Фильтрационно-температурный режим системы "плотина-основание"

Часто негативные последствия фильтрации сказываются на устойчивости грунтовых склонов. В частности, весьма остро стоит вопрос об устойчивости склонов, на которых располагаются водоводы ГАЭС. Исследование фильтрационного режима склона и ограждающей дамбы ГАЭС проведено на примере сооружений Загорской ГАЭС-2. Пристальное внимание к фильтрационному режиму склона вызвано проблемами, возникшими при строительстве Загорской ГАЭС-1.

Грунты, складывающие верхнюю часть склона характеризуются достаточно низкими коэффициентами фильтрации (порядка 10^-2 м/сут и ниже). Влияние колебаний уровней бассейнов, происходящие за достаточно короткие промежутки времени, будет сказываться незначительно и только вблизи бассейнов, не сказываясь на общем фильтрационном режиме всего склона. Вследствие этого решалась задача установившейся фильтрации для наихудшего случая: в верхнем бассейне максимальный уровень НПУ 266,5 метров, в нижнем бассейне УМО 152,5 метра (величина расчетного фильтрационного напора составляет 114,0 м).

По результатам фильтрационных расчетов склона водоводов можно отметить: движение фильтрационного потока из верхнего аккумулирующего бассейна имеет ярко выраженный пространственный характер. Это положительно сказывается на фильтрационном режиме склона, что приводит к значительному снижению депрессионной поверхности по сравнению с результатами плоской фильтрационной задачи. Четко просматривается влияние оврага №2 и других понижений рельефа, играющих роль естественного дренажа. Учет пространственности также значительно снизил фильтрационное давление на водоприемник ГАЭС.

Помимо склона водоводов несомненный интерес представляет фильтрационный режим грунтовой дамбы верхового бассейна. Были проведены исследования фильтрационного режима дамбы верхнего аккумулирующего бассейна Загорской ГАЭС-2 в плоской постановке с учетом возможной отсыпки боковых призм дамбы слоями различной проницаемости, что вызвано стремлением к всепогодной технологии укладки грунта. При этом рассматривалось влияние таких факторов, как толщины отсыпаемых слоев, их протяженность, расположение водосборного коллектора в низовой призме дамбы. Решалась задача установившейся фильтрации при уровне воды в верхнем бассейне ГАЭС на уровне НПУ 266,5 метров для 2-х сечений дамбы: ПК 26+00 и ПК+11.00. Следует отметить, что рассматривался наихудший с точки зрения фильтрации случай: уровень воды верхнего бассейна ГАЭС рассматривался на отметке НПУ.

Конструкция дамбы в сечении ПК 26+00 представляет собой следующее. Вдоль верхового откоса дамбы выполнен экран из суглинистого грунта толщиной 5,0 метров с коэффициентом фильтрации К_ф=0,005 м/сут. По оси дамбы устроен вертикальный дренаж толщиной 2,0 м из грунта с коэффициентом фильтрации К_ф=1,0 м/сут. Вдоль основания под низовой призмой и частично под верховой уложен горизонтальный дренаж толщиной 2,0 м из грунта с коэффициентом фильтрации К_ф=1,0 м/сут. Горизонтальный дренаж сопрягается с вертикальным и заканчивается водосборным коллектором. В проведенных расчетах варьировалось удаленность коллектора от оси дамбы. Верховая и низовая призмы дамбы представляют собой слоистую конструкцию, уложенную чередующимися слоями одинаковой толщины, выполненными из грунтов с различной проницаемостью: с коэффициентами фильтрации К_ф=0,5 м/сут (укладываемый в любых погодных условиях) и К_ф=0,01 м/сут. Варьировалась толщина укладываемых слоев (1 и 2м).

Аналогичные исследования были проведены для сечения дамбы в ПК 11+00, имеющей аналогичную конструкцию. Исследования фильтрационного режима дамбы ВАБ ГАЭС позволили сделать вывод о возможности послойной укладки грунта различной проницаемости при заданных характеристиках грунтов и нормальной работе противофильтрационных элементов.

Конструкциями, для которых особый интерес представляет решение фильтрационной задачи в нелинейной постановке, являются взрывонабросные плотины. Грунтовые плотины, возводимые методом направленного взрыва, при некоторых условиях могут дать существенную экономию по сравнению с другими конструкциями водоподпорных сооружений. При этом существенно снижается объем дорогостоящих подготовительных работ (отпадает необходимость в устройстве сети дорог, карьерного хозяйства) и количество землеройной и транспортной техники.

Вместе с тем, недостатком таких конструкций является повышенная проницаемость, что может привести к большим фильтрационным потерям.

Особенностями фильтрационной задачи взывонабросной плотины является нелинейная зависимость между скоростью фильтрационного потока и градиентом фильтрационного напора. Еще одной особенностью взрывонабросной плотины является неравномерность распределения геотехнических свойств грунта (в том числе и коэффициента фильтрации) как по высоте конструкции, так и от борта к борту, что обусловлено неравномерным уплотнением в результате навала грунта от действия направленного взрыва. Исследования влияния этих особенностей на фильтрационный режим взрывонабросной плотины, а также оценка эффекта "пространственности" проводились на примере плотины Камбаратинского гидроузла-2. Кроме того, было необходимо оценить фильтрационные потери через эту конструкцию и возможность ее эксплуатации (хотя бы временной) без устройства противофильтрационного элемента.

Камбаратинская плотина возводится направленным взрывом в сложных топографических условиях. Каньон плотины имеет сложную форму - в борту правого берега имеется естественная выемка, в пределах которой длина плотины по гребню достигает 400 метров. Затем по течению реки каньон сужается до 200 метров (на отметке НПУ) и после сужения наблюдается вновь плавное расширение каньона в сторону нижнего бьефа (рис. 7, а). На основании прогноза изменения геотехнических свойств грунта по высоте в рассмотренной плотине было выделено пять зон с различными коэффициентами фильтрации и показателями степени от К_{ф =} 2.5 см/сек ( = 0.6) в верхних слоях и в бортовых примыканиях до К_{ф =} 0.3 см/сек ( = 0.95) в нижней части плотины. Некоторы результаты пространственного расчета фильтрации в теле плотины даны на рис. 7. На рис. 7, а показаны в плане следы поверхностей равных напоров и поверхностей тока на депрессионной поверхности и низовом откосе плотины. Линии равных напоров (эквипотенциали) проведены с шагом 0.1 в долях относительной величины статического напора. Следы поверхностей тока построены по касательным к проекциям вектора скорости на плоскость чертежа. Можно отметить четко выраженный пространственный характер движения фильтрационного потока с отклонением линий тока к правому борту каньона. К нижнему бьефу линии тока концентрируются к русловой части створа. Направление движения потока на депрессионной поверхности иллюстрируется на рис. 7, б, где по продольным сечениям построены эпюры составляющей скорости V_x. Как видно из данного рисунка, со стороны верхнего бьефа поток в плане направлен в сторону выемки в правобережном борту, где максимальная составляющая скорости V_x достигает величины 0.48 см/сек. Затем, в сечении В-В на выходе из выемки, поток меняет направление на противоположное, а по мере приближения к нижнему бьефу вновь изменяет направление, повторяя изгибы правого борта каньона. В результате, на выходе фильтрационного потока в нижний бьеф ниже кривой высачивания депрессионной поверхности на низовой откос образуются два встречных потока, смыкающихся в районе продольного сечения VI-VI. Максимальная выходная скорость здесь равна 1.87 см/сек.

Положение депрессионной поверхности, следы поверхностей равных напоров и тока показаны также в продольном сечении V-V (рис. 7. в). Следует отметить, что поверхности тока имеют угол наклона к напорной грани несколько меньше, чем 90 градусов, что обусловлено использованием нелинейного закона фильтрации. В верховом клине сечения V-V наблюдаются изломы следов поверхностей тока и небольшие искривления эквипотенциалей на границах зон с различными коэффициентами фильтрации.

Для поперечного сечения А-А, параллельного плоскости XOZ, построены положение депрессионной поверхности, следы поверхностей тока и направления проекций векторов скорости фильтрации на плоскость XOZ (рис. 7, г). Можно отметить достаточно плавный характер следов поверхностей тока в верховом сечении А-А, отклонение фильтрационного потока в сторону правобережной выемки. По мере продвижения потока в сторону нижнего бьефа и, особенно, в низовом сечении С-С, наблюдается интенсивная циркуляция воды в вертикальном направлении, которая образуется в результате взаимодействия встречных потоков.

Сформировавшаяся в плотине депрессионная поверхность имеет сложную пространственную форму. Как видно из рис. 7, г, положение депрессионной поверхности изменяется от борта к борту: ее средний уклон в направлении от верхнего к нижнему бьефу уменьшается от правого борта к левому борту, и в продольном сечении IX-IX она становиться горизонтальной. Одновременно наблюдается понижение уровня депрессионной поверхности от центра потока к бортам (сечения А-А, В-В, С-С). Высота выклинивания на низовой откос также непостоянна - в русловом сечении V-V она достигает максимальной отметки 21.0 м, уменьшаясь к бортам каньона.

Величина фильтрационного расхода для контроля определялась по двум сечениям - входному (вдоль верхового откоса) и выходному (вдоль низового откоса). Невязка по величинам расхода составила 5 % при его средней величине 17 м ³/сек. При этом получено неравномерное распределение расхода по высоте плотины. Основная часть потока фильтрует через две верхние зоны с максимальными коэффициентами фильтрации, а в нижних зонах значения скорости резко уменьшаются. В связи с этим была дана рекомендация о возможном снижении проницаемости верхних слоев за счет их замыва мелкозернистым грунтом или формирования более высокой плотины, что позволит исключить высокопроницаемый материал из фильтрационной области. При условии снижения проницаемости верхних слоев до уровня нижних слоев следует ожидать снижение фильтрационного расхода в 2.5-3.0 раза.

Нелинейность закона фильтрации значительно сказывается на проницаемости материала в теле плотины, которая в зонах, близких к верхнему бьефу, оказывается в 30-50 раз выше, чем со стороны нижнего бьефа. Это приводит к "запиранию" фильтрационного потока со стороны нижнего бьефа и подъему депрессионной поверхности по сравнению с режимом линейной фильтрации, где величина коэффициента фильтрации не зависит от градиента.

Для сравнения результатов этим же методом была решена плоская задача фильтрации через русловое сечение плотины. Определена величина удельного фильтрационного расхода - 0.085 м ³/сек. При пересчете на объемную задачу в самом узком сечении (В-В) получен полный расход порядка 15 м ³/сек. При этом в плоской задаче точка высачивания получена на 14 метров ниже, чем в русловом сечении V-V пространственной задачи (рис. 7, в). Это объясняется сильным сжатием фильтрационного потока в узкой части каньона.

Получены также другие отличия результатов пространственной и плоской задач. Так, в плоской задаче получено более равномерное распределение компоненты скорости V_y по глубине потока, что объясняется перераспределением плановых скоростей в пространственной задаче. Максимальные скорости на выходе фильтрационного потока в нижний бьеф в плоской задаче оказались в 1.2 раза ниже, чем в пространственной.

Как видно из сопоставления результатов, учет пространственности при расчетах фильтрации для взрывонабросных плотин необходим, что обусловлено особенности формирования тела плотины в результате навала грунта. Для рассмотренной конструкции это еще необходимо и из-за сложной формы каньона. Следует отметить, что решение задачи при условии нелинейных фильтрационных свойств вызывает "наведенную" анизотропию.

Исследования о влиянии трещин и разломов на фильтрационный режим скального основания плотины в плоской и пространственной постановках были выполнены на примере плотины Бурейского гидроузла. Скальное основание рассматривалось как дискретная среда, состоящая из цельных пористых блоков с различной водопроницаемостью и системы трещин определенной проницаемостью. Согласно использованной геофильтрационной модели ЦСГНЭО ОАО "Институт Гидропроект" каждая "тектоническая зона" представляет собой трехслойное образование: в центре располагается так называемая "зона сместителя" (зона дробления), заполненная материалами с определенной водопроницаемостью. По бокам от "зоны сместителя" располагаются "зоны влияния", представляющие собой области повышенной трещиноватости и водопроницаемости. В конечно-элементной аппроксимации в плоской и в пространственной постановках "зоны сместителей" моделировались трещинными элементами, а "зоны влияния" - обычными конечными элементами с толщинами, равными толщинам зон.

Фильтрационная задача в плоской постановке решалась для 3-х сечений по осям секций №№ 16, 21 и 29 бетонной плотины. Учет "тектонических зон" изменил распределение линий равных напоров и увеличил удельные расходы на 10ё19 % под секциями № 16, 21 и на 50 % в основании секции № 29. Общий фильтрационный расход с учетом "тектонических зон" в русловой части, полученный из решения плоских задач, ориентировочно равен примерно 0,16 м ³/с.

Для описания геометрии массива основания бетонной плотины Бурейского гидроузла для пространственной фильтрационной задачи был выделен массив основания. Сетка МКЭ выделенной расчетной области фильтрации в продольном разрезе по оси плотины представлена на рис 8, а. В основании также выделены шесть наиболее крупных тектонических зон. В проведенных расчетах принимались максимальные пределы изменения коэффициентов фильтрации и значения толщин "зон влияния". Под напорной гранью бетонной плотины моделировалась цементационная завеса, доходящая в русловой части до отметки 85.0. За цементационной завесой воспроизводился глубинный дренаж основания.

На рис. 8, б дана картина пространственной фильтрации в левобережной части створа. Положение депрессионной поверхности фильтрационного потока показано в виде ее следов на поверхностях, образующих поверхность основания и границы расчетной области. Также показаны "следы" поверхностей равных напоров.

Без учета "тектонических зон" величина фильтрационного расхода через расчетную область составляет величину ~0,313 м ³/сек, большая часть которого приходится на основание под русловой частью створа (~0,160 м ³/сек). Учет "тектонических зон" с большой водопроницаемостью значительно увеличил значения расходов под русловой часть и под правобережной глухой частью плотины, где сосредоточены эти нарушения. Расход под русловой частью плотины увеличился с 0,160 м ³/сек до 0,709 м ³/сек, под правобережной глухой частью плотины с 0,059 до 0,501 м ³/сек. Величина суммарного расхода в створе увеличилась с 0,313 до 1,365 м ³/сек. Полученная величина фильтрационного расхода Q_ф 1,4 м ³/сек при учете "тектонических нарушений" с максимальной водопроницаемостью, по видимому, является близкой к верхнему пределу, так как в расчеты вводились максимальные значения коэффициентов фильтрации и толщины зон с повышенной водопроницаемостью. Эта величина может быть использована при выборе контрольного параметра при натурных измерениях фильтрационного расхода. Проницаемость "тектонических зон" значительно влияет на величину фильтрационного расхода. Так, при уменьшении величин коэффициентов фильтрации "зон влияния" в 10 раз по сравнению с максимальными принятыми, расход снижается до 0,607 м ³/с (из них 0,215 м ³/с - под русловой частью).

В целом по проведенным исследованиям фильтрационного режима основания плотины Бурейской ГЭС можно сделать следующие выводы. Решение пространственной фильтрационной задачи позволило получить картину распределения фильтрационного потока с учетом расположения "тектонических зон" в объеме расчетной области. Основная часть фильтрационного расхода проходит в основании русловой части и правобережной глухой плотины, где и сосредоточены крупные трещины. Приведенное исследование позволило рассмотреть в новой постановке движение фильтрационного потока в скальном основании. Движение воды рассмотрено с использованием закона Дарси для цельных пористых блоков и гидравлических решений Г.М. Ломизе при движении потока по крупным трещинам, которые в то же время могут играть роль дренажа. Такой прием привел к увеличению фильтрационного расхода. Учет трещиноватости повысил фильтрационный расход до 1,4 м ³/с.

Нестационарный фильтрационный режим грунтовых плотин, создающих бассейны приливных электростанций (ПЭС), или так называемых "отсечных" дамб вызывает особое внимание при проектировании. Особенности такой конструкции в фильтрационном смысле заключаются в следующем. Дамба работает в двустороннем нестационарном режиме: уровень воды больше то со стороны моря, то со стороны бассейна. При этом период колебания достаточно короткий (для Северной ПЭС он составляет 12 часов).

Водонепроницаемость дамбы должна обеспечивать фильтрационный расход через ее створ несоизмеримо меньший по сравнению с полезным объемом бассейна. В противном случае возможно снижение напора на агрегаты ПЭС и, как следствие, снижение выработки электроэнергии. В качестве основного материала для ограждающих бассейн дамб чаще всего используются крупнозернистые грунты (горная масса), имеющие значительную проницаемость. Поэтому приходится решать задачу по устройству противофильтрационного элемента дамбы, что удорожает конструкцию.

Исследования фильтрационного режима дамбы Северной ПЭС в губе Долгая проводились с целью оптимизации ее возможной конструкции. Дамба имеет максимальную высоту 42,55 метра (отметка гребня 13,55, нижняя отметка поверхности основания со стороны бассейна - 29,0, со стороны моря -21,0). В основании залегают слои различной мощности и проницаемости.

Графики изменения во времени уровней моря и бассейна в случае малофильтрующей дамбы (когда фильтрационные потери через ограждающую дамбу незначительны и практически не сказываются на уровне воды в бассейне ПЭС) приведены на рис. 9, а. Рассматривалось четыре варианта конструкции грунтовой ограждающей дамбы: однородная дамба из горной массы, каменно-набросная дамба с толстым трапецеидальным ядром толщиной 10 м по верху и 60 м по основанию, каменно-набросная дамба с прямоугольным ядром толщиной 20 м и каменно-набросная дамба с трапецеидальным ядром толщиной по верху 5 м и по низу 20 м.

Решалась нестационарная фильтрационная задача с колебаниями уровней со стороны моря и бассейна с заданным графиком изменения уровней (см. рис. 9). Временной интервал разбивался на шаги по времени, равные 1 часу.

При решении фильтрационной задачи учитывалось, что в горной массе имеет место турбулентная фильтрация, и использовалась известная формула (6) зависимости скорости фильтрации и фильтрационного градиента. Для гравийно-галечниковых и песчано-гравийных грунтов рассматривалась линейный закон фильтрации, и использовался, соответственно, закон Дарси.

Для первого варианта дамбы при коэффициенте фильтрации горной массы К_ф= 65000 м/сут или 75 см/с фильтрационные потери настолько велики, что пришлось параллельно с решением фильтрационной задачи также определять ориентировочные положения уровней воды в бассейне. Для этого на каждом временном шаге определялся удельный фильтрационный расход. В том случае, если движение фильтрационного потока было направлено из бассейна в море, оценивался полный фильтрационный расход в течение часа через всю дамбу (примерная длина эквивалентной дамбы с ее высотой 42,55 м в рассматриваемом сечении была принята 500 м). Полученные фильтрационные потери вычитались из объема бассейна. По батиграфической характеристике бассейна уточнялся уровень воды в бассейне, закладываемый в расчет на следующем временном шаге. Аналогично корректировался уровень бассейна и в случаях, когда фильтрационный расход направлен из моря в бассейн. В результате был получен график изменения уровней в бассейне с учетом фильтрационных потерь, представленный на рис. 9, б.

Из сравнения графиков на рис. 9 видно, что в случае с сильнофильтрующей дамбой из горной массы значительно снижается перепад между уровнями воды в бассейне и море. Если для варианта с малофильтрующей дамбой (рис. 9, а) этот перепад достигает почти 2 метров (момент времени 9-10 часов с начала суток), то для рассмотренного варианта ограждающей дамбы этот перепад снижается до 0,8-1,0 метра (момент времени 14 часов на рис. 9, б).

Остальные рассмотренные варианты с противофильтрационными ядрами различной конструкции также допустимы с точки зрения фильтрационных расходов и могут рекомендоваться к возведению при экономическом обосновании. Вариант однородной дамбы из горной массы возможен только за счет увеличения мелких фракций в материале наброски с d<5 мм.

Рис. 9. Графики колебания уровней моря и бассейна и фильтрационных напоров в ядре дамбы во времени (в течении суток): а - для малофильтрующей ограждающей дамбы (с ядром или с замывом горной массы песком); б - для случая однородной ограждающей дамбы из горной массы (К_ф = 65000 м/сут); в - для малофильтрующей ограждающей дамбы с трапецеидальным ядром

Условные обозначения: уровень моря;

уровни бассейна;

фильтрационные напоры в ядре дамбы (по оси ядра соответственно на отметках 23,0; -10,0; -24,5).

Таким образом, в 3-ей главе представлены результаты нескольких практически значимых фильтрационных задач, которые позволили выявить целый ряд особенностей в работе системы "плотина-основание" и отдельных конструкций при воздействии фильтрационного потока.

В четвертой главе приводятся результаты численных исследований температурного режима бетонных и грунтовых плотин. Основным фактором, влияющим формирование температурного режима бетонных плотин в период строительства, является экзотермия цемента, практически всегда вызывающая трещинообразование. Степень температурного разогрева зависит от состава бетона и ряда технологических факторов. На сегодняшний день существуют некоторые рекомендации по выбору состава бетонов и режиму возведения сооружений, однако в каждом конкретном случае необходим тщательный анализ возможного температурного разогрева массива бетона при его возведении. Исследования влияния отдельных факторов на температурный режим возводимых гравитационных плотин проводились ранее, например, для плотины Бурейской ГЭС. Однако этот пример иллюстрирует конкретные условия возведения. В данной работе предпринята попытка создания математической прогнозной модели температурного режима послойно укладываемого бетонного массива в зависимости от основных действующих факторов, изменяющихся в широком диапазоне. Использование такой модели позволит принимать рациональные решения по составу бетонов (расхода цемента и его тепловыделения) и технологической схемы возведения бетонных гравитационных плотин в различных условиях.

Рассматривалось послойное возведение бетонного столба на массиве основания. Расчеты проведены для трех случаев температурного воздействия среды: температура воздуха принималась постоянной и равной 30°С, 20°С (летний период) и 5 °С (зимний период). Температура укладываемой бетонной смеси принималась постоянной и равной t_б.с. = 16 ^oC.

Для анализа влияния факторов и создания имитационной модели использовалась методика факторного анализа. Рассматривался полно факторный эксперимент, для которого функция откликов принимает следующий вид:

Y_i = b_o + b₁X₁ + b₂X₂ + b₃X₃ + b₄X₄ + b₁₂ X₁ X₂ + b₁₃ X₁ X₃ + b₁₄ X₁ X₄ +

+ b₂₃ X₂ X₃ + b₂₄ X₂ X₄ + b₃₄ X₃ X₄ + b₁₂₃₄ X₁ X₂ X₃ X₄ (13)

В качестве факторов в проведенных исследованиях рассматривались следующие величины. Х ₁ - расход цемента (принято, что Х ₁= -1 - нижний уровень фактора, соответствующий минимальному значению расход цемента - 50 кг/м³, Х₁= +1 - верхний уровень фактора, соответствующий максимальному значению расход цемента -170 кг/м ³); Х ₂ - толщина укладываемого слоя бетона (в первом интервалеот 0.3м до 1,0 м, во втором интервале от 1,0 до 5,0 м); Х ₃ - интенсивность (скорость) бетонирования массива по высоте (рассмотрено два интервала изменения этого фактора: первый интервал - от 0,15 до 0,6 м/сут, второй интервал - от 0,6 до 2,0 м/сут); Х ₄ - полное тепловыделение цемента (от 120 КДж/кг до 350 КДж/кг). В качестве откликов рассматривались следующие величины: максимальная температура t_max, возникающая в возводимом массиве или максимальное приращение температуры Дt_max по отношению к начальной температуре бетонной смеси (разница между максимальной температурой и температурой укладки бетонной смеси). Были получены функции откликов в виде полиномов для определения максимальных температур внутри возводимого бетонного массива при интенсивности бетонирования в пределах от 0,15 до 0,6 м/сут и толщинах слоев от 0,3 до 1,0 метра (после исключения малозначимых членов):

- при температуре наружного воздуха 20°С

t_max = 24,65+3,21Х _1-0,02Х ₂+1,77Х ₃+2,55Х ₄+ 1,43Х ₁Х ₃+1,88Х ₁Х ₄ +

+0,32Х ₂Х ₃+0,93Х ₃Х ₄+0,74Х ₁Х ₃Х ₄; (14)

- при температуре наружного воздуха 5°С:

t_max=16,15+3,32Х ₁+1,01Х ₂+3,08Х ₃+3,10Х ₄+1,14Х ₁Х ₃+1,91Х ₁Х ₄+

+0,34Х ₂Х ₃+0,94Х ₃Х ₄+0,43Х ₁Х ₃Х ₄. (15)

Полученные зависимости удовлетворяют условию адекватности.

В рассмотренных примерах интенсивность бетонирования задавалась в интервале от 0,15 до 0,6 м/сут, что, в основном, и имеет место при современных методах возведения плотин из укатанного бетона. Однако, в некоторых случаях возможно возведение и при более высоких темпах возведения. Например, при бетонировании на высоких отметках, когда объемы бетонирования снижаются ввиду уменьшения ширины бетонируемого профиля, а производительность бетонного хозяйства достаточно высока. Кроме того, постоянное совершенствование технологии не исключает в недалеком будущем повышения интенсивности бетонных работ. Поэтому исследования были расширены и рассматривались примеры с бетонированием бетонного массива при интенсивности бетонирования в интервале от 0,6 до 2,0 м/сут и толщинах слоев от 0,3 до 1,0 метра. Были получены функции откликов аналогичные выражениям (14, 15)

Для получения математической модели при возведении сооружения из вибрированного бетона были проведены исследования также с применением факторного анализа. Рассматривались те же факторы, что и в предыдущих исследованиях, но с другими интервалами изменения: Х ₁ - расход цемента от 170 до 400 кг/м ³; Х ₂ - толщина укладываемого слоя бетона от 1,0 до 5,0 м; Х ₃ - интенсивность возведения массива по высоте для первого факторного пространства от 0,15 до 0,6 м/сут, для второго факторного пространства от 0,6 до 2,0 м/сут; полное тепловыделение цемента от 120 до 350 КДж/кг. В качестве откликов также рассматривались максимальная температура или максимальный разогрев внутри бетонного массива. Были получены зависимости, аналогичные уравнениям (14-15).

Для удобства использования полученных зависимостей в практических расчетах были построены номограммы, позволяющие по значениям факторов определять величину максимальной температуры, а также решать обратную задачу: по значению допустимой температуры определять состав бетона.

Номограмма для определения максимальной температуры бетона после укладки (tвоз=5^oС, расход цемента 50-170 кг/м 3, толщина слоя 0.3-1.0 м, Эmax 120-350 КДж/кг, интенсивность бетонирования 0.6-2.0 м/сут)

Номограмма для определения максимальной температуры бетона после укладки (tвоз=20^oС, расход цемента 50-170 кг/м³, толщина слоя 0.3-1.0 м, Эmax 120-350 КДж/кг, интенсивность бетонирования 0.6-2.0 м/сут)

Рис. 10. Номограммы для определения максимальной температуры в бетонном массиве (расход цемента и его тепловыделение) и технологию его укладки (толщину слоев и интенсивность возведения)

Пример номограмм для двух расчетных случаев представлен на рис. 10.

Полученная имитационная модель сравнивалась с аналогичной моделью возведения бетонного столба плотины Бурейской ГЭС, полученной во ВНИИГе им Б.Е. Веденеева. Значения температурного разогрева вследствии экзотермии, полученные по двум разным математическим моделям, практически равны, что подтверждает достоверность полученной модели.

По разработанной методике были исследованы температурные режимы гравитационных плотин из укатанного бетона: Хлонг Та Дат (Тайвань) и Шон Ла (Вьетнам). Получены температурные поля для различных моментов времени периодов строительства и эксплуатации, необходимые для дальнейшего решения задачи термонапряженного состояния.

Исследования термического режима грунтовой плотины Богучанской ГЭС проводились для определения температурного состояния асфальтобетонной диафрагмы. Прогноз температурного режима асфальтобетонной диафрагмы необходим как для определения временных шагов технологического процесса укладки асфальтобетона и грунта, так и для определения свойств асфальтобетона, влияющих на напряженно-деформированное состояние системы "плотина-диафрагма".

Рассматривался процесс остывания асфальтобетонной диафрагмы при ее послойной укладке при различных температурах воздуха: зимний вариант - 24,1єС и летний вариант +20,0єС. Возведение диафрагмы производится слоями по 0,6 метра, каждый из которых, в свою очередь, укладывается в триприема по 0,2 метра с интервалом укладки ~ 6 часов. Толщина асфальтобетонной диафрагмы - 1,2 метра. Укладка и остывание асфальтобетона от температуры укладки 160єС до 40єС происходит в теплоизолирующей опалубке (фенолпласт толщиной 6 см) со стороны боковых поверхностей. В резульате численного решения получены минимально допустимое время охлаждения асфальтобетона: в зимнее время ~48 часов и в летнее время ~72 часа, что хорошо корреспондируется с результатами физического эксперимента опытного фрагмента в г. Братске (ВНИИГ, 1984 г.)

Для прогноза температурного режима конструкции в строительный и эксплуатационный периоды решалась 2-х мерная нестационарная задача теории теплопроводности. В расчетную схему вошли грунтовая плотина с диафрагмой и прилегающим основанием. Выделены области с разными теплофизическими характеристиками. Разбивка на конечные элементы делалась с учетом поэтапности возведения сооружения и наполнения водохранилища. Была выделена часть плотины уже возведенная к началу данных исследований. Некоторые результаты исследований в виде изохром температуры на различные моменты времени представлены на рис. 11. Можно отметить, что температурное поле плотины и диафрагмы в период строительства достаточно неоднородно и представляет собой чередование зон с отрицательными и положительными температурами. Процесс выравнивания температур происходит достаточно медленно. Подъем уровня воды в верхнем бьефе привел к достаточно быстрому прогреву диафрагмы по высоте. Учитывая то, что прочностные свойства асфальтобетона в значительной степени зависят от температуры, полученные на различные моменты возведения и эксплуатации температурные поля использовались на следующих этапах исследований в расчетах напряженно-деформированного состояния конструкции.

Такие решения температурных задач необходимы при проектировании сооружений разного типа. Построение номограмм позволяет постоянно контролировать отклонения от принятых технических условий бетонирования, которые достаточно часто имеют место.

Глава 5 посвящена совместной фильтрационно-температурной задаче, решение которой необходимо для сооружениий, возводимых в условиях вечной мерзлоты. Вопросы обеспечения устойчивости и надежности таких сооружений невозможно решать без четкого представления о фильтрационном и температурном режимах плотин и их оснований. Исследования, связанные с совместным решением фильтрационно-температурной задачи, были проведены на примере плотины Курейской ГЭС.

Рассматривался участок грунтовой плотины во втором правобережном понижении. Данный участок плотины представляет собой интерес в связи с поведением этой конструкции в период эксплуатации. В 1989 году в пределах данного участка (у ПК 10) произошла аварийная ситуация, связанная с выходом фильтрационного потока на низовой откос грунтовой плотины. Осадки гребня плотины за 10-летний период эксплуатации (с 1990 по 2000 гг.) достигли 64 см и продолжали постепенно увеличиваться. Дальнейшее продолжение роста осадок могло вызвать понижение гребня противофильтрационного элемента плотины до отметки ниже уровня водохранилища и необходимость его снижения.

Расчеты температурного режима грунтовой плотины проведены в соответствии со схемой поэтапного возведения и наполнения водохранилища. К моменту возведения плотины до ее полного профиля (конец 1987 года), все ее поперечное сечение за исключением ядра выше отметки 90,0 м находилось в промороженном состоянии. К моменту наполнения водохранилища это состояние сохранялось. В средней части профиля отрицательные температуры составляли величины - 0,4ё -0,6 ⁰С.

На начальных этапах наполнения водохранилища воздействие фильтрационного потока не ощущалось. В дальнейшем тепломассоперенос за счет фильтрационного потока начинает сказываться интенсивнее и к декабрю 1989 года тепловой поток проникает через каменную наброску, и температура на верховой грани экрана достигала положительных температур ~1ё2⁰С.

Температурное поле грунтовой плотины в сечении ПК 12+50 в 1993 году (рис. 12) характеризовалось следующим. В талом состоянии находится довольно значительная часть экрана. По подошве экрана положительная температура достигла низовой грани экрана. Низовая призма плотины - в мерзлом состоянии. В средней ее части температура в пределах -0,2 ё -1,00С. Продолжается тепломассоперенос на границе экрана и цокольной части плотины. Показательна динамика изменения температуры в точке пересечения низовой грани экрана с поверхностью цокольной части (точка А, рис. 12): - 0,092 °С в январе, - 0,008 °С в июле и + 0,05 °С в сентябре месяце.

К 2002 году процесс проникновения тепла фильтрационным потоком продолжался. В январе 2002 года по сравнению с январем 1993 года граница оттаявшего грунта сместилась еще дальше в сторону нижнего бьефа. По контакту плотины с цокольной частью оттаял грунт экрана и незначительная часть грунта низовой призмы. В течение 2002 года наблюдалось увеличение положительных температур в области фильтрации (область талых грунтов). Для сравнения с 1993 годом в точке А значения температуры в течение 2002 года изменяются следующим образом: январь - +0,74°C, апрель - +0,76°C, июль - +0,78°C, сентябрь - +0,81°C.

К 2015 году тенденция проникновения теплового потока по контакту экрана и цокольной части плотины сохранялась, хотя скорость этого процесса достаточно низка. Значения температуры в точке А в 2015 году следующие: в январе +1,14°С, в апреле +1,15°С, в июле +1,16°С и в сентябре +1,18°С. Расстояние от точки А до границы талого и мерзлого грунтов по горизонтали в сторону нижнего бьефа в сентябре 2015 года составляет примерно 17,0 м. Для сравнения в сентябре 1993 года это расстояние равнялось 0, а в сентябре 2002 года - 12,3 м. Таким образом, средняя горизонтальная скорость продвижения нулевой изотермы в сторону нижнего бьефа составляет 1,4 м/год за период 1993 ё 2002 годы и 0,36 м/год за период 2002ё2015 годы. Если судить по данным расчёта, то будет иметь место некоторая стабилизация температурного режима плотины к 2015 году.

Расчеты в пространственной постановке подтвердили качественную картину фильтрационно-температурного режима, полученную из решения плоской задачи. Несколько меньшее проникновение нулевой изотермы внутрь конструкции получено у бортов плотины. Были примерно оценены скорости продвижения нулевой изотермы в нижней части экрана и цоколя. Продвижение границы мерзлых и талых грунтов за период 1993ё2002 годов характеризовалось средней скоростью по горизонтали 0,9 м/год. В вертикальном направлении средняя скорость продвижения нулевой изотермы составляла примерно 0,5 м/год. За период 2002ё2015 гг. эти величины соответственно равны 0,3 м/год по горизонтали и 0,1 м/год в вертикальном направлении. Таким образом, скорость продвижения тепловой волны в пространственной задаче меньше, чем в плоской. Сохраняется тенденция ее уменьшения со временем.

Результаты, полученные при решении пространственной задачи, сравнивались с имеющимися натурными данными. Сопоставление с натурными данными показало, что результаты решения пространственной задачи лучше соответствуют натурным данным, чем результаты решения в плоской постановке. Изменения температуры по глубине конструкции натуры и полученного численного решения практически аналогичны. Некоторые расхождения с натурными данными получены на поверхности грунтовой плотины, что, возможно, вызвано отклонениями принятых значений климатического воздействия (температуры воздуха и воды, толщины снежного покрова) от реальных величин. Сравнивая решения, полученные для плоской и пространственной задач можно отметить, что решение в пространственной постановке дает более благоприятную картину, чем в плоской. Область талых грунтов в центральных сечениях плотины, полученная из пространственного решения несколько меньше, чем в плоской задаче. Пространственная задача позволила учесть влияние бортовых примыканий на фильтрационный и температурный процессы. Общие качественные выводы о температурно-фильтрационном режиме плотины в пространственных условиях совпадают с выводами по плоской задаче. Можно ожидать, что к 2015 году стабилизация температурного режима плотины завершится.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе метода конечных элементов в локально-вариационной постановке разработана методика расчетов фильтрационных, температурных и совместных фильтрационно-температурных задач в плоской и пространственной постановках, позволяющая решать задачи с достаточно полным учетом влияющих на исследуемые процессы факторов. Разработанная методика реализована в алгоритмах и программных комплексах FILTR и TERMIC. Достоверность получаемых с использованием методики и программ расчета подтверждена решением ряда тестовых задач и сравнением результатов численных исследований с апробированными методами и натурными данными.

2. Были проведены сопоставления результатов плоских и пространственных задач в различных условиях: при линейных и нелинейных законах фильтрации, в стационарной и нестационарной постановках, для нескальных оснований и скальных грунтов с трещинами, при различной густоте сеток МКЭ, при двусторонних и односторонних колебаниях уровня воды, при одновременном действии фильтрационного и температурного потоков. Эти сопоставления показали, что практически во всех случаях надо стремиться к решению пространственных задач. Даже в относительно "простом" створе плотины Юмагузинского гидроузла с коэффициентом створа порядка 10 фильтрационный поток имеет ярко выраженный пространственный характер.

3. Создание математической фильтрационной, температурной или совместной модели является в современных условиях процессом поэтапным, развивающимся параллельно с проектированием, строительством и мониторингом сооружения. На начальном этапе исследований дается общая оценку фильтрационного режима плотины и основания. Делаются выводы о необходимости проектирования противофильтрационных элементов в основании под плотиной и оценка фильтрационного расхода. Сопоставляются результатов плоских и пространственных задач.

На следующем этапе уточняются инженерно-геологические условия в основании и бортах створа, и корректируется пространственная модель. Даются рекомендации по совершенствованию и оптимизации противофильтрационных элементов. Возможно использование методики факторного анализа, что позволяет связать математическую модель с возможными комбинациями характеристик грунтов, входящих в расчетную область.

Создание математической модели, в конечном счете, приводит к методике непрерывных в контакте с проектировщиками уточняющих исследований. Такая откалиброванная математическая модель позволяет осуществить прогноз поведения конструкции, что необходимо для мониторинга и декларации безопасности сооружения.

4. Решения нестационарных и нелинейных фильтрационных задач всегда вызывали достаточно большие сложности. Сейчас получена возможность решения таких задач в плоской и пространственной постановках. Решение задач применительно к взрывонабросным плотинам снова приобретет большое значение, когда мы вплотную приблизимся к освоению таких створов как Камбаратинский №1(р. Нурек) и Достимжумский (р. Пяндж). К этому уже надо быть готовыми.

5. Фильтрационно-температурный класс задач очень важен для освоения Севера. Решения этих задач диктовались проблемами строительства в условиях крайнего Севера. И Курейская ГЭС тому пример. Успешное решение задач тепломассопереноса позволило прогнозировать движение нулевой изотермы в плотине в пространстве и времени. Полученное в результате расчетов распределение температуры в плотине достаточно приемлемо корреспондируется с данными натурных наблюдений.

6. XX век был веком решения фильтрационных и температурных задач аналитическими методами, в основном, плоских, в стационарной и линейной постановках. Во второй половине века появились численные методы, но возможности вычислителной техники были еще весьма ограничены. К концу XX столетия, с появлением мощных быстродействующих ЭВМ происходит "бум" численных решений. Это был, в определенном смысле, прорыв. XXI век будет, вероятно, веком решения нестационарных нелинейных задач в пространственной постановке. Современная вычислительная техника уже сейчас позволяет решать эти задачи, но она быстро совершенствуется, и ее возможности будут необъятны.

7. Большинство из приведенных в данной работе исследований базировались на достаточно скудных исходных данных (по крайней мере, на начальных этапах). При решении фильтрационных задач главное - иметь достаточно полную и точную исходную информацию, но получить ее современными методами, которые практически себя исчерпали, невозможно. Нужны новые, видимо, геофизические методы изысканий. И, в первую очередь, это относится к скальным трещиноватым основаниям плотин. Методы эти должны быть не только качественными, но и количественными, что особенно важно.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Анискин Н.А. Расчет температурного режима и напряженно-деформированного состояния арочной плотины в "объемной" постановке. Труды Всесоюзного координационного совещания "Прочность и температурная трещиностойкость бетонных гидротехнических сооружений при температурных воздействиях, -Л., Энергоиздат, 1989.

2. Анискин Н.А., То Ван Тхань. Прогноз фильтрационного режима грунтовой плотины Юмагузинского гидроузла и ее основания. "Гидротехническое строительство", 2005, № 6, М., Энергопрогресс.

3. Анискин Н.А. Температурный режим гравитационной плотины из укатанного бетона. "Гидротехническое строительство", 2005, № 12, М., Энергопрогресс.

4. Анискин Н.А. Фильтрация в основании и бортах бетонной гравитационной плотины Бурейского гидроузла. "Вестник МГСУ", 2006, №2.

5. Анискин Н.А. Температурно-фильтрационный режим основания и плотины Курейской ГЭС во втором правобережном понижении. "Вестник МГСУ", 2006, №2.

6. Анискин Н.А. Исследования фильтрационного и температурно-фильтрационного режимов плотин и оснований. Материалы Второй научно-технической конференции "Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии", ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, г. Санкт-Петербург, 2006 г.

7. Анискин Н.А., Нгуен Данг Жанг. Численное моделирование температурного режима гравитационной плотины из укатанного бетона. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2006, №10, МГСУ, Москва.

8. Анискин Н.А. Численное моделирование фильтрации в трещиноватых скальных основаниях плотин. "Инженерные изыскания", декабрь 2007 года.

9. Анискин Н.А. Неустановившаяся фильтрация в грунтовых плотинах и основаниях. Сборник "Вестник МГСУ", 2009, №2.

10. Анискин Н.А., Нгуен Данг Жанг Прогноз температурного режима бетонных гравитационных плотин из укатанного бетона. "Гидротехническое строительство", 2007, № 12, М., Энергопрогресс.

11. Рассказов Л.Н., Анискин Н.А. и др. Фильтрация в грунтовых плотинах в плоской и пространственной постановке. "Гидротехническое строительство", 1989, №11.

12. Рассказов Л.Н., Анискин Н.А. Фильтрационные расчеты гидросооружений и оснований. "Гидротехническое строительство", 2000, №11.

13. Рассказов Л.Н., Анискин Н.А. и др. Сангтудинский гидроузел: напряженно-деформированное состояние и фильтрация в основании плотины и в обход гидроузла. "Гидротехническое строительство", 2008, №5.

14. Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Анискин Н.А. и др. Гидротехнические сооружения. Учебник для ВУЗов, АСВ, М., 2008.

15. Рассказов Л.Н., Анискин Н.А. и др. Конструктивные решения морских грунтовых плотин при строительстве ПЭС, "Гидротехническое строительство", 2009, №7.

Размещено на Allbest.ru