混凝土坝老化过程及“预期寿命”的探讨

宋恩来

（东北电网有限公司，辽宁 沈阳 110181）

我国修建的大坝已超过85 000座，其中混凝土坝约占2／3，大中型水电站中混凝土坝约占70%。混凝土坝与其它坝型相比有很多优点，但同所有大坝一样，也存在老化现象。

大坝蓄水运行后，即受到外界恶劣环境（如温度变化、冻融、冻胀、碳化、水质侵蚀等）的影响和多种荷载的共同作用（如水压力、渗透、扬压力、温度和冰压力等）及坝体混凝土体积变形（干缩、碱-骨料反应）、徐变等，同时还要经受洪水、地震、泄洪、排沙、排污和引水发电等各种运行工况的考验。若干年后，老化现象逐渐显露出来，随着时间的推移逐渐恶化，可靠性和安全等级降低，必须进行修补、加固或改造才能保证安全运用。

1 混凝土坝的老化过程

大坝老化包括坝基和坝体两部分，坝基老化表现在基础材料变弱、防渗和排水系统失效、岩石缝中填充细料流失等；坝体老化表现在裂缝扩展及发育、渗漏溶蚀、体积改变、冻融和冻胀破坏、碳化、排水系统堵塞等。如在坝上布置有泄洪与引水部分，则老化还表现在冲刷、磨损与空蚀、金属构件锈蚀和变形、闸墩裂缝、电器设备绝缘降低等。

混凝土坝各种老化现象都是由小到大、由表及里逐渐发展变化的缓慢过程，其速度不仅与混凝土材料、外界自然条件和运行环境有关，同时与设计、施工和运行管理等有关，各个方面都必须给予重视，则可防止或减缓老化的进程。

1.1 混凝土坝各个时期

混凝土坝同其它生物的生长过程一样，也有“生老病死”的周期。这一老化过程可分为青年期、中年期和老年期，也可以将这三个时期称为适应期、稳定期和老化期，而在每个进程中又可能出现患病期。

1.1.1 混凝土坝青年期

青年期为大坝运行的早期。从施工开始，经水库蓄水，上游水压力、扬压力、渗透压力、温度等各种荷载逐渐作用于坝体。随着时间的推延，坝体混凝土还会发生体积变化，比较常见的有早期水泥水化热引起的体积膨胀和干缩，还有碱-骨料反应，它可以长时间引起较大的体积膨胀。体积膨胀和变化有时会导致混凝土质量变劣并引起裂缝。混凝土还有徐变性质，即在常应力下应变随时间而增加。水泥（以及可能的骨料）的徐变及松弛造成了混凝土的徐变和松弛，它将降低坝体结构中的应力，因而可减少混凝土的裂缝，从这个角度看，它们提高了坝的安全度。试验表明，徐变的速度与初次加载时的混凝土龄期有关，龄期越老，徐变越慢。

观测资料反映，这个时期坝体的温度趋于稳定，坝体的渗透压力趋于稳定。混凝土坝从早期弹性模量低、强度低、徐变率高，随着坝龄的增长，其弹性模量和强度都逐渐增长，弹性模量的增高使弹性变形稍有减少，抗拉和抗压强度升高。与徐变有关的应变也在发生，坝基和坝体均出现一定的时效变形。大坝开始适应蓄水后的应力，其综合特性朝着大坝安全有利的方向发展，使大坝安全度随着坝龄的增加而有所提高，可靠度上升，一直到大坝稳定下来进入“正常状态”。

1.1.2 混凝土坝中年期

大坝经过青年期的适应后，各种性能已经稳定。大坝在各种正常荷载作用下，坝体任一部位的应力均在允许范围之内，坝踵区不出现拉应力，抗滑稳定满足设计要求。在中年期，大坝总体上处于线弹性或粘弹性工作阶段，应力应变呈线性关系。荷载和位移基本上也呈线弹性或粘弹性关系。

长期运行的混凝土坝，经历了各种荷载工况后，结构性态不断调整，同时在环境和渗流等因素侵蚀下，其材料特性也发生变化，这时大坝变形监测资料可综合反映混凝土结构的实际性态。观测资料反映，大坝的变形、渗流等变化均有一定周期性，不会出现大的波动；定量分析表明，变形值或渗流值与水位分量、温度分量有很好的相应关系，时效分量所引起的变形值或渗流值已经很小或消失。在这个时期，除遇超标荷载（洪水、地震等）外，大坝可以安全运行，可靠度高，是大坝运行的最佳时期。

恢复中年期：随着时间的推延，大坝老化现象开始显露并发展，为保证大坝的各种功能达到原设计要求，采取一定的补强加固措施，消除工程缺陷，使大坝综合特性得到改善和加强，使坝体任一部位的应力又处在允许范围之内，坝踵区不出现拉应力。坝体裂缝不再扩展；坝基帷幕、坝体冻融破坏和冻胀破坏得到了补强；大坝泄洪部位的冲刷磨损和空蚀破坏在控制范围之内；渗漏和溶蚀明显减小；对碳化和钢筋锈蚀进行了处理。观测资料表明，与加固前相比，大坝的变形幅度减小，荷载和位移基本上也呈线弹性或粘弹性关系。

1.1.3 混凝土坝老年期

随着大坝坝龄的增长，坝体和坝基材料成分、结构等均发生变化，强度有一定降低，渗透和溶蚀加大，裂缝扩展并发育，冻融和冻胀破坏加剧。这个时期大坝的功能虽然可满足设计要求，有时必须进行处理，随着坝龄的增长，大坝的综合特性有可能逐渐向不利的方向发展，安全度降低，失效率上升。在这个时期，随着荷载的增加或条件的变化，大坝坝踵拉应力增大，下游区压应力加大，坝体内部分区域开始出现压剪屈服等，大坝的变形有些增加，变形与荷载呈非线性关系。大坝处于弹塑性或粘弹塑性工作状态。但由于设计时对抗滑稳定、混凝土强度等均留有较大的裕度，在老年期的一定阶段，大坝仍能满足使用功能，并可安全运行。

大多数情况下，老化进程是缓慢的，但有的老化现象会加速，如单支墩大头坝在施工期出现劈头裂缝，其裂缝的扩展往往速度较快，由于温度荷载的周期性作用，缝内水压逐渐增大，会使裂缝劈裂，影响大坝的侧向稳定。寒冷地区大坝的泄洪部位，由于混凝土的冻融、冻胀破坏再遇高速水流冲刷，老化速度也会加剧，有时会造成破坏。

恢复老年期：为确保大坝的安全，使其满足各项使用功能，避免或减缓混凝土坝的老化进程，对大坝采取较全面的补强加固措施，消除工程存在的缺陷，使大坝综合特性得到一定的改善和加强。坝基帷幕到了补强，疏通了排水孔；挖除了冻融破坏和冻胀破坏的混凝土，并进行了补强；大坝溢流部位满足泄洪要求。荷载和位移基本上也呈线弹性或粘弹性关系。观测资料表明，与加固前相比，大坝的变形幅度减小，渗漏量减小，裂缝开合度有一定周期性。

1.1.4 混凝土坝患病期

大坝经过多年的运行，坝体混凝土、坝基岩石等均发生较大变化，强度降低很多，渗透和溶蚀加大，混凝土原裂缝扩展，并出现大量新裂缝，冻融和冻胀破坏严重，各种老化现象加剧。这个时期大坝功能降低速度较快，大坝的综合特性随着坝龄的增长逐渐向恶化的方向发展，安全度大幅度降低，失效率显著上升。在这个时期，随着荷载的继续增加或条件的变化，当超过一定的数值后，大坝变形急剧增加，大坝出现开裂，屈服区急剧扩大，出现大的变形。当荷载达到临界值时，大坝可能破坏，完全丧失承载能力，失去其使用功能。大坝患病期可能在青中年期发生，也可能在老年期出现。

1.2 混凝土坝各个时期坝龄推定

1.2.1 变形与综合弹性模量

由于混凝土坝坝型、材料、设计水平、标准、施工条件、要求、运行管理和大坝所处环境等不同，大坝各个时期的坝龄也不相同，很难给出具体数字。一般来讲，坝龄短为青年期，坝龄长为老年期，二者之间为中年期，大坝达不到设计使用功能时为患病期。

大坝的建筑材料为混凝土，混凝土的弹性模量与变形和强度有一定关系。大坝运行时要进行安全监测，其中，必不可少的监测项目是变形监测，可通过大坝的变形监测数据来判断。即长期运行的混凝土坝，坝体混凝土的综合弹性模量是影响变形和强度等的主要综合参数，用实测变形资料反演混凝土坝的综合弹性模量来判断大坝的各个时期。虽然混凝土坝各部位混凝土的强度等参数不同，坝体混凝土各区的弹性模量也不同，但大坝蓄水运行后经历了各种荷载的综合作用，其结构性态不断调整，同时在环境和渗流等因素侵蚀下，其材料特性也发生了变化，变形监测资料能综合反映混凝土结构的实际性态。

青年期、中年期的大坝总体上处于线弹性或粘弹性工作阶段，应力应变呈线性关系，荷载和位移基本上也呈线弹性或粘弹性关系。老年期，大坝处于弹塑性或粘弹塑性工作状态，大坝的变形有些增加，变形与荷载逐渐呈非线性关系。患病期，大坝的综合特性随着坝龄的增长逐渐向恶化的方向发展，随着荷载的继续增加或条件的变化，当超过一定的数值后，大坝变形急剧增加，大坝出现开裂，屈服区急剧扩大，出现大的变形。

1.2.2 工程实例

（1）工程概况

古田一级水电站位于福建省古田县城下游峡谷入口处，大坝设在龟濑。水库容积6.55亿m3，为多年调节水库。电站为二等大（2）型工程，大坝为Ⅱ级建筑物。坝型为混凝土宽缝重力坝，坝顶全长412.0 m，最大坝高 71.0 m，坝顶高程 384.5 m，正常高水位 382.0 m，设计洪水位 382.63 m，校核洪水位383.87 m。

大坝于1957年8月开工，1959年6月下闸蓄水，1959年底全部建成。老水平位移监测系统从1960年5月25日开始观测，1966年12月停测。新观测系统于1964年6月8日开始进行监测。

（2）综合弹性模量

文献[1]的反演成果：

将1964～1998年古田一级大坝的水平位移监测资料分为6个时段，即1964～1969年、1970～1975年 、1976～1981 年 、1982～1988 年 、1989～1993 年 、1994～1998年。对每段资料建立监控模型，仅分离出坝体变形的水压分量（δH），并假设 Ec=2.1×104MPa，用有限元计算δ′H，然后分别反演各时段的平均综合弹性模量，其结果如表1。

（3）大坝各个时期坝龄的推定

表1 古田一级大坝21号坝段分时段综合弹性模量反演成果Table 1 :Inversion result of integrated elastic modulus in different periods of the dam block 21 of Gutianxi I dam

从表1不难看出，21号坝段各分段综合弹性模量的变化从1964年开始逐年增大，1976年前增加较快，之后呈缓慢上升趋势，1994年开始呈略有下降的趋势。可以认为古田一级大坝1964年前为青年期，1964～1994年为中年期，从1994年开始进入老年期，即进入中年期的坝龄为5年，进入老年期的坝龄为35年。

1.3 混凝土坝各个时期的安全评估

混凝土坝设计时，考虑到混凝土的不均一性、大坝的耐久性、技术上的不确定性等，在原SDJ21-78《混凝土重力坝设计规范》（试行）及补充规定中，坝体的强度安全系数采用4.0～3.5，抗滑稳定安全系数取 3.0～2.3。新 DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》与原规范基本相同，采用分项系数设计表达式替代原规范的单一安全系数表达式。可见混凝土坝在青年期、中年期安全度较高，并有一定的超载能力。

1.3.1 青年期

大坝运行早期，一般可满足设计要求的各项功能进行安全运用。但由于设计错误或考虑不周、坝基或岸坡出现问题、施工重大质量缺陷等，大坝不能正常蓄水和运用。严格来讲，这不属于混凝土坝老化问题。

1.3.2 中年期

大坝到中年期，坝体材料和大坝基础各种性能都已稳定。在各种正常荷载作用下，大坝总体上处于线弹性或粘弹性工作阶段，大坝变形规律性很强，渗流也比较稳定，裂缝稳定，大坝安全度较高，是大坝最佳工作阶段。除满足设计条件外，大坝还有一定的超载能力。

1.3.3 老年期

随着时间的推延，坝体和坝基材料成分、结构等均发生变化，大坝处于弹塑性或粘弹塑性工作状态，各种老化现象显露。由于设计时对抗滑稳定、混凝土强度等均留有较大的裕度，这时期大坝的功能在一定时期内仍可满足设计要求，但发展到一定阶段，必须进行处理，不然大坝的综合特性随着坝龄的增长逐渐向不利的方向发展，安全度降低。

1.3.4 患病期

（1）青中年期患病

大坝总体上处于线弹性或粘弹性工作阶段，这个时期出现的影响大坝安全运行的工程问题。如单支墩大头坝的劈头裂缝扩展往往速度较快，由于温度荷载的周期性作用，缝内水压逐渐增大，会使裂缝劈裂，影响大坝的侧向稳定。这种患病期，经加固处理可恢复到中年期，并可较长时间安全运行，如湖南柘溪大坝。

（2）老年期患病

大坝老化进程是缓慢的，当大坝总体上弹性模量已处于弹塑性或粘弹塑性工作阶段，在这个时期出现的影响大坝安全运行的工程问题。这是老年期患病，经补强加固后也可恢复到中年期，可使大坝安全运行。

1.3.5 大坝的超载能力

混凝土坝在青年期、中年期安全度较高，并有一定的超载能力。工程实例如下。

（1）佛子岭混凝土连拱坝

佛子岭水库位于安徽省淮河南岸支流淠河的东支，以防洪为主，兼有发电和灌溉。坝址以上控制流域面积 1 840 km2，水库总库容 4.96 亿 m3，枢纽建筑物包括大坝、溢洪道、输水钢管、发电厂房等。大坝为混凝土连拱坝，由20个垛、21个拱和两端接拱重力拱坝组成， 坝顶全长510 m，最大坝高75.9 m。溢洪道位于东岸的凹内，净宽 5×10.6 m。溢洪道最大设计流量为5 710 m3／s。厂房在坝后垛内，老厂房装机5台，容量为11 MW。新厂房当时装机1台，容量为10 MW。工程于1952年1月开工，大坝于1954年11月建成。

1969年7月库区连续降雨后，14日又降大暴雨，14日0时～18日18时水库洪量达10.59亿m3。因电源中断无法开启闸门，7月14～15日大坝发生洪水漫顶事故。漫顶水流夹杂着大量飘浮物直飞坝下。洪水漫顶时，7月14日14时最大下泄量为5 400 m3／s，其中由溢洪道下泄 4 000 m3／s，坝顶漫流下泄流量为1 180 m3／s，其余为钢管流出。漫顶下泄最大瞬时流量1 200 m3／s（14日13时40分），最大漫顶超过坝顶拦杆1.08 m，持续时间25 h15 min，漫顶总水量 0.49 亿 m3。

由于洪水漫顶，两岸坝后基岩遭到严重冲刷破坏，并使大坝的2、3号垛和21号垛基础稳定条件恶化，渗水加剧，扬压力增高；飘浮物由坝顶顺流而下，将老厂房砸毁，机组也遭到严重损害。新厂房进水也损失很大。但大坝并未溃坝失事，为确保大坝安全，之后不得不进行补强加固。

（2）磨子潭混凝土双支墩大头坝

磨子潭水库位于佛子岭水库上游，因佛子岭水库库容较小、防洪标准较低而加建的,水库总库容3.36亿m3。枢纽包括大坝、溢洪道、泄洪洞和发电厂。大坝为混凝土双支墩大头坝，最大坝高82.4 m,坝顶长335 m，由双支墩12个及东西侧单支墩各3个组成。库区垭口溢洪道为开敞式，共6孔，最大泄量 2 288 m3／s，泄洪洞设在左岸，最大泄量 426 m3／s，坝后式厂房内装一台16 MW机组。工程1956年9月开工，大坝于1958年6月完成。

由于上游库区14日降大暴雨，14日0时～18日18时水库洪量达10.59亿m3。7月 14～15日磨子潭大坝发生洪水漫顶事故，漫顶超过坝顶拦杆0.48 m，持续时间 4 h48 min。经过电站工人奋斗，用绞磨将闸门启开，水位才开始下降。

洪水超过坝顶，大坝安全无恙，虽然漫顶时间较短，但大坝仍受到一定伤害。

2 混凝土坝的“预期寿命”

混凝土坝的“预期寿命”是多少？目前尚未见到我国的标准。我国坝工专家、两院院士潘家铮说[3]：“…水坝的寿命问题倒值得探讨。一般建筑物都有个使用期或设计寿命的问题。…普通工程按50年考虑，重要工程按100年考虑等。达到了设计寿命期，如果工程已不能发挥作用或不符合新的规则要求，就报废拆除或重建，无论房屋建筑、桥梁、道路、机场、小型水利工程无不如此。…但是，对于三峡这样的工程，也包括其他高坝大库工程，情况有些特殊，即使按百年大计考虑，到了百年之后，既不能报废，更不能拆除，也不能重建，而百年光阴则说短不短，说长也不长，建国初期建的坝，也快达60大寿了，这确实是一个值得考虑的问题。…照我看来，三峡工程以及其他高坝大库工程，基本上应可长期使用，不存在报废拆毁和重建问题。所谓长期，是指可预见的未来，譬如说，几百年，三峡工程可考虑更长些。至于再以后的事，现在科技进步如此迅速，就不必考虑和担忧了，相信十多代、几十代以后的后人会有办法的。…大坝水库能做到长期使用吗？木结构要朽烂，钢结构要腐蚀，很薄的路面、衬砌要崩解…这些结构要长期使用相当困难，但由土、石、混凝土等材料做成的体积庞大的水坝，就很有希望长葆青春。以混凝土大坝来说，只要各种建坝材料和其拌合制成品是稳定的，表面风化剥蚀和渗透水的破坏能得到防止，加上精心维护检修，混凝土大坝的长期利用是可以办到的，其他土石坝等大型水坝也可以做到长期利用。”

IEC（国际电工委员会）标准也在改变，原标准：大坝、隧道、水库、调压井等的“技术寿命”为60～80年，“经济寿命”为 80～150年；厂房结构、泄洪道、压力管道、钢衬等的“技术寿命”为40～50年，“经济寿命”为50～80年。新标准（水力发电站及其辅助系统预期寿命 62256，IEC：2008 年）：大坝、渠道、隧道、洞室、水库、调压室等的“技术寿命”为60～80年；主厂房结构、挡水结构、溢洪道、截沙设施、压力管道、钢衬、道路、桥梁等的“技术寿命”为40～50年。新标准已去掉了“经济寿命”一词，显然大坝等建筑物的“寿命”更要长一些，长多少已不再给具体数字。“技术寿命”可理解为建筑物满足各项设计功能要求，能安全运行而未进行“大修”或“大规模补强加固工程”的使用年限。大坝达到“技术寿命”后，采取一定工程措施，经补强加固后仍可继续安全运行。

2.1 混凝土坝“技术寿命”

我国修建的混凝土坝，坝龄最长的已超过70年，新中国成立后修建的混凝土坝坝龄也已达到50年。下面将东北地区电力行业的水电站混凝土坝“技术寿命”统计列在表2。

从表2可以看出：

（1）大坝蓄水运行后，至今尚未进行大修的有白山、红石、回龙山、太平哨、渭原和太平湾等大坝，回龙山和太平哨大坝的技术寿命已超过30年。

表2 东北地区混凝土坝“技术寿命”Table 2 :The technical life of concrete dams in northeast area

（2）红石大坝大修原因是消力戽冲掏空蚀破坏，2007年进行了补强加固。回龙山大坝大修是因泄洪时坝趾冲刷空蚀破坏，2003年进行了补强加固。这均与泄洪有关。

（3）桓仁大坝经1989年加高防渗层、坝顶防渗和空腔保温改造后又安全运行20年，大坝安全第三次定期检查评定为正常坝，显然仍可安全运行。

（4）丰满大坝的“技术寿命”，如从蓄水时计算为44年，从大坝恢复改造至全面补强加固则为33年。1986～1997年全面加固后仍在运行。

（5）水丰大坝由于消力池破坏、冻融和冻胀及战争破坏，1956～1958年进行恢复改造后，已又安全运行50多年。但因金属结构及坝体等部位老化，现在进行补强加固。

2.2 混凝土坝老化的恢复改造

我国首轮大坝安全定期检查时，在96座大坝中查出7座病坝，2座险坝。二轮定期检查时，在130座大坝中查出8座病坝（绿水河两次被评定为病坝）。

上述16座大坝被评定为病、险坝，因为各种老化现象，已影响到大坝安全运行，使安全等级下降，也有部分大坝是由于洪水复核结果降低了安全等级。

在这16座病、险坝中，经过补强加固的有青铜峡、洛东、以礼河四级（小山）、白渔潭、马迹塘、李官、水东、以礼河二级（水槽子）、绿水河等9座病坝，修文险坝摘掉了“病坝”、“险坝”的帽子，恢复了正常坝的安全等级，并继续按原设计标准安全运行，发挥其各项功能。天桥、佛子岭、梅山、黄龙滩等4座病、险坝维修加固均已完成或正在实施；丰满大坝补强加固方案正在设计，南告大坝已移交地方管理。

可见，大坝安全等级降低，可通过补强加固、采取工程措施摘掉“病坝”、“险坝”的帽子，恢复正常坝的安全等级。

3 几点看法

（1）大坝长期运行后，其老化是难免的，能否继续使用，应根据混凝土坝的综合弹性模量来判断大坝的整体工作状态，即大坝总体上是否处在线弹性或粘弹性工作阶段。而线弹性或粘弹性工作阶段的确定，应根据大坝的监测资料来判断。这是由于变形监测资料能综合反映混凝土结构的实际性态。

（2）大坝运行若干年后，其老化现象逐渐显露出来，能否继续正常运行，是否需要加固，不能凭局部现象（如裂缝发育、渗漏溶蚀等）来评价，应对监测资料进行分析，判断变化规律是否正常，变化幅度是否超限，即看大坝总体上是否处在线弹性或粘弹性工作阶段。

（3）大坝经过补强加固工程后，也应用变形监测资料进行判断，即变形规律等是否恢复到大坝中年期。如大坝原整体性比较差，经外包钢筋混凝土等补强加固措施后，大坝整体变形大幅度减小，已恢复到大坝运行初期的工作状态，变形甚至还小于初期，就不能再凭局部的某些缺陷怀疑大坝的整体性。

（4）混凝土坝的“预期寿命”是多少？目前我国尚无标准，建议有关部门制订电力行业混凝土坝的“预期寿命”，以供设计、施工和管理等部门参考。

（5）混凝土坝老化会降低大坝的安全等级，可通过补强加固等有效措施恢复大坝的安全等级。

（6）混凝土坝老化是一个缓慢的过程，往往容易忽视，但发展到一定程度需要处理时，一般要花费巨额资金才能确保大坝安全使用，应引起各方面重视。

[1]吴中如，顾冲时.重大水工混凝土结构病害检测与健康诊断[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]张秀丽.大坝安全管理与对丰满“病坝”管理的意见[J].大坝与安全，2009（1）.

[3]中国水力发电年鉴（第十二卷）.北京：中国电力出版社，2008：51～52.

[4]李金玉，曹建国.水工混凝土耐久性的研究和应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

[5]R.Dungar.周期性徐变对拱坝老化的作用[C].坝的老化与补救措施（第十七届国际大坝会议论文译文集）.

[6]阿里木·吐尔逊.我国水库大坝老化现状初步分析[J].大坝与安全，2004（3）.