Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика натурных исследований бетонной плотины богучанской ГЭС 8
1.1. Методы и средства натурных исследований напряженно-деформированного состояния плотины Богучанской ГЭС 8
1.2. Натурные исследования свободных деформаций бетона в блоках плотин 18
Выводы к главе 1 25
Глава 2. Натурные исследования свободных деформаций бетона в блоках плотины богучанской ГЭС 26
2.1. Анализ свободных температурных деформаций бетона 26
2.2. Анализ структурных изменений бетона 42
Выводы к главе 2 53
Глава 3. Напряженно-деформированное состояние плотины богучанской ГЭС 55
3.1. Температурное раскрытие швов и трещин 55
3.2. Термоиапряженное состояние блоков 89
3.3. Влияние немонолитности профиля плотины на ее напряженно-деформированное состояние 95
Выводы к главе 3 101
Глава 4. Состояние контролируемых секций плотины богучанской ГЭС по данным натурных наблюдений 103
Выводы к главе 4 112
Заключение 113
Список литературы 117
- Методы и средства натурных исследований напряженно-деформированного состояния плотины Богучанской ГЭС
- Натурные исследования свободных деформаций бетона в блоках плотин
- Анализ структурных изменений бетона
- Термоиапряженное состояние блоков
Введение к работе
Особенностью бетонной плотины Богучанского гидроузла, на примере которой выполнена работа, является незавершенное строительство и, как следствие, длительное непроектное состояние. Богучанская ГЭС - четвертая в каскаде ГЭС на р. Ангаре. Строится с 1976 года в местности с суровым резкоконтинентальным климатом со среднегодовой температурой воздуха -3,2 С и абсолютным минимумом -57 С. В настоящее время по экономическим условиям достройку гидроузла намечено завершить с пониженным НПУ 185 м.
Низкая интенсивность бетонных работ, нахождение на открытом воздухе части верховой грани плотины, бетон которой должен был работать под водой, привели к изменению проектной схемы возведения сооружения. Такое продолжительное непроектное состояние гидроузла может сказываться негативно на напряженно-деформированном состоянии плотины в целом, но с точки зрения научных исследований представляет собой ценный материал. Плотина Богучан-ской ГЭС, на которой с 1992 года работы по бетонированию блоков практически не ведутся, подвергается замораживанию и оттаиванию, действию воды в водопропускных отверстиях. Возобновление строительства потребует оценки напряженно-деформированного состояния плотины. Кроме того, в течение 10 лет бетонные массивы испытывают только влияние температуры и таким образом дают уникальную возможность исследовать собственные деформации бетона как материала. Проблема последствий структурных изменений бетона для напряженно-деформированного состояния плотин еще мало изучена, так как в условиях строящегося и эксплуатируемого сооружения, испытывающего влияние многих факторов затруднительно выделить необратимую составляющую деформаций, обусловленных изменениями в структуре бетона.
Тензометрические измерения, проводимые на высоких бетонных плотинах, обычно сводятся к определению напряженных деформаций и перевода их в напряжения. В этом случае деформации, измеренные в «конусе» (свободном объеме бетона) используются только для получения напряженных деформаций. Между тем, анализ температурно-влажностных деформаций в свободном объеме бетона, заключенного в «конус», показал высокую информативность данных о поведении свободного бетона.
Такие работы, выполненные по данным натурных наблюдений на Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Бурейской и Саяно-Шушенской плотинах,
показали, что в массивном бетоне (сохраняемом воду затворения) под влиянием внешней среды могут происходить структурные изменения, влияющие на физико-механические характеристики бетона и вызывающие необратимые напряжения в плотине.
Развитие методики исследований свойств замороженного бетона на основе результатов натурных наблюдений позволит дать количественную и качественную оценку влияния сезонного замораживания на свободные деформации бетона.
Необходимы дальнейшие исследования, связанные с различными последствиями при многочисленных циклах замораживания и оттаивания для разных зон бетона (бетона внутренних зон и наружных поверхностей).
Температурное раскрытие швов и трещин может привести к перераспределению напряжений и изменить проектные предпосылки о работе плотины. Данное обстоятельство необходимо учитывать при оценке напряженно-деформированного состояния сооружения.
Прекращение строительства гидротехнических сооружений всегда приводит к непрогнозируемым последствиям, особенно в условиях сурового климата, когда неморозостойкий бетон внутренних зон десятилетиями замораживается и оттаивает. Среди отечественных гидросооружений примером долгостроя является строительство плотины Бурейской ГЭС. Последствия долгостроя здесь привели к ослаблению структуры уложенного ранее бетона, к появлению трещин через несколько лет после бетонирования блоков.
В настоящее время вторым законсервированным объектом является Бо-гучанская плотина. Необходимость анализа натурных данных о состоянии Бо-гучанской плотины не вызывает сомнений. До возобновления строительных работ необходимо оценить фактическое состояние бетонных массивов.
Этому посвящена настоящая работа, которая выполнена на основе натурных исследований массивной гравитационной плотины Богучанского гидроузла и цель которой заключалась в анализе процессов, формирующих напряженное и деформированное состояние плотины, испытывающей сезонные многолетние циклы замораживания и оттаивания.
Анализ натурных данных проводился в соответствии с нормативными требованиями, а также с использованием новых методов обработки, предложенных автором.
Достоверность результатов подтверждается сопоставлением с натурными данными, полученными на плотинах Братской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской и Бурейской ГЭС.
Научная новизна работы.
Известно, что в массивном бетоне гидротехнических сооружений происходят структурные изменения, приводящие к дополнительным напряжениям растяжения или сжатия. Выделить эти остаточные деформации очень сложно из-за одновременного воздействия нескольких факторов. Впервые, используя уникальный случай отсутствия силовых нагрузок в течение 10 лет, определено влияние изменения термовлажностньгх условий на структурные процессы в нагруженном и свободном бетоне.
Расширен перечень контролируемых показателей состояния бетонных плотин на основе исследований собственных деформаций:
-оценка структурных изменений бетона, как вследствие сезонного знакопеременного режима, так и влажностных воздействий; -оценка степени ослабления или упрочнения бетона во времени;
3. Анализ натурных данных о свободных деформациях бетона позволил
получить информацию, которую нельзя воспроизвести в лабораторных
условиях или расчетными методами:
-температура замерзания бетона в отдельных блоках плотины Богу-чанского гидроузла достигает -8 С. А при повторном цикле «замораживания-оттаивания» Т3 может «сместиться» на один-три градуса в сторону более высоких отрицательных температур, что может свидетельствовать о накоплении необратимых структурных изменений бетона;
-величины коэффициентов линейного расширения замороженного бетона колеблются в широких пределах от 1,24*10 до 2,07*10 1/С.
4. Дана оценка степени преобладания конструктивных процессов над де
структивными. Деструктивные процессы в замороженном бетоне плоти
ны Богучанской ГЭС протекают на глубине одного метра от наружных
граней, а значительные величины к.л.р., достигшие 2,07* 10"5 1/С, харак
теризуют бетон в отдельных блоках плотины как бетон с ослабленной
структурой.
Установлены причины необратимых напряжений, которые на плотине Богучанской ГЭС связаны со структурными изменениями бетона. Их учет позволит диагностировать и выявлять причины развивающихся в плотинах необратимых процессов.
Изучено влияние коэффициента линейного расширения замороженного бетона и его структурных изменений на характер раскрытия швов.
Изучено влияние структурных изменений бетона на поведение неомо-ноличенных межстолбчатых швов.
Установлена необходимость учета коэффициента линейного расширения замороженного бетона в расчетных моделях.
Дана оценка напряженно-деформированного состояния Богучанской плотины, которую нельзя получить расчетным путем из-за немоделируе-мости процессов, происходящих в замораживаемом и оттаявшем бетоне. Практическая значимость диссертации:
-предложенная методика анализа тензометрических измерений расширяет возможности анализа натурных данных и позволяет определить последствия структурных изменений в бетоне;
-оценка состояния Богучанской плотины дает возможность выполнить Федеральный закон о безопасности гидротехнических сооружений и откорректировать технические условия по продолжению строительства.
Практическая реализация диссертации: -изложенные материалы должны быть использованы при продолжении строительства и разработке программы контроля безопасности Богучанского гидроузла;
-предложенный метод анализа термовлажностных деформаций может быть использован при анализе тензометрических наблюдений на любой плотине; -результаты работы могут быть использованы для определения критериальных значений диагностических показателей состояния гидротехнических сооружений;
-разработаны рекомендации по учету в расчетах термонапряженного состояния свойств бетона, меняющихся при действии отрицательных температур.
Полученные в диссертации результаты позволят повысить эффективность омоноличивания профиля плотины, предпринять меры по устранению нарушений монолитности бетона. Получившее в диссертации развитие методики
анализа свободных деформаций бетона, позволит отслеживать как на стадии строительства, так и в эксплуатационный период преобладание конструктивных (упрочняющих структуру бетона) или деструктивных (разрушающих) процессов.
Личный вклад.
Автором выполнен ретроспективный анализ натурных наблюдений на Богучанской плотине до 1992 года и последующих наблюдений до 2001 года. Разработана новая методика анализа тензометрических наблюдений.
Основные результаты работы опубликованы в шести работах. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение с выводами и рекомендациями, список литературы, состоящий из 110 наименований.
Объем работы 127 страниц, включая 46 иллюстраций и 15 таблиц.
Работа выполнена в центре безопасности и натурных наблюдений за сооружениями электростанций ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» и Московском государственном университете приро-дообустройства.
Автор благодарит за помощь, оказанную в проведении работы, ведущего научного сотрудника ОАО «ВНИИГ» им. Веденеева к.т.н. Дурчеву В.Н., профессора Московского государственного университета природообустройства д.т.н. Каганова Г.М. и директора центра безопасности и натурных наблюдений за сооружениями электростанций ОАО «НИИЭС» д.т.н. Иващенко И.Н.
Методы и средства натурных исследований напряженно-деформированного состояния плотины Богучанской ГЭС
Анализ напряженно-деформированного состояния бетонных плотин (как гравитационных, так массивно-контрфорсных, арочных и арочно-гравитационньгх) по данным натурных наблюдений проведен на ряде отечественных и зарубежных гидроузлов. Среди отечественных гидроузлов исследованиями охвачены плотины Братской, Красноярской Усть-Илимской, Токтогуль-ской, Мамаканской, Бухтарминской ГЭС (гравитационные плотины); Зейской (массивно-контрфорсная плотина); Чиркейской, Ингурской и Саяно-Шушенской ГЭС (арочные и арочно-гравитационные плотины). Результаты этих исследований обобщены в исследованиях С.Я. Эйдельмана, В.Н. Дурчевой, Э.К. Александровской, СМ. Пучковой, Г.М. Каганова, А.П. Епифанова, А.А. Лобача, А.И. Царева, О.Д. Рубина, Н.И. Чалого, В.А. Зимнюкова и других. Результаты исследований зарубежных плотин (Френсис, Шаста, Гранд-Кули, Па-коимо - в США; Мораско, Анчипа - в Италии; Кабрил, Канисада - в Португалии, Альбинья - в Швейцарии и другие) отражены в работах С.Я. Эйдельмана, В.В. Блинкова, М.Б. Гинзбург, В.Н. Дурчевой.
Натурным исследованиям термонапряженного состояния посвящено большое количество работ [36, 39-41, 51, 50, 52, 84, 95, 101]. В этих работах рассматриваются условия термического трещинообразования и мероприятия по его предотвращению. Температурные воздействия строительного периода приводят к температурному трещинообразованию и к сохранению бетоном термонапряженного состояния, сформировавшегося в период твердения, что существенно для эксплуатации сооружения.
Существенное влияние на термонапряженное состояние оказывает ход бетонирования. Благоприятное напряженное состояние будет сформировано в случае укладки бетона без длительных перерывов. Наличие таких перерывов приводит, как правило, к образованию трещин [77]. Иногда возобновление бетонирования снижало растягивающие напряжения и приводило к закрытию трещин в нижележащем блоке.
Термонапряженное состояние блоков бетонирования, приводящее к возникновению вертикальных растягивающих напряжений может вызвать раскры тие блочных швов (наиболее ослабленная зона). Указанные особенности раскрытия строительных швов присущи блокам столбчатой разрезки высотой до 3 метров и плановыми размерами 11-18 метров.
В условиях действия отрицательной температуры более высокое значение коэффициента линейного расширения замороженного бетона приводит к увеличению глубины раскрытия швов, в том числе и межблочных [32]. Это наглядный пример трещин, с наличием которых нужно считаться и раскрытие которых в холодное время года, может оказывать влияние на напряженное состояние бетонных гидросооружений [77]. В суровых климатических условиях раскрытие горизонтальных строительных швов со стороны низовой грани уменьшает величину рабочего сечения плотины, что должно вызвать увеличение прогиба. С другой стороны, раскрытие горизонтальных швов снимает действие температурного градиента у низовой грани, уменьшая тем самым величину температурной составляющей прогиба [32].
Строительство Богучанской ГЭС было начато в 1976 году, возведение плотины начато в декабре 1982 г. С 1992 года прекращены практически все строительные работы. Использованы многолетние наблюдения (с 1982 года по 2001) по преобразователям и щелемерам.
Район строительства характеризуется суровым резкоконтинентальным климатом со среднегодовой температурой воздуха-3,2 С.
Богучанская плотина гравитационного типа с вертикальной напорной гранью и наклонной низовой с заложением 1:0,7. Производилось омоноличива-ние профиля в объеме 10% от общей площади швов, подлежащих цементации. Бетонирование столбов производилось блоками высотой 3 м, за исключением прискальных блоков, высота которых составляла 1,5...2 м. Выше отметок 144,0-145,0 м бетонирование секций станционной плотины и секций сопряжения с каменно-набросной плотиной (секции 32+34) производилось методом послойной укладки бетона (высота слоя - 1 м), с объединением двух столбов и устройством прерывистых межсекционных и полусекционных швов.
Состав гидротехнического бетона основных сооружений назначался дифференцированно, в зависимости от требований водопроницаемости и морозостойкости бетона конструкций. Основной класс бетона - В15. Для гидротехнического бетона плотины использовался портландцемент бездобавочный ПЦ 400 и шлакопортландцемент ШПЦ-300 Красноярского завода (по ТУ-21-21-4-82). В качестве добавок применялась пластифицирующая добавка ЛСТ. В качестве крупного заполнителя использовался гравий фракции 5-20 мм и 20-40 мм [62]. Фракция 0-5 мм отсеивалась. Расход цемента составлял 160-450 кг/м [].
Плотина состоит из четырех функционально различных частей: -станционной, длиной 270 м; -водосбросной, с донными водосбросами, длиной 110 м; -водосбросной, в виде водосливной плотины, длиной 90 м; -глухой, длиной 309,5 м. По длине напорного фронта плотина разрезана деформационными швами на 34 секции. Станционная плотина. Секции 11-19. Максимальная строительная высота по первоначальному проекту - 87,2 м, при отметке НПУ 185,0 м - 64,0 м. Длина вдоль потока по подошве - 57,3 м. В этом направлении секции разделены межстолбчатыми швами на три столба. Ширина каждой секции поперек потока-30 м. До отметки 160,0 м секции разделены швами-надрезами на две полусекции. Отметка порога водоприемника ГЭС-168,0 м.
Натурные исследования свободных деформаций бетона в блоках плотин
Результаты обобщения и анализа материалов натурных наблюдений за деформациями свободного замороженного бетона и его влиянии на работу бетонных плотин ограничены опытом строительства Братской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской, Красноярской ГЭС и нашли отражение в основном в работах С.Я. Эйдельмана и В.Н. Дурчевой [30-32, 34, 35, 44, 103]. Измерения деформаций в бетонных плотинах производятся как в массивном бетоне, так и в свободном объеме («конусе»), где развиваются собственные деформации, вызванные термовлажностными и структурными изменениями в бетоне. Ничем не стесненные, т.е. собственные деформации бетона и измеряются преобразователем в «конусе».
Тензометрические измерения, проводимые на высоких бетонных плотинах, обычно сводятся к определению напряженных деформаций и переводу их в напряжения. В этом случае деформации, из»меренные в «конусе» (свободном объеме бетона), используются только для получения напряженных деформаций. Между тем, анализ температурно-влажностных деформаций в свободном объеме бетона, заключенного в «конус», показал высокую информативность данных о поведении свободного бетона. Такие работы, выполненные на Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Бурейской и Саяно-Шушенской плотинах, показали, что в массивном бетоне (бетоне который сохраняет воду затворения) под влиянием внешней среды могут происходить структурные изменения, влияющие на физико-механические характеристики бетона и вызывающие необратимые напряжения в плотине. Многолетние циклы замораживания и оттаивания вызывают в бетоне как конструктивные, так и деструктивные явления, упрочняющие или ослабляющие его структуру.
Бетон гидротехнических сооружений по условиям влагосодержания можно разделить на две части. Наружный слой бетона, в котором устанавливается влажность равновесная с окружающей средой и массивный бетон с сохранением воды затворения. Структура наружного слоя бетона принципиально отличается от структуры массивного, также как и воздействия на эти два типа бетона. Структурные различия заключаются в разном содержании воды в порах, способной при замораживании изменять физико-механические свойства бетона. В поверхностных слоях бетона (не глубже 0,5 м) действуют среднесуточная температура наружного воздуха, т.е. возможен знакопеременный температурный режим в течение нескольких недель пока не устанавливается постоянная положительная или отрицательная температура. Поверхностный слой бетона также подвергается влиянию воды (в водосливных секциях или во время дождя), высушиванию, особенно под влиянием инсоляции. Все эти обстоятельства приводят к деструкции поверхностных слоев бетона, что проявляется в трещинах, шелушении бетона, обнажении заполнителя. Этот поверхностный слой практически не участвует в работе плотины.
Напряжения, исследуемые натурными наблюдениями, обычно принадлежат массивному бетону. В массивном бетоне также наблюдается влияние окружающей среды, но происходит оно по другим законам. Температура переходит через ноль дважды в год, скорость ее изменения 1-2 С в сутки. Возможно водонасыщение по фильтрующим трещинам.
Следует различать подводный и надводный бетон и в зоне переменного уровня воды. Под водой на большой глубине при практически одинаковой температуре в результате появления растягивающих напряжений и микротрещино-образовании может начаться разбухание. Наличие фильтрующих трещин тем более провоцирует разбухание бетона.
Наибольшему влиянию окружающей среды подвержен бетон напорной грани из-за сезонных изменений уровня верхнего бьефа. Сработка водохранилища в зимнее время приводит к замораживанию водонасыщенного бетона; он оттаивает под водой в весенний период. Насколько глубоко распространяется влияние этих факторов можно судить только по показаниям в «конусах».
По экспериментальным данным, проведенным ранее [33, 103] известно, что в замороженном массивном бетоне увеличивается модуль упруго мгновенных деформаций, прочностные характеристики, коэффициент линейного расширения (к.л.р.) и уменьшаются или прекращаются деформации ползучести. Увеличение к.л.р. замороженного бетона объясняется [34] тем, что лед, образовавшийся в порах, имеет к.л.р. в 3- -7 раз выше, чем к.л.р. бетона (33- -73,6 10"6 град"1).
После оттаивания бетон как бы молодеет, в нем возобновляются процессы гидратации, следствием которых является упрочнение его структуры. Это выражается увеличением модуля упруго мгновенных деформаций и прочности бетона. В результате дополнительной гидратации цемента происходит необратимое упрочнение структуры, и в следующий сезон замораживается уже более упрочненный бетон [33]. Следуя [103] кристаллизация воды в замороженном бетоне устраняет дефекты его структуры, увеличивая ее однородность. Следствием этого является увеличение прочности бетона при сжатии и растяжении в 1,5-2 раза и его предельной растяжимости до 2-Зх раз. Определение модуля упругости Е в плотине Зейской ГЭС показало, что через два сезонных цикла замораживания и оттаивания значение Е возросло с 2,75 104 до 3,25 104 МПа [57]. Ползучесть замороженного массивного бетона (за исключением бетона раннего возраста) прекращается.
Происходящие структурные изменения свободного бетона в «конусе» сопровождаются остаточными деформациями расширения. С каждым новым циклом сезонного замораживания и оттаивания эти остаточные деформации уменьшаются. Иногда последние переходят в деформации сокращения (усадки).
Значение к.л.р. замороженного бетона с каждым новым циклом тоже уменьшается. Это уменьшение является признаком упрочнения бетона как материала. По экспериментальным данным, полученным на Братской и Усть-Илимской плотинах существует зависимость между степенью увеличения к.л.р. замороженного бетона и его прочностью. Прочность линейно зависит от отрицательной температуры, так как упрочнение замораживаемого бетона происходит за счет упрочнения контактной зоны растворной составляющей с крупным заполнителем. Возможно, что коэффициенты такой зависимости для бетона Бо-гучанской плотины будут другими, но качественная характеристика одинакова. Уменьшение к.л.р. при отрицательной температуре — свидетельство увеличения его модуля упруго мгновенных деформаций и прочности в оттаявшем состоянии.
Анализ структурных изменений бетона
Как уже отмечалось, в свободном объеме («конусе»), развиваются собственные деформации, вызванные не только изменением температуры (расширение и сокращение), но и влажности (набухание или усадка), а также структурными изменениями при замораживании и оттаивании. Структурные изменения могут проявляться как в виде необратимых остаточных деформаций расширения, так и сжатия [30]. Таким образом, воздействие внешней среды на бетон в виде циклов замораживания и оттаивания, изменения влажности (водонасыще-ние бетона или его усадка) вызывает в массивном бетоне сооружения остаточные, дополнительные напряжения сжатия или растяжения.
Влияние собственных деформаций бетона как материала на сооружение может быть как позитивным, так и негативным. Поэтому анализ структурных изменений в бетоне важен для понимания работы сооружения [30]. Водосливная 21м секция в строительный период представляет собой глухую плотину. Водосбросная 28а" секция может представлять исследовательский интерес. В этой секции на двух уровнях предусмотрены водосбросные отверстия. КИА установлена в бычках, образующих лоток. Бычки по пять метров шириной. Предусматривалось, что пропуск воды в строительный период будет осуществляться через водосбросные отверстия первого уровня (расположены на более низкой отметке), а в эксплуатационный - через водосбросные отверстия второго уровня. Водосброс первого уровня впоследствии (по проекту) должен был быть «закрыт» бетонной пробкой. Непроектное состояние гидроузла обусловило пропуск воды через водосбросы первого уровня, а эксплуатационный водосброс остается неработающим. Таким образом, конструктивно, рассматриваемые водопропускные отверстия ничем не отличаются, но подвержены различным температурным и влажностным воздействиям.
Использованы данные измерений ненапряженных деформаций бетона по 67 «конусам». Анализ структурных изменений бетона сведен в таблицу 2.3. Таблицу 2.3 следует читать с учетом условных обозначений. Условные обозначения к таблице 2.3: - «8=0» - остаточных деформаций не наблюдается; - «5+» - наблюдаются деформации расширения; - «8-» - наблюдаются деформации сжатия;
Как правило, усадочные процессы в бетоне приводят к трещинообразо-ванию из-за превращения деформаций усадки (сокращения) в растягивающие напряжения. В бычках донных отверстий Богучанской плотины наблюдалась противоположная картина. В пятиметровой стенке, испытывающей влияние температуры наружного воздуха с обеих сторон, как в свободном бетоне («конусе»), так и в напряженном (от веса выше уложенных блоков) зафиксированы остаточные деформации сокращения, более интенсивно развивающиеся в массивном бетоне. Это приводит к дополнительным напряжениям сжатия.
Также, дополнительное сжатие возникает, когда в результате структурных изменений бетон в свободном виде расширяется. В массиве это расширение зависит от температуры замораживания и в каждом слое имеет свою величину, что приводит к появлению дополнительных деформаций сжатия (как при разбухании).
В бетоне Богучанской плотины отмечено накапливание как остаточных деформаций расширения, так и сокращения. Из таблицы 2.3 и рис. 2.8, 2.11 и 2.12 следует, что сезонное промораживание почти всегда приводит к накоплению остаточных деформаций расширения. Причем, как правило, максимальные по величине структурные изменения накапливаются в первые несколько лет. Деформации расширения характерны для оттаявшего бетона и водонасыщаемо-го бетона (37 случаев из 67). Деформации сокращения наблюдаются только в нескольких измерительных точках (4 случая из 67).
Имеются случаи, когда накопленные деформации расширения в период промораживания бетона переходят в деформации сокращения, когда бетон находится постоянно при положительной температуре (17 случаев из 67). Он как бы теряет прежний запас расширения. На рис. 2.8 показано, что рост необратимых деформаций расширения прекращается (после смены температурного режима, вызванным началом эксплуатации водопропускных отверстий) и в ненапряженных деформациях появляется необратимая составляющая деформаций сжатия.
Термоиапряженное состояние блоков
Развитие нормальных напряжений по горизонтальным площадкам ту и вертикальным площадкам az, обусловлено неравномерным распределением температуры в поперечном (вдоль потока) направлении. Разница между ау и az обусловлена действием вертикальной составляющей напряжений от собственного веса бетона. Характер развития ах отличается от ау и az, т.к. он зависит от распределения температуры вдоль оси плотины.
Напряженное состояние блоков определялось по всем работающим «розеткам». Использовалась программа «Rozetka», разработанная в АО «ВНИИГ им. Веденеева». Меры ползучести и модуль упругомгновенных деформаций были получены прямыми испытаниями бетона в Богучанской плотине [62].
Метод расчета основан на численном решении интегрального уравнения для упруго-ползучего тела [68]. К этому уравнению в одномерном случае приводят физические соображения об изменении полной деформации по заданному направлению при постоянной нагрузке (напряжениях) с течением времени, которая складывается из упругой деформации и деформации ползучести C(t, z), зависящей от возраста бетона t и времени приложения нагрузки т. При переменной нагрузке полная деформация определяется интегрированием величины e(t, z) от начального момента приложения нагрузки до текущего момента времени. Развитие нормальных напряжений у напорной грани 21ой секции: а) нормальные напряжения ау и а2; б) температура бетона. В бычках водосбросных отверстий диапазон сезонных колебаний напряжений составляет до 2,0 МПа.
Имеются области бетона, в которых регистрируются напряжения растяжения: нормальные напряжения по вертикальным площадкам ах в центральной зоне и Первом столбе 31 секции; тх и o"z у напорной и у низовой граней 21 секции; центральная часть объединенного столба 1-2 и наружные грани со стороны каменно-земляной плотины 34 секции; стх в бычках водосбросных отверстий 28 секции.
На низовой грани бетонных плотин, подверженных сезонному влиянию отрицательной температуры окружающего воздуха раскрываются строительные швы. Бетон низовой грани реагирует в большей степени на изменение температуры, чем на вес бетона.
Как отмечалось в главе 3.1, раскрытия межблочных и межстолбчатых швов, температурные трещины могут привести перераспределению напряжений и изменить проектные предпосылки о работе плотины.
Сезонное промораживание в некоторых случаях привело к накоплению остаточных деформаций расширения, возникших после оттаивания (глава 2). Это явление является причиной накапливания необратимых напряжений сжатия. Максимальные необратимые напряжения сжатия отмечены в замораживаемых блоках 34 секции. Величина дополнительных напряжений от собственных деформаций бетона составляет около 0,2...1,0 МПа, складываясь с напряжениями от действующих нагрузок.
Необратимые напряжения растяжения зафиксированы в четырех случаях в бетоне донных отверстий. Их величина колеблется от 0,2 до 1,0 МПа. Анализ собственных деформаций бетона и деформаций (напряжений) позволяет установить причину необратимых напряжений, возможных как вследствие не только структурных изменений бетона, но и изменения схемы статической работы плотины. На рис. 3.22 приведено изменение во времени напряжений сгу с необратимой составляющей разного знака.
Пример 2. Установлено раскрытие межблочного шва бычка первого столба на расстоянии 1; 2,5 и 5,5 метров от напорной грани. Такая степень немонолитности в зоне межблочного шва сказывается на развитии напряжений сту, которые неодинаково реагируют (по горизонтальному сечению блока) на вес бетона. Блок воспринимает нагрузки почти всем сечением, но изменение напряжений аналогично по характеру у напорной грани и в центре блока и уменьшается по величине от центра блока к напорной грани и шву 1-И.
Пример 3. Необходимо отметить случаи раскрытия межблочного шва в центре блока. Щелемеры в данном сечении не установлены и данное предположение можно обосновать реакцией на собственный вес напряжений по горизонтальным площадкам су у напорной грани (рис. 3.23а) и отсутствием таковой в центре блока (рис. 3.236). У шва I-II появилась горизонтальная трещина єу. Впоследствии с продолжением бетонирования наблюдается рост напряжений сжатия ту у напорной грани, а трещина у шва І-ІІ закрылась (рис. 3.18). Тем не менее, очевидно нарушение монолитности межблочного шва в центре блока - неменяющееся напряжение Су в центре блока и нарастающее напряжение сжатия у напорной грани.
