автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Изменения напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС в условиях эксплуатации и оценка их методом конечных элементов

ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВ> ИНОГО СОСТОЯНИЯ ПЛОТИНЫ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС

В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ОЦЕНКА ИХ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.23.07 - Гидротехническое строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саяногорск 2007

003052051

Работа выполнена в ОАО "СШГЭС имени П.С. Непорожнего"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Епифанов Анатолий Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Серяков Виктор Михайлович

кандидат технических наук Бондаренко Андрей Григорьевич

Ведущая организация: ОАО "Инженерный центр ЕЭС" -

Филиал "Институт Ленгидропроект"

Защита состоится 17 апреля 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.171.03 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (СИБСТРИН) по адресу: г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113, ауд.239.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (СИБСТРИН)

Автореферат разослан 2 марта 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Дзюбенко Л.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Бетонная арочно-гравитационная плотина Саяно-Шушенского гидроузла занимает в ряду других крупнейших гидротехнических сооружений (ГТС) особое положение. Это связано с ее уникальными параметрами (размерами, шириной створа, высоким уровнем напряжений в бетоне). Суровый континентальный климат в районе ГТС означает существенное влияние температурного фактора. На протяжении всего периода эксплуатации (с 1990г.) в сооружении отмечаются изменения в его состоянии, что проявляется в росте перемещений в сторону нижнего бьефа. В этом процессе проявляются и изменения в напряженно-деформированном состоянии (НДС) плотины, обусловленные ремонтными инъекционными работами (19962003 гг.), которые были вызваны разуплотнением и большими фильтрационными расходами в бетоне и основании. Для предотвращения повторного раскрытия "залеченных" трещин в бетоне первого столба с 1996г. ограничена нагрузка на плотину: нормальный подпорный уровень (НГГУ) плотины снижен на 1 метр по сравнению с проектным, с одновременными ограничениями по температурному состоянию.

При мониторинге состояния плотины проводится многофакторный анализ, который в настоящее время опирается на статистические данные о поведении плотины, или основан на непосредственном сравнении текущих параметров состояния плотины с параметрами, наблюдаемыми в предыдущий "год-аналог". Но выявить истинную причинно-следственную связь наблюдаемых явлений и изменений в состоянии сооружения при этом затруднительно. Этим определяется высокая актуальность расчетного исследования НДС подобного объекта с использованием конечно-элементной детерминистической модели. При таком моделировании возможно учитывать многие факторы, определяющие состояние плотины, своевременно выявлять те или иные отклонения в этом состоянии, или прогнозировать последствия мероприятий режимного или техногенного характера.

Особое значение при мониторинге состояния ГТС имеет такое качество модели, как ее точность, адекватность текущему состоянию. Требуется ее постоянное сопровождение (уточнение ее параметров), и в этих условиях разработка и использование модели силами самой эксплуатирующей организации является обоснованным решением.

Цель работы и задачи исследования. Построение конечно-элементной модели плотины Саяно-Шушенской ГЭС и вмещающего

массива, предназначенной для расчета изменений в НДС сооружения и использования при мониторинге с целью повышения уровня безопасности эксплуатации; отработка применяемых при расчете методических приемов.

Методы исследования. Изучение закономерностей и особенностей в поведении сооружения в рамках ежегодно повторяющегося цикла нагрузок и воздействий базируется на анализе и обобщении натурных данных о текущем состоянии сооружения.

Метод математического моделирования - метод конечных элементов в форме метода перемещений, с использованием многоцелевого программного комплекса COSMOS/M, v.2.95 (Номер лицензии 0629200659171877).

Научная новизна. Разработана концепция конечно-элементной детерминистической модели как средства отображения в ней изменений напряженно-деформированного состояния плотины и вмещающего массива, происходящих в годовом цикле изменения нагрузок и воздействий на сооружение. При проведении анализа натурных данных автором был получен ряд важных выводов о закономерностях и особенностях поведения плотины, в частности о совместной работе столбов плотины при эксплуатации. При построении конечно-элементной сети предложен новый принцип построения сети конечных элементов, с обособлением каждой секции плотины в отдельный слой элементов, обеспечивающий возможность ее дальнейшего развития и перестройки для целей исследования местного НДС.

Разработана методика построения в объеме всего сооружения температурных полей, отличающаяся от существующих максимальным приближением к показаниям контрольно-измерительной аппаратуры (КИА); разработана расчетная методика, позволяющая учитывать особенности поведения материала в разуплотненной зоне основания, а также методика учета несплошности по межблочным швам при оценке температурного воздействия.

Практическая ценность. Проведен расчетный анализ таких изменений в НДС плотины, которые возникают при масштабных ремонтных работах, аналогичных выполненным в 1996 году в бетоне первого столба плотины. Применимость предложенной методики расчета подтверждается данными натурных наблюдений.

Модель использована при оперативной оценке состояния плотины по ходу наполнения водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС в

2006 году. Расчетным путем выявлены возникшие в текущем году отклонения в НДС плотины. На основе прогнозных расчетов ее перемещений в предстоящий осенний период предложено скорректировать режим эксплуатации с целью снижения гидростатической нагрузки на сооружение и недопущения потенциально опасного ее состояния.

Реализация и внедрение результатов работы. Модель используется в лаборатории гидротехнических сооружений ОАО "Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего" для повышения уровня и качества анализа состояния плотины при мониторинге.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлены в виде докладов на 62-ой и 63-ой научно-технических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (СИБСТРИН) (г. Новосибирск, 2005г. 2006г.), а так же при проведении лекций на семинарах "Организация надзора за безопасностью ГТС" в 2004 - 2006 годах (на базе Саяно-Шушенского филиала КГТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы (48 наименований). Диссертация содержит 148 страниц текста, 75 рисунков, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована задача разработки и внедрения в практику эксплуатации гидротехнического сооружения конечно-элементной детерминистической модели, использование которой для сооружений 1 класса обязательно. Разработка новой модели, отличной от ранее использованных при поверочных расчетах в институте "Лен-гидропроект" и в "Центре службы геодинамических наблюдений в электроэнергетической отрасли", имеет целью повысить точность воспроизведения в модели параметров состояния плотины. Обеспечение точности модели и ее адекватности текущему состоянию сооружения возможно:

- при более точном отражении в сети конечных элементов конструктивных, геометрических параметров сооружения;

- при отображении в модели изменений (приращений) параметров НДС в пределах ежегодного цикла нагрузок и воздействий;

- при постоянном сопровождении модели, то есть при ее уточнении по данным наблюдений и совершенствовании методики расчета, совершенствовании измерительного комплекса.

В главе 1 {Анализ натурных данных о поведении плотины) изложены результаты проведенных автором исследований поведения плотины в течение последних лет, которое определялось воздействием ежегодно изменяющихся гидростатических нагрузок на плотину и основание, а также при ежегодном цикле изменений температурного поля плотины.

При рассмотрении данных геодезических измерений перемещений плотины отмечено, что их отличает высокая точность, регулярность, а главное - их интегральный, обобщающий характер. Перемещения плотины могут и должны непосредственно воспроизводиться в модели.

Совместная обработка показаний о вертикальных перемещениях марок продольных и поперечных гидростатических нивелиров (ГН), которые размещены в галереях плотины на отметках 316-3 08м и образуют горизонтальную плоскость (рис. 1), дает следующие результаты.

Рис. 1. Расположение продольного и поперечных гидронивелиров в приконтактном сечении плотины (отм.З08-316м). 1 - контур плотины 2 - поперечный ГН

3 — продольный ГН 4 — ось поворота сечения Приконтактное сечение поворачивается при деформировании плотины относительно некоторой горизонтальной оси, и во многом сохраняет плоскую форму (рис.2). Наблюдаемые отклонения от плоскости, которые можно зафиксировать (они на порядок меньше максимальных перемещений) не случайны и несут информацию о жесткости скальных пород основания. В расчетной модели это позволило использовать допущение о монолитности плотины, отсутствии существенных сдвигов по межстолбчатым швам при изменении нагрузок в рамках ежегодного цикла "наполнение-сработка" водохранилища.

Рис.2. Перемещения приконтактного сечения (относительно состояния при НПУ). а) 24/02/04, при УВБ = 521,68м б) 14/05/04, при УВБ = 502,41м

светлые точки — продольный ГН, темные — поперечные ГН.

Рис. 3. Радиальные перемещения на гребне плотины при наборе УВБ (относительно состояния плотины 28/02/2002г). а) 2002 год (медленное наполнение). б) 2004 год (быстрое наполнение)

Так же рассмотрены плановые перемещения плотины, полученные при помощи системы прямых и обратных отвесов. При том, что эти перемещения определяются в первую очередь уровнем верхнего бьефа (УВБ), т.е. гидростатической нагрузкой, имеется большое влияние температурного фактора. Например, при одинаковом УВБ при наполнении водохранилища летом, когда плотина "теплая", ее радиальные перемещения в сторону нижнего бьефа меньше, чем в период сработки зимой, когда плотина "холодная". Более того, плановые перемещения могут значительно отличаться и в период наполнения при разной скорости наполнения водохранилища (рис.3). ■

Показано, что как вертикальные, так и радиальные перемещения имеют больший размах в левой, станционной части плотины, по сравнению с правой, водосбросной частью плотины. Это говорит о различиях в жесткости системы "плотина-основание" для правой и левой частей. Такая несимметричность (относительно ключевой секции арки - секции 33) в перемещениях должна воспроизводиться в модели, и, очевидно, это возможно при отражении в модели разного конструктивного строения секций станционной и водосбросной частей плотины. В то же время, выявлено, что температурные воздействия приводят к большим перемещениям в правой части, как следствие имеющихся конструктивных отличий.

Для решения поставленных задач с помощью разрабатываемой модели необходимо воспроизвести в ней температурное поле во всем объеме плотины, и его изменений с течением времени. Основа для построения этого температурного поля - данные натурных наблюдений. Проведен анализ имеющейся информации о температуре бетона по данным почти 500 датчиков температуры, оценена их работоспособность, размещение, закономерности в рассматриваемых данных. Отмечено, что более надежно могут быть получены поля температуры в "приращениях", и в основном для гладких, открытых частей низовой грани. Так же зафиксированы различия в температурном поле в разных частях низовой грани плотины, связанных с неравномерной инсоляцией. Но, имеются обширные зоны низовой грани и верховой грани, недостаточно оснащенные КИА. Это не позволяет выявить неоднородности в распределении температуры на низовой грани в таких местах, как закрытые и открытые участки водосброса, поверхность под турбинными водоводами. Со стороны верховой грани не удается выявить общую неравномерность температурных полей в зоне переменного уровня, и особенно в местах расположения пазов затворов водоприемников. Поэтому, для более обоснованного назначения температуры бетона (при расчетах) в таких местах необходимо дополнить имеющийся измерительный комплекс КИА новыми датчиками температуры. Разработанный автором проект размещения датчиков температуры в теле плотины, в галереях, на разных глубинах в водохранилище направлен на решение этой проблемы.

Наблюдаемые различия в состоянии плотины, связанные с сезонными изменениями температуры плотины, объясняются не только перераспределением внутренних сил в теле с неоднородным полем

температур, но и изменением условий контакта бетонных блоков вблизи наружных поверхностей плотины. Как показывают щелемеры, установленные на межсекционных швах на низовой грани, в холодный период года их раскрытие достигает 1-2мм и прослеживается на глубину до 3 метров. Отмечены различия в поведении швов, характерные для левой и правой частей плотины, и которые, предположительно, связаны с зафиксированными различиями в температурном поле низовой грани.

Параметры напряженного состояния в теле плотины измеряются при помощи тензорозеток. Но каждое измерение, в отличие от перемещений, несет информацию о НДС только того блока, в котором установлена тензорозетка. Ввиду неравномерности начального напряженного состояния каждого блока, разных условий при проведении цементации швов и т.д., погрешностей обработки абсолютные значения вычисленных параметров напряжений имеют нестабильный характер и не могут непосредственно использоваться при сопоставлении расчетных показателей с данными измерений. Возможно сравнение в "приращениях".

В главе 2 {Конечно-элементная модель и методика расчета напряженно-деформированного состояния сооружения) кратко изложены основные уравнения метода конечных элементов, с использованием которых проводятся расчеты. Перечислены исходные материалы, такие как чертежи сооружения, данные математической модели местности, и другие, которые использованы при разработке конечно-элементной сети.

Далее изложены основные особенности построения сети конечных элементов (КЭ). В ранее построенных моделях, в которых тело плотины представлено гладкими поверхностями и не отражающими никаких конструктивных элементов, находило стремление отразить прежде всего столбчатое строение плотины, исследовать взаимодействие столбов в процессе возведения и омоноличивания плотины. В разработанной автором сети КЭ плотина рассматривается как сплошное, монолитное тело. В соответствии с этим, внутренняя разбивка сети (каждой секции) отчасти следует ее конструктивному строению, но вблизи поверхности (наружных граней) имеет сгущение по направлению нормали к поверхности для реализации высоких температурных градиентов. Выделение при этом для каждой секции отдельного слоя элементов предполагает возможность перестройки сети, отобра-

жения в модели особенностей строения каждой секции, например, наличия водоприемников и турбинных водоводов в четных секциях станционной части плотины, и возможно, решения задачи исследования местного НДС.

Рис. 4. Построение сети конечных элементов. а) секции в водосбросной б) секции в станционной части

части плотины плотины

Точками отмечено совпадение положения узлов сети и расположения продольных галерей в плотине.

На данном этапе, веиду несимметричности перемещений плотины и, значит, ее разной жесткости для станционной и водосбросной частей, в сети КЭ отображены такие элементы конструкции, как объединенные бычки водосброса, которые представляют 12 своеобразных ребер жесткости на низовой грани. Эти особенности строения сети КЭ можно видеть на рис.4. Вся сеть КЭ включает 37956 узлов и 36834 конечных элемента (рис.5).

1800м

¡500м

Рис. 5- Общий вид сети КЭ.

Вся модель и методика расчета строится в предположении о линейно-упругой работе материала. При этом имеются сложности с наличием частей, или зон, в пространстве модели, в которых прослеживается нелинейная работа материала. Главным образом это:

— реализация в модели температурных воздействий и

— обеспечение должного взаимодействия на контакте плотины

со скальным основанием.

Первая проблема, о температурном воздействии, имеет два аспекта. Во-первых, необходимо построить в пространстве модели такое температурное поле, которое соответствует изменениям температуры бетона в каждой точке плотины за Известный промежуток времени. При совместной обработке показаний датчиков температуры, расположенных в пределах 10-15 метров от поверхности низовой грани, строится зависимость Т(х), отражающая график изменения температуры от расстояния до поверхности. Для разных частей низовой грани удается выявить различия в температурном поле, и задать для них разные зависимости Т(х). Для отображения полей температуры в при-

поверхностных зонах верховой грани в настоящее время по совокупности имеющихся данных строится полиномиальная функция Т(х,у), которая применяется в пределах всей верховой грани без учета особенностей тех или иных секций.

Во-вторых, необходимо воспроизвести в модели надлежащее силовое взаимодействие бетонных блоков вблизи поверхности, там, где высоки значения температуры бетона. Межсекционные, межблочные швы, выходящие на поверхность, "редуцируют" температурные напряжения, то ссть снижают прирост сжимающих напряжений при повышенной температуре и препятствуют появлению растягивающих напряжений при очень низкой температуре в поверхностных слоях бетона. Анализ данных о раскрытии швов показывает, что имеется связь величины раскрытия с температурой бетона на той глубине (расстоянии от наружной поверхности), на которой установлен щелемер, но эта связь неоднозначная, показывающая разную величину раскрытия: большую в процессе разогрева бетона (весна-лето) и меньшую в процессе остывания бетона (осень-зима). Как один из вариантов учета неплотности поверхностных слоев бетона, позволяющий оставаться в рамках исходного предположения о линейно-упругом поведении материала, принята простая методика - эффект теплового расширения бетона уменьшается при помощи пониженных значений коэффициента температурного расширения бетона. Применимость такого подхода проверена при последующем тестировании модели.

При рассмотрении взаимодействия на контакте со скальным основанием также применен простой подход, позволяющий смоделировать повышенную податливость основания в зоне разуплотнения, так называемое раскрытие на контакте "бетон-скала". Эта зона, по разным оценкам, расположена под первыми двумя столбами плотины, и достигает 30-50 метров по потоку. В поперечном направлении она охватывает всю русловую часть основания и часть береговых примыканий до отметок 430-450м.

Эта зона представляет собой разуплотненный скальный массив, который в условиях недостаточного сжатия (если не растяжения) имеет сеть трещин субгоризонтального направления, за счет чего и обладает повышенной податливостью. В модели для конечных элементов, соответствующих этой зоне разуплотнения, задается пониженный (по сравнению с основным скальным массивом в 7 раз) модуль упругости. В результате обеспечивается такая картина перемещений в прикон-

тактной зоне, которая показана на рис.6. За счет пониженного модуля упругости достигается согласование вертикальных перемещений, полученных при расчете, с данными измерений.

Глава 3 {Параметрическая идентификация расчетной модели по данным натурных наблюдений) содержит результаты параметрической идентификации и тестирования модели. В процессе идентификации при проведении расчетов, в которых анализировал и с 1, порядка 50 расчетных случаев, определялись основные параметры модели, такие как конструкционный модуль упругости бетона, модуль упругости скального основания, модуль упругости и сами размеры для области разуплотнения в основании, температурный коэффициент расширения для бетона. В результате удалось согласовать (по величине радиаль-

Рис. 6. Деформирование плотины и основания под нагрузкой. Более светлым цветом выделена разуплотненная часть скального основания, имеющая в модели пониженный модуль упругости.

ных перемещений в 57 точках плотины) получаемую при расчетах реакцию плотины на гидростатическую нагрузку и ее реакцию на изменение температурного поля в плотине. В результате идентификации получены параметры модели, указанные в таблице. Надо отметить, что полученные упругие характеристики бетона и скального основания значительно выше использованных ранее, в других расчетных моделях СШГЭС.

Таблица Параметры модели по результатам ее идентификации

конструкционный модуль упругости бетона, МПа 35000-38000

модуль упругости скального основания, МПа 28000

модуль упругости скального основания в разуплотненной зоне, МПа 4000

коэффициент температурного расширения бетона для верхней части плотины, град 4 О-х 1,0* Ю-5

ау 0,4*10"5

а2 0,5* Ю-5

коэффициент температурного расширения бетона для нижней части плотины, град ах 1,0*10'5

ау 0,7* 10"5

а* 0,8* Ю-5

Для общей оценки работоспособности модели проведено тестирование, в ходе которого последовательно воспроизводились 11 состояний плотины. И расчеты, и натурные данные вычислялись относительно состояния " 1", выбранном на ветви сработки при УВБ, близком 520м (25 февраля 2004 г.). Последующие состояния "2" - "11" выбраны так, чтобы охватить весь диапазон состояний плотины в течение полного годового цикла "наполнение-сработка".

Соответствие результатов расчетов данным измерений удовлетворительное (рис.7, 8). Проведено также сравнение полученных в расчетах параметров напряженного состояния с измеренными данными. Сравнивались приращения параметров - нормальных напряжений в локальных осях: X, направленной по потоку по оси секции, У - вертикально вверх (консольные напряжения), Ъ - перпендикулярно осям X и У (арочные напряжения).

004 003 002 0 01 ООО -001 •0 02 >003 .0 04 -0 05 -006

Перемещ, м

_______1 ;

11 ^ 10 \ ^____ 1

12 N

20 30 40 V 7р

Секции |

1

;

004 0 03 002 0 01 ООО -0 01 -002 -003 004 -0 05 -0 06

Первмещ, м

1 ^чЬ 5 )• ' зЬ ж .^б"' '

6 \ ' Секции

1

•^—Расчет — изм.данные

-0,06 -0 05 -0 04 -О 03 -0 02 -0 01 ООО 0 01 0 03 0 03

6 7 8

'Перемещение, м!

-0,0в -0.05 -0,04 -0,03 -0.02 -0,01 0,00 0.01 0,02 0,03

Рис.7. Сравнение расчетных и изме- Рис.8. Сравнение расчетных и ренных перемещений измеренных перемещений

на гребне плотины в секции 33

Для сопоставления взяты 57 тензорозеток, установленных в контрольных секциях 18, 33 и 45, и в большинстве (более 70%) случаев отмечено удовлетворительное соответствие. Примеры показаны на рис.9.

Тестирование показало, что расчетная модель вполне удовлетворительно отражает общее НДС сооружения. Это подтверждает приемлемость принятых при построении модели допущений, в частности о том, что плотина представляет собой монолитное линейно-упругое тело; допустимость принятой методики моделирования разуплотнения основания и методики учета температурного воздействия.

Одновременно, полученное соответствие по большинству тензорозеток подтверждает показания самих датчиков, как приборов, отражающих общее НДС сооружения. Но, это соответствие имеется только для приращений напряжений, которые происходят от цикличе-

ски изменяющегося уровня внешних воздействий на плотину. Данный вывод имеет большое значение в условиях, когда на многих бетонных плотинах срок работы элементов закладной телеметрической КИА превысил их паспортный срок службы._

а)

б)

Рис.9. Сравнение расчетных и измеренных напряжений.

а) розетка 149 (секция 45, отм. 504м, 1,5м от поверхности низовой грани)

б) розетка 152 (секция 33, отм. 504м, 8,5м от напорной грани

Проведенное тестирование, по сути, является еще одним этапом параметрической идентификации модели. Анализ полученных несоответствий, по перемещениям или напряжениям, с учетом общности этих фактов позволяет сделать ряд выводов и рекомендаций по дальнейшему совершенствованию модели. Например, полученное несоответствие напряжений вблизи верховой грани, в местах расположения

пазов затворов может объясняться локальным возмущением общего НДС из-за наличия внутренних полостей (пазов), не учтенных в модели (рис.10). Но. поскольку значительное расхождение в напряжениях соответствует моменту повышения температуры воды в водохранилище, становится ясно, что здесь преобладает влияние температурного фактора. Пазы затворов, заполненные водой, обеспечивают прогрев внутренних областей секций, в которых имеются водоприемники, и тепловое расширение гораздо большего объема бетона в четных секциях обусловливает высокие арочные напряжения как в них. так и в глухих нечетных секциях. Для реализации в модели такого прогрева требуется доработка конечно-элементной сети, введение в нее конструктивных отличий четных и нечетных секций, чтобы обеспечить в них разное температурное ноле.

Другие выводы касаются уточнения количественных параметров модели, в частности, обеспечивающих повышение жесткости правобережной части системы "плотина-основание".

В главе 4 (Примеры практического использования конечно-элементной модели) представлены проведенные расчеты, вызванные реальными проблемами при эксплуатации Саяно-Шушенской ГЭС.

Первая задача - методическая. Ее цель - сделать расчетную оценку изменений в НДС плотины, возникших при масштабных инъекционных работах, какие проводились при подавлении фильтрации в

бетоне первого столба плотины на отметках 350-359 метров в 1996 году. Для этого использовались данные натурных наблюдений, полученные в период проведения таких работ и в последующий период. Максимальное влияние от "расклинивающего" эффекта заполнения сети трещин в разуплотненной зоне композиционным материалом наблюдалось в момент сработай водохранилища до низких УВБ, и при этом были зафиксированы дополнительные радиальные перемещения, "невозврат " плотины в ее исходное положение.

Рис. 11. Система само- Рис. 12. Сравнение расчетных и измерен-

уравновешенных сил в ных радиальных перемещений на гребне узлах сети.

Предлагаемая методика состоит в искуственном создании в модели взаимного смещения точек - узлов сети КЭ на необходимую величину (10мм) при помощи системы самоуравновешенных сил (рис.11). При этом конечные элементы выше и ниже точек приложения сил получают дополнительную деформацию сжатия, соответствующую реальной. Для выбранных в 1996 и в 1997 годах двух состояний плотины в конце периода сработай, то есть до и после ремонта, проведен расчет по предлагаемой методике, с учетом температурного воздействия. Результаты расчета (рис.12) имеют близкие значения с данными измерений, как на гребне, так и других отметках. Проведенный расчет показывает применимость методики для оценки влияния ремонтных работ на общее НДС сооружения.

Второй пример использования модели - пример расчетного сопровождения процесса наблюдений в течение периода наполнения водохранилища в 2006 году. Данный период характеризовался чрезвычайно высокой приточностью. Раннее наполнение водохранилища

до уровня ВБ, равного 537,4 метра, к 10 июля 2006 года, когда температурное состояние плотины не позволяло нести такую гидростатическую нагрузку, повлекло осуществление холостых сбросов. Расход через гидроузел в июле достигал беспрецедентного уровня в 7500мЗ/с, были открыты все 11 водосбросных отверстий, два из них - полностью. Фиксируемые при наполнении радиальные перемещения точек плотины превышали данные предыдущих двух лет, превышение перемещений в текущем году составляло от 2 до 14 мм. На рис.13 отмечены точки на циклограмме, которые отражают близкие по УВБ состояния плотины в рассматриваемые 3 года.

Проведена серия расчетов, в которых последовательно рассматривались в качестве "начальных" и "конечных" состояний плотины моменты времени, соответствующие точкам на рис.13 "1-04" и "1-06", "1-05" и "1-06", "2-04" и "2-06", и так далее. Были получены расчетные значения радиальных перемещений в текущем году, соответствующие изменениям гидростатической нагрузки, температурного поля при переходе от "начального" состояния к "конечному". Во всех случаях

расчетные перемещения плотины оказались меньше данных натурных наблюдений. Это означает, что на всем протяжении периода наполнения состояние плотины характеризуется дополнительными перемещениями. Отнести их к "необратимым" перемещениям плотины в сторону нижнего бьефа, накопление которых продолжается с разной интенсивностью все годы эксплуатации, пока преждевременно, возможно, здесь проявляются неучтенные в расчете, не зафиксированные по данным КИА изменения температуры плотины в средней части плотины, или иные нелинейные процессы.

На основе полученных двух расчетных данных для каждого состояния "1-06" - "4-06" была определена средняя величина таких дополнительных перемещений для всех секций. Для секций 25-45 эти величины составили от 2 мм в начале лета до 4мм в июле-сентябре 2006г. (рис.14).

"Г 31/05/06 "2" 21/06/06 "3" 10/07/06 "4" 12/0Э/06

10 20 30 40

Рис.14. Дополнительные радиальные перемещения на гребне.

Отмечены состояния плотины "I", .. "4" и соответствующие даты.

Оперативность проведения расчетов и своевременное выявление отклонений в состоянии плотины позволили заблаговременно поставить вопрос о возможных экстремальных для 2006 года перемещениях плотины, которые обычно наблюдаются в начале периода сработки водохранилища, в первой половине ноября. Дело в том, что максимальные наблюдаемые радиальные перемещения на гребне в секциях 18, 33 и 45 входят в число контрольных параметров, и эти параметры, по данным предыдущих лет, вплотную приблизились к заданным в "Декларации безопасности..." критериальным значениям К1, опреде-

ляющим переход плотины в "потенциально опасное" состояние. И выявленные по результатам расчетов дополнительные перемещения на гребне плотины в 2006 году в ноябре могут привести к нежелательному состоянию плотины.

Проведенные прогнозные расчеты, в которых использовались возможные для ноября температурные поля (наименьший зафиксированный уровень температуры бетона за последние 10 лет), подтвердили такую возможность превышения уровня К1 для максимальных радиальных перемещений в секциях 18 и 33. Поэтому было рекомендовано эксплуатационной службе ГЭС принять меры режимного характера, обеспечить своевременное понижение уровня ВБ к началу ноября.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен комплексный анализ данных натурных наблюдений за последние годы, позволивший установить основные закономерности поведения плотины при ежегодно повторяющемся цикле "наполне-ния-сработки" водохранилища. Для плотины при этом характерна несимметричность вертикальных и плановых перемещений относительно ее ключевой секции, которая отражает большую податливость системы "плотина-основание" в левой, станционной части, чем в правой, водосбросной. Проявление температурных воздействий так же несимметрично, но наиболее значимо в правой части плотины. Приконтакт-ное горизонтальное сечение плотины на отметке 308-315м при ее деформировании осуществляет поворот относительно горизонтальной оси, но практически сохраняет свою плоскую форму, что означает, что плотина ведет себя как достаточно жесткое и монолитное тело. Отмеченные при таком повороте приконтактного сечения смещения точек плотины от плоскости закономерны и несут информацию о жесткости основания. Показано, что вычисленные по показаниям тензорозеток компоненты напряжений в разных точках плотины имеют значительный разброс и не отражают общее НДС плотины. Для целей идентификации модели применимо использование приращений напряжений в годовом цикле.

2. На основе анализа данных о температуре бетона в точках установки КИА создана методика построения температурного поля в объеме плотины. Показано, что в местах установки турбинных водоводов, водоприемников, водосбросных устройств необходима установка до-

полнительной аппаратуры для измерения температуры бетона, а также температуры воды в водохранилище, и разработан проект размещения этой аппаратуры.

3. Построена новая сеть конечных элементов, которая имеет более строгое соответствие делению плотины конструктивными швами на части, сгущение сети вблизи наружных поверхностей плотины для более точного воспроизведения высоких температурных градиентов.

4. При учете в модели температурного воздействия предложена методика, выражающаяся в снижении коэффициента температурного расширения бетона, что позволяет, оставаясь в рамках допущения о плотине как о линейно-упругом теле, учесть снижение сил взаимодействия на межблочных швах.

5. Для моделирования разуплотнения скального основания под 1-2 столбами плотины предложен методический прием, который сводится к снижению конструкционного модуля упругости скалы.

6. Параметры, определяющие жесткостные свойства модели, определены в процессе идентификации модели по данным натурных измерений. Применимость разработанных методических приемов, допущений подтверждена результатами тестирования модели, путем сравнения расчетных и измеренных показателей НДС, как по перемещениям, так и по напряжениям, во всем диапазоне нагрузок и воздействий, характерных для одного года.

7. Оперативность проведения расчетов обеспечивается применением разработанных автором средств автоматизации расчетов, то есть комплекса программ, позволяющих производить подготовку исходных данных для расчета, а так же производить подготовку полученной при расчете информации для последующего анализа, сопоставления с данными натурных наблюдений.

8. Рассмотрена задача об оценке влияния крупномасштабных инъекционных работ на НДС сооружения, подобных проведенным в 1996 году в теле плотины. Проведены расчеты изменений перемещений и других параметров НДС плотины в течение периода наполнения водохранилища в 2006 году. На основе сопоставления расчетных и наблюдаемых данных о перемещениях плотины своевременно определена величина полученных за год дополнительных перемещений. Проведены расчеты с целью прогнозирования состояния плотины в предстоящий период.

9. Проведенные в 2006 году исследования представляют пример оперативного расчетного сопровождения процесса наблюдения состояния ГТС и прогнозирования. Результаты прогнозных расчетов, из которых вытекает возможность превышения некоторыми контрольными параметрами критериального уровня К1, были учтены при корректировке режима эксплуатации ГЭС в предстоящий осенний период.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Александров Ю.Н. Разработка математической модели для оценки на-пряженно-деформированного состояния гидротехнических сооружений СШГЭС / Ю.Н.Александров //Вестн. Краснояр. гос. ар-хит.-строит. акад.: Сб.науч.тр. Вып.6, - Красноярск: КрасГАСА, -2003.-С. 16-27.

2. Толошинов A.B. Особенности деформирования арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС на контакте с основанием / A.B. Толошинов, Ю.Н. Александров //Известия Вузов. Строительство, - 2006. - № 6. - С.51-60.

3. Толошинов A.B. Построение конечно-элементной расчетной модели для оценки напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС / A.B. Толошинов, Ю.Н. Александров, А.П. Епифанов //Известия Вузов. Строительство, - 2006. - № 7. - С.38-47.

4. Александров Ю.Н. Расчетные исследования поведения плотины Саяно-Шушенской ГЭС в годовом цикле изменения нагрузок в 20042005 году. / Ю.Н. Александров //Гидротехническое строительство -2006. - № 6, - С.9-13.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) 630008, Новосибирск, ул. Ленинградская, 113

Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГ АСУ (Сибстрин) Тираж -/ОО Заказ 97 2007

Введение

Глава 1. Анализ натурных данных о поведении плотины

1.1. Краткая характеристика плотины Саяно-Шушенской ГЭС

1.2. Вертикальные перемещения

1.2.1. Перемещения в приконтактном сечении плотины в годовом цикле изменения нагрузок

1.2.2. Влияние жесткости скального основания на вертикальные перемещения

1.3. Радиальные перемещения

1.4. Раскрытие межсекционных швов на низовой грани

1.5. Температурное поле плотины

1.5.1. Теоретическое решение задачи о квазистационарном 39 температурном поле в полупространстве

1.5.2. Параметры внешней среды

1.5.3. Определение в плотине зон с различным температурным режимом

1.5.4. Температурное поле низовой грани плотины

1.6. Анализ показаний тензорозеток

1.7. Выводы по главе

Глава 2. Конечно-элементная модель и методика расчета напряженно

- деформированного состояния сооружения

2.1. Краткие сведения о методе конечных элементов

2.2. Основные положения и допущения, принятые при разработке модели

2.3. Построение сети конечных элементов

2.4. Гидростатическая нагрузка

2.5. Учет в модели температурных воздействий

2.6. Вспомогательное программное обеспечение

2.7. Выводы по главе

Глава 3. Параметрическая идентификация расчетной модели по данным натурных наблюдений

3.1. Проведение параметрической идентификации

3.2. Тестирование модели

3.2.1. Ряд состояний плотины в течение 2004-2005 годов, использованных для тестирования

3.2.2. Сравнение расчетных и измеренных перемещений плотины

3.2.3. Сравнение расчетных и измеренных напряжений в теле плотины

3.3. Пути совершенствования модели

3.4. Выводы по главе

Глава 4. Примеры практического использования конечно-элементной модели

4.1. Разработка методики оценки последствий инъекционных работ

4.1.1. Моделирование заполнения трещин смолой

4.1.2. Анализ натурных данных, отражающих влияние ремонтных работ в теле плотины в 1996 году

4.1.3. Результаты расчетов

4.2. Расчет перемещений плотины при наполнении водохранилища в 2006 году

4.2.1. Характеристика периода наполнения водохранилища в

2006 году

4.2.2. Результаты расчетов

4.2.3. Прогнозирование поведения плотины осенью 2006 года

4.3. Выводы по главе 4 137 Заключение 139 Список использованной литературы

Обеспечение безопасности эксплуатации гидротехнического сооружения (ГТС) регламентируется рядом документов[1,2], в первую очередь, Федеральным Законом "О безопасности гидротехнических сооружений". В системе мер обеспечения безопасности при эксплуатации, наряду с разработкой "Декларации безопасности.", основное место принадлежит мониторингу состояния ГТС. При его осуществлении для сооружений I класса обязательно использовать ряд диагностических средств, в частности, детерминистические модели работы сооружения [3].

Диагностика состояния арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС весьма сложна по ряду причин. Имеющая неординарные размеры, сложная в конструктивном отношении, с предельным для бетона уровнем напряжений, подверженная значительному влиянию температурного фактора, эта плотина имеет много особенностей в ее реакциях на внешние воздействия. В связи с недостаточным обжатием напорпой 1рани, рлушкм-нением основания потребовалось проведение длительных ремонтных работ, что повлекло изменения в ее напряженно-деформированном состоянии (НДС). Для плотины было введено пониженное на 1 метр по сравнению с проектом значение нормального подпорного уровня (НПУ), который плотина способна воспринимать в небольшой по времени период, при достаточном повышении температуры бетона. Продолжается нарастание необратимых перемещений плотины, в результате чего ее перемещения на гребне вплошую приблизились к предельным. Поэтому требуется наращивание объема и качества наблюдений, а так же большого объема исследований Проведение анализа НДС такого объекта непременно требует построения и совершенствования модели, достоверно отражающей поведение сооружения.

Использование в этом качестве расчетных моделей, используемых при проведении проектировочных расчеюв, а в последствии, для поверочных расчетов напряженно-деформированного состояния гидротехнического сооружения затруднительно. Они предназначены, главным образом, для обоснования и подтверждения прочности и устойчивости сооружения, установления критериальных значений контрольных параметров.

При расчете НДС плотины Саяно-Шушенской ГЭС в период обоснования варианта конструкции использовались метод центральной консоли, неполный метод пробных нагрузок, на стадии технического проекта - полный метод пробных нагрузок и метод "арок-консолей" [4]. Эти методы в настоящее время не используются.

Более совершенные расчетные модели создавались на основе метода конечных элементов (разработки генерального проектировщика института "Ленгидропроект", ЦСГНЭО, ВНИИГ, НИС Гидропроекта). Уровень сложности конечно-элементных моделей менялся с течением времени, в соответствии с развитием вычислительной техники и программного обеспечения. Одна из первых в этом ряду - модель Фрадкина Б.В.([5], 1977г). Последние расчеты, проведенные под руководством Вульфовича Н.А.( 1994-1997гг. и позднее) и под руководством Бронштейна В.И.( 1998г.) [6,7], выполнялись уже с учетом данных натурных наблюдений и реальной последовательности возведения и нагружения плотины. С помощью этих моделей исследовались вопросы возникновения и развития зоны растяжения со стороны напорной грани плотины, влияния последовательности омоноличивания и нагружения плотины. Делались попытки расчетов с учетом температурного воздействия и оценка последствий проведенных ремонтных работ в теле плотины и в основании [8-14].

Существенным недостатком используемых при этом моделей является воспроизведения в одной модели как особенностей строительного периода сооружения, так и ею состояния в эксплуаыционныи период. Гак, гочноиь моделирования длительного (порядка 10 лет), многоэтапного процесса возведения, омоноличивания, нагружения плотины СШГЭС не имеет достаточного подтверждения в виду отсутствия полных натурных данных Проводимое сравнение результатов расчета с данными наблюдений в эксплуатационный период, подтверждающее корректность модели, ведется не в полном объеме, ограничиваясь экстремальными значениями параметров состояния сооружения. Температурное воздействие при этом оценивается в своем максимальном проявлении, при изменении температурного поля в плотине от наиболее холодного (весна) до наиболее теплого (осень) ее состояния.

Этот подход был предопределен целью проектировочных и поверочных расчетов. Следует отметить характерные для этого периода такие объективные причины, как существенные количественные ограничения на степень детализации при построении конечно-элементной сети объекта, малая производительность средств вычислительной техники.

Для целей мониторинга преобладающими становятся такие качества модели как ее адекватность текущему состоянию сооружения, точность воспроизводимых в модели параметров состояния, сравнимая с точностью получаемых при наблюдениях натурных данных. Это позволит дополнить проводимый в настоящее время сравнительный анализ параметров текущего состояния плотины с показаниями предыдущих лет (при сходных внешних условиях) расчетным анализом. Расчет позволяет выяснить, соответствуют ли полученные при измерениях параметры состояния плотины складывающимся внешним условиям, или в сооружении возникли нежелательные изменения, нарушения. Своевременное обнаружение деструктивных процессов имеет определяющее значение.

Анализ отклонений, изменений в состоянии сооружения включает в себя поиск причин намечающихся проблем, и проведение на модели серии расчетов с учетом тех или иных изменений в схеме работы сооружения может дать такой ответ. Для этого должны быть отработаны методические приемы, технологии расчета, необходимые для моделирования всех возможных изменений. К их числу можно отнести изменение температуры отдельных частей плотины, появление магистральных трещин, а так же тех изменений в свойствах и характере взаимодействия отдельных частей плотины, которые происходят при ремонтных работах. В этом проявляется решающее преимущество использования детерминистической расчетной модели перед альтернативными статистическими, в большинстве своем - регрессионными моделями [15,16].

Обеспечение необходимой точности расчетной модели возможно за счет следующего:

- отображение в модели именно текущего состояния сооружения, без попыток охватить всю его историю;

- проведение идентификации модели по максимальному количеству параметров (по данным разных видов и средств измерений), постоянное уточнение параметров модели по данным, соответствующим именно текущему периоду времени;

- построение более густой сети конечных элементов, с отображением всех существенных особенностей его конструкции и вмещающего массива. Одновременно с этим необходимо сгущение сети в местах высоких температурных градиентов в теле плотины для корректного учета температурного фактора;

- отработка методических вопросов расчета НДС сооружения с учетом всех возможных изменений в схеме работы сооружения. Имеются в виду изменения разной природы, как естественно развивающихся процессов, 1ак и процессов, имеющих техногенный характер.

Отсюда и вытекает основная цель диссертационной работы - построение конечно-элементной модели для расчета НДС плотины Саяно-Шушенской ГЭС и вмещающего массива, отработка применяемых при расчете методических приемов. Уникальные параметры плотины СШГЭС, широкий диапазон изменения нагрузок в годовом цикле, приводящий к значительным, с высокой точностью фиксируемым перемещениям, насыщенность сооружения контрольно-измерительной аппаратурой и полноценный контроль ее состояния по всем видам наблюдений - все эти факторы в совокупности предопределяют возможность, а так же и научную ценность моделирования работы данного объекта.

В процессе работы были рассмотрены и решены следующие вопросы:

- изучение объекта исследования, сбор документальных материалов по сооружению, изучение всего измерительного комплекса, методики измерений и обработки полученных данных;

- анализ полученной в последнее десятилетие информации по перемещениям, напряжениям и другим показателям состояния плотины с целью выявления основных закономерностей и особенностей ее поведения в условиях ежегодного цикла изменения нагрузок и внешних условий;

- исследование температурных полей, формирующихся в условиях эксплуатации, в плотине Саяно-Шушенской ГЭС. Так как это - один из важнейших факторов, определяющих состояние плотины, данное исследование проведено наиболее полно, и на его основе сформированы ряд предложений по модернизации системы измерения температурного поля в плотине и организации измерений температуры воды в водохранилище в ряде точек вблизи напорной грани;

- изучение материалов, полученных при проведении предыдущих поверочных расчетов, изучение технологии расчета и применяемых конечно-элементных комплексов программ;

- построение новой конечно-элементной сети - основы расчетной модели,

- разработка программного обеспечения для автоматизации подготовки исходных данных для расчетов, управления свойствами модели и преобразования выходной информации для ускорения анализа полученных результатов;

- проведение идентификации модели по данным натурных наблюдений, что позволило определить основные параметры модели и проверить используемые методические приемы;

- тестирование модели для проверки ее соответствия данным натурных наблюдений, охватывающих полный годовой цикл "наполнения-сработки" водохранилища, и выработка на этой основе предложений по дальнейшему развитию модели и методики расчета.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

- установлены основные закономерности изменений вертикальных (на контакте с основанием) и плановых перемещений плотины в годовом цикле, а также других показателей состояния плотины. С учетом этих результатов приняты основные решения по построению модели, методике использования натурных данных;

- исследованы поля температур в теле плотины, отмечены недостатки в размещении дистанционной измерительной аппаратуры, подготовлен проект дооснащения системы измерения температуры в сооружении;

- разработана концепция конечно-элементной детерминистической модели как средства отображения в ней изменений напряженно-деформированного состояния плотины и вмещающего массива, происходящих в годовом цикле изменения нагрузок и воздействий на сооружение. Ввиду невозможное i и использования разработанных ранее конечно-элементных моделей для поставленных целей построена новая сеть конечных элементов. Важным качеством новой сети является ее строгое соответствие границам конструктивных элементов плотины, обеспечение возможности ее перес гроики и развишя для целей исследования местного НДС;

- с целью отработки методики расчета решена задача об изменениях в НДС сооружения, произошедших при ремонтных работах в теле плотины в 1996 году (инъецирование разуплотненной зоны на отметках 350-359м со стороны напорной грани). Этот опыт был использован для предварительной оценки влияния инъекционных работ в береговых примыканиях.

- внедрен в практику работы лаборатории гидротехнических сооружений (ЛГТС) расчетный анализ состояния плотины. Проведены расчеты НДС плотины в период наполнения водохранилища летом 2006 года для оперативной оценки ее состояния. Своевременно выявлена и определена величина дополнительных перемещений, отличающих состояние плотины в данный период от ее состояния в предыдущие годы. На основе полученных результатов был скорректирован режим эксплуатации Саяно-Шушенского гидроузла в целях повышения безопасности эксплуатации.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы представлены в виде докладов на 62-ой и 63-ой научно-технических конференциях Новосибирскою ю-сударственного архитектурно-строительного университета (СИБСТРИН) (г. Новосибирск, 2005 г. 2006г.), а так же при проведении лекций на семинаре "Организация надзора за безопасностью ГТС" в 2004 - 2006 годах (на базе Саяно-Шушенского филиала КГТУ)

На тему диссертации опубликовано 4 статьи, выпущено 2 технических отчета, посвященных анализу натурных данных. Расчетные исследования и материалы по разработке модели отражены в виде отдельных глав в 5 ежегодных отчетах ЛГ ГС.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы (48 наименований).

Основные результаты проведенных работ заключаются в следующем. 1. Проведен комплексный анализ информации о поведении сооружения в последние годы на основе данных натурных наблюдений. При этом установлено, что: а) Перемещения плотины при ежегодном цикле изменения нагрузок несимметричны относительно ключевой секции плотины 33, левая, станционная часть плотины имеет большую податливость по сравнению с правой, водосбросной ее частью. В то же время, перемещения, обусловленные изменениями температурного поля плотины, имеют обратную направленность, их величина больше для правой части плотины. Это -следствие различий в конструкции станционной и водосбросной плотины, поэтому эти конструктивные особенности необходимо отразить в модели. б) Приконтактное сечение, судя по вертикальным перемещениям точек, при деформировании системы "плотина-основание" осуществляет поворот относительно некоторой воображаемой горизонтальной оси поворота, сохраняя при этом в основном свою плоскую форму Данное наблюдение позволяет при построении модели рассматривать плотину как монолитное сплошное тело. Возникающие при деформировании сооружения отклонения точек этого сечения из плоскости относительно невелики, но надежно определяются при помощи системы гидронивелиров и несут информацию о жесткости скального основания и его изменениях. в) Анализ показаний датчиков температуры, установленных в плотине, приводит к заключению, что по ним возможно достаточно точно установить температурные поля по большей части низовой грани, с учетом неравномерности этого распределения, которое обусловлено разными условиями инсоляции. В виду недостаточности установленной закладной аппаратуры в местах расположения турбинных водоводов, открытых и закрытых участков водосброса, местах расположения водоприемников на верховой грани разработан проект размещения дополнительных датчиков температуры, что позволит более точно учесть при расчете влияние температурного воздействия. г) Проанализированы показания тензорозеток в теле плотины Отмечено, что вычисленные по данным измерений напряжения в бетоне дают значительные отклонения и не отражают общее НДС плотины. Возможно использование только относительных значений компонентов тензора напряжений, то есть приращений данных параметров в годовом цикле изменения нагрузок и воздействий.

2. Разработана концепция новой расчетной модели сооружения, которая предназначается для воспроизведения в модели только изменений в его напряженно-деформированном состоянии в ходе эксплуатации. Построена новая конечно-элементная сеть, которая отражает с необходимой степенью детализации каждую секцию плотин и их различия в конструктивном исполнении для станционной и водосбросной частей плотины.

3. Предложена методика, позволяющая при учете температурных воздействий на плотину корректно отразить особенности взаимодействия блоков бетонирования вблизи наружной поверхности плотины, учесть наличие несомкнутых межблочных швов. Применяется снижение коэффициента температурного расширения бетона, что приводит к понижению усилий на контакте, обусловленных тепловым расширением-сжатием бетонных блоков.

4. Предложена методика моделирования работы разуплотненного скального основания под 1-2 столбами плотины со стороны напорной грани путем введения пониженного модуля упругости для соответствующих конечных элементов.

5. Как важная и неотъемлемая часть модели, разработаны программные средства автоматизации работ по подготовке исходных данных и представлению полученных результатов для последующего анализа.

6. Проведена параметрическая идентификация модели, что позволило уточнить ряд констант, определяющих свойства модели, проверить применимость исходных предположений и допущений, использованных при построении модели, а также подтвердить возможность использования ряда расчетных методических приемов. Определены такие важные параметры, как конструкционный модуль упругости бе гона, модуль упругости скального основания.

7. Проведена оценка работоспособности и точности модели путем тестирования ее на основе серии расчетов, в которой были воспроизведен последовательно 11 состояний плотины, охватывающих полный годовой цикл изменения нагрузок и воздействий. Получено удовлетворительное соответствие расчетных и измеренных при натурных наблюдениях параметров НДС - перемещений и напряжений. Анализ результатов тестирования позволил наметить пути дальнейшего совершенствования модели.

8. С использование модели решены ряд практических задач. В их числе -разработка методики оценки влияния на НДС плотины масштабных инъекционных работ. Предложена методика моделирования в сооружении расклинивающего эффекта от заполнения сети трещин в бетоне композиционными смолами, как это происходило после ремонтных работ в плотине в 1996 году, при ликвидации повышенной фильтрации со стороны напорной грани. Сравнение с результатами наблюдений подтвердило применимость данной методики.

9. Проведена в оперативном порядке серия расчетов по оценке состояния плотины в 2006 году, в ходе наполнения водохранилища. Данная работа представляет пример расчетного сопровождения процесса наблюдений (мониторинга) поведения сооружения, что дополняет традиционный анализ, придает ему количественный характер. При этом было установлено, что состояние плотины в летний период 2006 года характеризуется дополнительными перемещениями в сторону нижнего бьефа относительно ее состояния в предыдущие два года, и которые достигают величины 4 мм на гребне плотины.

10. Проведены расчеты перемещений плотины, позволяющие прогнозировать их величину в предстоящий осенний период 2006 года, и установлено, что при достижении максимальных плановых перемещений имеется возможность превышения критериальных значений К1 при раннем похолодании, какое наблюдалось в 2000 году. С учетом полученных результатов расчетов был скорректирован график сработки водохранилища, ускорено снижение УВБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Построение детерминированной конечно-элементной модели плотины Саяно-Шушенской ГЭС и вмещающего массива для целей мониторинга проведено как совокупность аналитических работ по исследованию закономерностей и особенностей поведения гидротехнического сооружения при эксплуатации; разработки модели (построения конечно-элементной сети) и решения методических вопросов, связанных с расчетами НДС плотины; и выполнения ряда практических расчетов, дающих оперативные оценки состояния ГТС в ходе эксплуатации.

1. "О безопасности гидротехнических сооружений", №117-ФЗ, 21.07.1997г.

2. Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений. РД 153-34.2-21.342-00. М.2001. 24с.

3. СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения.

4. Декларация безопасности гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС. 1999г., - С. 107.

5. Фрадкин Б.В. Исследования совместной статической работы арочно-гравитационной плотины и основания /Б.В. Фрадкин //Энергетическое строительство. 1977. - № 6. - С.74-80.

6. Брызгалов В.И. Уточнение расчетных моделей для оценки напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС с учетом натурных наблюдений. / В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон //Гидротехническое строительство, 1998, - №9, - С. 12-18.

7. Бронштейн В.И. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния высоких плотин./В.И. Бронштейн, М.Е. Грошев //Гидротехническое строительство, 2002, - №6, - С.2-11.

8. Антонов С.С. Исследования плотины, обеспечивающие пуск ГЭС очередями /С.С. Антонов, Л.Е. Коган, Д.В. Левених //Научные исследования для Саяно-Шушенской ГЭС: Материалы науч-техн. конф. Л., "ЭНЕРГИЯ" - 1978. - С.112-118.

9. Корректировка расчетных моделей для разработки критериев безопасности плотины Саяно-Шушенской ГЭС. /ОАО "Инженерный центр ЕЭС" -филиал "Институт Ленгидропроект", №1047-36-255т, 2003, - С.81.

10. Эйдельман С.Я. Пособие по методике обработки данных натурных исследований бетонных гидросооружений. /С.Я. Эйдельман Л:.Энергия, -1975.-С.150.

11. Разработка программной документации диагноза работы плотины Саяно-Шушенской ГЭС по данным геодезических измерений. /Техн отчет ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, отв.исп. Л.А. Гордон 1988, - С.84.

12. Научные исследования для Саяно-Шушенской ГЭС. Материалы научно-технической конференции. Л: "Энергия", - 1978, С.ЗЗЗ

13. Решение проблем Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса. Материалы научно-технической конференции. Л: "Энергоатомиздат", - 1987, С.5 84

14. Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. /В.И. Брызгалов Красноярск: Сибирский издательский дом "Суриков", - 1999. - С.559.

15. Брызгалов В.И. Опыт инъецирования фильтрующих трещин в напорной грани плотины Саяно-Шушенской ГЭС / В.И. Брызгалов, А.П. Епифанов,

16. B.А. Булатов и др. //Гидротехническое строительство. 1998. - № 2.1. C.2-8.

17. Стафиевский В.А. Технология ремонта основания плотины Саяно-Шушенской ГЭС вязкими полимерами. / В.А. Стафиевский, В.А. Булатов, А.В. Попов, А.П. Епифанов //Гидротехническое строительство, 2003, -№.11,-С.13-17.

18. Заключение строительно-гидротехнической секции по приемке СШГЭС в промышленную эксплуатацию /ОАО "Ленгидропроект", ОАО "ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева", ОАО "Саяно-Шушенская ГЭС". Санкт-Петербург-Черёмушки. - 2000. - Т.2. - С.255.

19. Александров Ю.Н. Анализ вертикальных перемещений илошны в при-контактной зоне по данным натурных наблюдений. / ОАО "СШГЭС имени П.С. Непорожнего", инв. №41, Отв.исп. Ю.Н. Александров, Черемушки, - 2002, - С.89.

20. Толошинов А.В. Особенности деформирования арочно-гравшационнои плотины Саяно-Шушенской ГЭС на контакте с основанием /А.В. Толошинов, Ю.Н. Александров //Известия Вузов. Строительство, 2006. -№ 6. -С.51-60.

21. Плят Ш.Н. Расчеты температурных полей бетонных гидросооружений. /Ш.Н. Плят. М.: Энергия, - 1974, - С.408.

22. Эйдельман С.Я. Натурные исследования бетонной плотины Братской ГЭС. /С.Я. Эйдельман Л:.Энергия. - 1975. -С.296.

23. Александров Ю.Н. Анализ температурных полей тела плотины СШГЭС по данным закладной телеметрической КИА, /Отв.исп. Ю.Н. Александров //Отчет о НИР, Саяно-Шушенский филиал КГТУ, п.Черемушки, - 2005, -С.113.

24. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике./ О. Зенкевич: Пер. с англ. -М.: Мир, 1975. -С.543.

25. Морозов Е.М. Метод конечных элементов в механике разрушения /Е.М. Морозов, Г.П. Никишков М.: Наука, - 1980. - С.254.

26. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. /Л. Сегерлинд: Пер. с англ. М.: Мир, - 1979. - С.392.

27. Газиев Э.Г. Скальные и грунтовые основания гидротехнических сооружений. / Э.Г. Газиев Курс лекций, Саяно-Шушенский филиал КГТУ, Москва - Саяногорск. -2004. - С.253.

28. Ухов С.Б. Скальные основания гидротехнических сооружений. /С.Б. Ухов М.: Энергия, - 1975, - С.264.

29. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. /Н.И. Карпенко -М.: Стройиздат. 1996. - С.416.

30. Трапезников Л.П. Температурная трещиностойкость массивных бетонных сооружений. /Л.П. Трапезников М. Энергоатомиздат. - 1986. - С.272.

31. Артемьева Е.Б. Построение полей температур в бетоне плотины Саяно-Шушенской ГЭС по данным натурных измерений. / Е.Б. Артемьева, JI.A. Гордон //Вестн. Краснояр. гос. архит.-строит. акад.: Сб.науч.тр. Вып.6, -Красноярск: КрасГАСА, - 2003. - С.60-77.

32. Технологические правила по производству бетонных работ (2-я редакция) /Всесоюз. проект.-изыс. и науч.-иссл. ин-т им. С.Я. Жука (Ленгидропро-ект); Инв. № 1047-27-217т; 1975. - С.87.

33. Контроль и исследования температурного и термонапряженного состояния бетонных массивных блоков Саяно-Шушенской плотины с целью обеспечения ее монолитности. /ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, Сиб.филиал. Отчет по дог.313-75, 1976. -С. 167.

34. Контроль и исследования температурного и термонапряженного состояния бетонных массивных блоков Саяно-Шушенской плотины с целыо обеспечения ее монолитности. /ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, Сиб.филиал. Отчет по дог.313-76, 1977. - С.251.

35. Контроль и исследования температурного и термонапряженного состояния бетонных массивных блоков Саяно-Шушенской плотины с целью обеспечения ее монолитности. /ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, Сиб.филиал. Отчет по дог.6-383-77,- 1978.-С. 131.

36. Контроль и исследования температурного и термонапряженного состояния бетонных массивных блоков Саяно-Шушенской плотины с целью обеспечения ее монолитности. /ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, Сиб.филиал. Отчет по дог.6-383-780, 1981. - С. 143.

37. Толошинов А.В. Построение конечно-элементной расчетной модели для оценки напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС /А.В. Толошинов, Ю.Н. Александров, А.П. Епифанов //Известия Вузов. Строительство, 2006. - № 7. - С.38-47.

38. Ивашинцов Д.А. Параметрическая идентификация расчетных моделей гидротехнических сооружений. /Д.А. Ивашинцов, А.С. Соколов, С.Г.

39. Шульман, A.M. Юделевич СПб.: Изд-во ОАО "ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева", 2001. - С.432.

40. Кузьмин К.К. Некоторые вопросы напряженного состояния и надежности плотины СШГЭС. / К.К. Кузьмин //Гидротехническое строительство. -1998. №9.-С.7-11.

41. Александров Ю.Н. Расчетные исследования поведения плотины Саяно-Шушенской ГЭС в годовом цикле изменения нагрузок в 2004-2005 году. / Ю.Н. Александров //Гидротехническое строительство 2006. - № 6, -С.9-13.

42. Декларация безопасности гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС./ОАО "СШГЭС имени П.С. Непорожнею", ОАО "ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева", ОАО "НИИЭС" -2004г., С. 149.

43. Правила эксплуатации водохранилищ и нижнего бьефа Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса. /Техн.отчет ОАО "Ленгидропроект" №1047-8-290т, СПб, 1999.