автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Фильтрационное воздействие воды в системе бетонная плотина - скальное основание

РГб од 1 а июл 1У39

На пр«»ах рукописи

¿9Я У ^¿а^ {¡/у

Жак Макакнла

'ФИЛЬТРАЦИОННОЕ ВОЧДЕЙСТВИЕ ВОДЫ В СИСТЕМЕ БЕТОННАЯ ПЛОТИНА -СКЛЛЫЮЕОСНОВАНИЕ

Специальность 05.2.1.07 • Гидротехническое и мелноратнано« строительство

Автореферат диссертации не соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

РаОота выполнена и Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководители - доктор технических неук/

щюф. Соколов И.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

проф. Храпков A.A.

кпнд. технических наук, проф. Лраницин E.H.

Ведущая организация - ОАО ЛенгидропроеКТ

Защита состоится '-¿.5" //а-Ди 1999 г. в • >/3 часов на засолании диссертационного~совета Д ÜJбЭ ^.Э8.1 !* при Сенкт-tlefерОург-ском государственном техническом университете по адресу.:, 195251, С-ПетерОург, ул.Политехническая, 29, ПГК, 411 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке

университета.

Лпгороферат разослан "-^З "^^е^оМЭЭЭ Г.

Учении секретарь

ДИСС1'| I l'.l Uli"' IНIД Ч> СЩЧ'ЧМ

I' • 'I' ■ II ■ 1.4' 'И . Морозов П. И.

Н m.253J2 -022.8Н ,0

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известны достижения в части научного обоснования проектирования и строительства гидротехнических сооружений на скальных основаниях, полученные в результате исследований, выполненных как в России, так и за ее пределами. Однако, до настоящего времени не находят полного отражения в нормах проектирования некоторые вопросы, связанные с формированием напряженно-деформированного состояния (НДС) системы "бетонная плотина скальное основание" в различных условиях эксплуатации. Также недостаточно полно изучено распределение поверхностных и объемных фильтрационных сил в теле плотины и ее основании и их влияние на НДС системы; не выявлена зависимость водопроницаемости бетона и скалы от напряженно-деформированного состояния системы "плотина -основание" и ее влияние на фильтрационнные силы; отсутствует также оценка эффективности различных противофильтрационных устройств с учетом выше указанных факторов.

Цель работы заключается в обосновании физико-механического влияния различных факторов на характеристики фильтрационного потока с одной стороны, и влияния поверхностных и объемных фильтрационных сил с другой стороны, на напряженно-деформированное состояние системы "плотина - основание". Необходимо было разработать на основе расчетно-теоретических исследований рекомендации и уточнить нормативные требования, направленные на совершенствование существует»« методов расчета по определению величины фильтрационных сил в различных условиях эксплуатации системы "плотика - основание*.

Научная новизна. Проведены исследования 'напряженно-деформированного состояния системы "бетонная плотина - скальное основание" при различных условиях эксплуатации. Выполнены ' расчетно-теоретические исследования силового воздействия фильтрушейся воды в основании плотины при наличии различных противофильтрационных устройств 8 плотине и основании, при разной степени проницаемости Сетона и скального ыассива..

Даны предложения по расчету НДС системы "бетон - скала" с учетом раскрытия швов и образования трещин в системе и разной степени водопроницаемости бетона и скалы, а также при разных значениях коэффициента эффективного противодавления.

Практическое значение раОоты заключается в том, что ланы рекомендации rio разделам проектирования гидротехнических сооружений и сформулированы предложения по совершенствованию СНиП 2.06.06.85 "Плотины бетонные и железобетонные" в части учета; фильтрационных воздействий в расчетах системы "бетонная плотина - скальное основание", выявлена роль различных противофильтрационных устройств и их влияние при возникновении систем трещин по контакту "бетонная плотина - скальное основание".

Внедрение результатов работы. Результаты выполненных расчетно-теоретических исследований были использованы ЛО Ленгидропроект для оценки надежности системы "плотина - основание". Уточнены значения сил противодавления воды в основании плотины Саяно-Шушенской ГЭС, позволяющее практически ответить на требования СНиП 2.06.06.85 по пп.4.12 - 4.14, 5.10, 5.2 6, сопоставить расчеты с натурными наблюдениями, определить эффективность конструктивно-технологических противофильтрационных мероприятий по снижению сил противодавления воды в основании.

Апробация работы. По материалам выполненной диссертационной работы сделаны два доклада на Всероссийском совещании по предельным состояниям бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений (ПРЕДСО-93, Санкт-Петербург, октябрь 1993 г.). Основные положения диссертации докладывались также на семинарах кафедр Строительных конструкций и материалов и Гидротехнических сооружений СПОРТУ в 1996-97 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликована одна печатная работа.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 161, страниц, из них машинописного текста102:, рисунков 29.» таблиц.24v приложений и библиография 124/ наименований (из них иностранных) ,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы, ее научная новизна и практическое значение¡

В первой главе проанализированы основные конструкции бетонных плотин на скальных основаниях и их противофильтрационных элементов, важнейшие проектно-расчетные положения по бетонным плотинам на .скальном основании. Рассмотрены работы Э.К.Александровской,

И.Ф.Блинова, Ж.Берне, М.Б.Гинзбурга, М.М.Гришина, А.А.Гельфера, Э.Г.Газиева, В.Н.Дурчевой, Е.М.Драницына, Г.М.Каганова, Э.С.Калус-тяна, В.А.Логуновой, Л.И.Малышева, П. П. Миргородского, А.Л.Мож'еви-тинова, Л.Мюллера, Л.П.Михайлова, Д.П.Прочухана, Н.С.Розанова, И.Б.Соколова, Д.Д.Сапегина, В.И.Севастьянова, А.А.Сорокина, А.И.Савича, К.Терцаги, С.А.Фрида, Ю.А.Фишмана, А.А.Храпкова, А.И.Цараева, С.Я.Эйдельмана, Р.Б.Янсана и др.

Выполнен анализ основных морфологических характеристик трещин в скальных грунтах и зависимость проницаемости трещин от ширины их раскрытия и шероховатости. Выполнен краткий обзор результатов исследований по влиянию напряженного состояния на водопроницаемость бетона и горных пород, представленных в работах В.Б.Бондаренко, Г.П.Вербецкого, В.Г.Голубева, Н.С.Гудок, М.Б.Гинзбурга, В.Н.Жи-ленкова, В.А.Логуновой, Е.В.Лавринович, И.Б.Соколова, М.Г.Элба-кидэе и др.

Вторая глава посвящена разработке методики исследования фильтрации в бетоне плотины и скале основания при их совместной работе.

Для плотин на скальном основании силы противодавления воды в основании и по контакту должны определяться с учетом разуплотнения скалы под верховым столбом плотины, зоны сжатия под низовой гранью, наличия понура, цементной завесы, дренажа и т.д.

Из материалов главы 1 следует, что исследованию вопроса взаимодействия плотины с основанием посвящено достаточно большое количество работ. Практически нет работ по изучению совместного влияния всех этих факторов на работу системы "плотина - основание".

Расчетно-теоретические исследования выполнялись применительно к плотине Саяно-Шушенской ГЭС с тем, чтобы можно было оперировать конкретными значениями характеристик бетона и скального основания, а также принятыми в СНиП величинами расчетных коэффициентов.

Для оценки состояния основных гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС были использованы материалы натурных наблюдений в период с 1978 по 1996 г., проводимых институтами "Ленгидропроект", ВНИИГ, СибВНИИГ, "Гидроспецпроект" и др.

При выполнении расчетно-теоретических исследований рассматривался плоский фрагмент плотины, представляющий собой вырезанную из средней части плотины вертикальную консоль толщиной 1 м по

фронту, высота консоли - 47 м, на верхнем срезе консоли - шов-надрез глубиной 22 м.

Примыкающая зона основания имела форму, близкую К полукругу, длина по верху принята 380 м, что составляет примерно 3,8Ь, максимальная глубина 200 м ~ 2Ь, где Ь - ширина подошвы плотины, равная 102 м.

В основании имеется цементационная завеса глуОиноЙ 80 м, дренаж глубиной 50 м и площадная цементация глубиной 28 ы (рис.1).

напряженно-деформированное состояние фрагмента определялось в рамках плоской задачи, теории упругости с учетом воздействия следующих нагрузок;

1. собственного веса бетона;

2. гидростатического давления на верховую и низовую грани фрагмента;

3. вертикального давления воды на основание со стороны верхнего и нижнего бьефов;

4. поверхностной нагрузки на верхнюю грань фрагмента в виде эпюр нормальных сжимающих напряжений оу и касательных 1,у, принятых по данным Ленгидропроекта (рис.2, а,).

При учете гидростатического давления принималось во внимание, что часть его воспринимается береговыми устоями. В силу того, что створ плотины сравнительно широкий, касательными усилиями при определении Р консоли пренебрегали (рис.2, О).

Физико-механические характеристики материалов приняты по данным АО Ленгидропроект следующими:

1. модуль упругости бетона Еь - 2,5-104 МПа;

2. модуль деформации скалы Ег » 1,6-104 МПа;

3. коэффициент Пуассона для бетона уь - 0,18, для скалы V« »

= 0,27.

При проведении исследований принимались соотношения коэффициентов фильтрации бетона кь и скалы к( в зависимости от степени разуплотнения (верховая грань), уплотнения скалы (низовая грань)/ от цементации глубокой и площадной при выполнении теоретически возможных вариантов расчетрв п - кь/к£ - 1:10, 1:100, 1:1000, 1:10000.

При оценке силового воздействия фильтрующейся воды значения коэффициента эффективной площади противодавления, в обшем виде за-

висящего от НДС, в материале основания принимались в различных зонах основания 0 а а,,, $ 1,0.

Характеристики водопроницаемости цементационной завесы, зоны площадной цементации Сыли условно приняты такими же, как и для бетона .

Исследовалось влияние на НДС основания плотины следующих конструктивных факторов: короткого суглинистого понура; наличия пло-шадной цементации'; трещин различной длины и разной ширины раскрытия по контакту между плотиной и основанием; наличия "вторичной цемзавесы", вызванной НДС, под низовым клином; при этом учитывались глубокая цемзавеса и дренаж за ней под первым столбом. Исследовалось также влияние понура различной длины в пределах СК1„£25 м.

Рассматривались также варианты с трещиной по контакту "бетон -скала", как соединясиейся с верхним бьефом, так и не соединяющейся; определялись линии равных напоров в основании при отсутствии и наличии трещины.

Расчет системы "плотина - основание" проводился методом конечных элементов (МКЭ) на ЭВМ ЕС-1066 по программе МГЕЗР2, разработанной во ВНИИГе С.Н.Ефимовым. Расчеты по этой программе при известном поле фильтрационных сил в системе "плотина - основание", позволяет получить картину напряженно-деформированного состояния всей системы, вызванного совместными действиями гидростатического давление и силового влияния напорной фильтрации в основании.

В качестве расчетной схемы рассматривались три варианта при учете различной геометрии и влияния физических факторов на характеристики фильтрационных потоков в основании. Разбивочная сетка для расчетов приведена на рис.3.

На рис.1 нижняя граница основания закреплена неподвижно, напор воды в глубинном дренаже определялся по формула

НЛр - + (Н„, - Л«,)-0,15, где Н,„ и Ь„1 - соответственно глубины воды в верхнем и нижнем бьефах; в качестве примера было взято значение коэффициента 0,15 с учетом расстояния между дренажами поперек русла в скальном основа-кии; при НПУ » 540 м

Н„ - 232 м; Ьи, - 23,8 м; Н^ - 55 м.

При изучении вопросов влияния механических характеристик на распределение фильтрационных сил в основании рассматривались еле-

дующие варианты:

1. трещина по контакту, соединяющаяся с верхним бьефом, при;

а) наличии площадной цементации,

О) отсутствии площадной цементации,

в) условно наличии "вторичной*-цемзавесы под четвертым столбом,

г) отсутствие дренажа.

2. Трещина, по контакту не соединяющаяся с верхним Оьефом (наличие понура и т.д.).

3. Трещина по контакту отсутствует.

Возможности раэбивочной сетки не позволили имитировать действительную ширину трещины по контакту плотины с основанием; в связи с этим ширина трещины в схеме сетки принята равной 50 см при соблюдении истинных ее фильтрационных характеристик. Погрешность в данном случае невелика и составляет 0,22 т.к. величина напора под трещиной отличается от напора на контакте, равного 232 и, на 50 см. Длина трещины в расчетах принималась равной 0 м, 15 и, 30 м, 39 м и 46 и, коэффициент фильтрации в трещине по отношению к коэффициенту фильтрации бетона варьировался, моделируя ее ширину, в диапазоне 10 - 10000.

На рис.4,а приведены эпюры противодавления воды при глубине контактной трещины 30 м при соотношениях

кф.а'.кф.,:*».,,: - 1:10:10; 1:10:100; 1:10:1000; 1:10:10000.

На рис.4,б приведены эпюры противодавления воды по контакту при различных длинах трещины Ьо=0 м, Ь1»15 м, Ьг"30 м, Ьз»39 м и Ь,=4 6 м и при соотношениях коэффициентов

- 1:10:10000.

На рис.4,в приведены эпюры противодавления воды по контакту "бетон - скала"; трещина длиной 30 ы, площадная цементация отсутствует, имеет.ся "вторичная цементационная завеса" под четвертым столбом, при соотношениях

- 1:10:100; 1:100:100.

При расчете методом конечных элементов на ЭВМ ЕС-1066 получена эпюра линий равных напоров системы "плотина - основание" при со. вместном действии гидростатического давления на сооружение, противодавления в теле плотины и силового влияния напорной фильтрации в

основании. В скальном массиве основания поле фильтрационных сил определялось с учетом влияния раскрытия трещин.

Результаты выполненных исследований показывают, что:

1. при наличии трещины по контакту "Сетон - скала" раскрытием до 5 мм и протяженностью 30 м, соединяющейся с верхним бьефом, эпюра противодавления в трещине существенно зависит от соотношения проницаемостей трещины и зацементированного скального массива под плотиной.

С к4,,.г от 10"' до 10"! см/сек и при раскрытиях трещины 5 - 0,5+3 ш< форма эпюры противодавления преобразуется из треугольной в прямоугольную на всем протяжении трещины.

Выход из работы глубокого дренажа и цементационной завесы на оказывает никакого влияния на распределение сил противодавления воды по контакту.

3. Наличие трещины по контакту "бетон - скала" оказывает влияние на распределение напоров воды в скальном массиве под плотиной.

Третья глава посвящена расчетно-теоретическим исследованиям влияния фильтрационных воздействий на НДС системы "плотина - основание" СШГЭС.

Одной из важнейших особенностей проектирования бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических сооружений является необходимость учета фильтрации воды, действующей как по наружным граням сооружения, так и в массиве по поверхности пор и трещин. Фильтрация вызывает изменение напряженного и деформированного состояния материала гидросооружений, находящегося постоянно под значительным давлением воды. К факторам, приводящим к изменению первоначально принятой схемы расчета, относятся: разуплотнение скалы под верховым столбом плотины, наличие зоны сжатия пол низовой гранью, раскрытие шва по контакту "бетон - скала", образование вторичной цемэавесы под низовым клином плотины и т.д.

В связи с этим происходит перераспределение силовых воздействий фильтрутейся воды, которое оказывает в свою очередь влияние на НДС плотины и основания, особенно в зоне контакта.

СНиП 2.06.06-85 "Плотины бетонные и железобетонные" требуют при определении напряженно-деформированного состояния "учитывать возможность раскрытия строительных швов и нарушения сплошности основания в растянутых зонах с обязательным расчетом на прочность

образовавшейся при этом вторичной системы" (п.5.10), а при определении характеристик фильтрационного потока - "учитывать влияние напряженно-деформированного состояния основания" (п.5.26). Однако, в СНиП отсутствуют конкретные указания на то, каким образом учитывать перечисленные выше факторы. С целью разработки рекомендаций по уточнению и дополнению соответствующих пунктов главы СНиП 2.06.06-85 были проведены расчетно-теоретические исследования по определению характеристик фильтрационного потока и их влияния напряженно-деформированное состояние основания. Были рассмотрены три схемы разбивки расчетной области (см. выше). Расчеты системы "плотина - основание" проводились с помощью метода конечных элементов (МКЭ) на ЭВМ ЕС-1066 по программе MFESP2, позволяющей учесть фильтрационные силы, объемные и поверхностные, определяемые с учетом коэффициентов эффективной площади противодавления (а¡,л) в бетоне и (а.,,) в скале, рекомендуемые СНиП 2.06.06-85 при расчете прочности плотины.

На рис.2,О,5 приведены поверхностные силы, действующие на систему "плотина - основание" и на трещину.

Для плоской задачи теории упругости в расчетах по определению характеристик фильтрационного потока и объемных сил фильтрующейся воды в скальном основании последнее для упрощения принималось изотропным и однородным.

В расчетах так же, как в СНиПе 2.06.06-85, давление воды в системе "бетон - основание" учитывалось в виде:

а) поверхностных сил, приложенных к внешнему контуру скалы, при гидростатическом давлении интенсивностью Р' (1 - а2,(), a также для Сетона Р' (1 - a2lJ), где Р' - гидростатическое давление воды, равное Р'= Yw-H.; yu - удельный вес воды; Н. - расчетный напор;

б) объемных фильтрационных сил в скале интенсивностью

4f = -Ip- a2(f, где -Ip - градиент гидродинамического давления в

скале; a2,t - коэффициент эффективной площади противодавления в скале .

Силовое воздействие на бетонный массив фильтрующейся воды принималось в виде:

1. поверхностных сил интенсивностью Р(а2,» - аг,а), приложенных по нормали к подошве плотины (противодавление), где Р - гидродинамическое давление в потоке фильтрующейся воды.

2. Объемных фильтрационных сил в бетоне и в трещине интенсивностью соответственно = -Гр' 0-2,а> где ^р " градиент гидродинамического давления имеет различные значения в скале, бетоне и трещине в зависимости от коэффициента фильтрации к«.

3. Поверхностных сил, приложенных по поверхности трещины, интенсивностью соответственно Р[(а2,ег - «2,с|)' ^(а2,сг ~ а2,а)» гЯе р1 ~ гидростатическое давление воды в трещине; Р, « уы-Нц И, - расчетный напор в рассмотренной точке/ а2,4 - коэффициент эффективной площади противодавления в бетоне; а2,Сг - коэффициент эффективной площади противодавления в трещине.

Коэффициенты эффективной площади противодавления аг были приняты разными для различных зон системы "плотина - основание": для зоны трещинообразования бетона а2 - 1, для зоны объемного сжатия а2 - О,15 , для сжатых зон скального массива а2 - 0,5.

По результатам расчетов были построены эпюры нормальных напряжений при разных а2,< в основании (0 £ о2,( £ 1) и длине трешины, равной 30 м, и соотношении коэффициентов фильтрации кф>{: к$,сг " п 1:10:10000.

Для случая, когда трещина соединяется с верхним бьефом, рас-четно-теоретические исследования напряженно-деформированного состояния основания проводились при следующих условиях: коэффициенты площади действия противодавления бетона - 0,15 и трещины аг,сг ~ 1.

В четвертой главе приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния системы "плотина - основание" Саяно-Шушенской ГЭС и сравнение этих результатов исследований с расчетами по действующим нормам.

Показано, что:

1)при трещине с длинами 30, 39 и 46 м на контакте разгружается зона растяжения основания под верховым столбом плотины. При этом растягивающие напряжения а, уменьшаются в 3 и в 2 раза а зависимое-

ти от длины трещины. В направлении У напряжения также уменьшаются.

2) При совместной раОоте системы "плотина - основание" под напорной гранью наОлюдается зона двухосного растяжения, если отсутствует трещина.

2. В конце трещины наОлюдается концентрация напряжений, которая по мере увеличения длины трещины становится менее ощутимой.

3. По глуОине 0,5; 1; 5 м от контактного шва наОлюдается существенно изменение напряжений во всех направлениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ .

1. При проектировании Оетонных плотин, в скальных основаниях которых имеется площадная цементация, в случае раскрытия контактного шва Оолее 1 мы необходимо учитывать полное противодавление по всей площади контактного шва.

2. Для снятия противодавления в раскрывшемся шве по контакту рекомендуется помимо устройства глуОокого дренажа за цементационной завесой устраивать скважинный дренаж по всей площади укрепительной площадной цементации.

3. Влияние вторичной цементационной завесы со стороны низового клина сказывается на напряженно-деформированном состоянии только тогда, когда отсутствует площадная цементация.

4. При расчете системы "плотина - основание" коэффициент эффективной площади противодавления в трещине принимается равным аЛсг- 1.

5. В расчете прочности и трещинооОразования системы "плотина -основание" оОъемные и поверхностные фильтрационные силы оказывают влияние на напряженно-деформированное состояние системы. Эти силы вводятся в расчетах с коэффициентом эффективной площади противодавления а.:, в Оетоне и скале который характеризует степень заполнения пор и микротрещин водой под давлением и изменяется в пределах 0 £ а; й 1. В основании со стороны напорной грани до цементационной завесы рекомендуется принимать аг " 1, за цементационной завесой - аг " 0,5.

6. Напряженно-деформированное состояние скалы в зоне контакта плотины СШГЭС в целом можно охарактеризовать как удовлетворительное. Процессы трещинооОразования под X и II столОами треОуют пристального внимания и проведения специальных мероприятий по стаби-

лизации положения цементации трещин в зонах их периодического раскрытия .

7. Совместная работа системы "плотина - основание" оказывает большое влияние на напряженно-деформированное состояние при расчетах фильтрационных воздействий. Необходимо учитывать взаимовлияние, напряженно-деформированного состояния плотины и основания и фильтрационных сил.

8, На основе перечисленных выше рекомендаций можно определить нормальные и касательные напряжения в системе "плотина - основание". Разработаны практические рекомендации по учету влияния объемных и поверхностных фильтрационных сил на напряженно-деформированное состояние плотины и основания в зависимости от степени напорного «одонасыаения бетона и скального массива.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации отражены в следующих работах.

1. Ж.Макакила, И.В.Соколов. Противодавление воды а система "бетонная плотина - скальное основание". //Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Предельные состояния бетонных и яелезо-бетонных конструкций энергетических сооружений (ПРЕДСО-93). ВНИИГ им.В.Е.Веденеева, 1994, с.135-139.

Рис.2. Схемы фрагментов секции

25 плотины Саяио-Шушенской ГЭС.

5<0у__ р

I !

355

1

308_

А

3 4 5 6 7 8 9

■У-

£ Л * -г <- 3 о

«с

00

'•у __1 V? ЧЧ

а) - ■ - эпюры касательных напряжений тху (Мпа); ----- - эпюры нормальных напряжений о, Мпа);

в) гидростатическое давление и поверхностные нагрузки системы "плотина - основание".

Рис.3. Расчетные схемы трещины по контакту "Сетон - скала".

а) Трещины длиной 1ц - 15 м и 1г ■ 30 м;

б) трещины длиной 1>2 = 30 м;

в) трещины длиной Ьг ■ 30 и, 1) ■ 39 и и 1ч " 46 м.

Рис.4. Эпюры противодавления воды по контакту "бетон - скала" © © ® © ©

при различных соотношениях коэффициентов фильтрации через бетон , скалу к«,! и по трещине к»,с/

© ©@ © © ©

© ©

О) при различных длинах трешины Ь, « О, и - 30 м, 1.1 - 39 м и 1„ ► 46 м.

.15 м,

Рис,5. Расчетная схема действующих поверхностных сил в трещине по контакту "Оетон - скала".