Введение
Особенностью бетонной плотины Богучанского гидроузла, на примере которой выполнена работа, является незавершенное строительство и, как следствие, длительное непроектное состояние. Богучанская ГЭС — четвертая в каскаде ГЭС на р. Ангаре. Строится с 1976 года в местности с суровым резкоконтинентальным климатом со среднегодовой температурой воздуха -3,2 °С и абсолютным минимумом -57 °С. В настоящее время по экономическим условиям достройку гидроузла намечено завершить с пониженным НПУ 185 м.
Низкая интенсивность бетонных работ, нахождение на открытом воздухе части верховой грани плотины, бетон которой должен был работать под водой, привели к изменению проектной схемы возведения сооружения. Такое продолжительное непроектное состояние гидроузла может сказываться негативно на напряженно-деформированном состоянии плотины в целом, но с точки зрения научных исследований представляет собой ценный материал. Плотина Богучан-ской ГЭС, на которой с 1992 года работы по бетонированию блоков практически не ведутся, подвергается замораживанию и оттаиванию, действию воды в водопропускных отверстиях. Возобновление строительства потребует оценки напряженно-деформированного состояния плотины. Кроме того, в течение 10 лет бетонные массивы испытывают только влияние температуры и таким образом дают уникальную возможность исследовать собственные деформации бетона как материала. Проблема последствий структурных изменений бетона для напряженно-деформированного состояния плотин еще мало изучена, так как в условиях строящегося и эксплуатируемого сооружения, испытывающего влияние многих факторов затруднительно выделить необратимую составляющую деформаций, обусловленных изменениями в структуре бетона.
Тензометрические измерения, проводимые на высоких бетонных плотинах, обычно сводятся к определению напряженных деформаций и перевода их в напряжения. В этом случае деформации, измеренные в «конусе» (свободном объеме бетона) используются только для получения напряженных деформаций. Между тем, анализ температурно-влажностных деформаций в свободном объеме бетона, заключенного в «конус», показал высокую информативность данных о поведении свободного бетона.
Такие работы, выполненные по данным натурных наблюдений на Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Бурейской и Саяно-Шушенской плотинах,
показали, что в массивном бетоне (сохраняемом воду затворения) под влиянием внешней среды могут происходить структурные изменения, влияющие на физико-механические характеристики бетона и вызывающие необратимые напряжения в плотине.
Развитие методики исследований свойств замороженного бетона на основе результатов натурных наблюдений позволит дать количественную и качественную оценку влияния сезонного замораживания на свободные деформации бетона.
Необходимы дальнейшие исследования, связанные с различными последствиями при многочисленных циклах замораживания и оттаивания для разных зон бетона (бетона внутренних зон и наружных поверхностей).
Температурное раскрытие швов и трещин может привести к перераспределению напряжений и изменить проектные предпосылки о работе плотины. Данное обстоятельство необходимо учитывать при оценке напряженно-деформированного состояния сооружения.
Прекращение строительства гидротехнических сооружений всегда приводит к непрогнозируемым последствиям, особенно в условиях сурового климата, когда неморозостойкий бетон внутренних зон десятилетиями замораживается и оттаивает. Среди отечественных гидросооружений примером долгостроя является строительство плотины Бурейской ГЭС. Последствия долгостроя здесь привели к ослаблению структуры уложенного ранее бетона, к появлению трещин через несколько лет после бетонирования блоков.
В настоящее время вторым законсервированным объектом является Бо-гучанская плотина. Необходимость анализа натурных данных о состоянии Бо-гучанской плотины не вызывает сомнений. До возобновления строительных работ необходимо оценить фактическое состояние бетонных массивов.
Этому посвящена настоящая работа, которая выполнена на основе натурных исследований массивной гравитационной плотины Богучанского гидроузла и цель которой заключалась в анализе процессов, формирующих напряженное и деформированное состояние плотины, испытывающей сезонные многолетние циклы замораживания и оттаивания.
Анализ натурных данных проводился в соответствии с нормативными требованиями, а также с использованием новых методов обработки, предложенных автором.
Достоверность результатов подтверждается сопоставлением с натурными данными, полученными на плотинах Братской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской и Бурейской ГЭС.
Научная новизна работы.
1. Известно, что в массивном бетоне гидротехнических сооружений происходят структурные изменения, приводящие к дополнительным напряжениям растяжения или сжатия. Выделить эти остаточные деформации очень сложно из-за одновременного воздействия нескольких факторов. Впервые, используя уникальный случай отсутствия силовых нагрузок в течение 10 лет, определено влияние изменения термовлажностных условий на структурные процессы в нагруженном и свободном бетоне.
2. Расширен перечень контролируемых показателей состояния бетонных плотин на основе исследований собственных деформаций:
-оценка структурных изменений бетона, как вследствие сезонного знакопеременного режима, так и влажностных воздействий; -оценка степени ослабления или упрочнения бетона во времени;
3. Анализ натурных данных о свободных деформациях бетона позволил получить информацию, которую нельзя воспроизвести в лабораторных условиях или расчетными методами:
-температура замерзания бетона в отдельных блоках плотины Богу-чанского гидроузла достигает -8 °С. А при повторном цикле «замораживания-оттаивания» Т3 может «сместиться» на один-три градуса в сторону более высоких отрицательных температур, что может свидетельствовать о накоплении необратимых структурных изменений бетона;
-величины коэффициентов линейного расширения замороженного бетона колеблются в широких пределах от 1,24*10° до 2,07*10°
4. Дана оценка степени преобладания конструктивных процессов над деструктивными. Деструктивные процессы в замороженном бетоне плотины Богучанской ГЭС протекают на глубине одного метра от наружных граней, а значительные величины к.л.р., достигшие 2,07* 10'5 1/°С, характеризуют бетон в отдельных блоках плотины как бетон с ослабленной структурой.
5. Установлены причины необратимых напряжений, которые на плотине Богучанской ГЭС связаны со структурными изменениями бетона. Их учет позволит диагностировать и выявлять причины развивающихся в плотинах необратимых процессов.
6. Изучено влияние коэффициента линейного расширения замороженного бетона и его структурных изменений на характер раскрытия швов.
7. Изучено влияние структурных изменений бетона на поведение неомо-ноличенных межстолбчатых швов.
8. Установлена необходимость учета коэффициента линейного расширения замороженного бетона в расчетных моделях.
9. Дана оценка напряженно-деформированного состояния Богучанской плотины, которую нельзя получить расчетным путем из-за немоделируе-мости процессов, происходящих в замораживаемом и оттаявшем бетоне. Практическая значимость диссертации:
-предложенная методика анализа тензометрических измерений расширяет возможности анализа натурных данных и позволяет определить последствия структурных изменений в бетоне;
-оценка состояния Богучанской плотины дает возможность выполнить Федеральный закон о безопасности гидротехнических сооружений и откорректировать технические условия по продолжению строительства.
Практическая реализация диссертации:
-изложенные материалы должны быть использованы при продолжении строительства и разработке программы контроля безопасности Богучанского гидроузла;
-предложенный метод анализа термовлажностных деформаций может быть использован при анализе тензометрических наблюдений на любой плотине; -результаты работы могут быть использованы для определения критериальных значений диагностических показателей состояния гидротехнических сооружений;
-разработаны рекомендации по учету в расчетах термонапряженного состояния свойств бетона, меняющихся при действии отрицательных температур.
Полученные в диссертации результаты позволят повысить эффективность омоноличивания профиля плотины, предпринять меры по устранению нарушений монолитности бетона. Получившее в диссертации развитие методики
анализа свободных деформаций бетона, позволит отслеживать как на стадии строительства, так и в эксплуатационный период преобладание конструктивных (упрочняющих структуру бетона) или деструктивных (разрушающих) процессов.
Личный вклад.
Автором выполнен ретроспективный анализ натурных наблюдений на Богучанской плотине до 1992 года и последующих наблюдений до 2001 года. Разработана новая методика анализа тензометрических наблюдений.
Основные результаты работы опубликованы в шести работах. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение с выводами и рекомендациями, список литературы, состоящий из 110 наименований.
Объем работы 127 страниц, включая 46 иллюстраций и 15 таблиц.
Работа выполнена в центре безопасности и натурных наблюдений за сооружениями электростанций ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» и Московском государственном университете приро-дообустройства.
Автор благодарит за помощь, оказанную в проведении работы, ведущего научного сотрудника ОАО «ВНИИГ» им. Веденеева к.т.н. Дурчеву В.Н., профессора Московского государственного университета природообустройства д.т.н. Каганова Г.М. и директора центра безопасности и натурных наблюдений за сооружениями электростанций ОАО «НИИЭС» д.т.н. Иващенко И.Н.
Глава 1. Методика натурных исследований бетонной плотины Богучанской
ГЭС
1.1. Методы и средства натурных исследований напряженно-деформированного состояния плотины Богучанской ГЭС
Анализ напряженно-деформированного состояния бетонных плотин (как гравитационных, так массивно-контрфорсных, арочных и арочно-гравитационных) по данным натурных наблюдений проведен на ряде отечественных и зарубежных гидроузлов. Среди отечественных гидроузлов исследованиями охвачены плотины Братской, Красноярской Усть-Илимской, Токтогуль-ской, Мамаканской, Бухтарминской ГЭС (гравитационные плотины); Зейской (массивно-контрфорсная плотина); Чиркейской, Ингурской и Саяно-Шушенской ГЭС (арочные и арочно-гравитационные плотины). Результаты этих исследований обобщены в исследованиях С.Я. Эйдельмана, В.Н. Дурчевой, Э.К. Александровской, СМ. Пучковой, Г.М. Каганова, А.П. Епифанова, А.А. Лобача, А.И. Царева, О.Д. Рубина, Н.И. Чалого, В.А. Зимнюкова и других. Результаты исследований зарубежных плотин (Френсис, Шаста, Гранд-Кули, Па-коимо - в США; Мораско, Анчипа - в Италии; Кабрил, Канисада - в Португалии, Альбинья - в Швейцарии и другие) отражены в работах С.Я. Эйдельмана, В.В. Блинкова, М.Б. Гинзбург, В.Н. Дурчевой.
Натурным исследованиям термонапряженного состояния посвящено большое количество работ [36, 39-41, 51, 50, 52, 84, 95, 101]. В этих работах рассматриваются условия термического трещинообразования и мероприятия по его предотвращению. Температурные воздействия строительного периода приводят к температурному трещинообразованию и к сохранению бетоном термонапряженного состояния, сформировавшегося в период твердения, что существенно для эксплуатации сооружения.
Существенное влияние на термонапряженное состояние оказывает ход бетонирования. Благоприятное напряженное состояние будет сформировано в случае укладки бетона без длительных перерывов. Наличие таких перерывов приводит, как правило, к образованию трещин [77]. Иногда возобновление бетонирования снижало растягивающие напряжения и приводило к закрытию трещин в нижележащем блоке.
Термонапряженное состояние блоков бетонирования, приводящее к возникновению вертикальных растягивающих напряжений может вызвать раскры-
тие блочных швов (наиболее ослабленная зона). Указанные особенности раскрытия строительных швов присущи блокам столбчатой разрезки высотой до 3 метров и плановыми размерами 11-18 метров.
В условиях действия отрицательной температуры более высокое значение коэффициента линейного расширения замороженного бетона приводит к увеличению глубины раскрытия швов, в том числе и межблочных [32]. Это наглядный пример трещин, с наличием которых нужно считаться и раскрытие которых в холодное время года, может оказывать влияние на напряженное состояние бетонных гидросооружений [77]. В суровых климатических условиях раскрытие горизонтальных строительных швов со стороны низовой грани уменьшает величину рабочего сечения плотины, что должно вызвать увеличение прогиба. С другой стороны, раскрытие горизонтальных швов снимает действие температурного градиента у низовой грани, уменьшая тем самым величину температурной составляющей прогиба [32].
Строительство Богучанской ГЭС было начато в 1976 году, возведение плотины начато в декабре 1982 г. С 1992 года прекращены практически все строительные работы. Использованы многолетние наблюдения (с 1982 года по 2001) по преобразователям и щелемерам.
Район строительства характеризуется суровым резкоконтинентальным климатом со среднегодовой температурой воздуха-3,2° С.
Богучанская плотина гравитационного типа с вертикальной напорной гранью и наклонной низовой с заложением 1:0,7. Производилось омоноличива-ние профиля в объеме 10% от общей площади швов, подлежащих цементации. Бетонирование столбов производилось блоками высотой 3 м, за исключением прискальных блоков, высота которых составляла 1,5...2 м. Выше отметок 144,0-145,0 м бетонирование секций станционной плотины и секций сопряжения с каменно-набросной плотиной (секции 32+34) производилось методом послойной укладки бетона (высота слоя - 1 м), с объединением двух столбов и устройством прерывистых межсекционных и полусекционных швов.
Состав гидротехнического бетона основных сооружений назначался дифференцированно, в зависимости от требований водопроницаемости и морозостойкости бетона конструкций. Основной класс бетона — В15. Для гидротехнического бетона плотины использовался портландцемент бездобавочный ПЦ-
10
400 и шлакопортландцемент ШПЦ-300 Красноярского завода (по ТУ-21-21-4-82). В качестве добавок применялась пластифицирующая добавка ЛСТ. В качестве крупного заполнителя использовался гравий фракции 5-20 мм и 20-40 мм [62]. Фракция 0-5 мм отсеивалась. Расход цемента составлял 160-450 кг/м3 [].
Плотина состоит из четырех функционально различных частей:
-станционной, длиной 270 м;
-водосбросной, с донными водосбросами, длиной 110 м;
-водосбросной, в виде водосливной плотины, длиной 90 м;
-глухой, длиной 309,5 м.
По длине напорного фронта плотина разрезана деформационными швами на 34 секции.
Станционная плотина. Секции 11-19.
Максимальная строительная высота по первоначальному проекту — 87,2 м, при отметке НПУ 185,0 м - 64,0 м. Длина вдоль потока по подошве - 57,3 м. В этом направлении секции разделены межстолбчатыми швами на три столба. Ширина каждой секции поперек потока-30 м. До отметки 160,0 м секции разделены швами-надрезами на две полусекции. Отметка порога водоприемника ГЭС-168,0 м.
Водосбросная плотина. Секции 24 - 28.
Максимальная строительная высота по первоначальному проекту - 96,5 м, при отметке НПУ 185,0 м - 74 м. Длина вдоль потока по подошве - 70,5 м. От подошвы до отметки 144,0 м секции возводились четырьмя столбами размером не менее 15 м вдоль потока. Донные водосбросы предназначены для пропуска расходов строительного периода, шириной 14 м, высотой 12 м и расположены на отметках 130,0 - 142,0 м. Отметка порога глубинных водосбросов - 146,0 м, количество глубинных водосбросов -10 (по два на секцию), ширина и высота в выходном сечении - соответственно 4 и 7,5 м.
Водосливная плотина. Секции 20 - 22.
Максимальная строительная высота при отметке НПУ 185,0 м - 64 м. Длина секции вдоль потока по подошве - 92,85 м. Секции возведены четырьмя столбами. Ширина каждой секции - 30 м. Отметка порога водосбросов - 167,0 м. В каждой секции на водосбросе предусмотрен разделительный бычок. Ширина каждого водосброса секции составляет 10м.
Глухая бетонная плотина. Секции 1-10,23,29 - 34.
11
Длина поперек потока секции 1 - 20,5 м, секций 2 - 10 по 15 м (левобережное сопряжение). Секция 29 с временным судоходным шлюзом, секции 30 -33, все по 22 м. Секция сопряжения с каменно-набросной плотиной 34 переменной по высоте ширины, от 27,5 м у подошвы до 22 м у гребня. Наибольшая строительная высота секции по первоначальному проекту - 96,5 м, при отметке НПУ 185,0 м — 69,5 м. Ширина вдоль потока по подошве от 19,5 м (секция 3) до 59 м (секции 30-34). Все секции разбиты на столбы. Верхняя часть межстолбчатых швов при выходе их на низовую грань выполнена как наклонная поверхность, перпендикулярная низовой грани, на отметках 138,5 м, 161,6 м, 182,8 м.
В соответствии с комплексной программой натурных наблюдений и исследований контрольно-измерительной аппаратурой в неполном объеме оснащены пять секций бетонной плотины: станционная секция 12; водосбросные -21 и 28; глухая - 31 и секция сопряжения с каменно-набросной плотиной - 34.
Дистанционная аппаратура разработана в «НИС'е Гидропроекта» и изготовлена ПО «Союзэнергоавтоматика».
При измерении деформаций в массивном бетоне измерительная точка образуется тензометрической розеткой, которая представляет собой группу (от 2 до 6) преобразователей, взаимно ориентированных так, что по их показаниям можно определить все составляющие тензора деформаций в данной точке.
При одноосном напряженном состоянии должны быть измерены относительные деформации в одном произвольном направлении, при двухосном - по трем произвольным направлениям, при трехосном - по шести направлениям. Этим условиям удовлетворяют «розетки», состоящие из трех, пяти или шести преобразователей.
Деформации бетона в плотине Богучанской ГЭС измеряются с помощью преобразователей ПЛДС-400 (преобразователь линейных деформаций струнный). Для наблюдений за температурным режимом секций бетонной плотины используются показания ПТС-60 (преобразователь температуры струнный).
В состав измерительной точки включен так называемый ненапряженный образец, назначением которого является исключение из деформаций, измеренных в точке, той их части, которая обусловлена свободными изменениями температуры и влажности бетона и не связана с действующими в точке напряжениями. Данный образец представляет собой усеченный конус, конструкция ко-
12
торого обеспечивает изоляцию последнего от окружающего массива. Тем самым предусматривается свободное деформирование бетона.
Раскрытие межстолбчатых швов контролируется с помощью ПЛПС-10 (преобразователь линейных перемещений). Контроль за раскрытием межблочных швов осуществляется преобразователями ПЛПС-3 и ПЛДС-400, установленными у напорной грани исследуемых секций.
Установочный (проектный) номер датчика состоит из кода типа датчика, номера секции, в которой он установлен, и порядкового номера датчика данного типа в секции, например 421001 (преобразователь ПЛДС в двадцать первой секции под номером один). Для рассматриваемой аппаратуры в проекте предусмотрены коды типа датчика:
а)2-ПЛПС;
а) 3 - ПТС;
б) 4-ПЛДС;
Кроме того, для ПЛДС, собранных в «розетки» или установленных в усадочных «конусах», в соответствии с их ориентацией вводятся заглавные латинские буквы. Преобразователям в «розетке» присвоены следующие индексы: вертикальное направление — «У», горизонтальное, вдоль потока — «X», в направлении поперек потока - «Z». В розетке из пяти приборов используются: «W» - при наклоне преобразователя от верхнего бьефа вниз к нижнему и «V» -при наклоне от нижнего бьефа вниз к верхнему.
Для преобразователей ПЛДС, установленных в «розетках» секции 34 (из шести датчиков), расположенные в плоскости «XY» имеют буквенное обозначение «V», в плоскости «XZ» - «U», в плоскости «YZ» - «R».
В «конусе» ПЛДС присвоена буква - «К».
Выходной сигнал преобразователей измеряется цифровым периодоме-ром(ПЦП-1).
Технические характеристики установленных преобразователей приведены в таблице 1.1.
13
Таблица 1.1. Технические характеристики струнных преобразователей.
Наименование преобразователя Тип Единица измерения Диапазон измерения Основная погрешность, приведенная к верхнему пределу измерений, %
Преобразователь линейных деформаций ПЛДС-400 10"5 отн. ед. -200^+50 2
Преобразователь линейных перемещений ПЛПС-3 мм -1-И-2 2
ПЛПС-10 мм -2ч-+8 2
Преобразователь температуры ПТС С0 -20-+60 2
Количество рассматриваемой струнной аппаратуры, установленной в исследуемые секции по состоянию на 01.05.2000 г., приведено в таблице 1.2.
Таблица 1.2. Количество струнной аппаратуры, установленной в бетонную плотину Богучанского гидроузла.
№ п/п Наименование КИА Вид наблюдений Количество КИА
Установлено Вышло из строя
1 ПЛДС-400 Напряженно-деформированное состояние, раскрытие межблочных швов 417 30
2 ПЛПС-3; ПЛПС-10 Раскрытие межблочных и межстолбчатых швов 200 27
3 ПТС Температурный режим бетона 491 23
Итого: 1108 80
На рис. 1.1-1.4 приведены схемы секций водосбросных 21011 и 28ой, глухих 31ой и 34°", с измерительными сечениями, в которых установлена контрольно-измерительная аппаратура.
167.00
3-107,108 3-94 2-55-57 2-53.54 ; 3-95-97
15.0 20.3 --------s^-----"\ "\ 112.60 11460
22.0 35.55
92.85
Тип преобразователя
ПТС-60 ПЛПС-3. ПЛПС-10
ПЛЛС-400
Розетка из 3-х ПЛЯС-400
Розетка из 5-ти ПЛДС-400
Розетка из 6-ти ПЛДС-400
Усадочный конус С ПЛДС-400.
Ш
Рис. 1.1. Размещение КИЛ в 21°" правой полусекции (пунктиром отмечены отметки верха столбов по состоянию на 2000
год).
15
Тип преобразователя
ПТС-60 ПЛПС-3. ПБПС-10
ПЛДС-400
Розетка из 3-х ПЛДС-400 Розетка из 5-ти ПЛДС-400 Розетка из 6-ти ПЛДС-400 Усадочный конус с ПЛДС-400
С7
Рис. 1.2. Размещение КИА в 28оП секции (пунктиром отмечены отметки верха столбов по состоянию на 2000 год).
16
3-59 357
12i2157j56
4-20.56
4-16.52
\ 3-38,49 \ 3-39.50 4-13-15.49-51 4-17-19
3-40.51 7 / 3-52.41 4-69-71,ЗЗ-З?!
16 4-24,60 / /4-28.64 MS 4-36.72Д
2-17.29 \ ,2 21.30 3-H6.iTS\ 4/3-117.119 13aeo
_59,0_
Тип преобразователя
ПТС-60 ПЛПС-3. ПЛПС-10
ПЛДС-400
Розетка из 3-х ПЛЯС-400 Розетка из 5-ти ПЛДС-400 Розетка из 6-ти ПЛДС-400 Усадочный конус с ПЛДС-400
о
Рис. 1.3. Размещение КИА в 31°" секции (пунктиром отмечены отметки верха сто'л-
бов по состоянию на 2000 год).
17
Тип преобразователя
ПТС-60 ПЛПС-3. ПЛПС-10
ПЛЛС-400
PoseTKa из 3-х ПЛЯС-400 Розетка из 5-ти ПЛДС-400 Розетка из 6-ти ПЛДС-400 Усадочный конус С ПЛДС-400
I
и.
С7
Рис. 1.4. Размещение КИА в 34°" секции (пунктиром отмечены отметки верха столбов по состоянию на 2000 год). |
