丰满大坝汛期施工临时断面高水位运行状况分析

俞介刚，苏加林，杨成祝

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

丰满大坝1942年水库蓄水,1943年二台主机发电,1944年汛期遇大水,丰满大坝高水位运行。研究表明，丰满大坝A坝块在1944年汛期就可能已经被拉裂破坏。具体情况如下。

1942年11月27日左岸导流底孔用混凝土块、棉被土砂等封堵，水库开始蓄水。

1943年2月15日—20日厂用机2台先后发电，3月25日主1号机发电，5月13日主4号机发电。从围堰开始施工到主1号主机发电，共用工期65个月。

1943年库水位从3月的220 m开始至9月达240.8 m，12月又回至229 m左右，坝体5—9月曾多次溢流，13—15号坝上中孔过水。

1944年混凝土浇筑量降至18.2万m3，主2、主7号机先后发电，因13—15号坝段中孔汛前堵塞，5—10月小洪水从10，12号坝段缺口过流，大汛则从各溢流坝段浇筑面上过水，影响不太大。7月最高库水位达253.79 m。年底A坝块混凝土9—11号坝段一般浇筑到237~240 m高程。18—40号与1—8号坝段均达248 m高程左右，其它坝段均达255~266.25 m高程，B坝块混凝土浇筑大体到221 m高程，但4—7号、29—35号、37号、49—52号等坝段浇筑到237 m高程。C坝块大体为212~221 m，D坝块仅21号、22号坝段钢管予留槽达190 m，8号、33号坝段达200~203 m高程。

1944年要害问题是汛期库水位升得很高，A坝块混凝土也已升得较高，但引水坝段和部分挡水坝段的B坝块混凝土只浇筑至221m高程。高水位时这些坝段发生了问题。

1945年大坝混凝土浇筑，到前苏军8月18日进驻后停工，年浇筑混凝土量仅5.5万m3。1945年7—8月坝体溢流，最高库水位255.05 m。大坝浇筑面貌为：A坝块1—8号坝段266.25 m，9—19号坝段258.5~260 m，20—40号坝段 255 m±，41—46号坝段 263.5 m±，47—55号坝段266.25 m，B坝块237B栈桥全部形成，便16—28号坝段除溢流坝的桥墩外，大部分坝段只浇筑到225~230 m高程，

1 丰满大坝混凝土浇筑进度与水库蓄水概况

丰满大坝1937年11月开始修筑右岸围堰，1937年12月开始右岸坝基开挖，1938年继续开挖右岸坝基，并浇筑右岸20—25号坝段基础混凝土。1939年修筑202 m高程的上下游门机栈桥，1939年形成右岸导流底孔。

1939年10月开始修筑左岸围堰，并在1940年6月在16号坝段位置形成混凝土纵向支埝，使江水在20—16号坝段间河床下泄。并同时修筑10—14号坝段的左岸导流底孔。6月将右岸导流底孔封堵。1938年利用右岸江边小拌和楼浇筑混凝土3万m3。1939年浇筑混凝土11.1万m3。

1940年混凝土大拌和楼正式生产，使用上下游202栈桥浇筑全部坝基混凝土和221C栈桥(221为高程，“C”为在C坝块)，至年底共浇筑混凝土20.4万m3。至1940年年底，8号、17号、18号坝段 A 块、B 块，19—34号坝段 A，B，C，D 坝块，35—38号坝段 A，B，C，39—43号坝段 C，D 坝块等基础混凝土均已浇完。

1941年开始使用221C栈桥大规模浇筑基础部位以上各坝块混凝土。年浇筑量29万m3。江水小流量时在左岸导流底孔泄流，洪水时由溢流坝块上漫溢。

1942年使用221C门机栈桥大规模浇筑混凝土达50.9万m3。输水钢管、旁通管、闸门启闭机等大体也安完，但在23—26号坝段的C坝块钢管未安完，预留了4个宽7 m，长约4~8 m，高3~10 m的预留孔洞后，浇筑218—220 m混凝土，以形成221C栈桥，此预留孔洞混凝土于1950年回填。通过桥墩支高才形成237B栈桥。一部分坝段浇筑了“紧急混凝土”；C坝块，9号、11—13号坝段浇筑至 235 m±，33—35号、37号、44号坝段，浇至 205~214 m，其它 6—49号坝段大致为221 m，D坝块21—22号坝段钢管预留槽190 m±，33号、204 m，其它的已完成。

2 1944年7月丰满大坝浇筑施工断面及其应力计算

1942年11月17日丰满坝左岸导流底孔下闸水库蓄水，1943年3月25日主机1号机发电，5月4日主2号机发电，库水位从3月的220 m升至9月的240.8 m。

1944年坝体A坝块已上升得很高，其中18—40号坝段、1—8号坝段均达248 m左右，有的坝段甚至达255~266.25 m；而B坝块混凝土浇筑高程只到221 m，1944年遇到大水，7月份库水位达253.79 m，高出B坝块浇筑高程达32.79 m，故这时有的坝段的A坝块结构的稳定和应力受到了考验。

就1944年7月的浇筑坝剖面在高水位253.79 m作用下其稳定和应力进行复核计算。共复核两个坝段。

1）38号坝段应力稳定复核计算。

38号坝段1944年7月混凝土浇筑断面描述如下：A坝块1944年7月前已浇筑至251 m高程，混凝土标号上部为C5，下部为C10，B坝块1944年7月1日前混凝土浇筑高程为221.0 m。见图1，图中注明了各混凝土浇筑块的浇筑时间，当时库水位253.79 m。

图1 38号坝段1944年7月施工断面图

复核断面为A坝块221 m高程处的断面，该处混凝土截面厚为15 m(包括A坝块9 m厚和其上下游加宽部分6 m厚)，混凝土柱体高30 m。221 m处A块混凝土参数：容重 2.4 t/m3，抗剪断参数 f ′=0.85，C′=6 kg/m2。同时计算221m高程处A坝块的渗透压力，渗压力计算为上游坝面取全水头，下游坝面为零，中间直线变化。

A坝块沿221 m高程基础面的抗滑稳定系数和上、下游面的垂直应力的计算公式：

抗滑稳定按刚体平衡公式：

垂直正应力按材料力学计算公式：

式中：G——法向力；f′——Z21m断面混凝土间摩擦系数，取0.85；c′——221 m断面混凝土粘着力，取6 kg/cm2；A——计算坝基面截面积；H——水平作用力；J——坝基面截面积对形心轴的惯性矩，其中h为坝基面截面上边线对形心轴距离，b为坝基面宽度；m——荷载对坝基面形心轴力矩。

计算结果如下：

①抗滑稳定安全系数Kc=2.4，这个结果虽不能满足规范要求，但在施工短期内，还能维持抗滑稳定。

②坝上游面垂直应力为拉应力σ1＝-12.45 kg/cm2，即上游面在高水位作用下出现较大的拉应力。下游面σ2＝19.5 kg/cm2，为较大的压应力。

现行钢筋混凝土规范规定，对于混凝土结构设计拉应力，对C10混凝土为8 kg/cm2，但还应考虑强度安全系数2.8。据此可以认为混凝土结构采用的允许拉应力是很小的，而38号坝段221 m高程断面处达到12.7 km/cm2的拉应力肯定是不允许的。

另据DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》规定，当用有限元法计算坝基(坝体)上游坝面或坝踵拉应力时，当计及扬压力，其拉应力区宽度宜小于坝底度宽的0.07倍。38号坝段A坝块在253.79 m水位的水压力作用下，221 m截面的拉应力区宽度深达6.0 m，拉应力分布深度为坝底宽度的0.39倍。所以可以认为38号坝段221 m高程A坝块混凝土在1944年7月的大水作用下就可能已经拉裂。

2）23号坝段1944年7月混凝土浇筑施工临时断面稳定及应力计算。

施工剖面形状描述：A坝块于1944年6月混凝土已浇筑到254.0 m高程，该块混凝土是用子块A′和A"分别浇筑的，混凝土标号C5，其下部混凝土标号C10，B坝块有一部分混凝土已浇至226 m高程。现复核226m高程的A坝块混凝土稳定及应力。

混凝土计算参数及上游库水位与38号坝段同。23号坝段226 m高程以上A坝块的宽度为12 m，其中9 m为A坝块本体宽，2m为门槽宽，1m为门槽前混凝土体厚度。不考虑操作伐廊道对计算断面的影响。

计算公式同38号坝段。计算结果如下：

①抗滑稳定安全系数Kc=2.8。

②226 m高程A坝块上游面垂直拉应力σ1＝-12 kg/cm2。下游面垂直应力为压应力σ2＝20.2 kg/cm2。上游拉应力分布深度4.7 m，占整个受力断面的38%。说明上游面垂直拉应力不仅很大，而且拉应力分布深度很深。可以认为该处坝上游面混凝土已经拉裂。

从复核结果看，丰满大坝在渡1944年7月大汛时，水位达253.79 m，有一部分坝段上游面混凝土已经被拉裂。

关于这个结论，另外还有两个材料也可以证明。

1）从1948年摄影的临时挡水断面照片看，下游面221 m和237 m高程，很多地方结冰，说明A坝块该高程多处漏水。

从1948年3月摄的照片看，在A坝块下游侧的B坝块上垒起了很多块“紧急混凝土”支撑着A块。说明当时人们已都知道了A坝块不安全。

2）2009年中国水电顾问集团华东勘测设计研究院在丰满坝顶上的钻孔资料。有12个坝段每个坝段A坝块上各钻二个垂直孔。其中有5个坝段一个坝段的两个钻孔在同一高程都有水平裂隙，即水平裂缝在一个坝段同一高程是连通的。这样的坝段数占了42%。这说明A坝块有连通水平裂缝的坝段不在少数。

3 1945年8月大坝施工断面稳定和应力计算

1）38号坝段施工断面稳定和应力计算

1945年7月A坝块浇筑高程260 m。B坝块浇筑工程233 m，是1945年7月浇筑完该块混凝土的。1945年8月库水位上升到255.05 m，最不利的断面为A坝块233 m断面。复核结果如下：A坝块233 m断面抗滑稳定安全系数Kc=3.6，233 m断面A坝块在库水位255.05 m时，上游面垂直拉应力为3.33 kg/cm2，拉应力分布深度2.5 m，占坝底宽度的23%，A坝块下游面垂直压应力12.47 kg/cm2。计算说明38号坝段A块上游面233.6 m高程在汛期也产生了拉应力。该处混凝土标号为C5，设计拉应力很小，水平施工缝又结合不好，故该断面混凝土当时也可能裂开。

2）23号坝段1945年7月浇筑断面236 m高程应力计算。

236 m高程A坝块厚度12 m，其中有3 m厚混凝土为门槽宽度和门槽外侧混凝土墙厚度。B坝块已浇筑厚度为3 m，同样用前述计算公式，算得236 m高程处A块抗滑稳定安全系数Kc=4.1，上游面垂直拉应力为1 kg/cm2，拉应力深度1.7 m，下游面垂直压应力6.4 kg/cm2。压应力的分布深度为10.3 m，拉应力较小。

4 结语

总的说，1945年7月的施工断面比1944年的临时坝剖面应力有改善，但当遭遇到1945年8月的洪水时，上游面仍有拉应力。裂缝处于张拉状态，水将从裂缝处进入，所以下游坝面仍是漏水和下游面冬季仍是挂冰。而且在1945—1950年间，坝体施工进展滞缓，坝体在冻融及挡水过程中，坝体裂缝将进一步发展，坝体混凝土将进一步被破坏。

由此得出的结论是丰满大坝在1944年，1945年施工临时断面高水位运行时就已经破坏了坝体结构。