丰满大坝建设、运行期存在的问题和加固治理方案选择分析

谢强张雷

（1.华北电力大学，北京102206;2.内蒙古东部电力有限公司，内蒙古呼和浩特 010020）

1 丰满水电站概况

丰满水电站位于吉林省吉林市第二松花江中游，上游距白山水电站210 km，下游距吉林市24 km。下游有吉林、哈尔滨等重要城市及铁路干线。坝址控制流域面积42 500 km2，多年平均流量439 m3/s，水库正常蓄水位263.5 m，总库容109.88亿m3，为不完全多年调节水库。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、航运、城市及工业用水、养殖和旅游等综合效益。电站始建于1937年，1942年水库蓄水，1943年第一台机组发电;1948年和1949年恢复建设工作;1951～1953年进行了扩建和改建;1953年全部建成，电站装机8台，总容量为554 MW。1965～1975年完成了泄洪洞工程，主要承担非常洪水的泄洪任务。为适应东北电网负荷增长的需要，1991年实施二期（9号、10号）扩机，安装2台单机容量85 MW机组。1997年利用泄洪洞进行三期扩机，安装2台单机容量140 MW机组，经两次扩机后，现装机总容量为1 002.5 MW，多年平均年发电量约20亿kWh。枢纽工程主要由混凝土重力坝及坝身溢洪道、泄洪洞、发电引水隧洞、右岸一期和二期坝后式厂房及三期岸边式厂房等组成，混凝土重力坝坝顶高程267.7 m、坝顶长度1 080 m，最大坝高91.7 m。

丰满水电站不仅是东北电网的骨干电站，承担电网调峰、调频和事故备用任务，而且作为第二松花江干流的控制性工程，其控制流域面积达42 500 km2，下游有吉林、黑龙江两省，对吉林、哈尔滨两座重要城市和11个市县的防洪、灌溉、航运、供水作用十分突出，承担着重要的社会责任。

由于丰满水电站主体工程建设时间正处于特殊时期，因此工程的设计和施工存在问题很多，使工程建成后留下许多不可弥补的先天性缺陷。

2 丰满大坝历次加固治理工作回顾

2.1 灌浆防渗处理及排水工程

丰满大坝由于施工质量低劣，坝体渗漏通道多，导流孔及缺口封堵质量差，上游坝面的蜂窝、狗洞、伸缩缝、水平施工缝等都是渗漏水通道，大坝渗漏极为严重。

为减少坝基及坝体渗漏水和溶蚀，降低扬压力，采用灌浆防渗及排水的处理方法。

采取上述措施处理后坝基平均扬压力系数有所降低，但仍大于设计允许值，未从根本上得以解决。

2.2 坝面修补工程

丰满大坝混凝土施工质量低劣，坝体渗漏严重，地处寒冷的东北，因此大坝上下游面受冻融、冻胀及风化等影响，混凝土破损脱落严重。1953～1985年多次进行坝面修补加固;1986～1987年进行溢流面抢修;1988～1996年上下游坝面进行全面加固。

2.3 泄洪设备改造和溢流闸墩及堰顶加固工程

原泄洪设备运行近50年，由于大坝加高1.2 m，闸门最高挡水水头提高2 m，经检测，闸门及启闭设备均不满足现行规范要求，因此2001～2002年对泄洪设备进行了改造。对闸墩上下游表面外包钢筋混凝土，厚度分别为1 m、1.5 m，并在闸墩中部沿水流方向布置2排对穿预应力锚索，缝内灌注水泥浆。闸墩顶部骑缝作防渗止水，在闸墩两侧挖除0.4 m深不良混凝土并补上新钢筋混凝土。工程于2001年开工，2002年10月完工。

虽然经过多次加固处理，但坝体渗漏、坝体安全问题始终未能彻底解决。不但损失丰满水电站的发电效益，而且对下游防护区内的人民生命、财产安全构成严重威胁。

3 存在问题

a．大坝泄洪能力不足，大坝及厂房防洪标准未满足规范要求。

丰满大坝正常运用洪水重现期为500年，非常运用洪水重现期为10 000年。根据华东院和东北院预可行性研究报告，当采用1991年型（同频放大），并按国汛［2004］8号文批复的《白山、丰满水库联合调度方案》进行调洪计算，起调水位260.5 m，10 000年一遇洪水水位:华东院计算结果为271.08 m，东北院计算结果为270.7 m，均超过现坝顶高程3 m以上，当10 000年一遇洪水时，坝顶将过流。

电站厂房的设计标准为200年一遇洪水，校核标准为1 000年一遇洪水，主厂房的尾水平台高程及厂坝间导流墙高程为198.8 m。当500年一遇洪水时，厂房的尾水位为198.58 m，坝后厂房的非常运用洪水重现期只能达到500年，当超过500年一遇洪水时将淹没厂房。由于大坝泄洪能力不足，大坝及厂房防洪标准均未满足规范要求。

b．大坝混凝土缺陷多，坝体整体性差，抗震能力弱。

由于高程200m以上的纵缝缝面无联结措施，为垂直缝。AB缝在1952年进行灌浆和插钢棒处理，BC、CD缝至今未处理。根据水科院和大连理工大学1997年的分析结果，在只考虑纵缝的情况下，大坝的抗滑稳定安全性进一步降低，应力状况也有所恶化，在地震作用下其抗震能力进一步降低。

c．大坝部分坝段抗滑稳定未满足要求。

34～36号坝段基础地质条件不好，大坝抗滑稳定未满足要求。部分坝段层间抗滑稳定未满足要求。

d．大坝为低强混凝土，坝体渗漏、溶蚀、扬压力高。

日伪时期施工质量低劣，混凝土原材料、混凝土材料设计、混凝土配合比、混凝土的拌和及施工工艺都不能满足质量控制要求。通过钻孔芯样统计分析，作为大坝防渗体的A坝块不能满足要求，坝体扬压力较高。

至今，大坝低强混凝土、坝体扬压力偏高、坝体渗漏及溶蚀等问题仍未彻底解决，影响大坝耐久性和安全运行。

e．大坝混凝土冻融、冻胀破坏，影响混凝土耐久性。

由于坝体裂缝多、渗漏、溶蚀、坝体低强混凝土、抗冻能力差及其所处严寒地区，使得大坝冻融、冻胀破坏问题十分突出，影响了大坝的耐久性和安全性。日伪施工时，在河床溢流坝段设置了导流孔，由于孔口封堵质量差，是目前溢流坝段渗漏的主要通道，一旦溢流面渗漏水饱和后经过冻融、冻胀破坏，将对泄洪安全构成威胁。

4 全面治理方案简介

a．大坝上下游外包混凝土、坝顶加高、降低库水位上游干地施工的治理方案。

加高后坝顶高程271.4 m（原坝顶高程267.7 m）。在挡水坝段上游面和溢流堰体以下设置防渗5 m厚的外包混凝土;取水坝段外包不小于6.5 m厚的混凝土，并将检修门槽等设施向前移至新设的外包混凝土防渗层内。

挡水坝段下游外包混凝土厚4.0～7.0 m;溢流坝体225 m以下部位外包混凝土厚度为6～7 m，225 m以上部位外包混凝土厚度逐渐变薄直到堰顶5.0 m厚。取水坝段下游外包4～6 m厚的混凝土，溢流坝段为5～7 m。同时，左右岸道路相应加高。

对一、二期电站厂房顶部钢桁架进行拆除重建，对压力钢管进行全面改造，对部分机组及机电设备进行更新改造。

上游围堰为库内水下填筑，挡水标准为20年一遇洪水，围堰顶高程253.4 m，围堰高度63.4 m。施工期内水库水位降至242 m。围堰填筑量481.9万m3，其中水下抛投459.1万m3，混凝土防渗墙5.05万m2。

b．坝内置换混凝土防渗墙、下游外包混凝土、坝顶加高方案。

采用坝体和坝后施工，通过不断去除旧混凝土、填筑新混凝土的方式，在坝内设置自上而下的连续混凝土防渗墙，解决大坝防渗问题。采用坝下游面外包混凝土解决大坝下游面抗冻问题;采用在坝下游面外包混凝土及纵缝顶部并缝解决大坝整体性差的问题;加高坝顶解决大坝防洪能力不足问题。

c．大坝上游面设置土工膜、下游外包混凝土、坝顶加高方案。

从坝顶到坝踵设置一个连续抗渗的防渗膜（PVC土工膜），防渗膜与坝基相接，使坝体上游面形成一个封闭完整的防渗系统，解决大坝防渗问题。采用坝下游面外包混凝土解决大坝下游面抗冻问题，但不能解决大坝上游面抗冻且上游防渗体在低高程难以闭合问题;采用在坝下游面外包混凝土及纵缝顶部并缝解决大坝整体性差的问题;加高坝顶解决大坝防洪能力不足问题。

d．局部干地上游面设置防渗层、下游外包混凝土、坝顶加高方案。

采用水下钢筋混凝土拱形空腔围堰（或双壁钢围堰）方式，在坝前有水条件下围住1～2个坝段，闭气并排水后挡水，在坝体上游面形成局部干地施工环境进行大坝上游面防渗层施工。采用坝下游面外包混凝土解决大坝下游抗冻问题，在坝下游面外包混凝土及纵缝顶部并缝解决大坝整体性差问题;加高坝顶解决大坝防洪能力不足问题。

e．原坝址下游新建大坝，老坝部分拆除的方案。

新建大坝在原坝址下游120 m处，并保留原丰满三期工程;坝型采用碾压混凝土重力坝，坝顶高程为269.5 m，泄洪方式采用坝身泄洪，挑流消能。左岸坝后厂房设4台180 MW发电机组，新建工程装机容量720 MW。新建大坝施工利用老坝上游挡水，下游修筑钢木围囹，一期工程采用机组过流、二期采用左岸导流洞过水的导流方式。施工导流标准为10年一遇洪水，下游围堰挡水标准为2 000m3/s。

新坝建成后，引水发电和泄洪坝段对应的老坝部分拆除至高程240 m，拆除宽度为522 m（29个坝段）。

5 代表性方案对比分析

经过对多个治理方案的综合比较，选择干地施工全包加固治理方案和下坝址重建方案进行对比。

5.1 对上下游影响

加固方案死水位242 m运行2年5个月，小流量（161 m3/s）运行时间较长。重建方案在冬季低水位243 m运行1个月。

5.1.1 对下游供水的影响

根据资料，2007～2008年水库下泄日均流量平均为270 m3/s，161 m3/s的情况未出现。从吉林市各用水单位实际取水情况看，目前河道水位偏低，吉林炭素厂、吉林铁合金厂、吉林化肥厂、吉林松花江热电厂、冀东水泥厂5个单位的6个取水戽头处于取水危机状态。自来水四厂、吉林市钢厂、沈铁水电段、吉化动力厂1泵站、吉林热电厂、吉林化纤厂6个单位的7个取水戽头河道水位满足不了泵站的设计取水位要求。结合丰满水库历史运行资料，下泄流量短时间内（1～2 h）维持161 m3/s时，不会给下游供水带来危机性影响。但维持161 m3/s数小时就会引起沿江单位用水危机。

加固方案维持死水位运行历时较长，难以保障不出现长时间小流量（161 m3/s）运行的情况，必须采取措施解决下游生产、生活取水问题。根据实际调查，可采取改造取水戽头的方式。重建方案施工期间，要求丰满水库控制低水位243 m的时间为1个月，但三期机组正常发电，单机流量300 m3/s，对下游供水无影响。

5.1.2 对沿江环境的影响

加固方案需死水位运行历时较长，水库下泄持续小流量（161 m3/s）无疑会对生态环境造成一定的影响，尤其是对水质的影响。由于水量减少，而原有的污染源没有改变，纳污能力减弱，将对下游的水质带来一定影响。另外，围堰施工过程中，由于大型机器设备运作及施工需要，丰满水库底泥会受到搅动，会对水环境造成一定影响，造成饮用水水源水质不达标。另一方面，河床水位降低，松花江44个沿江排污水口有些会外露，如果生活及工业污水口长时间暴露，对沿江两岸的空气质量会造成严重影响，给沿江两岸居民生活、房地产开发、招商引资等造成一系列的影响。

重建方案对松花湖水环境的影响，仅限于坝体拆除低水位运行对环境的影响，其影响相对要小，对饮用水水源的水质造成的影响可能性很小。

5.1.3 对渔业的影响

松花湖属于增养殖水体，湖区现存鱼类约40余种。水产品年统计产量约3 000 t。

据初步测算，如果水位降至242 m高程，将会使松花湖可养鱼面积缩小约40%;拦网内可养鱼面积将缩小60%～70%。降低水位对松花湖渔业的影响主要有以下几个方面:一是对拦网水域鱼类种群的影响;二是施工期间对拦网渔业的效益影响;三是对养殖设施的折旧影响;四是施工后3～5年内对拦网渔业恢复生产的影响;五是对松花湖整体渔业生态系统的影响。

加固方案影响养殖周期为3年。季节更替使得水库大面积底质裸露，破坏了鱼类的饵料基础，影响鱼类生长。自然鱼类在2～3个繁殖周期内没有适宜的繁殖场所，严重影响鱼类的自然繁殖，破坏渔业生态平衡，进而影响松花湖供水源地功能的发挥。另外，拦网养殖周期是3～5年，鱼类恢复需要较大的投入。

由于重建方案低水位运行在当年的2月份持续1个月，正值冬季，基本不影响鱼类的正常繁殖。

另外，加固方案和重建方案对航运、野生动植物和林木采伐等也有一定影响。

5.2 加固方案评价

5.2.1 优点

工程本体投资少;施工临时建筑占地规模较小;建设期对原大坝防洪、度汛无影响。

5.2.2 缺点

a．能够彻底解决影响丰满大坝安全运行存在的问题，但工程实施后安全运行年限具有不确定性。加固方案在原坝体外整体外包一层新混凝土，能够彻底解决影响丰满大坝安全运行存在的问题，保证大坝安全运行。但坝体原混凝土、钢材存在的缺陷依然存在。工程实施后安全运行年限具有不确定性。

b．对上下游影响较大。加固方案在低水位运行时间较长，对上游环境、下游供水、库区及下游景观等影响较大。尤其是上游已稳定的原有生物群栖息环境遭到破坏，下游生活及工业污水口长时间暴露，沿江两岸的空气质量受到严重影响等，从生态环境保护和地方经济的发展上都是难以接受的。

c．对水库正常调度运行有很大影响。加固方案在242 m低水位运行2年5个月，原电站1、2期10台机组不能运行，对水库正常调度运行有重大影响。

d．对发电影响很大、电量损失多。因加固方案在施工期间低水位运行时间长，致使电量损失较大。

5.3 重建方案评价

5.3.1 优点

a．可从根本上彻底解决丰满大坝目前存在的问题，保证大坝运行100年以上。

b．建设期对原大坝防洪、度汛无影响，对水库正常调度运行影响较小。

c．对大坝上下游基本没有影响。

d．对发电影响较小、电量损失相应较少。按照对原坝拆除高程的要求，只是在大坝拆除的半年内，需逐步降低库水位，对发电影响较小、电量损失相应较少。

e．可抬高水库汛限水位0.5 m，增加兴利库容及发电量。现丰满水库汛限水位为260.5 m，工程重建后可抬高至261.0 m，可增加兴利库容1.97 ×108m3，增加发电效益约500×104kWh。

f．有增加装机容量潜力。重建方案有为系统增加180～360 MW调峰电力的潜力。

5.3.2 缺点

a．工程本体投资较大。

b．施工临时建筑占地规模较大。工程建设期间，重建方案施工临建建筑占地规模比加固方案要大，对坝址附近两岸的影响相对较大。

c．需研究旧坝拆除问题。新坝建成后，须对旧坝进行部分拆除（拆除量约为原坝体的1/10）。如何在确保新坝安全运行的同时，尽可能缩短拆除部分旧坝的时间是需要进一步深入研究的新课题。

5.4 方案选择分析

加固方案优点是投资少。缺点是大坝整体性差，混凝土材料、钢材材质未满足现行规范要求等问题依然不能根除。对上游环境、下游供水、库区及下游景观、水库正常调度运行等影响很大。尤其是上游已经稳定的原有生物群栖息环境遭到破坏，下游生活及工业污水口长时间暴露，沿江两岸的空气质量受到严重影响等。该方案中临时围堰在深水中填筑约500万m3（相当于丰满大坝体积2倍多），国内外尚无工程实例，存在风险，且完工后围堰拆除难度较大。

重建方案优点是可从根本上彻底解决大坝存在的问题，保证大坝运行100年以上。对上游环境、下游供水、库区及下游景观等基本无影响，具有增加装机容量（180～360 MW）的潜力，缺点是投资较大。

重建方案除投资较大外，其他方面均优于加固方案。