溢流坝段补强加固应注意的几个问题

宋恩来

（东北电网有限公司，辽宁沈阳110181）

0 概述

大坝蓄水后即承受水压力、渗透压力、温度和冰压力等各种荷载，同时还受到外界环境（如温度变化、冻融、冻胀、碳化、水质侵蚀等）的影响。若干年后，老化现象逐渐显露出来，开始出现一些病症。修建较早的大坝，限于当时的设计和施工水平，有的大坝往往带病运行。为保证大坝安全运用，除正常检查、监测、维护外，对存在和出现的各种病害及缺陷等要进行补强加固。

东北几座大坝采取补强加固措施后，消除了缺陷和隐患，保证了大坝安全运行，收到了很好的效果，并取得了一定的经验，但也有一些教训值得注意和吸取。笔者根据几座大坝在补强加固中出现的一些问题，谈些个人看法，供参考并引起重视。

1 坝体防渗和排水

混凝土坝的各种病害和缺陷，大多数始发于或显露于大坝外表面，如裂缝、冻融和冻胀、破损、渗漏、磨蚀、碳化、风化、钢筋锈蚀以及外部变形等。常用的处理方法是表层混凝土补强加固，即挖除破碎的老混凝土，重新再浇筑一层新混凝土，有的要配置钢筋和锚筋，对结构危害较大的裂缝采用锚索等处理。在对外部进行加固补强的同时，也要重视坝体内部，对其采取帷幕补强（或其它防渗）、排水等措施，以减少渗漏，降低扬压力。

丰满和水丰大坝均始建于1937年，对溢流坝面都进行过补强加固。由于水丰大坝重视排水，取得了很好的效果。而丰满大坝，补强加固后坝体扬压力值高于规范规定值（α=0.30）和修补前的数值。这不仅影响坝体混凝土溶蚀，主要是加剧了坝体冻融和冻胀，尤其是影响溢流坝段安全泄洪。

1.1 丰满大坝

1.1.1 工程概况

电站为一等大（1）型工程，大坝为Ⅰ级建筑物。首次大坝安全定检确定，按重现期500年洪水设计，按重现期10000年洪水校核，校核洪水位267.7 m，正常蓄水位263.5 m，死水位242.0 m。总库容109.88亿m3，为不完全多年调节水库。

大坝为混凝土重力坝，最大坝高91.7 m，坝顶高程原为266.5 m，加高1.2 m后，现为267.7 m。坝顶宽9～13.5 m，上游面坡度1∶0.048～1∶0.05，下游面坡度1∶0.75～1∶0.78。坝顶全长1080 m，共分60个坝段，其中9～19号坝段为溢流坝段，设有11个溢流孔口，堰顶高程252.5 m。溢流面自堰顶起为奥式曲线，下接1∶0.78坡度的直线段和半径R=30.0 m的反弧段，护坦长50.0 m，宽198.0 m。

1.1.2 溢流面补强加固

由于混凝土冻融与冻胀破坏，1986年泄洪时，12～13号坝段溢流面被冲毁面积1091 m2，冲走混凝土约1917 m3，冲坑宽22 m，长19 m，深2～3 m。1986～1987年对破坏的溢流面进行了抢修和全面加固。

（1）对冲毁的12～14号坝段（194～221 m高程）进行补修，开挖深度1.2～3.0 m，插筋为ϕ22的螺纹钢筋，长度4 m，插入老混凝土至少1.5 m，间距0.5 m；构造筋为ϕ20的钢筋，纵横向间距均为25 cm；根据抗冻、耐磨和抗冲的要求，混凝土选用R28300 D300。

（2）对大坝溢流面全面加固，开挖深度50 cm，高程236.6～200.89 m凿毛处理，高程200.89～193.00 m开挖深度30～50 cm；12～14号坝段高程220.0～248.0 m开挖深度1.2 m，高程193.0～200.89 m开挖深度30～50 cm；15号坝段高程193.0～248.0 m平均开挖深度2.5 m。锚筋采用ϕ22螺纹钢筋，间距1.0 m，长3.5～5.0 m。钢筋网采用ϕ16螺纹钢筋，纵横间距均为25 cm，钢筋网在高程248 m保护层为20 cm，并在5 m范围内过渡到40 cm，在下反弧末端由40 cm过渡到20 cm。混凝土的标号为R300D300。

（3）上游面226～245 m高程防渗：沥青混凝土防渗层厚度10 cm，面板尺寸200 cm×60 cm×6 cm（长×宽×厚），并与上部钢筋混凝土连成整体。

1.1.3 运行情况

上游226 m高程以下未做防渗层，大坝尚有漏水通道。溢流面修补后，坝体扬压力值高于规范规定值（α=0.30）和修补前的数值。从设在16号坝段的观测孔（设3个孔）实测得知，扬压力随库水位变化，有良好的正相关，即库水位升高扬压力也升高；与观测孔距上游的距离呈负相关，距上游面越近扬压力越大，16号坝段α=0.60。

大坝位于寒冷地区，高扬压力导致下游渗水出逸点较高，造成溢流面冻融和冻胀。1996年对溢流坝面进行近距离的详细调查，在194.53～252.50 m范围内发现水平缝297条，竖向逢160条，共计457条。2005年3～4月，选取有代表性的13～15号坝段进行了裂缝详查。与1996年对比表明，裂缝数量有所增加，1996年裂缝总数为736条，而2005年为996条。

溢流面冻胀将影响其耐久性和安全性，溢流面冻胀损坏后，泄洪时会出现1986年溢流面冲毁的现象，如继续泄洪会使冲坏范围扩大，直至坝段失去稳定。如关闭闸门，会逼高库水位，其后果是使小洪水变成大洪水，造成安全风险。

1.1.4 溢流坝段防渗和排水

2008～2009年溢流坝段进行的防渗和排水工程措施如下。

（1）帷幕灌浆与排水孔布置

坝体防渗灌浆布置为双排孔，第一排基本帷幕灌浆孔在坝轴线下0+002.7 m，第二排加强帷幕灌浆孔在坝轴线下0+003.0 m。孔距均为1.0 m，上、下排错孔布置，每个坝段布置18个基本帷幕灌浆孔，17个加强帷幕灌浆孔。另外，在13号、15号坝段，对原导流中孔进行加强封堵灌浆。每个导流中孔布置5孔，孔距1.0 m，钻孔深约24 m，灌浆段长度10 m。在11号、12号和14号坝段，对原导流底孔进行加强封堵灌浆。每个导流中孔布置5孔，孔距1.0 m，钻孔深约12 m，灌浆段长度12 m。灌浆采用密孔、高压、磨细水泥浓浆灌注。帷幕灌浆合格标准为q≤0.1 Lu。

帷幕下游排水孔布置在坝轴线下0+004.2 m，孔距2.25 m，每个坝段8孔，孔径150 mm，下部与基础廊道连通。在基础廊道钻设三排扇形排水孔，第一排仰角60°，每个坝段8个孔；第二排仰角30°，每个坝段7个孔；第三排仰角10°，每个坝段7个孔。各排排水孔孔距2.25 m，各排孔位均错开0.75 m，孔径110 mm。

（2）补强加固效果

经补强加固后，多数坝段扬压力系数和扬压力水柱有所降低，扬压力系数为0.01～0.51，扬压力水柱高度为0.84～4.38 m。其中，17号坝段扬压力有上升的趋势。坝体渗漏水有所减少，在上游水位251.65 m（2009年11月23日）时，溢流坝段总渗漏水为17.1 L/min。

钻设新排水孔后，排水效果好于原坝体排水孔，对降低坝体渗压起到了一定作用。

综合看来，观测时间较短，总的效果有待长期监测来验证。

1.2 水丰大坝

1.2.1 工程概况

电站为一等大（1）型工程，大坝为Ⅰ级建筑物。大坝按重现期1000年洪水设计，按重现期10

000年洪水校核，设计洪水位127.40 m，校核洪水位130.45 m，正常蓄水位123.3 m，死水位95.0 m。总库容149.5亿m3，为不完全多年调节水库。

大坝为混凝土重力坝，最大坝高106.4 m，坝顶宽8.5 m。坝顶全长899.5 m，共分60个坝段，其中24～49号坝段为溢流坝段。溢流坝上游面高程85.0 m以上为垂直，高程85.0 m以下坝坡为1∶0.05，溢流坝下游坝坡为1∶0.78，与护坦连接处反弧段的反弧半径为32.7 m（原25.0 m），后接长50.0 m护坦。溢流段长390 m。

1.2.2 溢流面补强加固

大坝混凝土未考虑冻融，溢流坝面破损很快。在1945年汛期泄洪流量12200 m3/s、1947年汛期泄洪流量9800 m3/s时，溢流面普遍破坏，破坏深度在10 cm以上的部位就有200多处，总破坏面积达13000 m2，破坏平均深度已达15 cm，最大深度达2.5 m，冲掉混凝土约2万m3。消力池结构破坏更加严重，最大冲深达4.8 m。

（1）溢流坝段上下游面补强

将坝体原混凝土挖深80 cm，铺设钢筋网（ϕ25间距30 cm）。为了保证与原混凝土的整体性，每1 m2插筋1根（ϕ25），插入原混凝土深度为1.0 m，然后浇筑1.5 m厚的新混凝土。混凝土设计标号为R28250D200，掺入加气剂，并采用真空作业。为保证大坝的安全，对溢流面进行了全面补强加固，包括溢流坝段上游面104.2 m高程以上部分到下游面的所有范围。

（2）消力池的补强与改造

在原消力池结构上浇筑了2～5 m厚的补强混凝土，并配置钢筋网（ϕ20，间距30 cm），同时将原消力池结构改成梳齿状（三角形消力墩）。即将护坦加厚2～5 m，反弧半径加长至32.7 m，并在护坦末端设三角形消力墩，墩高6.0 m，长18.0 m，在护坦上共设有16个，并延长了发电厂房部分的导墙。

（3）溢流坝段的排水

在靠近溢流面的坝体内设置了3层纵向排水廊道（高程分别为87.5 m、47.5 m和31.0 m），在廊道内每个坝段又钻设了排水孔系统，排水孔垂直坝轴线。在廊道内能看到排水孔有水流出或渗出，然后流入排水廊道。

1.2.3 运行情况

在溢流面内设置排水系统，从而保持大部分溢流面混凝土干燥，减少溢流面混凝土冻融和冻胀破坏。1958年补强加固后未发生较严重的破坏。1995年大坝泄洪后，溢流面下部及反弧段破坏比较普遍，总破坏面积达770 m2，破坏深度30～40 cm，有的可看到钢筋。

2 闸墩裂缝

2.1 丰满大坝闸墩裂缝

2.1.1 溢流孔及闸墩情况

溢流孔位于9～19号坝段，共11孔，结构型式为潜孔式，宽12 m，高6 m。闸墩厚6 m（坝段间横缝设有键槽），顶宽11.4 m，上游面直立，下游面以1∶0.7的坡度倾向下游。堰顶高程252.5 m，消能方式为底坎挑流。大坝加固时将孔口顶缘及两侧同改为长、短半径分别为2.7 m、2.0 m的椭圆，将进口底缘改为半径2.4 m的圆弧。工作闸门为平板钢闸门，宽12.9 m，高10.0 m。

2.1.2 闸墩裂缝及其危害

大坝加固期间在所有闸墩均发现裂缝。裂缝基本位于工作闸门槽内，基本垂直。裂缝上宽下窄，闸墩顶部最大缝宽约为10 mm，逐渐向下尖灭，其长度不等，有的由坝顶裂至中部，大部分裂至堰顶（高程252.5 m）。裂缝情况见图1。

图1 丰满大坝闸墩裂缝位置示意图Fig.1 Cracks on the pier of Fengman dam

闸墩高达15.2 m，将原为整体的闸墩劈成两个较高的悬臂梁，闸墩顶部裂缝宽度达10 mm，恶化了闸墩的工作状态。

（1）大坝加高后，校核洪水位抬高1.2 m，堰顶以上部分水压力增加18%，闸墩顶部以上部分总水压力增加32%。下游侧闸墩厚度3.0 m，顶宽约8.4 m，虽以1∶0.7的坡度向下游扩大，但闸墩R100左右的低强混凝土，其安全难以保证。

（2）闸门在局部开启时，闸门振动较大。裂缝上游侧是一个宽度仅为3.0 m、厚度3.0 m、高度达15.2 m的悬臂梁，闸门振动时泄漏水会涌入缝内，产生脉动压力，将使上游侧悬臂梁向上游堆倒。

（3）坝址场地地震烈度7度，大坝按8度设防。闸墩位于坝顶强震反应区域，动力系数大，闸墩顶部还支撑着胸墙，稳定性差，地震时对裂缝上游侧闸墩破坏性很大。

2.1.3 出现裂缝的原因

为分析裂缝的成因，有关单位曾进行多次计算与分析。认为主要是大坝位于寒冷的东北地区，夏季和冬季温差可达40℃，如此悬殊的温差会使混凝土大坝产生老化甚至断裂现象，尤其对于已经运行50多年的丰满混凝土大坝，表现得更为严重[2]。

裂缝在大坝加固期间出现。在溢流坝闸墩上、下游表面外包钢筋混凝土，分别加厚1.0 m和1.5 m，闸墩顶部也同大坝一样，加高1.2 m。因此也有人认为[1]，1988～1997年，丰满大坝进行上下游外包混凝土施工（如图1所示），其中，上下游外包混凝土为C30钢筋混凝土，强度很高，水泥用量也较大，而坝顶加高为素混凝土，新混凝土的干缩应力和温度应力都比坝体老混凝土大，而坝顶门槽处最为薄弱，所以这也可能是造成闸墩裂缝的直接原因之一。

2.1.4 裂缝补强加固

经计算分析，采用预应力锚索将裂缝上游结构单薄的闸墩紧固在墩实的下游闸墩上，在闸墩中部沿上下游方向布置两根预应力锚索，上锚头布置在闸墩顶部，下锚头锚固在混凝土质量较好的坝体中。锚固力按地震烈度为8度时裂缝顶部上、下游闸墩相对水平位移为零来控制。为使裂缝上下游闸墩之间能传递剪力和压力，加强其整体性，对裂缝进行密实性水泥灌浆。为使闸墩增加强度，还对溢流口侧面混凝土进行了补强。

2.2 水丰大坝闸墩裂缝

2.2.1 溢流孔及闸墩情况

溢流孔位于24～50号坝段，共26孔，结构型式为敞开式，每孔净宽12 m，高10.4 m。闸墩厚3 m，闸墩顶高程126.0 m，上游面直立，下游面以1∶0.26的坡度倾向下游，在堰顶（高程116.0 m）闸墩底宽11.42 m，闸墩布置有间距为100 cmϕ25钢筋。消能方式为挑流。工作闸门为平板钢闸门，宽12.9 m，高7.3 m。

2.2.2 闸墩裂缝及其危害

大坝泄洪设施改造期间，于2010年6月在41号、43～46号坝段闸墩闸门槽发现裂缝。裂缝长度为2～6 m，宽度为0.5～10.0 mm，41号坝段闸墩裂缝最长，46号坝段闸墩裂缝最宽。裂缝均位于工作闸门槽内，基本垂直。裂缝情况见图2。

图2 水丰41号坝段闸墩裂缝位置示意图Fig.2 Cracks on the pier of section No.41 at Shuifeng dam

闸墩厚度3.0 m，闸门槽处仅为1.4 m。出现裂缝后，其安全度大为降低，闸门挡水后在门槽局部可能产生应力集中，使裂缝扩展。裂缝长期存在会引起闸墩渗水，门槽部位混凝土会受到冻融和冻胀破坏，会使裂缝进一步恶化，影响大坝安全运行。

2.2.3 出现裂缝的原因

水丰大坝地处寒冷山区，已运行70多年，温差大和混凝土老化都是客观存在的，但直接原因是施工造成的，未能吸取丰满的教训，才使闸墩出现裂缝。

闸门槽混凝土开挖采用YT-19手风钻孔，钻孔直径40 mm，孔间距25 cm。成孔后灌装WT-型无声破碎剂（又称静态破碎剂），无声破碎剂料水比为10∶3，待无声破碎剂将混凝土破碎后，用风镐凿除混凝土。闸门槽处厚度仅为1.4 m，爆破会对老混凝土造成很大的损伤，改变施工方法后，现未发现闸墩裂缝，显然裂缝是由于采用爆破方法造成的。

2.2.4 裂缝补强加固

为了防止闸墩裂缝挡水运行后扩展和恶化，在闸门槽上、下游侧（高程116.0～126.0 m）设置钢筋，钢筋直径ϕ22，长度105 cm，插入老混凝土70 cm，间距60 cm，与新浇筑门槽二期混凝土钢筋连接，形成抗拉钢筋。同时，在新、老混凝土之间喷涂混凝土粘接剂后再浇筑门槽二期混凝土。为防止裂缝渗漏水和进一步扩展，对裂缝进行灌浆。

3 溢流面裂缝

丰满、水丰、云峰都对溢流坝面进行过补强加固，其中丰满还进行过2次，惟有1986～1987年的补强加固裂缝最多，最为突出。

3.1 1952年溢流面补强加固

由于日伪时期施工质量低劣，溢流面残破不堪，1952年4～5月对其进行补强加固。首先挖除表面破损混凝土约30～40 cm，再按设计的溢流面曲线浇筑一层厚为30 cm的真空混凝土。在混凝土中布设直径为12 mm、间距为35 cm×35 cm的钢筋网，并用直径为20 mm的锚筋（平均长度约1.0 m）固定在老混凝土中。28组混凝土试件试验成果：28 d龄期混凝土抗压强度平均值为22.3 MPa，最大值为28.8 MPa，最小值为15.8 MPa，极差13.0 MPa，均方差S=2.76 MPa，离差系数Cv=0.12，保证率79.4%（设计强度20.0 MPa）。

溢流面补强后，经受大小10多次洪水冲刷及30多年冻融和冻胀，溢流面无明显裂缝和流白迹象。

3.2 1986～1987年补强加固

如前所述，对被冲毁的12～14号坝段进行补修，开挖深度1.2～3.0 m，插筋为ϕ22螺纹钢筋，长4 m，插入老混凝土至少1.5 m，间距0.5 m；构造筋为ϕ20的钢筋，纵横向间距均为25 cm。混凝土选用R28300D300。对所有溢流面全面加固，开挖深度50 cm，锚筋采用ϕ22 mm螺纹钢筋，间距1.0 m，长3.5～5.0 m。钢筋网采用ϕ16 mm螺纹钢筋，纵横间距均为25 cm。混凝土标号为R300D300。

3.2.1 溢流面裂缝

1996年对9～19号溢流坝面进行近距离详查，在194.53～252.50 m范围内发现水平缝297条、竖向逢160条，共计457条，可见溢流面出现的裂缝较多，长度也较长。裂缝一般为贯穿性裂缝，宽度为0.1～2.0 mm。裂缝大部分在高程低的部位，高程高的部位裂缝少，一般均为水平向裂缝或竖向裂缝，斜向裂缝较少。

2005年3～4月，选取有代表性的13～15号坝段进行裂缝详查（高程202.89～244.8 m），共发现裂缝101条（水平缝59条，竖向缝42条），总长度996 m，比1996年增加23条，总长度增加260 m。裂缝宽度在1～5 mm之间，与1996年的裂缝宽度0.1～2.0 mm相比，有增大的趋势。

1997年中国水利水电科学研究院利用表面波对14号、15号、17号和18号坝段裂缝进行检测表明，溢流面的裂缝数量有逐渐增多、缝宽有逐渐加大的趋势，溢流面新浇筑的混凝土已经裂穿，且部分新老混凝土层间还存在着水平结合缝。

3.2.2 溢流面渗漏水

1997年5月调查：6个坝段在高程202 m以下有析钙及漏水。

2003年10月调查：9号坝段235 m高程水平缝漏水；11号坝段192 m及196 m高程水平缝各有2处漏水；14号坝段192 m高程水平缝漏水；15号坝段有3条裂缝漏水；15～14号坝段横缝在205 m高程处漏水。

2004年8月调查：15号、14号坝段190 m、200 m和205 m高程水平缝漏水，横缝215 m高程处漏水；17号坝段192 m高程处水平缝漏水；19号坝段252 m高程处水平缝漏水。

2005年4月调查：9号、10号、11号、14～17号共7个坝段溢流面均有不同程度的漏水，其中14号坝段溢流面底部沿水平缝漏水较严重。

3.3 裂缝原因分析

溢流面出现裂缝后，曾多次对裂缝进行调查，并进行无损检测、采用有限元法模拟浇筑过程的应力分析[3]等。

混凝土产生裂缝原因是多方面的，有环境条件的影响，也有其它方面的原因。对于地处寒冷地区的老混凝土坝，在分析时很自然要想到温差大、混凝土老化等方面。新浇筑的混凝土在大体积老混凝土的约束下，会产生很大的拉应力，加上坝区较大的温差，都会使新混凝土产生裂缝。同1952年补强加固时相比，其条件基本相同，但裂缝如此之多，应从设计和施工等方面查找原因。

（1）设计方面

应合理选择混凝土标号。1952年混凝土强度为R200～R250号，而1986～1987年混凝土强度为R300号。混凝土强度高则水泥用量要多，产生的水化热也要大，使新老混凝土温差加大，这也是产生裂缝的原因之一。设计时，水泥品种的选择、采用的水灰比、使用的外加剂等都应考虑混凝土出现裂缝的问题。

（2）施工方面

施工质量控制很关键。当基础面渗漏水处理不彻底、水灰比过大、搅拌不均、振捣不均匀（甚至出现沁水现象）、养护不符合要求和拆模过早等造成内外温差过大，都会产生裂缝。

（3）施工工艺

1952年采用真空混凝土，而1986～1987年是采用滑模、拉模和倒模的施工方法，仓面为1∶0.78的斜面和弧面。在重力作用下，流态混凝土下滑，很容易产生裂缝。施工中由于运输问题，其浇筑不连续，滑模、拉模时间难以控制，也会造成施工缝[3]。

水工专家蔡为武曾总结分析认为：“真空作业除吸出混凝土多余水分之外，更重要的是由于抽真空后大气压力将表面压实，使表层2～4 cm处特别坚实，这是其它方法无法替代的优点。据国外试验，抗冻性可达1200次以上，抗磨能力比一般高标号混凝土约大一倍。因此真空作业特别适用于溢流面。丰满、桓仁等溢流面真空作业的运行经验证实了它的可靠性。近年来发展了大面积软席法真空作业，适用于一般水平表面施工。丰满和桓仁的经验表明，真空作业并不增加多少费用，寿命却大有增加，经济上是合理的。”[4]

4 几点看法

（1）溢流坝段补强加固，做好上游防渗的同时，必须做好排水。坝体渗漏水不仅影响坝体抗滑稳定，对混凝土造成溶蚀，还会使坝体扬压力升高，导致下游渗水逸出点高，在寒冷地区会加剧冻融和冻胀破坏，使裂缝数量和规模逐年增加，发展到一定程度后，不仅影响混凝土的耐久性，严重时将威胁大坝安全泄洪。

（2）对闸墩进行改造和补强加固时，一定要采用相应的措施，避免闸墩产生裂缝。在寒冷地区，闸墩温度应力很大，其闸门槽又是闸墩的薄弱部位，如不注意，施工时将使原完整的闸墩劈开。丰满和水丰均说明了这一点。

（3）在寒冷地区对大坝溢流坝面进行补强时，设计和施工中必须采取相应的措施，千方百计避免溢流面产生裂缝。特别要注意施工工艺，以前曾采用的真空作业是比较好的方法。■

[1]张秀丽，谢宵易，陈铿.丰满大坝历年灌浆情况综述[J].大坝与安全,2009,(1).

[2]李才,朴灿日.丰满大坝溢流坝段闸墩加固技术[J].水利水电技术,2000,(10).

[3]李正国,赵淑明,王永志.丰满大坝溢流面裂缝问题研究[J].水利水电技术,2000,(10).

[4]谢宵易,张秀丽,陈铿.丰满大坝安全性评价[J].大坝与安全,2009,(1).

[5]蔡为武.水工混凝土建筑物的冻融破坏[J].混凝土及加筋混凝土,1983,(2).

[6]李守巨,刘迎曦,范永思,等.混凝土大坝闸墩开裂机理及加固措施[J].水利学报,2004,(3).

[7]张秀丽,谢宵易,陈铿.丰满大坝历年灌浆效果分析及改进意见[J].大坝与安全,2009,(1).