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布拉茨克水电站砼坝

北极星电力网技术频道    作者:电力论文3   2007/12/24 18:39:02   

 关键词:  水电 水电站 电站

布拉茨克水电站砼坝在俄罗斯的坝工建设中有特殊位置。它是俄罗斯第一座超过100m高的砼坝。1957年完成了大坝技术设计,1958年夏天第一次开始浇注砼,1961年水库开始蓄水。1967年9月上游水位达到正常水位。布拉茨克砼坝是第一座建于多年平均气温低于零度地区的、高于60m的大坝;是第一座建于严寒条件下、砼浇注量超过400万m3的高坝。是莫斯科水工设计院第一次完成设计的砼高坝。布拉茨克水电站砼坝是我国首次采用柱状错缝(不设闭合缝)和为了调节温度还采用了其他措施:采用分区浇注砼,并在砼拌合时添加碎冰块来预先冷却砼。

在报刊和科技书籍中有多于100多篇文章,从不同角度研究了布拉茨克水电站砼坝的运用状况,分析了大坝的施工和运用经验。本文将着重分析发生在运用过程中的问题,这些问题产生的原因,解决问题的经验以及在未来砼坝-地基系统中,保证其工作的可靠性和安全性的基本方向。

布拉茨克水电站砼坝包括924m长的河床部分和517m的河岸部分。河床砼坝为宽缝重力坝,上游坝面垂直,下游坡面为0.8,用永久变形缝分成坝段,每坝段宽22m。最大坝高126m,计算水头106m。河床砼坝由三种类型建筑物组成:溢流坝(NO.53-63),水电站(NO.31-50),非溢流坝(11个坝段)NO.27-30与陡峻左岸连接,NO.51、52坝段将溢流坝与电站部分隔开,NO.64-68坝段与右岸连接。电站厂房部分有进水钢管,管径7m,钢管下部厚28mm,上部厚22mm。

坝体排水由垂直管道排水组成,排水管直径30cm,间距2.75m,距坝上游面7.5m。渗透水通过水平施工缝,裂缝和变形缝汇集到排水管中并排入灌浆廊道。

地下部分包括与灌浆和排水相连的水泥灌浆帷幕。NO.42-65坝段坝基为水泥帷幕。水泥帷幕深70-80m,深入不透水的粉砂岩。两岸坡段分布有厚的、实际上不透水的辉绿岩,在大坝河床部分的NO.27-41坝段下没有作深帷幕。该处有联结灌浆,联结灌浆由1排、深10m的灌浆孔和2-3排深3-4m的灌浆孔组成。在NO.29-33坝段下面的联结帷幕较深,达15-20m,因此地质勘察表明,该处局部地方存有不密实区。坝基排水为2排、间距为3m、距上游坝面21m和46m的排水孔。第一排排水孔深23-35m,第二排排水孔深20-32m。

砼坝的工作状态在很大程度上与坝-坝基系统的应力-应变状态有关。坝运用期作用在砼坝的主要荷载有静水压力、作用在坝基上的防渗压力和温度荷载。静水压力取决于上下游水位。特别是运用期上游水位的变化,上游水位变化受多年调节和布拉茨克水库弃水调度计划制约,上游水位一方面与天然水文条件有关,另一方面与电力需求量有关。水库最大弃水到死水位以上10m,最大季度弃水不超过5m。

布拉茨克水电站砼坝的防渗压力不仅与上游水位有关,还与上游坝面接触区的应力-应变状态有关,因为坝基的渗透性质影响着上游坝面接触区。接触区的应力-应变状态与温度荷载有密不可分的联系。

温度荷载对布拉茨克水电站砼坝运用状态的影响简述如下。砼坝运用期的温度作用取决于周围环境的季节温度变化,温度作用导致了砼坝外部区季节性升温和冷却,这样就引起夏季升温时坝下游面受压,冬季冷却时下游面受拉。与下游面邻近的砼受拉,冬天的时候会使下游面的坝缝开裂和产生裂缝。在这种情况下由于坝缝的开裂和砼产生裂缝,就开始削弱承受静水压力的能力,这时的坝体断面已非原设计时的断面了。坝体工作断面的削弱,就大大的削弱了设计时得到的最优断面,同样,在上游面接触区也会产生拉应力,从而导致坝体接触缝开裂。

70年代初期形成了大坝的温度状态。水库蓄水以后由于污物的堵塞和坝体宽缝被淹没,温度状态就停止了。现在建筑物的温度状态已与施工时不一样。温度变化主要发生在邻近上游坝面处和邻近下游坝面处,温度变化带有季节性,并取决于气温变化。各坝段的温度状态不同,不同的温度状态与不同类型坝段有关。电站段下游面形成的温度状态会影响电站进水管。溢流坝段下游面形成的温度状态会形成冰层,冰层产生在溢流坝面上,冰层起到保温作用,这就限制了下游面砼的冻深。对温度状态的检查原来只考虑了非溢流坝段。从大坝温度状态整个观测结果看,比设计时事先的设定要好些。不存在一直处于冻结状态的砼区。冬季非溢流坝段的下游面冻深6-10m。坝体内部砼温度为5-8℃。日晒对个别坝段的温度状态有一定影响。

研究砼坝-坝基系统的应力-应变特征是决定砼坝可靠运用的主要因素之一。从布拉茨克大坝运用的最初起,就进行了原型观测,观测发现河床坝段上游面下的基岩非密实区,接触缝开裂,灌浆帷幕后的渗透压力,与设计值相比有了增大。置于坝体与坝基接触区的应变计,从1964年起就开始记录到拉应变的增加和周期性的变化。接触区变形的季节变化和渗透压力的变化与大坝位移的幅度一致,大坝位移是用铅锤观测到的。从一月到三月水库部分弃水时产生最大渗透压力,六月到九月上游水位最高时产生最小渗透压力。在这种情况下,靠上游面沿坝底板测压管水位的变化会产生跳跃,这实质上是超过了上游变幅。渗透水压力的增加超过了计算值是逐渐出现的,多数坝段每年都会有这种情况。到1975年渗透水压力增加的坝段已有25个。非密实过程触及到大坝电站部分和少数非溢流坝段、以及少数溢流坝段。为了评价非密实现象,于1966-1973年安加拉勘测队在坝基完成了检查钻孔和水力试验孔。通过试验和观测可以断定,在辉绿岩接触区很多地方的裂隙都增加了,在某些地方,例如36坝段与1960-1963年的数据相比增加了两倍(1960-1963年岩石的吸水率变化在0.01-0.1和1升/分钟)。最大吸水率发生在靠近上游面,并向下游和深处减小。在超过2.5m的深处吸水率就没有变化了。用潜望镜在辉绿岩接触区对55个钻孔进行检查。有19个检查孔的接触区岩石呈整体性,15个检查孔的岩石有渗透水(有压水流)贯通裂缝,21个检查孔有干燥裂缝。

为了消除非密实现象,对坝基进行了第二次灌浆。1967-1968年对41、42和65号坝段地基完成了二次灌浆。接下来是按坝段顺序进行二次灌浆。灌浆结果很快使渗透压力降了下来。但这个效果只是暂时的。经过一段时间渗透压力又重新增大。二次灌浆效果的持续时间(从二次灌浆结束到开始超过渗透压力的设计值),有41个坝为5.5年,49号坝段为7个月。在第二个丰水年的1983-1989年期间,二次灌浆效果就完全消失了。

灌浆对坝基工作起到了一定有益作用,因为防止了渗流量(测压管出水量)增大的危险性。观测表明,灌浆之后测压管出水量的增加是慢慢的变化。但是,要完全靠灌浆解决接触区岩石的非密实现象是不可能的,因为灌浆并没有消除非密实的起因,非密实现象是由于在坝上游面下基岩接触区产生拉应力的结果。

为了改善接触区的工作条件,曾建议降低大坝底板的渗透压力,为此决定在第一排砼浇注块下进行坝基补充排水。1975年首先在NO.36和43两个坝段进行补充排水。这两个坝段的补充排水由三排和五排组成,深10m,距上游面11m。1988年在NO.40和41坝段完成了补充排水,排水距上游面6.7-6.9m。补充排水运用表明,对降低渗透压力是有效的。从现代认识范围看,岩基砼高坝采用排水还是主要的。

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。

作者:副博士ГинзбургС.М.

2003年1月14日水信息网  王升译自俄文《水工建设》

来源:中国电能质量
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