混凝土壩老化過程及“預期壽命”的探討

宋恩來

（東北電網有限公司，遼寧 沈陽 110181）

我國修建的大壩已超過85 000座，其中混凝土壩約占2／3，大中型水電站中混凝土壩約占70%?；炷翂闻c其它壩型相比有很多優點，但同所有大壩一樣，也存在老化現象。

大壩蓄水運行后，即受到外界惡劣環境（如溫度變化、凍融、凍脹、碳化、水質侵蝕等）的影響和多種荷載的共同作用（如水壓力、滲透、揚壓力、溫度和冰壓力等）及壩體混凝土體積變形（干縮、堿-骨料反應）、徐變等，同時還要經受洪水、地震、泄洪、排沙、排污和引水發電等各種運行工況的考驗。若干年后，老化現象逐漸顯露出來，隨著時間的推移逐漸惡化，可靠性和安全等級降低，必須進行修補、加固或改造才能保證安全運用。

1 混凝土壩的老化過程

大壩老化包括壩基和壩體兩部分，壩基老化表現在基礎材料變弱、防滲和排水系統失效、巖石縫中填充細料流失等；壩體老化表現在裂縫擴展及發育、滲漏溶蝕、體積改變、凍融和凍脹破壞、碳化、排水系統堵塞等。如在壩上布置有泄洪與引水部分，則老化還表現在沖刷、磨損與空蝕、金屬構件銹蝕和變形、閘墩裂縫、電器設備絕緣降低等。

混凝土壩各種老化現象都是由小到大、由表及里逐漸發展變化的緩慢過程，其速度不僅與混凝土材料、外界自然條件和運行環境有關，同時與設計、施工和運行管理等有關，各個方面都必須給予重視，則可防止或減緩老化的進程。

1.1 混凝土壩各個時期

混凝土壩同其它生物的生長過程一樣，也有“生老病死”的周期。這一老化過程可分為青年期、中年期和老年期，也可以將這三個時期稱為適應期、穩定期和老化期，而在每個進程中又可能出現患病期。

1.1.1 混凝土壩青年期

青年期為大壩運行的早期。從施工開始，經水庫蓄水，上游水壓力、揚壓力、滲透壓力、溫度等各種荷載逐漸作用于壩體。隨著時間的推延，壩體混凝土還會發生體積變化，比較常見的有早期水泥水化熱引起的體積膨脹和干縮，還有堿-骨料反應，它可以長時間引起較大的體積膨脹。體積膨脹和變化有時會導致混凝土質量變劣并引起裂縫?；炷吝€有徐變性質，即在常應力下應變隨時間而增加。水泥（以及可能的骨料）的徐變及松弛造成了混凝土的徐變和松弛，它將降低壩體結構中的應力，因而可減少混凝土的裂縫，從這個角度看，它們提高了壩的安全度。試驗表明，徐變的速度與初次加載時的混凝土齡期有關，齡期越老，徐變越慢。

觀測資料反映，這個時期壩體的溫度趨于穩定，壩體的滲透壓力趨于穩定?；炷翂螐脑缙趶椥阅Ａ康?、強度低、徐變率高，隨著壩齡的增長，其彈性模量和強度都逐漸增長，彈性模量的增高使彈性變形稍有減少，抗拉和抗壓強度升高。與徐變有關的應變也在發生，壩基和壩體均出現一定的時效變形。大壩開始適應蓄水后的應力，其綜合特性朝著大壩安全有利的方向發展，使大壩安全度隨著壩齡的增加而有所提高，可靠度上升，一直到大壩穩定下來進入“正常狀態”。

1.1.2 混凝土壩中年期

大壩經過青年期的適應后，各種性能已經穩定。大壩在各種正常荷載作用下，壩體任一部位的應力均在允許范圍之內，壩踵區不出現拉應力，抗滑穩定滿足設計要求。在中年期，大壩總體上處于線彈性或粘彈性工作階段，應力應變呈線性關系。荷載和位移基本上也呈線彈性或粘彈性關系。

長期運行的混凝土壩，經歷了各種荷載工況后，結構性態不斷調整，同時在環境和滲流等因素侵蝕下，其材料特性也發生變化，這時大壩變形監測資料可綜合反映混凝土結構的實際性態。觀測資料反映，大壩的變形、滲流等變化均有一定周期性，不會出現大的波動；定量分析表明，變形值或滲流值與水位分量、溫度分量有很好的相應關系，時效分量所引起的變形值或滲流值已經很小或消失。在這個時期，除遇超標荷載（洪水、地震等）外，大壩可以安全運行，可靠度高，是大壩運行的最佳時期。

恢復中年期：隨著時間的推延，大壩老化現象開始顯露并發展，為保證大壩的各種功能達到原設計要求，采取一定的補強加固措施，消除工程缺陷，使大壩綜合特性得到改善和加強，使壩體任一部位的應力又處在允許范圍之內，壩踵區不出現拉應力。壩體裂縫不再擴展；壩基帷幕、壩體凍融破壞和凍脹破壞得到了補強；大壩泄洪部位的沖刷磨損和空蝕破壞在控制范圍之內；滲漏和溶蝕明顯減??；對碳化和鋼筋銹蝕進行了處理。觀測資料表明，與加固前相比，大壩的變形幅度減小，荷載和位移基本上也呈線彈性或粘彈性關系。

1.1.3 混凝土壩老年期

隨著大壩壩齡的增長，壩體和壩基材料成分、結構等均發生變化，強度有一定降低，滲透和溶蝕加大，裂縫擴展并發育，凍融和凍脹破壞加劇。這個時期大壩的功能雖然可滿足設計要求，有時必須進行處理，隨著壩齡的增長，大壩的綜合特性有可能逐漸向不利的方向發展，安全度降低，失效率上升。在這個時期，隨著荷載的增加或條件的變化，大壩壩踵拉應力增大，下游區壓應力加大，壩體內部分區域開始出現壓剪屈服等，大壩的變形有些增加，變形與荷載呈非線性關系。大壩處于彈塑性或粘彈塑性工作狀態。但由于設計時對抗滑穩定、混凝土強度等均留有較大的裕度，在老年期的一定階段，大壩仍能滿足使用功能，并可安全運行。

大多數情況下，老化進程是緩慢的，但有的老化現象會加速，如單支墩大頭壩在施工期出現劈頭裂縫，其裂縫的擴展往往速度較快，由于溫度荷載的周期性作用，縫內水壓逐漸增大，會使裂縫劈裂，影響大壩的側向穩定。寒冷地區大壩的泄洪部位，由于混凝土的凍融、凍脹破壞再遇高速水流沖刷，老化速度也會加劇，有時會造成破壞。

恢復老年期：為確保大壩的安全，使其滿足各項使用功能，避免或減緩混凝土壩的老化進程，對大壩采取較全面的補強加固措施，消除工程存在的缺陷，使大壩綜合特性得到一定的改善和加強。壩基帷幕到了補強，疏通了排水孔；挖除了凍融破壞和凍脹破壞的混凝土，并進行了補強；大壩溢流部位滿足泄洪要求。荷載和位移基本上也呈線彈性或粘彈性關系。觀測資料表明，與加固前相比，大壩的變形幅度減小，滲漏量減小，裂縫開合度有一定周期性。

1.1.4 混凝土壩患病期

大壩經過多年的運行，壩體混凝土、壩基巖石等均發生較大變化，強度降低很多，滲透和溶蝕加大，混凝土原裂縫擴展，并出現大量新裂縫，凍融和凍脹破壞嚴重，各種老化現象加劇。這個時期大壩功能降低速度較快，大壩的綜合特性隨著壩齡的增長逐漸向惡化的方向發展，安全度大幅度降低，失效率顯著上升。在這個時期，隨著荷載的繼續增加或條件的變化，當超過一定的數值后，大壩變形急劇增加，大壩出現開裂，屈服區急劇擴大，出現大的變形。當荷載達到臨界值時，大壩可能破壞，完全喪失承載能力，失去其使用功能。大壩患病期可能在青中年期發生，也可能在老年期出現。

1.2 混凝土壩各個時期壩齡推定

1.2.1 變形與綜合彈性模量

由于混凝土壩壩型、材料、設計水平、標準、施工條件、要求、運行管理和大壩所處環境等不同，大壩各個時期的壩齡也不相同，很難給出具體數字。一般來講，壩齡短為青年期，壩齡長為老年期，二者之間為中年期，大壩達不到設計使用功能時為患病期。

大壩的建筑材料為混凝土，混凝土的彈性模量與變形和強度有一定關系。大壩運行時要進行安全監測，其中，必不可少的監測項目是變形監測，可通過大壩的變形監測數據來判斷。即長期運行的混凝土壩，壩體混凝土的綜合彈性模量是影響變形和強度等的主要綜合參數，用實測變形資料反演混凝土壩的綜合彈性模量來判斷大壩的各個時期。雖然混凝土壩各部位混凝土的強度等參數不同，壩體混凝土各區的彈性模量也不同，但大壩蓄水運行后經歷了各種荷載的綜合作用，其結構性態不斷調整，同時在環境和滲流等因素侵蝕下，其材料特性也發生了變化，變形監測資料能綜合反映混凝土結構的實際性態。

青年期、中年期的大壩總體上處于線彈性或粘彈性工作階段，應力應變呈線性關系，荷載和位移基本上也呈線彈性或粘彈性關系。老年期，大壩處于彈塑性或粘彈塑性工作狀態，大壩的變形有些增加，變形與荷載逐漸呈非線性關系?；疾∑?，大壩的綜合特性隨著壩齡的增長逐漸向惡化的方向發展，隨著荷載的繼續增加或條件的變化，當超過一定的數值后，大壩變形急劇增加，大壩出現開裂，屈服區急劇擴大，出現大的變形。

1.2.2 工程實例

（1）工程概況

古田一級水電站位于福建省古田縣城下游峽谷入口處，大壩設在龜瀨。水庫容積6.55億m3，為多年調節水庫。電站為二等大（2）型工程，大壩為Ⅱ級建筑物。壩型為混凝土寬縫重力壩，壩頂全長412.0 m，最大壩高 71.0 m，壩頂高程 384.5 m，正常高水位 382.0 m，設計洪水位 382.63 m，校核洪水位383.87 m。

大壩于1957年8月開工，1959年6月下閘蓄水，1959年底全部建成。老水平位移監測系統從1960年5月25日開始觀測，1966年12月停測。新觀測系統于1964年6月8日開始進行監測。

（2）綜合彈性模量

文獻[1]的反演成果：

將1964～1998年古田一級大壩的水平位移監測資料分為6個時段，即1964～1969年、1970～1975年 、1976～1981 年 、1982～1988 年 、1989～1993 年 、1994～1998年。對每段資料建立監控模型，僅分離出壩體變形的水壓分量（δH），并假設 Ec=2.1×104MPa，用有限元計算δ′H，然后分別反演各時段的平均綜合彈性模量，其結果如表1。

（3）大壩各個時期壩齡的推定

表1 古田一級大壩21號壩段分時段綜合彈性模量反演成果Table 1 :Inversion result of integrated elastic modulus in different periods of the dam block 21 of Gutianxi I dam

從表1不難看出，21號壩段各分段綜合彈性模量的變化從1964年開始逐年增大，1976年前增加較快，之后呈緩慢上升趨勢，1994年開始呈略有下降的趨勢?？梢哉J為古田一級大壩1964年前為青年期，1964～1994年為中年期，從1994年開始進入老年期，即進入中年期的壩齡為5年，進入老年期的壩齡為35年。

1.3 混凝土壩各個時期的安全評估

混凝土壩設計時，考慮到混凝土的不均一性、大壩的耐久性、技術上的不確定性等，在原SDJ21-78《混凝土重力壩設計規范》（試行）及補充規定中，壩體的強度安全系數采用4.0～3.5，抗滑穩定安全系數取 3.0～2.3。新 DL5108-1999《混凝土重力壩設計規范》與原規范基本相同，采用分項系數設計表達式替代原規范的單一安全系數表達式?？梢娀炷翂卧谇嗄昶?、中年期安全度較高，并有一定的超載能力。

1.3.1 青年期

大壩運行早期，一般可滿足設計要求的各項功能進行安全運用。但由于設計錯誤或考慮不周、壩基或岸坡出現問題、施工重大質量缺陷等，大壩不能正常蓄水和運用。嚴格來講，這不屬于混凝土壩老化問題。

1.3.2 中年期

大壩到中年期，壩體材料和大壩基礎各種性能都已穩定。在各種正常荷載作用下，大壩總體上處于線彈性或粘彈性工作階段，大壩變形規律性很強，滲流也比較穩定，裂縫穩定，大壩安全度較高，是大壩最佳工作階段。除滿足設計條件外，大壩還有一定的超載能力。

1.3.3 老年期

隨著時間的推延，壩體和壩基材料成分、結構等均發生變化，大壩處于彈塑性或粘彈塑性工作狀態，各種老化現象顯露。由于設計時對抗滑穩定、混凝土強度等均留有較大的裕度，這時期大壩的功能在一定時期內仍可滿足設計要求，但發展到一定階段，必須進行處理，不然大壩的綜合特性隨著壩齡的增長逐漸向不利的方向發展，安全度降低。

1.3.4 患病期

（1）青中年期患病

大壩總體上處于線彈性或粘彈性工作階段，這個時期出現的影響大壩安全運行的工程問題。如單支墩大頭壩的劈頭裂縫擴展往往速度較快，由于溫度荷載的周期性作用，縫內水壓逐漸增大，會使裂縫劈裂，影響大壩的側向穩定。這種患病期，經加固處理可恢復到中年期，并可較長時間安全運行，如湖南柘溪大壩。

（2）老年期患病

大壩老化進程是緩慢的，當大壩總體上彈性模量已處于彈塑性或粘彈塑性工作階段，在這個時期出現的影響大壩安全運行的工程問題。這是老年期患病，經補強加固后也可恢復到中年期，可使大壩安全運行。

1.3.5 大壩的超載能力

混凝土壩在青年期、中年期安全度較高，并有一定的超載能力。工程實例如下。

（1）佛子嶺混凝土連拱壩

佛子嶺水庫位于安徽省淮河南岸支流淠河的東支，以防洪為主，兼有發電和灌溉。壩址以上控制流域面積 1 840 km2，水庫總庫容 4.96 億 m3，樞紐建筑物包括大壩、溢洪道、輸水鋼管、發電廠房等。大壩為混凝土連拱壩，由20個垛、21個拱和兩端接拱重力拱壩組成， 壩頂全長510 m，最大壩高75.9 m。溢洪道位于東岸的凹內，凈寬 5×10.6 m。溢洪道最大設計流量為5 710 m3／s。廠房在壩后垛內，老廠房裝機5臺，容量為11 MW。新廠房當時裝機1臺，容量為10 MW。工程于1952年1月開工，大壩于1954年11月建成。

1969年7月庫區連續降雨后，14日又降大暴雨，14日0時～18日18時水庫洪量達10.59億m3。因電源中斷無法開啟閘門，7月14～15日大壩發生洪水漫頂事故。漫頂水流夾雜著大量飄浮物直飛壩下。洪水漫頂時，7月14日14時最大下泄量為5 400 m3／s，其中由溢洪道下泄 4 000 m3／s，壩頂漫流下泄流量為1 180 m3／s，其余為鋼管流出。漫頂下泄最大瞬時流量1 200 m3／s（14日13時40分），最大漫頂超過壩頂攔桿1.08 m，持續時間25 h15 min，漫頂總水量 0.49 億 m3。

由于洪水漫頂，兩岸壩后基巖遭到嚴重沖刷破壞，并使大壩的2、3號垛和21號垛基礎穩定條件惡化，滲水加劇，揚壓力增高；飄浮物由壩頂順流而下，將老廠房砸毀，機組也遭到嚴重損害。新廠房進水也損失很大。但大壩并未潰壩失事，為確保大壩安全，之后不得不進行補強加固。

（2）磨子潭混凝土雙支墩大頭壩

磨子潭水庫位于佛子嶺水庫上游，因佛子嶺水庫庫容較小、防洪標準較低而加建的,水庫總庫容3.36億m3。樞紐包括大壩、溢洪道、泄洪洞和發電廠。大壩為混凝土雙支墩大頭壩，最大壩高82.4 m,壩頂長335 m，由雙支墩12個及東西側單支墩各3個組成。庫區埡口溢洪道為開敞式，共6孔，最大泄量 2 288 m3／s，泄洪洞設在左岸，最大泄量 426 m3／s，壩后式廠房內裝一臺16 MW機組。工程1956年9月開工，大壩于1958年6月完成。

由于上游庫區14日降大暴雨，14日0時～18日18時水庫洪量達10.59億m3。7月 14～15日磨子潭大壩發生洪水漫頂事故，漫頂超過壩頂攔桿0.48 m，持續時間 4 h48 min。經過電站工人奮斗，用絞磨將閘門啟開，水位才開始下降。

洪水超過壩頂，大壩安全無恙，雖然漫頂時間較短，但大壩仍受到一定傷害。

2 混凝土壩的“預期壽命”

混凝土壩的“預期壽命”是多少？目前尚未見到我國的標準。我國壩工專家、兩院院士潘家錚說[3]：“…水壩的壽命問題倒值得探討。一般建筑物都有個使用期或設計壽命的問題?！胀üこ贪?0年考慮，重要工程按100年考慮等。達到了設計壽命期，如果工程已不能發揮作用或不符合新的規則要求，就報廢拆除或重建，無論房屋建筑、橋梁、道路、機場、小型水利工程無不如此?！?，對于三峽這樣的工程，也包括其他高壩大庫工程，情況有些特殊，即使按百年大計考慮，到了百年之后，既不能報廢，更不能拆除，也不能重建，而百年光陰則說短不短，說長也不長，建國初期建的壩，也快達60大壽了，這確實是一個值得考慮的問題?！瘴铱磥?，三峽工程以及其他高壩大庫工程，基本上應可長期使用，不存在報廢拆毀和重建問題。所謂長期，是指可預見的未來，譬如說，幾百年，三峽工程可考慮更長些。至于再以后的事，現在科技進步如此迅速，就不必考慮和擔憂了，相信十多代、幾十代以后的后人會有辦法的?！髩嗡畮炷茏龅介L期使用嗎？木結構要朽爛，鋼結構要腐蝕，很薄的路面、襯砌要崩解…這些結構要長期使用相當困難，但由土、石、混凝土等材料做成的體積龐大的水壩，就很有希望長葆青春。以混凝土大壩來說，只要各種建壩材料和其拌合制成品是穩定的，表面風化剝蝕和滲透水的破壞能得到防止，加上精心維護檢修，混凝土大壩的長期利用是可以辦到的，其他土石壩等大型水壩也可以做到長期利用?！?/p>

IEC（國際電工委員會）標準也在改變，原標準：大壩、隧道、水庫、調壓井等的“技術壽命”為60～80年，“經濟壽命”為 80～150年；廠房結構、泄洪道、壓力管道、鋼襯等的“技術壽命”為40～50年，“經濟壽命”為50～80年。新標準（水力發電站及其輔助系統預期壽命 62256，IEC：2008 年）：大壩、渠道、隧道、洞室、水庫、調壓室等的“技術壽命”為60～80年；主廠房結構、擋水結構、溢洪道、截沙設施、壓力管道、鋼襯、道路、橋梁等的“技術壽命”為40～50年。新標準已去掉了“經濟壽命”一詞，顯然大壩等建筑物的“壽命”更要長一些，長多少已不再給具體數字?！凹夹g壽命”可理解為建筑物滿足各項設計功能要求，能安全運行而未進行“大修”或“大規模補強加固工程”的使用年限。大壩達到“技術壽命”后，采取一定工程措施，經補強加固后仍可繼續安全運行。

2.1 混凝土壩“技術壽命”

我國修建的混凝土壩，壩齡最長的已超過70年，新中國成立后修建的混凝土壩壩齡也已達到50年。下面將東北地區電力行業的水電站混凝土壩“技術壽命”統計列在表2。

從表2可以看出：

（1）大壩蓄水運行后，至今尚未進行大修的有白山、紅石、回龍山、太平哨、渭原和太平灣等大壩，回龍山和太平哨大壩的技術壽命已超過30年。

表2 東北地區混凝土壩“技術壽命”Table 2 :The technical life of concrete dams in northeast area

（2）紅石大壩大修原因是消力戽沖掏空蝕破壞，2007年進行了補強加固?；佚埳酱髩未笮奘且蛐购闀r壩趾沖刷空蝕破壞，2003年進行了補強加固。這均與泄洪有關。

（3）桓仁大壩經1989年加高防滲層、壩頂防滲和空腔保溫改造后又安全運行20年，大壩安全第三次定期檢查評定為正常壩，顯然仍可安全運行。

（4）豐滿大壩的“技術壽命”，如從蓄水時計算為44年，從大壩恢復改造至全面補強加固則為33年。1986～1997年全面加固后仍在運行。

（5）水豐大壩由于消力池破壞、凍融和凍脹及戰爭破壞，1956～1958年進行恢復改造后，已又安全運行50多年。但因金屬結構及壩體等部位老化，現在進行補強加固。

2.2 混凝土壩老化的恢復改造

我國首輪大壩安全定期檢查時，在96座大壩中查出7座病壩，2座險壩。二輪定期檢查時，在130座大壩中查出8座病壩（綠水河兩次被評定為病壩）。

上述16座大壩被評定為病、險壩，因為各種老化現象，已影響到大壩安全運行，使安全等級下降，也有部分大壩是由于洪水復核結果降低了安全等級。

在這16座病、險壩中，經過補強加固的有青銅峽、洛東、以禮河四級（小山）、白漁潭、馬跡塘、李官、水東、以禮河二級（水槽子）、綠水河等9座病壩，修文險壩摘掉了“病壩”、“險壩”的帽子，恢復了正常壩的安全等級，并繼續按原設計標準安全運行，發揮其各項功能。天橋、佛子嶺、梅山、黃龍灘等4座病、險壩維修加固均已完成或正在實施；豐滿大壩補強加固方案正在設計，南告大壩已移交地方管理。

可見，大壩安全等級降低，可通過補強加固、采取工程措施摘掉“病壩”、“險壩”的帽子，恢復正常壩的安全等級。

3 幾點看法

（1）大壩長期運行后，其老化是難免的，能否繼續使用，應根據混凝土壩的綜合彈性模量來判斷大壩的整體工作狀態，即大壩總體上是否處在線彈性或粘彈性工作階段。而線彈性或粘彈性工作階段的確定，應根據大壩的監測資料來判斷。這是由于變形監測資料能綜合反映混凝土結構的實際性態。

（2）大壩運行若干年后，其老化現象逐漸顯露出來，能否繼續正常運行，是否需要加固，不能憑局部現象（如裂縫發育、滲漏溶蝕等）來評價，應對監測資料進行分析，判斷變化規律是否正常，變化幅度是否超限，即看大壩總體上是否處在線彈性或粘彈性工作階段。

（3）大壩經過補強加固工程后，也應用變形監測資料進行判斷，即變形規律等是否恢復到大壩中年期。如大壩原整體性比較差，經外包鋼筋混凝土等補強加固措施后，大壩整體變形大幅度減小，已恢復到大壩運行初期的工作狀態，變形甚至還小于初期，就不能再憑局部的某些缺陷懷疑大壩的整體性。

（4）混凝土壩的“預期壽命”是多少？目前我國尚無標準，建議有關部門制訂電力行業混凝土壩的“預期壽命”，以供設計、施工和管理等部門參考。

（5）混凝土壩老化會降低大壩的安全等級，可通過補強加固等有效措施恢復大壩的安全等級。

（6）混凝土壩老化是一個緩慢的過程，往往容易忽視，但發展到一定程度需要處理時，一般要花費巨額資金才能確保大壩安全使用，應引起各方面重視。

[1]吳中如，顧沖時.重大水工混凝土結構病害檢測與健康診斷[M].北京：高等教育出版社，2007.

[2]張秀麗.大壩安全管理與對豐滿“病壩”管理的意見[J].大壩與安全，2009（1）.

[3]中國水力發電年鑒（第十二卷）.北京：中國電力出版社，2008：51～52.

[4]李金玉，曹建國.水工混凝土耐久性的研究和應用[M].北京：中國電力出版社，2004.

[5]R.Dungar.周期性徐變對拱壩老化的作用[C].壩的老化與補救措施（第十七屆國際大壩會議論文譯文集）.

[6]阿里木·吐爾遜.我國水庫大壩老化現狀初步分析[J].大壩與安全，2004（3）.