俄羅斯薩彥－舒申斯克水電站重力拱壩及其壩基承載能力的計算論證

［俄羅斯］ М.П.薩伊諾夫

1 建筑物概況

薩彥－舒申斯克水電站重力拱壩高242.5 m，是俄羅斯水電站中規模最大的擋水建筑物。壩軸線長1074 m。規模如此宏大的建筑物，對其可靠性和安全性的要求自然也更高。但是，眾所周知，薩彥－舒申斯克水電站運行之初，就已發現大壩的運行偏離了設計要求。

1990年，當水庫蓄水至正常蓄水位540 m時，在大壩下部1/3處(高程344～359 m處)的上游面就已發現了裂縫，裂縫深度達22 m。20世紀90年代末，對大壩進行過維修施工，使混凝土滲漏情況得以控制。但在維修處理之后，當上游水位超過530 m時，個別壩段仍出現有裂縫，且裂縫深度已達17 m。透過上游面流向高程340～359 m區域的滲漏水的滲流量達5 L/s。

更大的問題出現在大壩基礎部位，檢查時，發現那里的滲漏量加大。有記錄表明，大壩基礎部位的總滲流量，在20世紀90年代初為500 L/s。滲流量增加的原因是巖石基礎的密封性受到破壞，并且，大壩與基巖的結合處也斷開(大壩與基礎的結合部位的強度遭受破壞，未必與混凝土和巖石的結合有直接關系，強度遭受破壞有時也可能會發生在壩基以下的部位)。通過鉆孔勘查，確定了巖石基礎的密封性已受到破壞，且破壞區域逐漸擴大，至少已達到大壩混凝土澆筑的第一個壩墩的厚度。混凝土與巖石結合部位的強度受到破壞也已被證實，有觀測資料表明，當水庫蓄水超過上游水位525 m時，基礎中的滲流水壓就會下降。間接數據也表明，裂縫的最大開度已超過15 mm。

2 大壩變形原因分析

2004年以來的觀測資料顯示，上游面下面的大壩基礎中的拉伸殘余變形在持續加大，可以說，大壩變形已是不可逆轉的，并且，大壩基礎的密封性也還在持續遭受破壞。由此而引發了人們對薩彥－舒申斯克水電站混凝土大壩安全性及其承載能力的擔心。

一般情況下，拱壩承載能力的喪失有可能源于以下幾個方面:

(1)混凝土強度和(或)施工縫強度被破壞;

(2)大壩和支撐大壩的巖體一起發生位移。

經過現場實施混凝土取芯并對芯樣進行檢驗，結果表明，大壩所用材料的強度很高。同時也得知，大壩基礎為疊層結晶片巖，存在許多的大型裂縫和破壞帶。因此，第2種情況最有可能導致薩彥－舒申斯克水電站“大壩－基礎”體系喪失其承載能力。

3 分析方法

目前對巖體穩定系數的計算，還沒有比較精準的分析方法。這個問題，也許用數值模擬方法可以得到解決，也就是利用數值模擬的方法來重建“大壩－基礎”體系材料強度破壞的可能性，以及大壩與基礎之間結合部位強度破壞的可能性。進行的“大壩－基礎”體系的幾何和物理模擬，采用的是有限元方法，而進行的混凝土和基巖強度的破壞模擬，可能采用的方法，則是針對不同強度條件下的變形和應力之間的非線性關系進行計算。尤其是，有可能將設計實踐中最受歡迎的庫倫－摩爾(Кулона－Мора)強度理論，作為強度條件。對于相同的縫(壩體中)和潛在的斷裂面(如混凝土與基巖的結合面)開展模擬試驗的話，則需要采用專門的“接觸式”有限元，它能夠模擬各類縫開裂的可能性和剪切破壞的可能性。

莫斯科國立建筑大學(МГСУ)水工建筑物教研室研制的計算程序，能夠以類似的方法進行數值研究。該程序的應用，使薩彥－舒申斯克水電站大壩及其基礎承載能力的研究成為可能。

為該項研究研制的大壩和基礎有限元模型，包含了大壩接縫強度破壞的可能性和壩本中裂縫形成的可能性。借助于常規的有限元方法再現巖石基礎中的結構破壞區，常規有限元方法中允許有材料的抗拉和抗剪強度破壞的可能性。模擬試驗只針對厚度超過20 m的Ⅲ期大型裂縫。

對大壩混凝土開展的研究，采用了以下變形參數和強度參數:

(1)變形模量為32(施工期)～43 Pa(運行期);

(2)泊松比為0.18。

對混凝土與巖石結合部位開展的研究，采用了以下參數:

(1)摩擦系數為1.5;

(2)單位粘著力為5MPa;

(3)抗拉強度為0.5MPa(摩擦系數與標準值接近，粘著力與計算值相等)。

對巖石基礎開展的研究，是在水利工程建筑勘測設計研究院列寧格勒分院和電力行業地球力學研究中心提供的數據的基礎上，采用了變形特性和強度特性。同時，也考慮到了不同深度的巖石特性的變化情況。計算中采用的巖石變形模量列于表1。

表1 巖石變形模量(Pa)計算

對壩基的巖石上層(無構造破壞)開展研究時，采用的參數為:

(1)摩擦系數為1.3;

(2)單位粘著力為2.5MPa。

研制的大壩有限元模型，包含19191個有限元，34035個基礎部分。采用的實體介質材料為六面棱柱體，它是運用可在單元內移動的準線性近似算法，該方法的精確度大大超過運用線性近似算法的四面體。連接部件安放在大壩壩墩之間、基礎與壩體之間的臨界處，以及裂縫形成區的邊界和各個分段縫的邊界處?！按髩危A”體系的自由度總數為160475。

在對大壩和基礎的應力變形狀態進行檢測的過程中，考慮了大壩施工和水庫蓄水所具有的連續性特點。這樣才能夠反映出大壩應力變形狀態的主要特性:上游面裂縫的形成;混凝土與基巖結合部位的強度破壞;大壩下游面壓應力集中的情況(圖1)。

圖1 根據數值模擬結果得出的大壩關鍵部位的應力狀態

根據計算，得出了以下結果:大壩下游面(高程320 m區域內)最大主壓縮應力約為15MPa，高于實際測量的12MPa。由計算結果可知，在水庫從上游水位497 m蓄水至正常蓄水位540 m的情況下，大壩33號主壩段的壩頂徑向位移為122 mm(混凝土的平均模量為32 Pa)，這一結果基本符合1996～2001年實際觀測的位移數據119～136 mm。

計算表明，大壩上游面裂縫的產生，與大壩仍處于施工期，且尚未填筑到設計高程便承載靜水壓力不無關系。大壩第1個壩墩曾在1979年獨自承載約60 m水頭的壓力。計算模型顯示，施工縫開裂是發生在1985年(當時上游水位大約為516 m)。

通過計算，得出了接縫的情況:1984年，水庫蓄水至上游水位498 m時，上游面第1次出現了裂縫;1985年，裂縫延伸到第1個壩墩處。這與實際觀測數據相符，因為正是在1985年，觀測儀器測出了大壩基礎的密封性喪失以及壩基的滲流量增大。當水庫蓄水至正常蓄水位540 m時，接縫的開裂達到了最大值。根據計算，接縫的最大開裂度(上游面)為27.5 mm，裂縫深度為 22.5 m(相當于大壩第1個壩墩的厚度)。當放水至500 m的無效庫容水位時，接縫為不完全閉合狀態，且上游面的裂縫開度達到12 mm。

應力變形狀態的計算結果表明，相比大壩本身的應力來說，巖體中來自通過大壩傳導的力的應力是很小的。因此，這些應力不可能使基礎部位產生大面積的穩定性破壞區。除了上游壩墩基礎部位的密封性遭受破壞的區域以外，所有混凝土高壩中都會有密封性被破壞的區域存在。

然而，開展應力變形狀態的計算本身并不是對建筑物和巖體的穩定系數進行評估?！按髩危A”體系的應力狀態需從平衡狀況中獲得，破壞(失穩或強度喪失)發生的時侯，就是平衡遭受破壞的過程。因而，得到的大壩應力變形狀態，只能作為用于研究承載能力所必需的原始資料。

4 計算研究

可以對上述方法進行研究。用于確定建筑物承載能力安全系數的數值方法，要求建筑物必須承受破壞過程。要做到這一點，可以運用2種方法。第1種方法是在建筑物上加大荷載，直至其毀壞。第2種方法是在理論上降低實際強度指標，直至其自身的強度耗盡。

在實施過程中，選用了第2種方法。在進行的一系列計算中，每一次計算都是依次降低計算域中所有材料的強度指標(比如抗拉強度、內摩擦角、單位粘著力)。

計算表明，在將各個強度指標應用于大壩基礎中時，發現其破壞過程發生在大壩－基礎的結合部位以及巖基的上層。基礎巖體遭受破壞，是因為大壩第2個壩墩下方的密封性喪失，而且，這一部分的壩基同時還發生有剪切破壞，但壩基下面的混凝土與巖石結合部位仍保持著自身強度(圖2)。在降低強度指標的情況下，發生在接縫中的剪切破壞則是來自下游。這一點從圖3中可以看出，圖3示出的是大壩與巖石結合部位的抗剪強度系數(穩定性)的變化情況。該系數的計算公式為:

式中，σ，τ分別為基礎與壩體結合部位的標準剪應力和最大剪應力;φ，c分別為混凝土與基巖結合部位的內摩擦角和單位粘著力。

顯然，在降低強度指標的情況下，(源自上游面的)接縫的開裂度區域，在尺度方面，實際上并沒有發生改變。

當強度指標降低到2/5(與原始指標相比)時，接縫的抗剪強度開始喪失。大壩河床壩段，除上游截水墻外，幾乎整個結合面都處于極限狀態(圖3，4)。河床壩段下面的巖體穩定性也遭受到了較大的破壞(圖2)。

圖2 穩定性遭受破壞時主壩段的混凝土－巖石材料及結合部位的狀態

但是，在這種情況下，大壩并未受到損壞，只是喪失了自身的穩定性而已。也就是說，大壩進入了一種新的穩定性狀態，大壩33號主壩段向下游面位移了8～10mm(圖5)，并且，這種后續位移，實際上是沿壩體高程均衡分布的，盡管靠近壩基，但是其數值仍然大于壩頂。因為有岸邊支墩的支撐，因此，大壩并未失穩。兩側壩段的接縫也基本上保持了自身的強度(圖4)。

圖3 降低強度指標時混凝土與巖石結合部位的安全系數變化

圖4 大壩失穩時混凝土與巖石結合部位的狀態

圖5 失穩前和失穩后主壩段的位移情況

巖壁的抗剪強度沒有發生實質性破壞。這是因為，由大壩傳送到巖石基礎上的力，會在巖體中迅速“消散”。而由距離大壩足夠遠的地方所傳遞的力，與巖體的自然壓力當然不可相提并論。

由于即使是強度指標降低到2/5，大壩也不會遭受到破壞，所以可以斷定，薩彥－舒申斯克水電站“大壩－基礎”體系穩定性的綜合系數應該是大于2。或許，設計單位(水利工程建筑設計勘測研究院列寧格勒分院)當時得出的也是相同的數值。但是，計算時所采用的混凝土－巖石結合的強度參數中，已經包含了一些強度安全系數，這是因為可以預期的實際強度安全系數要更高。

應當著重指出的是，雖然河床壩段與基巖結合部位的強度在遭受破壞的情況下，不會給建筑物造成損壞，但是，在實際應用中，這種情況絕不允許出現，因為它會使基礎部位的滲漏狀況惡化。

5 結論

(1)在所有導致薩彥－舒申斯克水電站“大壩－基礎”體系承載能力喪失的可能性中，最大的可能是大壩與基礎的結合部位或基巖上層的強度被破壞。

(2)薩彥－舒申斯克水電站“大壩－基礎”體系，至少應具有雙倍的強度安全系數，這是其重力拱壩的壩型所決定的。當混凝土與基巖結合部位遭受破壞時，大壩的懸臂構件和拱構件之間的荷載就會進行重新分配，并會將更多的荷載傳遞到巖壁上。有賴于岸邊支墩的支撐，即使河床壩段與基巖的結合部位完全被破壞，大壩也能夠保持其自身的穩定性。

(3)在降低強度指標的情況下，發生在混凝土與基巖結合部位的強度破壞來自下游，因為那里的實際剪應力最大。發生在基礎中的強度破壞則來自上游。

(4)盡管薩彥－舒申斯克水電站大壩及其基礎承載能力良好，但是，大壩基礎部位的密封性仍會持續地喪失，且大壩與基礎結合部位的開裂狀態也將進一步發展，這樣就會對建筑物的安全構成威脅。