丰满大坝重建工程施工期度汛对老坝稳定的影响分析

张永鑫 王进 范戎 东栋

丰满水电站是我国第一座大型水电厂，位于吉林市东南24 m 处的第二松花江的上。丰满大坝始建于1937年，受当时设计、施工以及建设管理水平的限制，并且超期服役，因此，大坝存在许多先天缺陷[1]。经过前期充分地科学论证，最终选定重建新坝作为丰满水电站全面治理方案[2]。丰满水电站大坝全面治理工程是按恢复电站原任务和功能，在原坝下游120 m 处新建一座大坝，并利用原丰满三期工程[3]，如图1 所示。

图1 丰满重建工程平面布置图

新坝建设期间，老坝兼作为新建工程的上游围堰使用，老坝仍需正常挡水运行。由于新建大坝距离老坝较近，新坝建设期间不同施工阶段及各种因素会不可避免地对原坝的原有运行状态产生一定影响，为正确评价新建工程对原坝的影响，保证新坝建设期老坝运行安全，开展了新老坝相互影响分析，确定新坝建设期对老坝的各种影响因素和影响程度，进而为提出相应的对策措施提供理论支撑，这对新坝建设以及下游人民群众的生命财产安全有着重要的意义。工程建设期第3 年起下游新坝逐年施工到不同高程，新坝预留缺口泄洪。由于新坝建设期间水库限制水位运行，度汛期间老坝下游水位与原正常运行状态相比发生了变化，会对老坝的稳定产生影响。因此，本文重点分析了大坝重建工程施工期度汛对老坝稳定的影响。

1 影响因素分析

施工期遭遇超标洪水时，老坝下游基坑将被淹没，在新老坝间将有一定水位的存水。当新坝浇筑到一定高程后，该水位可能高于下游尾水位，相当于新坝起到了高围堰的作用而将下游水位壅高。为复核新坝建设期度汛情况下的老坝安全性，需对度汛期间老坝遭遇不同标准洪水时老坝下游水位抬高情况下的坝体安全进行分析评价。

2 主要内容及方法

鉴于刚体极限平衡法计算结果较有限元法保守[4]，本次主要采用刚体极限平衡法对典型坝段14#溢流坝段、22#引水坝段、35#断层坝段以及49#岸坡挡水坝段[5]进行新坝建设期度汛老坝抗滑稳定安全复核。分析老坝典型坝段在新坝建设期遭遇不同频率洪水时的安全稳定性，综合分析评价老坝在施工期的整体安全性。

3 施工导流

施工导流方式采用泄洪兼导流洞与三期机组发电共同泄流方式。老坝兼作为新建工程的上游围堰使用，下游围堰一次性拦断河床，在上下游围堰的保护下进行重建工程的施工。

本工程建设期水库调度按《白山、丰满水库防洪联合调度临时方案》（松汛[2008]8 号）进行正常水库调度。导流期间，当洪水不超过20 年重现期洪水时，采用导流洞与三期机组发电联合泄流的方式。当洪水大于20 年重现期洪水时，按白丰联合调度临时方案的原则，老坝溢流闸门开启泄洪，超标洪水度汛采用淹没基坑、坝体或坝体缺口过水的方式。

4 施工期度汛对老坝稳定的影响分析

4.1 施工期度汛时老坝抗滑稳定分析

在新坝施工期度汛时对老坝安全进行分析，分别取对应于百年度汛洪水标准的上游库水位264.1 m、设计洪水位266.5 m 以及校核洪水位267.7 m 3 种库水位工况[5]进行坝体安全性复核计算。度汛期老坝沿建基面的抗滑稳定计算成果见表1。

按照DL 5108—1999《混凝土重力坝设计规范》，根据上述计算结果，按刚体极限平衡法进行复核，新坝建设期度汛，除老坝35#断层坝段外，其余坝段抗滑稳定均满足规范要求，控制工况为设计洪水位工况。35#断层坝段，在施工期度汛时，其抗滑稳定不满足规范要求，控制工况为设计洪水位工况。

表1 校核洪水工况老坝典型坝段建基面抗滑稳定计算成果

4.2 施工期度汛时老坝断层坝段抗滑稳定与下游水位关系分析

由表1 可知，施工期度汛第4 年，断层坝段的抗滑稳定安全裕度最低，为控制时段。此时段，新坝缺口随着大坝混凝土浇筑而不断升高，度汛期间两坝间水位也随之抬升，为此，研究了老坝断层坝段建基面抗滑稳定与新老坝之间的水位关系。如图2 所示。

图2 度汛期断层坝段抗滑稳定安全度和新老坝之间水位关系图

通过计算，在新坝建设期度汛时，随着老坝下游水位的上升，老坝建基面的抗滑稳定安全度先降低后升高。当新老坝之间水位为205～208 m 时，老坝建基面抗滑稳定安全度是最低的，之后随水位的升高，其抗滑稳定向有利方向发展，当新老坝之间水位为215 m 时，其抗滑稳定安全度与现状同相当。当新老坝之间水位在200～215 m 时，度汛期老坝抗滑稳定安全度低于现状同水平泄洪时的抗滑稳定安全度。

4.3 坝基扬压力折减系数敏感性分析

在上述新坝建设期度汛时段，老坝稳定复核计算，坝基扬压力折减系数采用实测值。但新坝建设期度汛，老坝下游壅水，可能会恶化老坝坝基及坝体渗流条件，因此，对坝基扬压力折减系数与坝基抗滑稳定安全度进行了敏感性分析，研究最不利的坝基渗流变化条件，以利原大坝安全监测预警，确保工程安全。

这里主要针对度汛期最不利年份，即第4 年新老坝间水位200 m 情况时的老坝坝基面抗滑稳定进行计算分析。采用刚体极限平衡法，对度汛期第4 年坝基不同扬压力折减系数时老坝沿建基面的抗滑稳定安全裕度进行计算。由以上计算成果可知3 种计算工况，随着老坝扬压力折减系数的增大，各典型坝段建基面的抗滑稳定安全裕度呈降低趋势，近似为线性，符合结构受力的一般规律。

14#溢流坝段，在百年度汛工况、设计洪水工况及校核洪水工况下坝基扬压力折减系数分别达0.74、0.53、0.82时，其建基面抗滑稳定安全裕度达到1.0，处于规范允许临界状态。22#引水坝段，在3 种工况下坝基扬压力折减系数分别达0.48、0.30 和0.59 时，其建基面抗滑稳定安全裕度达到1.0，处于规范允许临界状态。49#岸坡挡水坝段，在3 种工况下坝基扬压力折减系数分别达0.90、0.63、0.88时，其建基面抗滑稳定安全裕度达到1.0，处于规范允许临界状态。35#断层坝段因为存在断层破碎带，建基面物理力学特性较差，抗滑稳定安全裕度不足。35#断层坝段，在百年度汛工况、设计洪水工况及校核洪水工况下建基面抗滑稳定安全裕度与坝基扬压力折减系数之间的关系如图3所示。

图3 断层坝段建基面抗滑稳定安全裕度和坝基扬压力折减系数关系图

5 影响分析结论

通过工程施工期度汛期间老坝遭遇不同标准洪水时新老坝间水位抬高情况下的坝体安全进行分析，综合评价如下：

（1）新坝建设期度汛时，溢流坝段、引水坝段和岸坡坝段的抗滑稳定均满足规范要求。随两坝间水位升高，安全裕度最初有稍微的降低，但随水位继续升高，安全裕度反而有较大的提高。对于上述3 个典型坝段，新坝建设期度汛坝体的抗滑稳定是有保证的。

（2）35#断层坝段，沿建基面抗滑稳定安全裕度原本较低，泄洪抬高两坝间水位，其安全裕度没有明显降低，当水位比较高时反而有利。老坝度汛期两坝间水位在200～215 m 时，老坝的稳定安全度低于现状，但各施工年份新坝度汛期，其预留缺口高程均不在此区间内，因此，度汛期老坝稳定安全性是不低于现状的稳定安全性。这说明，新坝施工期遇超标洪水下泄抬高了两坝间水位，尽管35#断层坝段的抗滑稳定不满足规范要求，但与现状相比，并没有因此而恶化老坝35#断层坝段的稳定安全度。

（3）3 种计算工况下，随着老坝扬压力折减系数的增大，各典型坝段建基面的抗滑稳定安全裕度呈降低趋势，近似为线性，符合结构受力的一般规律。35#断层坝段抗滑稳定安全裕度不足，其他典型坝段安全裕度处于规范允许的临界状态。