水丰水电站备用溢洪道安全性分析与评价

宋恩来

（东北电网有限公司，辽宁沈阳 110181）

1 工程概况

水丰水电站位于中朝界河鸭绿江干流下游，距下游丹东市约70 km。电站以发电为主，兼有防洪、灌溉和城镇用水等综合效益。电站总装机容量为630 MW，设计多年平均发电量40.0亿kW·h。电站为中朝两国共有，由朝方负责运行管理。

电站枢纽主要建筑物有：拦河大坝、坝后式厂房、变电站和备用溢洪道（副坝）等。水库总库容149.5亿m3，为不完全多年调节水库。

备用溢洪道布置于右岸，在距大坝上游1.5 km的山涧中，为混凝土重力坝。坝基为易风化的花岗岩和花岗斑岩。堰为整体混凝土板（长17.5 m，首部厚 3.5 m，尾部厚 2.5 m），堰后设有海漫，长 21.7 m，坡度 1∶5， 厚度 0.5 m， 堰顶高程 112.5 m。 坝顶长249.0 m，最大坝高 28.1 m，共 20 个孔，闸门为平板定轮钢闸门，用坝顶上两台滚轮式卷扬机启闭。备用溢洪道工程于1940年3月开工建设，土建部分于1942年11月完成，闸门于1943年6月安装完毕，启闭卷扬机于1944年8月完成。

1946年 7月放流开 7孔闸门（泄流 2800m3／s），短时间放流就造成挑流鼻坎前面混凝土遭受严重冲刷破坏，最长达18 m，最深为70 cm。坝下冲刷深度达18 m，宽度达80 m，使备用溢洪道处于危险状态。放流将峡谷中的风化岩石及其上面的堆积物冲走，共约500万m3，在峡谷口与鸭绿江的汇合处形成一个很大的堆积丘，该堆积丘伸向河中达150～200 m。

1948年挖除50～70 cm被冲刷的混凝土，新浇筑1 m厚混凝土。1949～1950年关闭了备用溢洪道，为使水位保持在128.0 m高程，以木笼和块石30 000 m3来封堵，将原有的闸门都提到木笼的上方，备用溢洪道失去了泄流能力。

2 破坏原因分析

2.1 设计方面

（1）地质勘察不够，未做防护措施

备用溢洪道底部和周边的岩石为花岗岩及花岗斑岩，被各种岩脉切割，并存在很多断层和构造裂隙。岩石易风化，并很快分裂成碎石和角砾，有的地方成为砂砾粘土。修建时，因对基岩及周边地质情况勘探不够，开挖时发现基础岩石很差，原预计基础开挖量为54.12万m3，而实际开挖量达68.23万m3，基础平均开挖深度达19 m，仍未到完整岩石，也没有基础处理，仅在坝趾区灌注水泥105 t。因此1946年泄流时，靠坝体下游的河底冲刷深度达18 m，宽度达80 m。

右岸为完全风化的花岗岩，左岸为稍微坚硬的花岗岩。建设时将左岸开挖成73°的陡坡，未采取任何保护措施，因此投入运行后，曾有约500 m3的砂土崩塌翻越挡墙进入挑流鼻坎，并通过廊道进入坝内。为此将左、右岸的挡墙抬高1 m，提高了廊道入口的挡墙高度。

（2）坝体混凝土没有抗冻性要求

水丰水电站地处寒冷山区，最高气温34.3℃，最低气温-28.0℃，多年平均气温 7.0℃，副坝区冻结深度 0.90～1.0 m，混凝土冻融破坏严重。 设计时，对混凝土没有抗冻性要求。混凝土冻融后，强度降低，泄流时则极易被冲刷破坏。

2.2 施工方面

备用溢洪道工程于1940年开始施工，土建工程于1942年结束，坝体混凝土浇筑量为3.73万m3。冬季施工时没有很好的防寒保温，更没有严格控制施工质量，造成骨料与水泥结合不好，而且还使用了杂质含量大的砂子，混凝土强度不高，加上混凝土未考虑抗冻性，1946年虽然泄流时间很短，但挑流鼻坎前面混凝土仍遭受严重冲刷破坏，其最大破损长度达18 m，最大深度为70 cm。

3 备用溢洪道恢复改建

3.1 恢复改建设计

由于副坝基础地质条件较差、坝体及闸墩混凝土未考虑抗冻性、坝基内灌浆帷幕的质量状况差等问题，恢复改建设计以较深的完整岩石层（在高程约65 m处）作为结构物的基础，提高混凝土的抗冻性，设置防渗帷幕并加强排水。其恢复改建工程主要内容如下。

（1）将坝体表面损坏的混凝土凿去，在上面新浇筑一层抗冻混凝土，混凝土标号为R28200号B4D100。

（2）为减小单宽流量，将溢流堰顶高程由112.5m增高至116.0m。改造堰形，宽度扩大72m。护坦（消力池）设置消力槛，基础建在坚固的岩石上。

（3）为防止基础渗水，对防渗帷幕进行修复，将灌浆幕加深到 20 m， 深入 ω=0.01 L／min·m·m 以下，并将帷幕向两岸延伸。

（4）为了减少岸坡开挖量，用混凝土封闭了1号和20号闸门口，将这两个孔的闸墩改为边墩，并新建边墩上下游挡土墙。

（5）在溢流堰之下设置混凝土陡槽，两侧有边墙，下接反弧段和挑坎，鼻坎高程为105 m。在鼻坎上设棱体式散流挑流设备。在坚硬岩层出露高程较高的地段，陡槽底板的末端设有伸入坚硬岩盘的齿墙，该齿墙基础高程约65 m，底宽9 m，高30 m，基坑上游侧坡度3∶1，用锚筋将深齿墙锚定在岩盘上。

（6）在坝体设置基础检查廊道，为防止渗漏和减小扬压力，在陡槽底板下设置有带式排水设备，而在深齿墙的中部则设置两道排水廊道。

（7）在齿墙下游将涧谷河底加以清理，其首段开挖到90 m高程，其余段到100 m高程，以保证泄流顺畅。

备用溢洪道全长249.0 m，改造后溢流段长213.0 m，共18孔，为敞开式。 闸门尺寸为 9×10 m（宽×高），设平板定轮钢闸门18扇，在高程139.4 m工作桥上设有2台1 100 kN台车启闭机进行操作。闸门全开时悬挂于工作桥上，悬挂点高程136.50 m，每扇闸门重 70 t。堰顶高程 116.0 m，在挑流鼻坎上增设了分水 （消力墩）结构。坝顶高程127.5 m， 防水墙顶高程 131.0 m，坝前地面高程113.8 m。备用溢洪道改造后平、剖面见图1。

图1 水丰备用溢洪道（副坝）恢复改建后平、剖面图Fig.1 Plan and profile of the emergency spillway after rehabilitation

3.2 恢复改建施工

改建工程于1955年开工，由于地质资料不全，工期拖延，1957年5月才开始浇筑混凝土，为使工程按原计划完成，冬季（10月下旬至1958年3月末）仍然施工。冬季施工采用混凝土骨料、砂子和拌和水加热的方法进行，对拌和楼及骨料、混凝土运输过程保温。混凝土在暖棚内浇筑，采取保温模板，用蓄热法养生等一系列施工措施。

水泥为本溪和大连生产的普通硅酸盐水泥。骨料采用人工碎石。砂子采用天然河砂，砂子细度为中粗砂。拌和水为天然河水。塑化剂采用锦州造纸厂生产的亚硫酸纸浆废液，木质磺酸钙含量0.47～0.5 kg／L。

（1）基础加热与清基

在老混凝土或岩石面上浇筑新混凝土前，先将表面10 cm内温度加热至2℃～3℃，并将钢筋、模板上的冰雪融化。在有暖棚时，因基础受冻较轻，用蒸汽管直接在基础面上喷蒸汽。没有暖棚时，将蒸汽排管直接放在基础上，在上面覆盖稻草帘子，加热8～12 h。混凝土浇筑前，采用高压蒸汽或热水对基础面进行一次彻底清洗。

（2）混凝土浇筑

考虑各种温度损失等，确定混凝土出机温度为25℃，混凝土浇筑温度为10℃～15℃。

（3）混凝土养护

为防止混凝土早期受冻，要求混凝土在受冻前需达到临界强度，即28 d强度的50%。

改建工程于1955年开工，1958年底基本完工。主要工程量：混凝土拆除4 409 m3，新浇混凝土98 400 m3，开挖岩石 612345m3，回填岩石 15000m3，岩石拆除33 450 m3，帷幕灌浆钻孔5 600 m，排水孔钻孔1 500 m，锚拉钢筋5 400根，扬压力观测钻孔200 m，金属结构量166 t。

4 备用溢洪道运行

4.1 泄洪情况

水库蓄水运行后，备用溢洪道共开启2次。第一次在1946年7月，共开7孔闸门，下泄流量为2 800 m3／s，泄洪后其破坏情况前面已述，不再重复。

第二次开闸泄洪是1995年8月8～10日，共开4孔闸门，下泄流量2 000 m3／s。泄洪后现场检查认为溢流堰、陡槽及鼻坎等结构物基本上都是完好的，未发生大的破坏，未发现结构物位移、错位或大的裂缝等。但表层混凝土冲刷剥蚀现象还较普遍，剥蚀严重部位大都在消力墩起点到其上游侧10 m范围内的弯曲部位上，已剥蚀冲刷面积接近1 000 m2，占该部位总面积的50%。剥蚀深度一般在5～10 cm之间。

但这次泄洪使下游河床内几十年形成的130多ha耕地和123户民房被水流冲刷得荡然无存，冲毁了备用溢洪道沟口的沿江公路。泄出的洪水和鸭绿江主流相遇后形成涡旋，冲毁了长甸电站的进厂公路。

4.2 安全监测

4.2.1 变形监测

变形监测布置有坝顶水平位移、垂直位移、伸缩缝开合等监测项目。在左岸坝头设有水准点与坐标点。

根据运行单位提供的资料，监测工作在1997～2007年中，监测次数及变化量如下：

坝顶水平位移：观测5次，无异常变化；坝顶垂直位移：观测7次，无异常变化；伸缩缝开合：观测 16次，最大值为＋4.9 mm，出现在1号廊道。

4.2.2 渗流监测

基础扬压力：因测压管腐蚀或损坏，未观测。

渗漏水：左岸混凝土挡土墙有1处渗水点，未见滴水，但有钙质析出。左右岸挡墙与1号和2号廊道内所有裂缝均有白色钙质析出。

位于底层的3号廊道 （底板高程85.52 m），底板上设有排水孔，目的是降低副坝基础的扬压力，但由于坝后下游河床基岩面高程为95 m，河床内常年积水，致使3号廊道长期被水淹没。

5 备用溢洪道工作状态

针对备用溢洪道基础岩石情况、寒冷地区混凝土冻融冻胀破坏及运行时间长等特点，在2007年大坝安全定期检查时，除进行现场检查外，还进行了工程地质勘察、金属结构安全检测、防洪能力复核、地震危险性分析和抗滑稳定及应力复核等工作。

5.1 工程地质及场地地震

5.1.1 工程地质勘察

2007年4～5月，中水东北勘测设计研究有限责任公司工程勘察院对备用溢洪道（副坝）进行了工程地质勘察。其主要结论如下。

副坝位于华北陆台之辽东台背斜内，在北侧2.5 km处，有北东向鸭绿江大断裂通过；该断裂中更新世～晚更新世断裂有过活动，晚更新世以来没有活动迹象。坝基岩石以花岗岩为主，多呈强风化状态，局部呈全风化状态，坝基岩体工程地质类别主要以Ⅳ类为主，夹有Ⅴ类，局部闪长岩岩块为Ⅲ类；坝基岩石与混凝土胶结较差。左坝端混凝土挡墙基础为碎石混合土和全风化花岗岩，岩土层地基承载力满足挡墙对基础的要求；花岗岩基础岩石较破碎，强度低，抗风化能力较弱，混凝土与岩石胶结差；闪长岩基础虽然岩石较完整，强度较高，抗风化能力较强，但混凝土完整性差，风化较重，与岩石胶结不良。右坝端上、下游岩体稳定性均较差，下游侧混凝土与岩石结合面胶结不良，上游侧混凝土与基岩胶结较好。下游冲刷坑基岩裸露，以中粗粒花岗岩为主，其中穿插有花岗斑岩岩脉，节理裂隙较发育，岩石呈全-强风化状态，岩石抗风化能力和抗冲刷能力均较差。本区冻结深度0.90～1.0 m。库水为重碳酸钙钾钠型水，地下水为重碳酸钾钠钙型水，两者对副坝混凝土均无腐蚀性。

5.1.2 场地地震

2007年，辽宁省地震研究所对水丰大坝和副坝进行了地震危险性分析，副坝场址地表50年超越概率10%的水平向峰值加速度推算工程场地基本烈度为7度，未来百年内近场区是一个以中、小震活动为主的弱震区。坝址设计地震动参数：100年超越概率2%的基岩地表水平向峰值加速度为159.5 gal。

5.2 两岸及坝体混凝土

5.2.1 现场检查

（1）两岸岩石风化较严重，风化沙已堆满挡墙（导流墙）后面，有部分已越过挡墙。

（2）左岸挡土墙有1条长约4.0 m的竖向裂缝，并有钙质析出；挡土墙顶有1条长约0.6 m的横向裂缝。右岸挡土墙有1条2.5 m的竖向裂缝，从施工缝上部开裂直达墙顶。

（3）溢流堰面～挑流鼻坎有冻融破坏现象，混凝土局部被冲刷、剥落、露石，一般深度5～10 cm，最深达220 mm。1～17号孔堰上游面普遍存在纵向裂缝，大多数自底面延伸至闸墩底部，其中7个坝段的裂缝与闸墩上的竖向裂缝连通。15号孔有2条水平裂缝。

张永刚说：“智慧建筑专委会今年围绕标准编制、课题研究 、行业活动三大工作重点，陆续进行了许多工作，在标准编制方面：在建筑自动化及控制系统 、建筑节能改造、BIM技术等领域开展了3项国家标准、1项团体标准的编制工作；在课题研究方面：承担了住房城乡建设领域国密算法研究、智能建筑绿色发展、产品标准应用等3项课题与项目；在行业活动方面：围绕绿色智能建筑、绿色智慧社区、智能门锁等行业热点，组织了十余次行业峰会、项目研讨会、实地调研活动。”

（4）闸墩普遍出现混凝土掉块，表面剥蚀，部分闸墩头部横、纵缝错动。高程116～120 m范围破损严重，1～6号坝段破损尤为严重。有11个闸墩立面出现裂缝。

（5）启闭机工作桥有4个桥墩有裂缝。启闭机工作桥面混凝土龟裂、破损严重。

（6）闸门工作桥（卷扬机平台）部分梁端混凝土破损严重，已出现多条剪力方向的裂缝，部分部位已露出钢筋；13号门横梁下破损严重。工作桥顶板破损最大深度达70 mm。闸门工作桥和右岸边坡分离达300 mm。

（7）闸门槽及附近区域未发现空蚀、冲刷、掏空等现象。

（8）1号廊道顶拱漏水处数和漏水量均有增加，拱顶有裂缝，从1号坝段开始，断断续续延伸至17号坝段。2号廊道排水引导装置全部失效，拱顶有裂缝，从1号坝段开始，断断续续延伸至18坝段，2个坝段墙面有裂缝。3号廊道底板高程85.52 m，低于尾水河床基面高程 95.0 m，现 3 号廊道已被水淹没，并与下游贯通。

5.2.2 钻孔检查

中水东北勘测设计研究有限责任公司工程勘察院还对坝体进行了钻孔检查。钻孔布置于溢洪道2号、5号、8号、11号、14号、17号孔中间， 在坝轴线下游2.5 m处。从6个钻孔取芯情况分析，上部0.0～4.0 m左右为后期混凝土，混凝土骨料为人工骨料，其成分主要为闪长岩，次为花岗岩。钻孔取芯较完整，多呈长柱状，见有5～10 mm、10～20 mm、20～40 mm粒组的碎块石，强度较高。4.0 m以下为前期混凝土，混凝土骨料为天然砂砾料，见有5～10 mm、10～20 mm、20～40 mm 粒组的砾石。 钻孔取芯完整性较差，多呈短柱状，局部水泥与骨料分离，强度较低，手可掰碎。

5.3 抗滑稳定与应力

（4）坝趾下游部分尾部岩石高程为95 m，较坝趾高13 m，也高于3号廊道高程，但此处岩石对坝体稳定有利，此处尾岩不宜清除。

5.4 防洪设施检测

2006年，水利部水工金属结构安全监测中心对水丰备用溢洪道金属结构进行了检测，检测项目包括巡视检查、闸门外观、腐蚀状况、结构材料检测、启闭机运行状况检测、闸门和启闭机安全复核计算与分析、闸门及启闭机安全评估与分析等。

5.4.1 闸门

（1）闸门运行63年，已超过IEC（国际电工委员会）的预期寿命25～40年。

（2）闸门主要构件锈蚀严重，主横梁锈损。尤其严重的12号、13号、14号和15号闸门的部分主横梁已经锈穿，边梁局部区域亦已锈穿。

（3）闸门构件之间的联接铆钉存在不同程度的锈蚀甚至锈损，铆钉和螺栓联接大多失效，严重削弱了构件的强度和刚度。

（4）闸门结构复核计算表明，在上游水位126.00m（门顶高程）、闸门作用水头10.00m时，闸门主横梁、边柱的计算应力超过或接近相应的容许应力。

（5）虽然对局部严重锈损处已采用加焊钢板的办法进行补强，但考虑闸门锈蚀严重的部位很多，面积很大，局部的补强加固不能从根本上解决问题，且锈蚀仍在继续发展，闸门主要构件的厚度将不断变小，闸门结构应力将不断变大。

（6）为确保闸门安全运行，根据现场检测成果和复核计算成果综合判断，闸门应报废更新。

5.4.2 启闭机

（1）启闭机安装运行62年，已超过IEC（国际电工委员会）的预期寿命25～40年。

（2）启闭机设备整体状况差，简陋、陈旧、老化现象严重，不能保证启闭机安全可靠运行。

（3）启闭机设备无备品配件，运行维护困难。（4）启闭机供电方式不可靠，存在人身及设备安全隐患。

（5）启闭机线路老化，电气控制装置、制动装置简陋，型式落后，运行操作可靠性差；供电系统无电缆卷筒装置；启闭机无行程控制装置和过负荷保护装置。

（6）滑轮组滑轮处钢丝绳固结端的联接不符合规范要求；电动机的电气参数不能满足安全运行要求。

（7）启闭机无备用电源，不能保证启闭机安全可靠运行。

（8）复核计算成果表明，钢丝绳不能满足安全运行要求，而更换钢丝绳势必要更换卷筒和滑轮组。

（9）考虑到启闭机投运时间长，为确保溢洪道安全行洪，根据现场检测成果和复核计算成果综合判断，启闭机应报废更新。

6 安全性评价

（1）备用溢洪道运行状态基本正常，并经1995年泄洪的考验，泄洪后溢流堰、陡槽和鼻坎等结构物基本完好。

（2）泄洪设施陈旧、老化，已难保证安全可靠运行，必须及时对设备进行更换。鉴于备用溢洪道的重要性，应增设可靠的独立备用电源。

（3）由于运行时间较长，坝面及溢流面剥蚀破损老化现象严重，对其应进行补强加固。

（4）备用溢洪道底部及边坡均为易风化的花岗岩和花岗斑岩，对两岸挡墙应进行彻底检查，并对破损部位进行补强加固。

（5）为了解和掌握备用溢洪道的工作状态和变形规律，及时发现异常，对监测观测设备应进行完善和现代化改造，以确保安全。

（6）对下游冲淤等应进行疏通，使3号廊道积水能够自然排出，使廊道处于正常状态。

[1]潘士明.水丰水电站概述[J].大坝与安全，1998（3）.

[2]邢林生.水丰副坝安全检查概述[J].大坝与安全.1998（3）.

[3]李东升.混凝土冬季施工[M].中国水利水电出版社，2001.