
基于原型观测和试验分析,可以给出下列砼坝工作状态的基本规律:
大坝-地基系统状态变化带有明显的周期特点,该系统有固定范围,包括接触区和上下游坝面;
坝上下游面应力-应变状态的变化带有反季节特点;
在水库非大量弃水,一年中气温季节的变幅,对大坝应力-应变状态的变化起主要作用;
冬-春时期的上游水位是接触区决定因素,接触缝的开裂和上游面下的地基非密实程度都与此有关;
在第一排砼浇注块的接触区,测压管水头变幅带有明显的季节特点,测压管水头最大值发生在冬季最大弃水时;
接触区的非可逆过程完全没有停止。大坝接触区的状态对保证建筑物稳定和强度占有一定的位置;
接触区状态的不利影响,会使坝体宽缝长时间排水,这会增大坝体中心地基中水力梯度。
我们分析了砼坝-地基系统实际状态与设计情况不同的主要原因。发生在运用期的所有主要问题在很大程度上都与严寒的温度作用有关(工程地区多年平均计算气温为-2.6℃,一月份平均气温为-23.8℃,七月份平均气温为18.2℃)。在布拉茨克水电站砼坝设计和施工之初,对温度荷载在砼坝工作中的作用研究的不够。这在很大程度上与1950年设计砼坝的时候,我国和国外都还没有在类似的气候条件和如此规模的砼重力坝的运用经验。设计时对温度荷载的考虑,大坝修建时限制在砼中形成温度裂缝。在20世纪头50年国外还广泛采用坝高超过50m的砼坝。
布拉茨克水电站砼坝设计时,按当时使用的标准规范,设计断面必须保证在主要荷载作用下,大坝上游面所有点有不小于0.25H的压应力。在坝基中不产生拉应力。但温度荷载不属于主要荷载,所以在计算断面论证时就不会考虑。这样就会在邻近上游面的接触区中产生拉应力,从而使上游面下的坝基产生非密实现象和使接触缝开裂(正是基于布拉茨克水电站大坝的运用经验,才将温度荷载列入主要荷载中)。
非密实过程的不利影响,使建筑物的整个地下范围处于不良的工作状态。设计时曾考虑,大坝宽缝在坝基排水中起主导作用。但实际上由于基岩有强不透水性,所以宽缝排出渗透水流的作用并没有发生,排水流量的观测也证实了这一点。排水中的流量比设计值低了一些,等于1000升/秒,并不超过12.3升/秒。这个值小于砼坝排水中的渗透流量。由于在非密实化接触区渗透水流不可能排入排水中,因排水距非密实接触区边界过远,也不能排入大坝宽缝中,因基岩有强不透水性。这样看来,非密实化坝基区的实际防渗性低于设计值。建于弱透水岩基上的高砼坝,基于这类坝的运用经验和相应的计算分析,关于砼坝运用时地下轮廓作用的概念要有个大改变。如果我们现在来设计布拉茨克砼坝,会从现在地下轮廓作用的概念出发,地下轮廓的设计措施会采用在第一排砼浇注块下的排水和利用灌浆以及提高局部地段的防渗能力。
应当指出,如果上面提到的不同,是指对建筑物工作的不利影响,那么,实际上不论在建筑物的强度方面,还是在建筑物抗滑稳定方面,前述设计阶段的一些规定,无疑,都起着正确的作用。
还是在大坝运行的最初几年,我们就掌握了大坝的运用状态与设计情况有不同,全苏水工科学研究院对大坝在实际运行条件中的各个阶段,都进行了计算分析。最近一次评估大坝运行状态的计算分析是在1997-2000年完成的。评估工作研究了以下问题:
按原型观测数据论证计算模型参数的同一化;
接触缝的开裂和非密实化对接触区渗透流态和大坝-地基系统应力-应变状态的影响;
超过排水对大坝应力-应变状态和接触区渗透流态的影响;
评估大坝电站段沿坝基抗滑稳定的可靠性。
基于按原型观测数据完成的论证模型参数的同一化,评估大坝-地基系统的应力-应变状态和渗透流态,表明,砼大坝的可靠运行是有保证的。大坝在未来运用过程中可靠又安全的工作前景,是与解决一些现实问题有关,这对其他高坝也是如此。现在评估现阶段建筑工作的可靠性是个复杂的科学技术问题。荷载和其他影响的变化,以及大坝-地基系统本身的变化,都伴随着大坝-地基系统运用的全过程。无论来自外部环境的偶然因素,还是自然发生在大坝-地基系统内部的偶然干扰、故障等因素,都影响着大坝-地基系统的状况。因此,必须利用或然率方法来评估大坝-地基系统状况。
大坝-地基系统运用的可靠性与安全性与该系统的技术状态有关。
在运行过程中,如没有其他专门措施,则大坝-地基系统会恶化。高砼坝的实际运行年限应该是没有的,因为高坝-地基-水库的使用年限不仅取决于自然-技术条件,还取决于区域社会-经济状况。与此相关的是,不仅有评估问题,还有该系统的技术状态操作问题。为了操作该系统的技术状态,必须解决下列任务:
保证大坝-地基系统技术状态变化的检查观测;
采取作用于大坝-地基系统上可能的综合措施;
采取有效的评估方法和对该系统状态的预报,这些方法是基于利用运行过程中得到的原型观测资料。
布拉茨克水电站的这些任务中的一部分,已经很好地解决了。
在砼坝-地基系统运行过程中得到的原型观测数据,对这些数据的分析、系统化和汇总要实现自动化。实现自动化系统的主要工作已经完成。这其中包括移动最笨重的,体积很大的带电变压器。如果不算上萨亚-舒申斯克水电站,那么布拉茨克水电站砼坝的原型观测和试验工作量是没有可比的了。解决大坝-地基系统状态的操作问题,不论是理论分析,还是在生产条件下的实验工作,大部分已经完成。
应当指出,尽管在俄罗斯联邦法律“关于水工建筑物的安全”中加大了安全可靠问题的力度,但涉及到高砼坝在运行期可靠性的评估方面,还有很多问题留有缺口。到目前为止还没有一个标准规定,即使不是专指对水工建筑物可靠性的评估,就是限定在高砼坝工作方面的评估也没有。除此,还应将现在被采用的系统评估方法,列入《建筑标准与规范》中。这个与一系列状况有关,首先是与设计阶段就已确定了的,在工程运行中建筑物的可靠性和安全性方面的要求有关。因此,专家们应努力使工程在设计阶段完善建筑物系统的评估方法,并完善《建筑标准与规范》。但是,大坝设计阶段的具体情况与运用期的情况存在不同。设计时还不能准确的知道,无论是运用时作用的实际荷载,还是材料的实际性能。这就会使设计时在不确定条件下采取措施。为了降低不准确措施的风险,完成了物理模拟和数学模拟。设计时采用了极限状态法,这个方法的原始资料(荷载、材料的物理-力学性质)是利用了它们的静力特征值。荷载的主要特征值是标准值,即现行规范规定的标准值。计算荷载采用的标准荷载,是考虑了荷载的安全系统,以防荷载不利方面的变化。在模拟结果的基础上,作了运行期建筑物状态的预测。这个预测给出了设计的工程结构未来如何工作,当然工程结构未来的工作应与设计计算一致。显然,准确的预测和在此基础上作出的可靠性评估,不但应与结构预测荷载和承载能力一致,而且应与建筑物实际工作的计算模型相符合。岩基上高砼坝的运用经验表明,大坝-地基系统的工作,不同于设计阶段所预测的。现在最重要的任务之一是开发出,高砼坝实际运用阶段的可靠性评估方法,这个方法不仅应考虑到具体建筑物工作的特征,还应计入在原型观测和试验过程中得到的大量数据。