автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Комплексное обоснование прочности высоких арочных плотин

7/' 99-Г/ КЗ-О

ПГОЕКТНО- ИЗЫСКАТЕЛЬСКОЕ И НАУЧНО-ПЮИЗВОДСТВЕННОЕ ОАО «ИНСТИТУТ ГИДРОПРОЕКТ» ФИЛИАЛ

ЦЕНТР СЛУЖБЫ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ (ЦСГНЭО)

На правах рукописи

БРОНШТЕЙН ВАДИМ ИЗРАЙЛОВИЧ

КОМПЛЕКСНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ВЫСОКИХ

АРОЧНЫХ ПЛОТИН

Специальность 05.23.07 -Гидротехническое и мелиоративное строительство

ад

ч/ V»4

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Доктор технических наук, профессор Доктор технических наук, профессор

А-Н.Марчук

В.Г.Орехов

А.А.Храпков

Ведущая организация - АО «Лснгидропроект», г.Санкт-Петербург РОССИЙСКАЯ Г0(^ДРСГВШНАЯ ' МЬЛИОТтА ...г; .

МП

Защита состоится « 17 » мая 199° сертационвдго Совета Д.120.16.01 в Мс, лриродообустройства по адресу:

127550, Москва, ул. Прянишников;

С диссертацией в виде науЧног МГУП.

Диссертация в виде научного док

15 часов на заседании дис-тирственном университете

ться в библиотеке 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного кандидат технических наук, професс

Л.В.Яковлева

93-57*63-0 .

/ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Арочные плотины (АП) — одна из наиболее совершенных форм водоподпорных сооружений, широко применяемая в гидротехническом строительстве, начиная со средних веков и до наших дней. В то же время АП, особенно находящиеся в составе крупных гидроузлов комплексного назначения, представляют собою объекты повышенной ответственности, выход из строя которых даже на короткое время чреват значительным ущербом, а повреждение или авария могут иметь катастрофические последствия.

Сложность конструкции современных АП, высокая степень использования прочностных свойств материалов тела плотины и скальных пород основания, трудности построения достоверной расчетной схемы скального основания, многообразный, трудно подающийся формализации характер взаимодействия элементов техно—природной системы "арочная плотина — скальное основание — водохранилище", сложности построения достоверной математической модели такой системы в целом предъявляют повышенные требования к обеспечению надежности АП при проектировании, строительстве и эксплуатации.

Важнейшим разделом комплексной проблемы надежности и безопасности гидротехнических сооружений является проблема обоснования их прочности. Это обоснование в общем случае включает определение напряженно— деформированного состояния (НДС) сооружения, оценку и, при необходимости, регулирование прочности и, наконец, контроль последней в процессе строительства и в период эксплуатации. В такой широкой и комплексной постановке проблема прочности АП ранее не рассматривалась. Не бы, поставлены или не имели удовлетворительного решения многие частные задачи этой проблемы. Указанное не позволяло реализовать в полной мере высокий технико-экономический потенциал плотин этого класса, связанный с их малой материалоемкостью. Об актуальности вопросов надежности вообще и прочности в частности свидетельствует регулярное их включение в повестку дня конгрессов Международной Комиссии по большим плотинам, международных симпозиумов, всесоюзных (российских) совещаний и семинаров. Проблема надежности и безопасности неизменно присутствует во всех государственных и отраслевых профаммах важнейших научно—исследовательских работ, а в 1998 г. она была выделена в самостоятельную отраслевую научно—техническую программу "Безопасность энергетических сооружений". Важность проблемы нашла отражение в Федеральном законе "О безопасности гидротехнических соопужений" от 21 июля 1997 г. Выполненное в настоящей работе комплексное

- давание прочности высоких АП, включая определение их НДС, оценку, дарование и контроль прочности, является решением важной научно —

^ ической проблемы, вносит значительный вклад в ускорение научно— , ческою прогресса при проектировании, строительстве и эксплуатации ¡ ян рассматриваемого типа.

Целью работы являлись постановка и решение научно—технической про — х комплексного обоснования прочности высоких АП с учетом всех зна— <х факторов, ее определяющих, на всех стадиях функционирования пло —

Для достижения поставленной цеди решались следующие задачи:

— разработать классификацию, выполнить на ее основе сопоставительный лиз и установить области применения методов прочностного расчета АП;

— ра^рабслать, апробировать и внедрить в проектную практику ком— плекоьы?. расчетный аппарат для определения НДС АП;

— и эдовать влияние на НДС различных факторов природного, консг— рукгиинс технологического, расчетного характера и разработать рекомен— дацьл по ;;х учету при проектировании, строительстве и эксплуатации АП;

— разработать и внедрить конструктивные и технологические методы ре— хулирования прочности, повышения надежности, снижения материалоемкости и стоимости строительства АП;

— выявить особенности обеспечения надежности, в т.ч. прочности, и усовершенствовать систему её контроля на всех стадиях создания и работы АП: от проекта до промышленной эксплуатации;

— конкретизировать опасные геодинамические процессы, изучить их общие закономерности и местные особенности при возведении и эксплуатации высоких плотин, сформулировать задачи геодинамического мониторинга.

Диссертационная работа выполнялась в 1967—1998 гг. при решении насущных задач проектирования реальных гидроэнергетических объектов, а также при выполнении заданий программ Госплана, Госстроя, ГКНТ, Минэнерго СССР, Минтопэнерго РФ и РАО "ЕЭС России" по решению важнейших научно—технических проблем в области гидроэнергетического строительства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

в Впервые поставлена и решена проблема комплексного обоснования прочности АП, включая определение НДС при учете всех значимых факторов его формирования, оценку, регулирование и контроль прочности на всех стадиях функционирования плотины.

® Создана эволюционная классификация методов расчета АП и даны рекомендации по применению различных методов в проектной практике.

• Разработан расчетный аппарат для определения НДС АП, состоящий из комплекс« вычислительных средств различной трудоемкости и требуемой точности, - оогветсгвующих стадии проектирования и цели расчета.

» Впервые решена задача сращивания перемещений в методе пробных нагрузок оригинальным методом арочно—консольных направлений.

® Разработан универсальный программный комплекс (ПК) для аналитического описания формы и решения задач конструктивной геометрии АП.

• На основании исследований влияния на НДС природных, конструктивных, технологических, расчетных факторов установлены новые представления и закономерности работы АП, а также составлены рекомендации по учету исследованных факторов при проектировании и научных исследованиях.

© Предложены и обоснованы новые прогрессивные конструкции АП и их элементов: АП с нецементируемыми межсекционными швами, АП в широком створе с контактным швом—надрезом, АП с гравитационными устоями ныряющего типа, АП с оставлением скальных целиков в ее теле, периметральный шов для плотин в районах повышенной сейсмической опасности, блочная конструкция надразломной зоны седла, предназначенная для нейтрализации дифференцированных подвижек вдоль разлома, совмещенная конструкция водопропускных элементов плотины, антисейсмический пояс с демпфирующими вставками, гасительный колодец арочного типа, межсекционные швы геликоидальной формы, двухарочная плотина и др.

« Впервые выполнена оценка влияния этапносш возведения на термона— пряженное состояние АП и разработаны рекомендации по регулированию

температурных напряжений с помощью выбора рациональной последовательности возведения.

• Впервые исследован эффект регулирования температур замыкания (омоноличивания) АП и разработана методика оптимизации эт.их температур.

• Выработана комплексная постановка задачи обеспечения сейсмостойкости, предусматривающая взаимоувязанное изучение сейсмичности, определение расчетных сейсмических воздействий, установление реальных свойств материалов, расчеты и оценку сейсмостойкости, разработку мероприятий по ее обеспечению, сейсмический мониторинг, и осуществлено решение этой задачи на ряде действующих энергетических объектов (ЭО).

• Предложены двухэтапная система организации натурных наблюдений за состоянием гидротехнических сооружений и двух (и более) уровневая система критериев оценки состояния их надежности.

• Установлены некоторые общие закономерности и конкретные особенности геодинамических проявлений при строительстве и эксплуатации высоких плотин, разработана методика натурных обследований и комплекс;- й оценки сейсмостойкости действующих ЭО, создана коннёпция организации и функционирования геодинамических полигонов.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в решении научно—технической проблемы обоснования прочиосш арочных плотин, что позволяет использовать полученные результаты при проектировании, строительстве, эксплуатации, проведении мониторинга, выполнении научных исследований АП и, в ряде случаев, других гидротехнических сооружений, а также обучении студентов и аспирантов гидротехнических и гидромелиоративных специальностей вузов:

— разработанный расчетный аппарат нашел широкое применение при проектном обосновании прочности большого числа АП в нашей стране и зь. рубежом, что позволило оптимизировать их форму, обосновать новые технические решения, ускорить процесс проектирования, получить весомый экономический эффект;

— программный комплекс для аналитического описания формы и решения задач конструктивной геометрии АП по своей универсальности и точности не имеет мировых аналогов и позволяет решать в режиме автоматизированного проектирования, вплоть до выпуска рабочих чертежей, весь круг задач по описанию геометрии арочных плотин и их конструктивных элементов;

— использование результатов исследований влияния различных факторов на формирование НДС АП позволяет повысить надежность проектируемых и эксплуатируемых сооружений за счет повышения достоверности представления их работы, например, при осуществляемой, начиная с 1996 г., реализации "Комплексной программы повышения сейсмостойкости энергетических объектов";

— использование предложенных конструктивных решений и ; эдологи — ческих мероприятий, в большей своей части имеющих "сертификат практической проверки, дает возможность снизить расход материалов, трудоемкость и продолжительность строительства АП без снижения их надежности к получить существенный экономический эффект;

— предложения по обеспечению и контролю надежности, впервые реализованные на Ингурской плотине, могут быть использованы, в целях повышения контроля безопасности, и на других гидротехнических объектах;

— установленные закономерности геодинамических проявлений при взаимодействии плотины и водохранилища с вмещающей геологической средой, методология натурно—расчетных оценок стойкости сооружений к воздействию сейсмических и других геодинамических процессов, концепция reo— динамического мониторинга широко используются в настоящее время, а со временем должны быть востребованы на всех ЭО, проектируемых и эксплуатируемых в районах высокого геодинамического риска.

Достоверность результатов работы основывается на сравнении их с данными экспериментальных исследований, выполненных во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, НИИЗСе, СПб. ТУ., МГУП, ГрузНИИЭГСе и др.г данными натурных наблюдений, а также результатами известных аналитических и численных решений. Удовлетворительные результаты таких сопоставлений, а также успешный опыт эксплуатации отечественных и зарубежных АП, при проектировании, строительстве или эксплуатации которых использованы разработки автора, свидетельствуют о достоверности полученных автором новых физических представлений, методов и решений.

Внедрение результатов работы и ее технико-экономическая эффективность. Направления выполненных исследований подсказаны нуждами практики проектирования, поэтому фактически все полученные результаты в той или иной форме использованы для обоснования прочности при проектировании, строительстве или эксплуатации Ингурской, Чиркейской, Саяно—Шушенской, Худонскей, Намахванской, Кассеб (Тунис), Мансур Эддахби (Марокко), Кырджали (Болгария), Арджеш Видрару (Румыния), Карун—3 и Раис Али Дельварк (Иран) АП, а также при проектировании арочных вариантов Усгь— Илимской, Папанской, Нурекской. Рогунской, Токтогульской, Курпсайской, Катунской, Каданда (Ангола) плотин, разрабатывавшихся в составе проектов одноименных гидроузлов.

Большая часть конструктивных решений, расчетное обоснование которых выполнено лично автором или под его руководством, реализована при проектировании и строительстве Ингурской ГЭС, обеспечив существенную эконо — мию материальных, трудовых и финансовых ресурсов. Среди них: гравитаци — онные устои ныряющего типа, обеспечившие сокращение объема бетона по сравнению с техническим проектом на 31 тыс.м3 с соответствующей экономией цемента —11 тыс.т, металла —0,66 тыс.т., трудозатрат —29,3 тыс.чел.'дн., капитальных вложений —1,2 млн.руб. (здесь и далее в ценах 1991 г.); блочная конструкция надрааломной зоны седла, экономический эффект которой по сравнению с альтернативным решением фирмы Электроконсульт (Милан, Италия) составил 1,4 млн.руб.; совмещенная конструкция водопропускных элементов плотины, позволившая сократить объем бетона на 15,66 тыс.м3, уменьшить трудозатраты на 23,4 тыс.чел.*дн., снизить сметную стоимость на 1,16 млн.руб.; гасительный колодец арочного типа, обеспечивший экономию бетона на 9,3 тыс.м3, сокращение объема земельно—скальных работ на 59 тыс.м3, снижение сметной стоимости на 0,5 млн.руб.; антисейсмический пояс с демпфирующими вставками, позволивший получить экономию арматуры по сравнению с техническим проектом на 24 тыс.т, снижение сметной стоимости на 4,8 млн.руб.

Оптим изация формы плотины осущесталена под руководством диссертанта в проектах Ингурской и Худонской АП. Рационализация формы Ингурской плотины позволила подучить более равномерное, по сравнению с исходным вариантом уточненного технического проекта, распределение напряжений в

теле плотины; снизить наибольшие сжимающие напряжения на величину до 1,0 МПа; уменьшить примерно на 150 тыс.м3 (4%) объем бетона в теле плотины. Общий экономический эффект за счет оптимизации формы плотины составил около 6 млн.руб.

Предложения автора по рационализации схемы омоноличивания реализованы при строительстве Ингурской плотины, где они позволили осуществить пуск первой очереди ГЭС в директивные сроки, и плотины Кырджали, где благодаря им удалось снизить растягивающие консольные напряжения в центральной верхней части низовой грани до приемлемых значений.

Результаты исследований использованы в:

— Пособии П—892 —92/Гидропроект по проектированию арочных плагин (к разделу 9 СНиП 2.06.06 - 85);

— Методических рекомендациях по проектированию оптимальных врезок для сопряжения бетонных плотин со скальным основанием (П—634 —75/Гца,— ропроект);

— Учебном пособии МИСИ "Методические указания к расчету температурных напряжений в арочных плотинах (методом арок—центральной консоли)". М. МИСИ. 1978.

За расчетное обоснование и конструктивные решения по оптимизации формы Ингурской плотины, разработку совмещенной конструкции ее водопропускных элементов, мониторинг оползневого склона Загорской ГАЭС и разработку комплекса мероприятий по его стабилизации автор награжден золотой и серебряной медалями ВДНХ и медалью "Лауреат ВВЦ".

Апробация работы. Результаты исследований автора опубликованы в 80 печатных работах, включая 5 авторских свидетельств, 2 нормативно — методических документа, 2 свидетельства РосАПО об официальной регистрации программ для ЭВМ, а также нашли отражение в нескольких справочниках, учебниках и подготовленных к выпуску нормативно—методических документах.

Результаты исследований были представлены в веде докладов на 13 всесо — юзных (российских) совещаниях и конференциях, 6 международных конгрессах и симпозиумах, 4 научно—технических конференциях Гидропроекта, 3 школах—семинарах, заседании кафедры щдротехнических сооружений МГУП.

Личный вклад автора заключается в постановке и решении проблемы комплексного обоснования прочности АП, разработке новых подходов к исследованию различных аспектов этой проблемы, приоритете в постановке и решении ряда задач, составляющих содержание рассматриваемой проблемы, высоком уровне реализации исследований в проектах и построенных плотинах. Основные результаты и выводы получены лично автором или при его непо�