宋恩來
(遼寧省電力有限公司,遼寧沈陽110006)
鴨綠江發源于長白山天池南麓,全長800 km,流域面積64471 km2。水豐水電站位于鴨綠江干流下游,距下游丹東市約70 km。電站以發電為主,兼有防洪、灌溉和城鎮用水等綜合效益。
電站于1937年10月動工修建,1941年3月開始蓄水,同年8月第一臺機組發電,1944年大壩建成。電站設計和施工存在一些問題,蘇軍拆走電站機組和放流不當沖毀了備用溢洪道(副壩),加上美機轟炸,電站遭到嚴重破壞,不能正常安全運行。
1955年4月17日,中朝兩國政府本著友好合作、平等互利、互相尊重領土主權的原則,為發展鴨綠江水力發電事業,實現兩國經濟建設的共同愿望,簽訂了《關于鴨綠江水豐水力發電廠的協定》,協定中規定:兩國政府同意設置“中朝鴨綠江水豐水力發電公司”,共同經營水豐發電廠。公司工作人員的配備和日常業務的管理,雙方同意由朝方負責。同年5月7日,中朝兩國政府簽訂了《關于中朝鴨綠江水豐水力發電公司的議定書》。根據議定書的規定,對電站進行恢復改建,1958年恢復改建工程竣工。恢復改建后裝機7臺,單機容量90 MW,總裝機容量630 MW,設計多年平均發電量40.0億kW·h。
電站樞紐主要建筑物有:攔河大壩、壩后式廠房、變電站和備用溢洪道(副壩)等。水庫總庫容149.5億m3,為不完全多年調節水庫。
大壩為混凝土重力壩,最大壩高106.4 m,壩頂高程126.4 m,正常高水位122.5m(1965年經中朝鴨綠江水力發電公司理事會批準抬高到123.3m),死水位95.0 m。壩頂長899.5 m,共分60個壩段,16~22號壩段為取水發電壩段,24~49號壩段為溢流壩段(共26個溢流孔),右岸55~59號壩段設有5孔放木筏道(現已封堵不用),其它為左右岸擋水壩段。
大壩基礎為變質石英巖和片麻巖,屬于有火成巖層狀巖墻、巖脈侵入的寒武紀變質片麻巖發育的地區。壩基一般都是相當完整而堅固的輕微風化巖石,雖然有個別構造破碎帶軟弱帶存在,但整個地段的巖石完全可以作為大壩的穩定基礎。
因為急于發電,1941年3月初大壩尚未建成即開始蓄水,8月3日關閉了全部導流底孔(共6孔)。1941年8月26日1號機組開始發電。
蓄水運行后即遇到豐水年,1942年7月24日~9月26日,由于長時期溢流,最大洪峰流量達到20480 m3/s,施工棧橋中間部位被洪水沖壞,溢流面有一定程度破損,大壩下游部分也被沖壞。因氣溫關系,當年不能修復溢流壩面,1943年才進行修復。
1943年溢流壩閘墩完成后,閘門尚未安裝,于7月發生洪水,7月27日~10月10日溢流。為了攔洪蓄水發電,在溢流堰頂上設置了臨時迭梁。
1943年8月水位達到118.18 m,接近正常高水位122.5 m。發電初期,因溢流閘門沒有安裝,庫水經溢流壩堰頂泄流,霧化比較嚴重。大壩因洪水損失混凝土7478 m3。
(1)泄洪能力不夠
原設計采用的最大設計洪水流量為41000 m3/s,是根據1926~1938年實測最大流量乘1.5倍而得。恢復改建時采用頻率法計算洪水,經洪水復核發現原設計泄洪能力不夠,按重現期1000a洪水41000 m3/s設計,重現期10000 a洪水59000 m3/s校核。
(2)混凝土質量差
設計時對壩體混凝土沒有規定抗滲、抗凍和抗壓強度等指標,只給出了水泥用量分區,而且使用的水泥標號偏低(低于250號水泥)。
施工時混凝土沒有按設計配合比施工,骨料雜質含量高;振搗不好,水泥與骨料結合不良,出現了蜂窩狗洞;溫度控制不夠,未采取人工冷卻措施,澆筑塊裂縫多;冬季施工時沒有做好保溫措施,部分壩塊受凍等。施工技術差,澆筑溢流面混凝土也沒有采用真空作業法。
壩內混凝土取樣試驗表明,其抗凍標號很低,17個抗凍試件中有50%凍融75次就被破壞;抗壓強度只達到160 kg/cm2,可見,實際混凝土標號低、施工質量差。
溢流壩采用挑流消能,設長50 m的護坦,護坦板厚1.5~7.0 m,最厚為鼻坎處11.0 m。其尾端鼻坎高2.2 m,鼻坎與水平面夾角22°30′。
1946年、1947年泄洪時,最大泄洪流量分別為12204 m3/s、9828 m3/s。兩次泄洪后,雖泄洪流量遠小于設計的最大流量,但溢流面及消力池均發生了破壞。溢流面破壞面積達70%,破壞深度最大為2.4 m;消力池破壞深度在10 cm以上的部位就有200多處,總破壞面積達13000 m2,破壞平均深度達15 cm。1946年泄洪時,消力池混凝土和基巖被沖走16926 m3,破壞深度最大為3.6 m,1947年泄洪時,被沖走4223 m3,沖刷成的漏斗深4.8 m;兩次共沖走21185 m3,相當于消力池全部混凝土的1/3。
溢流面與護坦破壞之后,對大壩安全威脅很大,不得不采取了補救措施。
電站地處寒冷地區,多年平均氣溫7℃,最高氣溫為34.3℃,最低氣溫為-28℃。由于大壩壩軸線方向為NW30°,下游壩面朝南,白天陽光直射壩面,每年凍融次數達100次左右。因此,大壩只運行了3~4 a就開始出現凍融破壞現象。
由于設計未考慮凍融,加上混凝土質量低劣,蜂窩狗洞較多,壩體漏水,整個溢流面和消力池破損嚴重。從幾年現場調查得知,破損逐年加劇,其破損情況見表1。

表1 水豐大壩溢流面及消力池凍融破壞情況Table 1:Freeze-thaw occurred at overflow surface and stilling basin of Shuifeng dam
大壩混凝土有的部位質量差,經鉆孔發現,壩內有孔洞,漏水也比較嚴重。壩體廊道內到處流水。經灌漿后,情況有所好轉,1953年1月6日(水位115.86 m)日平均漏水量為196.0 L/s,當年10月5日(水位116.37m)日平均漏水量達272.0 L/s。
同時發現大壩伸縮縫和水平施工縫漏水,經查是伸縮縫止水片封閉不好、施工縫的結合不緊密及混凝土局部有蜂窩狗洞所致。
根據地質條件,大壩防滲帷幕孔深為10~35m,孔距3m,以鋸齒形布置;一排孔距大壩中心線1.0m,另一排在第一排孔后2.5 m。灌漿采用的壓力為1.0~3.0 MPa。
當時測得的揚壓力系數,壩體與巖石接觸部分為0.24~0.69,基巖內部為0.19~0.54。運行初期帷幕破壞比較嚴重的壩段是39~46號壩段。遠遠超過揚壓力系數控制值0.25。
大壩上游面高程105.0~117.0 m的部分被凍融而剝蝕。由于大壩本身的橫縫和混凝土滲水嚴重,降低了混凝土的耐久性。
左岸擋水壩段死水位95 m高程以下的部位有嚴重的孔洞形態剝蝕,上游面其他部位的剝蝕也有較深的地方,有的地方可看到裸露鋼筋。右岸擋水壩段的剝蝕情況與左岸相似,有的地方也較深,也可看到裸露的鋼筋。
1950年朝鮮戰爭爆發,美國對水豐電站進行了三次大規模的轟炸,尤其是1952年10月23日進行瘋狂連續的轟炸,電站遭到很大的破壞。大壩被炸出彈坑20多個,彈坑深達0.5~3.0 m,最大彈坑被炸掉的混凝土量達188 m3,彈坑總方量為913 m3,受影響的混凝土量共9200 m3。左岸擋水壩段破壞更為嚴重,廠房壩段的2號和6號進水口處,因遭炸彈破壞,不僅可看到鋼筋,混凝土也被炸飛1 m深,有的地方炸坑混凝土達7 m3。
根據中朝兩國政府議定書的規定,并依據前蘇聯列寧格勒設計院所做的“101”設計對大壩進行了恢復改建。
電站為一等工程,大壩為Ⅰ級建筑物,按重現期1000 a洪水設計,相應洪水位127.4 m,按重現期10000 a洪水校核,相應洪水位130.45 m。正常高水位122.5 m,死水位95.0 m。
恢復改造中,首先進行了洪水和地質復核,將壩址區地震烈度定為7度,由于大壩為Ⅰ級建筑物加1度,因是界河電站又提高1度,其大壩設計烈度選為9度。
恢復改建主要項目:(1)消力池結構改造,消力池底板加厚2~5 m,表面設鋼筋網,鼻坎處設三角形分水消力墩,并延長了發電廠房段的導流邊墻;(2)溢流面加厚,在溢流段下游面澆筑了1.5 m厚鋼筋混凝土;(3)大壩下游面澆筑一層抗凍性混凝土或用噴射混凝土進行補強;(4)擋水壩段壩頂加高擋水墻,由原1.5 m加高到4.6 m;(5)壩體和壩基防滲帷幕水泥灌漿;(6)增設壩基壩體排水孔。主要工程量見表2。
2.2.1 消力池補強與改建
為了加固和改建消力池,專門做了水工模型試驗。在原消力池結構上澆筑了2~5 m厚的補強混凝土,并配置鋼筋網(?20,間距30 cm)。反弧半徑加長至32.7 m,并在護坦末端設三角形分水墩,墩高6.0 m,長18.0 m,在護坦上共設有16個三角形分水挑流墩,并延長了發電廠房部分的導流墻。
2.2.2 溢流段上下游面補強
補強范圍:溢流段上游面104.2 m高程以上部分到溢流段下游面的所有范圍。為使溢流面在泄洪時不再發生破壞,并修復成原來的溢流曲線狀態,將原混凝土挖深80 cm,鋪設鋼筋網(?25間距30 cm)。為了保證與原混凝土的整體性,每1 m2插鋼筋1根(?25),插入原混凝土深度為1.0m;然后澆筑1.5m厚的新混凝土。混凝土設計標號為R28=250號D200,摻入加氣劑,并采用真空作業。混凝土施工澆筑分塊是在大壩原有的橫縫、縱縫處進行分層分塊,澆筑塊尺寸大致為10 m×10 m。

表2 恢復改建主要工程量表Table 2:Main engineering quantity of rehabilitation and innovation
2.2.3壩基、壩體水泥灌漿
(1)壩基帷幕灌漿
壩基防滲帷幕補強規定帷幕深度達到相對不透水層,要求帷幕線上巖石的單位吸水率ω=0.01 L/min·m·m以下;灌漿壓力規定為2.5~3.0 MPa,灌漿段長為5 m左右。帷幕孔垂直鉆設。計劃壩基帷幕灌漿孔6000 m,實際完成7819 m。
(2)壩體防滲灌漿
以防止壩體混凝土滲水。在高程35 m、55 m、70 m各檢查廊道和大壩頂上一部分進行帷幕灌漿工程。
1957年在壩頂和上部廊道對7~27號壩段壩體進行水泥灌漿,1958年對壩段伸縮縫周圍及右岸擋水壩段進行水泥灌漿。
計劃壩體灌漿35700 m,實際完成21348 m。
2.2.4 增設壩基、壩體排水孔
為減小滲透壓力及防止溢流面凍融,在壩基壩體做防滲帷幕后,還設置了排水孔,并在溢流壩段設置三層排水廊道。
(1)壩基及壩體排水
壩基排水孔設置:排水孔傾向下游30°~45°,孔徑85 mm,孔底標高為5.00 m;在發電廠區,利用廠房上游的4號檢查廊道(36.5 m高程)鉆設傾向上游25°的排水孔,孔底標高為10.00 m;在溢流段護坦上也鉆設排水孔,孔底標高也為10.00 m。
壩體防滲帷幕形成后,在其后鉆設排水孔,從壩頂鉆到上部廊道,又從上部廊道鉆到下部廊道。
壩基排水孔計劃鉆設5400 m,實際完成3614 m;壩體排水孔計劃鉆設28100 m,實際完成量不詳。
(2)溢流段的排水
在溢流壩段靠下游壩面設有三層排水廊道,高程分別為87.5 m、47.5 m和31.0 m。在廊道內每個壩段又鉆設了排水孔系統,使壩體內滲漏水從排水系統排出,從而保持大部分溢流面混凝土干燥,減少了溢流面混凝土凍融和凍脹破壞的機會,這樣就減少了裂縫,增加了溢流面混凝土的耐久性。
2.2.5 擋水壩段壩頂加高擋水墻
原壩頂高程126.4 m,按復核后的設計洪水位127.4 m,校核洪水位130.45 m,壩頂高程顯然不夠。為提高大壩防洪標準,將擋水壩段壩頂擋水墻加高。擋水墻為鋼筋混凝土墻,墻頂高程131.0 m,墻高4.6 m,墻底厚1.6 m,頂部厚0.6 m,墻內上、下游側配有鋼筋網。為使上游面與擋水墻連接牢固,將上游面補強鋼筋與防護墻受力鋼筋連成整體。
2.2.6 擋水壩段下游面補強
檢查發現,左右岸擋水壩段下游面混凝土出現溶蝕和凍融破壞,表面混凝土大面積脫落。另外,因戰爭破壞的彈坑方量達913 m3,受影響混凝土量共9200 m3。加固方法:對下游面的下半部分用混凝土預制模板澆筑了抗凍混凝土,對上半部分用噴射法進行了補強。
為監測大壩運行情況,設置了水平位移、垂直位移、裂縫、揚壓力、漏水等監測設備。
3.1.1 大壩變形
(1)水平位移
水平位移采用視準線法,儀器為D30經緯儀(放大倍率38X),每個壩段設1點。每年觀測2次,即汛前及汛后各1次。
1997年前,變幅在18~25 mm,1997~2005年期間無特異變化。歷史上監測的最大差值為4 mm。
(2)垂直位移
垂直位移監測采用精密水準法,儀器為Ni007。壩頂每壩段設1個測點,挑流鼻坎處的三角消力墩上各設1個測點,左右岸各設1個基準點。
1997~2005年觀測表明:垂直位移變化最大的是5號壩段,壩頂為+11.9 mm(1999年),以后無特異變化,均在±5 mm以內變動。
(3)大壩接縫
在高程35 m、55 m和70 m廊道內裝設三向測縫計,設在18~19號、23~24號、38~39號和50~51號壩段的接縫處,用千分卡尺進行縫變化觀測。觀測周期為每月1次。
監測結果表明,廊道中的最大變形值出現在高程55 m廊道的38~39號壩段接縫,為-7.4 mm。其它測點在±3 mm以內反復變化,主要受溫度影響,溫度低則縫開合度大。
3.1.2 大壩滲流
(1)大壩揚壓力
11~52號壩段基礎廊道內設有縱向揚壓力觀測孔,一般壩段設1個孔。在15、25、34、43、48號壩段的橫向廊道內設橫向揚壓力觀測,觀測孔是機鉆孔,孔徑為?110 mm。
1958年開始監測,每月3次,全年共進行36次。大壩運行初期,揚壓力系數較大,大壩恢復改建后,由于對基巖進行了水泥灌漿并設置了排水孔,揚壓力系數已降下來,帷幕處為0.10~0.15,排水孔處為0.05~0.10。
1997~2005年期間,平均揚壓力系數為0.083,遠低于設計值。但發現一部分測孔或測定裝置堵塞,測得的揚壓力的準確性難以保證。
(2)大壩滲漏量
大壩運行初期,漏水比較嚴重,壩體廊道內到處流水。經恢復改建和多年的修補與維護,大壩漏水量明顯減少。恢復改建前1953年水位116.37 m時漏水量為16320.0 L/min,恢復改建后各年漏水量見表3。
從表3可見,壩體滲水與庫水位有關。從漏水部位分析看,從廊道排水孔中漏出的水量占多數,而廊道側墻上的漏水量極少。
3.2.1 溢流面及挑流鼻坎維修
1963年和1964年泄洪,挑流鼻坎和下游面遭到沖刷。1965年3~6月,挖除了200 m3混凝土,澆筑了650 m3新混凝土。
1970年因挑流鼻坎被剝蝕,澆筑了180 m3混凝土,維修成原來狀態。
1987年也因下游壩面被沖刷,挖除100 m3混凝土,澆筑了180 m3混凝土。
1995年后,每次泄洪后對沖刷部位都進行修補。
3.2.2 擋水壩段及流筏道封堵
(1)右岸上游面的補強
從1964年開始對右岸擋水壩段進行補強工程,共澆筑850 m3混凝土。

表3 水豐大壩滲漏量統計表Table 3:Seepage of Shuifeng dam
1968年在右岸壩段105.00 m高程以上所有部位,布置間距為30 cm、?20 mm鋼筋網,并用2.25 m221根、?25 m錨筋固定后澆筑了1.5 m厚的補強混凝土。在布筋前,先挖除破碎的混凝土,露出完整堅硬的混凝土。此間共澆筑了1000 m3混凝土。
(2)左岸擋水壩段上游面補強
對左岸2、6號取水口入口處進行了補強處理。補強時,先挖除破損混凝土之后,利用已裸露的鋼筋和錨筋,采用預制混凝土模板澆筑了1 m厚的補強混凝土。
1980~1983年期間,在取水口補強工程中,受上游水位上漲的影響而停工,于1988年恢復施工,全面完成了79~126 m高程之間的取水口上游面補強處理,共澆筑了1500 m3補強混凝土。
(3)流筏道封堵
1964年用混凝土封閉55~59號壩段中預留的流筏道,混凝土澆筑量850 m3。但封閉后發現1、2號筏道漏水嚴重,對此采取了水泥灌漿止漏措施。
3.2.3 壩體水泥灌漿
1959~1996年,對壩體進行了水泥灌漿,共10872771 m。
大壩經恢復改建和多年的修補與維護(水泥灌漿、上游壩面補修等),大壩漏水量明顯減少。
根據公司理事會第45、46次決議,1994~1997年進行了大壩安全第一次檢查,對大壩的設計、施工和運行進行了復核。中朝雙方專家的檢查結論是:水豐大壩經過多次改建和維修,運行基本正常,大壩是穩定的。為了確保大壩的安全,要對洪水進行復核并進行調洪演算,最后確定設計洪水位及校核洪水位,如復核后的水位高于防浪墻頂部高程,應采取一定的工程措施。雙方專家還提出一些意見和建議。
1998年,在理事會第51次會議上批準了水豐大壩安全會議紀要,并決定召開水文專業會議,研究水豐水庫的洪水問題。
根據公司理事會第58次會議決議,2006~2007年對大壩安全進行第二次檢查。
4.2.1 工程等別與設計標準
水庫總庫容為149.5億m3,工程等別為一等,大壩為Ⅰ級建筑物,按重現期1000 a洪水設計,重現期10000 a洪水校核。
4.2.2 地震烈度
在大壩安全第二次檢查期間,進行了專門的地震危險性分析。大壩場址地表50 a超越概率為10%的水平向峰值加速度值推算工程場地基本烈度為7度。未來百年內近場區是一個以中、小震活動為主的弱震區。壩址區地震參數的選取,壩址區100 a超越概率2%的地震峰值加速度為0.160 g。
大壩壩址地區地震烈度為7度,大壩為Ⅰ級建筑物,可提高1度,取8度是適當的。其地震烈度低于電站恢復改建標準,偏于安全。
4.2.3 洪水復核
中朝雙方專家對洪水進行復核,其結果表明,設計洪水位和校核洪水位均低于擋水墻(防浪墻)頂高程。
4.2.4 泄洪設備安全復核
大壩閘門平均銹蝕深度0.715 mm,平均銹蝕速度0.010 mm/a。閘門面板最大應力雖然小于允許應力,但閘門已使用近70 a,從閘門整體和長期安全考慮,應進行更換。啟閉機老化、陳舊、破損等嚴重,應進行更換,以確保使用時安全可靠。啟閉機工作橋老化破損嚴重。
4.2.5 大壩混凝土
大壩存在一定缺陷。恢復改建時,針對存在的缺陷進行補強加固。運行監測和現場檢查表明,大壩可滿足安全運行要求。但大壩運行時間較長,混凝土老化現象日趨嚴重。擋水壩段下游面噴射混凝土層已出現裂縫、脫落、漏水,溢流壩閘墩凍融、沖刷局部破損嚴重,溢流面每次泄洪后均有局部破損。
4.2.6 溢流面破損
多次泄洪后,溢流面下部及反弧段破壞比較嚴重。1996年、2004年和2005年大壩泄洪后,下游面和反弧段遭到沖刷破壞,下游面破損面積為525 m2,挑流鼻坎破損面積為279 m2,最大面積為9×13 m2,沖刷深度最大為1.0 m。雖然每次沖刷破壞后均進行了修補,但仍給正常運行帶來了不利影響。
4.2.7 大壩監測設施
大壩的監測項目,除大壩缺少壩基變形監測外,相對比較齊全,測點數量也滿足要求,但監測設備簡陋、陳舊、老化、銹蝕嚴重,水平位移監測精度低,已不能滿足監測要求,監測測次太少,難以掌握大壩的變化規律。揚壓力監測設備部分銹蝕、腐爛,有的測孔已堵塞,管路銹漏,測值失真,已難滿足監測需要。
4.2.8 大壩安全評價
大壩建基條件、壩體斷面設計滿足抗滑穩定要求,地震基本烈度經復核為7度,大壩按8度設防是可行的。經“101”設計改建及后續運行維護,壩體原有的施工質量缺陷得到了改善和控制。大壩變形、滲流狀態總體正常,經本次大壩安全檢查,可以認為大壩運行狀態基本正常。目前,大壩表面剝蝕破損等老化現象嚴重,閘門及啟閉設施陳舊、可靠性差,已不能保證安全可靠運行,必須及時對設備進行更換,對缺陷進行補強加固處理,對觀測設備進行現代化改造,以保證大壩和下游兩岸的安全。
雙方專家對大壩存在的問題提出了意見和建議。公司理事會第59次會議批準了有關會議紀要。
對中朝雙方專家的評價意見,有關方面十分重視,進行了認真研究,并采取相應措施有計劃地分步實施,以確保大壩安全。
根據中朝水力發電公司第60次理事會決議及國家相關方面安排,對水豐水電站防洪設施進行改造。改造后大壩將在提高發電效益、確保鴨綠江流域安全度汛方面發揮重要作用。
溢流壩位于大壩24~49號壩段,共26孔,為開敞式溢流孔,堰頂高程116.0 m,采用挑流消能。每孔閘門為平面定滑輪閘門,閘門孔口尺寸為12.0 m×7.3 m(寬×高),閘門啟閉機工作橋頂高程135.5 m,橋上設有3臺2×600 kN移動式啟閉機操作閘門。
原設備十分老舊,存在嚴重安全隱患,2009年2月開始對防洪設施進行改造,歷時33個月,對大壩溢流閘門及其埋件、啟閉設備及其電源等進行了更新改造,并對有關土建部位進行施工。改造后每扇閘門重53 t,啟閉機工作橋頂高程為131.5 m,橋上設有3臺2×630 kN移動式啟閉機。防洪設施改造工程于2011年汛前全部完成并移交使用。
改造包括大壩變形和滲流監測。大壩變形:壩頂布置56個測點,1號廊道布置44個測點,3號廊道布置34個測點,在廊道內共設19個測點進行接縫監測。滲流監測:縱向揚壓力監測共44個測點;橫向揚壓力共35個測點。繞壩滲流監測共9個監測孔。
2011年6月,中國南瑞集團公司簽約東北電網有限公司與朝鮮合作項目——水豐水電站防洪設施改造工程中的安全監測系統改造工程施工(含設備)項目。■
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