［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(guī)模最大的擋水建筑物。壩軸線長1074 m。規(guī)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(fā)現(xiàn)大壩的運行偏離了設(shè)計要求。

1990年，當(dāng)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(fā)現(xiàn)了裂縫，裂縫深度達22 m。20世紀(jì)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(dāng)上游水位超過530 m時，個別壩段仍出現(xiàn)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(qū)域的滲漏水的滲流量達5 L/s。

更大的問題出現(xiàn)在大壩基礎(chǔ)部位，檢查時，發(fā)現(xiàn)那里的滲漏量加大。有記錄表明，大壩基礎(chǔ)部位的總滲流量，在20世紀(jì)90年代初為500 L/s。滲流量增加的原因是巖石基礎(chǔ)的密封性受到破壞，并且，大壩與基巖的結(jié)合處也斷開(大壩與基礎(chǔ)的結(jié)合部位的強度遭受破壞，未必與混凝土和巖石的結(jié)合有直接關(guān)系，強度遭受破壞有時也可能會發(fā)生在壩基以下的部位)。通過鉆孔勘查，確定了巖石基礎(chǔ)的密封性已受到破壞，且破壞區(qū)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?；炷僚c巖石結(jié)合部位的強度受到破壞也已被證實，有觀測資料表明，當(dāng)水庫蓄水超過上游水位525 m時，基礎(chǔ)中的滲流水壓就會下降。間接數(shù)據(jù)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(chǔ)中的拉伸殘余變形在持續(xù)加大，可以說，大壩變形已是不可逆轉(zhuǎn)的，并且，大壩基礎(chǔ)的密封性也還在持續(xù)遭受破壞。由此而引發(fā)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(dān)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(fā)生位移。

經(jīng)過現(xiàn)場實施混凝土取芯并對芯樣進行檢驗，結(jié)果表明，大壩所用材料的強度很高。同時也得知，大壩基礎(chǔ)為疊層結(jié)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(dǎo)致薩彥－舒申斯克水電站“大壩－基礎(chǔ)”體系喪失其承載能力。

3 分析方法

目前對巖體穩(wěn)定系數(shù)的計算，還沒有比較精準(zhǔn)的分析方法。這個問題，也許用數(shù)值模擬方法可以得到解決，也就是利用數(shù)值模擬的方法來重建“大壩－基礎(chǔ)”體系材料強度破壞的可能性，以及大壩與基礎(chǔ)之間結(jié)合部位強度破壞的可能性。進行的“大壩－基礎(chǔ)”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(yīng)力之間的非線性關(guān)系進行計算。尤其是，有可能將設(shè)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(jié)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(xué)(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(shù)值研究。該程序的應(yīng)用，使薩彥－舒申斯克水電站大壩及其基礎(chǔ)承載能力的研究成為可能。

為該項研究研制的大壩和基礎(chǔ)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(guī)的有限元方法再現(xiàn)巖石基礎(chǔ)中的結(jié)構(gòu)破壞區(qū)，常規(guī)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(shù)和強度參數(shù):

(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(jié)合部位開展的研究，采用了以下參數(shù):

(1)摩擦系數(shù)為1.5;

(2)單位粘著力為5MPa;

(3)抗拉強度為0.5MPa(摩擦系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值接近，粘著力與計算值相等)。

對巖石基礎(chǔ)開展的研究，是在水利工程建筑勘測設(shè)計研究院列寧格勒分院和電力行業(yè)地球力學(xué)研究中心提供的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(gòu)造破壞)開展研究時，采用的參數(shù)為:

(1)摩擦系數(shù)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(chǔ)部分。采用的實體介質(zhì)材料為六面棱柱體，它是運用可在單元內(nèi)移動的準(zhǔn)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(chǔ)與壩體之間的臨界處，以及裂縫形成區(qū)的邊界和各個分段縫的邊界處。“大壩－基礎(chǔ)”體系的自由度總數(shù)為160475。

在對大壩和基礎(chǔ)的應(yīng)力變形狀態(tài)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(xù)性特點。這樣才能夠反映出大壩應(yīng)力變形狀態(tài)的主要特性:上游面裂縫的形成;混凝土與基巖結(jié)合部位的強度破壞;大壩下游面壓應(yīng)力集中的情況(圖1)。

圖1 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出的大壩關(guān)鍵部位的應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)計算，得出了以下結(jié)果:大壩下游面(高程320 m區(qū)域內(nèi))最大主壓縮應(yīng)力約為15MPa，高于實際測量的12MPa。由計算結(jié)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(jié)果基本符合1996～2001年實際觀測的位移數(shù)據(jù)119～136 mm。

計算表明，大壩上游面裂縫的產(chǎn)生，與大壩仍處于施工期，且尚未填筑到設(shè)計高程便承載靜水壓力不無關(guān)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(fā)生在1985年(當(dāng)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(xiàn)了裂縫;1985年，裂縫延伸到第1個壩墩處。這與實際觀測數(shù)據(jù)相符，因為正是在1985年，觀測儀器測出了大壩基礎(chǔ)的密封性喪失以及壩基的滲流量增大。當(dāng)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(jù)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(dāng)于大壩第1個壩墩的厚度)。當(dāng)放水至500 m的無效庫容水位時，接縫為不完全閉合狀態(tài)，且上游面的裂縫開度達到12 mm。

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

然而，開展應(yīng)力變形狀態(tài)的計算本身并不是對建筑物和巖體的穩(wěn)定系數(shù)進行評估?！按髩危A(chǔ)”體系的應(yīng)力狀態(tài)需從平衡狀況中獲得，破壞(失穩(wěn)或強度喪失)發(fā)生的時侯，就是平衡遭受破壞的過程。因而，得到的大壩應(yīng)力變形狀態(tài)，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(shù)的數(shù)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(biāo)，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(biāo)(比如抗拉強度、內(nèi)摩擦角、單位粘著力)。

計算表明，在將各個強度指標(biāo)應(yīng)用于大壩基礎(chǔ)中時，發(fā)現(xiàn)其破壞過程發(fā)生在大壩－基礎(chǔ)的結(jié)合部位以及巖基的上層?；A(chǔ)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(fā)生有剪切破壞，但壩基下面的混凝土與巖石結(jié)合部位仍保持著自身強度(圖2)。在降低強度指標(biāo)的情況下，發(fā)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(jié)合部位的抗剪強度系數(shù)(穩(wěn)定性)的變化情況。該系數(shù)的計算公式為:

式中，σ，τ分別為基礎(chǔ)與壩體結(jié)合部位的標(biāo)準(zhǔn)剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)力;φ，c分別為混凝土與基巖結(jié)合部位的內(nèi)摩擦角和單位粘著力。

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

當(dāng)強度指標(biāo)降低到2/5(與原始指標(biāo)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(jié)合面都處于極限狀態(tài)(圖3，4)。河床壩段下面的巖體穩(wěn)定性也遭受到了較大的破壞(圖2)。

圖2 穩(wěn)定性遭受破壞時主壩段的混凝土－巖石材料及結(jié)合部位的狀態(tài)

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(wěn)定性而已。也就是說，大壩進入了一種新的穩(wěn)定性狀態(tài)，大壩33號主壩段向下游面位移了8～10mm(圖5)，并且，這種后續(xù)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(shù)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(wěn)。兩側(cè)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(biāo)時混凝土與巖石結(jié)合部位的安全系數(shù)變化

圖4 大壩失穩(wěn)時混凝土與巖石結(jié)合部位的狀態(tài)

圖5 失穩(wěn)前和失穩(wěn)后主壩段的位移情況

巖壁的抗剪強度沒有發(fā)生實質(zhì)性破壞。這是因為，由大壩傳送到巖石基礎(chǔ)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(dāng)然不可相提并論。

由于即使是強度指標(biāo)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(chǔ)”體系穩(wěn)定性的綜合系數(shù)應(yīng)該是大于2?；蛟S，設(shè)計單位(水利工程建筑設(shè)計勘測研究院列寧格勒分院)當(dāng)時得出的也是相同的數(shù)值。但是，計算時所采用的混凝土－巖石結(jié)合的強度參數(shù)中，已經(jīng)包含了一些強度安全系數(shù)，這是因為可以預(yù)期的實際強度安全系數(shù)要更高。

應(yīng)當(dāng)著重指出的是，雖然河床壩段與基巖結(jié)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(yīng)用中，這種情況絕不允許出現(xiàn)，因為它會使基礎(chǔ)部位的滲漏狀況惡化。

5 結(jié)論

(1)在所有導(dǎo)致薩彥－舒申斯克水電站“大壩－基礎(chǔ)”體系承載能力喪失的可能性中，最大的可能是大壩與基礎(chǔ)的結(jié)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(chǔ)”體系，至少應(yīng)具有雙倍的強度安全系數(shù)，這是其重力拱壩的壩型所決定的。當(dāng)混凝土與基巖結(jié)合部位遭受破壞時，大壩的懸臂構(gòu)件和拱構(gòu)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(jié)合部位完全被破壞，大壩也能夠保持其自身的穩(wěn)定性。

(3)在降低強度指標(biāo)的情況下，發(fā)生在混凝土與基巖結(jié)合部位的強度破壞來自下游，因為那里的實際剪應(yīng)力最大。發(fā)生在基礎(chǔ)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(chǔ)承載能力良好，但是，大壩基礎(chǔ)部位的密封性仍會持續(xù)地喪失，且大壩與基礎(chǔ)結(jié)合部位的開裂狀態(tài)也將進一步發(fā)展，這樣就會對建筑物的安全構(gòu)成威脅。