豐滿(mǎn)水電站老壩混凝土質(zhì)量后評(píng)價(jià)

路振剛，蘇加林，汪在芹

(1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；2.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；3.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

豐滿(mǎn)水電站位于吉林省境內(nèi)松花江干流上的豐滿(mǎn)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(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、城市及工農(nóng)業(yè)供水、生態(tài)環(huán)境保護(hù)，并具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖等效益的水電站。

豐滿(mǎn)水電站始建于1937年日偽滿(mǎn)時(shí)期，1942年蓄水，1943年第1臺(tái)機(jī)組發(fā)電。1953年大壩全部建成。混凝土重力壩最大壩高91.7 m，壩頂長(zhǎng)1 080 m，澆筑混凝土約191萬(wàn)m3。受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、施工及管理水平的限制，工程建設(shè)伊始，就存在著諸多先天性缺陷，雖經(jīng)多年補(bǔ)強(qiáng)加固和精心維護(hù)[1]，但固有缺陷無(wú)法徹底消除，安全隱患突出，大壩安全可靠性低，抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力差，失事后果嚴(yán)重，影響電站安全可靠運(yùn)行，對(duì)下游人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅。為從根本上解決大壩存在的問(wèn)題，國(guó)家電網(wǎng)公司組織有關(guān)專(zhuān)家及科研、設(shè)計(jì)單位，按照“徹底解決、不留后患、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，對(duì)大壩加固及重建等各種技術(shù)方案進(jìn)行科學(xué)論證，最終選擇“下壩址重建方案”作為豐滿(mǎn)大壩全面治理方案[2，3]。

2013年6月15日，豐滿(mǎn)重建工程正式開(kāi)工。2018年12月12日，豐滿(mǎn)老壩完成了其歷史使命，爆破拆除工作正式啟動(dòng)。豐滿(mǎn)老壩共60個(gè)壩段，拆除的壩段缺口為6號(hào)～43號(hào)壩段，長(zhǎng)684.0 m，缺口底高程為240.20 m。

表1 施工期試驗(yàn)室機(jī)口取樣試驗(yàn)結(jié)果

1 老壩主要問(wèn)題回顧

1.1 縱縫開(kāi)裂

限于工程建設(shè)時(shí)期的施工手段，老壩壩體采用了柱狀分塊設(shè)計(jì)，每個(gè)壩段均由3條縱縫將壩體分割為A、B、C、D獨(dú)立的4個(gè)比較窄的柱狀塊體，并設(shè)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(jìn)行處理，將壩體切割成許多塊體。觀測(cè)資料結(jié)果表明，AB縫的開(kāi)度多年變幅約1～2 mm，BC縫的開(kāi)度達(dá)1～7 mm。根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和大連理工大學(xué)1997年的分析成果[4]，在只考慮縱縫的情況下，大壩的抗滑穩(wěn)定安全性進(jìn)一步降低，應(yīng)力狀況也有所惡化。

1.2 混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍指標(biāo)低

豐滿(mǎn)老壩混凝土配合比設(shè)計(jì)不合理。設(shè)計(jì)時(shí)僅對(duì)壩體混凝土提出了水泥用量和抗壓強(qiáng)度要求，水灰比大，沒(méi)有抗?jié)B、抗凍要求，混凝土耐久性不滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。混凝土砂礫石骨料級(jí)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(biāo)號(hào)偏低。根據(jù)施工期試驗(yàn)室機(jī)口取樣試驗(yàn)報(bào)告單統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)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(qiáng)度(相應(yīng)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(qiáng)度逐年降低。根據(jù)1989年至1993年的9個(gè)鉆孔122組試驗(yàn)成果表明，混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為14.6～50.2 MPa，變異系數(shù)達(dá)到了0.2～0.56。

1986年對(duì)5個(gè)壩段5個(gè)鉆孔進(jìn)行取樣，芯樣采取率僅64.3%～75.7%，各孔聲波測(cè)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(yán)重

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

1.4 34號(hào)～36號(hào)壩段抗滑穩(wěn)定不滿(mǎn)足規(guī)范要求

34號(hào)～36號(hào)壩段壩基下有一條寬約40 m的F67斷層破碎帶通過(guò)，施工時(shí)雖然做了一定深挖，但是大壩還是建在軟基上，并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的地基處理。復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明34號(hào)～36號(hào)壩段抗滑穩(wěn)定不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.5 大壩防洪能力不足

工程設(shè)計(jì)時(shí)基礎(chǔ)資料嚴(yán)重不足。原設(shè)計(jì)庫(kù)容偏大、設(shè)計(jì)洪水偏小，大壩泄洪能力不足，大壩及廠房防洪標(biāo)準(zhǔn)都不滿(mǎn)足現(xiàn)規(guī)范要求，對(duì)工程及下游安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 老壩拆除顯示的混凝土缺陷

老壩拆除實(shí)施后，對(duì)壩體混凝土的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量調(diào)查、取樣試驗(yàn)等工作隨即展開(kāi)，壩體內(nèi)部的混凝土狀態(tài)逐漸展現(xiàn)。老壩缺口拆除采用控制水庫(kù)水位、干地分4層鉆爆拆除施工方案。歷史資料及檢測(cè)成果顯示，老壩澆筑的混凝土質(zhì)量在1942年前后(約240 m高程)出現(xiàn)明顯下降[1]。從現(xiàn)場(chǎng)拆除的6號(hào)～43號(hào)壩段240 m高程以上混凝土來(lái)看，壩體內(nèi)部的混凝土質(zhì)量狀況較差，之前只能通過(guò)鉆孔、聲波等手段探測(cè)的問(wèn)題直觀顯現(xiàn)出來(lái)。

2.1 骨料集中、振搗不密實(shí)

在距迎水面8 m的位置，可以發(fā)現(xiàn)如圖1所示的混凝土質(zhì)量缺陷，這些缺陷表現(xiàn)為粗骨料集中、異物充填、骨料膠結(jié)差、振搗不密實(shí)，該類(lèi)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(nèi)，粗骨料集中現(xiàn)象就較為普遍，尤其是在27號(hào)、28號(hào)壩段，大量集中的骨料形成兩道長(zhǎng)約15 m、寬約0.5 m的條帶，其中無(wú)膠凝材料填充，可以判斷施工時(shí)振搗較差或基本沒(méi)有進(jìn)行振搗。

圖1 部分典型混凝土質(zhì)量缺陷

2.2 骨料膠結(jié)差

豐滿(mǎn)老壩壩體實(shí)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(tài)，如圖2所示。有部分骨料間充填后期灌漿的漿液結(jié)石，爆后漿液結(jié)石呈粉末狀態(tài)。

圖2 部分典型混凝土質(zhì)量缺陷(雜物充填、無(wú)膠凝材料膠結(jié))

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(xiàn)蜂窩、空洞的主要原因是受到前期混凝土澆筑質(zhì)量差、鈣質(zhì)流失的影響；另外，大壩蓄水后在長(zhǎng)時(shí)間的滲透作用下膠凝材料被帶出也會(huì)造成該缺陷。

2.4 混凝土水平縫面

壩體混凝土裂縫表現(xiàn)為各種較為明顯層間裂縫，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的縫面顯示，間歇層層間縫面未經(jīng)過(guò)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(lèi)缺陷存在于各拆除壩段。

圖3 部分典型混凝土質(zhì)量缺陷(水平縫面及縱縫)

在壩體拆除至240 m高程時(shí)，壩體出現(xiàn)了大面積的水平縫面分布(見(jiàn)圖4)，水平縫面占拆除壩段整體面積比例38%；尤其在27號(hào)、28號(hào)、35號(hào)～41號(hào)壩段，占比接近90%。表明該部位在施工時(shí)未進(jìn)行層面處理，層間結(jié)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(lèi)問(wèn)題。水平縫的大面積分布嚴(yán)重影響該部分壩段壩體的安全穩(wěn)定，壩體內(nèi)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?chē)?yán)重惡化。

2.5 混凝土縱縫

拆除過(guò)程中，在240 m高程拆除平臺(tái)和5號(hào)、44號(hào)壩段拆除側(cè)面上，壩體縱縫清晰可見(jiàn)，如圖3所示，在較高高程部位，縱縫有張開(kāi)跡象，高程較低部位，未見(jiàn)縱縫明顯張開(kāi)，但可見(jiàn)縱縫內(nèi)無(wú)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(jí)配特性試驗(yàn)研究

2018年～2019年，結(jié)合豐滿(mǎn)老壩的爆破拆除過(guò)程，長(zhǎng)江科學(xué)院通過(guò)對(duì)A塊取芯，粗骨料現(xiàn)場(chǎng)取樣的方法，對(duì)老壩混凝土骨料的級(jí)配狀況、礦物成分和壓碎指標(biāo)進(jìn)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(guò)大、漿體偏少和漿骨分離等問(wèn)題，且施工過(guò)程中混凝土層間結(jié)合面未做鑿毛處理，結(jié)合面性能較差。②在日偽時(shí)期，1943年前建設(shè)階段老壩混凝土的質(zhì)量?jī)?yōu)于后期建設(shè)階段，而同一時(shí)修建的溢流壩段混凝土質(zhì)量?jī)?yōu)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(xì)顆粒含量不足，導(dǎo)致骨料的級(jí)配較差。④部分骨料的強(qiáng)度較低、承載能力較差，在混凝土受壓過(guò)程中易發(fā)生劈裂破壞的現(xiàn)象，對(duì)老壩的結(jié)構(gòu)造成隱患，骨料對(duì)老壩混凝土的影響是永久的，難以通過(guò)服役過(guò)程中的灌漿補(bǔ)強(qiáng)、除險(xiǎn)加固等措施徹底消除。

4 混凝土質(zhì)量后評(píng)價(jià)

4.1 混凝土縫面情況

根據(jù)以往研究結(jié)論、鉆孔芯樣及孔內(nèi)電視觀察，大壩縱縫張開(kāi)，壩體存在貫通的施工縫。現(xiàn)場(chǎng)壩體拆除結(jié)果清楚的顯示出，壩體內(nèi)部縱縫及水平縫大部分開(kāi)裂明顯，彼此聯(lián)通，尤其240 m高程水平縫面在部分壩段已經(jīng)占面積比例達(dá)到90%，嚴(yán)重影響大壩的整體性能。

4.2 混凝土質(zhì)量

既往混凝土芯樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Ⅱ類(lèi)混凝土芯樣占全孔段比例平均值為46.4%，該類(lèi)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(lèi)混凝土存在質(zhì)量缺陷，水泥用量達(dá)不到要求。Ⅲ類(lèi)混凝土芯樣占全孔段比例平均值為24.2%，該類(lèi)芯樣膠結(jié)差，表觀多見(jiàn)蜂窩、空洞、砂漿骨料膠結(jié)差、骨料表面無(wú)或者僅少量砂漿粘結(jié)，芯樣呈碎塊狀，側(cè)面砂漿脫落嚴(yán)重，斷口磨損較明顯，該類(lèi)混凝土屬壩體不良混凝土，分布高程無(wú)明顯界線(xiàn)，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(xiàn)一次，平均是6～7 m壩高出現(xiàn)一次，出現(xiàn)的幾率是很高的，壩體混凝土質(zhì)量極不均勻。

通過(guò)壩體拆除的過(guò)程，鉆孔取芯的結(jié)果得到了驗(yàn)證，老壩的壩體混凝土質(zhì)量缺陷明顯，粗骨料集中，無(wú)膠凝材料膠結(jié)、振搗不密實(shí)及蜂窩空洞等現(xiàn)象在240～245m高程擋水坎立面上就相當(dāng)普遍，大壩整體范圍內(nèi)分布更加廣泛，局部十分密集。骨料表面無(wú)或者僅少量砂漿粘結(jié)也證明壩體滲漏導(dǎo)致的混凝土溶蝕破壞較為嚴(yán)重。

4.3 總體評(píng)價(jià)

以往分析老壩存在的問(wèn)題是通過(guò)鉆孔取芯、聲波等手段，是以點(diǎn)、線(xiàn)資料進(jìn)行評(píng)價(jià)，資料具有局限性。在老壩拆除過(guò)程中，是以面、體資料直觀地、全面地揭示老壩混凝土的質(zhì)量缺陷，證實(shí)了前期的判斷，且實(shí)際老壩混凝土質(zhì)量缺陷比前期論證階段掌握的情況更為嚴(yán)重，諸多固有缺陷無(wú)法通過(guò)后期補(bǔ)強(qiáng)加固徹底消除，安全隱患突出。

新建的豐滿(mǎn)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(qiáng)度及抗?jié)B、抗凍耐久性相對(duì)老壩明顯提高；斷層壩段抗滑穩(wěn)定性符合規(guī)范要求；電站的裝機(jī)由原來(lái)的1 002.5 MW提高至1 480 MW，提高了調(diào)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(cái)產(chǎn)和國(guó)家重要商品糧基地的防洪安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

豐滿(mǎn)水電站被譽(yù)為我國(guó)的“水電之母”，為我國(guó)的水電事業(yè)作出了卓越貢獻(xiàn)，豐滿(mǎn)老壩始建于20世紀(jì)30年代，在運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)80年后退出服役。在豐滿(mǎn)老壩拆除過(guò)程中，全面地揭示了老壩混凝土的質(zhì)量缺陷，前期對(duì)于老壩缺陷的判斷得到了證實(shí)，有爭(zhēng)議的問(wèn)題找到了答案，事實(shí)證明前期判斷是客觀、科學(xué)、合理的。豐滿(mǎn)老壩可靠性水平低，抵御風(fēng)險(xiǎn)能力差，與我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平對(duì)工程安全的要求不相適應(yīng)，鑒于豐滿(mǎn)水電站在流域和地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)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(dá)到了“徹底解決、不留后患”的全面治理目標(biāo)，保障了松花江流域的防洪安全。