Введение к работе
Актуальность проблемы. Направление натурных наблюдений за состоянием высоких бетонных плотин представляет собой перспективный раздел современной гидротехнической науки, который неразрывно связан с комплексной проблемой надежности и безопасности гидротехнических сооружений. Эта тема является одной из самых популярных на российских и международных совещаниях гидротехников. Важность данного направления подчеркивается в Федеральном законе "О безопасности гидротехнических сооружений" от 21 июля 1997 г.
Для вынесения обоснованного заключения о степени надежности и безопасности состояния плотины, как правило, необходимо иметь в распоряжении многочисленные данные натурных наблюдений и владеть эффективными методами их анализа. Предложенные в диссертации алгоритмы являются актуальными, поскольку их применение позволяет увеличить объем анализируемых данных и расширяет набор приемов, используемых при статистической обработке данных.
Целями исследования являются:
-
Учет сезонных ежегодных и иных изменений схемы работы бетонной плотины и ее основания, и, кроме того, откликов контролируемых показателей (КП) напряженно-деформированного состояния плотины на воздействие температурного фактора и гидростатического напора. Выделение неупругих составляющих КП для анализа протекающих в плотине необратимых процессов.
-
Разработка оптимального алгоритма вычисления приращений напряжений в массивном бетоне на основе измеренных приращений относительных деформаций, при отсутствии истории деформирования до некоторого момента. Теоретическое изучение структуры погрешности, возникающей из-за неучета истории деформирования, и проверка полученных результатов при помощи численного эксперимента.
-
Определение перемещений контролируемых точек на стенах шахт прямого и обратного отвесов по всем трем пространственным направлениям относительно якоря обратного отвеса. В качестве исходных данных используются измеренные стационарными координатомерами перемещения марок, которые следует закрепить на нитях отвесов, относительно контролируемых точек на стенах шахт отвесов.
Научная новизна. В работе впервые рассмотрены следующие методы и алгоритмы:
1. Способ стыковки на границах соседних подобластей составляющих КП, обусловленных гидростатическим напором и температурным воз-
действием и вычисленных при помощи эмпирических зависимостей, параметры которых оцениваются в пределах отдельных подобластей.
-
Построение эмпирических зависимостей КП от нагрузок и воздействий в подобластях одинакового размера с перекрывающимися границами — алгоритм скользящих выборок.
-
Учет сезонных изменений в схеме работы плотины при помощи функций сезонной коррекции, которые характеризуют изменение величины отклика КП на воздействие температуры и гидростатической нагрузки в зависимости от времени года.
-
Оптимальный алгоритм вычисления приращений напряжений в массивном бетоне с учетом ползучести на основе измеренных приращений относительных деформаций, при отсутствии истории деформирования до некоторого момента.
-
Алгоритм определения всех трех пространственных составляющих относительных перемещений контролируемых точек на стенах шахт прямого и обратного отвесов на основе измеренных датчиками локальных координат марок, которые предлагается закрепить на нитях прямого и обратного отвесов.
Практическая ценность. Применение новых методов — способа стыковки составляющих, алгоритма скользящих выборок, функций сезонной коррекции — позволило учесть сезонные и долговременные изменения схемы работы плотины, вызванные раскрытием швов и трещин, перепадами противодавления, техногенными воздействиями и т.д. Был существенно пополнен набор эмпирических зависимостей, применяемых для анализа натурных данных. Предложены новые способы выделения неупругих составляющих КП. В данном случае применение разнообразных методов требуется в связи с тем, что объем исходной информации часто оказывается недостаточным для корректной постановки задачи установления вида зависимости КП от нагрузок и воздействий. А при нестрогой постановке задачи обычно рекомендуется получить решение различными способами и отбросить плохо согласующиеся между собой результаты.
При использовании предложенного алгоритма вычисления приращений напряжений погрешность их определения принимает минимальное значение. Для различных зон плотины Саяно-Шушенской ГЭС ее оценка не превысила 0,5—0,6 МПа. Такая величина погрешности допустима при проведении инженерных расчетов. Учитывая этот факт, предлагается вычислять приращения напряжений в тех точках плотины, где начальные участки рядов измеренных деформаций отсутствуют, а, следовательно, значения истинных напряжений не могут быть найдены. В настоящее время на 4
эксплуатируемых плотинах имеется большое количество областей, в которых измерение относительных деформаций бетона начато спустя годы после его твердения.
Применение предложенного алгоритма определения относительных перемещений позволит контролировать изменение их составляющих по всем трем пространственным направлениям. Ранее подобная задача была поставлена и решена только для двух горизонтальных составляющих относительных перемещений контролируемых точек.
Практическая реализация работы. Работа выполнена в лаборатории натурных исследований ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. Предложенные разновидности статистического метода обеспечили контроль состояния бетонных плотин и обработку данных наблюдений на следующих объектах: арочной плотине Чиркейской ГЭС (договор № 524-6877/НТУ "Обработка и анализ данных натурных наблюдений эксплуатационного контроля гидротехнических сооружений Чиркейского гидроузла за 1993-1997 гг."); на арочно-гравитационной плотине Саяно-Шушенской ГЭС (договор № 13-6828 "Разработка статистической модели поведения плотины Саяно-Шушенской ГЭС по данным натурных наблюдений"); на бетонной гравитационной плотине с расширенными швами Братской ГЭС (договор № 506-115/НТУ "Определение предельно допустимых значений контролируемых параметров для плотин Братской ГЭС"); на бетонной гравитационной плотине Токтогульской ГЭС (договор № 14-6842/НТУ "Заключение о состоянии гидротехнических сооружений Токтогульской ГЭС по данным натурных наблюдений 1991-1996 гг."); на бетонной гравитационной плотине Бух-тарминской ГЭС (договор № С-15/99-57/ВН-226/ НТУ "Оценка ресурсов надежности Бухтарминской плотины по данным натурных наблюдений и математического моделирования работы гидротехнических сооружений").
Предложенный способ вычисления приращений напряжений с учетом ползучести на основе измеренных приращений относительных деформаций, при отсутствии истории деформирования до некоторого момента, был применен для оценки приращений напряжений во многих областях плотины Саяно-Шушенской ГЭС и позволил уточнить их напряженно-деформированное состояние.
Разработанный метод контроля всех трех пространственных составляющих относительных перемещений может рассматриваться как теоретическое предложение.
Обсуждение работы. Материалы работы были доложены на трех научно-техническігх конференциях "Фундаментальные исследования в технических университетах" в Санкт-Петербургском государственном техничес-
ком университете в 1997—1999 гг., а также на заседаниях Ученого Совета ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева.
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (67 наименований) и приложений; содержит 120 страниц текста, 41 рисунок, 7 таблиц.
