丰满水电站老坝混凝土质量后评价

路振刚，苏加林，汪在芹

(1.国网新源控股有限公司，北京 100761；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；3.长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010)

丰满水电站位于吉林省境内松花江干流上的丰满峡谷口，下游距吉林市16 km，距哈尔滨市609 km。工程为一等大(1)型，是一座以发电为主，兼顾防洪、灌溉、城市及工农业供水、生态环境保护，并具有旅游、水产养殖等效益的水电站。

丰满水电站始建于1937年日伪满时期，1942年蓄水，1943年第1台机组发电。1953年大坝全部建成。混凝土重力坝最大坝高91.7 m，坝顶长1 080 m，浇筑混凝土约191万m3。受当时设计、施工及管理水平的限制，工程建设伊始，就存在着诸多先天性缺陷，虽经多年补强加固和精心维护[1]，但固有缺陷无法彻底消除，安全隐患突出，大坝安全可靠性低，抵抗风险能力差，失事后果严重，影响电站安全可靠运行，对下游人民的生命财产构成威胁。为从根本上解决大坝存在的问题，国家电网公司组织有关专家及科研、设计单位，按照“彻底解决、不留后患、技术可行、经济合理”的原则，对大坝加固及重建等各种技术方案进行科学论证，最终选择“下坝址重建方案”作为丰满大坝全面治理方案[2，3]。

2013年6月15日，丰满重建工程正式开工。2018年12月12日，丰满老坝完成了其历史使命，爆破拆除工作正式启动。丰满老坝共60个坝段，拆除的坝段缺口为6号～43号坝段，长684.0 m，缺口底高程为240.20 m。

表1 施工期试验室机口取样试验结果

1 老坝主要问题回顾

1.1 纵缝开裂

限于工程建设时期的施工手段，老坝坝体采用了柱状分块设计，每个坝段均由3条纵缝将坝体分割为A、B、C、D独立的4个比较窄的柱状块体，并设有子纵缝和子横缝，AB缝在1952年做了灌浆和插钢棒处理，其他缝面均未进行处理，将坝体切割成许多块体。观测资料结果表明，AB缝的开度多年变幅约1～2 mm，BC缝的开度达1～7 mm。根据中国水利水电科学研究院和大连理工大学1997年的分析成果[4]，在只考虑纵缝的情况下，大坝的抗滑稳定安全性进一步降低，应力状况也有所恶化。

1.2 混凝土强度、抗渗、抗冻指标低

丰满老坝混凝土配合比设计不合理。设计时仅对坝体混凝土提出了水泥用量和抗压强度要求，水灰比大，没有抗渗、抗冻要求，混凝土耐久性不满足现行规范要求。混凝土砂砾石骨料级配差，大骨料仅占全部骨料的6%左右，水泥硅酸盐含量23.5%，水泥标号偏低。根据施工期试验室机口取样试验报告单统计结果(见表1)，混凝土水泥用量从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强度(相应保证率为80%)从1941年的95.3 kg/cm2降低到1943年的63.6 kg/cm2。水泥用量逐年减少，混凝土强度逐年降低。根据1989年至1993年的9个钻孔122组试验成果表明，混凝土抗压强度平均值为14.6～50.2 MPa，变异系数达到了0.2～0.56。

1986年对5个坝段5个钻孔进行取样，芯样采取率仅64.3%～75.7%，各孔声波测试低速段占7.61%～39.6%。1991年～1993年日本人钻探13孔，不良混凝土比例2.8%～15.5%，2007年～2008年钻32孔，240 m高程以上不良混凝土约占20%～30%，240 m高程以下不良混凝土占比5%。

1.3 坝体渗漏，混凝土冻融和溶蚀破坏较严重

大坝伸缩缝、水平施工缝、导流中底孔及缺口封堵质量差等都是渗漏水通道，混凝土溶蚀破坏较严重。工程地处严寒地区，由于坝体混凝土低强、抗冻能力差(抗冻等级小于F50)。大坝混凝土普遍冻胀破坏严重。

1.4 34号～36号坝段抗滑稳定不满足规范要求

34号～36号坝段坝基下有一条宽约40 m的F67断层破碎带通过，施工时虽然做了一定深挖，但是大坝还是建在软基上，并没有专门的地基处理。复核计算结果表明34号～36号坝段抗滑稳定不满足规范要求。

1.5 大坝防洪能力不足

工程设计时基础资料严重不足。原设计库容偏大、设计洪水偏小，大坝泄洪能力不足，大坝及厂房防洪标准都不满足现规范要求，对工程及下游安全构成严重威胁。

2 老坝拆除显示的混凝土缺陷

老坝拆除实施后，对坝体混凝土的现场质量调查、取样试验等工作随即展开，坝体内部的混凝土状态逐渐展现。老坝缺口拆除采用控制水库水位、干地分4层钻爆拆除施工方案。历史资料及检测成果显示，老坝浇筑的混凝土质量在1942年前后(约240 m高程)出现明显下降[1]。从现场拆除的6号～43号坝段240 m高程以上混凝土来看，坝体内部的混凝土质量状况较差，之前只能通过钻孔、声波等手段探测的问题直观显现出来。

2.1 骨料集中、振捣不密实

在距迎水面8 m的位置，可以发现如图1所示的混凝土质量缺陷，这些缺陷表现为粗骨料集中、异物充填、骨料胶结差、振捣不密实，该类缺陷普遍存在于各拆除坝段。老坝上游240～245 m高程挡水坎下游立面显示，仅在该高程范围内，粗骨料集中现象就较为普遍，尤其是在27号、28号坝段，大量集中的骨料形成两道长约15 m、宽约0.5 m的条带，其中无胶凝材料填充，可以判断施工时振捣较差或基本没有进行振捣。

图1 部分典型混凝土质量缺陷

2.2 骨料胶结差

丰满老坝坝体实施拆除后，大部分爆破的混凝土渣料中骨料与砂浆分离，骨料呈散粒体状态，如图2所示。有部分骨料间充填后期灌浆的浆液结石，爆后浆液结石呈粉末状态。

图2 部分典型混凝土质量缺陷(杂物充填、无胶凝材料胶结)

2.3 蜂窝、空洞

蜂窝、空洞离散地分布在所有坝段、坝块的不同高程上，坝体不良混凝土的比例较大。出现蜂窝、空洞的主要原因是受到前期混凝土浇筑质量差、钙质流失的影响；另外，大坝蓄水后在长时间的渗透作用下胶凝材料被带出也会造成该缺陷。

2.4 混凝土水平缝面

坝体混凝土裂缝表现为各种较为明显层间裂缝，根据现场的缝面显示，间歇层层间缝面未经过凿毛，层面较为平滑；厚约50～60 cm的浇筑胚层层间也普遍存在层间缝，部分水平缝面充填后期灌浆的浆液，如图3所示，该类缺陷存在于各拆除坝段。

图3 部分典型混凝土质量缺陷(水平缝面及纵缝)

在坝体拆除至240 m高程时，坝体出现了大面积的水平缝面分布(见图4)，水平缝面占拆除坝段整体面积比例38%；尤其在27号、28号、35号～41号坝段，占比接近90%。表明该部位在施工时未进行层面处理，层间结合较差。后期的灌浆处理中，受限于施工条件、灌浆材料、方法等限制，并未根本解决此类问题。水平缝的大面积分布严重影响该部分坝段坝体的安全稳定，坝体内被各种施工缝纵横交叉切割成不同尺寸的砌筑体，致使坝体的整体性能严重恶化。

2.5 混凝土纵缝

拆除过程中，在240 m高程拆除平台和5号、44号坝段拆除侧面上，坝体纵缝清晰可见，如图3所示，在较高高程部位，纵缝有张开迹象，高程较低部位，未见纵缝明显张开，但可见纵缝内无任何处理措施，坝块混凝土分界明显。

图4 240 m高程拆除缺口底板水平缝面分布(阴影部分)

3 混凝土粗骨料级配特性试验研究

2018年～2019年，结合丰满老坝的爆破拆除过程，长江科学院通过对A块取芯，粗骨料现场取样的方法，对老坝混凝土骨料的级配状况、矿物成分和压碎指标进行了研究，成果表明：①老坝混凝土的工作性较差，存在用水量过大、浆体偏少和浆骨分离等问题，且施工过程中混凝土层间结合面未做凿毛处理，结合面性能较差。②在日伪时期，1943年前建设阶段老坝混凝土的质量优于后期建设阶段，而同一时修建的溢流坝段混凝土质量优于挡水坝段。③老坝混凝土骨料中的针片状含量较多，颗粒间搭接作用明显，且细颗粒含量不足，导致骨料的级配较差。④部分骨料的强度较低、承载能力较差，在混凝土受压过程中易发生劈裂破坏的现象，对老坝的结构造成隐患，骨料对老坝混凝土的影响是永久的，难以通过服役过程中的灌浆补强、除险加固等措施彻底消除。

4 混凝土质量后评价

4.1 混凝土缝面情况

根据以往研究结论、钻孔芯样及孔内电视观察，大坝纵缝张开，坝体存在贯通的施工缝。现场坝体拆除结果清楚的显示出，坝体内部纵缝及水平缝大部分开裂明显，彼此联通，尤其240 m高程水平缝面在部分坝段已经占面积比例达到90%，严重影响大坝的整体性能。

4.2 混凝土质量

既往混凝土芯样统计结果显示，Ⅱ类混凝土芯样占全孔段比例平均值为46.4%，该类芯样表面手感明显粗糙，部分芯样骨料与砂浆脱离，断口基本吻合，粗糙部位砂浆用手易抠碎。该类混凝土存在质量缺陷，水泥用量达不到要求。Ⅲ类混凝土芯样占全孔段比例平均值为24.2%，该类芯样胶结差，表观多见蜂窝、空洞、砂浆骨料胶结差、骨料表面无或者仅少量砂浆粘结，芯样呈碎块状，侧面砂浆脱落严重，断口磨损较明显，该类混凝土属坝体不良混凝土，分布高程无明显界线，各坝段沿坝高均有分布。很多坝段是每4 m左右坝高即出现一次，平均是6～7 m坝高出现一次，出现的几率是很高的，坝体混凝土质量极不均匀。

通过坝体拆除的过程，钻孔取芯的结果得到了验证，老坝的坝体混凝土质量缺陷明显，粗骨料集中，无胶凝材料胶结、振捣不密实及蜂窝空洞等现象在240～245m高程挡水坎立面上就相当普遍，大坝整体范围内分布更加广泛，局部十分密集。骨料表面无或者仅少量砂浆粘结也证明坝体渗漏导致的混凝土溶蚀破坏较为严重。

4.3 总体评价

以往分析老坝存在的问题是通过钻孔取芯、声波等手段，是以点、线资料进行评价，资料具有局限性。在老坝拆除过程中，是以面、体资料直观地、全面地揭示老坝混凝土的质量缺陷，证实了前期的判断，且实际老坝混凝土质量缺陷比前期论证阶段掌握的情况更为严重，诸多固有缺陷无法通过后期补强加固彻底消除，安全隐患突出。

新建的丰满大坝为碾压混凝土重力坝，大坝整体浇筑，坝体整体性好；坝体混凝土的强度及抗渗、抗冻耐久性相对老坝明显提高；断层坝段抗滑稳定性符合规范要求；电站的装机由原来的1 002.5 MW提高至1 480 MW，提高了调峰和事故备用能力；枢纽的泄洪能力由原11 684 m3/s提高至22 767 m3/s，防洪安全性大幅提升，确保下游人民生命财产和国家重要商品粮基地的防洪安全。

5 结 语

丰满水电站被誉为我国的“水电之母”，为我国的水电事业作出了卓越贡献，丰满老坝始建于20世纪30年代，在运行长达80年后退出服役。在丰满老坝拆除过程中，全面地揭示了老坝混凝土的质量缺陷，前期对于老坝缺陷的判断得到了证实，有争议的问题找到了答案，事实证明前期判断是客观、科学、合理的。丰满老坝可靠性水平低，抵御风险能力差，与我国经济社会发展水平对工程安全的要求不相适应，鉴于丰满水电站在流域和地区经济社会发展中的重要地位与巨大作用，拆除老坝、重建新坝的决策是正确的，达到了“彻底解决、不留后患”的全面治理目标，保障了松花江流域的防洪安全。