在役混凝土壩耐久性研探

邢林生，周建波

（國家電力監管委員會大壩安全監察中心，浙江杭州 310014）

0 引言

我國在1949年以后建造了大量混凝土壩，目前已建和在建混凝土壩數量，以及在建混凝土壩高度皆居世界首位。混凝土壩是我國大、中型水電站大壩的主要壩型，約占總數的3/4。1949～1970年蓄水運行的大、中型水電站混凝土壩，至今壩齡已超過40 a，隨著歲月的流逝，這些大壩經歷著逐漸老化的過程，其運行狀況、耐久性能是人們關注的重要課題。本文通過工程運行實例分析，對影響混凝土壩耐久性的主要因素、影響機理、危害程度進行研究，進一步探討保持或恢復大壩承載能力和使用功能的有效措施，以期為延長混凝土壩正常使用壽命，得出一些規律性認識。

1 在役運行概況

表1為1954～1970年首次蓄水的25座混凝土壩運行中發生的重要事件。在這25座大壩中，重力壩（含寬縫重力壩、空腹重力壩）有13座，拱壩（含重力拱壩）有5座，支墩壩（連拱壩、大頭壩、平板壩）有7座；壩高超過70 m的高壩13座，超過100 m的5座，最大壩高147 m；設計總庫容超過1億m3的18座，超過10億m3的10座，超過100億m3的2座，最大總庫容216.26億m3；按現行水工建筑物級別劃分，1、2、3級建筑物分別為10座、8座和7座。上述統計數據表明，這些大壩代表了我國20世紀50～60年代混凝土壩的建設水平。這些大壩至2011年，壩齡已達41～57年，運行狀態都仍屬正常，但在漫長的運行過程中，部分大壩曾經發生過影響到承載能力或使用功能的事件，現擇其典型事件概述如下。

1.1 地基失穩

表1 25座混凝土壩運行中的重要事件概況Table 1:Statistics of important events of 25 concrete dams in operation

梅山連拱壩1962年右岸基巖裂隙張開和局部錯動是大壩地基失穩的典型事件。該壩右側壩基巖體，由連貫剪切小斷層及冷凝收縮節理切割形成大致平行河流方向的長條塊狀，為庫水滲入、裂隙揚壓力增加、抗剪強度降低創造了條件。建壩時沿拱及垛上游壩基邊緣只做了單排帷幕灌漿，未設排水孔，垛與垛之間的巖石表面用混凝土覆蓋封閉。1958年蓄水運行后的幾年庫水位較低，1962年9月28日首次超過設計正常高水位（125.27 m），達125.56 m，并持續運行約40 d。11月6日凌晨水位回落到124.89 m時，右側14～16號垛基巖體裂隙有23處出現大量滲漏水[1]，最大達70 L/s，14號垛基一個未堵塞的灌漿孔噴出的水流射程約11 m，同時，13號垛頂2 d內上下游方向位移擺動變幅達11.56 mm，3 d內左右方向位移擺動變幅達58.14 mm。14號垛基11月12日上抬量達14.1 mm，右側壩垛及拱臺出現幾十條裂縫，最長達28 m，縫寬6.6 mm，大壩處于危險狀態，被迫放空水庫進行加固。

1.2 洪水漫過壩頂

修文和佛子嶺、磨子潭3座大壩，分別在1963年和1969年發生洪水漫過壩頂事件，漫過防浪墻頂高度分別為0.15 m、1.08 m和0.49 m，漫壩歷時分別為2 h、25 h15 min和4 h 48 min。3座大壩洪水漫過壩頂都造成一定損失，其中佛子嶺大壩遭受的損失最為嚴重，該壩漫過壩頂的洪水流量達1 190 m3/s，壩后老廠房被沖毀，新廠房被淹沒，壩后河床及兩岸基巖沖刷破壞比較嚴重。壩頂上下游方向水平位移監測資料分析顯示，1969年洪水漫壩后不可逆時效位移有0.5～1.0 mm的突變增大，說明大壩剛度遭到了不可恢復的損壞。這3座大壩分別經受住2～25 h的洪水漫壩考驗，壩體都未產生明顯破損或潰壩失事，實踐證明，混凝土壩具有良好的超載能力和抗沖刷破壞能力。

1.3 壩體遭受強震損壞

新豐江單支墩大頭壩1959年蓄水運行后，壩區附近頻繁發生地震，1960年7月18日庫水位90 m時發生一次6度地震，震后將原設計地震烈度由6度提高為8度進行加固。1962年2月19日，庫水位110.48 m時，大壩東北約1.1 km處發生6.1級地震，震源深度約5 km，震中烈度為8度，大壩整體經受住了這次強震的考驗，沒有產生明顯的沉陷與位移，但右側13～17號壩段108 m高程附近產生長達82 m的上下游貫穿性水平向裂縫，庫水從裂縫中滲出，左側2～5號壩段在同一高程也產生不連續水平向裂縫。震后按設計烈度9.5度與正常蓄水位116 m組合進行二期加固，對右側108 m高程裂縫跨縫做長80 m、寬5 m、厚20 cm的鋼筋混凝土板貼于壩面，并埋插鋼筋束和灌漿止漏，另外，為在緊急情況下能夠迅速降低庫水位，在左岸增設一條內徑10 m的泄水隧洞。

1.4 產生嚴重劈頭裂縫

柘溪和桓仁兩座單支墩大頭壩，運行中都產生劈頭裂縫，其中柘溪大壩劈頭裂縫比較嚴重，曾一度被確定為險壩。柘溪大壩1962年蓄水運行，1969年6月30日，1號支墩產生劈頭裂縫，裂縫面積達2 000 m2，約占大壩橫剖面的45%，縫口嚴重射水；1977年5月16日，2號支墩產生劈頭裂縫，縫口射水流量達40 L/s，大壩被確定為險壩并降低水位運行。1980～1985年，經過前堵、后排、空腔回填混凝土等一系列加固處理，1號、2號支墩劈頭裂縫合計最大滲漏量降為2.7 L/s，1988年3月摘除險壩帽子，大壩恢復正常蓄水。1998～1999年和2002～2003年，又兩次從上游面對1號、2號支墩劈頭裂縫進行封堵止漏處理，2004年下游縫口已基本無水滲出。

1.5 壩基嚴重滲漏

窄巷口水電站以發電為主，安裝3臺單機15MW的水輪發電機組。1970年蓄水后發現水庫嚴重滲漏，1970年9月29日庫水位為1 085 m（設計正常蓄水位為1 092 m）時，滲漏量達到20 m3/s。曾多次放空水庫查漏，查清了巖溶性滲漏的范圍和滲漏形式，庫區滲漏入口主要分布在庫首1 250 m范圍內。1972年和1980年，曾兩次在庫內進行堵漏處理，取得了一些防滲效果，1994年5月17日，庫水位1 086.5 m時，滲漏量為17.7 m3/s。由于水庫長期嚴重滲漏，致使1臺機組不能正常發電。2000年以后，通過一系列勘測、試驗和分析研究，基本查清大壩帷幕線上巖溶滲漏部位，目前正在進行帷幕灌漿和堵洞工程施工。

2 影響耐久性因素

混凝土壩的耐久性系指在常規維修條件下，保持其承載和使用功能的能力。以往偏重于筑壩材料方面的耐久性研究，實際上混凝土壩勘察、設計、施工、運行的每一個環節都影響到大壩的耐久性。在役混凝土壩運行生命循環系統如圖1所示。以下根據表1及其它一些混凝土壩運行情況，著重對蓄水以后影響耐久性的因素進行分析研究。

圖1 在役混凝土壩運行生命循環系統Fig.1 The life cycle of concrete dams in service

2.1 地基劣化

承載混凝土壩全部荷載的地基，其運行狀態直接關系到大壩的長期安全穩定。混凝土壩地基一般為巖基，巖基內斷層、節理、裂隙等結構面中的充填物，在高壓滲流的沖洗作用下，有可能逐漸變質和被帶走，形成滲漏通道，使壩基揚壓力升高，結構面抗剪強度降低，威脅到大壩的穩定，梅山大壩就曾發生過這類事件。壩踵巖基在水流長期反復沖淘作用下，有可能逐漸被淘空，使壩基承載面積逐漸減小，馬跡塘大壩是一個典型案例。該壩為低水頭徑流式低壩，溢流壩前河床面流速較大，而巖基軟弱，抗沖能力低。運行14 a后發現4個壩段壩踵巖基被淘空，向下游最大淘進7.7 m，約占上下游方向壩基長度的1/3，沿壩軸線方向最大淘空5 m，約占壩段寬度的1/2。為了大壩的長期穩定，應在勘察、設計和施工階段，徹底查清地基的薄弱部位，嚴格做好地基處理，有針對性地采取堵、排防滲措施。運行實踐表明，地基內的薄弱部位性態劣化，通常有一個漸變發展過程，新安江大壩針對壩基軟弱頁巖，運用勘探、試驗等手段及時掌握其性態變化趨勢的做法，無疑是十分必要的。

2.2 沖磨空蝕

沖磨和空蝕對于混凝土壩表面的損害屬物理性破壞。沖磨是高速水流挾帶泥沙礫石的沖刷、撞擊和摩擦損害，空蝕是高速水流速度和方向改變而形成空穴作用造成的損害。位于多泥沙河流黃河上的劉家峽大壩，設計階段壩址多年平均輸沙量為8 700萬t，約40%的泥沙為硬度高的石英，溢洪道、泄水道、泄洪洞和排沙洞的設計最大流速分別為30 m/s、35 m/s、45 m/s、29.5 m/s。在1989年龍羊峽、劉家峽兩庫聯合調度前，四大泄水建筑物沖磨空蝕破壞比較嚴重，1975～1989年14 a中共檢修27次，累計修補面積18 502 m2。位于大渡河上的龔嘴大壩，河床坡度大，不僅泥沙含量大，并以粗顆粒推移質為主，沖磨空蝕破壞嚴重，三個沖沙底孔1971～2001年分別運行11 156 h、12 411 h、15 571 h（流速為21～27 m/s）。檢修閘門槽以后沖磨空蝕破壞部位，每隔3～5 a即檢修一次，分別檢修6次、5次和10次。通過多次實踐，基本掌握了這2座大壩泥沙沖磨空蝕規律，并運用浮體門從上游面對水深約60 m的泄水孔進行封堵，使遭受嚴重沖磨空蝕破壞的進水喇叭口至檢修閘門槽以前這一段，形成從下游進入的旱地施工條件，為高壩深水下過流孔洞進口段檢修積累了寶貴的經驗[2]。

2.3 凍融凍脹

混凝土壩凍融凍脹是一種物理性破壞。在溫度正負交替的過程中，混凝土較大微孔中的水轉變為冰時，體積膨脹9%，產生凍脹壓力，并迫使未結冰的孔溶液遷移產生滲透壓力，兩者形成的疲勞應力超過混凝土抗拉強度時即遭受破壞。正負溫度交替變化和有水滲入混凝土中是產生凍融凍脹破壞的兩個必要條件。在我國東北、西北和華北地區，多座大壩都遭受到了凍融凍脹破壞，有的比較嚴重。云峰大壩壩址區多年平均、最低日平均和瞬時最低氣溫分別為6.2℃、-32.6℃和-41℃，大壩下游面年凍融循環次數135次，1965年蓄水后壩體普遍滲漏。1980年檢查，溢流面和擋水壩段下游面凍融凍脹面積分別為11 000 m2和9 217 m2，分別占檢查面積的33.6%和23.7%，最大破壞深度分別為50 cm和25 cm；溢流面表層深20～30 cm的混凝土檢測強度只有11～13 MPa，遠低于設計強度19.6 MPa的要求；表層深30～50 cm混凝土抗凍試驗10組試件中，7件僅達F50，最大F100，都達不到設計等級F150的要求。1974～1996年間，該壩受凍脹影響，壩頂不可逆上抬8.4 mm，大壩上部整體性受到削弱。為了防止溢流面遭受泄洪沖刷破壞，進行了補強加固。

2.4 表層碳化

混凝土壩表層碳化是空氣中CO2氣體沿著不飽和水的混凝土毛細孔滲入，與水泥水化產物Ca(OH)2反應生成CaCO3的過程，屬化學性破壞。其主要危害，一是反應過程混凝土由表及里堿性降低，逐漸使鋼筋表面受到高堿性保護的鈍化膜因混凝土中性化而失鈍破壞，鋼筋銹蝕體積膨脹，鋼筋斷面減小，承載能力降低，并致使混凝土保護層崩落；二是混凝土碳化過程消耗掉一部分粘結成分，體積收縮出現裂紋或小孔洞，減小結構受力斷面。珠窩、劉家峽、鹽鍋峽、黃龍灘、陳村等大壩和廠房的鋼筋混凝土梁、板、柱構件以及廊道內壁，都曾因碳化嚴重，保護層崩落而露筋。古田溪二級平板支墩壩的擋水面板厚度為0.65～2 m，鋼筋保護層厚度7.5 cm，運行40 a后，按碳化深度40 mm復核計算，不存在鋼筋鈍化膜失鈍破壞問題，但有效承載面積減少6%～2%，部分面板抗裂承載能力已不能滿足要求[3]。混凝土碳化速度受到水灰比、水泥和混合材料的品種、用量、施工質量以及環境條件等諸多因素的影響。實踐表明，正確制備的混凝土碳化速度低于1 mm/a[4]。從表2[5]可以看出，20世紀50年代初興建的佛子嶺大壩碳化速度很慢，只有0.081 mm/a，其主要原因是使用單一品種硅酸鹽水泥，骨料級配良好，水灰比低，施工工藝符合設計要求，振搗密實，而20世紀50年代中后期至60年代末興建的大壩，碳化速度大多數超過1 mm/a，最大達到3.394 mm/a。

2.5 滲漏溶蝕

混凝土壩體中水泥水化產物Ca(OH)2隨著壓力滲漏水不斷流失，在滲水出口處與空氣中的CO2反應生成白色CaCO3，標志著壩體已遭受溶蝕破壞。溶蝕過程是一個較為復雜的物理化學反應過程。試驗表明，當Ca(OH)2溶出（以CaO量計）達25%時，混凝土抗壓、抗拉強度將分別下降38.5%和66.4%，同時孔隙率增加，抗滲能力下降，飽和面干吸水率將增大90%；CaO溶出33%時，混凝土變得疏松而失去強度。運行多年的豐滿、佛子嶺、梅山、新安江、古田溪二級、古田溪三級、陳村等大壩，都存在不同程度的滲漏溶蝕現象，有的甚至相當嚴重。豐滿大壩一度滲漏嚴重，經過多次治理，1986年壩體滲漏量大幅度下降為119 L/min，溶蝕帶出的鈣離子仍高達3 516 kg[6]。1993年蓄水運行的水東大壩，壩體滲漏嚴重，經過處理，1999年平均滲漏量為156 L/min，溶蝕帶出的鈣離子多達998 kg。在羅灣大壩滲漏溶蝕部位檢測，齡期為12 a的混凝土強度只有設計強度的83%，3組共9個抗滲試件中，有2組6個試件抗滲標號僅為W2，遠低于設計標號W6。為預防或減輕溶蝕破壞，關鍵是要提高混凝土密實度和不產生與上游貫穿的裂縫，防止或減少壩體的滲漏。

表2 18座混凝土壩表層碳化速度Table 2:Surface carbonation rate of 18 concrete dams

2.6 硫酸鹽侵蝕

混凝土壩的環境水中含有硫酸鹽時，受其化學性或物理性破壞是一個突出問題。劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、紀村等大壩，都曾不同程度地遭受到了硫酸鹽的侵蝕破壞。當硫酸鹽（Na2SO4）與混凝土中的Ca(OH)2反應生成CaSO4時，產生第一次結晶膨脹，CaSO4又與混凝土中的C3A反應生成硫鋁酸鈣，產生第二次結晶膨脹，巨大的膨脹應力導致混凝土脹裂、變酥，甚至成粉末狀。紀村大壩前池水質受引水渠道中硫鐵礦化帶影響，在不供水發電時呈強酸性，pH值為3.0左右。1977年蓄水后壩基出現滲漏通道，運行至1981年，建基面混凝土和基巖遭受到物理性和化學性雙重破壞，按惡化面積加權平均，摩擦系數已由設計采用值0.4降為0.31[7]。八盤峽壩址區地下水中硫酸根離子含量在2 000 mg/L以上，閘壩段、左壩頭和左岸山頭處含量分別為4 000 mg/L左右、8 000 mg/L左右和12 300 mg/L。1975年蓄水運行至1985年，基礎廊道排水孔附近和排水溝邊的混凝土產生脹裂或崩坍，局部用手捏揉即成粉末；1992年鉆孔取芯試驗和電子顯微鏡微觀檢查表明，經過17 a的運行，建基面混凝土與基巖結合較好，強度未降低，微小孔隙內有初始階段硫酸鹽結晶跡象，沒有發生類似紀村大壩那樣的破壞，這一重要信息說明，在滲漏量微小、不具備自由膨脹空間的條件下，硫酸鹽的侵蝕破壞是緩慢而微弱的。

2.7 裂縫

混凝土壩裂縫是材料的不連續現象，是在溫度荷載或外荷載作用下產生的常見物理性病害。它不僅可能破壞大壩的整體性，使壩體應力惡化，安全度降低，還可能引起嚴重的滲漏和溶蝕，影響大壩的擋水、泄洪使用功能。隨著運行時間的延長，有的壩裂縫還可能不斷增生或擴展，其危害日益嚴重。珠窩大壩溢流面1969年發現裂縫67條，每個溢流壩段上都有一條上下游方向貫穿整個溢流面的大裂縫，1981年縫寬4 mm，縫深7 m，滲漏量高達6 000 L/min，溢流面被切割損壞，泄洪時有可能大面積毀壞，經大規模處理才消除隱患。體型單薄的佛子嶺連拱壩，1954年蓄水運行初期壩體裂縫363條，1965年增加到564條，1995年達856條，大壩整體性受到明顯破壞，一些貫穿性裂縫引起嚴重滲漏和鋼筋腐蝕，而三角形裂縫切割形成的塊體更有被高壓庫水頂出的危險[8]。陳村重力拱壩1970年蓄水后長期低水位運行，下游面105 m高程附近水平向裂縫不斷擴展，1973～1979年期間，拱冠部位縫寬由1.34 mm擴展為3.19 mm，增大1.85 mm，隨后保持運行水位不低于死水位，該裂縫以較慢的速率繼續擴展，2007年比1979年增大1.02mm，達4.21mm[9]。對于不斷增生或擴展的裂縫，尤其要加強監測和分析，并及時采取有效應對措施。

2.8 水工機械衰損

水工閘門及其啟閉設備擔負著水電站調節、控制水流的關鍵任務，是混凝土壩的重要組成部分。由于金屬材料特性與混凝土不同，水工機械衰損速度更快，一般運行20 a左右，各種老化現象就會顯現出來，如不及時維護，病害將日益嚴重。梅山大壩自1956年蓄水運行，1999年檢測發現泄洪洞工作閘門主材為不合格的沸騰鋼，溢洪道閘門啟閉時框架產生扭曲變形。1958年蓄水運行的黃壇口大壩，2001年檢測發現溢洪道弧門的箱形支撐梁屈服強度下降15%，極限強度下降12%，斷面收縮率下降12%，有從塑性向脆性轉化的趨勢。以禮河二級大壩1958年蓄水運行，2002年檢測閘門吊耳板顯著變形，主輪銹死，門前淤積嚴重，無法正常啟閉。1959年蓄水運行的古田溪一級大壩，1999年溢洪道弧門支臂腐蝕深度最大達20 mm，腐蝕速度達0.513 mm/a。西津大壩自1961年蓄水運行，1999年檢測發現溢洪道閘門貼角鋼板焊縫缺陷率達87.8%，部分受力結構是不合格的鋼材。石泉、劉家峽、上猶江、烏江渡、安砂、陳村等大壩，水工機械都存在一定缺陷，如閘門水封損壞，軸套硬化咬死，閘門啟閉過程中產生射水、振動或伴有尖嘯聲，有的啟閉機長期超載運行。21世紀初開始，許多大壩對水工機械開展全面檢修，黃壇口、西津等大壩對閘門逐年進行更換處理。

2.9 水庫淤積

水庫淤積所帶來的負面效應，一是水庫調節庫容若因淤積減少，這將會影響防洪、發電等效益的發揮；二是壩前淤積超過設計淤積高程后，因淤沙壓力增大，可能會影響大壩的穩定；三是大壩水下過流孔洞進口前淤堵，可能會危及到閘門的正常啟閉運行。少泥沙河流上的水庫淤積速度往往很緩慢。位于風景秀麗植被良好的黃山北麓的陳村水庫，運行32 a后，總庫容幾乎沒有變化；位于黃山南麓的新安江水庫，運行15 a后總庫容僅損失0.1%，而淤積物主要停留在干、支流的水庫末端[10]。位于多泥沙河流上的水庫淤積速度較快。黃河上的鹽鍋峽和青銅峽水庫，各自蓄水運行3 a和5 a后，總庫容分別損失71%和87%，以后漸趨沖淤平衡。劉家峽水庫在1968～1988年期間，總庫容損失19.6%，年平均淤積速度約為1%，有效庫容被淤積8.2%，調節庫容減少，泄水建筑物閘門操作因門前淤堵受到干擾，發電機組過流部件磨損嚴重，威脅到安全度汛和正常發電。1989年龍羊峽、劉家峽兩庫聯合調度后，來沙量減少，并采取低水位攔沙和汛期異重流排沙等有效調度措施，水庫年淤積速度明顯下降，1989～1998年為0.5%，1999～2006年進一步下降為0.25%。

2.10 其它

洪水漫過壩頂、水庫嚴重滲漏、遭受強烈地震雖是稀遇事件，不是混凝土壩的一般性耐久性問題，可一旦發生，則可能對在役混凝土壩的結構和工程正常使用產生較大影響。規劃設計階段采用的工程防洪標準偏低，隨著運行時段的延長，設計洪水加大，以及規劃中的上游具有防洪功能的水庫未能按時興建，這些是造成洪水漫過壩頂的重要因素，運行中應及時對大壩防洪標準和泄洪能力進行復核，采取相應處理措施。水庫嚴重滲漏的主要負面效應是影響水電站發電效益的發揮。大壩勘察時，對水庫周邊尤其是庫首附近范圍的水文地質條件，需仔細勘探清楚，并認真做好防滲堵漏處理工程。混凝土重力壩和混凝土拱壩的抗震性能較好，2008年汶川大地震時，震中的幾座混凝土壩再次證實了這一點。而對于混凝土支墩壩，由于體型單薄或壩體重心較高等特點，需重視其抗震能力復核工作，并注意加固措施的科學性。

3 延長使用壽命措施

隨著時間的推移，在役混凝土壩漸趨老化，其使用壽命是一個客觀存在的問題。為了延緩混凝土壩衰老進程，延長使用壽命，主要措施一是通過監測、檢查和防洪能力、結構穩定及耐久性評價，發現缺陷和隱患，采取工程措施予以消除；二是根據大壩運行性態，適當調整運行方式，避免不利運行工況，減少損害。

3.1 工程措施

長期以來，許多混凝土壩持續開展維修加固工程，以消除重大缺陷、延長使用壽命，發揮有效作用（見表3）。大量維修加固工程實踐表明，為了能夠達到增強混凝土壩耐久性能的目的，以下三個問題需要加以重視。

3.1.1 及時性

對于混凝土壩的重要老化病害，必須及時治理，否則，病害程度會逐步加重，治理難度不斷加大，并可能造成重大損失和影響大壩的安全運行。以下是兩個典型事例。體型單薄的佛子嶺連拱壩，裂縫是主要老化病害之一，大壩長期受其困擾。1954年蓄水后，1955年、1965年、1969年和1982年多次進行大規模治理，其中1955年和1965年兩次放空水庫，從上、下游同時進行修補、止漏和加固處理。持續不斷地及時治理使裂縫危害得到一定程度的遏制。20世紀末從穩定、強度、剛度等方面進行綜合分析評價后認為，該壩經過40多年的運行，大壩總體上尚處于彈性工作狀態，對裂縫加固處理后仍可繼續擋水運行。位于嚴寒地區的豐滿大壩，溢流面凍融凍脹破壞嚴重。1980年泄洪時沖毀面積約300 m2，沖走混凝土約40 m3。由于治理方案久議不決，資金渠道不暢等原因，未能及時治理，凍融凍脹破壞日益加重。1986年泄洪時，12～14號溢洪道沖毀面積1 090 m2，沖走混凝土1 920 m3，最大沖坑深達3.3 m。關閉這3孔溢洪道減少泄洪能力2 520 m3/s，直接威脅到大壩防洪安全，致使當年水庫控制水位降低2～2.5 m運行[11]，造成重大經濟損失，并被迫除險加固搶修。

3.1.2 全面性

在進行混凝土壩重要老化病害治理前，需對其成因、危害以及治理措施可能產生的副作用進行綜合研究，擬定出內容全面、針對性強的治理方案。羅灣大壩在治理壩體嚴重滲漏溶蝕時，經歷了一段有啟迪意義的過程。該壩為遏制壩體滲漏溶蝕的危害，曾在廊道內對滲水析鈣點和裂縫進行灌漿封閉處理，由于未能從源頭上阻斷庫水的入滲通道，僅封閉廊道內的滲水出口，促使壓力滲水在壩體內竄擾，處理后不久，其它部位又出現了新的滲漏析鈣點和新的裂縫，下游水平澆筑層面滲水析鈣現象也越來越嚴重，壩體遭受到了新的傷害。2006年，該壩排干壩前庫水，將上游面瀝青混凝土防滲層延伸至壩基面，全面封堵滲水入口，壩體滲漏量比治理前減少了98%左右，取得了比較徹底的治理效果。古田溪二級平板壩的治理方案內容全面，效果顯著，不僅從上、下游面對面板進行全面防滲漏溶蝕、防風化侵蝕和防碳化處理，同時增設隔墻將垛墻連接成方格狀整體，并在面板后部增設三角形混凝土加重支撐塊，使壩體的抗震性能和抗滑穩定得到增強。

表3 25座混凝土壩主要維修加固工程和運行調度措施Table 3:Main rehabilitation works and operation measures of 25 concrete dams

3.1.3 科學性

混凝土壩老化病害治理方案和措施，應經過充分論證，力求科學合理，符合工程具體情況，治理后能夠經受長期運行實踐的檢驗。以下是豐滿、水豐兩座大壩溢洪道加固處理效果的差異情況。這兩座壩同為1937年開始興建，設計要求基本一致，壩型、壩高、壩長相似，運行環境相近。水豐大壩1958年溢洪道加固后，經過多次泄洪運行，只有局部凍融凍脹和沖刷破壞。豐滿大壩1987年對溢洪道加固后至2005年，多次檢查發現，溢流面多處滲漏析鈣和產生多條裂縫，凍融凍脹破壞日益嚴重。之所以兩座壩加固效果相差甚遠，主要原因是，豐滿大壩上游面結合原防滲層雖已防護到225 m高程，但此高程以下仍是壩體滲水的入口，由于壩體排水系統已基本失效，壩體浸潤線居高不下，下游滲水出逸點較高，致使溢流面凍脹開裂，嚴重影響泄洪安全。水豐大壩加固時高度重視壩體排水，在溢流面后設置3層平行壩軸線的縱向排水廊道，每個壩段均打排水孔將滲水沿排水系統排走，使溢流面基本保持干燥，有效減輕凍融凍脹破壞，加固50多年后仍能正常泄洪運行[12]。

3.2 調整運行方式

一些混凝土壩，通過對水位、溫度和泄洪閘門運行方式的調整控制，避免不運行方式的出現，達到有效減輕大壩遭受損害的目的。

3.2.1 水位控制

混凝土壩設計時，已經考慮代表性荷載組合工況，但不可能包括所有的最不利荷載組合。以拱壩為例，通過運行總結或復核計算，努力避免出現不利荷載組合是減少裂縫危害的有效措施。以下是幾座拱壩的運行實踐情況。1958年蓄水運行的流溪河拱壩，1960年、1963年和1985年，夏季庫水位都曾降落到死水位附近或更低，1961年下游面產生水平向裂縫，隨后數量逐漸增多，1989年最大縫寬為0.75 mm。復核計算表明，當庫水位高于死水位5 m時與溫升荷載組合，下游面豎直向拉應力已普遍超過1.2 MPa，最大達1.98 MPa。泉水拱壩1976年蓄水后一直低水位運行，1978年比死水位約低11 m，1980年下游面出現20多條水平向裂縫，按死水位與溫升荷載組合復核計算，下游面豎直向拉應力已達1.4 MPa。陳村拱壩1976～1979年內，曾有720 d水位低于死水位，最低比死水位約低10 m，經歷了3次長時段低水位高溫運行工況，下游面原有的水平向裂縫寬度迅速擴展，縫深達5 m，壩體整體性遭受嚴重損害。這3座壩為了遏制下游面裂縫的增生和擴展，都擬定出最低運行水位的規定，并在實際運行中認真貫徹執行。

3.2.2 溫度控制

一些體型單薄的支墩壩，對于環境溫度劇烈變化尤為敏感，較早意識到下游面保溫的重要性。古田溪二級、古田溪三級平板壩及湖南鎮梯形支墩壩，為了減輕寒潮對壩體的不利影響，減少下游面裂縫的產生，都將冬季及時關閉下游交通廊道門扇列入了運行管理規程。位于東北嚴寒地區的桓仁單支墩大頭壩，1967年蓄水后不久，即采用預制板在支墩間對空腔進行封蓋，使壩腔冬季瞬時最低溫度高于2℃，有效消除負溫對劈頭裂縫的不利影響，也避免了凍融的危害。1991年又采用瀝青膨脹珍珠巖對封腔蓋板進行改造，使壩腔瞬時最低溫度高于4℃，進一步提高保溫效果。佛子嶺連拱壩21世紀初開展大修時，在壩面噴涂5 cm厚聚氨酯保溫層，對減輕裂縫危害和防止表層風化侵蝕都有一定效果。觀測資料表明，一些拱壩表面噴涂保溫層后，也取得了較好的保溫效果。托海拱壩保溫層正面與背面實測溫差達7℃。響水拱壩1989年一次寒潮襲擊時，氣溫驟降至-18℃，而保溫板下距壩面3 cm處混凝土溫度為-1℃～-3℃，保溫效果達15℃～17℃。

3.2.3 閘門控制

混凝土壩泄洪時，若不能妥善解決消能問題，巨大下泄能量可能產生嚴重沖刷磨損和空蝕破壞。實踐表明，泄洪閘門的啟閉運行方式是直接關系到消能防沖效果的關鍵之一。西津、富春江和大化大壩都采用面流型式消能，但投運后下游都未能形成穩定面流，溢流鼻坎、壩趾和下游沖刷破壞嚴重，其重要原因是，閘門開啟方式不當造成下游流態紊亂，這3座壩在補強加固的同時，通過模型試驗和現場調試，制定出符合實際情況的閘門啟閉程序，使下游流態保持穩定，沖刷破壞程度明顯減輕。采用底流消能的華安大壩，1980年蓄水后不久，護坦最大沖深達6 m，右岸長350 m的護岸基礎被淘刷破壞，調整閘門啟閉方式后，下游流態得到明顯改善。1992年和2001年兩次抽干積水檢查表明，加固后的護坦以及護岸基礎基本完好。陳村拱壩是我國第一座采用兩側對沖式消能的工程，1973年曾長時段單獨開啟右側閘門泄洪運行，使下游左岸基礎遭受沖刷破壞，后堅持對稱開啟閘門泄洪運行，對沖消能效果良好。

4 結語

（1）20世紀50～60年代興建的大、中型水電站混凝土壩，運行中遭受到不同程度的老化病害，有的病害程度比較嚴重，個別曾影響到大壩的安全穩定。這些老化病害是歲月在混凝土壩體上留下的痕跡，其病害程度則與大壩興建時所處特殊年代密切相關。一方面，當時尚缺少大壩耐久性設計和施工經驗，另一方面，20世紀50年代中后期至60年代末，我國正常生產管理體系被打亂，出現許多違背科學規律的邊勘測、邊設計、邊施工“三邊”工程，而因物質資金匱乏，被迫減少水泥用量，加大水灰比，隨意大量使用不合格摻和料，結果對大壩耐久性產生明顯不利影響。全面系統總結這階段興建的混凝土壩耐久性問題，從中汲取經驗教訓，具有重要理論和現實意義。

（2）混凝土壩具有良好的超載和抵御壩頂過流破壞能力。幾座曾經發生洪水漫頂的大壩，有的壩體剛度受到一定的削弱，但都未產生明顯破損，經受住了較長時段洪水漫頂的考驗。對于建基面混凝土和基巖結合良好的大壩，硫酸鹽侵蝕對大壩安全穩定的影響是緩慢而微弱的。老化病害對混凝土壩強度的危害一般局限在表層范圍，對大壩整體強度并無大的影響。多座大壩檢測結果顯示，經過40多年的運行，表層混凝土抗壓強度相對較低，個別部位甚至已達不到設計要求，但截去表層混凝土后的芯樣抗壓強度，由于壩體內水泥水化作用的持續進行，呈現出緩慢增大趨勢。例如，佛子嶺大壩運行41 a后，內部混凝土抗壓強度平均比澆筑時提高81%。

（3）混凝土壩長期運行實踐表明，地基軟弱結構面性態逐步劣化，裂縫破壞支墩壩整體性和引起嚴重滲漏，碳化對大壩梁、板、柱構件的危害和使平板壩結構承載斷面減小，高壩深水下過流孔洞進水口遭受沖磨空蝕破壞，嚴寒地區凍融凍脹可能引發溢流面被沖毀，嚴重滲漏溶蝕可能使大壩強度和防滲能力降低，多泥沙河流上水庫淤積對防洪度汛帶來的不利影響，這些問題需高度重視，對其危害機理和程度應持續不斷地進行分析研究，并及時采取必要的應對措施。

（4）經過持續不斷的維修加固和科學調度，20世紀50～60年代興建的大、中型水電站混凝土壩，至今運行狀態仍屬正常，沒有因老化病害使承載能力和使用功能喪失而退出運行的事例，個別老化病害特別嚴重的大壩，如古田溪三級平板壩，大修改造后已正常擋水運行近10 a[13]。為了延長混凝土壩使用壽命，應及時對其老化病害進行治理，防止病害加重造成重大損失；治理方案需全面考慮，避免對工程產生不利副作用；對治理方案和措施應充分論證，力求科學合理，符合工程具體情況，能夠經受長期運行實踐的檢驗。適當調整運行方式，對水位、溫度和泄洪閘門啟閉方式加以科學調度控制，是防止或減輕大壩耐久性遭受損害的軟措施，將其與工程維修加固硬措施有機結合起來，將取得延長大壩使用壽命的顯著效果。

[1]楊咸義.外部觀測在運行管理中的作用[J].觀測技術，1985（2）.

[2]邢林生，聶廣明.劉家峽水電站混凝土建筑物耐久性分析[J].水力發電，2010（3）.

[3]邢林生.混凝土壩老化性態分析研究[J].大壩與安全，2005（3）.

[4]蔣元駉，韓素芳.混凝土工程病害與修補加固[M].北京：海洋出版社，1996.

[5]邢林生.混凝土壩表層碳化及其危害性分析[J].水力發電學報，2003（4）.

[6]邢林生，聶廣明.混凝土壩壩體溶蝕病害及治理[J].水力發電，2005（11）.

[7]邢林生.紀村混凝土壩基紅層的惡化及其原因分析[J].水利學報，1996（8）.

[8]邢林生.佛子嶺連拱壩耐久性分析[J].水力發電，2006（10）.

[9]邢林生，陳鏗.陳村拱壩下游面105 m高程附近水平向裂縫長期分析研究[J].大壩與安全，2009（6）.

[10]邢林生，李濤.混凝土壩基滲流控制效果及耐久性分析研究[J].大壩與安全，2010（6）.

[11]張寶光，戴成器.高寒地區冰凍和低氣溫對大壩安全的影響[J].大壩與安全，2000（1）.

[12]宋恩來.寒冷地區混凝土壩溢流壩段補強加固效果分析[J].大壩與安全，2009（4）.

[13]邢林生，徐世元.古田溪三級大壩老化病害及其治理[J].水力發電，2006（9）.