在役混凝土坝耐久性研探

邢林生，周建波

（国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014）

0 引言

我国在1949年以后建造了大量混凝土坝，目前已建和在建混凝土坝数量，以及在建混凝土坝高度皆居世界首位。混凝土坝是我国大、中型水电站大坝的主要坝型，约占总数的3/4。1949～1970年蓄水运行的大、中型水电站混凝土坝，至今坝龄已超过40 a，随着岁月的流逝，这些大坝经历着逐渐老化的过程，其运行状况、耐久性能是人们关注的重要课题。本文通过工程运行实例分析，对影响混凝土坝耐久性的主要因素、影响机理、危害程度进行研究，进一步探讨保持或恢复大坝承载能力和使用功能的有效措施，以期为延长混凝土坝正常使用寿命，得出一些规律性认识。

1 在役运行概况

表1为1954～1970年首次蓄水的25座混凝土坝运行中发生的重要事件。在这25座大坝中，重力坝（含宽缝重力坝、空腹重力坝）有13座，拱坝（含重力拱坝）有5座，支墩坝（连拱坝、大头坝、平板坝）有7座；坝高超过70 m的高坝13座，超过100 m的5座，最大坝高147 m；设计总库容超过1亿m3的18座，超过10亿m3的10座，超过100亿m3的2座，最大总库容216.26亿m3；按现行水工建筑物级别划分，1、2、3级建筑物分别为10座、8座和7座。上述统计数据表明，这些大坝代表了我国20世纪50～60年代混凝土坝的建设水平。这些大坝至2011年，坝龄已达41～57年，运行状态都仍属正常，但在漫长的运行过程中，部分大坝曾经发生过影响到承载能力或使用功能的事件，现择其典型事件概述如下。

1.1 地基失稳

表1 25座混凝土坝运行中的重要事件概况Table 1:Statistics of important events of 25 concrete dams in operation

梅山连拱坝1962年右岸基岩裂隙张开和局部错动是大坝地基失稳的典型事件。该坝右侧坝基岩体，由连贯剪切小断层及冷凝收缩节理切割形成大致平行河流方向的长条块状，为库水渗入、裂隙扬压力增加、抗剪强度降低创造了条件。建坝时沿拱及垛上游坝基边缘只做了单排帷幕灌浆，未设排水孔，垛与垛之间的岩石表面用混凝土覆盖封闭。1958年蓄水运行后的几年库水位较低，1962年9月28日首次超过设计正常高水位（125.27 m），达125.56 m，并持续运行约40 d。11月6日凌晨水位回落到124.89 m时，右侧14～16号垛基岩体裂隙有23处出现大量渗漏水[1]，最大达70 L/s，14号垛基一个未堵塞的灌浆孔喷出的水流射程约11 m，同时，13号垛顶2 d内上下游方向位移摆动变幅达11.56 mm，3 d内左右方向位移摆动变幅达58.14 mm。14号垛基11月12日上抬量达14.1 mm，右侧坝垛及拱台出现几十条裂缝，最长达28 m，缝宽6.6 mm，大坝处于危险状态，被迫放空水库进行加固。

1.2 洪水漫过坝顶

修文和佛子岭、磨子潭3座大坝，分别在1963年和1969年发生洪水漫过坝顶事件，漫过防浪墙顶高度分别为0.15 m、1.08 m和0.49 m，漫坝历时分别为2 h、25 h15 min和4 h 48 min。3座大坝洪水漫过坝顶都造成一定损失，其中佛子岭大坝遭受的损失最为严重，该坝漫过坝顶的洪水流量达1 190 m3/s，坝后老厂房被冲毁，新厂房被淹没，坝后河床及两岸基岩冲刷破坏比较严重。坝顶上下游方向水平位移监测资料分析显示，1969年洪水漫坝后不可逆时效位移有0.5～1.0 mm的突变增大，说明大坝刚度遭到了不可恢复的损坏。这3座大坝分别经受住2～25 h的洪水漫坝考验，坝体都未产生明显破损或溃坝失事，实践证明，混凝土坝具有良好的超载能力和抗冲刷破坏能力。

1.3 坝体遭受强震损坏

新丰江单支墩大头坝1959年蓄水运行后，坝区附近频繁发生地震，1960年7月18日库水位90 m时发生一次6度地震，震后将原设计地震烈度由6度提高为8度进行加固。1962年2月19日，库水位110.48 m时，大坝东北约1.1 km处发生6.1级地震，震源深度约5 km，震中烈度为8度，大坝整体经受住了这次强震的考验，没有产生明显的沉陷与位移，但右侧13～17号坝段108 m高程附近产生长达82 m的上下游贯穿性水平向裂缝，库水从裂缝中渗出，左侧2～5号坝段在同一高程也产生不连续水平向裂缝。震后按设计烈度9.5度与正常蓄水位116 m组合进行二期加固，对右侧108 m高程裂缝跨缝做长80 m、宽5 m、厚20 cm的钢筋混凝土板贴于坝面，并埋插钢筋束和灌浆止漏，另外，为在紧急情况下能够迅速降低库水位，在左岸增设一条内径10 m的泄水隧洞。

1.4 产生严重劈头裂缝

柘溪和桓仁两座单支墩大头坝，运行中都产生劈头裂缝，其中柘溪大坝劈头裂缝比较严重，曾一度被确定为险坝。柘溪大坝1962年蓄水运行，1969年6月30日，1号支墩产生劈头裂缝，裂缝面积达2 000 m2，约占大坝横剖面的45%，缝口严重射水；1977年5月16日，2号支墩产生劈头裂缝，缝口射水流量达40 L/s，大坝被确定为险坝并降低水位运行。1980～1985年，经过前堵、后排、空腔回填混凝土等一系列加固处理，1号、2号支墩劈头裂缝合计最大渗漏量降为2.7 L/s，1988年3月摘除险坝帽子，大坝恢复正常蓄水。1998～1999年和2002～2003年，又两次从上游面对1号、2号支墩劈头裂缝进行封堵止漏处理，2004年下游缝口已基本无水渗出。

1.5 坝基严重渗漏

窄巷口水电站以发电为主，安装3台单机15MW的水轮发电机组。1970年蓄水后发现水库严重渗漏，1970年9月29日库水位为1 085 m（设计正常蓄水位为1 092 m）时，渗漏量达到20 m3/s。曾多次放空水库查漏，查清了岩溶性渗漏的范围和渗漏形式，库区渗漏入口主要分布在库首1 250 m范围内。1972年和1980年，曾两次在库内进行堵漏处理，取得了一些防渗效果，1994年5月17日，库水位1 086.5 m时，渗漏量为17.7 m3/s。由于水库长期严重渗漏，致使1台机组不能正常发电。2000年以后，通过一系列勘测、试验和分析研究，基本查清大坝帷幕线上岩溶渗漏部位，目前正在进行帷幕灌浆和堵洞工程施工。

2 影响耐久性因素

混凝土坝的耐久性系指在常规维修条件下，保持其承载和使用功能的能力。以往偏重于筑坝材料方面的耐久性研究，实际上混凝土坝勘察、设计、施工、运行的每一个环节都影响到大坝的耐久性。在役混凝土坝运行生命循环系统如图1所示。以下根据表1及其它一些混凝土坝运行情况，着重对蓄水以后影响耐久性的因素进行分析研究。

图1 在役混凝土坝运行生命循环系统Fig.1 The life cycle of concrete dams in service

2.1 地基劣化

承载混凝土坝全部荷载的地基，其运行状态直接关系到大坝的长期安全稳定。混凝土坝地基一般为岩基，岩基内断层、节理、裂隙等结构面中的充填物，在高压渗流的冲洗作用下，有可能逐渐变质和被带走，形成渗漏通道，使坝基扬压力升高，结构面抗剪强度降低，威胁到大坝的稳定，梅山大坝就曾发生过这类事件。坝踵岩基在水流长期反复冲淘作用下，有可能逐渐被淘空，使坝基承载面积逐渐减小，马迹塘大坝是一个典型案例。该坝为低水头径流式低坝，溢流坝前河床面流速较大，而岩基软弱，抗冲能力低。运行14 a后发现4个坝段坝踵岩基被淘空，向下游最大淘进7.7 m，约占上下游方向坝基长度的1/3，沿坝轴线方向最大淘空5 m，约占坝段宽度的1/2。为了大坝的长期稳定，应在勘察、设计和施工阶段，彻底查清地基的薄弱部位，严格做好地基处理，有针对性地采取堵、排防渗措施。运行实践表明，地基内的薄弱部位性态劣化，通常有一个渐变发展过程，新安江大坝针对坝基软弱页岩，运用勘探、试验等手段及时掌握其性态变化趋势的做法，无疑是十分必要的。

2.2 冲磨空蚀

冲磨和空蚀对于混凝土坝表面的损害属物理性破坏。冲磨是高速水流挟带泥沙砾石的冲刷、撞击和摩擦损害，空蚀是高速水流速度和方向改变而形成空穴作用造成的损害。位于多泥沙河流黄河上的刘家峡大坝，设计阶段坝址多年平均输沙量为8 700万t，约40%的泥沙为硬度高的石英，溢洪道、泄水道、泄洪洞和排沙洞的设计最大流速分别为30 m/s、35 m/s、45 m/s、29.5 m/s。在1989年龙羊峡、刘家峡两库联合调度前，四大泄水建筑物冲磨空蚀破坏比较严重，1975～1989年14 a中共检修27次，累计修补面积18 502 m2。位于大渡河上的龚嘴大坝，河床坡度大，不仅泥沙含量大，并以粗颗粒推移质为主，冲磨空蚀破坏严重，三个冲沙底孔1971～2001年分别运行11 156 h、12 411 h、15 571 h（流速为21～27 m/s）。检修闸门槽以后冲磨空蚀破坏部位，每隔3～5 a即检修一次，分别检修6次、5次和10次。通过多次实践，基本掌握了这2座大坝泥沙冲磨空蚀规律，并运用浮体门从上游面对水深约60 m的泄水孔进行封堵，使遭受严重冲磨空蚀破坏的进水喇叭口至检修闸门槽以前这一段，形成从下游进入的旱地施工条件，为高坝深水下过流孔洞进口段检修积累了宝贵的经验[2]。

2.3 冻融冻胀

混凝土坝冻融冻胀是一种物理性破坏。在温度正负交替的过程中，混凝土较大微孔中的水转变为冰时，体积膨胀9%，产生冻胀压力，并迫使未结冰的孔溶液迁移产生渗透压力，两者形成的疲劳应力超过混凝土抗拉强度时即遭受破坏。正负温度交替变化和有水渗入混凝土中是产生冻融冻胀破坏的两个必要条件。在我国东北、西北和华北地区，多座大坝都遭受到了冻融冻胀破坏，有的比较严重。云峰大坝坝址区多年平均、最低日平均和瞬时最低气温分别为6.2℃、-32.6℃和-41℃，大坝下游面年冻融循环次数135次，1965年蓄水后坝体普遍渗漏。1980年检查，溢流面和挡水坝段下游面冻融冻胀面积分别为11 000 m2和9 217 m2，分别占检查面积的33.6%和23.7%，最大破坏深度分别为50 cm和25 cm；溢流面表层深20～30 cm的混凝土检测强度只有11～13 MPa，远低于设计强度19.6 MPa的要求；表层深30～50 cm混凝土抗冻试验10组试件中，7件仅达F50，最大F100，都达不到设计等级F150的要求。1974～1996年间，该坝受冻胀影响，坝顶不可逆上抬8.4 mm，大坝上部整体性受到削弱。为了防止溢流面遭受泄洪冲刷破坏，进行了补强加固。

2.4 表层碳化

混凝土坝表层碳化是空气中CO2气体沿着不饱和水的混凝土毛细孔渗入，与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成CaCO3的过程，属化学性破坏。其主要危害，一是反应过程混凝土由表及里碱性降低，逐渐使钢筋表面受到高碱性保护的钝化膜因混凝土中性化而失钝破坏，钢筋锈蚀体积膨胀，钢筋断面减小，承载能力降低，并致使混凝土保护层崩落；二是混凝土碳化过程消耗掉一部分粘结成分，体积收缩出现裂纹或小孔洞，减小结构受力断面。珠窝、刘家峡、盐锅峡、黄龙滩、陈村等大坝和厂房的钢筋混凝土梁、板、柱构件以及廊道内壁，都曾因碳化严重，保护层崩落而露筋。古田溪二级平板支墩坝的挡水面板厚度为0.65～2 m，钢筋保护层厚度7.5 cm，运行40 a后，按碳化深度40 mm复核计算，不存在钢筋钝化膜失钝破坏问题，但有效承载面积减少6%～2%，部分面板抗裂承载能力已不能满足要求[3]。混凝土碳化速度受到水灰比、水泥和混合材料的品种、用量、施工质量以及环境条件等诸多因素的影响。实践表明，正确制备的混凝土碳化速度低于1 mm/a[4]。从表2[5]可以看出，20世纪50年代初兴建的佛子岭大坝碳化速度很慢，只有0.081 mm/a，其主要原因是使用单一品种硅酸盐水泥，骨料级配良好，水灰比低，施工工艺符合设计要求，振捣密实，而20世纪50年代中后期至60年代末兴建的大坝，碳化速度大多数超过1 mm/a，最大达到3.394 mm/a。

2.5 渗漏溶蚀

混凝土坝体中水泥水化产物Ca(OH)2随着压力渗漏水不断流失，在渗水出口处与空气中的CO2反应生成白色CaCO3，标志着坝体已遭受溶蚀破坏。溶蚀过程是一个较为复杂的物理化学反应过程。试验表明，当Ca(OH)2溶出（以CaO量计）达25%时，混凝土抗压、抗拉强度将分别下降38.5%和66.4%，同时孔隙率增加，抗渗能力下降，饱和面干吸水率将增大90%；CaO溶出33%时，混凝土变得疏松而失去强度。运行多年的丰满、佛子岭、梅山、新安江、古田溪二级、古田溪三级、陈村等大坝，都存在不同程度的渗漏溶蚀现象，有的甚至相当严重。丰满大坝一度渗漏严重，经过多次治理，1986年坝体渗漏量大幅度下降为119 L/min，溶蚀带出的钙离子仍高达3 516 kg[6]。1993年蓄水运行的水东大坝，坝体渗漏严重，经过处理，1999年平均渗漏量为156 L/min，溶蚀带出的钙离子多达998 kg。在罗湾大坝渗漏溶蚀部位检测，龄期为12 a的混凝土强度只有设计强度的83%，3组共9个抗渗试件中，有2组6个试件抗渗标号仅为W2，远低于设计标号W6。为预防或减轻溶蚀破坏，关键是要提高混凝土密实度和不产生与上游贯穿的裂缝，防止或减少坝体的渗漏。

表2 18座混凝土坝表层碳化速度Table 2:Surface carbonation rate of 18 concrete dams

2.6 硫酸盐侵蚀

混凝土坝的环境水中含有硫酸盐时，受其化学性或物理性破坏是一个突出问题。刘家峡、盐锅峡、八盘峡、纪村等大坝，都曾不同程度地遭受到了硫酸盐的侵蚀破坏。当硫酸盐（Na2SO4）与混凝土中的Ca(OH)2反应生成CaSO4时，产生第一次结晶膨胀，CaSO4又与混凝土中的C3A反应生成硫铝酸钙，产生第二次结晶膨胀，巨大的膨胀应力导致混凝土胀裂、变酥，甚至成粉末状。纪村大坝前池水质受引水渠道中硫铁矿化带影响，在不供水发电时呈强酸性，pH值为3.0左右。1977年蓄水后坝基出现渗漏通道，运行至1981年，建基面混凝土和基岩遭受到物理性和化学性双重破坏，按恶化面积加权平均，摩擦系数已由设计采用值0.4降为0.31[7]。八盘峡坝址区地下水中硫酸根离子含量在2 000 mg/L以上，闸坝段、左坝头和左岸山头处含量分别为4 000 mg/L左右、8 000 mg/L左右和12 300 mg/L。1975年蓄水运行至1985年，基础廊道排水孔附近和排水沟边的混凝土产生胀裂或崩坍，局部用手捏揉即成粉末；1992年钻孔取芯试验和电子显微镜微观检查表明，经过17 a的运行，建基面混凝土与基岩结合较好，强度未降低，微小孔隙内有初始阶段硫酸盐结晶迹象，没有发生类似纪村大坝那样的破坏，这一重要信息说明，在渗漏量微小、不具备自由膨胀空间的条件下，硫酸盐的侵蚀破坏是缓慢而微弱的。

2.7 裂缝

混凝土坝裂缝是材料的不连续现象，是在温度荷载或外荷载作用下产生的常见物理性病害。它不仅可能破坏大坝的整体性，使坝体应力恶化，安全度降低，还可能引起严重的渗漏和溶蚀，影响大坝的挡水、泄洪使用功能。随着运行时间的延长，有的坝裂缝还可能不断增生或扩展，其危害日益严重。珠窝大坝溢流面1969年发现裂缝67条，每个溢流坝段上都有一条上下游方向贯穿整个溢流面的大裂缝，1981年缝宽4 mm，缝深7 m，渗漏量高达6 000 L/min，溢流面被切割损坏，泄洪时有可能大面积毁坏，经大规模处理才消除隐患。体型单薄的佛子岭连拱坝，1954年蓄水运行初期坝体裂缝363条，1965年增加到564条，1995年达856条，大坝整体性受到明显破坏，一些贯穿性裂缝引起严重渗漏和钢筋腐蚀，而三角形裂缝切割形成的块体更有被高压库水顶出的危险[8]。陈村重力拱坝1970年蓄水后长期低水位运行，下游面105 m高程附近水平向裂缝不断扩展，1973～1979年期间，拱冠部位缝宽由1.34 mm扩展为3.19 mm，增大1.85 mm，随后保持运行水位不低于死水位，该裂缝以较慢的速率继续扩展，2007年比1979年增大1.02mm，达4.21mm[9]。对于不断增生或扩展的裂缝，尤其要加强监测和分析，并及时采取有效应对措施。

2.8 水工机械衰损

水工闸门及其启闭设备担负着水电站调节、控制水流的关键任务，是混凝土坝的重要组成部分。由于金属材料特性与混凝土不同，水工机械衰损速度更快，一般运行20 a左右，各种老化现象就会显现出来，如不及时维护，病害将日益严重。梅山大坝自1956年蓄水运行，1999年检测发现泄洪洞工作闸门主材为不合格的沸腾钢，溢洪道闸门启闭时框架产生扭曲变形。1958年蓄水运行的黄坛口大坝，2001年检测发现溢洪道弧门的箱形支撑梁屈服强度下降15%，极限强度下降12%，断面收缩率下降12%，有从塑性向脆性转化的趋势。以礼河二级大坝1958年蓄水运行，2002年检测闸门吊耳板显著变形，主轮锈死，门前淤积严重，无法正常启闭。1959年蓄水运行的古田溪一级大坝，1999年溢洪道弧门支臂腐蚀深度最大达20 mm，腐蚀速度达0.513 mm/a。西津大坝自1961年蓄水运行，1999年检测发现溢洪道闸门贴角钢板焊缝缺陷率达87.8%，部分受力结构是不合格的钢材。石泉、刘家峡、上犹江、乌江渡、安砂、陈村等大坝，水工机械都存在一定缺陷，如闸门水封损坏，轴套硬化咬死，闸门启闭过程中产生射水、振动或伴有尖啸声，有的启闭机长期超载运行。21世纪初开始，许多大坝对水工机械开展全面检修，黄坛口、西津等大坝对闸门逐年进行更换处理。

2.9 水库淤积

水库淤积所带来的负面效应，一是水库调节库容若因淤积减少，这将会影响防洪、发电等效益的发挥；二是坝前淤积超过设计淤积高程后，因淤沙压力增大，可能会影响大坝的稳定；三是大坝水下过流孔洞进口前淤堵，可能会危及到闸门的正常启闭运行。少泥沙河流上的水库淤积速度往往很缓慢。位于风景秀丽植被良好的黄山北麓的陈村水库，运行32 a后，总库容几乎没有变化；位于黄山南麓的新安江水库，运行15 a后总库容仅损失0.1%，而淤积物主要停留在干、支流的水库末端[10]。位于多泥沙河流上的水库淤积速度较快。黄河上的盐锅峡和青铜峡水库，各自蓄水运行3 a和5 a后，总库容分别损失71%和87%，以后渐趋冲淤平衡。刘家峡水库在1968～1988年期间，总库容损失19.6%，年平均淤积速度约为1%，有效库容被淤积8.2%，调节库容减少，泄水建筑物闸门操作因门前淤堵受到干扰，发电机组过流部件磨损严重，威胁到安全度汛和正常发电。1989年龙羊峡、刘家峡两库联合调度后，来沙量减少，并采取低水位拦沙和汛期异重流排沙等有效调度措施，水库年淤积速度明显下降，1989～1998年为0.5%，1999～2006年进一步下降为0.25%。

2.10 其它

洪水漫过坝顶、水库严重渗漏、遭受强烈地震虽是稀遇事件，不是混凝土坝的一般性耐久性问题，可一旦发生，则可能对在役混凝土坝的结构和工程正常使用产生较大影响。规划设计阶段采用的工程防洪标准偏低，随着运行时段的延长，设计洪水加大，以及规划中的上游具有防洪功能的水库未能按时兴建，这些是造成洪水漫过坝顶的重要因素，运行中应及时对大坝防洪标准和泄洪能力进行复核，采取相应处理措施。水库严重渗漏的主要负面效应是影响水电站发电效益的发挥。大坝勘察时，对水库周边尤其是库首附近范围的水文地质条件，需仔细勘探清楚，并认真做好防渗堵漏处理工程。混凝土重力坝和混凝土拱坝的抗震性能较好，2008年汶川大地震时，震中的几座混凝土坝再次证实了这一点。而对于混凝土支墩坝，由于体型单薄或坝体重心较高等特点，需重视其抗震能力复核工作，并注意加固措施的科学性。

3 延长使用寿命措施

随着时间的推移，在役混凝土坝渐趋老化，其使用寿命是一个客观存在的问题。为了延缓混凝土坝衰老进程，延长使用寿命，主要措施一是通过监测、检查和防洪能力、结构稳定及耐久性评价，发现缺陷和隐患，采取工程措施予以消除；二是根据大坝运行性态，适当调整运行方式，避免不利运行工况，减少损害。

3.1 工程措施

长期以来，许多混凝土坝持续开展维修加固工程，以消除重大缺陷、延长使用寿命，发挥有效作用（见表3）。大量维修加固工程实践表明，为了能够达到增强混凝土坝耐久性能的目的，以下三个问题需要加以重视。

3.1.1 及时性

对于混凝土坝的重要老化病害，必须及时治理，否则，病害程度会逐步加重，治理难度不断加大，并可能造成重大损失和影响大坝的安全运行。以下是两个典型事例。体型单薄的佛子岭连拱坝，裂缝是主要老化病害之一，大坝长期受其困扰。1954年蓄水后，1955年、1965年、1969年和1982年多次进行大规模治理，其中1955年和1965年两次放空水库，从上、下游同时进行修补、止漏和加固处理。持续不断地及时治理使裂缝危害得到一定程度的遏制。20世纪末从稳定、强度、刚度等方面进行综合分析评价后认为，该坝经过40多年的运行，大坝总体上尚处于弹性工作状态，对裂缝加固处理后仍可继续挡水运行。位于严寒地区的丰满大坝，溢流面冻融冻胀破坏严重。1980年泄洪时冲毁面积约300 m2，冲走混凝土约40 m3。由于治理方案久议不决，资金渠道不畅等原因，未能及时治理，冻融冻胀破坏日益加重。1986年泄洪时，12～14号溢洪道冲毁面积1 090 m2，冲走混凝土1 920 m3，最大冲坑深达3.3 m。关闭这3孔溢洪道减少泄洪能力2 520 m3/s，直接威胁到大坝防洪安全，致使当年水库控制水位降低2～2.5 m运行[11]，造成重大经济损失，并被迫除险加固抢修。

3.1.2 全面性

在进行混凝土坝重要老化病害治理前，需对其成因、危害以及治理措施可能产生的副作用进行综合研究，拟定出内容全面、针对性强的治理方案。罗湾大坝在治理坝体严重渗漏溶蚀时，经历了一段有启迪意义的过程。该坝为遏制坝体渗漏溶蚀的危害，曾在廊道内对渗水析钙点和裂缝进行灌浆封闭处理，由于未能从源头上阻断库水的入渗通道，仅封闭廊道内的渗水出口，促使压力渗水在坝体内窜扰，处理后不久，其它部位又出现了新的渗漏析钙点和新的裂缝，下游水平浇筑层面渗水析钙现象也越来越严重，坝体遭受到了新的伤害。2006年，该坝排干坝前库水，将上游面沥青混凝土防渗层延伸至坝基面，全面封堵渗水入口，坝体渗漏量比治理前减少了98%左右，取得了比较彻底的治理效果。古田溪二级平板坝的治理方案内容全面，效果显著，不仅从上、下游面对面板进行全面防渗漏溶蚀、防风化侵蚀和防碳化处理，同时增设隔墙将垛墙连接成方格状整体，并在面板后部增设三角形混凝土加重支撑块，使坝体的抗震性能和抗滑稳定得到增强。

表3 25座混凝土坝主要维修加固工程和运行调度措施Table 3:Main rehabilitation works and operation measures of 25 concrete dams

3.1.3 科学性

混凝土坝老化病害治理方案和措施，应经过充分论证，力求科学合理，符合工程具体情况，治理后能够经受长期运行实践的检验。以下是丰满、水丰两座大坝溢洪道加固处理效果的差异情况。这两座坝同为1937年开始兴建，设计要求基本一致，坝型、坝高、坝长相似，运行环境相近。水丰大坝1958年溢洪道加固后，经过多次泄洪运行，只有局部冻融冻胀和冲刷破坏。丰满大坝1987年对溢洪道加固后至2005年，多次检查发现，溢流面多处渗漏析钙和产生多条裂缝，冻融冻胀破坏日益严重。之所以两座坝加固效果相差甚远，主要原因是，丰满大坝上游面结合原防渗层虽已防护到225 m高程，但此高程以下仍是坝体渗水的入口，由于坝体排水系统已基本失效，坝体浸润线居高不下，下游渗水出逸点较高，致使溢流面冻胀开裂，严重影响泄洪安全。水丰大坝加固时高度重视坝体排水，在溢流面后设置3层平行坝轴线的纵向排水廊道，每个坝段均打排水孔将渗水沿排水系统排走，使溢流面基本保持干燥，有效减轻冻融冻胀破坏，加固50多年后仍能正常泄洪运行[12]。

3.2 调整运行方式

一些混凝土坝，通过对水位、温度和泄洪闸门运行方式的调整控制，避免不运行方式的出现，达到有效减轻大坝遭受损害的目的。

3.2.1 水位控制

混凝土坝设计时，已经考虑代表性荷载组合工况，但不可能包括所有的最不利荷载组合。以拱坝为例，通过运行总结或复核计算，努力避免出现不利荷载组合是减少裂缝危害的有效措施。以下是几座拱坝的运行实践情况。1958年蓄水运行的流溪河拱坝，1960年、1963年和1985年，夏季库水位都曾降落到死水位附近或更低，1961年下游面产生水平向裂缝，随后数量逐渐增多，1989年最大缝宽为0.75 mm。复核计算表明，当库水位高于死水位5 m时与温升荷载组合，下游面竖直向拉应力已普遍超过1.2 MPa，最大达1.98 MPa。泉水拱坝1976年蓄水后一直低水位运行，1978年比死水位约低11 m，1980年下游面出现20多条水平向裂缝，按死水位与温升荷载组合复核计算，下游面竖直向拉应力已达1.4 MPa。陈村拱坝1976～1979年内，曾有720 d水位低于死水位，最低比死水位约低10 m，经历了3次长时段低水位高温运行工况，下游面原有的水平向裂缝宽度迅速扩展，缝深达5 m，坝体整体性遭受严重损害。这3座坝为了遏制下游面裂缝的增生和扩展，都拟定出最低运行水位的规定，并在实际运行中认真贯彻执行。

3.2.2 温度控制

一些体型单薄的支墩坝，对于环境温度剧烈变化尤为敏感，较早意识到下游面保温的重要性。古田溪二级、古田溪三级平板坝及湖南镇梯形支墩坝，为了减轻寒潮对坝体的不利影响，减少下游面裂缝的产生，都将冬季及时关闭下游交通廊道门扇列入了运行管理规程。位于东北严寒地区的桓仁单支墩大头坝，1967年蓄水后不久，即采用预制板在支墩间对空腔进行封盖，使坝腔冬季瞬时最低温度高于2℃，有效消除负温对劈头裂缝的不利影响，也避免了冻融的危害。1991年又采用沥青膨胀珍珠岩对封腔盖板进行改造，使坝腔瞬时最低温度高于4℃，进一步提高保温效果。佛子岭连拱坝21世纪初开展大修时，在坝面喷涂5 cm厚聚氨酯保温层，对减轻裂缝危害和防止表层风化侵蚀都有一定效果。观测资料表明，一些拱坝表面喷涂保温层后，也取得了较好的保温效果。托海拱坝保温层正面与背面实测温差达7℃。响水拱坝1989年一次寒潮袭击时，气温骤降至-18℃，而保温板下距坝面3 cm处混凝土温度为-1℃～-3℃，保温效果达15℃～17℃。

3.2.3 闸门控制

混凝土坝泄洪时，若不能妥善解决消能问题，巨大下泄能量可能产生严重冲刷磨损和空蚀破坏。实践表明，泄洪闸门的启闭运行方式是直接关系到消能防冲效果的关键之一。西津、富春江和大化大坝都采用面流型式消能，但投运后下游都未能形成稳定面流，溢流鼻坎、坝趾和下游冲刷破坏严重，其重要原因是，闸门开启方式不当造成下游流态紊乱，这3座坝在补强加固的同时，通过模型试验和现场调试，制定出符合实际情况的闸门启闭程序，使下游流态保持稳定，冲刷破坏程度明显减轻。采用底流消能的华安大坝，1980年蓄水后不久，护坦最大冲深达6 m，右岸长350 m的护岸基础被淘刷破坏，调整闸门启闭方式后，下游流态得到明显改善。1992年和2001年两次抽干积水检查表明，加固后的护坦以及护岸基础基本完好。陈村拱坝是我国第一座采用两侧对冲式消能的工程，1973年曾长时段单独开启右侧闸门泄洪运行，使下游左岸基础遭受冲刷破坏，后坚持对称开启闸门泄洪运行，对冲消能效果良好。

4 结语

（1）20世纪50～60年代兴建的大、中型水电站混凝土坝，运行中遭受到不同程度的老化病害，有的病害程度比较严重，个别曾影响到大坝的安全稳定。这些老化病害是岁月在混凝土坝体上留下的痕迹，其病害程度则与大坝兴建时所处特殊年代密切相关。一方面，当时尚缺少大坝耐久性设计和施工经验，另一方面，20世纪50年代中后期至60年代末，我国正常生产管理体系被打乱，出现许多违背科学规律的边勘测、边设计、边施工“三边”工程，而因物质资金匮乏，被迫减少水泥用量，加大水灰比，随意大量使用不合格掺和料，结果对大坝耐久性产生明显不利影响。全面系统总结这阶段兴建的混凝土坝耐久性问题，从中汲取经验教训，具有重要理论和现实意义。

（2）混凝土坝具有良好的超载和抵御坝顶过流破坏能力。几座曾经发生洪水漫顶的大坝，有的坝体刚度受到一定的削弱，但都未产生明显破损，经受住了较长时段洪水漫顶的考验。对于建基面混凝土和基岩结合良好的大坝，硫酸盐侵蚀对大坝安全稳定的影响是缓慢而微弱的。老化病害对混凝土坝强度的危害一般局限在表层范围，对大坝整体强度并无大的影响。多座大坝检测结果显示，经过40多年的运行，表层混凝土抗压强度相对较低，个别部位甚至已达不到设计要求，但截去表层混凝土后的芯样抗压强度，由于坝体内水泥水化作用的持续进行，呈现出缓慢增大趋势。例如，佛子岭大坝运行41 a后，内部混凝土抗压强度平均比浇筑时提高81%。

（3）混凝土坝长期运行实践表明，地基软弱结构面性态逐步劣化，裂缝破坏支墩坝整体性和引起严重渗漏，碳化对大坝梁、板、柱构件的危害和使平板坝结构承载断面减小，高坝深水下过流孔洞进水口遭受冲磨空蚀破坏，严寒地区冻融冻胀可能引发溢流面被冲毁，严重渗漏溶蚀可能使大坝强度和防渗能力降低，多泥沙河流上水库淤积对防洪度汛带来的不利影响，这些问题需高度重视，对其危害机理和程度应持续不断地进行分析研究，并及时采取必要的应对措施。

（4）经过持续不断的维修加固和科学调度，20世纪50～60年代兴建的大、中型水电站混凝土坝，至今运行状态仍属正常，没有因老化病害使承载能力和使用功能丧失而退出运行的事例，个别老化病害特别严重的大坝，如古田溪三级平板坝，大修改造后已正常挡水运行近10 a[13]。为了延长混凝土坝使用寿命，应及时对其老化病害进行治理，防止病害加重造成重大损失；治理方案需全面考虑，避免对工程产生不利副作用；对治理方案和措施应充分论证，力求科学合理，符合工程具体情况，能够经受长期运行实践的检验。适当调整运行方式，对水位、温度和泄洪闸门启闭方式加以科学调度控制，是防止或减轻大坝耐久性遭受损害的软措施，将其与工程维修加固硬措施有机结合起来，将取得延长大坝使用寿命的显著效果。

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