（水利工程专业论文）丰满水电站混凝土溢流坝病害及其加固措施研究.pdf

摘要 大体积混凝上，时常会出现漏水、裂缝、冻融破坏等病害，比如丰满水电站混凝土溢 流坝就出现了上述病害。其中以裂缝、冻融形成的破坏最为严重。 混凝土大坝裂缝是水电站建设以及运行期普遍关注的问题之一，某些比较严重的裂缝 会影响到大坝的安全运行。混凝土大坝中的裂缝既有在施工期产生，也有在大坝蓄水服务 期产生和发展的。本文根据丰满水电站溢流坝上游水库水温和气温观测资料以及施工资 料，对混凝土大坝裂缝、冻融病害进行成因分析。研究表明，混凝土的老化热温升、外界 气温变化、施工质量对早期及运行期混凝土的裂缝及冻融起着关键性的作用。 根据丰满混凝土大坝多年运行的实际情况，本文分析了1 9 8 6 年丰满混凝土大坝溢流 坝段泄洪冲毁的原因，指出大量渗水使得在溢流坝段下游面部分混凝土处于渗水饱和状 态，加剧了混凝土溢流坝下游面的冻胀和冻融破坏，导致了溢流面大面积冲毁事故。为了 保证被冲毁的溢流坝段下一个汛期之前正常安全运行，对冲毁坝段进行了补强加固，在补 强加固工程中采取了一系列行之有效的加固方案及工程技术，经多年的泄洪运行表明，所 采取的措施是十分有效的，取得了明显的社会效益和经济效益。本文对此作了总结，以期 为其它处于严寒地区的大坝的加固提供参考，提高大坝加固的总体技术水平。 关键词：大体积混凝土，溢流坝，裂缝，冻融，成因，加固措施 a b s t r a c t t h o s ed i s e a s e si n c l u d i n gw a t e rl e a k a g e ，c r a c k s ，f r e e z e t h a wo f t e ne x i s ti nm a s sc o n c r e t e ， s u c ha sf e n g m a nc o n c r e t es p i l l w a yd a m t h ed a m a g e sc r e a t e db yc r a c k sa n df r e e z e t h a wa r e g r e a t e s t i nt h es t a g eo fc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fc o n c r e t ed a m ，c r a c k sh a v eb e e np a i de n o u g h a t t e n t i o nb e c a u s es o m es e r i o u sc r a c k sm a yr e d u c et h ed a m s s a f e t y t h ec r a c k sm a yo c c u ra n d e x p a n di nt h ep e r i o do fb o t hc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec a u s e so fc r a c k sa n d 矗e e z e t h a wa r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o nd a t a o fw a t e rt e m p e r a t u r eo ft h e f e n g m a nu p s t r e a mr e s e r v o i ht h eo b s e r v a t i o nd a t a o fa i rt e m p e r a t u r ea n dc o n s t r u c t i o n i n f o r m a t i o n i ti si n d i c a t e dt h a tt h ec o n c r e t et e m p e r a t u r er i s ec r e a t e db yh e a to fh y d r a c t i o n , t h e c h a n g eo fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t ym a yh a v ec m c i a la c t i o nt ot h e e r a c k sa n df r e e z e - t h a w a c c o r d i n gt ot h es e v e r a ly e a r s o p e r a t i o no ff e n g m a nc o n c r e t ed a n a ，t h ew a s h o f fd e s t r o y o fs p i l l w a yd a mi n1 9 8 6a r ea n a l y z e dh e r e b e c a u s eo f ag r e a tl o to f s e e p a g e ，t h ec o n c r e t ea tt h e d o w n s t r e a ms i d ea r ei nt h es t a t eo fs e e p a g es a t u r a t i o nw h i c hp r i c ku pt h ef r e e z e - t h a wd e s t r o yo f t h ec o n c r e t ea tt h ed o w n s t r e a ma n di n d u c et h el a r g e a r e aw a s h o f fa c c i d e n t f o rp u r p o s eo f d e s t r o y e ds p i l l w a yd a m ss a f eo p e r a t i o nb e f o r en e x tf l o o ds e a s o n ，as e r i e so fe f f e c t i v es c h e m e s a n dt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nt a k e ni nt h er e i n f o r c e m e n to ft h es p i l l w a yd a m a f t e rs e v e r a ly e a r s f l o o dd i s c h a r g i n g ，i ts h o w su st h o s em e a s u r e sa r eu s e f u la n do b v i o u ss o c i a la n de c o n o m i c a l b e n e f i t sh a v eb e e ng a i n e d t h o s ee f f e c t i v em e a s u r e sa r ec o n c l u d e di nt h i sp a p e ri no r d e rt og i v e r e f e r e n c et ot h er e i n f o r c e m e n to fo t h e rd a m si ns e v e r ec o l dz o n ea n di m p r o v et h ee x i s t e n t r e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m a s sc o n c r e t e ；s p i l l w a yd a m ；c r a c k s ；f r e e z e t h a w ；c a u s e s ；r e i n f o r c e m e n tm e a s u r e 河海大学工程硕七学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 水工混凝土建筑物的老化过程是渗透力、化学溶蚀、冻害、磨蚀、环境侵蚀等因素长 期共同作用的结果。例如，由于一年四季气温的周期交替变化，冻融破坏常常导致混凝土 大坝产生裂缝。尤其对于地处东北地区的混凝土大坝，大坝混凝土表层疏松剥落、深层冻 胀破坏的现象十分普遍。对于溢流坝段，在高速水流冲刷气蚀作用下，有时会危及大坝的 安全运行，首先，带有表面裂缝的混凝土在高速水流所产生的气蚀作用下，引起溢洪道和 其他泄水建筑物的严重破坏；其次，混凝土内部膨胀产生裂缝，当水分进入后继续破坏或 引起其他形式的破坏，如冻融循环破坏。例如，1 9 3 7 年开始兴建的丰满大坝，1 9 4 3 年建 成，1 9 4 6 年和1 9 4 7 年汛期大坝泄洪后，溢流面被冲毁多处，最深达到2 4 m ，冲走混凝土 2 0 0 0 0 m 3 ，严重影响了大坝的安全运行。 大体积混凝土水工结构，如大坝、船闸、泄洪建筑物、电站厂房等，体积大、结构形 式复杂。混凝土浇筑后，由于水泥在水化凝结过程中，要散发大量的水化热，因而使混凝 土体积膨胀，待达到最高温度以后，随着热量向外部介质散发，温度将由最高温度降至一 个稳定温度或准稳定温度场，将产生一个温差。如果浇筑温度大于稳定温度( 或准稳定温 度场) ，这个温差就更大，这时，混凝土因为降温，将发生体积收缩，混凝土的水化热发 生过程，一般在浇筑后的3 5 d 左右，这时由于体积膨胀，在基岩部位受基岩约束，将出 现较小的压应力( 这是因为浇筑初期混凝土的变形模量小，还处于塑性阶段的原故) ，等 到混凝土由最高温度开始下降以后，由于混凝土是热的不良导体，需要经过很长时间，几 年、甚至几十年，才能达到稳定温度。在基岩部位，混凝土的收缩，受基岩约束，将发生 很大的拉应力( 这是因为混凝土的变形模量、随龄期的增加而迅速加大的原故) ，如果超 过混凝土的极限抗拉强度，就将出现基础贯穿裂缝。在脱离基岩约束部位，如果混凝土的 最高温度与外部介质的温差过大，内部热的混凝土约束外部冷混凝土的收缩，亦即内部温 度场呈非线性分布，也可能出现深层裂缝或表面裂缝。最可能和最危险的情况，是早期的 表面裂缝形成了坝体表层的弱点，在继续降温过程中，最容易出现具有破坏性的裂缝。尽 管如此，有关于在寒冷地区运行中的混凝土大坝下游面混凝土产生裂缝原因的研究比较少 见，同时这一问题在东北地区的混凝土大坝具有普遍性。 目前，研究混凝土大坝的老化过程和处理措施已经成为近年来国内外坝工界广泛关注 的研究课题。宋恩来系统的分析了多座东北混凝土大坝冻融破坏的原因口 ，李金玉采用实 验室试验方法研究了混凝土在冻融破坏过程中力学参数的变化1 2 j ，杨华舒分析了水工混凝 土建筑物的表层病害与整体老化问题p j ，陈改新有针对性提出了水工混凝土冻融破坏的修 补技术【4 】。i s h i k a w a 和h r a u j o 采用有限元方法研究了混凝土大坝在浇注过程中的温度应 河海大学工程硕士学位论文 力问题和裂缝安全评估问题【”i 【6 】；c h e n 研究了混凝土碾压坝浇注过程中的热应力问题和 网格重建技术 ，e l f g r e n 从断裂力学的角度系统地分析了混凝土大坝在地震荷载和水压 力荷载作用下裂缝产生原因【8 】。 1 2 丰满水电站水工建筑物运行概况 1 2 1 丰满水电站的基本情况 丰满电站大坝始建于1 9 3 7 年，1 9 4 2 年1 1 月水库开始蓄水，1 9 4 3 年3 月第一台机组 发电。1 9 5 3 年大坝全部建成，并开始人工调节水库。丰满大坝为混凝土重力坝，全长1 0 8 0 m ， 坝高9 l - 7 m ( 含加高1 2 m ) ，坝顶宽9 m _ 1 3 5 m ，大坝上游坡度0 0 5 ，下游坡度0 7 5 - 0 7 8 ， 全坝由6 0 个坝段组成，每个坝段长1 8 m ，分为挡水坝段、溢流坝段和取水坝段。每一坝 段施工时沿顺河方向以纵缝分为a 、b 、c 、d 四个坝块。在取水坝段内埋设1 0 条直径为 5 6 m 的压力钢管和一条直径为1 6 m 的厂用机压力钢管，在钢管首部设有拦污栅和平板检 修闸门( 无事故闸门) ，压力钢管进口中心高程为2 2 2 m ( 厂用机进水口中心高程2 2 0m ) 。 在溢流坝段设有1 1 个溢流孔和1 1 扇6 m x l 2m 的平板闸门控制下泄洪水，溢流孔最大泄 洪能力为9 2 4 0m 3 s ，闸门孔口底槛高程2 5 2 5 m ，顶部高程2 5 8 5 m ，闸门的设计水头1 2m 。 丰满水库为狭长河谷式不完全多年调节水库，流域年内平均多年降雨7 4 9 m m ，多年平 均来水1 3 2 亿m 3 ，总库容1 0 7 8 亿m 3 ，最大回水长度1 8 0 k m , 最大水深7 5 m 。水库汛限水 位2 6 1 o m ，水库正常高水位2 6 3 5 m ，最高库水位2 6 7 7 m ( 校核洪水位) ，死水位2 4 2 o o m 。 发电库容( 兴利库容) 5 3 5 亿m 3 ，防洪库容3 3 6 亿m 3 。 水库自人工调节以来，水库年蓄水超过汛期水位( 2 6 1 o o m ) 共有2 1 次，累计1 6 7 3 天，水库超过正常高水位运行年( 超过2 6 3 5 m ) 共有1 2 次，累计运行时间4 1 7 天，水库 最高运行水位达2 6 6 1 8 m 。水库在6 0 年的运行过程中经受了历次洪水的考验。 丰满流域气候特征为严寒湿润，夏季主要由太平洋季风控制，6 月一9 月为多雨季， 为全年降雨量的6 0 一9 0 ，一次最大降雨量达2 0 1 m e ，日最大降雨量达l l o m m 。流域年 内径流分配不均，多年平均入库流量4 1 2m 3 s ，最大年平均流量7 3 7m 3 s ，6 - 9 月份来 水集中，为年来水量的7 0 左右，一般年内发生2 6 次洪水，洪水过程一般为7 1 0 天， 最大瞬时洪峰流量2 2 7 0 0m 3 s ，最大2 4 小时平均流量为1 7 2 0 0m 3 s 。冬季寒冷干燥，气 候条件主要受西伯利亚高压控制，年平均封冻期1 3 0 天，一般从11 月到第二年的4 月， 1 2 月到1 月为寒冷期，最低气温达零下3 6 5 。c 。在这一期间内大坝遭受冻害。大坝混凝 土的冻融破坏，加速了混凝土的老化。 枢纽布置及部分坝段剖面见图1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 。 河海大学工程硕士学位论文 3 河海大学工程硕士学位论文 4 河海大学工程硕士学位论文 l - 2 2 丰满大坝建设及运行情况 丰满大坝在其建设及运行过程中，因历史原因共经历了四次设计及设计大变更，三个 历史施工时期，八次大坝鉴定。 1 2 1 2 1 四次设计及设计变更 1 伪满规划设计 1 9 3 2 年松花江干流特大洪水淹没哈尔滨市，1 9 3 4 年第二松花江又发生洪水。因此， 伪满产业部于1 9 3 5 年制订国道局治水调查实施计划书，其中包括第二松花江的水力发 电调查。当年，经过踏勘比较后选定小丰满坝址。仅简单地凭经验比较重力坝、支墩坝、 拱坝、土坝和堆石坝，认为重力坝安全可靠耐久，对抵抗爆炸更有绝对优势，最终选定重 力坝。坝体分缝参照美国经验，采用柱状块浇筑，分为a 、b 、c 、d 四块，3 条纵缝顶端 均折向下游而与之正交，纵缝位置分别为坝轴线下9 - 1 0 m ，2 3 2 4 m ，3 9 4 0 m 。 基础处理方面，仅规定上、下游均改齿槽，上游齿槽深度不少于6 m ，下游齿槽不少 于4 m ，坝基开挖做成上游低于下游的斜面。 日伪设计无正规设计书，施工图纸很少。目前较为完整的丰满发电所计划书( 即 本间报告) 乃是1 9 4 5 年原伪满水力电气建设局长本间德雄在长春向国民党政府所写的报 告。 2 柯登报告 1 9 4 6 年秋，资委会全国水力发电工程处美籍总工柯登考察丰满，并于1 1 月编成报告 呈交该处。这是目前尚存的继本间报告后第二份较完整的文件。报告对原设计与施工情况 进行评估并提出今后施工运行共4 7 条意见。由于战争，仅个别意见在小范围内不完整地 得以实施。 3 3 6 6 号设计 1 9 4 8 年3 月9 日丰满第二次解放，不久成立丰满水电局，恢复施工设备，浇筑混凝 土9 5 0 0 m 3 。 1 9 5 0 年2 月至5 月，苏联莫斯科设计院派出代表组到丰满广泛收集资料，深入调查 情况，1 9 5 1 年3 6 6 号设计第一批设计文件卷卜卷5 到丰满。以后陆续补充直到卷1 1 。 3 6 6 号设计实施后，大坝在不断维护和局部补修的情况下安全运行了3 0 年。 4 1 9 8 6 年大坝全面加固补强设计 丰满大坝恢复期的续建、改建后，大坝投入正常运行。但因原大坝混凝土施工质量低 劣，坝体渗漏严重，大坝上下游面受冻融、冻胀、风化等影响，混凝土破损脱落严重。 1 9 8 5 年水电部东北勘测设计院根据委托进行丰满大坝加固工程初步设计，1 9 8 6 年9 月提出设计报告。 设计根据现场调查、试验、进行稳定分析和应力计算，以及地震荷载下的动力分析后， 提出如下加固措施： a 大坝上、下游坝面全面外包一层钢筋混凝土。 b 预应力锚索、坝体锚索3 6 1 根分布于7 - 4 9 。坝段，平均每个坝段8 6 根，从坝顶 河海大学工程硕士学位论文 钻锚筋孔，一直到2 2 0 o m 高程，每根锚索的予应力吨位为6 5 2 2 0 吨。3 4 虻3 6 4 坝段坝基 锚索1 7 根，从2 0 0 m 高程廊道锚入坝基深2 0 m 。每根锚索的设计予应力吨位为1 7 5 2 2 5 吨。 c 坝体防渗 根据下游面漏水情况确定3 0 个坝段进行防渗灌浆，灌浆孑l 一般钻至2 2 0 m 。另外对 4 5 2 坝段横缝全部进行骑缝灌浆。 d 坝体排水幕，在大坝防渗帐幕下游的排水幕全部作清孔处理。 e 1 9 9 3 年日本海外协力团对丰满大坝的调查和加固报告 在丰满大坝全面加固期间，日本国国际协力事业于1 9 9 1 年一1 9 9 3 年几次派出人员对 丰满大坝进行了详细调查，最后于1 9 9 3 年3 月提交了加固报告书。 1 2 2 2 三个历史时期 日伪时期( 1 9 3 7 年- 1 9 4 5 年) ，这一时期是大坝的主施工时期，共完成混凝土浇筑量 1 7 2 1 万m 3 ，为大坝混凝土总量的8 9 ；第二个时期为国民党统治时期( 1 9 4 6 年一1 9 4 7 年) ，这一时期只完成2 6 万m 3 的混凝土浇筑量：大坝建筑的第三个时期是解放后的改建、 续建加固时期( 从1 9 4 8 年一现在) 。( 各年浇筑混凝土情况见表l - 2 1 ) 从表中可以看出，日伪时期1 9 4 2 年浇筑的混凝土达5 0 9k e 3 ，为这个期间混凝土浇 筑量最多的一年：1 9 3 9 1 9 4 0 年浇筑的混凝土中的水泥用量较高，混凝土的平均抗压强度 也较高，2 8 d 平均抗压强度均在l o m p a ；1 9 4 3 1 9 4 4 年浇筑的混凝土水泥用量减少，混凝 土的强度也相应减少，1 9 4 3 年的9 1 d 平均抗压强度只有8 4 m p a ，到1 9 4 4 年混凝土的抗压 强度减少到了7 o m p a 。 丰满大坝的运行过程，也是大坝的施工加固过程。大坝因受历史条件的影响，施工质 量较差( 图l _ 5 ，图1 6 ，图1 7 ) ，存在着严重的缺陷，主要是坝体内部存在较多的低强 混凝土，蜂窝、狗洞、无浆混凝土、裂缝、冷缝、渗漏严重及钙质析出、混凝土老化等混 凝土自身缺陷，还有部分受冻混凝土置于坝内；在坝体结构上存在着纵、横缝，横缝大部 分没按设计要求设键槽，纵缝没灌浆，大坝整体性差；坝基存在着施工期处理不彻底的大 断层破碎带；这些都构成了坝体稳定和应力不利等不安全性。坝体的漏水加剧了大坝混凝 土的老化，使坝体混凝土冻融破坏，溶蚀风化。因此从1 9 5 1 年开始就对大坝进行了大规 模的改建、加固工程。先后对大坝进行了固结灌浆：坝体a 、b 缝锚固灌浆：坝体、坝基 锚固：上、下游面补修等一系列的工程措施，使大坝在整体稳定、抗渗能力等诸方面得到 改善，大坝安全状况有了很大的提高。 1 9 8 6 年汛期放流期间，溢流坝1 2 # 一1 4 # 坝段被水冲坏，破坏面积达7 0 0 m 2 ，冲走混 凝土约1 0 0 0 m 3 ，冲坑深达3 o m ，无论是从冲坏的范围看，还是从冲后的破损面混凝土质 量看，坝体内部混凝土低强及冻融范围的破坏是普遍存在的，从而进一步说明大坝存在着 严重的质量问题，由此开始了丰满大坝新一轮的补强加固工程丰满大坝加固工程。 丰满大坝加固从1 9 8 6 年开始到1 9 9 6 年完成，基本解决了丰满水库防洪标准不足，大 坝抗震能力不够；大坝2 2 5 m 高程以上坝体防渗，坝面混凝土冻害和老化等工程问题，从 而大坝的安全运行状况有了较根本的改善。 河海大学工程硕士学位论文 表i 2 1 混凝土浇筑量和强度指标 水泥用量9 1 d 抗压强度年浇筑量累计浇筑量 年代 ( k g m 3 )( 6 p a )( k m 3 )( k m 3 ) 1 9 3 83 03 0 1 9 3 92 7 3 52 5 1l l l1 4 l 日 1 9 4 02 8 2 91 8 o2 0 43 4 5 伪1 9 4 12 6 8 51 3 32 9 06 3 5 时1 9 4 22 6 5 91 1 05 0 91 1 4 4 期1 9 4 32 1 9 o8 43 2 31 4 6 7 1 9 4 42 1 4 47 01 8 21 6 4 9 1 9 4 55 51 7 0 0 国 1 9 4 62 11 7 2 1 民 1 9 4 7 51 7 2 6 党1 9 4 8i 01 7 3 6 统 治 1 9 4 9 - 1 9 5 01 8 01 9 1 6 时 期 1 9 4 8 1 9 5 3改建时期拦河坝、护坦、挡墙等2 4 0 解维护加固 放 1 9 5 6 1 9 8 4灌浆1 0 4 8 3 m1 2 1 后 增设排水孔3 3 6 m 1 9 8 6 抢修加固 4 1 需 大坝全面加固，混凝土满足设计要 改 1 9 8 8 1 9 9 7 求 预应力锚索7 1 7 0 2 0 肼3 8 2 根 建 灌浆 1 1 6 6 5 m 7 ， 河海大学工程硕士学位论文 8 河海大学工程硕士学位论文 图1 7 日伪时期旅工照片 1 2 2 3 八次大坝鉴定 丰满大坝自1 9 4 2 年投入运行以来，根据大坝不同时期存在的问题进行多次的检查、 鉴定、补修、加固工作，对大坝的质量及安全问题进行了研究和处理，使大坝健康水平得 到不断的提高。大坝运用期共进行了8 次鉴定，其各次鉴定的主要内容如表1 2 2 。 河海大学工程硕士学位论文 表1 2 2 大坝历次鉴定主要结论统计表 序号鉴定时间鉴定主要结论 1 ) 3 6 6 号设计的实施使大坝的安全状态显著好转； l1 9 5 8 4 2 ) 大坝在2 6 6 1 8 m 情况下是安全的； 3 ) 坝基断裂带对大坝的影响不大。 1 ) 大坝地质情况基本查清： 2 ) 经帷幕灌浆和排水，大坝扬压力普遍降低，大坝在2 6 6 水平时是 2 1 9 5 9 9稳定的； 3 ) 右岸地下水拾高不影响坝体的稳定： 4 ) 加强大坝的观测工作。 1 ) 3 5 坝段附近是大坝稳定中最薄弱环节，在7 度地震作用下，保 持稳定的库水位为2 6 3 1 m ； 31 9 6 1 1 0 2 ) 高水位时大坝安全控制指标以抗滑安全系数为最好。 3 ) 做岩石块体试验，以查明坝基混凝土与岩石的摩擦系数、粘着力。 1 ) 丰满地区的基本地震烈度为6 度； 2 ) 3 4 3 8 坝段的地质条件基本清楚； 41 9 6 2 1 2 3 ) 大坝观测设备须逐步充实和完善； 4 ) 4 7 坝基断层破碎带在右岸地下水未查清前暂不灌浆处理。 1 ) 3 5 坝段及右岸地下水情况基本了解； 2 ) 大坝观测资料反映大坝状态正常； 3 ) 大坝运行控制方式： 51 9 6 4 a 库水位应按2 6 6 2 m 控制： b 水位在2 6 3 5 m 遇7 度地震时可以长期运行： c 水位在2 6 6 5 m 遇7 度地震时维持时间不超过一个月。 4 ) 对薄弱坝段采取加固措施。 1 ) 经过对大坝加固和改造，大坝是正常稳定的和1 9 5 7 年比安全水 平提高1 0 。 2 ) 3 43 8 坝段存在大范围破碎带，短期高水位不发生地震的情况下 61 9 6 9 8 是安全的； 3 ) 对关系到大坝安全的地质条件，抗剪参数、地震荷载还须分析 计算。 1 ) 摸清了薄弱坝段的地质情况，3 6 号坝段断层破碎带对大坝稳定 不起控制作用； 7 1 9 7 3 5 2 ) 水位在2 2 6 5 m 时大坝是稳定的，当水位在2 6 5 m 遇7 度地震时稳 定基本无问题，安全余度小。 1 ) 大坝防洪标准按5 0 0 年一遇、1 0 0 0 0 年一遇洪水校核是合适的。 2 ) 丰满水库1 2 2 4 小时的洪水调度及洪水预报是具备条件的。 81 9 9 6 3 ) 丰满大坝稳定总体上基本达到现行规范要求，结构强度上整体性 较差，处于较高应力状态。 河海大学工程硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 本文针对丰满水电站大坝运行过程中出现的问题，分析了溢流坝的主要病害，并对其 成因进行分析，在此基础上提出除险加固方案，具体工作如下： 1 溢流坝存在主要病害分析。结合实际分析出丰满溢流坝存在的主要病害有漏水、 冻融及裂缝。 2 溢流坝病害成因分析。从理论分析及旌工因素两个方面分析了溢流坝裂缝等病害的 成因。 3 病害加固研究。通过对不同的加固方案的论证与研究，取得最优加固方案，并对工 程技术措施及效果进行分析，实践证明，丰满溢流坝的加固措施是科学合理的。 第二章丰满混凝土溢流坝主要病害研究 2 1 概述 丰满混凝土重力坝坝址区多年平均气温5 3 0 c ，最低日平均气温- - 3 0 7 0 c ，坝体混凝 土负温区坝顶部为7 8 m ，下游面为4 5 m ，冻胀破坏力极大，大坝年冻融循环次数上游 面1 3 3 次；下游面1 4 次；坝顶5 8 次，下游尾水位变化区2 6 5 次，而该大坝混凝土浇筑质 量较差，渗透性好，大量的渗水使得在溢流坝段下游面部分混凝土处于渗水饱和状态，这 就进一步加剧了混凝土大坝上下游面的冻胀和冻融破坏 1 3 1 。丰满混凝土大坝曾经在一个 相当长的时间内，坝顶逐渐上抬，1 9 5 9 至1 9 8 6 年期间，坝顶最大上抬量达到3 8 6 7 r a m ， 破坏了大坝结构的整体性 1 ”。经过分析论证，这种异常现象的原因是由于渗水流入大坝 上部水平裂缝后，冻结产生巨大的冻胀作用的结果。水在冻结后，体积会增加1 0 。由于 水的可压缩性极小，因此水的冻结将对其给定边界产生很大的拉应力。这种应力在混凝土 内可能会引起裂纹，使混凝土内原有的孔隙扩大。这种压力随着水的冻融而出现和消失， 周而复始，必然使混凝土发生疲劳破坏，并加快有效成分的溶蚀，导致大坝混凝土结构内 部材料损失、整体疏松、强度下降、渗透加剧，从而大坝混凝土建筑物发生实质性老化。 2 2 丰满溢流坝主要病害情况 关于溢流坝面的破坏情况，丰满电厂过去在运行中已做了仔细观察和局部修补。自 从1 9 8 5 年末丰满大坝加固设计开始以来，又发生了1 2 ”和1 3 “坝段溢流面被冲坏现象，在 完成了上述1 2 l 1 4 4 坝段的开挖及混凝土浇筑抢修工程后，另外又进行了充坝面钻孔调 查。这些都为进一步认识溢流坝面存在的问题提供了良好机会和宝贵材料。1 9 8 6 年8 月 发生溢流坝面冲坏事件，虽然直接原因是由于大坝放水，高速水流冲坏所致，但究其实质， 乃是该坝段受冻破坏严重，坝面膨胀抬高，坝面以下脱空，坝面裂缝与坝内脱空裂缝连通， 在高速水流作用下，导致了坝面大面积被冲坏，现有资料说明，溢流坝面破坏的程度是异 常严重的，为国内外大坝罕见。大坝破坏的根本原因是漏水、冻融冻胀继而开裂，现将这 方面情况分述如下。 2 2 1 漏水 坝体内部的漏水情况，可由坝体排水孔的排水量作表证，溢流坝和挡水坝的排水孔总 排水量没有多大差别，排水量也属一般。由此可以认为，溢流坝的漏水问题主要在于影响 到溢流坝面的漏水。 早在1 2 4 和1 3 “坝段溢流面冲坏之前，就发现了1 2 。一1 4 4 坝段冻胀波起处。沿其下缘 有一条明显的漏水线。坝面开挖后，在开挖面上发现几个较大的集中漏水点和一些分散的 渗水点。集中漏水点以1 4 虬1 5 。坝段横缝、1 4 t 1 3 “坝段横缝和1 3 4 坝段内约2 1 0 m 高程、 1 2 河海大学工程硕士学位论文 距1 4 - 1 3 。坝段横缝2 o m 左右处为较大，这三处漏水点已在施工中作了引流处理，此外， 一些水平施工缝、蜂窝状混凝土等缺欠处也有水渗出。坝体漏水现象在1 2 “坝段不够严重， 只限于靠近1 3 “的半个坝段，主要集中在1 3 4 和1 4 4 坝段。按施工中坝面凿冰量估算，三 个坝段的漏水量约7 升分。1 5 4 坝段没有进行开挖，但从1 4 “坝段的开挖侧面见到1 5 。坝 段坝面已经与底层裂开，1 5 4 坝段的靠1 4 “坝段的侧缝上，有水渗出，有一个点呈细小射 流。1 5 4 与1 6 4 坝段闻横缝上，约在v 2 1 0 m 高程处有一个由坝内引出来的排水管，冬季形 成巨大的冰包。这些现象，说明1 5 4 坝段也是漏水严重的坝段，1 2 # - 1 4 4 坝段开挖的顶断 面上，由1 3 4 坝段方向来的坝面下大裂缝在1 2 。坝段中部尖灭，裂缝尖灭位置，正好与坝 面鼓起和冲坑的左边缘相符。大裂缝在1 5 4 坝段继续向右延伸，目前尚不能判断到何处为 止。但可以肯定，1 5 8 坝段面己大部分鼓起。上述现象有力的说明，漏水严重的部位正是 坝面鼓起的部位。 关于漏水通道，目前尚不能准确确定。根据开挖中暴露的漏水现象可以大致归纳为： 1 开挖顶断面沿裂缝普遍漏水，冬季沿开挖顶面大裂缝普遍结有长长的冰舌，其中 以横缝处更为突出。这部分漏水是开挖面上部漏水在断面处流出，以沿大裂缝流动的水为 主。 2 开挖面上的漏水点和渗水点，都发生在缺陷处，即水平旋工缝、冻胀裂缝和无胶 结或少胶结的混凝土处。其分布极为普遍。这些漏水点和渗水点的存在，说明开挖面以下 的混凝土内，是充满渗水而饱和的。渗水的通道是大量贯通的，渗水分布较普遍。 坝轴线下游3 o m 设有坝体排水孔，孑l 距4 5 m 。这道排水幕，应当截住坝上游的渗 水。但是实际上溢流坝排水孔的排水量远小于开挖面上漏水点的漏水量。以1 3 。坝段为例、 1 9 8 7 年5 月2 0 库水位约为2 5 4 m ，坝面漏水点的漏水量2 4 8 升分，而相当于这个库水位 时，该坝段排水孑l 的排水量不足l 升分。说明排水幕不能全部截住渗水，即使增加新排 水孔并对i t 孑l 进行扫孔，只能减低坝体扬压力，但仍会有相当多的漏水绕过排水孔而渗入 下游面且无法保证下游面混凝土干燥。由集中渗流通道的来水绕过排水孔而且渗流到下 游，所以进一步寻找集中渗水通道，针对集中渗水通道采取措施，仍是重要的课题。现场 观察，横缝附件的结冰量比其他部位更多，坝体横缝很可能主要集中漏水通道之一，漏水 沿坝体缺陷渗流，由于坝体缺陷太多，且相互连通，形成了广泛的含水区域，致使大坝下 游面附近的混凝土处于充分饱和含水状态，为冻胀破坏提供了必要的条件，但由于丰满大 坝普遍存在蜂窝、张开的水平施工缝和纵横缝，裂缝等缺陷，灌浆措施无法完全截住渗水， 保证下游面干燥，只能减少渗漏水量，延长其寿命，单纯靠灌浆来防止冻胀是不可能的。 2 2 2 冻融破坏 丰满大坝地处严寒地区，加之坝体漏水严重，不可避免将产生混凝土冻融破坏，对建 筑物的耐久性产生还大危害，表现为混凝土蜂窝空洞、剥落、开裂扩展、钢筋外露等等， 更为严重的是使坝面溢流后，混凝土大面积冲毁，影响工程正常运行。 丰满发电厂对丰满大坝的上、下游坝面冻融破坏情况做过多次调查：1 9 5 0 年调查， 大坝上游面2 4 6 m 高程以上冻融破坏面积为4 6 0 m 2 ；1 9 6 3 年调查，上游面高程2 3 8 m 以上冻 河海大学工程硕士学位论文 融破坏面积达8 8 3 8m 2 ，占调查面积的3 0 。其中，混凝土剥落深度0 1 0 m 以上有3 3 0 0 m 2 ， 最大剥蚀深度达0 8 旷1 o m ，破坏以水位变化区2 4 8 m - 2 6 0 m 为重。下游面破坏面积6 6 0 0 m 2 ， 占调查面积的5 0 上下，大部分下游坝面敲出有空洞声，表面变色，部分剥落，一般破 损深度0 2 m o 4 m ，部分有植物生长；1 9 7 0 年调查，当时库水位2 3 1 2 m 一2 3 0 1 2 m ，上游 坝面破坏面积4 0 7 1 2m 2 。其中，混凝土蜂窝面积9 6 5 5 7m 2 ，深洞2 7 处，深度为0 3 m 一0 6 m ； 1 9 8 1 年溢流坝溢流后，冲掉溢流面混凝土4 0m 2 ，最大冲深0 5 m ，发现溢流面有些部位出 现严重开裂：1 9 8 4 年，调查发现，1 8 4 坝段溢流面在2 0 0 m 高程处钢筋外露，混凝土冲深 0 1 7 m 。1 4 坝段2 0 4 m 一2 0 6 m 高程处混凝土冲深0 3 m ，钢筋被冲掉；1 9 8 6 年8 月7 日，1 2 ” 一1 4 4 坝段溢流时，冲毁混凝土面积约7 0 0m 2 ，冲深2 o m - 3 o m ，估算冲走混凝土约1 0 0 0m 3 ， 见图2 。1 ，图2 。2 。1 9 8 6 年对大坝下游面做全面调查，下游面冻融破坏面积增至1 3 0 0 0 m 2 。 坝顶混凝土和上、下游拦杆及上部检查廊道混凝土，虽然没有直接长期和水接触，但 受降雨、降雪溶水、工程用水入渗等影响，以及冬季受周围水雾结霜影响，再加上坝上部 混凝土浇筑质量低，所以坝顶混凝土也是裂缝多，受冻破坏普遍。如上、下游方向的裂缝 和坝轴线方向的裂缝很多，拦杆抹面普遍剥落，拦杆底脚多处收缩裂缝，角隅剥离，坝顶 表层混凝土疏松等等。 上述调查中发现的溢流坝面的破坏，根本原因是混凝土受到冻胀影响。1 2 4 1 4 “三个 坝段的破坏和开挖中暴露出的现象，为此提供了充足的依据。漏水量较大的部位，坝体下 游面附近混凝土内含水量大，或处于饱和状态，经过冻胀，形成冻胀裂缝，裂缝中又充满 了水，受冻再膨胀，则原来裂缝扩大，如此往复，恶性循环，形成了溢流面下大裂缝，并 使坝面鼓起。1 9 8 6 年被冲坏的部位就是鼓起最明显的地方。 图2 11 9 8 6 年溢流面冲毁现场 1 4 河海大学工程硕：e 学位论文 图2 21 9 8 6 年溢流面冲毁现场 2 2 3 裂缝 已经开挖的三个坝段的顶部断面上，大裂缝贯穿了1 4 4 坝和1 3 4 两个坝段的全长和1 2 。坝段的一半，其占两个半坝段，向右侧插入1 5 4 坝段后仍不见尽头，裂缝在坝面以下的 埋深约1 5 2 。3 m 之间，在开挖范围的1 5 4 坝段侧壁上，裂缝在反弧段及以下趋向闭合。 自反弧段向上，裂缝宽度逐渐加大。到v 2 2 0 m 附近，实际量测到的裂缝真实宽度达8 c m ， 裂缝的上下两侧，混凝土已呈松散状。1 2 4 、1 3 “、1 4 4 、1 5 4 坝段侧断面的裂缝实际调查素 描见图2 3 ，图2 4 。 除了张开很大的大裂缝外，沿坝面方向还发育着许多细裂缝。细裂缝分布的情况是，在按 3 6 6 设计所域的混凝土层内，除个别两根钢筋之间有裂缝外，不见其他裂缝，这部分混凝 土基本是完好的。3 6 6 设计混凝土层与其下部混凝土之间的结合缝，一般是很细微的裂缝， 缝宽不足】m m 。再往下则是老混凝土在】1 3 0 】7 0 m 厚度内裂缝密布，有的地方多达】4 条，缝的间距仅l o c m 左右。这些细裂缝一般不相互连通，但每条缝延伸很长，在开挖面 上还残留有未挖尽的坝面方向的裂缝。有的地方在开挖面以下仍有存在，打锚筋孔吹孔或 冲洗孔时有时发生邻孔或隔孔串气串水现象，其中的一个原因就是下边有这样的缝。( 另 一个原因是下边有无胶结或少胶结的蜂窝或张开的水平箍工缝) ，丰满大坝实测负温区最 大深度4 o m ，溢流坝抢修开挖最大深度2 5 m ，除了在2 5 m 深度内有大裂缝和许多小裂 缝外，现在挖面以下仍有裂缝。 溢流面钻孔调查，在8 个坝段上共钻2 7 个调查孔，孔深6 o m 。孔内作电视观察，共 发现裂缝1 9 4 条，缝宽以2 - 4 m m 者居多，最大缝宽2 0 r a m 。裂缝埋置深度的统计结果是， 深度4 o m ( 负温区深度) 以下，所见裂缝不多，约占缝总数的1 0 ，有9 0 裂缝分布在 1 河海大学工程硕士学位论文 河海大学工程硕士学位论文 图2 41 5 。坝段侧面裂缝素描 2 3 丰满溢流坝病害原因分析 水工混凝土的老化病害一般都不会单独出现，往往一类病害会导致其它病害的出现， 新出现的病害又将加深先前的病害，他们之间互相促进，形成恶性循环，加速混凝土的老 化进程。丰满溢流坝出现的种种病害包括漏水、冻融破坏，裂缝等，他们之问亦是互相影 响的，互相促进的。 大体积混凝士病害以裂缝、冻融形成的破坏最为严重，而裂缝是主要根源，由于出现 裂缝，可以发展成为漏水量增大、钙质析出、冻涨空鼓、变形移位等，严重时，导致建筑 物破坏。裂缝主要发生在大体积混凝土的施工缝，大坝的纵、横分缝，无胶结或少胶结处， 旋工缺陷处，建筑物的应力集中部位，灌浆处理没有截住的漏水部位等。同时，东北地区 冬季温度变化，由于裂缝的存在，形成了水在混凝土内的冻结，冻融交替发生，导致混凝 土的不可逆变形，是导致建筑物破坏的直接原因。 丰满混凝土溢流坝的冻融破坏是严重的病害，其基本原因可归结为： 1 混凝土质量差且不适应当地气候条件。4 0 年代混凝土浇筑时对混凝土的抗冻性 实践经验少，无充分研究，混凝土拌和均未加外加剂或引气剂，普通混凝土抗冻性能均较 河海大学工程硕士学位论文 差，再加之混凝土浇筑施工质量不好，所以冻融破坏很快。 2 日温差大。丰满大坝地处严寒地区，而且开始结冰时期的l o 月和开始化冻时期 的4 月日温度变化幅度大。查阅1 9 5 0 1 9 8 6 年气温观测资料，日温差较大的1 0 月份达2 3 6 ，4 月份达2 3 5 。 3 冻融频繁。大坝上游面为向阳面，下游面为背阳面，1 9 8 5 年1 0 月2 6 日至1 9 8 6 年4 月3 0 日实测坝面正负温循环次数，上游面为1 3 2 次，下游面为2 1 次，坝顶( 百叶箱 内) 4 4 次。坝南面表面受日照影响中午温度升高，夜间坝体表面冷却，使坝体表面温度 在o 上下反复次数很多，如果混凝土是潮湿或被水饱和的，则冻融次数将很多。 2 4 本章小结 本章细致研究了丰满混凝土溢流坝所受的病害。发现其病害类型包括漏水、冻融破坏 及裂缝等三种主要型式，这些病害的存在己严重影响了工程的安全运行及工程效益的正常 发挥。 大体积混凝土病害以裂缝、冻融形成的破坏最为严重，而裂缝是主要根源。由于出现 裂缝，可以发展成为漏水量增大、钙质析出、冻涨空鼓、变形移位等，严重时，导致建筑 物破坏。同时，东北地区冬季温度变化，由于裂缝的存在，形成了水在混凝土内的冻结， 冻融交替发生，导致混凝土的不可逆变形，是导致建筑物破坏的直接原因。在本文下一章 中将主要分析溢流坝的裂缝成因。 河海大学工程硕士学位论文 第三章溢流坝裂缝等病害成因分析 3 1 概述 丰满地处严寒地区，大坝长期受冻融、干湿冷暖交替作用，混凝土破坏严重，使大坝 安全受到威胁，从1 9 5 1 年至1 9 8 2 年曾进行过四次较大规模加固和补修。1 9 8 6 年汛期放 流时1 2 # - 1 4 。溢流面被冲坏约1 0 0 0 平方米，冲走混凝土约2 0 0 0 立方米，严重威胁大坝的 安全运行，1 9 8 7 年对被冲毁部位进行了抢修，从1 9 8 8 年开始对丰满大坝进行又一次全面 加固，对溢流坝面采取凿除厚度不同，各坝段新浇混凝土厚度不同，多数坝段凿除3 0 c m 原解放初施工的真空混凝土，再浇1 5 m 厚新混凝土，使新浇溢流坝面较原坝面抬高1 2 m 。 对1 5 。坝段，由于冻涨破坏严重，老混凝土凿除厚度达2 0 - 2 5 m ，新浇混凝土厚度达 3 2 3 7 ，各坝段的反弧段均为0 5 m 厚。新浇混凝土设钢筋网，网筋采用中1 6 的二级钢 筋，间、排距为2 5 c m ，网筋用间、排距为1 0 m 梅花型布设的锚筋锚大在旧混凝土上。混 凝土浇筑时坝段间留有永久横缝，浇筑时采用倒模或滑模由下至上连续上升，浇筑速度沿 溢流方向平均5 m 天，约2 0 天浇筑完一个坝段，浇筑块顺溢流方向长度为8 0 9 0 m ，宽1 8 m ， 中间不设结构缝，属薄层通仓浇筑。 溢流面原混凝土和新浇筑的混凝土施工2 0 天左右即发现了一些裂缝( 见图3 1 、3 2 、 3 3 、3 4 ) ，入秋以后，裂缝进一步发展，坝面出现多条水平裂缝和竖向裂缝。东北地区 以往在混凝土坝溢流面上浇筑二期薄层混凝土时均产生过一些裂缝。为此在丰满坝面加固 设计中采取了一些措施，如布设了较密的螺纹钢筋网，以加强溢流面混凝土的整体性，采 用了低流态高标号的混凝土配比，限定了混凝土的浇筑时间，采用了保温措施等。但还是 产生了裂缝。因此，研究分析这些裂缝的成因，对坝面新浇混凝土的工作状态进行分析研 究，对选取裂缝处理方案、坝面补强方法和大坝安全运行都具有重要意义，对东北地区其 它大坝亦有参考价值。 本章主要将主要从理论分析及施工质量等方面对裂缝成因进行分析，研究应力和断裂 之间的关系及早期裂缝的形成和发展。 河海大学工程硕士学位论文 2 0 河