Формирование напряженно-деформированного состояния арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС

Актуальность темы

Высоконапорные бетонные плотины, являющиеся элементом природно-техногенной системы, должны отвечать требованиям надежной их эксплуатации и безопасности. Эксплуатационная надежность бетонных плотин и определяемая ею их безопасность обеспечиваются на различных этапах формирования системы плотина-основание комплексом наиболее значимых факторов:

1) при проектировании — правильной оценкой физико-механических характеристик скального основания, бетона плотины и геодинамических условий района ее возведения, а также использованием корректных методов расчета;

2) в условиях временной эксплуатации, определяемой периодом работы недостроенного сооружения при поэтапном его нагружении, — точной рёализаци-ей проектных решений;

3) на стадии нормальной эксплуатации, характеризуемой работой плотины проектным профилем при расчетном напоре, — соблюдением правил эксплуатации и в случае необходимости их корректировок.

В силу различного рода причин влияние вышеуказанных факторов на безопасную работу плотин далеко не всегда поддается точной теоретической оценке. В большей степени это относится к арочным плотинам, расчеты которых сопряжены со специфическими трудностями, обусловленными сложностью их геометрии и характера взаимодействия с вмещающим скальным массивом. Кроме того, достоверность результатов статических расчетов арочных плотин в значительной степени определяется совершенством используемых методов. Так, в период 1960;1970 гг. переход от строительства гравитационных плотин высотою несколько более 100 м (Братская, Красноярская, Усть-Илимская) к возведению высоконапорных арочных плотин (Чиркейская, Ингурская, Саяно-Шушенская) не был подкреплен соответствующим расчетным обоснованием по причине ограниченных возможностей существовавших в то время методов. 6.

Указанные выше обстоятельства не позволяли с достаточной степенью достоверности оценить напряженно-деформированное состояние системы плотина-основание, а вместе с тем и ее безопасность.

В этих условиях особую актуальность приобретают натурные наблюдения, являющиеся объективным источником информации о поведении бетонных плотин в период их эксплуатации. В соответствии с Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений» (№ 117-ФЗ, 21.07.97 г.) контроль состояния системы плотина-основание, осуществляемый с помощью натурных наблюдений и исследований или мониторинга на базе оптимально организованного контрольно-измерительного комплекса, является основным средством обеспечения безопасной работы высоких бетонных плотин. Изучение напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание составляет важную и неотъемлемую часть этих исследований.

С другой стороны, знание условий формирования напряженно-деформированного состояния плотины и основания и их роли в этом процессе, полученное по материалам натурных наблюдений, позволяет создать математическую модель этой системы, адекватную ее реальному состоянию.

Необходимость быстрого освоения капиталовложений и покрытия дефицита электроэнергии в народном хозяйстве определили технологию возведения высоконапорных отечественных плотин — со штраблением профиля. Так, к пуску первого агрегата Саяно-Шушенского гидроузла в тело плотины было уложено около 30% бетона от проектного. На других энергообъектах с высокими плотинами первые агрегаты вступали в работу при минимальных объемах бетона, составляющих от 50 до 80% от проектных. Глубокое штрабление плотины является одним из технологических факторов, способствующих образованию зоны двухосного растяжения в основании под напорным столбом. Вместе с тем в отечественной практике строительства бетонных плотин со столбчатой разрезкой широко используются методы целенаправленного воздействия на напряженно-деформированное состояние блоков и массивов, обеспечивающие обжа7 тие напорной грани совместно с контактной зоной основания и частично компенсирующие влияние штрабления профиля плотины. В целом, роль технологии возведения плотины в формировании текущего и особенно конечного напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание с использованием материалов натурных наблюдений и исследований изучена еще недостаточно полно, что определяет важность и своевременность выполнения настоящей работы.

Целью диссертационной работы является исследование формирования напряженно-деформированного состояния высоконапорных плотин и скальных оснований в периоды временной и нормальной эксплуатации с учетом влияния природных условий и технологических факторов, разработка и реализация на его основе мероприятий по регулированию напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание Саяно-Шушенского гидроузла.

В соответствии с поставленной проблемой решались следующие задачи:

1) оценка оптимальности измерительного комплекса, выполненного в проектном объеме;

2) модернизация системы контроля на основе разработки и внедрения предложений по организации мониторинга напряженно-деформированного состояния;

3) определение влияния методов целенаправленного воздействия на напряженное состояние бетонных блоков и массивов, этапности возведения и нагру-жения плотины на текущее и конечное напряженно-деформированное состояние системы плотина-основание;

4) установление границ зоны трещинообразования в бетоне напорной грани, глубины раскрытия контакта скала-бетон и динамики развития трещин в бетоне и на контакте;

5) оценка роли внешних температурных и техногенных воздействий на напряженно-деформированное состояние плотины в период нормальной эксплуатации. 8.

Методика исследований. В данной работе представлены обобщенные результаты многолетних натурных наблюдений и исследований напряженно-деформированного состояния уникальной арочно-гравитационной Саяно-Шушенской плотины на р. Енисей, не имеющей аналогов в мировой практике плотиностроения. Плотина возведена в районе с суровыми климатическими условиями, сейсмичность которого составляет 8 баллов.

Уникальность исследуемого объекта определяется соотношением длины по гребню плотины (Ь) и ее высоты (Н), которое характеризуется коэффициентом створности (Ь/Н). Для Саяно-Шушенской плотины (Ь=1074 м, Н=242 м) он равен 4,4 и превышает в 2 раза коэффициент створности однотипной плотины Глен-Каньон (США, Ь=458 м, Н=216 м), материалы проектирования и строительства которой были использованы при разработке технического проекта Саяно-Шушенского гидроузла в 60-е годы. Коэффициент створности Саяно-Шушенской плотины больше аналогичных показателей арочных плотин Чир-кейской (Ь=333 м, Н=232 м) и Ингурской (Ь=758 м, Н=272 м) соответственно в 3,1 и 1,6 раза.

Исследования выполнены под руководством и непосредственном участии автора в период с 1978 по 2001 гг. При анализе поведения системы плотина-основание использовались также материалы натурных наблюдений и исследований, проводимых Всесоюзным научно-исследовательским институтом гидротехники им. Б. Е. Веденеева (г. Санкт-Петербург) и его Сибирским филиалом (г. Красноярск) в периоды временной и нормальной эксплуатации.

Научная новизна:

1. Разработаны и внедрены предложения по повышению уровня организации натурных наблюдений и исследований напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание.

2. Сформулированы универсальные диагностические правила и определены граничные условия, позволившие уточнить параметры математической модели системы плотина-основание, разработанной Ленгидропроектом. 9.

3. Обобщены результаты многолетних натурных наблюдений и исследований уникальной арочно-гравитационной плотины, на основе которых приняты инженерные решения по корректировке напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание.

Практическая ценность. Исследования напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание на различных этапах его формирования позволили:

1. Повысить уровень организации натурных наблюдений на основе внедрения предложений по созданию мониторинга.

2. Создать и внедрить математическую модель для статических расчетов арочно-гравитационной плотины, корректно отображающую ее состояние.

3. Разработать рекомендации по режиму наполнения и опорожнения водохранилища годичного регулирования, созданного высокой плотиной в суровых климатических условиях.

4. Обосновать необходимость проведения ремонтных работ в теле плотины и основании на стадии нормальной эксплуатации.

5. Использовать полученные материалы натурных наблюдений при проектировании, строительстве и эксплуатации высоких бетонных плотин, а также при обучении студентов ВУЗов по специальности 290 400 «Гидротехническое строительство» и подготовке специалистов-гидротехников на курсах повышения квалификации.

Практическая реализация. Результаты исследований по теме диссертационной работы были использованы Ленгидропроектом при разработке и внедрении математической модели для расчета напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание и в процессе эксплуатации уникальной арочно-гравитационной Саяно-Шушенской плотины, что позволило повысить ее надежность и эффективность работы гидроэлектростанции.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены в виде докладов на научно-техническом совещании «Обеспечение.

10 безопасности гидротехнических сооружений электростанций" (г. Сергиев Посад, 1993 г.), всесоюзной школе-семинаре (г. Саяногорск, 1994 г.), семинаре «Мониторинг гидротехнических сооружений» (г. Москва, 1997 г.), экспертном Совете РАО ЕЭС России (г. Москва, 1999 г.), международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние земных недр» (г. Новосибирск, 1999 г.), 57-ой и 58-ой научно-технических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (г. Новосибирск, 2000 г.), всероссийском совещании гидроэнергетиков (г. Самара, 2000 г.), 1-ом и П-ом всероссийских семинарах «Проблемы обеспечения безопасности гидротехнических сооружений» (г. Новосибирск, 2000, 2001 гг.).

По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ. Результаты натурных исследований, приведенные в настоящей работе, отражены автором более чем в двадцати технических отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация (в одном томе) состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (61 наименование), приложения и содержит 134 страницы текста, 27 рисунков, 9 таблиц, 1 приложение.

5.4. Выводы.

1. Переход от строительства гравитационных плотин высотою несколько более 100 м к возведению высоконапорной арочно-гравитационной Саяно-Шушенской плотины, к сожалению, не был подкреплён расчетным обоснованием напряженно-деформированного состояния соответствующего уровня по причине ограниченных возможностей существовавших в то время методов. Согласно расчетам, реализованным на стадии технического проекта, область растяжения в бетоне напорной грани ключевой секции при действии проектных нагрузок распространялась вглубь массива на 12 м от напорной грани.

2. Расчеты, выполненные на стадии рабочего проектирования, со всей очевидностью показали, что запроектированная конструкция предопределяет раскрытие контакта скала-бетон и наличие зоны растяжения в бетоне напорной грани значительной протяженности. В этой связи всякое нарушение технологии возведения плотины неизбежно приводит к ухудшению напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание.

3. При эксплуатации плотины под действием расчетного напора комплексными натурными наблюдениями установлены: a) раскрытие контакта скала-бетон на глубину около 34-х м от напорной грани в сторону низовой и разуплотнение основания русловой плотины на глубину до 85-ти м от контакта скала-бетонb) раскрытие горизонтальных трещин в бетоне напорной грани между отм. 344 и 359 м, 374 и 386 м на глубину до 23-х и 15-ти м соответственноc) дифференцированная работа берегов: разуплотнение правого берега ниже отм. 450 м и левого — ниже отм. 420 м при его существенно большей нагру-женности в верхней части.

4. Адаптация системы плотина-основание сопровождалась накоплением необратимой составляющей горизонтальных перемещений, ростом сжимающих напряжений в плотине, фильтрационных расходов в основании и через на.

122 порную грань между отм. 332 и 386 м. К началу ремонтных работ в бетоне наметилась тенденция к стабилизации контрольных параметров плотины, но фильтрационные процессы в основании русловой плотины продолжали развиваться.

5. При определении режима наполнения и опорожнения водохранилища с целью обеспечения благоприятного напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание следует рекомендовать: a) наполнение водохранилища до НПУ завершать при «теплой» плотинеb) опорожнение водохранилища осуществлять не позднее третьей декады сентябряc) не допускать длительного выдерживания высоких уровней верхнего бьефа, близких к НПУ, поздней осенью (октябрь-ноябрь).

6. Материалы натурных исследований позволили обосновать необходимость проведения ремонтных работ в растянутой зоне бетона, основании русловой плотины и разработать проект производства ремонтных работ с целью ликвидации фильтрации. В итоге инъецирования трещин в бетоне напорной грани плотины были достигнуты результаты, позволившие повысить надежность плотины и эффективность работы ГЭС: a) практически полностью устранена фильтрация в зоне, удаленной на 50 м от контакта скала-бетон: остаточные фильтрационные расходы не превысили 5-ти л/с, или 1-го % от первоначальногоb) восстановлена сплошность напорной грани между отм. 344 и 359 мc) обжат бетон напорной грани выше и ниже ремонтируемой зоны максимально на 2 и 1 МПа соответственно;

1) уменьшены фильтрационные расходы в верхней растянутой зоне (отм. 374.

386 м) с 55-ти до 36-ти л/се) уменьшены фильтрационные расходы в основании русловой плотины на бОл/с.

Заключение

.

Исследование напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание на различных этапах его формирования с учётом всех значимых факторов позволило получить научно-обоснованные результаты, сформулировать выводы и рекомендации по вопросам проектирования, строительства и эксплуатации высоких бетонных плотин на скальных основаниях. Основными из них являются:

1. Поставлена и решена комплексная задача по определению и оценке напряженно-деформированного состояния системы плотина-основание.

2. Расширены представления о роли технологических факторов в процессе формирования напряженно-деформированного состояния плотины и основания.

3. Повышена эффективность контроля состояния плотины и основания за счёт внедрения предложений по расширению измерительного комплекса и организации мониторинга.

4. Показано, что отставание в омоноличивании штраблёного профиля плотины относительно объёмов, предусмотренных пусковыми комплексами строительно-монтажных работ, и позднее включение в работу четвёртых столбов привели к раскрытию контакта скала-бетон под русловой плотиной в период временной эксплуатации при напоре на сооружение около 70-ти % от проектного.

5. На основе ретроспективного анализа установлено, что образование поверхностных горизонтальных трещин в бетоне напорной грани между отм. 344 и 386 м вызвано неблагоприятным термонапряженным состоянием бетонных блоков, укладываемых с высокой интенсивностью перед началом заполнения водохранилища (1978 г.). В дальнейшем действие ежегодно возрастающих сил гидростатического давления на неоптимальный профиль.

124 плотины способствовало постепенному продвижению трещин в массив бетона первых столбов.

6. Установлено, что статическая работа плотины и основания при действии расчётного напора существенно отличается от проектной: a) глубина раскрытия контакта скала-бетон вдоль подошвы плотины превысила 34 мпо проекту зона действия растягивающих напряжений ограничивалась 12-ю мb) разуплотнение основания отмечено на глубине до 85-ти м от контакта скала-бетон с разрывом глубокой цементационной завесыc) максимальный фильтрационный расход через основание русловой плотины составил 518 л/с, превысив прогнозируемый в 3,5 разаd) раскрытие горизонтальных трещин между отм. 344 и 359 м, 359 и 386 м произошло на глубину до 23-х и 15-ти м от напорной грани соответственно (не прогнозировалось) — e) максимальный фильтрационный расход через напорную грань между отм. 332 и 359 м достиг 458-ми л/с (не прогнозировался), между отм. 359 и 386 м — 55-ти л/с (не прогнозировался).

7. Показана целесообразность отказа от устройства шва-надреза со стороны напорной грани на высоте 12-ти м от подошвы плотины, рассматриваемого на стадии технического проектирования в качестве мероприятия по предотвращению раскрытия контакта скала-бетон и снятию растягивающих напряжений в бетоне напорной грани. Уменьшить раскрытие контакта скала-бетон под напорной гранью арочно-гравитационной плотины или вовсе его избежать можно было бы за счет увеличения купольности плотины, позволившей сместить центр тяжести сооружения в сторону напорной грани.

8. Для обеспечения благоприятного напряженно-деформированного состояния высоких бетонных плотин в суровых климатических условиях рекомендовано:

125 a) наполнение водохранилища до НПУ завершать еще при «теплой «плотине, применительно к Саяно-Шушенской — к концу августаb) опорожнение водохранилища осуществлять с началом остывания бетона низовой грани, для Саяно-Шушенского гидроузла — не позднее третьей декады сентябряc) не допускать длительного воздействия на плотину максимальной или близкой к ней гидростатической нагрузки поздней осенью (октябрь-ноябрь).

9. Длительное выдерживание высоких УВБ поздней осенью и ранней зимой (в случае остановки агрегатов на ремонт) возможно при принудительном нагревании низовой грани. Для этих целей рекомендуется использовать систему трубного охлаждения, которая, к сожалению, с завершением строительных работ на всех отечественных плотинах демонтируется.

10. Разработанные универсальные диагностические правила могут быть использованы для установления явлений раскрытия контакта скала-бетон под напорной гранью бетонных плотин на скальных основаниях и горизонтальных трещин в теле сооружения, а также для определения масштабов этих явлений.

11. Выработаны рекомендации, применение которых при проектировании плотин позволит повысить эффективность натурных наблюдений в периоды временной и нормальной их эксплуатации.

Внедрение обоснованных в работе инженерных решений позволило повысить надежность плотины и эффективность работы гидроузла.