水丰水电站大坝运行情况及安全评价

宋恩来

（辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳110006）

0 概述

鸭绿江发源于长白山天池南麓，全长800 km，流域面积64471 km2。水丰水电站位于鸭绿江干流下游，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。

电站于1937年10月动工修建，1941年3月开始蓄水，同年8月第一台机组发电，1944年大坝建成。电站设计和施工存在一些问题，苏军拆走电站机组和放流不当冲毁了备用溢洪道（副坝），加上美机轰炸，电站遭到严重破坏，不能正常安全运行。

1955年4月17日，中朝两国政府本着友好合作、平等互利、互相尊重领土主权的原则，为发展鸭绿江水力发电事业，实现两国经济建设的共同愿望，签订了《关于鸭绿江水丰水力发电厂的协定》，协定中规定：两国政府同意设置“中朝鸭绿江水丰水力发电公司”，共同经营水丰发电厂。公司工作人员的配备和日常业务的管理，双方同意由朝方负责。同年5月7日，中朝两国政府签订了《关于中朝鸭绿江水丰水力发电公司的议定书》。根据议定书的规定，对电站进行恢复改建，1958年恢复改建工程竣工。恢复改建后装机7台，单机容量90 MW，总装机容量630 MW，设计多年平均发电量40.0亿kW·h。

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。

大坝为混凝土重力坝，最大坝高106.4 m，坝顶高程126.4 m，正常高水位122.5m（1965年经中朝鸭绿江水力发电公司理事会批准抬高到123.3m），死水位95.0 m。坝顶长899.5 m，共分60个坝段，16～22号坝段为取水发电坝段，24～49号坝段为溢流坝段（共26个溢流孔），右岸55～59号坝段设有5孔放木筏道（现已封堵不用），其它为左右岸挡水坝段。

大坝基础为变质石英岩和片麻岩，属于有火成岩层状岩墙、岩脉侵入的寒武纪变质片麻岩发育的地区。坝基一般都是相当完整而坚固的轻微风化岩石，虽然有个别构造破碎带软弱带存在，但整个地段的岩石完全可以作为大坝的稳定基础。

1 大坝初期运行

因为急于发电，1941年3月初大坝尚未建成即开始蓄水，8月3日关闭了全部导流底孔（共6孔）。1941年8月26日1号机组开始发电。

蓄水运行后即遇到丰水年，1942年7月24日～9月26日，由于长时期溢流，最大洪峰流量达到20480 m3/s，施工栈桥中间部位被洪水冲坏，溢流面有一定程度破损，大坝下游部分也被冲坏。因气温关系，当年不能修复溢流坝面，1943年才进行修复。

1943年溢流坝闸墩完成后，闸门尚未安装，于7月发生洪水，7月27日～10月10日溢流。为了拦洪蓄水发电，在溢流堰顶上设置了临时迭梁。

1943年8月水位达到118.18 m，接近正常高水位122.5 m。发电初期，因溢流闸门没有安装，库水经溢流坝堰顶泄流，雾化比较严重。大坝因洪水损失混凝土7478 m3。

1.1 设计和施工存在的问题

（1）泄洪能力不够

原设计采用的最大设计洪水流量为41000 m3/s，是根据1926～1938年实测最大流量乘1.5倍而得。恢复改建时采用频率法计算洪水，经洪水复核发现原设计泄洪能力不够，按重现期1000a洪水41000 m3/s设计，重现期10000 a洪水59000 m3/s校核。

（2）混凝土质量差

设计时对坝体混凝土没有规定抗渗、抗冻和抗压强度等指标，只给出了水泥用量分区，而且使用的水泥标号偏低（低于250号水泥）。

施工时混凝土没有按设计配合比施工，骨料杂质含量高；振捣不好，水泥与骨料结合不良，出现了蜂窝狗洞；温度控制不够，未采取人工冷却措施，浇筑块裂缝多；冬季施工时没有做好保温措施，部分坝块受冻等。施工技术差，浇筑溢流面混凝土也没有采用真空作业法。

坝内混凝土取样试验表明，其抗冻标号很低，17个抗冻试件中有50%冻融75次就被破坏；抗压强度只达到160 kg/cm2，可见，实际混凝土标号低、施工质量差。

1.2 溢流坝溢流面与消力池破坏

溢流坝采用挑流消能，设长50 m的护坦，护坦板厚1.5～7.0 m，最厚为鼻坎处11.0 m。其尾端鼻坎高2.2 m，鼻坎与水平面夹角22°30′。

1946年、1947年泄洪时，最大泄洪流量分别为12204 m3/s、9828 m3/s。两次泄洪后，虽泄洪流量远小于设计的最大流量，但溢流面及消力池均发生了破坏。溢流面破坏面积达70%，破坏深度最大为2.4 m；消力池破坏深度在10 cm以上的部位就有200多处，总破坏面积达13000 m2，破坏平均深度达15 cm。1946年泄洪时，消力池混凝土和基岩被冲走16926 m3，破坏深度最大为3.6 m，1947年泄洪时，被冲走4223 m3，冲刷成的漏斗深4.8 m；两次共冲走21185 m3，相当于消力池全部混凝土的1/3。

溢流面与护坦破坏之后，对大坝安全威胁很大，不得不采取了补救措施。

1.3 混凝土表面冻融破损严重

电站地处寒冷地区，多年平均气温7℃，最高气温为34.3℃，最低气温为-28℃。由于大坝坝轴线方向为NW30°，下游坝面朝南，白天阳光直射坝面，每年冻融次数达100次左右。因此，大坝只运行了3～4 a就开始出现冻融破坏现象。

由于设计未考虑冻融，加上混凝土质量低劣，蜂窝狗洞较多，坝体漏水，整个溢流面和消力池破损严重。从几年现场调查得知，破损逐年加剧，其破损情况见表1。

表1 水丰大坝溢流面及消力池冻融破坏情况Table 1:Freeze-thaw occurred at overflow surface and stilling basin of Shuifeng dam

1.4 大坝漏水严重

大坝混凝土有的部位质量差，经钻孔发现，坝内有孔洞，漏水也比较严重。坝体廊道内到处流水。经灌浆后，情况有所好转，1953年1月6日（水位115.86 m）日平均漏水量为196.0 L/s，当年10月5日（水位116.37m）日平均漏水量达272.0 L/s。

同时发现大坝伸缩缝和水平施工缝漏水，经查是伸缩缝止水片封闭不好、施工缝的结合不紧密及混凝土局部有蜂窝狗洞所致。

1.5 大坝扬压力偏大

根据地质条件，大坝防渗帷幕孔深为10～35m，孔距3m，以锯齿形布置；一排孔距大坝中心线1.0m，另一排在第一排孔后2.5 m。灌浆采用的压力为1.0～3.0 MPa。

当时测得的扬压力系数，坝体与岩石接触部分为0.24～0.69，基岩内部为0.19～0.54。运行初期帷幕破坏比较严重的坝段是39～46号坝段。远远超过扬压力系数控制值0.25。

1.6 上游面剥蚀

大坝上游面高程105.0～117.0 m的部分被冻融而剥蚀。由于大坝本身的横缝和混凝土渗水严重，降低了混凝土的耐久性。

左岸挡水坝段死水位95 m高程以下的部位有严重的孔洞形态剥蚀，上游面其他部位的剥蚀也有较深的地方，有的地方可看到裸露钢筋。右岸挡水坝段的剥蚀情况与左岸相似，有的地方也较深，也可看到裸露的钢筋。

1.7 战争破坏

1950年朝鲜战争爆发，美国对水丰电站进行了三次大规模的轰炸，尤其是1952年10月23日进行疯狂连续的轰炸，电站遭到很大的破坏。大坝被炸出弹坑20多个,弹坑深达0.5～3.0 m，最大弹坑被炸掉的混凝土量达188 m3，弹坑总方量为913 m3，受影响的混凝土量共9200 m3。左岸挡水坝段破坏更为严重，厂房坝段的2号和6号进水口处，因遭炸弹破坏，不仅可看到钢筋，混凝土也被炸飞1 m深，有的地方炸坑混凝土达7 m3。

2 大坝恢复改建

根据中朝两国政府议定书的规定，并依据前苏联列宁格勒设计院所做的“101”设计对大坝进行了恢复改建。

2.1 恢复改建标准

电站为一等工程，大坝为Ⅰ级建筑物，按重现期1000 a洪水设计，相应洪水位127.4 m，按重现期10000 a洪水校核，相应洪水位130.45 m。正常高水位122.5 m，死水位95.0 m。

恢复改造中，首先进行了洪水和地质复核，将坝址区地震烈度定为7度，由于大坝为Ⅰ级建筑物加1度，因是界河电站又提高1度，其大坝设计烈度选为9度。

2.2 恢复改建项目及主要工程量

恢复改建主要项目：（1）消力池结构改造，消力池底板加厚2～5 m，表面设钢筋网，鼻坎处设三角形分水消力墩，并延长了发电厂房段的导流边墙；（2）溢流面加厚，在溢流段下游面浇筑了1.5 m厚钢筋混凝土；（3）大坝下游面浇筑一层抗冻性混凝土或用喷射混凝土进行补强；（4）挡水坝段坝顶加高挡水墙，由原1.5 m加高到4.6 m；（5）坝体和坝基防渗帷幕水泥灌浆；（6）增设坝基坝体排水孔。主要工程量见表2。

2.2.1 消力池补强与改建

为了加固和改建消力池，专门做了水工模型试验。在原消力池结构上浇筑了2～5 m厚的补强混凝土，并配置钢筋网（ϕ20，间距30 cm）。反弧半径加长至32.7 m，并在护坦末端设三角形分水墩，墩高6.0 m，长18.0 m，在护坦上共设有16个三角形分水挑流墩，并延长了发电厂房部分的导流墙。

2.2.2 溢流段上下游面补强

补强范围：溢流段上游面104.2 m高程以上部分到溢流段下游面的所有范围。为使溢流面在泄洪时不再发生破坏，并修复成原来的溢流曲线状态，将原混凝土挖深80 cm，铺设钢筋网（ϕ25间距30 cm）。为了保证与原混凝土的整体性，每1 m2插钢筋1根（ϕ25），插入原混凝土深度为1.0m；然后浇筑1.5m厚的新混凝土。混凝土设计标号为R28=250号D200，掺入加气剂，并采用真空作业。混凝土施工浇筑分块是在大坝原有的横缝、纵缝处进行分层分块，浇筑块尺寸大致为10 m×10 m。

表2 恢复改建主要工程量表Table 2:Main engineering quantity of rehabilitation and innovation

2.2.3坝基、坝体水泥灌浆

（1）坝基帷幕灌浆

坝基防渗帷幕补强规定帷幕深度达到相对不透水层，要求帷幕线上岩石的单位吸水率ω＝0.01 L/min·m·m以下；灌浆压力规定为2.5～3.0 MPa，灌浆段长为5 m左右。帷幕孔垂直钻设。计划坝基帷幕灌浆孔6000 m，实际完成7819 m。

（2）坝体防渗灌浆

以防止坝体混凝土渗水。在高程35 m、55 m、70 m各检查廊道和大坝顶上一部分进行帷幕灌浆工程。

1957年在坝顶和上部廊道对7～27号坝段坝体进行水泥灌浆，1958年对坝段伸缩缝周围及右岸挡水坝段进行水泥灌浆。

计划坝体灌浆35700 m，实际完成21348 m。

2.2.4 增设坝基、坝体排水孔

为减小渗透压力及防止溢流面冻融，在坝基坝体做防渗帷幕后，还设置了排水孔，并在溢流坝段设置三层排水廊道。

（1）坝基及坝体排水

坝基排水孔设置：排水孔倾向下游30°～45°，孔径85 mm，孔底标高为5.00 m；在发电厂区，利用厂房上游的4号检查廊道（36.5 m高程）钻设倾向上游25°的排水孔，孔底标高为10.00 m；在溢流段护坦上也钻设排水孔，孔底标高也为10.00 m。

坝体防渗帷幕形成后，在其后钻设排水孔，从坝顶钻到上部廊道，又从上部廊道钻到下部廊道。

坝基排水孔计划钻设5400 m，实际完成3614 m；坝体排水孔计划钻设28100 m，实际完成量不详。

（2）溢流段的排水

在溢流坝段靠下游坝面设有三层排水廊道，高程分别为87.5 m、47.5 m和31.0 m。在廊道内每个坝段又钻设了排水孔系统，使坝体内渗漏水从排水系统排出，从而保持大部分溢流面混凝土干燥，减少了溢流面混凝土冻融和冻胀破坏的机会，这样就减少了裂缝，增加了溢流面混凝土的耐久性。

2.2.5 挡水坝段坝顶加高挡水墙

原坝顶高程126.4 m，按复核后的设计洪水位127.4 m，校核洪水位130.45 m，坝顶高程显然不够。为提高大坝防洪标准，将挡水坝段坝顶挡水墙加高。挡水墙为钢筋混凝土墙，墙顶高程131.0 m，墙高4.6 m，墙底厚1.6 m，顶部厚0.6 m，墙内上、下游侧配有钢筋网。为使上游面与挡水墙连接牢固，将上游面补强钢筋与防护墙受力钢筋连成整体。

2.2.6 挡水坝段下游面补强

检查发现，左右岸挡水坝段下游面混凝土出现溶蚀和冻融破坏，表面混凝土大面积脱落。另外，因战争破坏的弹坑方量达913 m3，受影响混凝土量共9200 m3。加固方法：对下游面的下半部分用混凝土预制模板浇筑了抗冻混凝土，对上半部分用喷射法进行了补强。

3 大坝监测与维修

为监测大坝运行情况，设置了水平位移、垂直位移、裂缝、扬压力、漏水等监测设备。

3.1 大坝安全监测

3.1.1 大坝变形

（1）水平位移

水平位移采用视准线法，仪器为D30经纬仪（放大倍率38X），每个坝段设1点。每年观测2次，即汛前及汛后各1次。

1997年前，变幅在18～25 mm，1997～2005年期间无特异变化。历史上监测的最大差值为4 mm。

（2）垂直位移

垂直位移监测采用精密水准法，仪器为Ni007。坝顶每坝段设1个测点，挑流鼻坎处的三角消力墩上各设1个测点，左右岸各设1个基准点。

1997～2005年观测表明：垂直位移变化最大的是5号坝段，坝顶为+11.9 mm（1999年），以后无特异变化，均在±5 mm以内变动。

（3）大坝接缝

在高程35 m、55 m和70 m廊道内装设三向测缝计，设在18～19号、23～24号、38～39号和50～51号坝段的接缝处，用千分卡尺进行缝变化观测。观测周期为每月1次。

监测结果表明，廊道中的最大变形值出现在高程55 m廊道的38～39号坝段接缝，为-7.4 mm。其它测点在±3 mm以内反复变化，主要受温度影响，温度低则缝开合度大。

3.1.2 大坝渗流

（1）大坝扬压力

11～52号坝段基础廊道内设有纵向扬压力观测孔，一般坝段设1个孔。在15、25、34、43、48号坝段的横向廊道内设横向扬压力观测，观测孔是机钻孔，孔径为ϕ110 mm。

1958年开始监测，每月3次，全年共进行36次。大坝运行初期，扬压力系数较大，大坝恢复改建后，由于对基岩进行了水泥灌浆并设置了排水孔，扬压力系数已降下来，帷幕处为0.10～0.15，排水孔处为0.05～0.10。

1997～2005年期间，平均扬压力系数为0.083，远低于设计值。但发现一部分测孔或测定装置堵塞，测得的扬压力的准确性难以保证。

（2）大坝渗漏量

大坝运行初期，漏水比较严重，坝体廊道内到处流水。经恢复改建和多年的修补与维护，大坝漏水量明显减少。恢复改建前1953年水位116.37 m时漏水量为16320.0 L/min，恢复改建后各年漏水量见表3。

从表3可见，坝体渗水与库水位有关。从漏水部位分析看，从廊道排水孔中漏出的水量占多数，而廊道侧墙上的漏水量极少。

3.2 大坝维修

3.2.1 溢流面及挑流鼻坎维修

1963年和1964年泄洪，挑流鼻坎和下游面遭到冲刷。1965年3～6月，挖除了200 m3混凝土，浇筑了650 m3新混凝土。

1970年因挑流鼻坎被剥蚀，浇筑了180 m3混凝土，维修成原来状态。

1987年也因下游坝面被冲刷，挖除100 m3混凝土，浇筑了180 m3混凝土。

1995年后，每次泄洪后对冲刷部位都进行修补。

3.2.2 挡水坝段及流筏道封堵

（1）右岸上游面的补强

从1964年开始对右岸挡水坝段进行补强工程，共浇筑850 m3混凝土。

表3 水丰大坝渗漏量统计表Table 3:Seepage of Shuifeng dam

1968年在右岸坝段105.00 m高程以上所有部位，布置间距为30 cm、ϕ20 mm钢筋网，并用2.25 m221根、ϕ25 m锚筋固定后浇筑了1.5 m厚的补强混凝土。在布筋前，先挖除破碎的混凝土，露出完整坚硬的混凝土。此间共浇筑了1000 m3混凝土。

（2）左岸挡水坝段上游面补强

对左岸2、6号取水口入口处进行了补强处理。补强时，先挖除破损混凝土之后，利用已裸露的钢筋和锚筋，采用预制混凝土模板浇筑了1 m厚的补强混凝土。

1980～1983年期间，在取水口补强工程中，受上游水位上涨的影响而停工，于1988年恢复施工，全面完成了79～126 m高程之间的取水口上游面补强处理，共浇筑了1500 m3补强混凝土。

（3）流筏道封堵

1964年用混凝土封闭55～59号坝段中预留的流筏道，混凝土浇筑量850 m3。但封闭后发现1、2号筏道漏水严重，对此采取了水泥灌浆止漏措施。

3.2.3 坝体水泥灌浆

1959～1996年，对坝体进行了水泥灌浆，共10872771 m。

大坝经恢复改建和多年的修补与维护（水泥灌浆、上游坝面补修等），大坝漏水量明显减少。

4 大坝安全检查

4.1 大坝安全第一次检查

根据公司理事会第45、46次决议，1994～1997年进行了大坝安全第一次检查，对大坝的设计、施工和运行进行了复核。中朝双方专家的检查结论是：水丰大坝经过多次改建和维修，运行基本正常，大坝是稳定的。为了确保大坝的安全，要对洪水进行复核并进行调洪演算，最后确定设计洪水位及校核洪水位，如复核后的水位高于防浪墙顶部高程,应采取一定的工程措施。双方专家还提出一些意见和建议。

1998年，在理事会第51次会议上批准了水丰大坝安全会议纪要，并决定召开水文专业会议，研究水丰水库的洪水问题。

4.2 大坝安全第二次检查

根据公司理事会第58次会议决议，2006～2007年对大坝安全进行第二次检查。

4.2.1 工程等别与设计标准

水库总库容为149.5亿m3，工程等别为一等，大坝为Ⅰ级建筑物，按重现期1000 a洪水设计，重现期10000 a洪水校核。

4.2.2 地震烈度

在大坝安全第二次检查期间，进行了专门的地震危险性分析。大坝场址地表50 a超越概率为10%的水平向峰值加速度值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。坝址区地震参数的选取，坝址区100 a超越概率2%的地震峰值加速度为0.160 g。

大坝坝址地区地震烈度为7度，大坝为Ⅰ级建筑物，可提高1度，取8度是适当的。其地震烈度低于电站恢复改建标准，偏于安全。

4.2.3 洪水复核

中朝双方专家对洪水进行复核，其结果表明，设计洪水位和校核洪水位均低于挡水墙（防浪墙）顶高程。

4.2.4 泄洪设备安全复核

大坝闸门平均锈蚀深度0.715 mm，平均锈蚀速度0.010 mm/a。闸门面板最大应力虽然小于允许应力，但闸门已使用近70 a，从闸门整体和长期安全考虑，应进行更换。启闭机老化、陈旧、破损等严重，应进行更换，以确保使用时安全可靠。启闭机工作桥老化破损严重。

4.2.5 大坝混凝土

大坝存在一定缺陷。恢复改建时，针对存在的缺陷进行补强加固。运行监测和现场检查表明，大坝可满足安全运行要求。但大坝运行时间较长，混凝土老化现象日趋严重。挡水坝段下游面喷射混凝土层已出现裂缝、脱落、漏水，溢流坝闸墩冻融、冲刷局部破损严重，溢流面每次泄洪后均有局部破损。

4.2.6 溢流面破损

多次泄洪后，溢流面下部及反弧段破坏比较严重。1996年、2004年和2005年大坝泄洪后，下游面和反弧段遭到冲刷破坏，下游面破损面积为525 m2，挑流鼻坎破损面积为279 m2，最大面积为9×13 m2，冲刷深度最大为1.0 m。虽然每次冲刷破坏后均进行了修补，但仍给正常运行带来了不利影响。

4.2.7 大坝监测设施

大坝的监测项目，除大坝缺少坝基变形监测外，相对比较齐全，测点数量也满足要求，但监测设备简陋、陈旧、老化、锈蚀严重，水平位移监测精度低，已不能满足监测要求，监测测次太少，难以掌握大坝的变化规律。扬压力监测设备部分锈蚀、腐烂，有的测孔已堵塞，管路锈漏，测值失真，已难满足监测需要。

4.2.8 大坝安全评价

大坝建基条件、坝体断面设计满足抗滑稳定要求，地震基本烈度经复核为7度，大坝按8度设防是可行的。经“101”设计改建及后续运行维护，坝体原有的施工质量缺陷得到了改善和控制。大坝变形、渗流状态总体正常，经本次大坝安全检查，可以认为大坝运行状态基本正常。目前，大坝表面剥蚀破损等老化现象严重，闸门及启闭设施陈旧、可靠性差，已不能保证安全可靠运行，必须及时对设备进行更换，对缺陷进行补强加固处理，对观测设备进行现代化改造，以保证大坝和下游两岸的安全。

双方专家对大坝存在的问题提出了意见和建议。公司理事会第59次会议批准了有关会议纪要。

5 防洪设施及监测设备改造

对中朝双方专家的评价意见，有关方面十分重视，进行了认真研究，并采取相应措施有计划地分步实施，以确保大坝安全。

根据中朝水力发电公司第60次理事会决议及国家相关方面安排，对水丰水电站防洪设施进行改造。改造后大坝将在提高发电效益、确保鸭绿江流域安全度汛方面发挥重要作用。

5.1 防洪设施改造

溢流坝位于大坝24～49号坝段，共26孔，为开敞式溢流孔，堰顶高程116.0 m，采用挑流消能。每孔闸门为平面定滑轮闸门，闸门孔口尺寸为12.0 m×7.3 m（宽×高），闸门启闭机工作桥顶高程135.5 m，桥上设有3台2×600 kN移动式启闭机操作闸门。

原设备十分老旧，存在严重安全隐患，2009年2月开始对防洪设施进行改造，历时33个月，对大坝溢流闸门及其埋件、启闭设备及其电源等进行了更新改造，并对有关土建部位进行施工。改造后每扇闸门重53 t，启闭机工作桥顶高程为131.5 m，桥上设有3台2×630 kN移动式启闭机。防洪设施改造工程于2011年汛前全部完成并移交使用。

5.2 监测设备改造

改造包括大坝变形和渗流监测。大坝变形：坝顶布置56个测点，1号廊道布置44个测点，3号廊道布置34个测点，在廊道内共设19个测点进行接缝监测。渗流监测：纵向扬压力监测共44个测点；横向扬压力共35个测点。绕坝渗流监测共9个监测孔。

2011年6月，中国南瑞集团公司签约东北电网有限公司与朝鲜合作项目——水丰水电站防洪设施改造工程中的安全监测系统改造工程施工（含设备）项目。■

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