宋恩來

（東北電網有限公司，遼寧沈陽 110181）

1 工程概況

水豐水電站位于中朝界河鴨綠江干流下游，距下游丹東市約70 km。電站以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉和城鎮(zhèn)用水等綜合效益。電站總裝機容量為630 MW，設計多年平均發(fā)電量40.0億kW·h。電站為中朝兩國共有，由朝方負責運行管理。

電站樞紐主要建筑物有：攔河大壩、壩后式廠房、變電站和備用溢洪道（副壩）等。水庫總庫容149.5億m3，為不完全多年調節(jié)水庫。

備用溢洪道布置于右岸，在距大壩上游1.5 km的山澗中，為混凝土重力壩。壩基為易風化的花崗巖和花崗斑巖。堰為整體混凝土板（長17.5 m，首部厚 3.5 m，尾部厚 2.5 m），堰后設有海漫，長 21.7 m，坡度 1∶5， 厚度 0.5 m， 堰頂高程 112.5 m。 壩頂長249.0 m，最大壩高 28.1 m，共 20 個孔，閘門為平板定輪鋼閘門，用壩頂上兩臺滾輪式卷揚機啟閉。備用溢洪道工程于1940年3月開工建設，土建部分于1942年11月完成，閘門于1943年6月安裝完畢，啟閉卷揚機于1944年8月完成。

1946年 7月放流開 7孔閘門（泄流 2800m3／s），短時間放流就造成挑流鼻坎前面混凝土遭受嚴重沖刷破壞，最長達18 m，最深為70 cm。壩下沖刷深度達18 m，寬度達80 m，使備用溢洪道處于危險狀態(tài)。放流將峽谷中的風化巖石及其上面的堆積物沖走，共約500萬m3，在峽谷口與鴨綠江的匯合處形成一個很大的堆積丘，該堆積丘伸向河中達150～200 m。

1948年挖除50～70 cm被沖刷的混凝土，新澆筑1 m厚混凝土。1949～1950年關閉了備用溢洪道，為使水位保持在128.0 m高程，以木籠和塊石30 000 m3來封堵，將原有的閘門都提到木籠的上方，備用溢洪道失去了泄流能力。

2 破壞原因分析

2.1 設計方面

（1）地質勘察不夠，未做防護措施

備用溢洪道底部和周邊的巖石為花崗巖及花崗斑巖，被各種巖脈切割，并存在很多斷層和構造裂隙。巖石易風化，并很快分裂成碎石和角礫，有的地方成為砂礫粘土。修建時，因對基巖及周邊地質情況勘探不夠，開挖時發(fā)現(xiàn)基礎巖石很差，原預計基礎開挖量為54.12萬m3，而實際開挖量達68.23萬m3，基礎平均開挖深度達19 m，仍未到完整巖石，也沒有基礎處理，僅在壩趾區(qū)灌注水泥105 t。因此1946年泄流時，靠壩體下游的河底沖刷深度達18 m，寬度達80 m。

右岸為完全風化的花崗巖，左岸為稍微堅硬的花崗巖。建設時將左岸開挖成73°的陡坡，未采取任何保護措施，因此投入運行后，曾有約500 m3的砂土崩塌翻越擋墻進入挑流鼻坎，并通過廊道進入壩內。為此將左、右岸的擋墻抬高1 m，提高了廊道入口的擋墻高度。

（2）壩體混凝土沒有抗凍性要求

水豐水電站地處寒冷山區(qū)，最高氣溫34.3℃，最低氣溫-28.0℃，多年平均氣溫 7.0℃，副壩區(qū)凍結深度 0.90～1.0 m，混凝土凍融破壞嚴重。 設計時，對混凝土沒有抗凍性要求?；炷羶鋈诤?，強度降低，泄流時則極易被沖刷破壞。

2.2 施工方面

備用溢洪道工程于1940年開始施工，土建工程于1942年結束，壩體混凝土澆筑量為3.73萬m3。冬季施工時沒有很好的防寒保溫，更沒有嚴格控制施工質量，造成骨料與水泥結合不好，而且還使用了雜質含量大的砂子，混凝土強度不高，加上混凝土未考慮抗凍性，1946年雖然泄流時間很短，但挑流鼻坎前面混凝土仍遭受嚴重沖刷破壞，其最大破損長度達18 m，最大深度為70 cm。

3 備用溢洪道恢復改建

3.1 恢復改建設計

由于副壩基礎地質條件較差、壩體及閘墩混凝土未考慮抗凍性、壩基內灌漿帷幕的質量狀況差等問題，恢復改建設計以較深的完整巖石層（在高程約65 m處）作為結構物的基礎，提高混凝土的抗凍性，設置防滲帷幕并加強排水。其恢復改建工程主要內容如下。

（1）將壩體表面損壞的混凝土鑿去，在上面新澆筑一層抗凍混凝土，混凝土標號為R28200號B4D100。

（2）為減小單寬流量，將溢流堰頂高程由112.5m增高至116.0m。改造堰形，寬度擴大72m。護坦（消力池）設置消力檻，基礎建在堅固的巖石上。

（3）為防止基礎滲水，對防滲帷幕進行修復，將灌漿幕加深到 20 m， 深入 ω=0.01 L／min·m·m 以下，并將帷幕向兩岸延伸。

（4）為了減少岸坡開挖量，用混凝土封閉了1號和20號閘門口，將這兩個孔的閘墩改為邊墩，并新建邊墩上下游擋土墻。

（5）在溢流堰之下設置混凝土陡槽，兩側有邊墻，下接反弧段和挑坎，鼻坎高程為105 m。在鼻坎上設棱體式散流挑流設備。在堅硬巖層出露高程較高的地段，陡槽底板的末端設有伸入堅硬巖盤的齒墻，該齒墻基礎高程約65 m，底寬9 m，高30 m，基坑上游側坡度3∶1，用錨筋將深齒墻錨定在巖盤上。

（6）在壩體設置基礎檢查廊道，為防止?jié)B漏和減小揚壓力，在陡槽底板下設置有帶式排水設備，而在深齒墻的中部則設置兩道排水廊道。

（7）在齒墻下游將澗谷河底加以清理，其首段開挖到90 m高程，其余段到100 m高程，以保證泄流順暢。

備用溢洪道全長249.0 m，改造后溢流段長213.0 m，共18孔，為敞開式。 閘門尺寸為 9×10 m（寬×高），設平板定輪鋼閘門18扇，在高程139.4 m工作橋上設有2臺1 100 kN臺車啟閉機進行操作。閘門全開時懸掛于工作橋上，懸掛點高程136.50 m，每扇閘門重 70 t。堰頂高程 116.0 m，在挑流鼻坎上增設了分水 （消力墩）結構。壩頂高程127.5 m， 防水墻頂高程 131.0 m，壩前地面高程113.8 m。備用溢洪道改造后平、剖面見圖1。

圖1 水豐備用溢洪道（副壩）恢復改建后平、剖面圖Fig.1 Plan and profile of the emergency spillway after rehabilitation

3.2 恢復改建施工

改建工程于1955年開工，由于地質資料不全，工期拖延，1957年5月才開始澆筑混凝土，為使工程按原計劃完成，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、砂子和拌和水加熱的方法進行，對拌和樓及骨料、混凝土運輸過程保溫?；炷猎谂飪葷仓?，采取保溫模板，用蓄熱法養(yǎng)生等一系列施工措施。

水泥為本溪和大連生產的普通硅酸鹽水泥。骨料采用人工碎石。砂子采用天然河砂，砂子細度為中粗砂。拌和水為天然河水。塑化劑采用錦州造紙廠生產的亞硫酸紙漿廢液，木質磺酸鈣含量0.47～0.5 kg／L。

（1）基礎加熱與清基

在老混凝土或巖石面上澆筑新混凝土前，先將表面10 cm內溫度加熱至2℃～3℃，并將鋼筋、模板上的冰雪融化。在有暖棚時，因基礎受凍較輕，用蒸汽管直接在基礎面上噴蒸汽。沒有暖棚時，將蒸汽排管直接放在基礎上，在上面覆蓋稻草簾子，加熱8～12 h?；炷翝仓埃捎酶邏赫羝驘崴畬A面進行一次徹底清洗。

（2）混凝土澆筑

考慮各種溫度損失等，確定混凝土出機溫度為25℃，混凝土澆筑溫度為10℃～15℃。

（3）混凝土養(yǎng)護

為防止混凝土早期受凍，要求混凝土在受凍前需達到臨界強度，即28 d強度的50%。

改建工程于1955年開工，1958年底基本完工。主要工程量：混凝土拆除4 409 m3，新澆混凝土98 400 m3，開挖巖石 612345m3，回填巖石 15000m3，巖石拆除33 450 m3，帷幕灌漿鉆孔5 600 m，排水孔鉆孔1 500 m，錨拉鋼筋5 400根，揚壓力觀測鉆孔200 m，金屬結構量166 t。

4 備用溢洪道運行

4.1 泄洪情況

水庫蓄水運行后，備用溢洪道共開啟2次。第一次在1946年7月，共開7孔閘門，下泄流量為2 800 m3／s，泄洪后其破壞情況前面已述，不再重復。

第二次開閘泄洪是1995年8月8～10日，共開4孔閘門，下泄流量2 000 m3／s。泄洪后現(xiàn)場檢查認為溢流堰、陡槽及鼻坎等結構物基本上都是完好的，未發(fā)生大的破壞，未發(fā)現(xiàn)結構物位移、錯位或大的裂縫等。但表層混凝土沖刷剝蝕現(xiàn)象還較普遍，剝蝕嚴重部位大都在消力墩起點到其上游側10 m范圍內的彎曲部位上，已剝蝕沖刷面積接近1 000 m2，占該部位總面積的50%。剝蝕深度一般在5～10 cm之間。

但這次泄洪使下游河床內幾十年形成的130多ha耕地和123戶民房被水流沖刷得蕩然無存，沖毀了備用溢洪道溝口的沿江公路。泄出的洪水和鴨綠江主流相遇后形成渦旋，沖毀了長甸電站的進廠公路。

4.2 安全監(jiān)測

4.2.1 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測布置有壩頂水平位移、垂直位移、伸縮縫開合等監(jiān)測項目。在左岸壩頭設有水準點與坐標點。

根據運行單位提供的資料，監(jiān)測工作在1997～2007年中，監(jiān)測次數(shù)及變化量如下：

壩頂水平位移：觀測5次，無異常變化；壩頂垂直位移：觀測7次，無異常變化；伸縮縫開合：觀測 16次，最大值為＋4.9 mm，出現(xiàn)在1號廊道。

4.2.2 滲流監(jiān)測

基礎揚壓力：因測壓管腐蝕或損壞，未觀測。

滲漏水：左岸混凝土擋土墻有1處滲水點，未見滴水，但有鈣質析出。左右岸擋墻與1號和2號廊道內所有裂縫均有白色鈣質析出。

位于底層的3號廊道 （底板高程85.52 m），底板上設有排水孔，目的是降低副壩基礎的揚壓力，但由于壩后下游河床基巖面高程為95 m，河床內常年積水，致使3號廊道長期被水淹沒。

5 備用溢洪道工作狀態(tài)

針對備用溢洪道基礎巖石情況、寒冷地區(qū)混凝土凍融凍脹破壞及運行時間長等特點，在2007年大壩安全定期檢查時，除進行現(xiàn)場檢查外，還進行了工程地質勘察、金屬結構安全檢測、防洪能力復核、地震危險性分析和抗滑穩(wěn)定及應力復核等工作。

5.1 工程地質及場地地震

5.1.1 工程地質勘察

2007年4～5月，中水東北勘測設計研究有限責任公司工程勘察院對備用溢洪道（副壩）進行了工程地質勘察。其主要結論如下。

副壩位于華北陸臺之遼東臺背斜內，在北側2.5 km處，有北東向鴨綠江大斷裂通過；該斷裂中更新世～晚更新世斷裂有過活動，晚更新世以來沒有活動跡象。壩基巖石以花崗巖為主，多呈強風化狀態(tài)，局部呈全風化狀態(tài)，壩基巖體工程地質類別主要以Ⅳ類為主，夾有Ⅴ類，局部閃長巖巖塊為Ⅲ類；壩基巖石與混凝土膠結較差。左壩端混凝土擋墻基礎為碎石混合土和全風化花崗巖，巖土層地基承載力滿足擋墻對基礎的要求；花崗巖基礎巖石較破碎，強度低，抗風化能力較弱，混凝土與巖石膠結差；閃長巖基礎雖然巖石較完整，強度較高，抗風化能力較強，但混凝土完整性差，風化較重，與巖石膠結不良。右壩端上、下游巖體穩(wěn)定性均較差，下游側混凝土與巖石結合面膠結不良，上游側混凝土與基巖膠結較好。下游沖刷坑基巖裸露，以中粗?；◢弾r為主，其中穿插有花崗斑巖巖脈，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石呈全-強風化狀態(tài)，巖石抗風化能力和抗沖刷能力均較差。本區(qū)凍結深度0.90～1.0 m。庫水為重碳酸鈣鉀鈉型水，地下水為重碳酸鉀鈉鈣型水，兩者對副壩混凝土均無腐蝕性。

5.1.2 場地地震

2007年，遼寧省地震研究所對水豐大壩和副壩進行了地震危險性分析，副壩場址地表50年超越概率10%的水平向峰值加速度推算工程場地基本烈度為7度，未來百年內近場區(qū)是一個以中、小震活動為主的弱震區(qū)。壩址設計地震動參數(shù)：100年超越概率2%的基巖地表水平向峰值加速度為159.5 gal。

5.2 兩岸及壩體混凝土

5.2.1 現(xiàn)場檢查

（1）兩岸巖石風化較嚴重，風化沙已堆滿擋墻（導流墻）后面，有部分已越過擋墻。

（2）左岸擋土墻有1條長約4.0 m的豎向裂縫，并有鈣質析出；擋土墻頂有1條長約0.6 m的橫向裂縫。右岸擋土墻有1條2.5 m的豎向裂縫，從施工縫上部開裂直達墻頂。

（3）溢流堰面～挑流鼻坎有凍融破壞現(xiàn)象，混凝土局部被沖刷、剝落、露石，一般深度5～10 cm，最深達220 mm。1～17號孔堰上游面普遍存在縱向裂縫，大多數(shù)自底面延伸至閘墩底部，其中7個壩段的裂縫與閘墩上的豎向裂縫連通。15號孔有2條水平裂縫。

張永剛說：“智慧建筑專委會今年圍繞標準編制、課題研究 、行業(yè)活動三大工作重點，陸續(xù)進行了許多工作，在標準編制方面：在建筑自動化及控制系統(tǒng) 、建筑節(jié)能改造、BIM技術等領域開展了3項國家標準、1項團體標準的編制工作；在課題研究方面：承擔了住房城鄉(xiāng)建設領域國密算法研究、智能建筑綠色發(fā)展、產品標準應用等3項課題與項目；在行業(yè)活動方面：圍繞綠色智能建筑、綠色智慧社區(qū)、智能門鎖等行業(yè)熱點，組織了十余次行業(yè)峰會、項目研討會、實地調研活動。”

（4）閘墩普遍出現(xiàn)混凝土掉塊，表面剝蝕，部分閘墩頭部橫、縱縫錯動。高程116～120 m范圍破損嚴重，1～6號壩段破損尤為嚴重。有11個閘墩立面出現(xiàn)裂縫。

（5）啟閉機工作橋有4個橋墩有裂縫。啟閉機工作橋面混凝土龜裂、破損嚴重。

（6）閘門工作橋（卷揚機平臺）部分梁端混凝土破損嚴重，已出現(xiàn)多條剪力方向的裂縫，部分部位已露出鋼筋；13號門橫梁下破損嚴重。工作橋頂板破損最大深度達70 mm。閘門工作橋和右岸邊坡分離達300 mm。

（7）閘門槽及附近區(qū)域未發(fā)現(xiàn)空蝕、沖刷、掏空等現(xiàn)象。

（8）1號廊道頂拱漏水處數(shù)和漏水量均有增加，拱頂有裂縫，從1號壩段開始，斷斷續(xù)續(xù)延伸至17號壩段。2號廊道排水引導裝置全部失效，拱頂有裂縫，從1號壩段開始，斷斷續(xù)續(xù)延伸至18壩段，2個壩段墻面有裂縫。3號廊道底板高程85.52 m，低于尾水河床基面高程 95.0 m，現(xiàn) 3 號廊道已被水淹沒，并與下游貫通。

5.2.2 鉆孔檢查

中水東北勘測設計研究有限責任公司工程勘察院還對壩體進行了鉆孔檢查。鉆孔布置于溢洪道2號、5號、8號、11號、14號、17號孔中間， 在壩軸線下游2.5 m處。從6個鉆孔取芯情況分析，上部0.0～4.0 m左右為后期混凝土，混凝土骨料為人工骨料，其成分主要為閃長巖，次為花崗巖。鉆孔取芯較完整，多呈長柱狀，見有5～10 mm、10～20 mm、20～40 mm粒組的碎塊石，強度較高。4.0 m以下為前期混凝土，混凝土骨料為天然砂礫料，見有5～10 mm、10～20 mm、20～40 mm 粒組的礫石。 鉆孔取芯完整性較差，多呈短柱狀，局部水泥與骨料分離，強度較低，手可掰碎。

5.3 抗滑穩(wěn)定與應力

（4）壩趾下游部分尾部巖石高程為95 m，較壩趾高13 m，也高于3號廊道高程，但此處巖石對壩體穩(wěn)定有利，此處尾巖不宜清除。

5.4 防洪設施檢測

2006年，水利部水工金屬結構安全監(jiān)測中心對水豐備用溢洪道金屬結構進行了檢測，檢測項目包括巡視檢查、閘門外觀、腐蝕狀況、結構材料檢測、啟閉機運行狀況檢測、閘門和啟閉機安全復核計算與分析、閘門及啟閉機安全評估與分析等。

5.4.1 閘門

（1）閘門運行63年，已超過IEC（國際電工委員會）的預期壽命25～40年。

（2）閘門主要構件銹蝕嚴重，主橫梁銹損。尤其嚴重的12號、13號、14號和15號閘門的部分主橫梁已經銹穿，邊梁局部區(qū)域亦已銹穿。

（3）閘門構件之間的聯(lián)接鉚釘存在不同程度的銹蝕甚至銹損，鉚釘和螺栓聯(lián)接大多失效，嚴重削弱了構件的強度和剛度。

（4）閘門結構復核計算表明，在上游水位126.00m（門頂高程）、閘門作用水頭10.00m時，閘門主橫梁、邊柱的計算應力超過或接近相應的容許應力。

（5）雖然對局部嚴重銹損處已采用加焊鋼板的辦法進行補強，但考慮閘門銹蝕嚴重的部位很多，面積很大，局部的補強加固不能從根本上解決問題，且銹蝕仍在繼續(xù)發(fā)展，閘門主要構件的厚度將不斷變小，閘門結構應力將不斷變大。

（6）為確保閘門安全運行，根據現(xiàn)場檢測成果和復核計算成果綜合判斷，閘門應報廢更新。

5.4.2 啟閉機

（1）啟閉機安裝運行62年，已超過IEC（國際電工委員會）的預期壽命25～40年。

（2）啟閉機設備整體狀況差，簡陋、陳舊、老化現(xiàn)象嚴重，不能保證啟閉機安全可靠運行。

（3）啟閉機設備無備品配件，運行維護困難。（4）啟閉機供電方式不可靠，存在人身及設備安全隱患。

（5）啟閉機線路老化，電氣控制裝置、制動裝置簡陋，型式落后，運行操作可靠性差；供電系統(tǒng)無電纜卷筒裝置；啟閉機無行程控制裝置和過負荷保護裝置。

（6）滑輪組滑輪處鋼絲繩固結端的聯(lián)接不符合規(guī)范要求；電動機的電氣參數(shù)不能滿足安全運行要求。

（7）啟閉機無備用電源，不能保證啟閉機安全可靠運行。

（8）復核計算成果表明，鋼絲繩不能滿足安全運行要求，而更換鋼絲繩勢必要更換卷筒和滑輪組。

（9）考慮到啟閉機投運時間長，為確保溢洪道安全行洪，根據現(xiàn)場檢測成果和復核計算成果綜合判斷，啟閉機應報廢更新。

6 安全性評價

（1）備用溢洪道運行狀態(tài)基本正常，并經1995年泄洪的考驗，泄洪后溢流堰、陡槽和鼻坎等結構物基本完好。

（2）泄洪設施陳舊、老化，已難保證安全可靠運行，必須及時對設備進行更換。鑒于備用溢洪道的重要性，應增設可靠的獨立備用電源。

（3）由于運行時間較長，壩面及溢流面剝蝕破損老化現(xiàn)象嚴重，對其應進行補強加固。

（4）備用溢洪道底部及邊坡均為易風化的花崗巖和花崗斑巖，對兩岸擋墻應進行徹底檢查，并對破損部位進行補強加固。

（5）為了解和掌握備用溢洪道的工作狀態(tài)和變形規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)異常，對監(jiān)測觀測設備應進行完善和現(xiàn)代化改造，以確保安全。

（6）對下游沖淤等應進行疏通，使3號廊道積水能夠自然排出，使廊道處于正常狀態(tài)。

[1]潘士明.水豐水電站概述[J].大壩與安全，1998（3）.

[2]邢林生.水豐副壩安全檢查概述[J].大壩與安全.1998（3）.

[3]李東升.混凝土冬季施工[M].中國水利水電出版社，2001.