Введение к работе
Актуальность темы исследования. В соответствии с Законом РФ «О безопасности гидротехнических сооружений» №117-ФЗ от 21 июня 1997 г. требуется обеспечение требуемого уровня безопасности железобетонных сооружений на стадиях строительства и эксплуатации. Вместе с тем имеются случаи отклонения от проектного поведения, в том числе неравномерные осадки.
В некоторых случаях осадки железобетонных сооружений гидроузлов превышают расчетные значения и возникают неравномерные осадки. Как правило, неравномерные осадки возникают в сооружениях, имеющих в основании мягкие грунты. При возникновении неравномерных осадок, как правило, нарушается положение вертикальных осей установленного в гидросооружении оборудования, которое вследствие этого теряет работоспособность.
С учетом вышесказанного возникает необходимость восстановления железобетонных сооружений гидроузлов, подвергшихся неравномерным осадкам, которое имеет цель возвращения эксплуатационных свойств как его конструктивных элементов, так и оборудования, размещенного в нем.
Восстановление гидротехнического сооружения заключается в возвращении его планово-высотного положения в исходное (которое, может быть выполнено с помощью его выравнивания), а также в возвращении эксплуатационных свойств его конструктивных элементов, которое целесообразно выполнить с помощью систем внешнего армирования.
Исходя из этого, данная проблема является актуальной, и ее решение представляет как научный, так и практический интерес.
Степень разработанности темы исследования. К настоящему моменту восстановление железобетонных сооружений гидроузлов, подвергшихся неравномерным осадкам, выполнялось либо методом демонтажа их конструктивных элементов, либо, в отдельных случаях, методом выравнивания сооружений.
Демонтаж конструктивных элементов железобетонных сооружений гидроузлов приводит к существенному перерасходу средств на возведение ГТС в связи с затратами на разборку сооружения или его части, а также оборудования, размещенного в нем; и последующего повторного возведения сооружения и монтажа оборудования. При этом, как правило, требуется выполнение мероприятий по усилению основания сооружения или изменению конструктивной схемы его фундамента.
Выравнивание гидротехнических сооружений выполнялось весьма редко. Эти работы выполнялись методом компенсационного нагнетания. При этом, в связи с несовершенством расчетного обоснования, отсутствовал расчетный механизм определения технологии управляемого выравнивания.
Упрощенный подход к определению параметров выравнивания был связан с отсутствием опыта численного моделирования работ по выравниванию с учетом концепции упрочняющегося грунта, а также с отсутствием нормативных требований к определению специальных характеристик нескальных грунтов, необходимых для реализации расчетных моделей.
Следует отметить, что известна практика выравнивания сооружений промышленно-гражданского назначения, при этом для ГТС такой опыт практически отсутствует.
На основании указанных работ появилась возможность разработки концепции подъема железобетонных сооружений гидроузлов с применением метода управляемого компенсационного нагнетания.
Помимо восстановления планово-высотного положения железобетонных сооружений необходимо обеспечение восстановления состояния его конструктивных элементов в рамках эксплуатационных требований, так как при возникновении неравномерных осадок происходит частичное или полное нарушение их работы.
Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка и обоснование метода выравнивания гидротехнических сооружений, подвергшихся неравномерным осадкам (включая оценку состояния после неравномерной осадки, стабилизацию положения сооружения, выравнивание сооружения и усиление его железобетонных конструкций) (на примере здания Загорской ГАЭС-2).
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи:
- анализ отечественной и зарубежной практики выравнивания положения сооружений
(в том числе гидросооружений) методом компенсационного нагнетания;
- анализ отечественной и зарубежной практики усиления железобетонных
конструкций внешним армированием на основе композиционных материалов;
- проведение экспериментальных работ по определению фактических значений
напряжений в железобетонных конструкциях здания Загорской ГАЭС-2 методом «разгрузки
арматуры»;
- анализ данных комплексных исследований состояния здания Загорской ГАЭС-2,
подвергшегося неравномерным осадкам, в т. ч. численных исследований на основе
пространственной конечно-элементной модели для определения фактического состояния
после неравномерной осадки, для периода стабилизации его положения и для периода его
выравнивания;
разработка и экспериментальное обоснование метода стабилизации положения железобетонных гидротехнических сооружений после их неравномерной осадки;
разработка технических решений и рекомендаций по стабилизации положения здания Загорской ГАЭС-2;
проведение крупномасштабных экспериментальных исследований по определению фактического состояния системы «основание-железобетонное сооружение» при выполнении работ по подъему сооружения методом компенсационного нагнетания;
-разработка и обоснование метода выравнивания гидротехнических сооружений, подвергшихся неравномерным осадкам, на основе компенсационного нагнетания;
разработка технических решений по выравниванию положения здания Загорской ГАЭС-2 после его неравномерной осадки;
- разработка и обоснование технических решений по усилению железобетонных
конструкций здания Загорской ГАЭС-2 внешним армированием на основе углеродного
волокна;
Научная новизна диссертации
Научная новизна исследования состоит в получении следующих результатов:
- результатов анализа данных натурных наблюдений за состоянием железобетонного
здания Загорской ГАЭС-2;
- результатов анализа данных натурных исследований состояния железобетонного
здания Загорской ГАЭС-2, в том числе результатов экспериментальных работ по
определению фактических значений напряжений в железобетонных конструкциях здания
Загорской ГАЭС-2 методом «разгрузки арматуры»;
- разработанной методики стабилизации положения железобетонного
гидротехнического сооружения после неравномерной осадки;
- разработанных технических решений по стабилизации положения здания Загорской
ГАЭС-2 после его неравномерной осадки;
- результатов экспериментальных исследований стабилизации положения
железобетонного здания Загорской ГАЭС-2 после неравномерной осадки на основе
крупномасштабной модели на опытном участке;
- разработанных технических решений по выравниванию положения здания Загорской
ГАЭС-2 после его неравномерной осадки;
- результатов крупномасштабных экспериментальных исследований на опытном
участке по определению фактических условий системы «основание-железобетонное
сооружение» при выполнении работ по подъему сооружения на значительные величины
методом компенсационного нагнетания;
- результатов расчетного определения параметров управляемого компенсационного
нагнетания при выравнивании железобетонного здания Загорской ГАЭС-2;
разработанной пространственной конечно-элементной модели здания Загорской ГАЭС-2 совместно с основанием;
результатов расчетных исследований напряженно-деформированного состояния здания Загорской ГАЭС-2 на основе пространственной конечно-элементной модели для определения фактического состояния после неравномерной осадки, для периода стабилизации его положения и для периода его выравнивания;
разработанных технических решений по усилению железобетонных конструкций здания Загорской ГАЭС-2, подвергшегося неравномерным осадкам, внешним армированием на основе углеродного волокна;
- разработанного и обоснованного метода выравнивания гидротехнических
сооружений, подвергшихся неравномерным осадкам.
Методология и методы исследования. Исследования напряженно-
деформированного состояния конструктивных элементов гидротехнических сооружений (в
том числе, усиленных системами внешнего армирования), выполнялись численными
методами на основе конечно-элементных моделей, а также в ходе специализированных
экспериментальных работ по определению фактических значений напряженно-
деформированного состояния железобетонных конструкций ГТС методом «разгрузки
арматуры». Выполнялось сопоставление результатов, полученных на основе аналитических
и численных расчетов с фактическими результатами, полученными в ходе
экспериментальных работ.
Исследования напряженно-деформированного состояния оснований
гидротехнических сооружений, а также исследования изменения их пространственного
положения за счет управляемого компенсационного нагнетания выполнялись как численными методами на основе конечно-элементных моделей, так и в ходе специализированных экспериментальных работ по фактическим условиям системы «основание-бетонное сооружение» при выполнении работ по подъему модели сооружения на значительные величины. Выполнялось сопоставление результатов, полученных на основе аналитических и численных расчетов с фактическими результатами, полученными в ходе экспериментальных работ.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований; в руководстве и непосредственном участии в проведении научных как теоретических, так и экспериментальных исследований и анализе полученных результатов при решении поставленных задач; в формулировании выводов и рекомендаций по диссертации.
Теоретическая и практическая значимость работы. Диссертационная работа содержит большой экспериментальный материал, который представляет значительную теоретическую и практическую ценность.
Результаты исследований позволяют определять фактические условия выполнения работ по восстановлению гидротехнических железобетонных сооружений, подвергшихся неравномерным осадкам с учетом как восстановления их пространственного положения, так и восстановления несущей способности их конструктивных элементов.
Разработанные практические рекомендации по восстановлению безопасной эксплуатации железобетонных конструкций гидротехнических сооружений, подвергшихся неравномерным осадкам, позволяют разработать технические решения по стабилизации положения сооружений; по последующему их выравниванию на основе метода компенсационного нагнетания; по восстановлению безопасной эксплуатации.
Усовершенствованная методика численного моделирования железобетонных
гидротехнических сооружений на основе пространственных конечно-элементных моделей
позволяет определять фактическое напряженно-деформированное состояние
железобетонных ГТС при их неравномерной осадке; в период стабилизации их положения; в период их выравнивания путем компенсационного нагнетания.
Полученные результаты свидетельствуют об эффективности использования метода управляемого компенсационного нагнетания в качестве инструмента управления положением крупноразмерных гидротехнических сооружений на основании, сложенном мягкими грунтами.
Результаты исследований рекомендуется использовать для оценки надежности ГТС,
располагаемых на мягких грунтах, а также усовершенствования методик выравнивания,
используемых в гидротехническом и промышленно-гражданском строительстве.
Применение систем внешнего армирования может служить современной альтернативой применения традиционных подходов к усилению железобетонных конструкций, что способствует повышению результативности восстановления гидротехнических сооружений, подвергшихся неравномерным осадкам.
Положения, выносимые на защиту:
- результаты анализа данных натурных наблюдений за состоянием железобетонного здания Загорской ГАЭС-2;
- результаты анализа данных натурных исследований состояния железобетонного
здания Загорской ГАЭС-2, в том числе, результаты экспериментальных работ по
определению фактических значений напряжений в железобетонных конструкциях здания
Загорской ГАЭС-2 методом «разгрузки арматуры»;
- разработанная методика стабилизации положения железобетонного
гидротехнического сооружения после неравномерной осадки;
- разработанные технические решения по стабилизации положения здания Загорской
ГАЭС-2 после его неравномерной осадки;
- результаты экспериментальных исследований стабилизации положения
железобетонного здания Загорской ГАЭС-2 после неравномерной осадки на основе
крупномасштабной модели;
- разработанные технические решения по выравниванию положения здания Загорской
ГАЭС-2 после его неравномерной осадки;
результаты крупномасштабных экспериментальных исследований по определению фактических условий системы «основание-железобетонное сооружение» при выполнении работ по подъему сооружения на значительные величины методом компенсационного нагнетания;
результаты расчетного определения параметров управляемого компенсационного нагнетания при выравнивании железобетонного здания Загорской ГАЭС-2;
- анализ результатов расчетных исследований напряженно-деформированного
состояния здания Загорской ГАЭС-2 на основе пространственной конечно-элементной
модели для периода стабилизации его положения и для периода его выравнивания;
- разработанный и обоснованный метод выравнивания гидротехнических сооружений,
подвергшихся неравномерным осадкам;
- разработанные технические решения по усилению железобетонных конструкций
здания Загорской ГАЭС-2, подвергшегося неравномерным осадкам, внешним армированием
на основе углеродного волокна.
Степень достоверности и апробация результатов исследований
Результаты исследований основаны на экспериментальных данных, полученных путем применения методик, разработанных для проведения естественных исследований.
Достоверность основных положений и выводов работы подтверждается применением проверенных вычислительных программных комплексов; применением проверенных методик экспериментальных исследований при моделировании стабилизации положения сооружения и его выравнивания; сопоставлением результатов численных исследований и экспериментальных исследований; сопоставлением результатов расчетов с натурными данными.
Апробация работы.
Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (Санкт-Петербург, октябрь 2015 г., ноябрь 2017 г.), на Всероссийском научно-практическом семинаре «Современные проблемы гидравлики и гидротехнического строительства», посвященном 105-летию со дня рождения профессора, д.т.н. С.М.Слисского
(Москва, 16-17 мая 2018 г.), на заседаниях научно-технических советов ПАО «РусГидро» и Минэнерго РФ.
Результаты исследований были практически использованы при разработке проекта восстановления Загорской ГАЭС-2 в части разработки технических решений по стабилизации и выравниванию, в части назначения параметров систем внешнего армирования как на период выравнивания, так и на эксплуатационный период существования элементов напорного фронта, а также параметров управляемого компенсационного нагнетания при выравнивании здания ГАЭС.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии (146 наименований, 36 на иностранных языках) и содержит 172 страницы, 105 рисунков и 15 таблиц.
По теме диссертационного исследования опубликовано 11 статей, в том числе 8 статей в журналах, входящих в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук» ВАК Минобрнауки РФ.