Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса расчетного определения физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных сооружений 12
1.1. Обоснование актуальности проблемы расчетного определения физико-механических характеристик оснований бетонных сооружений 12
1.1.1. Обзор случаев изменения свойств скальных оснований в строительный период под влиянием техногенных и природных факторов 15
1.1.2. Обзор случаев несоответствия расчетных и натурных осадок вследствие изменения свойств нескальных оснований в отличие от проектных значений 17
1.2. Анализ существующих подходов к расчетному определению модулей деформации оснований бетонных сооружений 18
1.2.1.Анализ аналитических методов определения модулей деформации основания бетонных сооружений
1.2.2.Анализ численных методов определения модулей деформации оснований бетонных сооружений 22
Выводы по Главе 1 28
Глава 2. Анализ данных натурных наблюдений за основаниями строящихся бетонных сооружений (на примере бетонной плотины Богучанской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2) 30
2.1.Анализ данных натурных наблюдений за основаниями секций бетонной плотины Богучанской ГЭС в период строительства 30
2.1.1. Конструктивные особенности секций бетонной плотины и инженерно-геологическое строение их оснований 30
2.1.1.1 Конструктивные особенности секций бетонной плотины 34
2.1.1.2 Особенности возведения секций бетонной плотины, в том числе в условиях «долгостроя»
2.1.1.3.Инженерно-геологическое строение основания секций бетонной плотины 34
2.1.2 Анализ данных натурных наблюдений за основаниями секций бетонной плотины Богучанской ГЭС в период строительства 38
2.1.2.1. Организация натурных наблюдений за основаниями секций бетонной плотины Богучанской ГЭС 38
2.1.2.2 Результаты анализа данных натурных наблюдений за основаниями секций бетонной плотины Богучанской ГЭС 42
2.2 Анализ данных натурных наблюдений за основанием водоприемника Загорской ГАЭС-2 в период строительства 56
2.2.1 Конструктивные особенности водоприемника Загорской ГАЭС-2 и инженерно-геологическое строение его основания 56
2.2.1.1 Конструктивные особенности водоприемника Загорской ГАЭС-2. 56
2.2.1.2 Особенности возведения водоприемника Загорской ГАЭС-2 56
2.2.1.3 Инженерно-геологическое строение основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 60
2.2.2 Анализ данных натурных наблюдений за основанием водоприемника Загорской ГАЭС-2 в период строительства 68
2.2.2.1 Организация натурных наблюдений за основанием водоприемника Загорской ГАЭС-2 68
2.2.2.2 Результаты анализа данных натурных наблюдений за основанием водоприемника Загорской ГАЭС-2 70
Выводы по Главе 2 72
Глава 3. Разработка методики расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений на основе данных натурных наблюдений 76
3.1 Совершенствование методики численного моделирования системы «бетонное сооружение – основание» 76
3.2 Методика определения размеров моделируемого фрагмента основания с учетом глубины сжимаемой толщи 79
3.3 Разработка методики расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений на основе конечно-элементных моделей с учетом данных натурных наблюдений 82
3.4 Методика анализа данных компрессионных испытаний грунтов оснований бетонных сооружений 85
3.5 Разработка математических конечно-элементных моделей секций бетонной плотины Богучанской ГЭС на скальном основании и водоприемника Загорской ГАЭС-2 на нескальном основании 89
3.5.1 Разработка математических конечно-элементных моделей секции №28 бетонной плотины Богучанской ГЭС на скальном основании 89
3.5.2 Разработка математических конечно-элементных моделей водоприемника Загорской ГАЭС-2 на нескальном основании 91
Выводы по Главе 3 92
Глава 4. Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик скального основания секции №28 бетонной плотины Богучанской ГЭС и нескального основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 на основе конечно- элементных моделей с учетом данных натурных наблюдений 96
4.1 Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 на основе конечно-элементных моделей с учетом данных натурных наблюдений 96
4.1.1 Результаты расчетов глубины сжимаемой толщи основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 96
4.1.2 Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 на основе конечно-элементных моделей с учетом натурных данных 100
4.2 Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик скального основания секции №28 бетонной плотины Богучанской ГЭС на основе конечно-элементных моделей с учетом данных натурных наблюдений 107
Выводы по Главе 4 120
Глава 5. Практические рекомендации по расчетному определению (уточнению) фактических физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений на основе данных натурных наблюдений 123
5.1 Основные положения 123
5.2 Подготовка исходных данных 124
5.3 Порядок проведения расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений 125
Заключение 128
Список литературы 131
Приложение А 147
Приложение Б 215
- Обоснование актуальности проблемы расчетного определения физико-механических характеристик оснований бетонных сооружений
- Результаты анализа данных натурных наблюдений за основаниями секций бетонной плотины Богучанской ГЭС
- Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 на основе конечно-элементных моделей с учетом натурных данных
- Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик скального основания секции №28 бетонной плотины Богучанской ГЭС на основе конечно-элементных моделей с учетом данных натурных наблюдений
Введение к работе
Актуальность работы. В соответствии с Законом РФ «О безопасности гидротехнических сооружений» №117-ФЗ от 21 июня 1997 г. требуется обеспечение соответствующего уровня безопасности массивных бетонных сооружений, возводимых на скальных и нескальных основаниях. Прочность и устойчивость бетонных сооружений гидроузлов в значительной степени зависят от деформативных и прочностных характеристик их оснований, которые при обосновании проектных решений принимаются в соответствии с проектными значениями физико-механических характеристик грунтов оснований.
Известно, что во многих случаях зафиксированы отличия (в ряде случаев - существенные) фактических значений от проектных предпосылок, о чем свидетельствуют данные многолетних натурных наблюдений.
В большей степени вышесказанное относится к ГТС, возводившихся в условиях так называемого «долгостроя» (к которым можно отнести Богучан-скую, Бурейскую, Зарамагскую ГЭС-1, а также ГЭС ближнего зарубежья: Санг-тудинскую, Рогунскую и др.), при которых под влиянием атмосферных воздействий (особенно, в суровых климатических условиях), а также техногенных воздействий (например, при разработке скальных оснований взрывным способом) происходит изменение (в основном, ухудшение) физико-механических характеристик основания. Физико-механические характеристики оснований бетонных гидросооружений, слагаемых нескальными (мягкими) грунтами, также могут отличаться от проектных предпосылок, в первую очередь, вследствие уплотнения грунтов в процессе строительства.
Таким образом, требуемый уровень обеспечения безопасности ГТС зависит от знания фактических характеристик основания. В этой связи задача по определению истинных свойств основания приобретает особую актуальность.
С учетом вышесказанного возникает необходимость расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик грунтов оснований бетонных гидротехнических сооружений в ходе их строительства и эксплуатации.
Степень ее разработанности. К настоящему времени расчетное определение физико-механических характеристик оснований бетонных гидротехнических сооружений выполнялось на основе упрощенных инженерных методик, а также на основе численного моделирования без учета влияния возведения примыкающих сооружений на величины осадок сооружений и деформаций слоев основания; без учета ограничения моделируемого фрагмента основания размерами глубины сжимаемой толщи и без учета изменения модуля деформации грунтов основания по глубине. Данные подходы применялись специалистами АО «Институт Гидропроект», ООО «ЦСКТЭ», филиала ЦСГНЭО «Института Гидропроект», АО «НИИЭС» и др. В настоящей диссертационной работе представлено совершенствование методики расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик грунтов оснований бетонных гидротехнических сооружений на основе конечно-элементного моделирования систем «сооружение – основание» с учетом данных натурных наблюдений и отмеченных выше недостатков.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методики расчетного определения физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений на основе численного моделирования гидросооружений совместно с основаниями с учетом данных натурных наблюдений.
В задачи исследований входят:
анализ существующих методик расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик оснований бетонных гидротехнических сооружений;
анализ данных натурных наблюдений за полными осадками и деформациями слоев основания секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2;
совершенствование методики численного моделирования систем «бетонное сооружение – основание»;
совершенствование методики определения сжимаемой толщи нескальных оснований и активной зоны скальных оснований на основе конечно-элементных моделей систем «бетонное сооружение – основание»;
разработка конечно-элементных моделей секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2 совместно с основаниями;
разработка методики расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений с учетом данных натурных наблюдений;
разработка практических рекомендаций по определению (уточнению) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений;
определение (уточнение) фактических физико-механических характеристик скального оснований секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и нескального основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 с определением расчетных значений их осадок.
Научная новизна исследования состоит в получении следующих результатов:
анализа данных натурных наблюдений за полными осадками и деформациями слоев оснований секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2;
усовершенствованной методики численного моделирования систем «бетонное сооружение – основание»;
усовершенствованной методики определения сжимаемой толщи нескальных оснований и активной зоны скальных оснований на основе конечно-элементных моделей систем «бетонное сооружение – основание», в том числе разработанные зависимости для определения глубины сжимаемой толщи основания водоприемника Загорской ГАЭС-2;
конечно-элементных моделей секций бетонной плотины Богучан-ской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2 совместно с основаниями (систем «бетонное сооружение-основание»);
методики расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений с учетом данных натурных наблюдений;
практических рекомендаций по определению (уточнению) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений;
расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик скального оснований секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и нескального основания водоприемника Загорской ГАЭС-2; а также расчетных значений их осадок.
Теоретическая и практическая ценность работы. Результаты исследований позволяют определять (уточнять) фактические физико-механические характеристики оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений, для последующего использования при уточнении расчетных значений осадок, а также при обосновании прочности и устойчивости сооружений. На основе усовершенствованной методики численного моделирования систем «бетонное сооружение – основание» возможно определение напряженно-деформированного состояния бетонных гидротехнических сооружений и их оснований. Автором разработаны практические рекомендации и получены практические результаты определения фактических физико-механических характеристик оснований, а также расчетных значений осадок секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2. Разработанные зависимости позволяют определять глубину сжимаемой толщи нескальных оснований бетонных сооружений.
Методология и методы исследований. Исследования напряженно-деформированного состояния систем «бетонное сооружение – основание» и
систем «бетонное сооружение – примыкающие сооружения – основания» выполнялись численными методами на основе конечно-элементных моделей. Разработка новых зависимостей для глубины сжимаемой толщи и для модулей деформации грунтов выполнялась с применением статистических методов. Выполнялось сопоставление результатов, полученных на основе аналитических и численных методов расчетов.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований; в руководстве и непосредственном участии в проведении научных исследований и анализе полученных результатов при решении поставленных задач; в формулировании выводов и рекомендаций по диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
результаты анализа данных натурных наблюдений за полными осадками и деформациями слоев оснований секций бетонной плотины Богучан-ской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2;
усовершенствованная методика численного моделирования систем «бетонное сооружение – основание»;
усовершенствованная методика определения сжимаемой толщи нескальных оснований и активной зоны скальных оснований на основе конечно-элементных моделей систем «бетонное сооружение – основание», в том числе разработанные зависимости для определения глубины сжимаемой толщи основания водоприемника Загорской ГАЭС-2;
конечно-элементные модели секций бетонной плотины Богучан-ской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2 совместно с основаниями;
методика расчетного определения (уточнения) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений с учетом данных натурных наблюдений;
практические рекомендации по определению (уточнению) физико-механических характеристик оснований строящихся бетонных гидротехнических сооружений;
- результаты расчетного определения (уточнения) физико-
механических характеристик скального оснований секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и нескального основания водоприемника Загорской ГАЭС-2, а также расчетных значений их осадок.
Степень достоверности и апробация результатов исследований. Достоверность основных положений и выводов работы подтверждается применением проверенных вычислительных программных комплексов; сопоставлением результатов численных исследований и аналитических исследований; сопоставлением результатов расчетов с натурными данными (в том числе, в процессе калибровки конечно-элементных моделей).
Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природо-обустройства» (г. Москва, октябрь 2012 г., апрель 2013 г.), на международной научно-практической конференции РУДН (г. Москва, апрель 2013 г.), на заседании научно-технического совета АО «НИИЭС».
Результаты исследований были практически использованы при определении (уточнении) фактических физико-механических характеристик оснований секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и водоприемника Загорской ГА-ЭС-2 и расчетных значений их осадок, а также при проведении поверочных расчетов прочности и устойчивости секций бетонной плотины Богучанской ГЭС и водоприемника Загорской ГАЭС-2.
По материалам диссертации опубликовано восемь статей, из них шесть статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержащего 127 наименований. Основное содержание диссертационной работы изложено на 216 страницах, включает 22 рисунка, 39 таблиц и 2 Приложения.
Обоснование актуальности проблемы расчетного определения физико-механических характеристик оснований бетонных сооружений
Деформативные и прочностные характеристики оснований основных сооружений гидроузлов играют важную роль в обеспечении прочности, устойчивости, надежности и безопасности ГТС.
Свойства основания во многом определяют состояние и поведение основных сооружений в строительный период и при последующей эксплуатации; от них в значительной степени зависит надежность и безопасность гидроузла в целом.
Следует отметить, что основные расчеты по обоснованию прочности и устойчивости основных сооружений гидроузла, как правило, проводятся при проектных значениях характеристик основания и бетона сооружений, в то время как во многих случаях данные многолетних наблюдений по показаниям контрольно-измерительной аппаратуры свидетельствуют об отличиях (в целом ряде случаев - существенных) фактических значений от проектных предпосылок.
Таким образом, требуемый уровень обеспечения надежности и безопасности ГТС зависит от знания фактических характеристик основания. В этой связи задачи по определению истинных свойств основания приобретает особую актуальность. В большей степени вышесказанное относится к ГТС, возводящихся в условиях так называемого «долгостроя». В последние годы и в настоящее время в нашей стране и на территории бывших республик СССР происходила достройка ряде ГЭС в условиях затянувшихся сроков строительства, таких как Богучанская [1, 2, 122], Бурейская, Зарамагская ГЭС-1, Сангтудинская ГЭС-1, Рогунская ГЭС и некоторых других [109, 115, 110]. В условиях «долгостроя» под влиянием атмосферных и техногенных воздействий, особенно в суровых климатических условиях, происходит изменение (в основном, ухудшение) физико-механических характеристик, как основания, так и уложенного ранее бетона.
Одним из ярких примеров «долгостроя» является Богучанская ГЭС на р. Ангаре [1, 2, 85, 122].
Основные сооружения Богучанской ГЭС начали возводиться в 1982 году и до 1992 года более 80% бетона основных сооружений было уложено. В качестве примера, темпы укладки бетона в секцию № 28 бетонной плотины представлены в табл. 1.1.1.
Анализ данных, приведенных в табл. 1.1.1, показывает, что после 1992г. темпы строительства стали снижаться и строительство практически прекратилось в начале 2000-х годов. Тем не менее, с 2006 года темпы снова возросли. Таким образом, более 10-ти лет продолжались сниженные темпы строительства, обусловившие так называемый «долгострой».
В период замедления темпов строительства во многих случаях подготовленное скальное основание длительное время оставалось открытым и подверженным прямому воздействию окружающей среды. В ряде случаев участки основания частично возведенных столбов сооружений оказались подверженными длительным сезонным воздействиям отрицательной температуры (в том числе многочисленным циклам замораживания – оттаивания), в условиях, когда они оказались не защищенными массивом бетона (или грунта, или воды), предусмотренным проектом на эти даты строительства.
В результате указанных выше факторов под негативным воздействием окружающей среды происходило ежегодное ухудшение физико-механических свойств основания (таких как прочность, жесткость, деформативность, трещиноватость, водонепроницаемость и др.) [1, 2, 9, 14, 31, 32, 95].
Нельзя не упомянуть влияние техногенных воздействий, которые также могли оказать существенное влияние на изменение свойств скального основания Богучанской ГЭС.
Эти умозаключения подтверждаются материалами актов комиссионных обследований. Так в «Акте обследования гидротехнических сооружений» (Город Кодинск, 20 - 26 июля 2003 г.) [1] и в «Акте обследования гидротехнических сооружений Богучанской ГЭС» (г. Кодинск, 25 - 31 июля 2005 года) [2] комиссия отметила:
«…Основание бетонной плотины, вскрытое более 15 лет назад, вследствие «долгостроя» недостаточно защищено от температурных перепадов и подвержено старению. …В связи с «долгостроем» происходит разуплотнение и активное старение скального основания, снижение его деформационных и фильтрационных характеристик».
Выводы, касающиеся ухудшения свойств основания бетонной плотины Богучанской ГЭС, представленные в Актах комиссионных обследований, были подтверждены результатами аналитических и численных расчетов, приведенных ниже.
Основание бетонных гидросооружений, слагаемое мягкими грунтами, может отличаться от проектных предпосылок вследствие уплотнения грунтов в процессе строительства и эксплуатации. Ниже приводятся соответствующие примеры.
Результаты анализа данных натурных наблюдений за основаниями секций бетонной плотины Богучанской ГЭС
Подробный анализ данных натурных наблюдений и пополнение банка данных результатами текущих наблюдений выполнялись по заданию АО «Институте Гидропроект», в том числе в работах филиала ЦСГНЭО ОАО «Институт Гидропроект» под руководством д.т.н. Э.С. Калустяна, начиная с 1997 года по настоящее время.
Воздействия на основание бетонной плотины Загрузка основания бетоном плотины
Контроль состояния и обеспечение надёжности бетонной плотины Богучанской ГЭС, наряду с определением величин диагностических параметров (съём и обработка показаний приборов), проводится с учётом внешних воздействий, включающих объёмы укладываемого бетона в тело плотины и температурные колебания. Анализ состояния основания предусматривает построение зависимостей между нагрузками и измеряемыми параметрами.
Напряжения на поверхности основания, определенные по объёмам бетона уложенного в секции плотины, по состоянию на 1.01.2000 г. в среднем составляли 0,60 МПа. На июль 2006 г. в соответствии с ростом секций эта величина достигла 0,74 МПа. С учётом уложенного бетона на начало 2012 г. средние напряжения по подошве основания первых столбов бетонной плотины достигли 0,97 МПа. Значения удельных напряжений в основании первых столбов и в целом по основанию бетонной плотины по состоянию на начало 2012 г. приведены в таблице 2.1.3.
Напряжения в основании первых столбов секций бетонной плотины, определённые по объёмам уложенного бетона, отличаются друг от друга. Наибольшие величины напряжений достигнуты в основании секций №№ 24(1-й столб), 25, 27 (1-й столб) и составили 2,34, 2,41 и 2,36 МПа, соответственно.
Приведенные выше данные о напряжениях на поверхности основания от уложенного в плотину бетона существенно выше напряжений от разгрузки основания при разработке котлована в 1972-1982 гг., которая под различными секциями достигала 0,100,50 МПа. Очевидно, что удельные нагрузки в основании секций бетонной плотины от веса бетона, приведенные в таблице 2.1.3, повсеместно превысили разгрузку основания, вызванную съемом пород при разработке котлована.
Анализ результатов наблюдений в основании бетонной плотины Полные и относительные осадки основания бетонной плотины
Наблюдения по дистанционной КИА в основании выполняются с 1983 г. Ниже в таблице 2.1.4 приведены относительные осадки приконтактной зоны и полные осадки скального основания бетонной плотины на начало 2012 г.
Осадки приконтактной зоны основания в течение 2007-2012 гг. при росте нагрузки от бетона на основание большинства секций фиксировались практически под всеми секциями бетонной плотины. Суммарная относительная осадка в 5-ти метровой зоне основания секции № 6 в 2012 г. достигла 0,92 мм (при среднем давлении 1,40 МПа). В основании секции № 33-1 относительная осадка приконтактой зоны толщиной 5 м при напряжении 2,28 МПа достигла 10,07 мм. В приконтактной 5-ти метровой зоне левобережной секции № 10 при напряжении от уложенного бетона 1,68 МПа осадка составила 6,52 мм. Со стороны низовой грани станционной и водосбросной части плотины наибольшие относительные осадки приконтактной зоны основания зафиксированы в секции № 12-III по деформометрам 212с56 (5,90 мм) и 212с64 (6,28 мм). Со стороны верховой грани указанных секций наибольшая относительная осадка в секции №18 составила 9,41 мм (деформометр 218 с51). В основании секций №№13-23 со стороны первых столбов при напряжениях 1,65…2,22 МПа наибольшие осадки поверхностной 2…15 м зоны основания отдельных секций составили 2,33…9,76 мм. В секциях №№ 24…28; 29 со стороны верховой грани плотины наибольшие осадки приповерхностной зоны (6,21 мм) зафиксированы деформометром 224с51в основании секции № 24. Скальный деформометр 224с51 работает в неустойчивом режиме, что связано с исчерпанием ресурса прибора с момента его установки в 1984 г. В сопрягающих секциях с КНП (секции №№30… 34) наибольшая осадка приконтактной области основания, равная 10,07 мм (деформометр 233с51), получена в секции № 33 по прибору, находящемуся на пределе своего технического ресурса, а деформометр 234с53 не даёт показания после 5.12.1010 г. В основании водосброса №2 в секции № 21-IV с момента установки приборов до августа 2010 г. фиксировалось разуплотнение в диапазоне 0,01…0,46 мм. В настоящее время разуплотнение основания на этом участке прекратилось и фиксируется обжатие основания.
Полные осадки скального основания по результатам 44-го цикла нивелирования, выполненного в феврале 2012 года по потолочным маркам в галерее секций №№ 12…32 под первыми столбами, изменяются от 11,7 мм (марка МП 12-1) до 30,9 мм (марка МП 30-2). Полные осадки основания определяются нивелированием с 1985 г. и отражают состояние массива долеритов на момент выполнения измерений. Осадки ряда марок имеют выбросы, вызванные их повреждениями в процессе выполнения строительных работ в галерее.
Наибольшая измеренная осадка в секциях №№ 12…32, равная 30,9 мм, зафиксирована в 44 цикле по марке МП 30-2. В основании секций №№ 24-28 наибольшие осадки основания до 25,5 мм измерены в русловой части бетонной плотины по марке МП 27-1. Большие осадки на основании этого участка могут быть связаны с более ранней укладкой бетона в этих секциях относительно остальных и с тенденцией ухудшения деформационных характеристик от левого берега к правому, отмеченной в проекте. В секциях №№29…32 осадки составили 19,4…30,9 мм. Между относительными осадками приконтактной зоны и полными осадками всей толщи основания бетонной плотины по данным, приведенным в таблице 2.1.4, прямая зависимость не просматривается.
Полные осадки основания секций №№21-28 бетонной плотины по 44 циклу нивелирования изменяются от 18,1 мм в секции №22 до 25,5 мм в секции №27.
В связи с тем, что для примера проведения расчётных исследований выбрана секция №28, ниже приводятся данные натурных наблюдений за основанием данной секции плотины (Таблица 2.1.5). В верховом столбе секции № 28 (28-I) при напряжениях по подошве первого столба 2,31 МПа осадки приконтактной зоны основания изменяются в диапазоне от 3,40 мм (деформометр 228с23) до 5,92 мм (деформометр 228с54), а в низовом столбе (28-IV) они составляют 3,56 мм (деформометр 228с26) и 4,54 мм (деформометр 228с55). Температура со стороны верховой грани изменяется в диапазоне от + 5,0оС до + 7,6оС; со стороны низовой грани - в диапазоне +2,9оС…+4,1оС. На глубинах 3…50 м - в диапазоне +5,1оС…+7,0оС. Результаты натурных наблюдений за осадками основания секции №28 бетонной плотины представлены в таблице 2.1.5 и графически на рисунках 2.1.7…2.1.9.
Анализ данных наблюдений показывает, что осадки приповерхностной толщи основания расчётных секций плотины, фиксируемые деформометрами, составляют значительную часть общих осадок массива, получаемых по результатам геодезических измерений. Так, на долю 2-х метровой верхней зоны приходится от 10 до 30% общих осадок основания (50% - для секции №21), а на долю 5-ти метровой толщи – от 20 до 40% (60% -для секции №31). Для секции №28 они составили для 2-х метровой зоны 13,9%, а для 5-ти метровой зоны 24,3% от полной величины осадки.
Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 на основе конечно-элементных моделей с учетом натурных данных
Расчетное уточнение физико-механических характеристик основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 проводилось по методике, разработанной автором, представленной выше в главе 3, на основе конечно-элементного моделирования НДС системы «бетонное сооружение-основание».
Исходные данные для расчетных исследований (конструктивные особенности водоприемника Загорской ГАЭС-2, инженерно-геологическое строение основания, расчетные этапы возведения водоприемника, проектные значения физико-механических характеристик материалов сооружения и грунтов основания, данные компрессионных испытаний, данные натурных наблюдений, характер действия нагрузок и пр.) приводятся выше в главе 2.
Определение закона изменения модуля деформации по глубине
В соответствии с разработанной автором методикой проведения расчетных исследований с учётом изменения деформационных характеристик грунтов по глубине основания водоприемника (в том числе в процессе поэтапного возведения водоприемника) на основании анализа данных компрессионных, штамповых и прессиометрических испытаний была определена закономерность увеличения значений модулей деформации с ростом глубины заложения каждого слоя конечных элементов, аппроксимирующих грунтовое основание.
Так, в зависимости от величины вертикальных сжимающих напряжений в рамках методики анализа данных компрессионных испытаний образцов грунтов основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 (представленной в главе 3) с учетом результатов компрессионных испытаний (табл. 3.4.2) для начального этапа исследований было получено следующее:
- для вертикальных сжимающих напряжений
- в интервале от 0,0 до 0,1 МПа, модуль деформации E=17,6 МПа;
от 0,1 до 0,2 МПа, E=25,0 МПа;
от 0,2 до 0,3 МПа, E=30,0 МПа;
от 0,3 до 0,4 МПа, E=42,9 МПа;
от 0,4 до 0,5 МПа, E=50,0 МПа;
от 0,5 до 0,6 МПа, E=60,0 МПа;
от 0,6 до 0,7 МПа, E=71,4 МПа;
от 0,7 до 0,8 МПа, E=88,2 МПа.
На основе анализа полученных результатов (с использованием метода математической статистики) была разработана зависимость для определения модулей деформации грунта Е (кПа) при изменении действующих вертикальных сжимающих напряжений (кПа) в основании водоприемника Загорской ГАЭС-2: E = 62.52 + 47.35 + 16; (4.1.3) где Е – модуль деформации грунта (кПа), – вертикальные напряжения в данном слое основания (кПа).
Разработанная зависимость представлена на графике (рисунок 4.1.3).
Расчетное определение (уточнение) фактических физико-механических характеристик основания и расчетных значений осадок водоприемника проводилось на основе конечно-элементных моделей для шести характерных этапов возведения сооружения. Разработка конечно-элементных моделей системы «бетонное сооружение-основание» (а также системы «бетонное сооружение -примыкающие сооружения - основание») в рамках усовершенствованной автором методики представлена выше в главе 3. При этом в КЭ моделях для начальной стадии расчетов принимались проектные значения модулей деформации грунтов основания.
На стадии первой итерации принималось осредненное по глубине значение модуля деформации грунта. В процессе калибровочных расчетов выявлено, что наблюдаемые вертикальные деформации в основании водоприемника связаны с неоднородностью распределения модулей деформации вдоль контура фундаментной плиты. В итоге было выделено две зоны, в которых распределение модулей деформации получается различным: зона под низовым участком фундаментной плиты водоприемника (зона установки труба-марок 1ТМ02, 1ТМ04, 1ТМ05, 1ТМ06), и зона под верховым участком с центральным зубом (зона установки труба-марок 1ТМ01, 1ТМ03).
Калибровка параметров подразумевала совпадение расчетных кривых с кривой, полученной при лабораторном испытании грунтов. Установлены параметры упругости для последующего численного моделирования вертикальных деформаций, соответствующих данным натурных наблюдений за перемещениями и деформациями ГТС Загорской ГАЭС-2 в период строительства.
Результаты (деформированное состояние водоприемника совместно с основанием и цветовые поля распределения осадок с момента начала геодезических наблюдений) расчетного уточнения физико-механических характеристик основания водоприемника на основе конечно-элементных моделей для шести этапов возведения представлены на рисунках А. 24…А.35 (Приложение А).
Результаты расчета для 1-го этапа возведения водоприемника (по состоянию на 16.05.2009 г.) представлены в таблице 4.1.2.
В верховой части расчетное значение осадки 11,3 мм при замеренных 12,7…15,0 мм (среднее – 13,85 мм); в низовой части расчетное значение осадки 9,1 мм при замеренных 11,1…24,4 мм (среднее – 17,75 мм).
Результаты расчета для 3-го этапа (по состоянию на 10.10.2010 г.) приведены в таблице 4.1.4.
В верховой зоне расчетное значение осадки 84,8 мм при замеренных 73,9…92,2 мм (среднее – 84,55 мм); в низовой зоне расчетное значение осадки 99,1 мм при замеренных 91,0…106,6 мм (среднее 98,8 мм).
Следует отметить, что для 6-го этапа возведения водоприемника был также проведен расчет при проектном модуле деформации основания (35 МПа) на всю глубину сжимаемой толщи (22,0 м). По результатам расчета максимальное значение осадки в данном случае составило 138,2 мм, что на 30% больше имеющихся данных натурных наблюдений (106,6 мм). Таким образом, подтверждаются предпосылки о том, что имеются отличия фактических свойств грунтов основания водоприемника от проектных значений.
Таким образом, в результате выполненных расчетных исследований на основе разработанной автором методики были уточнены значения модулей деформации участков нескального основания водоприемника Загорской ГАЭС-2 и определены расчетные значения осадок.
Результаты расчетного определения (уточнения) фактических физико-механических характеристик скального основания секции №28 бетонной плотины Богучанской ГЭС на основе конечно-элементных моделей с учетом данных натурных наблюдений
На основе разработанной методики было выполнено расчетное определение (уточнение) фактических физико-механических характеристик основания характерных секций №№ 12, 19, 23, 28, 31, 34 бетонной плотины Богучанской ГЭС [66, 95, 97, 98].
В качестве примера приводится расчетное уточнение физико-механических характеристик основания секции №28, которое проводилось итерационным путем для шестнадцати характерных этапов возведения сооружения на основе соответствующих конечно-элементных моделей секции №28 совместно с основанием (рисунки А.36...А.67 Приложения А).
Исходные данные для расчетных исследований (конструктивные особенности данного сооружения, инженерно-геологическое строение основания, расчетные этапы возведения секции №28 и соответствующие им объемы уложенного бетона, проектные значения физико-механических характеристик материалов сооружения и грунтов основания, данные натурных наблюдений, характер действия нагрузок и пр.) приводятся выше в главе 2.
Методика проведения расчетных исследований и виды разработанных конечно-элементных моделей представлены в главе 3.
Результаты определения модулей деформации зон основания по 16-ти этапам возведения секции №28 бетонной плотины Богучанской ГЭС представлены в таблице 4.2.1.
В процессе итерационных вычислений результаты расчетов на каждой итерации сравнивались с данными натурных измерений относительных осадок приконтактных зон основания толщиной, соответственно, 2 м и 5 м, а также полной осадки активной зоны основания (ориентировочно, глубиной до 200 м). Сравнение результатов проводилось в контрольных сечениях, соответствующих местам установки КИА. В результате корректировки конечно-элементных моделей уточнялись физико-механические характеристики свойств основания, позволяющие приблизить расчетные величины деформаций 2-х и 5-ти метровых зон, а также расчетные величины полных осадок к данным натурных измерений. Следует упомянуть, что на каждом этапе также выполнялась корректировка величин исходных (натурных) данных по осадкам с учетом доли осадки, вызванной пригрузкой от возведения окружающих сооружений на основе соответствующих КЭ моделей систем «бетонное сооружение - примыкающие сооружения - основание». При этом следует отметить, что доля осадки от пригрузки соседними секциями на глубине от 50-ти до 100 м в среднем составляла 15-20% от полной осадки. Стабилизация вертикальных напряжений для последнего 16-го этапа возведения сооружения наступала в среднем на глубине 200-250 м при величине 0,2-0,22 МПа, что менее 10% от давления на основание под верховым столбом секции №28. На глубине 50 м отмечалось 78% от полной осадки; на глубине 100 м – 89% от полной осадки; на глубине 150 м – 95% от полной осадки; на глубине 200 м – 99% от полной осадки.
В результате расчетного определения физико-механических характеристик скального основания секций №№12,19,21,23,28,31,34 (в том числе секции №28) бетонной плотины Богучанской ГЭС в рамках разработанного методического подхода на основе данных натурных наблюдений строительного периода, были уточнены фактические свойства скального основания бетонной плотины.
На первой итерации расчетов в КЭ модели принимались проектные значения модулей деформации грунтов основания. При этом результаты расчётов осадок оказались сильно заниженными. В связи с этим в модель основания была введена зона Б1тк с пониженными деформативными характеристиками в приконтактной зоне «бетон – скала».
Картины деформированного состояние секции №28 совместно с основанием и цветовые поля распределения осадок по этапам с начала её возведения представлены на рисунках А.36...А.67 (Приложение А).
Так, в верховой зоне основания модуль деформации увеличивался от 153 МПа на глубине 0-2 м до 5175 МПа на глубине 20-100 м, а в низовой – соответственно, от 105 до 5175 МПа. При этом максимальное значение осадки секции №28 на данном этапе составило 6,3 мм.
Результаты расчета для 3-го этапа возведения секции №28 (по состоянию на 1985 г.) приведены в таблице 4.2.4
Так, в верховой зоне основания модуль деформации увеличивался от 483 МПа на глубине 0-2 м до 5700 МПа на глубине 20-100 м, а в низовой – соответственно, от 169 до 5700 МПа. При этом максимальное значение осадки секции №28 на данном этапе составило 13,7 мм.
Результаты расчета для 7-го этапа возведения секции №28 (по состоянию на 1992 г.) приведены в таблице 4.2.8.
Так, в верховой зоне основания модуль деформации увеличивался от 509 МПа на глубине 0-2 м до 5825 МПа на глубине 20-100 м, а в низовой зоне соответственно от 193 до 5825 МПа. При этом максимальное значение осадки секции №28 на данном этапе составило 14,8 мм.
Результаты расчета для 8-го этапа возведения секции №28 (по состоянию на 1995 г.) приведены в таблице 4.2.9
Так, в верховой зоне основания модуль деформации увеличивался от 553 МПа на глубине 0-2 м до 6060 МПа на глубине 20-100 м, а в низовой -соответственно от 240 до 6060 МПа. При этом максимальное значение осадки секции №28 на данном этапе составило 15,6 мм.
Результаты расчета для 10-го этапа возведения секции №28 (по состоянию на 1997 г.) приведены в таблице 4.2.11.
Анализ полученных результатов показал, что на начальных этапах строительства возможно искажение зависимости деформирования приконтактной зоны основания от её нагружения вследствие разуплотнения и трещинообразования скальной породы при разработке основания взрывным способом (а также последующего закрытия трещин в основании под нагрузкой) и пр. Поэтому требуются осторожные, а не прямолинейные подходы к анализу данных на всех этапах возведения сооружений.
Расчёты модуля деформации приконтактного слоя с учётом поэтапности возведения секции бетонной плотины № 28 (впрочем, как и других секций) показали, что на начальной стадии строительства в результате долгостроя и воздействия сурового климата происходило ежегодное ухудшение физико-механических свойств основания (таких как прочность, жесткость, деформативность, трещиноватость, водонепроницаемость и др.); далее модуль деформации приконтактного слоя под влияние роста нагрузки с течением времени увеличивался, трещиноватость и водопроницаемость не увеличивались, а уменьшались, так как в основании и секциях бетонной плотины при «долгострое» происходят два разнонаправленных процесса:
- структурное разрушение долеритов и, особенно, бетона плотины в результате процессов выветривания;
- закрытие трещин в основании под влиянием роста нагрузки от техногенных (из-за взрывов) и естественных (из-за разгрузки) источников; причём для долеритов, в отличие от бетона, второй процесс явно превалирует, в результате чего и происходит увеличение модуля деформации приконтактного слоя основания.
Таким образом, на основе разработанной автором методики были уточнены значения модулей деформации участков скального основания секции № 28 бетонной плотины Богучанской ГЭС (а также других секций плотины), получены расчетные значения осадок и апробирована в целом разработанная методика определения модулей деформации основания большинства секций бетонной плотины Богучанской ГЭС.
Известно, что модуль деформации скальной породы косвенно определяет её качество и прочностные характеристики [16, 21, 29, 67, 84, 89, 106, 107].
В ОАО «Институт Гидропроект» на основе многочисленных натурных экспериментов по определению деформативных и прочностных характеристик скальных пород разработана методика определения параметров Ran, С и tg# по величине модуля деформации приконтактного слоя [58]. Зависимости, связывающие модуль деформации Е и прочностные параметры Ran, С и tg# , приведены в главе 3 настоящей диссертации (формулы 3.3.2…3.3.4). Для их подсчётов использованы значения модуля деформации приконтактного слоя секции № 28 бетонной плотины Богучанской ГЭС, определённые автором.
С учетом упомянутых зависимостей, с использованием полученных значений модулей деформации были определены прочностные характеристики грунтов основания секции №28 бетонной плотины Богучанской ГЭС (таблица 4.2.18).