筑量降至18.2萬m3，主2、主7號(hào)機(jī)先后發(fā)電，因13—15號(hào)壩段中孔汛前堵塞，5—10月小洪水從10，12號(hào)壩段缺口過流，大汛則從各溢流壩段澆筑面上過水，影響不太大。7月最高庫水位達(dá)253.79 m。年底A壩塊混凝土9—11號(hào)壩段一般澆筑到237~240 m高程。18—40號(hào)與1—8號(hào)壩段均達(dá)248 m高程左右，其它壩段均達(dá)255~266.25 m高程，B壩塊混凝土澆筑大體到221 m高程，但4—7號(hào)、29—35號(hào)、37號(hào)、49—52號(hào)等壩段澆筑到237 m高程。C壩塊大體為212~221 m，D壩塊僅21號(hào)、22號(hào)壩段鋼管予留槽達(dá)190 m，8號(hào)、33號(hào)壩段達(dá)200~203 m高程。

1944年要害問題是汛期庫水位升得很高，A壩塊混凝土也已升得較高，但引水壩段和部分擋水壩段的B壩塊混凝土只澆筑至221m高程。高水位時(shí)這些壩段發(fā)生了問題。

1945年大壩混凝土澆筑，到前蘇軍8月18日進(jìn)駐后停工，年澆筑混凝土量?jī)H5.5萬m3。1945年7—8月壩體溢流，最高庫水位255.05 m。大壩澆筑面貌為：A壩塊1—8號(hào)壩段266.25 m，9—19號(hào)壩段258.5~260 m，20—40號(hào)壩段 255 m±，41—46號(hào)壩段 263.5 m±，47—55號(hào)壩段266.25 m，B壩塊237B棧橋全部形成，便16—28號(hào)壩段除溢流壩的橋墩外，大部分壩段只澆筑到225~230 m高程，

1 豐滿大壩混凝土澆筑進(jìn)度與水庫蓄水概況

豐滿大壩1937年11月開始修筑右岸圍堰，1937年12月開始右岸壩基開挖，1938年繼續(xù)開挖右岸壩基，并澆筑右岸20—25號(hào)壩段基礎(chǔ)混凝土。1939年修筑202 m高程的上下游門機(jī)棧橋，1939年形成右岸導(dǎo)流底孔。

1939年10月開始修筑左岸圍堰，并在1940年6月在16號(hào)壩段位置形成混凝土縱向支埝，使江水在20—16號(hào)壩段間河床下泄。并同時(shí)修筑10—14號(hào)壩段的左岸導(dǎo)流底孔。6月將右岸導(dǎo)流底孔封堵。1938年利用右岸江邊小拌和樓澆筑混凝土3萬m3。1939年澆筑混凝土11.1萬m3。

1940年混凝土大拌和樓正式生產(chǎn)，使用上下游202棧橋澆筑全部壩基混凝土和221C棧橋(221為高程，“C”為在C壩塊)，至年底共澆筑混凝土20.4萬m3。至1940年年底，8號(hào)、17號(hào)、18號(hào)壩段 A 塊、B 塊，19—34號(hào)壩段 A，B，C，D 壩塊，35—38號(hào)壩段 A，B，C，39—43號(hào)壩段 C，D 壩塊等基礎(chǔ)混凝土均已澆完。

1941年開始使用221C棧橋大規(guī)模澆筑基礎(chǔ)部位以上各壩塊混凝土。年澆筑量29萬m3。江水小流量時(shí)在左岸導(dǎo)流底孔泄流，洪水時(shí)由溢流壩塊上漫溢。

1942年使用221C門機(jī)棧橋大規(guī)模澆筑混凝土達(dá)50.9萬m3。輸水鋼管、旁通管、閘門啟閉機(jī)等大體也安完，但在23—26號(hào)壩段的C壩塊鋼管未安完，預(yù)留了4個(gè)寬7 m，長(zhǎng)約4~8 m，高3~10 m的預(yù)留孔洞后，澆筑218—220 m混凝土，以形成221C棧橋，此預(yù)留孔洞混凝土于1950年回填。通過橋墩支高才形成237B棧橋。一部分壩段澆筑了“緊急混凝土”；C壩塊，9號(hào)、11—13號(hào)壩段澆筑至 235 m±，33—35號(hào)、37號(hào)、44號(hào)壩段，澆至 205~214 m，其它 6—49號(hào)壩段大致為221 m，D壩塊21—22號(hào)壩段鋼管預(yù)留槽190 m±，33號(hào)、204 m，其它的已完成。

2 1944年7月豐滿大壩澆筑施工斷面及其應(yīng)力計(jì)算

1942年11月17日豐滿壩左岸導(dǎo)流底孔下閘水庫蓄水，1943年3月25日主機(jī)1號(hào)機(jī)發(fā)電，5月4日主2號(hào)機(jī)發(fā)電，庫水位從3月的220 m升至9月的240.8 m。

1944年壩體A壩塊已上升得很高，其中18—40號(hào)壩段、1—8號(hào)壩段均達(dá)248 m左右，有的壩段甚至達(dá)255~266.25 m；而B壩塊混凝土澆筑高程只到221 m，1944年遇到大水，7月份庫水位達(dá)253.79 m，高出B壩塊澆筑高程達(dá)32.79 m，故這時(shí)有的壩段的A壩塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和應(yīng)力受到了考驗(yàn)。

就1944年7月的澆筑壩剖面在高水位253.79 m作用下其穩(wěn)定和應(yīng)力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。共復(fù)核兩個(gè)壩段。

1）38號(hào)壩段應(yīng)力穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

38號(hào)壩段1944年7月混凝土澆筑斷面描述如下：A壩塊1944年7月前已澆筑至251 m高程，混凝土標(biāo)號(hào)上部為C5，下部為C10，B壩塊1944年7月1日前混凝土澆筑高程為221.0 m。見圖1，圖中注明了各混凝土澆筑塊的澆筑時(shí)間，當(dāng)時(shí)庫水位253.79 m。

圖1 38號(hào)壩段1944年7月施工斷面圖

復(fù)核斷面為A壩塊221 m高程處的斷面，該處混凝土截面厚為15 m(包括A壩塊9 m厚和其上下游加寬部分6 m厚)，混凝土柱體高30 m。221 m處A塊混凝土參數(shù)：容重 2.4 t/m3，抗剪斷參數(shù) f ′=0.85，C′=6 kg/m2。同時(shí)計(jì)算221m高程處A壩塊的滲透壓力，滲壓力計(jì)算為上游壩面取全水頭，下游壩面為零，中間直線變化。

A壩塊沿221 m高程基礎(chǔ)面的抗滑穩(wěn)定系數(shù)和上、下游面的垂直應(yīng)力的計(jì)算公式：

抗滑穩(wěn)定按剛體平衡公式：

垂直正應(yīng)力按材料力學(xué)計(jì)算公式：

式中：G——法向力；f′——Z21m斷面混凝土間摩擦系數(shù)，取0.85；c′——221 m斷面混凝土粘著力，取6 kg/cm2；A——計(jì)算壩基面截面積；H——水平作用力；J——壩基面截面積對(duì)形心軸的慣性矩，其中h為壩基面截面上邊線對(duì)形心軸距離，b為壩基面寬度；m——荷載對(duì)壩基面形心軸力矩。

計(jì)算結(jié)果如下：

①抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=2.4，這個(gè)結(jié)果雖不能滿足規(guī)范要求，但在施工短期內(nèi)，還能維持抗滑穩(wěn)定。

②壩上游面垂直應(yīng)力為拉應(yīng)力σ1＝-12.45 kg/cm2，即上游面在高水位作用下出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。下游面σ2＝19.5 kg/cm2，為較大的壓應(yīng)力。

現(xiàn)行鋼筋混凝土規(guī)范規(guī)定，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拉應(yīng)力，對(duì)C10混凝土為8 kg/cm2，但還應(yīng)考慮強(qiáng)度安全系數(shù)2.8。據(jù)此可以認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)采用的允許拉應(yīng)力是很小的，而38號(hào)壩段221 m高程斷面處達(dá)到12.7 km/cm2的拉應(yīng)力肯定是不允許的。

另據(jù)DL5108-1999《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，當(dāng)用有限元法計(jì)算壩基(壩體)上游壩面或壩踵拉應(yīng)力時(shí)，當(dāng)計(jì)及揚(yáng)壓力，其拉應(yīng)力區(qū)寬度宜小于壩底度寬的0.07倍。38號(hào)壩段A壩塊在253.79 m水位的水壓力作用下，221 m截面的拉應(yīng)力區(qū)寬度深達(dá)6.0 m，拉應(yīng)力分布深度為壩底寬度的0.39倍。所以可以認(rèn)為38號(hào)壩段221 m高程A壩塊混凝土在1944年7月的大水作用下就可能已經(jīng)拉裂。

2）23號(hào)壩段1944年7月混凝土澆筑施工臨時(shí)斷面穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算。

施工剖面形狀描述：A壩塊于1944年6月混凝土已澆筑到254.0 m高程，該塊混凝土是用子塊A′和A"分別澆筑的，混凝土標(biāo)號(hào)C5，其下部混凝土標(biāo)號(hào)C10，B壩塊有一部分混凝土已澆至226 m高程?，F(xiàn)復(fù)核226m高程的A壩塊混凝土穩(wěn)定及應(yīng)力。

混凝土計(jì)算參數(shù)及上游庫水位與38號(hào)壩段同。23號(hào)壩段226 m高程以上A壩塊的寬度為12 m，其中9 m為A壩塊本體寬，2m為門槽寬，1m為門槽前混凝土體厚度。不考慮操作伐廊道對(duì)計(jì)算斷面的影響。

計(jì)算公式同38號(hào)壩段。計(jì)算結(jié)果如下：

①抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=2.8。

②226 m高程A壩塊上游面垂直拉應(yīng)力σ1＝-12 kg/cm2。下游面垂直應(yīng)力為壓應(yīng)力σ2＝20.2 kg/cm2。上游拉應(yīng)力分布深度4.7 m，占整個(gè)受力斷面的38%。說明上游面垂直拉應(yīng)力不僅很大，而且拉應(yīng)力分布深度很深?？梢哉J(rèn)為該處壩上游面混凝土已經(jīng)拉裂。

從復(fù)核結(jié)果看，豐滿大壩在渡1944年7月大汛時(shí)，水位達(dá)253.79 m，有一部分壩段上游面混凝土已經(jīng)被拉裂。

關(guān)于這個(gè)結(jié)論，另外還有兩個(gè)材料也可以證明。

1）從1948年攝影的臨時(shí)擋水?dāng)嗝嬲掌?，下游?21 m和237 m高程，很多地方結(jié)冰，說明A壩塊該高程多處漏水。

從1948年3月攝的照片看，在A壩塊下游側(cè)的B壩塊上壘起了很多塊“緊急混凝土”支撐著A塊。說明當(dāng)時(shí)人們已都知道了A壩塊不安全。

2）2009年中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在豐滿壩頂上的鉆孔資料。有12個(gè)壩段每個(gè)壩段A壩塊上各鉆二個(gè)垂直孔。其中有5個(gè)壩段一個(gè)壩段的兩個(gè)鉆孔在同一高程都有水平裂隙，即水平裂縫在一個(gè)壩段同一高程是連通的。這樣的壩段數(shù)占了42%。這說明A壩塊有連通水平裂縫的壩段不在少數(shù)。

3 1945年8月大壩施工斷面穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算

1）38號(hào)壩段施工斷面穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算

1945年7月A壩塊澆筑高程260 m。B壩塊澆筑工程233 m，是1945年7月澆筑完該塊混凝土的。1945年8月庫水位上升到255.05 m，最不利的斷面為A壩塊233 m斷面。復(fù)核結(jié)果如下：A壩塊233 m斷面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=3.6，233 m斷面A壩塊在庫水位255.05 m時(shí)，上游面垂直拉應(yīng)力為3.33 kg/cm2，拉應(yīng)力分布深度2.5 m，占?jí)蔚讓挾鹊?3%，A壩塊下游面垂直壓應(yīng)力12.47 kg/cm2。計(jì)算說明38號(hào)壩段A塊上游面233.6 m高程在汛期也產(chǎn)生了拉應(yīng)力。該處混凝土標(biāo)號(hào)為C5，設(shè)計(jì)拉應(yīng)力很小，水平施工縫又結(jié)合不好，故該斷面混凝土當(dāng)時(shí)也可能裂開。

2）23號(hào)壩段1945年7月澆筑斷面236 m高程應(yīng)力計(jì)算。

236 m高程A壩塊厚度12 m，其中有3 m厚混凝土為門槽寬度和門槽外側(cè)混凝土墻厚度。B壩塊已澆筑厚度為3 m，同樣用前述計(jì)算公式，算得236 m高程處A塊抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=4.1，上游面垂直拉應(yīng)力為1 kg/cm2，拉應(yīng)力深度1.7 m，下游面垂直壓應(yīng)力6.4 kg/cm2。壓應(yīng)力的分布深度為10.3 m，拉應(yīng)力較小。

4 結(jié)語

總的說，1945年7月的施工斷面比1944年的臨時(shí)壩剖面應(yīng)力有改善，但當(dāng)遭遇到1945年8月的洪水時(shí)，上游面仍有拉應(yīng)力。裂縫處于張拉狀態(tài)，水將從裂縫處進(jìn)入，所以下游壩面仍是漏水和下游面冬季仍是掛冰。而且在1945—1950年間，壩體施工進(jìn)展滯緩，壩體在凍融及擋水過程中，壩體裂縫將進(jìn)一步發(fā)展，壩體混凝土將進(jìn)一步被破壞。

由此得出的結(jié)論是豐滿大壩在1944年，1945年施工臨時(shí)斷面高水位運(yùn)行時(shí)就已經(jīng)破壞了壩體結(jié)構(gòu)。