邢林生，周建波

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州 310014）

0 引言

我國在1949年以后建造了大量混凝土壩，目前已建和在建混凝土壩數(shù)量，以及在建混凝土壩高度皆居世界首位。混凝土壩是我國大、中型水電站大壩的主要壩型，約占總數(shù)的3/4。1949～1970年蓄水運行的大、中型水電站混凝土壩，至今壩齡已超過40 a，隨著歲月的流逝，這些大壩經(jīng)歷著逐漸老化的過程，其運行狀況、耐久性能是人們關(guān)注的重要課題。本文通過工程運行實例分析，對影響混凝土壩耐久性的主要因素、影響機理、危害程度進(jìn)行研究，進(jìn)一步探討保持或恢復(fù)大壩承載能力和使用功能的有效措施，以期為延長混凝土壩正常使用壽命，得出一些規(guī)律性認(rèn)識。

1 在役運行概況

表1為1954～1970年首次蓄水的25座混凝土壩運行中發(fā)生的重要事件。在這25座大壩中，重力壩（含寬縫重力壩、空腹重力壩）有13座，拱壩（含重力拱壩）有5座，支墩壩（連拱壩、大頭壩、平板壩）有7座；壩高超過70 m的高壩13座，超過100 m的5座，最大壩高147 m；設(shè)計總庫容超過1億m3的18座，超過10億m3的10座，超過100億m3的2座，最大總庫容216.26億m3；按現(xiàn)行水工建筑物級別劃分，1、2、3級建筑物分別為10座、8座和7座。上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，這些大壩代表了我國20世紀(jì)50～60年代混凝土壩的建設(shè)水平。這些大壩至2011年，壩齡已達(dá)41～57年，運行狀態(tài)都仍屬正常，但在漫長的運行過程中，部分大壩曾經(jīng)發(fā)生過影響到承載能力或使用功能的事件，現(xiàn)擇其典型事件概述如下。

1.1 地基失穩(wěn)

表1 25座混凝土壩運行中的重要事件概況Table 1:Statistics of important events of 25 concrete dams in operation

梅山連拱壩1962年右岸基巖裂隙張開和局部錯動是大壩地基失穩(wěn)的典型事件。該壩右側(cè)壩基巖體，由連貫剪切小斷層及冷凝收縮節(jié)理切割形成大致平行河流方向的長條塊狀，為庫水滲入、裂隙揚壓力增加、抗剪強度降低創(chuàng)造了條件。建壩時沿拱及垛上游壩基邊緣只做了單排帷幕灌漿，未設(shè)排水孔，垛與垛之間的巖石表面用混凝土覆蓋封閉。1958年蓄水運行后的幾年庫水位較低，1962年9月28日首次超過設(shè)計正常高水位（125.27 m），達(dá)125.56 m，并持續(xù)運行約40 d。11月6日凌晨水位回落到124.89 m時，右側(cè)14～16號垛基巖體裂隙有23處出現(xiàn)大量滲漏水[1]，最大達(dá)70 L/s，14號垛基一個未堵塞的灌漿孔噴出的水流射程約11 m，同時，13號垛頂2 d內(nèi)上下游方向位移擺動變幅達(dá)11.56 mm，3 d內(nèi)左右方向位移擺動變幅達(dá)58.14 mm。14號垛基11月12日上抬量達(dá)14.1 mm，右側(cè)壩垛及拱臺出現(xiàn)幾十條裂縫，最長達(dá)28 m，縫寬6.6 mm，大壩處于危險狀態(tài)，被迫放空水庫進(jìn)行加固。

1.2 洪水漫過壩頂

修文和佛子嶺、磨子潭3座大壩，分別在1963年和1969年發(fā)生洪水漫過壩頂事件，漫過防浪墻頂高度分別為0.15 m、1.08 m和0.49 m，漫壩歷時分別為2 h、25 h15 min和4 h 48 min。3座大壩洪水漫過壩頂都造成一定損失，其中佛子嶺大壩遭受的損失最為嚴(yán)重，該壩漫過壩頂?shù)暮樗髁窟_(dá)1 190 m3/s，壩后老廠房被沖毀，新廠房被淹沒，壩后河床及兩岸基巖沖刷破壞比較嚴(yán)重。壩頂上下游方向水平位移監(jiān)測資料分析顯示，1969年洪水漫壩后不可逆時效位移有0.5～1.0 mm的突變增大，說明大壩剛度遭到了不可恢復(fù)的損壞。這3座大壩分別經(jīng)受住2～25 h的洪水漫壩考驗，壩體都未產(chǎn)生明顯破損或潰壩失事，實踐證明，混凝土壩具有良好的超載能力和抗沖刷破壞能力。

1.3 壩體遭受強震損壞

新豐江單支墩大頭壩1959年蓄水運行后，壩區(qū)附近頻繁發(fā)生地震，1960年7月18日庫水位90 m時發(fā)生一次6度地震，震后將原設(shè)計地震烈度由6度提高為8度進(jìn)行加固。1962年2月19日，庫水位110.48 m時，大壩東北約1.1 km處發(fā)生6.1級地震，震源深度約5 km，震中烈度為8度，大壩整體經(jīng)受住了這次強震的考驗，沒有產(chǎn)生明顯的沉陷與位移，但右側(cè)13～17號壩段108 m高程附近產(chǎn)生長達(dá)82 m的上下游貫穿性水平向裂縫，庫水從裂縫中滲出，左側(cè)2～5號壩段在同一高程也產(chǎn)生不連續(xù)水平向裂縫。震后按設(shè)計烈度9.5度與正常蓄水位116 m組合進(jìn)行二期加固，對右側(cè)108 m高程裂縫跨縫做長80 m、寬5 m、厚20 cm的鋼筋混凝土板貼于壩面，并埋插鋼筋束和灌漿止漏，另外，為在緊急情況下能夠迅速降低庫水位，在左岸增設(shè)一條內(nèi)徑10 m的泄水隧洞。

1.4 產(chǎn)生嚴(yán)重劈頭裂縫

柘溪和桓仁兩座單支墩大頭壩，運行中都產(chǎn)生劈頭裂縫，其中柘溪大壩劈頭裂縫比較嚴(yán)重，曾一度被確定為險壩。柘溪大壩1962年蓄水運行，1969年6月30日，1號支墩產(chǎn)生劈頭裂縫，裂縫面積達(dá)2 000 m2，約占大壩橫剖面的45%，縫口嚴(yán)重射水；1977年5月16日，2號支墩產(chǎn)生劈頭裂縫，縫口射水流量達(dá)40 L/s，大壩被確定為險壩并降低水位運行。1980～1985年，經(jīng)過前堵、后排、空腔回填混凝土等一系列加固處理，1號、2號支墩劈頭裂縫合計最大滲漏量降為2.7 L/s，1988年3月摘除險壩帽子，大壩恢復(fù)正常蓄水。1998～1999年和2002～2003年，又兩次從上游面對1號、2號支墩劈頭裂縫進(jìn)行封堵止漏處理，2004年下游縫口已基本無水滲出。

1.5 壩基嚴(yán)重滲漏

窄巷口水電站以發(fā)電為主，安裝3臺單機15MW的水輪發(fā)電機組。1970年蓄水后發(fā)現(xiàn)水庫嚴(yán)重滲漏，1970年9月29日庫水位為1 085 m（設(shè)計正常蓄水位為1 092 m）時，滲漏量達(dá)到20 m3/s。曾多次放空水庫查漏，查清了巖溶性滲漏的范圍和滲漏形式，庫區(qū)滲漏入口主要分布在庫首1 250 m范圍內(nèi)。1972年和1980年，曾兩次在庫內(nèi)進(jìn)行堵漏處理，取得了一些防滲效果，1994年5月17日，庫水位1 086.5 m時，滲漏量為17.7 m3/s。由于水庫長期嚴(yán)重滲漏，致使1臺機組不能正常發(fā)電。2000年以后，通過一系列勘測、試驗和分析研究，基本查清大壩帷幕線上巖溶滲漏部位，目前正在進(jìn)行帷幕灌漿和堵洞工程施工。

2 影響耐久性因素

混凝土壩的耐久性系指在常規(guī)維修條件下，保持其承載和使用功能的能力。以往偏重于筑壩材料方面的耐久性研究，實際上混凝土壩勘察、設(shè)計、施工、運行的每一個環(huán)節(jié)都影響到大壩的耐久性。在役混凝土壩運行生命循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示。以下根據(jù)表1及其它一些混凝土壩運行情況，著重對蓄水以后影響耐久性的因素進(jìn)行分析研究。

圖1 在役混凝土壩運行生命循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 The life cycle of concrete dams in service

2.1 地基劣化

承載混凝土壩全部荷載的地基，其運行狀態(tài)直接關(guān)系到大壩的長期安全穩(wěn)定。混凝土壩地基一般為巖基，巖基內(nèi)斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面中的充填物，在高壓滲流的沖洗作用下，有可能逐漸變質(zhì)和被帶走，形成滲漏通道，使壩基揚壓力升高，結(jié)構(gòu)面抗剪強度降低，威脅到大壩的穩(wěn)定，梅山大壩就曾發(fā)生過這類事件。壩踵巖基在水流長期反復(fù)沖淘作用下，有可能逐漸被淘空，使壩基承載面積逐漸減小，馬跡塘大壩是一個典型案例。該壩為低水頭徑流式低壩，溢流壩前河床面流速較大，而巖基軟弱，抗沖能力低。運行14 a后發(fā)現(xiàn)4個壩段壩踵巖基被淘空，向下游最大淘進(jìn)7.7 m，約占上下游方向壩基長度的1/3，沿壩軸線方向最大淘空5 m，約占壩段寬度的1/2。為了大壩的長期穩(wěn)定，應(yīng)在勘察、設(shè)計和施工階段，徹底查清地基的薄弱部位，嚴(yán)格做好地基處理，有針對性地采取堵、排防滲措施。運行實踐表明，地基內(nèi)的薄弱部位性態(tài)劣化，通常有一個漸變發(fā)展過程，新安江大壩針對壩基軟弱頁巖，運用勘探、試驗等手段及時掌握其性態(tài)變化趨勢的做法，無疑是十分必要的。

2.2 沖磨空蝕

沖磨和空蝕對于混凝土壩表面的損害屬物理性破壞。沖磨是高速水流挾帶泥沙礫石的沖刷、撞擊和摩擦損害，空蝕是高速水流速度和方向改變而形成空穴作用造成的損害。位于多泥沙河流黃河上的劉家峽大壩，設(shè)計階段壩址多年平均輸沙量為8 700萬t，約40%的泥沙為硬度高的石英，溢洪道、泄水道、泄洪洞和排沙洞的設(shè)計最大流速分別為30 m/s、35 m/s、45 m/s、29.5 m/s。在1989年龍羊峽、劉家峽兩庫聯(lián)合調(diào)度前，四大泄水建筑物沖磨空蝕破壞比較嚴(yán)重，1975～1989年14 a中共檢修27次，累計修補面積18 502 m2。位于大渡河上的龔嘴大壩，河床坡度大，不僅泥沙含量大，并以粗顆粒推移質(zhì)為主，沖磨空蝕破壞嚴(yán)重，三個沖沙底孔1971～2001年分別運行11 156 h、12 411 h、15 571 h（流速為21～27 m/s）。檢修閘門槽以后沖磨空蝕破壞部位，每隔3～5 a即檢修一次，分別檢修6次、5次和10次。通過多次實踐，基本掌握了這2座大壩泥沙沖磨空蝕規(guī)律，并運用浮體門從上游面對水深約60 m的泄水孔進(jìn)行封堵，使遭受嚴(yán)重沖磨空蝕破壞的進(jìn)水喇叭口至檢修閘門槽以前這一段，形成從下游進(jìn)入的旱地施工條件，為高壩深水下過流孔洞進(jìn)口段檢修積累了寶貴的經(jīng)驗[2]。

2.3 凍融凍脹

混凝土壩凍融凍脹是一種物理性破壞。在溫度正負(fù)交替的過程中，混凝土較大微孔中的水轉(zhuǎn)變?yōu)楸鶗r，體積膨脹9%，產(chǎn)生凍脹壓力，并迫使未結(jié)冰的孔溶液遷移產(chǎn)生滲透壓力，兩者形成的疲勞應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即遭受破壞。正負(fù)溫度交替變化和有水滲入混凝土中是產(chǎn)生凍融凍脹破壞的兩個必要條件。在我國東北、西北和華北地區(qū)，多座大壩都遭受到了凍融凍脹破壞，有的比較嚴(yán)重。云峰大壩壩址區(qū)多年平均、最低日平均和瞬時最低氣溫分別為6.2℃、-32.6℃和-41℃，大壩下游面年凍融循環(huán)次數(shù)135次，1965年蓄水后壩體普遍滲漏。1980年檢查，溢流面和擋水壩段下游面凍融凍脹面積分別為11 000 m2和9 217 m2，分別占檢查面積的33.6%和23.7%，最大破壞深度分別為50 cm和25 cm；溢流面表層深20～30 cm的混凝土檢測強度只有11～13 MPa，遠(yuǎn)低于設(shè)計強度19.6 MPa的要求；表層深30～50 cm混凝土抗凍試驗10組試件中，7件僅達(dá)F50，最大F100，都達(dá)不到設(shè)計等級F150的要求。1974～1996年間，該壩受凍脹影響，壩頂不可逆上抬8.4 mm，大壩上部整體性受到削弱。為了防止溢流面遭受泄洪沖刷破壞，進(jìn)行了補強加固。

2.4 表層碳化

混凝土壩表層碳化是空氣中CO2氣體沿著不飽和水的混凝土毛細(xì)孔滲入，與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3的過程，屬化學(xué)性破壞。其主要危害，一是反應(yīng)過程混凝土由表及里堿性降低，逐漸使鋼筋表面受到高堿性保護(hù)的鈍化膜因混凝土中性化而失鈍破壞，鋼筋銹蝕體積膨脹，鋼筋斷面減小，承載能力降低，并致使混凝土保護(hù)層崩落；二是混凝土碳化過程消耗掉一部分粘結(jié)成分，體積收縮出現(xiàn)裂紋或小孔洞，減小結(jié)構(gòu)受力斷面。珠窩、劉家峽、鹽鍋峽、黃龍灘、陳村等大壩和廠房的鋼筋混凝土梁、板、柱構(gòu)件以及廊道內(nèi)壁，都曾因碳化嚴(yán)重，保護(hù)層崩落而露筋。古田溪二級平板支墩壩的擋水面板厚度為0.65～2 m，鋼筋保護(hù)層厚度7.5 cm，運行40 a后，按碳化深度40 mm復(fù)核計算，不存在鋼筋鈍化膜失鈍破壞問題，但有效承載面積減少6%～2%，部分面板抗裂承載能力已不能滿足要求[3]?；炷撂蓟俣仁艿剿冶取⑺嗪突旌喜牧系钠贩N、用量、施工質(zhì)量以及環(huán)境條件等諸多因素的影響。實踐表明，正確制備的混凝土碳化速度低于1 mm/a[4]。從表2[5]可以看出，20世紀(jì)50年代初興建的佛子嶺大壩碳化速度很慢，只有0.081 mm/a，其主要原因是使用單一品種硅酸鹽水泥，骨料級配良好，水灰比低，施工工藝符合設(shè)計要求，振搗密實，而20世紀(jì)50年代中后期至60年代末興建的大壩，碳化速度大多數(shù)超過1 mm/a，最大達(dá)到3.394 mm/a。

2.5 滲漏溶蝕

混凝土壩體中水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2隨著壓力滲漏水不斷流失，在滲水出口處與空氣中的CO2反應(yīng)生成白色CaCO3，標(biāo)志著壩體已遭受溶蝕破壞。溶蝕過程是一個較為復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)過程。試驗表明，當(dāng)Ca(OH)2溶出（以CaO量計）達(dá)25%時，混凝土抗壓、抗拉強度將分別下降38.5%和66.4%，同時孔隙率增加，抗?jié)B能力下降，飽和面干吸水率將增大90%；CaO溶出33%時，混凝土變得疏松而失去強度。運行多年的豐滿、佛子嶺、梅山、新安江、古田溪二級、古田溪三級、陳村等大壩，都存在不同程度的滲漏溶蝕現(xiàn)象，有的甚至相當(dāng)嚴(yán)重。豐滿大壩一度滲漏嚴(yán)重，經(jīng)過多次治理，1986年壩體滲漏量大幅度下降為119 L/min，溶蝕帶出的鈣離子仍高達(dá)3 516 kg[6]。1993年蓄水運行的水東大壩，壩體滲漏嚴(yán)重，經(jīng)過處理，1999年平均滲漏量為156 L/min，溶蝕帶出的鈣離子多達(dá)998 kg。在羅灣大壩滲漏溶蝕部位檢測，齡期為12 a的混凝土強度只有設(shè)計強度的83%，3組共9個抗?jié)B試件中，有2組6個試件抗?jié)B標(biāo)號僅為W2，遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)號W6。為預(yù)防或減輕溶蝕破壞，關(guān)鍵是要提高混凝土密實度和不產(chǎn)生與上游貫穿的裂縫，防止或減少壩體的滲漏。

表2 18座混凝土壩表層碳化速度Table 2:Surface carbonation rate of 18 concrete dams

2.6 硫酸鹽侵蝕

混凝土壩的環(huán)境水中含有硫酸鹽時，受其化學(xué)性或物理性破壞是一個突出問題。劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、紀(jì)村等大壩，都曾不同程度地遭受到了硫酸鹽的侵蝕破壞。當(dāng)硫酸鹽（Na2SO4）與混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaSO4時，產(chǎn)生第一次結(jié)晶膨脹，CaSO4又與混凝土中的C3A反應(yīng)生成硫鋁酸鈣，產(chǎn)生第二次結(jié)晶膨脹，巨大的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土脹裂、變酥，甚至成粉末狀。紀(jì)村大壩前池水質(zhì)受引水渠道中硫鐵礦化帶影響，在不供水發(fā)電時呈強酸性，pH值為3.0左右。1977年蓄水后壩基出現(xiàn)滲漏通道，運行至1981年，建基面混凝土和基巖遭受到物理性和化學(xué)性雙重破壞，按惡化面積加權(quán)平均，摩擦系數(shù)已由設(shè)計采用值0.4降為0.31[7]。八盤峽壩址區(qū)地下水中硫酸根離子含量在2 000 mg/L以上，閘壩段、左壩頭和左岸山頭處含量分別為4 000 mg/L左右、8 000 mg/L左右和12 300 mg/L。1975年蓄水運行至1985年，基礎(chǔ)廊道排水孔附近和排水溝邊的混凝土產(chǎn)生脹裂或崩坍，局部用手捏揉即成粉末；1992年鉆孔取芯試驗和電子顯微鏡微觀檢查表明，經(jīng)過17 a的運行，建基面混凝土與基巖結(jié)合較好，強度未降低，微小孔隙內(nèi)有初始階段硫酸鹽結(jié)晶跡象，沒有發(fā)生類似紀(jì)村大壩那樣的破壞，這一重要信息說明，在滲漏量微小、不具備自由膨脹空間的條件下，硫酸鹽的侵蝕破壞是緩慢而微弱的。

2.7 裂縫

混凝土壩裂縫是材料的不連續(xù)現(xiàn)象，是在溫度荷載或外荷載作用下產(chǎn)生的常見物理性病害。它不僅可能破壞大壩的整體性，使壩體應(yīng)力惡化，安全度降低，還可能引起嚴(yán)重的滲漏和溶蝕，影響大壩的擋水、泄洪使用功能。隨著運行時間的延長，有的壩裂縫還可能不斷增生或擴(kuò)展，其危害日益嚴(yán)重。珠窩大壩溢流面1969年發(fā)現(xiàn)裂縫67條，每個溢流壩段上都有一條上下游方向貫穿整個溢流面的大裂縫，1981年縫寬4 mm，縫深7 m，滲漏量高達(dá)6 000 L/min，溢流面被切割損壞，泄洪時有可能大面積毀壞，經(jīng)大規(guī)模處理才消除隱患。體型單薄的佛子嶺連拱壩，1954年蓄水運行初期壩體裂縫363條，1965年增加到564條，1995年達(dá)856條，大壩整體性受到明顯破壞，一些貫穿性裂縫引起嚴(yán)重滲漏和鋼筋腐蝕，而三角形裂縫切割形成的塊體更有被高壓庫水頂出的危險[8]。陳村重力拱壩1970年蓄水后長期低水位運行，下游面105 m高程附近水平向裂縫不斷擴(kuò)展，1973～1979年期間，拱冠部位縫寬由1.34 mm擴(kuò)展為3.19 mm，增大1.85 mm，隨后保持運行水位不低于死水位，該裂縫以較慢的速率繼續(xù)擴(kuò)展，2007年比1979年增大1.02mm，達(dá)4.21mm[9]。對于不斷增生或擴(kuò)展的裂縫，尤其要加強監(jiān)測和分析，并及時采取有效應(yīng)對措施。

2.8 水工機械衰損

水工閘門及其啟閉設(shè)備擔(dān)負(fù)著水電站調(diào)節(jié)、控制水流的關(guān)鍵任務(wù)，是混凝土壩的重要組成部分。由于金屬材料特性與混凝土不同，水工機械衰損速度更快，一般運行20 a左右，各種老化現(xiàn)象就會顯現(xiàn)出來，如不及時維護(hù)，病害將日益嚴(yán)重。梅山大壩自1956年蓄水運行，1999年檢測發(fā)現(xiàn)泄洪洞工作閘門主材為不合格的沸騰鋼，溢洪道閘門啟閉時框架產(chǎn)生扭曲變形。1958年蓄水運行的黃壇口大壩，2001年檢測發(fā)現(xiàn)溢洪道弧門的箱形支撐梁屈服強度下降15%，極限強度下降12%，斷面收縮率下降12%，有從塑性向脆性轉(zhuǎn)化的趨勢。以禮河二級大壩1958年蓄水運行，2002年檢測閘門吊耳板顯著變形，主輪銹死，門前淤積嚴(yán)重，無法正常啟閉。1959年蓄水運行的古田溪一級大壩，1999年溢洪道弧門支臂腐蝕深度最大達(dá)20 mm，腐蝕速度達(dá)0.513 mm/a。西津大壩自1961年蓄水運行，1999年檢測發(fā)現(xiàn)溢洪道閘門貼角鋼板焊縫缺陷率達(dá)87.8%，部分受力結(jié)構(gòu)是不合格的鋼材。石泉、劉家峽、上猶江、烏江渡、安砂、陳村等大壩，水工機械都存在一定缺陷，如閘門水封損壞，軸套硬化咬死，閘門啟閉過程中產(chǎn)生射水、振動或伴有尖嘯聲，有的啟閉機長期超載運行。21世紀(jì)初開始，許多大壩對水工機械開展全面檢修，黃壇口、西津等大壩對閘門逐年進(jìn)行更換處理。

2.9 水庫淤積

水庫淤積所帶來的負(fù)面效應(yīng)，一是水庫調(diào)節(jié)庫容若因淤積減少，這將會影響防洪、發(fā)電等效益的發(fā)揮；二是壩前淤積超過設(shè)計淤積高程后，因淤沙壓力增大，可能會影響大壩的穩(wěn)定；三是大壩水下過流孔洞進(jìn)口前淤堵，可能會危及到閘門的正常啟閉運行。少泥沙河流上的水庫淤積速度往往很緩慢。位于風(fēng)景秀麗植被良好的黃山北麓的陳村水庫，運行32 a后，總庫容幾乎沒有變化；位于黃山南麓的新安江水庫，運行15 a后總庫容僅損失0.1%，而淤積物主要停留在干、支流的水庫末端[10]。位于多泥沙河流上的水庫淤積速度較快。黃河上的鹽鍋峽和青銅峽水庫，各自蓄水運行3 a和5 a后，總庫容分別損失71%和87%，以后漸趨沖淤平衡。劉家峽水庫在1968～1988年期間，總庫容損失19.6%，年平均淤積速度約為1%，有效庫容被淤積8.2%，調(diào)節(jié)庫容減少，泄水建筑物閘門操作因門前淤堵受到干擾，發(fā)電機組過流部件磨損嚴(yán)重，威脅到安全度汛和正常發(fā)電。1989年龍羊峽、劉家峽兩庫聯(lián)合調(diào)度后，來沙量減少，并采取低水位攔沙和汛期異重流排沙等有效調(diào)度措施，水庫年淤積速度明顯下降，1989～1998年為0.5%，1999～2006年進(jìn)一步下降為0.25%。

2.10 其它

洪水漫過壩頂、水庫嚴(yán)重滲漏、遭受強烈地震雖是稀遇事件，不是混凝土壩的一般性耐久性問題，可一旦發(fā)生，則可能對在役混凝土壩的結(jié)構(gòu)和工程正常使用產(chǎn)生較大影響。規(guī)劃設(shè)計階段采用的工程防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，隨著運行時段的延長，設(shè)計洪水加大，以及規(guī)劃中的上游具有防洪功能的水庫未能按時興建，這些是造成洪水漫過壩頂?shù)闹匾蛩兀\行中應(yīng)及時對大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)和泄洪能力進(jìn)行復(fù)核，采取相應(yīng)處理措施。水庫嚴(yán)重滲漏的主要負(fù)面效應(yīng)是影響水電站發(fā)電效益的發(fā)揮。大壩勘察時，對水庫周邊尤其是庫首附近范圍的水文地質(zhì)條件，需仔細(xì)勘探清楚，并認(rèn)真做好防滲堵漏處理工程。混凝土重力壩和混凝土拱壩的抗震性能較好，2008年汶川大地震時，震中的幾座混凝土壩再次證實了這一點。而對于混凝土支墩壩，由于體型單薄或壩體重心較高等特點，需重視其抗震能力復(fù)核工作，并注意加固措施的科學(xué)性。

3 延長使用壽命措施

隨著時間的推移，在役混凝土壩漸趨老化，其使用壽命是一個客觀存在的問題。為了延緩混凝土壩衰老進(jìn)程，延長使用壽命，主要措施一是通過監(jiān)測、檢查和防洪能力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及耐久性評價，發(fā)現(xiàn)缺陷和隱患，采取工程措施予以消除；二是根據(jù)大壩運行性態(tài)，適當(dāng)調(diào)整運行方式，避免不利運行工況，減少損害。

3.1 工程措施

長期以來，許多混凝土壩持續(xù)開展維修加固工程，以消除重大缺陷、延長使用壽命，發(fā)揮有效作用（見表3）。大量維修加固工程實踐表明，為了能夠達(dá)到增強混凝土壩耐久性能的目的，以下三個問題需要加以重視。

3.1.1 及時性

對于混凝土壩的重要老化病害，必須及時治理，否則，病害程度會逐步加重，治理難度不斷加大，并可能造成重大損失和影響大壩的安全運行。以下是兩個典型事例。體型單薄的佛子嶺連拱壩，裂縫是主要老化病害之一，大壩長期受其困擾。1954年蓄水后，1955年、1965年、1969年和1982年多次進(jìn)行大規(guī)模治理，其中1955年和1965年兩次放空水庫，從上、下游同時進(jìn)行修補、止漏和加固處理。持續(xù)不斷地及時治理使裂縫危害得到一定程度的遏制。20世紀(jì)末從穩(wěn)定、強度、剛度等方面進(jìn)行綜合分析評價后認(rèn)為，該壩經(jīng)過40多年的運行，大壩總體上尚處于彈性工作狀態(tài)，對裂縫加固處理后仍可繼續(xù)擋水運行。位于嚴(yán)寒地區(qū)的豐滿大壩，溢流面凍融凍脹破壞嚴(yán)重。1980年泄洪時沖毀面積約300 m2，沖走混凝土約40 m3。由于治理方案久議不決，資金渠道不暢等原因，未能及時治理，凍融凍脹破壞日益加重。1986年泄洪時，12～14號溢洪道沖毀面積1 090 m2，沖走混凝土1 920 m3，最大沖坑深達(dá)3.3 m。關(guān)閉這3孔溢洪道減少泄洪能力2 520 m3/s，直接威脅到大壩防洪安全，致使當(dāng)年水庫控制水位降低2～2.5 m運行[11]，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，并被迫除險加固搶修。

3.1.2 全面性

在進(jìn)行混凝土壩重要老化病害治理前，需對其成因、危害以及治理措施可能產(chǎn)生的副作用進(jìn)行綜合研究，擬定出內(nèi)容全面、針對性強的治理方案。羅灣大壩在治理壩體嚴(yán)重滲漏溶蝕時，經(jīng)歷了一段有啟迪意義的過程。該壩為遏制壩體滲漏溶蝕的危害，曾在廊道內(nèi)對滲水析鈣點和裂縫進(jìn)行灌漿封閉處理，由于未能從源頭上阻斷庫水的入滲通道，僅封閉廊道內(nèi)的滲水出口，促使壓力滲水在壩體內(nèi)竄擾，處理后不久，其它部位又出現(xiàn)了新的滲漏析鈣點和新的裂縫，下游水平澆筑層面滲水析鈣現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重，壩體遭受到了新的傷害。2006年，該壩排干壩前庫水，將上游面瀝青混凝土防滲層延伸至壩基面，全面封堵滲水入口，壩體滲漏量比治理前減少了98%左右，取得了比較徹底的治理效果。古田溪二級平板壩的治理方案內(nèi)容全面，效果顯著，不僅從上、下游面對面板進(jìn)行全面防滲漏溶蝕、防風(fēng)化侵蝕和防碳化處理，同時增設(shè)隔墻將垛墻連接成方格狀整體，并在面板后部增設(shè)三角形混凝土加重支撐塊，使壩體的抗震性能和抗滑穩(wěn)定得到增強。

表3 25座混凝土壩主要維修加固工程和運行調(diào)度措施Table 3:Main rehabilitation works and operation measures of 25 concrete dams

3.1.3 科學(xué)性

混凝土壩老化病害治理方案和措施，應(yīng)經(jīng)過充分論證，力求科學(xué)合理，符合工程具體情況，治理后能夠經(jīng)受長期運行實踐的檢驗。以下是豐滿、水豐兩座大壩溢洪道加固處理效果的差異情況。這兩座壩同為1937年開始興建，設(shè)計要求基本一致，壩型、壩高、壩長相似，運行環(huán)境相近。水豐大壩1958年溢洪道加固后，經(jīng)過多次泄洪運行，只有局部凍融凍脹和沖刷破壞。豐滿大壩1987年對溢洪道加固后至2005年，多次檢查發(fā)現(xiàn)，溢流面多處滲漏析鈣和產(chǎn)生多條裂縫，凍融凍脹破壞日益嚴(yán)重。之所以兩座壩加固效果相差甚遠(yuǎn)，主要原因是，豐滿大壩上游面結(jié)合原防滲層雖已防護(hù)到225 m高程，但此高程以下仍是壩體滲水的入口，由于壩體排水系統(tǒng)已基本失效，壩體浸潤線居高不下，下游滲水出逸點較高，致使溢流面凍脹開裂，嚴(yán)重影響泄洪安全。水豐大壩加固時高度重視壩體排水，在溢流面后設(shè)置3層平行壩軸線的縱向排水廊道，每個壩段均打排水孔將滲水沿排水系統(tǒng)排走，使溢流面基本保持干燥，有效減輕凍融凍脹破壞，加固50多年后仍能正常泄洪運行[12]。

3.2 調(diào)整運行方式

一些混凝土壩，通過對水位、溫度和泄洪閘門運行方式的調(diào)整控制，避免不運行方式的出現(xiàn)，達(dá)到有效減輕大壩遭受損害的目的。

3.2.1 水位控制

混凝土壩設(shè)計時，已經(jīng)考慮代表性荷載組合工況，但不可能包括所有的最不利荷載組合。以拱壩為例，通過運行總結(jié)或復(fù)核計算，努力避免出現(xiàn)不利荷載組合是減少裂縫危害的有效措施。以下是幾座拱壩的運行實踐情況。1958年蓄水運行的流溪河拱壩，1960年、1963年和1985年，夏季庫水位都曾降落到死水位附近或更低，1961年下游面產(chǎn)生水平向裂縫，隨后數(shù)量逐漸增多，1989年最大縫寬為0.75 mm。復(fù)核計算表明，當(dāng)庫水位高于死水位5 m時與溫升荷載組合，下游面豎直向拉應(yīng)力已普遍超過1.2 MPa，最大達(dá)1.98 MPa。泉水拱壩1976年蓄水后一直低水位運行，1978年比死水位約低11 m，1980年下游面出現(xiàn)20多條水平向裂縫，按死水位與溫升荷載組合復(fù)核計算，下游面豎直向拉應(yīng)力已達(dá)1.4 MPa。陳村拱壩1976～1979年內(nèi)，曾有720 d水位低于死水位，最低比死水位約低10 m，經(jīng)歷了3次長時段低水位高溫運行工況，下游面原有的水平向裂縫寬度迅速擴(kuò)展，縫深達(dá)5 m，壩體整體性遭受嚴(yán)重?fù)p害。這3座壩為了遏制下游面裂縫的增生和擴(kuò)展，都擬定出最低運行水位的規(guī)定，并在實際運行中認(rèn)真貫徹執(zhí)行。

3.2.2 溫度控制

一些體型單薄的支墩壩，對于環(huán)境溫度劇烈變化尤為敏感，較早意識到下游面保溫的重要性。古田溪二級、古田溪三級平板壩及湖南鎮(zhèn)梯形支墩壩，為了減輕寒潮對壩體的不利影響，減少下游面裂縫的產(chǎn)生，都將冬季及時關(guān)閉下游交通廊道門扇列入了運行管理規(guī)程。位于東北嚴(yán)寒地區(qū)的桓仁單支墩大頭壩，1967年蓄水后不久，即采用預(yù)制板在支墩間對空腔進(jìn)行封蓋，使壩腔冬季瞬時最低溫度高于2℃，有效消除負(fù)溫對劈頭裂縫的不利影響，也避免了凍融的危害。1991年又采用瀝青膨脹珍珠巖對封腔蓋板進(jìn)行改造，使壩腔瞬時最低溫度高于4℃，進(jìn)一步提高保溫效果。佛子嶺連拱壩21世紀(jì)初開展大修時，在壩面噴涂5 cm厚聚氨酯保溫層，對減輕裂縫危害和防止表層風(fēng)化侵蝕都有一定效果。觀測資料表明，一些拱壩表面噴涂保溫層后，也取得了較好的保溫效果。托海拱壩保溫層正面與背面實測溫差達(dá)7℃。響水拱壩1989年一次寒潮襲擊時，氣溫驟降至-18℃，而保溫板下距壩面3 cm處混凝土溫度為-1℃～-3℃，保溫效果達(dá)15℃～17℃。

3.2.3 閘門控制

混凝土壩泄洪時，若不能妥善解決消能問題，巨大下泄能量可能產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷磨損和空蝕破壞。實踐表明，泄洪閘門的啟閉運行方式是直接關(guān)系到消能防沖效果的關(guān)鍵之一。西津、富春江和大化大壩都采用面流型式消能，但投運后下游都未能形成穩(wěn)定面流，溢流鼻坎、壩趾和下游沖刷破壞嚴(yán)重，其重要原因是，閘門開啟方式不當(dāng)造成下游流態(tài)紊亂，這3座壩在補強加固的同時，通過模型試驗和現(xiàn)場調(diào)試，制定出符合實際情況的閘門啟閉程序，使下游流態(tài)保持穩(wěn)定，沖刷破壞程度明顯減輕。采用底流消能的華安大壩，1980年蓄水后不久，護(hù)坦最大沖深達(dá)6 m，右岸長350 m的護(hù)岸基礎(chǔ)被淘刷破壞，調(diào)整閘門啟閉方式后，下游流態(tài)得到明顯改善。1992年和2001年兩次抽干積水檢查表明，加固后的護(hù)坦以及護(hù)岸基礎(chǔ)基本完好。陳村拱壩是我國第一座采用兩側(cè)對沖式消能的工程，1973年曾長時段單獨開啟右側(cè)閘門泄洪運行，使下游左岸基礎(chǔ)遭受沖刷破壞，后堅持對稱開啟閘門泄洪運行，對沖消能效果良好。

4 結(jié)語

（1）20世紀(jì)50～60年代興建的大、中型水電站混凝土壩，運行中遭受到不同程度的老化病害，有的病害程度比較嚴(yán)重，個別曾影響到大壩的安全穩(wěn)定。這些老化病害是歲月在混凝土壩體上留下的痕跡，其病害程度則與大壩興建時所處特殊年代密切相關(guān)。一方面，當(dāng)時尚缺少大壩耐久性設(shè)計和施工經(jīng)驗，另一方面，20世紀(jì)50年代中后期至60年代末，我國正常生產(chǎn)管理體系被打亂，出現(xiàn)許多違背科學(xué)規(guī)律的邊勘測、邊設(shè)計、邊施工“三邊”工程，而因物質(zhì)資金匱乏，被迫減少水泥用量，加大水灰比，隨意大量使用不合格摻和料，結(jié)果對大壩耐久性產(chǎn)生明顯不利影響。全面系統(tǒng)總結(jié)這階段興建的混凝土壩耐久性問題，從中汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，具有重要理論和現(xiàn)實意義。

（2）混凝土壩具有良好的超載和抵御壩頂過流破壞能力。幾座曾經(jīng)發(fā)生洪水漫頂?shù)拇髩?，有的壩體剛度受到一定的削弱，但都未產(chǎn)生明顯破損，經(jīng)受住了較長時段洪水漫頂?shù)目简?。對于建基面混凝土和基巖結(jié)合良好的大壩，硫酸鹽侵蝕對大壩安全穩(wěn)定的影響是緩慢而微弱的。老化病害對混凝土壩強度的危害一般局限在表層范圍，對大壩整體強度并無大的影響。多座大壩檢測結(jié)果顯示，經(jīng)過40多年的運行，表層混凝土抗壓強度相對較低，個別部位甚至已達(dá)不到設(shè)計要求，但截去表層混凝土后的芯樣抗壓強度，由于壩體內(nèi)水泥水化作用的持續(xù)進(jìn)行，呈現(xiàn)出緩慢增大趨勢。例如，佛子嶺大壩運行41 a后，內(nèi)部混凝土抗壓強度平均比澆筑時提高81%。

（3）混凝土壩長期運行實踐表明，地基軟弱結(jié)構(gòu)面性態(tài)逐步劣化，裂縫破壞支墩壩整體性和引起嚴(yán)重滲漏，碳化對大壩梁、板、柱構(gòu)件的危害和使平板壩結(jié)構(gòu)承載斷面減小，高壩深水下過流孔洞進(jìn)水口遭受沖磨空蝕破壞，嚴(yán)寒地區(qū)凍融凍脹可能引發(fā)溢流面被沖毀，嚴(yán)重滲漏溶蝕可能使大壩強度和防滲能力降低，多泥沙河流上水庫淤積對防洪度汛帶來的不利影響，這些問題需高度重視，對其危害機理和程度應(yīng)持續(xù)不斷地進(jìn)行分析研究，并及時采取必要的應(yīng)對措施。

（4）經(jīng)過持續(xù)不斷的維修加固和科學(xué)調(diào)度，20世紀(jì)50～60年代興建的大、中型水電站混凝土壩，至今運行狀態(tài)仍屬正常，沒有因老化病害使承載能力和使用功能喪失而退出運行的事例，個別老化病害特別嚴(yán)重的大壩，如古田溪三級平板壩，大修改造后已正常擋水運行近10 a[13]。為了延長混凝土壩使用壽命，應(yīng)及時對其老化病害進(jìn)行治理，防止病害加重造成重大損失；治理方案需全面考慮，避免對工程產(chǎn)生不利副作用；對治理方案和措施應(yīng)充分論證，力求科學(xué)合理，符合工程具體情況，能夠經(jīng)受長期運行實踐的檢驗。適當(dāng)調(diào)整運行方式，對水位、溫度和泄洪閘門啟閉方式加以科學(xué)調(diào)度控制，是防止或減輕大壩耐久性遭受損害的軟措施，將其與工程維修加固硬措施有機結(jié)合起來，將取得延長大壩使用壽命的顯著效果。

[1]楊咸義.外部觀測在運行管理中的作用[J].觀測技術(shù)，1985（2）.

[2]邢林生，聶廣明.劉家峽水電站混凝土建筑物耐久性分析[J].水力發(fā)電，2010（3）.

[3]邢林生.混凝土壩老化性態(tài)分析研究[J].大壩與安全，2005（3）.

[4]蔣元駉，韓素芳.混凝土工程病害與修補加固[M].北京：海洋出版社，1996.

[5]邢林生.混凝土壩表層碳化及其危害性分析[J].水力發(fā)電學(xué)報，2003（4）.

[6]邢林生，聶廣明.混凝土壩壩體溶蝕病害及治理[J].水力發(fā)電，2005（11）.

[7]邢林生.紀(jì)村混凝土壩基紅層的惡化及其原因分析[J].水利學(xué)報，1996（8）.

[8]邢林生.佛子嶺連拱壩耐久性分析[J].水力發(fā)電，2006（10）.

[9]邢林生，陳鏗.陳村拱壩下游面105 m高程附近水平向裂縫長期分析研究[J].大壩與安全，2009（6）.

[10]邢林生，李濤.混凝土壩基滲流控制效果及耐久性分析研究[J].大壩與安全，2010（6）.

[11]張寶光，戴成器.高寒地區(qū)冰凍和低氣溫對大壩安全的影響[J].大壩與安全，2000（1）.

[12]宋恩來.寒冷地區(qū)混凝土壩溢流壩段補強加固效果分析[J].大壩與安全，2009（4）.

[13]邢林生，徐世元.古田溪三級大壩老化病害及其治理[J].水力發(fā)電，2006（9）.