Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ натурных данных о поведении плотины 12
1.1. Краткая характеристика плотины Саяно-Шушенской ГЭС 12
1.2. Вертикальные перемещения 15
1.2.1. Перемещения в приконтактном сечении плотины в годовом цикле изменения нагрузок15
1.2.2. Влияние жесткости скального основания на вертикальные перемещения 21
1.3. Радиальные перемещения 28
1.4. Раскрытие межсекционных швов на низовой грани 34
1.5. Температурное поле плотины 39
1.5.1. Теоретическое решение задачи о квазистационарном температурном поле в полупространстве 39
1.5.2. Параметры внешней среды 42
1.5.3. Определение в плотине зон с различным температурным режимом 45
1.5.4. Температурное поле низовой грани плотины 48
1.6. Анализ показаний тензорозеток 56
1.7. Выводы по главе 1 60
Глава 2. Конечно-элементная модель и методика расчета напряженно- деформированного состояния сооружения 62
2.1. Краткие сведения о методе конечных элементов 62
2.2. Основные положения и допущения, принятые при разработке модели 67
2.3. Построение сети конечных элементов 72
2.4. Гидростатическая нагрузка 78
2.5. Учет в модели температурных воздействий 79
2.6. Вспомогательное программное обеспечение 87
2.7. Выводы по главе 2 89
Глава 3. Параметрическая идентификация расчетной модели по данным натурных наблюдений 90
3.1. Проведение параметрической идентификации 90
3.2. Тестирование модели 94
3.2.1. Ряд состояний плотины в течение 2004-2005 годов, использованных для тестирования 94
3.2.2. Сравнение расчетных и измеренных перемещений плотины 96
3.2.3. Сравнение расчетных и измеренных напряжений в теле плотины 97
3.3. Пути совершенствования модели 111
3.4. Выводы по главе 3 113
Глава 4. Примеры практического использования конечно-элементной модели 114
4.1. Разработка методики оценки последствий инъекционных работ 114
4.1.1. Моделирование заполнения трещин смолой 114
4.1.2. Анализ натурных данных, отражающих влияние ремонтных работ в теле плотины в 1996 году 116
4.1.3. Результаты расчетов 118
4.2. Расчет перемещений плотины при наполнении водохранилища в 2006 году 123
4.2.1. Характеристика периода наполнения водохранилища в 2006 году 123
4.2.2. Результаты расчетов 126
4.2.3. Прогнозирование поведения плотины осенью 2006 года 133
4.3. Выводы по главе 4 137
Заключение 139
Список использованной литературы 143
- Влияние жесткости скального основания на вертикальные перемещения
- Основные положения и допущения, принятые при разработке модели
- Ряд состояний плотины в течение 2004-2005 годов, использованных для тестирования
- Характеристика периода наполнения водохранилища в 2006 году
Введение к работе
Обеспечение безопасности эксплуатации гидротехнического сооружения (ГТС) регламентируется рядом документов[1,2], в первую очередь, Федеральным Законом "О безопасности гидротехнических сооружений". В системе мер обеспечения безопасности при эксплуатации, наряду с разработкой "Декларации безопасности...", основное место принадлежит мониторингу состояния ГТС. При его осуществлении для сооружений I класса обязательно использовать ряд диагностических средств, в частности, детерминистические модели работы сооружения [3].
Диагностика состояния арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС весьма сложна по ряду причин. Имеющая неординарные размеры, сложная в конструктивном отношении, с предельным для бетона уровнем напряжений, подверженная значительному влиянию температурного фактора, эта плотина имеет много особенностей в ее реакциях на внешние воздействия. В связи с недостаточным обжатием напорной і рани, ра щуплої-нением основания потребовалось проведение длительных ремонтных работ, что повлекло изменения в ее напряженно-деформированном состоянии (НДС). Для плотины было введено пониженное на 1 метр по сравнению с проектом значение нормального подпорного уровня (НПУ), который плотина способна воспринимать в небольшой по времени период, при достаточном повышении температуры бетона. Продолжается нарастание необратимых перемещений плотины, в результате чего ее перемещения на гребне вило тую приблизились к предельным. Поэтому требуется наращивание объема и качества наблюдений, а так же большого объема исследований Проведение анализа НДС такого объекта непременно требует построения и совершенствования модели, достоверно отражающей поведение сооружения.
Использование в этом качестве расчетных моделей, используемых при проведении проектировочных расчеюв, а в последствии, для поверочных расчетов напряженно-деформированного состояния гидротехнического сооружения затруднительно. Они предназначены, главным образом, для обоснования и подтверждения прочности и устойчивости сооружения, установления критериальных значений контрольных параметров.
При расчете НДС плотины Саяно-Шушенской ГЭС в период обоснования варианта конструкции использовались метод центральной консоли, неполный метод пробных нагрузок, на стадии технического проекта - полный метод пробных нагрузок и метод "арок-консолей" [4]. Эти методы в настоящее время не используются.
Более совершенные расчетные модели создавались на основе метода конечных элементов (разработки генерального проектировщика института "Ленгидропроект", ЦСГНЭО, ВНИИГ, НИС Гидропроекта). Уровень сложности конечно-элементных моделей менялся с течением времени, в соответствии с развитием вычислительной техники и программного обеспечения. Одна из первых в этом ряду - модель Фрадкина Б.В.([5], 1977г). Последние расчеты, проведенные под руководством Вульфовича Н.А.( 1994-1997гг. и позднее) и под руководством Бронштейна В.И.( 1998г.) [6,7], выполнялись уже с учетом данных натурных наблюдений и реальной последовательности возведения и нагружения плотины. С помощью этих моделей исследовались вопросы возникновения и развития зоны растяжения со стороны напорной грани плотины, влияния последовательности омоноличивания и нагружения плотины. Делались попытки расчетов с учетом температурного воздействия и оценка последствий проведенных ремонтных работ в теле плотины и в основании [8-14].
Существенным недостатком используемых при этом моделей является воспроизведения в одной модели как особенностей строительного периода сооружения, так и ею состояния в эксплуаыционныи период. Гак, гочносіь
моделирования длительного (порядка 10 лет), многоэтапного процесса возведения, омоноличивания, нагружения плотины СШГЭС не имеет достаточного подтверждения в виду отсутствия полных натурных данных Проводимое сравнение результатов расчета с данными наблюдений в эксплуатационный период, подтверждающее корректность модели, ведется не в полном объеме, ограничиваясь экстремальными значениями параметров состояния сооружения. Температурное воздействие при этом оценивается в своем максимальном проявлении, при изменении температурного поля в плотине от наиболее холодного (весна) до наиболее теплого (осень) ее состояния.
Этот подход был предопределен целью проектировочных и поверочных расчетов. Следует отметить характерные для этого периода такие объективные причины, как существенные количественные ограничения на степень детализации при построении конечно-элементной сети объекта, малая производительность средств вычислительной техники.
Для целей мониторинга преобладающими становятся такие качества модели как ее адекватность текущему состоянию сооружения, і очное і ь воспроизводимых в модели параметров состояния, сравнимая с точностью получаемых при наблюдениях натурных данных. Это позволит дополнить проводимый в настоящее время сравнительный анализ параметров текущего состояния плотины с показаниями предыдущих лет (при сходных внешних условиях) расчетным анализом. Расчет позволяет выяснить, соответствуют ли полученные при измерениях параметры состояния плотины складывающимся внешним условиям, или в сооружении возникли нежелательные изменения, нарушения. Своевременное обнаружение деструктивных процессов имеет определяющее значение.
Анализ отклонений, изменений в состоянии сооружения включает в себя поиск причин намечающихся проблем, и проведение на модели серии расчетов с учетом тех или иных изменений в схеме работы сооружения может дать такой ответ. Для этого должны быть отработаны методические приемы,
7 технологии расчета, необходимые для моделирования всех возможных изменений. К их числу можно отнести изменение температуры отдельных частей плотины, появление магистральных трещин, а так же тех изменений в свойствах и характере взаимодействия отдельных частей плотины, которые происходят при ремонтных работах. В этом проявляется решающее преимущество использования детерминистической расчетной модели перед альтернативными статистическими, в большинстве своем - регрессионными моделями [15,16].
Обеспечение необходимой точности расчетной модели возможно за счет следующего:
отображение в модели именно текущего состояния сооружения, без попыток охватить всю его историю;
проведение идентификации модели по максимальному количеству параметров (по данным разных видов и средств измерений), постоянное уточнение параметров модели по данным, соответствующим именно текущему периоду времени;
построение более густой сети конечных элементов, с отображением всех существенных особенностей его конструкции и вмещающего массива. Одновременно с этим необходимо сгущение сети в местах высоких температурных градиентов в теле плотины для корректного учета температурного фактора;
отработка методических вопросов расчета НДС сооружения с учетом всех возможных изменений в схеме работы сооружения. Имеются в виду изменения разной природы, как естественно развивающихся процессов, іак и процессов, имеющих техногенный характер.
Отсюда и вытекает основная цель диссертационной работы - построение конечно-элементной модели для расчета НДС плотины Саяно-Шушенской ГЭС и вмещающего массива, отработка применяемых при рас-
8 чете методических приемов. Уникальные параметры плотины СШГЭС, широкий диапазон изменения нагрузок в годовом цикле, приводящий к значительным, с высокой точностью фиксируемым перемещениям, насыщенность сооружения контрольно-измерительной аппаратурой и полноценный контроль ее состояния по всем видам наблюдений - все эти факторы в совокупности предопределяют возможность, а так же и научную ценность моделирования работы данного объекта.
В процессе работы были рассмотрены и решены следующие вопросы:
изучение объекта исследования, сбор документальных материалов по сооружению, изучение всего измерительного комплекса, методики измерений и обработки полученных данных;
анализ полученной в последнее десятилетие информации по перемещениям, напряжениям и другим показателям состояния плотины с целью выявления основных закономерностей и особенностей ее поведения в условиях ежегодного цикла изменения нагрузок и внешних условий;
исследование температурных полей, формирующихся в условиях эксплуатации, в плотине Саяно-Шушенской ГЭС. Так как это - один из важнейших факторов, определяющих состояние плотины, данное исследование проведено наиболее полно, и на его основе сформированы ряд предложений по модернизации системы измерения температурного поля в плотине и организации измерений температуры воды в водохранилище в ряде точек вблизи напорной грани;
изучение материалов, полученных при проведении предыдущих поверочных расчетов, изучение технологии расчета и применяемых конечно-элементных комплексов программ;
построение новой конечно-элементной сети - основы расчетной модели,
разработка программного обеспечения для автоматизации подготовки исходных данных для расчетов, управления свойствами модели и преобразования выходной информации для ускорения анализа полученных результатов;
проведение идентификации модели по данным натурных наблюдений, что позволило определить основные параметры модели и проверить используемые методические приемы;
тестирование модели для проверки ее соответствия данным натурных наблюдений, охватывающих полный годовой цикл "наполнения-сработки" водохранилища, и выработка на этой основе предложений по дальнейшему развитию модели и методики расчета.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:
установлены основные закономерности изменений вертикальных (на контакте с основанием) и плановых перемещений плотины в годовом цикле, а также других показателей состояния плотины. С учетом этих результатов приняты основные решения по построению модели, методике использования натурных данных;
исследованы поля температур в теле плотины, отмечены недостатки в размещении дистанционной измерительной аппаратуры, подготовлен проект дооснащения системы измерения температуры в сооружении;
разработана концепция конечно-элементной детерминистической модели как средства отображения в ней изменений напряженно-деформированного состояния плотины и вмещающего массива, происходящих в годовом цикле изменения нагрузок и воздействий на сооружение. Ввиду невозможное і и использования разработанных ранее конечно-элементных моделей для поставленных целей построена новая сеть конечных элементов. Важным качеством новой сети является ее строгое соответствие границам конструктивных эле-
10 ментов плотины, обеспечение возможности ее перес гроики и развишя для целей исследования местного НДС;
с целью отработки методики расчета решена задача об изменениях в НДС сооружения, произошедших при ремонтных работах в теле плотины в 1996 году (инъецирование разуплотненной зоны на отметках 350-359м со стороны напорной грани). Этот опыт был использован для предварительной оценки влияния инъекционных работ в береговых примыканиях.
внедрен в практику работы лаборатории гидротехнических сооружений (ЛГТС) расчетный анализ состояния плотины. Проведены расчеты НДС плотины в период наполнения водохранилища летом 2006 года для оперативной оценки ее состояния. Своевременно выявлена и определена величина дополнительных перемещений, отличающих состояние плотины в данный период от ее состояния в предыдущие годы. На основе полученных результатов был скорректирован режим эксплуатации Саяно-Шушенского гидроузла в целях повышения безопасности эксплуатации.
Апробация работы:
Основные положения и результаты работы представлены в виде докладов на 62-ой и 63-ой научно-технических конференциях Новосибирскої о і о-сударственного архитектурно-строительного университета (СИБСТРИН) (г. Новосибирск, 2005 г. 2006г.), а так же при проведении лекций на семинаре "Организация надзора за безопасностью ГТС" в 2004 - 2006 годах (на базе Саяно-Шушенского филиала КГТУ)
На тему диссертации опубликовано 4 статьи, выпущено 2 технических отчета, посвященных анализу натурных данных. Расчетные исследования и материалы по разработке модели отражены в виде отдельных глав в 5 ежегодных отчетах ЛГ ГС.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы (48 наименований).
В первой главе представлены результаты анализа натурных данных. Рассмотрены результаты измерений вертикальных и плановых перемещений плотины, измерений температуры в теле плотины, данные о напряжениях в бетоне, данные об изменениях состояния межсекционных швов по низовой грани плотины.
Вторая глава посвящена разработке конечноэлеменгной сети, описанию используемых методических приемов для расчета НДС, разработке вспомогательного программного обеспечения.
В третьей главе описаны расчеты, выполненные при идентификации модели, рассмотрены результаты тестирования модели на базе проведенных расчетов состояния плотины в течение годового цикла 2004 - 2005 гг., представлены предложения по дальнейшему совершенствованию модели.
В четвертой главе приведены примеры практического использования модели.
Диссертация содержит 148 страниц текста, 75 рисунков, 5 таблиц.
Работа была проведена с использованием данных натурных наблюдений, полученных в лаборатории ГТС "ОАО Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего", сотрудникам которой автор выражает благодарность за их труд и содействие.
Влияние жесткости скального основания на вертикальные перемещения
При снижении нагрузки происходит наклон плотины и приконтактного сечения в сторону верхнего бьефа, при этом точки, лежащие ближе к напорной грани, получают перемещения вниз, а точки, расположенные ближе к низовой грани, получают перемещения вверх. Размах перемещений можно оценить как разницу первых и вторых, так что эта величина составляет около 8-(-4)= 12мм.
Показано здесь же штриховой линией положение подобранной аппроксимирующей плоскости, точнее, ее след на вертикальной плоскости "ХОТ . рис. 1.8, б Величина перемещений за вычетом вертикальных перемещений соответствующих точек аппроксимирующей плоскости. Такие перемещения точек относительно аппроксимирующей плоскости, очевидно, при НПУ тождественно равны 0, а по мере сработки изменяются, так как точки начинают "выходить " из плоскости. Наблюдается не хаотический разброс данных, погрешность измерений, а явное различие: зона, координата X которой меньше 60 м, и зона, где X больше 60м, ведут себя неодинаково. Чтобы подчеркнуть это, точки каждого поперечного гидронивелира соединены сплошными линиями. рис. 1.8,6 Для того, чтобы более явно рассмотреть картину перемещений, представленных на предыдущем рисунке, здесь показаны те же дан 22 ные, но не в проекции на плоскость XOY, а в трехмерном виде, с небольшим смещением точки зрения. При этом просматриваются расположенные по дуге красные точки, которые относятся к продольному гидронивелиру, причем в верхней части рисунка располагаются точки в секциях 17, 18 и т.д., то есть его левая часть, а в нижней части - правая часть. Черные точки представляют перемещения марок поперечных гидронивелиров.
Трактовать полученную картину перемещений можно так, что в центре и на краях рассматриваемой русловой части плотины поперечные сечения имеют разный наклон, ключевое сечение плотины закручивается относительно береговых секций. Именно так традиционно представляются эти данные, в виде графика наклонов первого и второго столба плотины, с неравномерным распределением их по ширине плотины.
Но, следует обратить внимание на некоторую общность (см. рис. 1.8, б), которая проявляется в том, что наклоны линий, отражающие перемещения точек вдоль поперечных гидронивелиров, явно изменяются вблизи координаты Х=60м.
На последнем рисунке (см. рис. 1.8, в) проведена линия, отражающая положение оси поворота (вспомогательной аппроксимирующей плоскости), найденное для этого момента времени. Слева от нее приконтактное сечение в целом имеет наклон относительно аппроксимирующей плоскости больший, а справа - меньший. Строгого соответствия точек перелома линий перемещений и оси поворота ожидать нельзя, так как надо иметь в виду блочную структуру тела плотины. На основе данного наблюдения можно утверждать, что зона, где величина перемещений больше, совпадает с предполагаемой зоной разуплотнения, которое наблюдается на контакте плотины с основанием со стороны верховой грани Меньшие перемещения справа от оси поворота, ближе к низовой грани, отражают повышенное сопротивление основания, испытывающего наибольшее сжатие. Под третьим, четвертым столбами плотины при строительстве проводилась более мощная укрепительная цемента 24
Следовательно, разницу в наклоне средней части плотины и ее крайних частей можно отнести не столько к закручиванию, сколько к тому факту, что благодаря арочной форме плотины ее центральная часть (секции 25-40) в большей степени оказывается по одну сторону от оси поворота, а крайние секции (15-25 и 40-50) по другую.
Видно, что отклонения точек приконтактного сечения от плоскости при его повороте имеют выраженный характер, и могут быть связаны с жесткостью скального основания. Рассматриваемые отклонения от плоскости имеют величину, много меньшую по сравнению с перемещениями, обусловленными общим поворотом приконтактного сечения в цикле "наполнение - сработка".
Рассмотрение вертикальных перемещений было бы неполным, если бы не были проанализировано заметное несовершенство формы кривой, полученной по продольному гидронивелиру. При идеальном сохранении плоской формы приконтактного сечения кривая должна иметь форму эллипса, а она далека от правильной геометрической формы, что видно на рис. 1.5. Более того, до 2001 года кривая перемещений была еще более сложной, имелся излом на кривой в районе секции 35 (рис. 1.9).
Причиной неравномерных перемещений (неравномерных - в смысле имеющих отклонения от правильной, или хотя бы гладкой кривой) приходится признать неодинаковую жесткость скального массива под разными участками русловой части основания. Отмеченная аномалия в районе секции 35 показывает, что здесь имеется локальное зона с повышенной жесткостью скалы. Это не противоречит наблюдаемым (см. рис. 1.4) общим осадкам основания.
Основные положения и допущения, принятые при разработке модели
Назначение разрабатываемой модели - отражать изменения в НДС сооружения под воздействием тех нагрузок и температурных воздействий, которые складываются в ходе ежегодно повторяющегося цикла наполнения и сработки водохранилища - определило одно из главных положений. Принято рассматривать плотину совместно с основанием как монолитное, упругое тело. Из анализа перемещений плотины на контакте с основанием (глава 1) получено, что в обычных условиях эксплуатации значительного взаимного смещения на границах блоков бетонирования нет, поэтому допустимо не учитывать этот эффект, приводящий к неравномерной загрузке столбов.
Применение методов, характерных для механики сплошной среды, по отношению к скальным породам и бетонным сооружениям, которые имеют трещиноватое (блочное) строение, в настоящей работе складывалось под влиянием работ Газиева Э.Г., Ухова СБ., Карпенко Н.И., Трепезникова Л.П. [33-36].
Как известно, бетон - сложная искусственная структура, для которой присущи дефекты в матрице и на границе зерен заполнителя, крупные поры и капилляры, пустоты под зернами крупного заполнителя и некоторые другие Возникающая при этом неоднородность свойств бетона как материала значима при рассмотрении объемов, сравнимых с размерами заполнителя (0,1м), и при крупных размерах бетонных блоков (с габаритными размерами от Зм до 30м) массивного гидротехнического сооружения бетон принимается как сплошная однородная среда.
Возможна неоднородность свойств бетона, присущих каждому блоку бетонирования в силу возможных отклонений в составе бетонной смеси и обстоятельств формирования каждого блока. Оценивая количество таких блоков в плотине СШГЭС как очень большое (порядка 104 штук), применимо осреднение их свойств. К тому же, надо учесть то, что механические, жестко 68 стные свойства бетона каждого блока при их совместной работе в составе всего сооружения в значительной степени зависят от состояния, степени сплошности межярусных, межсекционных, межстолбчатых швов. Наличие несплошностей по этим швам и обусловило использование при расчетах НДС бетонных плотин конструкционного модуля упругости бетона, величины, меньшей той, которая получается при испытаниях образцов бетона, выбуренных из бетонных массивов. Именно поэтому назначение этой величины для того или другого сооружения невозможно, и она определяется путем параметрической идентификации расчетной модели при сравнении состояний объекта в модели и в действительности.
Аналогично, учитывая оценки пород основания как весьма прочные и однородные (например, [33]), вмещающий массив принято рассматривать как однородный, без традиционного зонирования по вертикали.
На данном этапе, при калибровке модели получены конструкционный модуль бетона плотины, весьма близкий к иоказаіелям образцов, и равный 35000-38000 МПа. Так же определен модуль пород основания, равный 28000 МПа. Такие высокие показатели упругих свойств свидетельствуют о высокой сплошности, о значительном эффекте омоноличивания бетона и укрепительной цементации скального основания. По-видимому, немаловажно и то, что благодаря арочной форме плогины большая часть объема плотины находится (и остается в течение всего ежегодного цикла) в условиях одно-, а чаще трехосного сжатия высокого уровня.
Особо следует рассмотреть швы и трещины, определяющие НДС плотины в местах с недостаточным обжатием, так называемые зоны "разуплоі-нения". Здесь, где НДС характеризуется возможным переходом через границу "сжатие-растяжение", из-за,низкой прочности бетона (в первую очередь, швов) на растяжение и наличия трещин необходимо рассматривать нелинейную задачу с переменными границами (на контакте областей, разделенных швами и трещинами). В плотине СШГЭС таких зон выделено две. Одна рас 69 положена в первом столбе, вблизи напорной грани на отметках 350-359 метров. Вторая охватывает часть основания, массив скальных пород под первым и частично под вторым столбом плотины. В этих зонах зафиксирована сеть трещин. Компактное расположение ряда таких трещин, их преимущественная ориентация в горизонтальном направлении (перпендикулярно консольным растягивающим напряжениям) давало возможность моделирования этого явления как единой, магистральной трещины, с размерами в плане в десятки и сотни метров [6,10-12].
В данной модели применяется следующий подход. Для трещин в бетоне (отметка 350-359м) выявлено, что здесь благодаря полученному при ремонте дополнительному обжатию в послеремонтный период сохраняется монолитность плотины. Поэтому, учитывая назначение модели как средства отображения состояния плотины под нагрузками, обычными для годового цикла изменения нагрузок, материал в этой зоне рассматривается так же монолитным. Для той части основания, которая относится к зоне разуплотнения, учитывая ее повышенную податливость при ежегодных перемещениях плотины, применяется прием отображения этой податливости в модели путем снижения модуля упругости в конечных элементах (рис.2.2).
Пониженный модуль упругости материала в этой части основания определен по результатам идентификации модели и равен 4000 МПа, что есть в 7 раз меньшая величина по сравнению с модулем упругости окружающих пород. В этом находит отражение не только собственно "жесткостные свойства" массива, рассеченного сетью трещин, но так же и силовое воздействие фильтрационного потока. Эти явления - разуплотнение и фильтрация, обуславливающая противодавление на подошву плотины, взаимообусловлены и не могут быть раздельно идентифицированы по имеющимся натурным данным.
Ряд состояний плотины в течение 2004-2005 годов, использованных для тестирования
Как пример, на рис. 2.10. показана серия зависимостей Т(х), соответствующих одному из проведенных расчетов. В соответствии с этими графиками для каждой зоны задаются значения температур в узлах сети КЭ, которые расположены вблизи поверхностей низовой и верховой граней на строго фиксированном расстоянии от нее: 0 метров, Іметр, 4 метра и 10 метров.
После задания таких значений распределение температуры в пространстве модели приобретает кусочно-линейный вид (рис.2.11), поскольку в пределах конечного элемента первого порядка изменения температуры может быть задано в виде линейной функции (как и перемещения). Ясно, что для наилучшего воспроизведения заданной кривой Т(х) значения Т в узлах не может быть взято непосредственно с этой кривой, а должно подобрано так, чтобы обеспечить наибольшее приближение ломаной линии к исходной гладкой кривой. мость в виде Т(х,у), где х - расстояние от поверхности, у - отметка, или расстояние в вертикальном направлении. Обработке подвергаются все датчики температуры, образующие створы в контрольных секциях на отметках 535м, 505м, 462м и 435м. Условность такого обобщения в масштабе всего сооружения, при больших различиях в конструктивном исполнении секций с водоприемниками и без них - очевидна. В последующем, при более полной информации о температуре бетона, которая может быть получена при условии модернизации системы измерения, данную методику необходимо уточнить.
На рис. 2.13 показан вид сети КЭ, на котором помечены узлы, в которых задана температура. Таких узлов насчитывается порядка 8000. При подготовке исходных данных о значениях температуры в узлах для расчета используется разработанная автором программа, входящей в набор средств автоматизации работы с моделью. никающие от температурного расширения или сжатия дополнительные усилия (напряжения) определяются не только собственно температурой бетона и коэффициентом температурного линейного расширения, но в значительной степени - блочной структурой тела плотины, вернее, условиями контакта на межблочных швах.
Традиционно полагалось, что состояние швов - сомкнутое или разомкнутое - однозначно определяет возможность передачи усилий по линии контакта между блоками. Введена как параметр их состояния "іемпераіура замыкания", которая предполагает их раскрытие при температуре бетона менее этой величины, и их смыкание при температуре, превышающей ее. Именно эту температуру требовалось обеспечивать технологическими нормами [38] в момент проведения цементационных работ по омоноличиванию.
Изучение материалов [39-42] дает основания заключить, что как параметр "температура замыкания" определен нечетко, что температурное состояние бетонных блоков при проведении цементации могло быть разным, требование чтобы среднеобъемная температура была ниже +7 градусов допускало, что часть блоков бетона при этом имели температуры ниже нуля, то есть имели промороженные зоны. Все это предопределило существенный разброс свойств швов, параметров их работы при передаче усилий от блока к блоку.
По имеющимся натурным данным, полученным при эксплуатации, можно установить, что динамика изменения раскрытия на межсекционных швах имеет сложный характер. Так, при анализе показаний щелемеров найдена достаточно устойчивая корреляционная зависимость величины раскрытия и значения температуры бетона в месте установки щелемеров. На рисунке 2.14 показаны такие зависимости, характеризующие состояние швов в секциях 14, 34 и 60, на отметках 504-511м. Данные о температуре для этих графиков взяты по показаниям датчиков температуры, усыновленных в ближайших секциях (10, 33, 55), на такой же глубине (0,7-0,8м) На этих графиках видны две фазы - закрытое и открытое состояние шва. Во-первых, надо отметить разное поведение швов в разных частях плотины, и это не случайность (см.гл.1.4). В левой части плотины закрытие швов наступает при более низкой температуре, чем в правой. В секции 60 закрытие шва наступает только при максимальной температуре бетона, на непродолжительное время. Во-вторых - неоднозначное соответствие величины раскрытия и температуры: в весенний период раскрытие при соответствующих температурах больше, чем в осенний. В этом проявляется сезонность данного процесса, при разогреве и при остывании плотины поведение шва отличаеі-ся. Логично предположить, что аналогичным образом происходят изменения в состоянии межъярусных (горизонтальных) швов, но глубина и величина раскрытия этих швов имеют меньшие величины, так как шаг межъярусных швов примерно в 5 раз меньше, чем межсекционных.
Данные примеры показывают, что состояние швов не может быть однозначно определено одним параметром. Вероятно, и глубина, на которую открывается шов, изменяется неодинаково в процессе его раскрытия, осенью, и при его закрытии, весной. Таким образом, сочетание изменения общего напряженного состояния плотины, связанного с режимом эксплуатации водохранилища (то есть с уровнем ВБ), с изменением температурного поля бетона - сложная по своей постановке задача по определению взаимодействия бетонных блоков на контакте, в которой так же имеет значение неоднородность свойств (начального состояния) этих швов. Все это предполагает построение и идентификацию некоторой специальной модели работы швов в плотине Саяно-Шушенской ГЭС. Но решение этой задачи, как и ряда других, которые относятся в оценке работы отдельных конструктивных элементов, так называемых задач по исследованию местного НДС, возможно в дальнейшем, по мере развития модели.
Характеристика периода наполнения водохранилища в 2006 году
Как упоминалось выше, в плотине и в основании Саяно-Шушенской ГЭС проводились ремонтные работы, которые были направлены на восстановление водонепроницаемости напорного фроніа, и проводились пуіем инъецирования в разуплотненную зону бетона или скального основания вязких полимерных смол. Это привело к изменениям в НДС сооружения, и методика расчетного моделирования таких воздействий необходима при дальнейшей эксплуатации сооружения.
Методика строится на предположении, что заполнение трещин в теле плотины смолой под большим давлением вызывает дополнительное смещение берегов трещин вверх и вниз от плоскости расположения трещины. Соответственно, эти смещения воздействуют на окружающий массив бетона, вызывая изменения в НДС плотины. Методика строится на анализе информации, представленной в отчетах о проведении инъекций в теле плотины в 1996 году.
В имеющейся расчетной модели нет специального разбиения зоны расположения трещины на КЭ, которое бы позволили имитировать в модели саму трещину. Тем более, под трещиной понимается сеть мелких трещин, расположенная в зоне разуплотнения. Силовое воздействие инъсктир емого материала на берега предполагаемой трещины в модели реализуется при помощи сил, приложенных в узлах КЭ сети, направленных в противоположные стороны (рис.4.1.). Величина сил была подобрана таким образом, чтобы эти точки - узлы конечных элементов получили желаемое взаимное смещение. Тогда собственно зона между точками приложения сил будет иметь условное напряженно-деформированное состояние, с искусственной деформацией растяжения, которой в действительности нет. В остальной части модели такое нагружение должно создавать НДС, соответствующее реальному.
На рис.4.2. приведен результат силового воздействия по предлагаемой методике. На рис.4.2.а, показано распределение вертикальной составляющей напряжений, Sy, красным цветом показана зона искусственного растяжения. Выше и ниже ее - зоны сжатия, имеющие синий цвет. На рис.4.2Д показана картина перемещений узлов конечноэлементной сети. Коричневым цветом выделены конечные элементы, искусственно растянутые при помощи приложенной к узлам самоуравновешенной системы сил. расходе 110 емкостей объемом 28л смолы общий объем заинъектированного материала на одну секцию составляет 28л х 110 = 3080л = 3,08м3
Площадь трещины, заполненной смолой, определяется размерами секции (15,8м по напорной грани) и шириной полосы от галереи до напорной грани. Эта ширина составляет максимум 15м, так как на отметке 359м галерея отстоит от оси сооружения (дуги радиусом 600м) на расстоянии 18,3м, минус подрезка столба. Таким образом, эта площадь равна 15,8x15 = 237м2.
При делении объёма смолы на площадь трещины в плане получено 0,013м или 13мм. Если вычесть четвертую часть на потери в скважинах, выход в дренаж и прочее, в среднем толщина слоя смолы должна составлять 10мм. Этот результат подтверждается в [21] - "по результатам осмотра выбуренных кернов из заинъецированной зоны толщина слоя внедренного материала составляла от 1 до 8мм". Следовательно, при наличии ряда мелких трещин их заполнение могло иметь суммарную мощность 10мм. Это - средняя оценка по 26-ти секциям, в каждой имелся свой объем инъецированного материала, своеобразная конфигурация сети трещин и т.д.
Таким образом, при расчете дополнительного влияния на НДС сооружения, которое возникает после инъекционных работ, величина "раскрытия" трещины должна быть разной. При уровне ВБ, близком НПУ, заполнение смолой разуплотненной зоны в теле плотины вызвало относительное смещение массива бетона выше и ниже линии расположения трещины на величину порядка 1 мм, а при последующем снижении УВБ до УМО это относительное смещение массивов бетона составляет величину порядка 10мм.
Похожие диссертации на Изменения напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС в условиях эксплуатации и оценка их методом конечных элементов
