俄罗斯萨彦－舒申斯克水电站重力拱坝及其坝基承载能力的计算论证

［俄罗斯］ М.П.萨伊诺夫

1 建筑物概况

萨彦－舒申斯克水电站重力拱坝高242.5 m，是俄罗斯水电站中规模最大的挡水建筑物。坝轴线长1074 m。规模如此宏大的建筑物，对其可靠性和安全性的要求自然也更高。但是，众所周知，萨彦－舒申斯克水电站运行之初，就已发现大坝的运行偏离了设计要求。

1990年，当水库蓄水至正常蓄水位540 m时，在大坝下部1/3处(高程344～359 m处)的上游面就已发现了裂缝，裂缝深度达22 m。20世纪90年代末，对大坝进行过维修施工，使混凝土渗漏情况得以控制。但在维修处理之后，当上游水位超过530 m时，个别坝段仍出现有裂缝，且裂缝深度已达17 m。透过上游面流向高程340～359 m区域的渗漏水的渗流量达5 L/s。

更大的问题出现在大坝基础部位，检查时，发现那里的渗漏量加大。有记录表明，大坝基础部位的总渗流量，在20世纪90年代初为500 L/s。渗流量增加的原因是岩石基础的密封性受到破坏，并且，大坝与基岩的结合处也断开(大坝与基础的结合部位的强度遭受破坏，未必与混凝土和岩石的结合有直接关系，强度遭受破坏有时也可能会发生在坝基以下的部位)。通过钻孔勘查，确定了岩石基础的密封性已受到破坏，且破坏区域逐渐扩大，至少已达到大坝混凝土浇筑的第一个坝墩的厚度。混凝土与岩石结合部位的强度受到破坏也已被证实，有观测资料表明，当水库蓄水超过上游水位525 m时，基础中的渗流水压就会下降。间接数据也表明，裂缝的最大开度已超过15 mm。

2 大坝变形原因分析

2004年以来的观测资料显示，上游面下面的大坝基础中的拉伸残余变形在持续加大，可以说，大坝变形已是不可逆转的，并且，大坝基础的密封性也还在持续遭受破坏。由此而引发了人们对萨彦－舒申斯克水电站混凝土大坝安全性及其承载能力的担心。

一般情况下，拱坝承载能力的丧失有可能源于以下几个方面:

(1)混凝土强度和(或)施工缝强度被破坏;

(2)大坝和支撑大坝的岩体一起发生位移。

经过现场实施混凝土取芯并对芯样进行检验，结果表明，大坝所用材料的强度很高。同时也得知，大坝基础为叠层结晶片岩，存在许多的大型裂缝和破坏带。因此，第2种情况最有可能导致萨彦－舒申斯克水电站“大坝－基础”体系丧失其承载能力。

3 分析方法

目前对岩体稳定系数的计算，还没有比较精准的分析方法。这个问题，也许用数值模拟方法可以得到解决，也就是利用数值模拟的方法来重建“大坝－基础”体系材料强度破坏的可能性，以及大坝与基础之间结合部位强度破坏的可能性。进行的“大坝－基础”体系的几何和物理模拟，采用的是有限元方法，而进行的混凝土和基岩强度的破坏模拟，可能采用的方法，则是针对不同强度条件下的变形和应力之间的非线性关系进行计算。尤其是，有可能将设计实践中最受欢迎的库伦－摩尔(Кулона－Мора)强度理论，作为强度条件。对于相同的缝(坝体中)和潜在的断裂面(如混凝土与基岩的结合面)开展模拟试验的话，则需要采用专门的“接触式”有限元，它能够模拟各类缝开裂的可能性和剪切破坏的可能性。

莫斯科国立建筑大学(МГСУ)水工建筑物教研室研制的计算程序，能够以类似的方法进行数值研究。该程序的应用，使萨彦－舒申斯克水电站大坝及其基础承载能力的研究成为可能。

为该项研究研制的大坝和基础有限元模型，包含了大坝接缝强度破坏的可能性和坝本中裂缝形成的可能性。借助于常规的有限元方法再现岩石基础中的结构破坏区，常规有限元方法中允许有材料的抗拉和抗剪强度破坏的可能性。模拟试验只针对厚度超过20 m的Ⅲ期大型裂缝。

对大坝混凝土开展的研究，采用了以下变形参数和强度参数:

(1)变形模量为32(施工期)～43 Pa(运行期);

(2)泊松比为0.18。

对混凝土与岩石结合部位开展的研究，采用了以下参数:

(1)摩擦系数为1.5;

(2)单位粘着力为5MPa;

(3)抗拉强度为0.5MPa(摩擦系数与标准值接近，粘着力与计算值相等)。

对岩石基础开展的研究，是在水利工程建筑勘测设计研究院列宁格勒分院和电力行业地球力学研究中心提供的数据的基础上，采用了变形特性和强度特性。同时，也考虑到了不同深度的岩石特性的变化情况。计算中采用的岩石变形模量列于表1。

表1 岩石变形模量(Pa)计算

对坝基的岩石上层(无构造破坏)开展研究时，采用的参数为:

(1)摩擦系数为1.3;

(2)单位粘着力为2.5MPa。

研制的大坝有限元模型，包含19191个有限元，34035个基础部分。采用的实体介质材料为六面棱柱体，它是运用可在单元内移动的准线性近似算法，该方法的精确度大大超过运用线性近似算法的四面体。连接部件安放在大坝坝墩之间、基础与坝体之间的临界处，以及裂缝形成区的边界和各个分段缝的边界处。“大坝－基础”体系的自由度总数为160475。

在对大坝和基础的应力变形状态进行检测的过程中，考虑了大坝施工和水库蓄水所具有的连续性特点。这样才能够反映出大坝应力变形状态的主要特性:上游面裂缝的形成;混凝土与基岩结合部位的强度破坏;大坝下游面压应力集中的情况(图1)。

图1 根据数值模拟结果得出的大坝关键部位的应力状态

根据计算，得出了以下结果:大坝下游面(高程320 m区域内)最大主压缩应力约为15MPa，高于实际测量的12MPa。由计算结果可知，在水库从上游水位497 m蓄水至正常蓄水位540 m的情况下，大坝33号主坝段的坝顶径向位移为122 mm(混凝土的平均模量为32 Pa)，这一结果基本符合1996～2001年实际观测的位移数据119～136 mm。

计算表明，大坝上游面裂缝的产生，与大坝仍处于施工期，且尚未填筑到设计高程便承载静水压力不无关系。大坝第1个坝墩曾在1979年独自承载约60 m水头的压力。计算模型显示，施工缝开裂是发生在1985年(当时上游水位大约为516 m)。

通过计算，得出了接缝的情况:1984年，水库蓄水至上游水位498 m时，上游面第1次出现了裂缝;1985年，裂缝延伸到第1个坝墩处。这与实际观测数据相符，因为正是在1985年，观测仪器测出了大坝基础的密封性丧失以及坝基的渗流量增大。当水库蓄水至正常蓄水位540 m时，接缝的开裂达到了最大值。根据计算，接缝的最大开裂度(上游面)为27.5 mm，裂缝深度为 22.5 m(相当于大坝第1个坝墩的厚度)。当放水至500 m的无效库容水位时，接缝为不完全闭合状态，且上游面的裂缝开度达到12 mm。

应力变形状态的计算结果表明，相比大坝本身的应力来说，岩体中来自通过大坝传导的力的应力是很小的。因此，这些应力不可能使基础部位产生大面积的稳定性破坏区。除了上游坝墩基础部位的密封性遭受破坏的区域以外，所有混凝土高坝中都会有密封性被破坏的区域存在。

然而，开展应力变形状态的计算本身并不是对建筑物和岩体的稳定系数进行评估。“大坝－基础”体系的应力状态需从平衡状况中获得，破坏(失稳或强度丧失)发生的时侯，就是平衡遭受破坏的过程。因而，得到的大坝应力变形状态，只能作为用于研究承载能力所必需的原始资料。

4 计算研究

可以对上述方法进行研究。用于确定建筑物承载能力安全系数的数值方法，要求建筑物必须承受破坏过程。要做到这一点，可以运用2种方法。第1种方法是在建筑物上加大荷载，直至其毁坏。第2种方法是在理论上降低实际强度指标，直至其自身的强度耗尽。

在实施过程中，选用了第2种方法。在进行的一系列计算中，每一次计算都是依次降低计算域中所有材料的强度指标(比如抗拉强度、内摩擦角、单位粘着力)。

计算表明，在将各个强度指标应用于大坝基础中时，发现其破坏过程发生在大坝－基础的结合部位以及岩基的上层。基础岩体遭受破坏，是因为大坝第2个坝墩下方的密封性丧失，而且，这一部分的坝基同时还发生有剪切破坏，但坝基下面的混凝土与岩石结合部位仍保持着自身强度(图2)。在降低强度指标的情况下，发生在接缝中的剪切破坏则是来自下游。这一点从图3中可以看出，图3示出的是大坝与岩石结合部位的抗剪强度系数(稳定性)的变化情况。该系数的计算公式为:

式中，σ，τ分别为基础与坝体结合部位的标准剪应力和最大剪应力;φ，c分别为混凝土与基岩结合部位的内摩擦角和单位粘着力。

显然，在降低强度指标的情况下，(源自上游面的)接缝的开裂度区域，在尺度方面，实际上并没有发生改变。

当强度指标降低到2/5(与原始指标相比)时，接缝的抗剪强度开始丧失。大坝河床坝段，除上游截水墙外，几乎整个结合面都处于极限状态(图3，4)。河床坝段下面的岩体稳定性也遭受到了较大的破坏(图2)。

图2 稳定性遭受破坏时主坝段的混凝土－岩石材料及结合部位的状态

但是，在这种情况下，大坝并未受到损坏，只是丧失了自身的稳定性而已。也就是说，大坝进入了一种新的稳定性状态，大坝33号主坝段向下游面位移了8～10mm(图5)，并且，这种后续位移，实际上是沿坝体高程均衡分布的，尽管靠近坝基，但是其数值仍然大于坝顶。因为有岸边支墩的支撑，因此，大坝并未失稳。两侧坝段的接缝也基本上保持了自身的强度(图4)。

图3 降低强度指标时混凝土与岩石结合部位的安全系数变化

图4 大坝失稳时混凝土与岩石结合部位的状态

图5 失稳前和失稳后主坝段的位移情况

岩壁的抗剪强度没有发生实质性破坏。这是因为，由大坝传送到岩石基础上的力，会在岩体中迅速“消散”。而由距离大坝足够远的地方所传递的力，与岩体的自然压力当然不可相提并论。

由于即使是强度指标降低到2/5，大坝也不会遭受到破坏，所以可以断定，萨彦－舒申斯克水电站“大坝－基础”体系稳定性的综合系数应该是大于2。或许，设计单位(水利工程建筑设计勘测研究院列宁格勒分院)当时得出的也是相同的数值。但是，计算时所采用的混凝土－岩石结合的强度参数中，已经包含了一些强度安全系数，这是因为可以预期的实际强度安全系数要更高。

应当着重指出的是，虽然河床坝段与基岩结合部位的强度在遭受破坏的情况下，不会给建筑物造成损坏，但是，在实际应用中，这种情况绝不允许出现，因为它会使基础部位的渗漏状况恶化。

5 结论

(1)在所有导致萨彦－舒申斯克水电站“大坝－基础”体系承载能力丧失的可能性中，最大的可能是大坝与基础的结合部位或基岩上层的强度被破坏。

(2)萨彦－舒申斯克水电站“大坝－基础”体系，至少应具有双倍的强度安全系数，这是其重力拱坝的坝型所决定的。当混凝土与基岩结合部位遭受破坏时，大坝的悬臂构件和拱构件之间的荷载就会进行重新分配，并会将更多的荷载传递到岩壁上。有赖于岸边支墩的支撑，即使河床坝段与基岩的结合部位完全被破坏，大坝也能够保持其自身的稳定性。

(3)在降低强度指标的情况下，发生在混凝土与基岩结合部位的强度破坏来自下游，因为那里的实际剪应力最大。发生在基础中的强度破坏则来自上游。

(4)尽管萨彦－舒申斯克水电站大坝及其基础承载能力良好，但是，大坝基础部位的密封性仍会持续地丧失，且大坝与基础结合部位的开裂状态也将进一步发展，这样就会对建筑物的安全构成威胁。