автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Методика оценки технического состояния арочных плотин на кусочно-однородных основаниях по данным натурных измерений

На правах рукописи

СОКОЛОВСКИЙ Игорь Казимирович

МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АРОЧНЫХ ПЛОТИН НА КУСОЧНО-ОДНОРОДНЫХ ОСНОВАНИЯХ ПО ДАННЫМ НАТУРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

05.23.02 — Основания и фундаменты

05.23.07 — Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ — 1995 г.

Работа выполнена в АООТ "ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева"

Научный руководитель д.т.н. Гордон /1.А.

Официальные оппоненты:

д.т.н. Храпков Й.А. к.т.н. Белов В.В.

Ведшая организация: Ленгидропроект

Защита состоится ''-^-—--ф^---^ т заседании диссертационного совета Д 144.03.01 в АООТ "ВКНИГ им.Б.Е.Веденеева"

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке АООТ "ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева"

Автореферат разделан "¿? "

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н. Иванова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для строительства плотин часто приходится использовать створы с неблагоприятными геологическими условиями. Соображения экономической целесообразности не допускают подготовки оснований и строительства сооружений с чрезмерными запасами прочности. С другой стороны, значительное число эксплуатируемых плотин приблияается к возрасту, когда на надеяность работы существенное влияние оказывают процессы старения материала. Однако стоимость строительства делает зела-тельной как мояно более длительную их эксплуатацию. Следует отметить также, что все большие плотины являются сооруяениями с внеэкономической ответственностью в силу заведомо катастрофических последствий их аварий.

Указанные факторы делают необходимым для безопасности эксплуатации постоянный контроль за состоянием больного числа плотин. При этом состояние механической системы "плотина-основание" нужно оценивать, не прерывая ее работы, по ограниченной и косвенной информации. Имеющиеся методики, несмотря на достигнутый за последние десятилетия прогресс,, недостаточно достоверны и оперативны. В работе предлагается методика определения технического состояния арочных плотин, позволяющая в значительной степени избеяать указанных недостатков. Арочные конструкции достаточно распространены в гидростроительстве, что дает хорошие возможности практического применения полученных результатов.

Цель работы состояла в разработке методики определения технического состояния арочных плотин, удобной для практического применения. Требовалось совместить оперативность и простоту алгоритмов с достоверностью выводов при анализе работы сложной механической системы "плотина-основание".

Оперативность методики достигается разделением расчетов на две группы. К первой, базовой, отнесены расчеты, необходимые для построения прогнозной модели и определения ее характеристик. Эти расчеты выполняются один раз специалистами соответствующей квалификации (возмояна также корректировка модели

в процессе эксплуатации). Вторая группа расчетов связана с обработкой регулярно поступающих натурных данных. Эти расчеты выполняет персонал ГЭС. Реализация этой схемы требует формализации алгоритмов диагностики и соответствующего программного обеспечения для автоматизации расчетов.

Достоверность результатов достигается использованием прогнозной модели смеаанного типа, у которой характеристики, необходимые для расчета сооружения методами механики, определяется путем статистической обработки натурных данных. Модели данного типа сочетают возможность механической интерпретации процессов с приемлемой точностью прогнозирования.

Методика исследования. Теоретической основой работы является теория распознавания образов. Решаемая в рамках этой теории задача формулируется как задача выделения из потока информации регулярностей и их идентификации (классификации). Применительно к диагностике сооружений задача ставится как требование выявить в данных измерений характерные особенности и. оценив их по определенным критериям, соотнести состояние объекта с одним из возможных диагнозов.

Такой подход позволяет формализовать процесс диагностики, способствует автоматизации расчетов и в конечном счете облегчает задачу. Кроме того, он ориентирован на оценку состояния сооружения без прерывания его работы, по косвенной информации.

Практически все большие плотины как по конструкции, так и по геологическим условиям основания являются уникальными сооружениями. Диагностирование таких сооружений требует построения прогнозной модели и сравнения натурных данных с прогнозом. В работе значения характеристик модели определяются из минимизации отклонений прогнозов от "обучающей последовательности" натурных данных методом наименьших квадратов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1) Предложены расчетные алгоритмы и разработано программное обеспечение методики, использующей для оценки состояния арочной плотины методы технической диагностики.

2) Для диагностики арочных плотин показана эффективность прогнозных моделей смешанного типа, у которых характеристики,

необходимые при расчете сооружения методами механики, определяются путем статистической обработки данных измерений.

3) Предложен способ учета раскрытия жвов и трещин, вызванного сезонными колебаниями температуры: эффект интерпретируется как изменение интегральной местности сооружения по синусоидальному (в течение года) закону.

4) Предложен способ разделения упругой и необратимой компонент измеренных перемещений при определении деформационных характеристик системы "плотина-основание".

5) Предложена методика калибровки прогнозной модели путем минимизации среднеквадратического отклонения: его частные производные определяются при этом из системы линейных уравнений.

6) Для упрощения процедуры калибровки предложена аппроксимация (линеаризация) зависимости между прогнозом перемещений в точке и величинами, обратными модулям деформации кусочно-однородной среды.

Практическая ценность.,Разработана методика диагностирования арочных и арочно-гравитационных плотин, позволяющая оперативно и достоверно оценивать их текущее состояние. Методика может использоваться, в частности, в системах автоматизированного контроля.

Внедрение. Предлагаемая методика и программное обеспечение внедрены в систему автоматизированного контроля состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС и с 1988 года используются при диагностическом контроле состояния сооружения.

На защиту выносятся:

1) Алгоритм построения прогнозной модели смеванного типа и методика ее применения для диагностики арочной плотины.

2) Способ учета температурного расхоадения швов и трещин при расчете перемещений арочных плотин, основанный на представлении этого эффекта в виде колебаний интегральной жесткости системы "плотина-основание".

3) Представление интегральной жесткости системы "плотина-основание" в рамках смешанной прогнозной модели в виде периодической функции времени.

4) Способ разделения упругой и необратимой компонент из-

меренных перемещений при определении деформационных характеристик системы "плотина-основание".

5) Методика калибровки прогнозной модели, использующая значения частных производных среднеквадратической погрешности прогноза по деформационным характеристикам модели и аппроксимацию зависимости прогнозируемых перемещений от модулей деформации плотины и основания.

6) Результаты диагностирования плотины Саяно-Шушенской ГЗС по предлагаемой параметрической методике.

Апробация работы. Основные положения методики и результаты ее применения были доложены и обсуждались

на Всесоюзном научно-техническом совещании "Опыт исследований, проектирования, строительства и эксплуатации арочных плотин в СССР" - п.Дубки Даг.АССР, 1987 г.; .

на научно-техническом совещании "Строительство и эксплуатация плотин в горных условиях" - п.Джвари Груз.ССР, 198? г.;

на научно-техническом совещании "Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений электростанций" - г.Сергиев Посад Московской обл., 1993 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей в периодических научных изданиях.

Объем работы - 159 страниц. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (74 наименование) и трех приложений. Приводятся 5 рисунков и 14 таблиц.

С0ДЕР1АНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемого вопроса, его современное состояние, формализуется постановка задачи и намечается возможный путь ее решения.

Методическим вопросам оценки состояния плотин уделялось в последние десятилетия большое внимание. Исследования С.Я.Зйде-льмана,Э.К.Александровской, В.Н.Дурчевсй, А.И.Царева, Д.Б.Рад-кевича,В.З.Хейфица, А.Н.Марчука.В.В.Малаханова, Г.В.Месхи внесли существенный вклад в совершенствование системы измерений и обработки натурных данных. За границей вопросы диагностики ис-

следовались в работах Fornica G., Da Silveira ft.F., Pedro J.O., Fanelli M., Bonaldi Р., Riccioni R. Однако, несмотря на значительный прогресс, современные методики недостаточно оперативны и достоверны.

Возможный путь повышения достоверности - использовать методы теории распознавания образов, ориентированые на диагностику уникальных сооружений; связанная с этим формализация алгоритмов позволяет автоматизировать расчеты и повысить оперативность. В рамках такого подхода диагностирование сооружения включает следующие этапы:

1) Выбор системы параметров, отражающих состояние объекта.

2) Разработка перечня его возможных состояний (диагнозов).

3) Построение критериев, по которым значениям параметров ставится в соответствие определенное состояние объекта.

Отмечается, что предлагаемая в работе методика не является жестко связанной с использованием определенных параметров. Выбранный подход предоставляет возможность использовать широкий об'ем информации - с учетом границ ее достоверности.

В первой главе описываются критерии выбора диагностических параметров и обосновывается выбор параметров для плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Формальная эффективность диагностических параметров определяется выполнением следующих требований:

1) Однозначная и оперативная реакция на изменения внешних условий; желательно, чтобы параметр был функцией внешних воздействий, а не их функционалом.

2) Чуткость параметра: диапазон изменения его значений должен существенно превышать точность его определения.

3) Устойчивость параметра к внешним воздействиям, не учитываемым прогнозной моделью: предсказуемость параметра.

Необходима также механическая содержательность параметров, их связь с состоянием плотины. Важно, чтобы используемый набор параметров позволял оценивать состояние всего сооружения, а не только отдельных его зон.

Утверждается, что перемещения и иные параметры, измеряемые геодезическими методами, более удобны для диагностики бе-

тонных плотин, чем измеряемые тензометрическими методами.

Из величин, измеряемых на Саяно-Шушенской ГЭС геодезическими методами, полнее других представлены плановые перемещения. Они измеряются системой прямых и обратных отвесов в 69 точках. Предложено использовать для диагностики замеры радиальных перемещений в 45 точках (рис.1). Радиальные перемещения на гребне плотины, например, меняются на 2-3 мм с изменением 9ВБ на 1 м; при годовой амплитуде УВБ 40 м и погрешности измерения перемещений до 0.2 мм такая чувствительность представляется достаточной. Чувствительность тангенциальных перемещений меньше на порядок; их использование на начальных стадиях построения модели не является необходимым.

Во второй главе дается сравнительная характеристика наиболее распространенных типов прогнозных моделей (статистических, детерминистских и смешанных); производится выбор и проверка гипотез для построения смешанной прогнозной модели плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Для диагностики плотин традиционно использование статистических моделей. Они описывают изменения диагностических параметров функциями, чей общий вид определяется эмпирическими соображениями, а значения коэффициентов ищутся из минимизации невязок измеряемых и прогнозируемых значений. В силу интерполяционной идеологии модели те выборки, по которым определяются значения коэффициентов, должны содержать данные о работе сооружения в экстремальных условиях (что редко удается) и характеризовать работу исправного сооружения (что трудно гарантировать). Кроме того, при сезонном регулировании водохранилищ есть корреляционная зависимость между УВБ и температурой. Поэтому аналитические выражения прогнозируемых параметров имеют формальный характер и не отражают физического содержания процессов, влияния отдельных внешних факторов.

Детерминистские прогнозные модели обычно используются на стадии проектирования. Они базируются на расчетных методах механики деформируемой среды, позволяют предсказать результат не наблюдавшихся ранее воздействий и выделить влияние отдельных факторов. Однако применение детерминистских моделей требует

Рис.1. Схема расположения контрольных точек

и зон с однородными деформационными свойствами.

знания механических свойств материалов "в массиве"; точное определение последних по данным геофизики и механическим испытаниям образцов имеет принципиальные трудности. На стадии эксплуатации точность детерминистских моделей недостаточна.

Предложено использовать для диагностики плотин смешанную прогнозную модель, в значительной степени свободную от описанных выше недостатков. Для нее характеристики, необходимые при расчете плотины.методами механики деформируемой среды, получают путем статистической обработки натурных данных. Построение смешанной модели состоит из двух этапов:

1) Выбор и проверка гипотез модели, соответствующих основным закономерностям работы сооружения (гипотезы среды, материала, формы, нагружения).

2) Калибровка модели, т.е. определение значений ее характеристик, при которых прогнозы наилучшим образом совпадают с данными наблюдений.

В качестве гипотез модели плотины Саяно-Шушенской ГЭС выбраны следующие:

1) Среда считается квазисплошной, кусочно-однородной (основание включает 4 однородных зоны - см.рис.1) и изотропной. Гипотеза сплошности, ввиду наличия трещин у основания, базируется на предположении о сохранении общего характера работы сооружения и может быть обоснована приемлемой точностью получаемых прогнозов.

2) Материал считается упругим в течение годового цикла разгрузки-нагружения. Сезонные колебания интегральной жесткости плотины, вызванные температурным расхождением швов и трещин на низовой грани, предлагается учитывать с помощью некоторой сезонной функции, пропорциональной податливости:

БСС) = а + Ь*соз(23РС/12) + с*51п(23Гт/12) ,

где а,Ь,с - постоянные коэффициенты,

теСО, 12] - время, измеряемое в месяцах.

3) Плотина рассматривается как оболочка средней толщины. Выполнение необходимой для этого гипотезы прямых нормалей подтверждается проверкой по данным измерений гидронивелиров (точность до 2-3%).

4) Основание плотины моделируется дискретно-деформируемой средой. Поперечные сечения нагружены статически эквивалентными равномерной нагрузкой и моментами. Перемещения на площади контакта усредняются линейными функциями по схеме Фогта.

5) В качестве внешних воздействий взяты гидростатическое давление на напорную грань и изменения температуры: действие последних моделируется переменной жесткостью сооружения.

В третьей главе сформулированы критерии оценки текущего состояния сооружения; предложена методика определения параметров смешанной прогнозной модели для плотины Саяно-йувенской ГЭС; показаны методы, применяемые на начальных стадиях . калибровки модели.

Различаются три состояния плотины: исправное, поврежденное и аварийное. Поврежденным считается состояние плотины, когда не удовлетворяется хотя бы одно из требований проектной документации или хотя бы один контролируемый параметр ведет себя вопреки прогнозу, но плотина способна выполнять свои функции. Аварией (отказом) считается переход плотины в состояние, когда она не способна выполнять свои функции.

Предельно допустимые значения контрольных параметров рассматриваются как критерии безотказности. Критерии неповреждаемости сформулированы как требование к параметрам находиться в прогнозируемых интервалах при одновременном соблюдении условий безотказности. Использование критериев неповреждаемости позволяет заблаговременно выявить негативные тенденции в работе сооружения, когда при относительно небольших нагрузках значения параметров не превышают предельно допустимых величин. Для перемещений критерий неповреждаемости имеет вид

ПРОГ I . И5М ПРОГ , .

ы - к*б < и < и + к* б

ПРОГ

где и - прогнозируемое значение перемещения,

изм

и - измеренное значение перемещения, 6 - среднеквадратическая погрешность прогноза

в контрольной точке, к - числовой коэффициент, определяющий вероятность попадания параметра в доверительный интервал.

Для использования критериев нужен прогноз поведения плотины (в данном случае - прогноз перемещений). Расчет плотины на действие нагрузки в момент "С, выполненный методом конечных элементов без учета температурных расхождений швов и трещин, дает квазивектор радиальных перемещений ¥мсн се). Предполагая обратно-пропорциональную зависимость перемещений от сззонно изменяющейся интегральной жесткости сооружения и записывая перемещения в относительной форме, получаем выражение для прогнозируемых значений:

5ПР0Г (Г) = S№)*uPac4№) - see.)*?1""4 ГС.) .

где "Г.- дата цикла измерений, от которого отсчитывается положение плотины ("нулевой" цикл).

Определение параметров а,Ь,с сезонной функции S(t) проводится из условия минимизации величины

LJ с i i

— изн

где и ее) - перемещения, измеренные в момент t,

[1,453 - индекс, пробегающий номера контрольных точек,

3 - индекс, пробегающий номера циклов измерений (выборка охватывает несколько лет и включает до сотни циклов).

Перепишем сезонную функцию в виде з

sec) = ZZ х ею ,

км к к

- 11 -b, x3 : С,

f4 = i. \ = соз(29Г-с/12), *f,= sin(23Tr/12).

Из равенства нулю частных производных F по а,Ь,с (условия минимума) получаем систему линейных уравнений 3*3, решением которой будут значения a.b.с (для автоматизации вычислений составлена программа COUNT на языке Паскаль 5.0.) :

(хк) * {¿rt} = (ft) где XKt- JZ {^Ctg, )+

^CC. )*%CZj.) ]#P1 fEj.t. >+Vе» cc. )#Pi(T. ,T„ )},

ft - TZ [^(-c. )жР2сТу .T^)-tf£CC„ )*P2Ctj,i:o)],

<t 4S

„ v—i Расч расч

ркг(,та) = 2_, [ut re,)*«.

L= 1

В работе показано:

1) При выборках натурных данных, охватывающих менее одного года, процедура вычисления параметров a.b.с неустойчива.

2) При выборках натурных данных, охватывающих несколько лет. процедура вычисления параметров а,Ь,с некорректна из-за влияния накапливающихся необратимых перемещений.

Т.о., при вычислении параметров a.b.с нужно исключать влияние необратимых перемещений; это позволит использовать многолетние выборки данных. Прогноз перемещений с учетом необратимой компоненты будет иметь вид

?ПР0Г(Т) (t) + Sce)*üPac4(T) - SCC. )*Uitte4 се.) .

где д5ме&БР (Г) - приращение необратимых перемещений с момента до момента Х- .

_И5Н

Если при минимизации F вместо величины u СС) исполь-г—изм,_. —неоБр , зовать разность [u (X) -ли (Т)], то алгоритм определения а,Ь,с практически не изменится.

Для плотины Саяно-Шушенской ГЭС накопление необратимых перемещений происходит преимущественно осенью, при максимальных 9ВБ. Предлагается определять годичные приращения необратимых перемещений как разности радиальных перемещений, измеряемых через год во время майских минимумов НВБ (УВБ и температуры при этом практически совпадают). Для исключения неупругой компоненты из данных измерений составлена программа NEO, написанная на языке Паскаль 5.0.

Общее среднеквадратическое отклонение прогноза б равно

где N - общее число слагаемых при суммировании по индексам i и j.

Калибровка прогнозной модели осуществляется путем минимизации 6 по модулям деформации сооружения. Процесс калибровки предлагается разбить на несколько этапов.

Первоначально деформационные характеристики подбираются и уточняются в пределах, согласующихся с данными геологических и физико-механических исследований, с учетом экспертных оценок характера работы сооружения. Результаты соответствующих расчетов для плотины Саяно-Иувенской ГЭС приведены в табл.1. В них использованы натурные данные за 1989-1992 г.г., преобразованные по программе NEO.

Таблица 1.

Вариирование деформационных характеристик.

N серии Модули деформации Общее среднеквад-

расчетов (10® Т/мг) ратическое

отклонение (мм)

Е< Е* Es Е„ : 1 Е*

1 1.5 1.8 2.0 2.7 : 3.0 3.473

2 1.4 1.7 2.1 2.7 I 3.0 3.407

3 1.4 1.7 2.1 2.7 ! 2.5 3.195

4 1.8 1.6 1.8 2.4 : 3.0 3.018

5 1.8 1.5 1.8 2.6 1 3.0 3.123

Дальнейшее вариирование деформационных характеристик предлагается проводить следующим образом. В силу линейности задачи пропорциональное изменение всех модулей деформации при определении 5расч ГС) не меняет 6 С т.к. аналогично меняются a.b. ' с). Преобразовав данные так, чтобы один модуль был постоянным (выбран 3.0*10 Т/мг), используем соотношение

1

dC> t^ö/Э Е^) dE „

Вычислим dö и dEK для каадой серии расчетов относительно значений, например, четвертой серии. Тогда из получаемой системы линейных уравнений можно определить значения Эсз/Эе^:

'Зб/ЗЕ< = -1.15

Ъч / ЭЕа. = +0.57 ' Эб/ ЗЕ3 = -1.24 .Эй/ЗЕц = +0.84

6 г.

Размерность этого результата - 1 мм/С i0 Т/м ).

- 14 -

Положительное значение производной означает, что при росте аргумента б растет, отрицательное - что й убывает. Т.о., Еч и Е3 следует приблизить к значениям верхних границ их диапазонов вариирования, Ег и Еч - к значениям их нианих границ:

- « ч

Е —- (1.8,1.5,2.5,2.4,3.0)#10 Т/мь

Отметим, что при изменении одного из модулей деформации на 0.1*10 Т/мг(что составляет 3-67.) должно измениться на величину порядка 0.1мм (около 3%). Т.о., реальна возможность сокращения (э на величину, заведомо большую точности метода.

В четвертой главе предложен алгоритм калибровки прогнозной модели, основанный на аппроксимации зависимости перемещений от модулей деформации. Приведены результаты калибровки модели плотины Саяно-Шуженской ГЭС.

Калибровка путем прямого вычисления 6 для каждой вариации Е требует большого числа конечноэлементных расчетов в силу многопараметрического характера и существенной нелинейности

зависимости (ТГрасч(Е)). Аля уменьшения трудоемкости процеду-

— расч . Г,

ры предлагается аппроксимировать зависимость и (Е).

В работе показано, что при расчете плотины методом конечных элементов перемещение точки есть дробно-рациональная функция модулей деформации однородных зон (координаты и нагрузка фиксированы). Степень знаменателя соответствует числу степеней свободы системы и на единицу превышает степень числителя.

Можно предположить, что при вариировании модулей деформации от значений, несколько меньших реальных, до + оо , знаменатель не обращается в нуль: вырожденность матрицы жесткости означало бы неоднозначность решения, что плохо согласуется с картиной работы сооружения в рамках принятой модели. Т.о., в описанной области функция иро£Ч(Е) бесконечно дифференцируема. Выделим подобласть реального вариирования Е. Мояно представить црасч как фуНКЦИЮ пт {= 1/Е-^ , 1 =1,,.,5); для этого, например, разделим числитель и знаменатель на выражение

5 к.

П (Е- ) , где к- - старшая степень Е- в знаменателе.

1ч 1 *■

- 15 -

При этом преобразовании новых точек разрыва не появляется; дробно-рациональная функция бесконечно дифференцируема по (г^) внутри ограниченной замкнутой области, охватывающей возможные вариации деформационных характеристик.

Т.о., можно разложить и,асч в ряд Тейлора по {г^ в окрестности некоторой точки гл. Если ограничиться степенями не выше первой и исключить постоянные слагаемые (по причине линейности задачи), получим выражение

5

расч ■г—■ . /Г.

и = х: кЛ

«г4

где к^.-.ку - функции координат контрольной точки

и нагрузки, действующей на сооружение.

Используя данные табл.1, определим значения к(,..,к;из системы линейных уравнений

с и[аСЧ = Е у Е^ , 1 = 1----5 >

расч

где иг - перемещение точки, полученное из 1-го расчета,

Ем - значение модуля Е: , принятое для 1-го расчета.

Чг о

I

Построим матрицу Б = И/Е^.); обозначим через 6 матрицу, полученную из £ заменой ¿-го столбца на {и:'"4 ); обозначим через й минор матрицы б, полученный исключением ш-й строки и ¿-го столбца. В этих обозначениях к^ ,..,ку равны

1 ¿Есь; лкш

В работе показано, что перемещение точки, соответствующее некоторому набору модулей деформации (Е^), при использовании

расч —

предложенной аппроксимации и (Е) будет иметь вид

5

расч т—■ г Расч

Ы = >_* и

1—? М

. i 5 иГ4* J¿t(0

где X = —=----* У^ —-----------------

m d¿t (G,) EE¿

m

Коэффициенты («L^) определяются деформацонными характеристиками: связь ирасч с нагрузкой и координатами точки осуществляется только через значения um . Т.о., предложенная аппро-^ ксимация позволяет рассматривать перемещения плотины как линейные комбинации нескольких "базисных" полей перемещений.

Для оптимизации (в смысле минимума d ) модулей деформации плотины Саяно-Шуиенской ГЭС и ее основания были проведены расчеты с использованием описанной выше аппроксимации. Обучающую последовательность составили данные измерений за 1909-1992'г'.; необратимая составляющая перемещений, исключена с помощью программы NEO. Расчет параметров а,Ь,с,<з проводился по программе COUNT. Вследствие линейности модели вариировались только четы-

С £

ре модуля (Es = 3*10 Т/м ). Калибровка подтвердила выводы предыдущей главы; ее ход и результаты показаны в табл.2. Значения d в результате сократились с 3.02 мм до 2.56 мм.

В пятой главе проведен анализ работы плотины Саяно-Шушен-ской ГЭС в стадии начальной эксплуатации и оценка ее текущего состояния.

Отмечено, что используемая методика определения необратимых перемещений не учитывает некоторых различий УВБ и температур, при которых проводятся замеры.-С целью усреднить влияние факторов, точный учет которых в рамках принятой модели затруднителен (длительность осенних "пиковых" нагрузок; температура и рабочее сечение плотины в это время; и т.д.) предложено оценивать монотонность не ежегодных, а средних за 2-3 года значений. При таком подходе необратимые перемещения плотины за 1990-1994 г.г. в большинстве из 45 контрольных точек "интегрально" затухают. В пяти точках у подошвы плотины затухания не наблюдается (секции NN 25,33). Ежегодные приращения состав-• ляют здесь 1-2 мм; динамика развития процесса неустойчива.

Использование смешанной модели позволило выделить влияние отдельных факторов. Определены максимальные значения радиальных перемещений, обусловленных сезонными изменениями окружаю-

Таблица 2.

Калибровка модели при аппроксимации зависимости йР0ЛЧ(Е).

N серии Модули деформации основания Общее среднеква-

расчетов (10 Т/м ) дратическое

отклонение (з

Е, 1г Еч (мм)

0 1.8 1.6 1.8 2.4 3.018

1 1.9 1.4 1.9 2.2 2.713

2 1.9 1.4 2.1 2.2 2.659

3 1.9 1.4 2.6 2.2 2.645

4 1.9 1.4 ■ 2.3 2.2 2.638

5 2.0 1.4 2.3 2.2 2.636

6 1.7 1.4 2.3 2.2 2.656

7 2.0 1.3 2.3 2.2 2.577

8 2.0 1.2 2.3 2.2 2.647

9 2.0 1.3 2.3 2.1 2.609

10 2.0 1.3 2.3 2.3 2.575

11 2.0 1.3 2.3 2.25 2.574

12 2.0 1.3 2.35 2.25 2.570

13 2.0 1.3 2.4 2.25 2.566

14 2.0 1.3 2.45 2.25 2.562 (пап)

15 2.0 1.3 2.5 2.25 2.564

16 2.05 1.3 2.45 2.25 2.564

17 1.95 1.3 2.45 2.25 2.566

- 18 -

цей среды. Представим выражение сезонной функции в виде

S(X) = а + A*cosC 20t-c/12 - Ф)

где А = VЬ1 + с1 - амплитуда изменения See), Ф = arctg(c/b) - фаза.

При калибровке модели минимальное 6 - 2.562 мм достигается при Ё = (2.0,1.3,2.45,2.25,3.0)*106Т/м2. Им соответствуют значения параметров а = 0.78, А = 0.035, 0 = 46* (помимо прочего, это означает, что реальные значения Е в среднем в 100/78 раза больше модельных). Перемещения, обусловленные сезонными изменениями температуры, выражаются формулой

йсезСС) = ft*cos( 25ГС/12 - Ф)*йрасч (t)

На Саяно-Иушенской ГЭС температура минимальна в феврале; максимум УВБ - в октябре. Допуская возможность низких температур при высоком УВБ, определяем максимум ?сез(Т:) по формуле

"мах = • где "мах* соответствует УВБ = 540 м.

Значения и®" рассчитаны в 45 точках; на гребне плотины они максимальны и.составляют 11-15 мм.

В работе определены величины радиальных перемещений, соответствующие условиям безотказности и неповреждаемости.

Предельно допустимыми (критерий безотказности) считаются перемещения плотины в наиболее сложных условиях, когда УВБ максимален при низких температурах. Предельные значения йпрог С£) описываются формулой

мах " " мах

В относительной форме (для сравнения с измеряемыми значениями) выражение йпреА имеет вид

inPeA = a*^4 + А*й"сч - sec«, )*йросч (Т.) .

Пил пик

где X,- дата "нцлевого" цикла измерений,

^мах определяется из условия УВБ = 542 м.

Значения йпреА, отсчитываемые от замеров цикла N 205 (11.05.1994, УВБ = 499.37 м), максимальны на гребне плотины и составляют там от 90 мм (прибрежные секции NN 18,45) до 110 мм (центральная секция N 33). По натурным данным за 1994 г. критерий безотказности выполняется во всех точках. Коэффициенты запаса (иПреА/«изм) минимальны в нижней половине секции N 45 (правобережной); наиболее характерна отметка 359 м.

Критерий неповрешдаемости требует от ыизм находиться в интервале ипрог ± к*б . Для плотины Саяно-Шушенской ГЭС к = 1.5 (т.е. вероятность попадания в прогнозируемый интервал - 86.6Х). Среднеквадратические отклонения в верхней части секции N 45 на 1.5-2 мм больше, чем у других секций. Для последних значения 6 у гребня - до 3.8 мм, у подошвы - до 1.6 мм.

Данные измерений за 1994 г. удовлетворяют прогнозу и отклонением менее 27. от указанной вероятности Р = 86.. Т.о., характер работы и механические свойства системы по сравнению с 1989-1992 г.г.(период, по которому откалибрована модель) в целом сохранились. В правобережных секциях (NN 45,39) прогноз не оправдывается в 1.5-2 раза чаще, чем в левобережных (NN 18,25), что говорит о развитии в правобережной части плотины процессов, не предусмотренных проектом и не учитываемых моделью.

Сделаны следующие выводы о состоянии и особенностях работы плотины Саяно-Шушенской ГЭС:

1) При изменениях УВБ в пределах отметок 500-540м величины радиальных перемещений определяются в основном гидростатической нагрузкой: на гребне плотины они максимальны и составляют до 90 мм.

2У Перемещения, вызванные сезонными колебаниями температуры и изменениями жесткости сооружения, играют существенную роль: на гребне плотины они могут составлять до 15 мм.

- 20 -

3) Необратимые перемещения в большинстве точек имеют тенденцию к затуханию. Представляется вероятным, что максимальные перемещения (на гребне) после 1994 г. не будут превышать 5 мм за год. В то же время в придонной части секций NN 25,33 необратимые перемещения имеют незатухающий характер (1-2 мм/год).

4) Критерий безотказности в 1994 г. выполняется: предельные значения радиальных перемещений не превышаются. Коэффициенты запаса минимальны в иижней части секции N 45, в особенности на отметке 359 м.

5) Критерий неповреждаемости, заданный в форме нахождения (с заданной вероятностью) измеряемых значений в прогнозируемом интервале, выполняется в 1994 г. для сооружения в целом. Прогнозы для правобережных секций С NN 45,39) оправдываются в 1.5-2 раза хуже, чем для левобережных ^ 18,25).

6) Для секции N 45 среднеквадратические отклонения относительно велики, прогнозы наименее определенны. Т.о., ее поведение наиболее отклоняется от предусмотренного проектом.

7) Состояние плотины в 1994 г. характеризуется наличием поврежденных элементов (в частности, секции NN 45,39) и может оцениваться как поврежденное.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1) Показана приемлемая точность прогнозных моделей смешанного типа: для плотины Саяно-Шушенской ГЭС среднеквадрати-ческая погрешность прогноза радиальных перемещений составила 4-5% годового диапазона перемещений, что близко к точности статистической прогнозной модели (3-4%).

В сочетании с возможностью физической интерпретации прогнозов это обеспечивает эффективность применения прогнозных моделей смешанного типа для диагностики арочных плотин, достоверность предлагаемой методики диагностирования.

2) Использование прогнозной модели смешанного типа позволяет оценивать влияние отдельных факторов на работу сооружения. На плотине Саяно-Шушенской ГЭС радиальные перемещения, обусловленные температурным расхождением швов и трещин, составляют

около 15% от перемещений, вызываемых сезонным изменением НВБ с 500 м до 540 м.

3) Показано, что учет влияния температурного расхождения швов и трещин на радиальные перемещения плотины возможен при моделировании этого явления через изменения интегральной мест-кости системы "плотина-основание". В реализованной версии прогнозной модели величине, обратной жесткости, в силу периодичности сезонных колебаний температуры дан вид синусоидальной Функции времени (т.н. сезонная функция). Физическая корректность сделанных допущений для случая Саяно-Иуиенской ГЭС подтверждена фактом совпадения по времени максимума сезонной функции с минимальными годовыми температурами с точностью до нескольких дней.

В форме программы на языке Паскаль сформулированы алгоритмы определения параметров сезонной функции.

4) Показана допустимость определения годичных приращений необратимых перемещений плотины Саяно-Иуиенской ГЭС по разности замеров перемещений во время майских минимумов УВБ. Корректность предложения подтверждается существенным уменьшением среднеквадратической погрешности прогноза (с 5 мм до 3 мм).

В форме программы на языке Паскаль составлен алгоритм преобразования данных, исключающий влияние необратимой компоненты перемещений и обеспечивающий стабильность значений при определении параметров сезонной функции.

5) Прогнозирование годичных приращений необратимых перемещений для случая исправной плотины предложено вести из условия монотонного убывания их средних за 2-3 года величин (верхняя граница значений; нижняя считается равной нулю).

Показано, что с учетом этого подхода годичные приращения "интегрально" убывают в большинстве контрольных точек (кроме пяти точек в придонной части секций NN 25 и 33).

6) Предложен алгоритм калибровки модели, минимизирующий среднеквадратическое отклонение прогноза «о ; при этом учитываются значения производныхЗб/ ЭЕ-Ь, а зависимость расчетных перемещений от I аппроксимируется частной суммой ряда Тейлора. По сравнении с методом покоординатного спуска алгоритм поэво-

ляет упростить и ускорить расчеты. Его применение к прогнозной модели Саяно-Иушенской ГЗС позволило уменьшить <& с 3.47 мм до 2.56 мм и определить оптимальные значения средних (в течение года) модулей деформации системы "плотина-основание": Е = С 2.55,1.65,3.15,2.9,3.85)*106Т/мг.

7) Описанная методика предназначена для диагностики высоких арочных (арочно-гравитационных) плотин. Для тонких плотин при больших суточных колебаниях температуры могут использоваться все основные элементы методики, кроме представления температурных эффектов как функции времени.

8) Достоверность предлагаемой методики подтверждается на примере Саяно-Иушенской ГЗС хорошим согласованием оценки технического состояния плотины на 1994г., проведенной по этой методике, с данными натурных обследований.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Схема диагностического контроля состояния плотины Сая-но-|у«енской ГЭС // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева.-1988.--Т.204.-с.104-113 (соавтор Л.й.Гордон).

2) Диагностика состояния плотин на примере арочной плотины Саяно-1ушенской ГЭС // Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Повышение эффективности проектирования, исследований, строительства и эксплуатации арочных плотин / Л.: ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева.-1989.-с.91-96 (соавтор Л.й.Гордон),

3) Прогноз перемещений арочной плотины на основе идентифицированной прогнозной модели // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. -1988.-Т.214.-с.124-132 (соавторы Л.А.Гордон, Л.Х.Цови-кян).

4) Определение параметров смешанной прогнозной модели // Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева.-1993.-Т.227.-с.110-114.

5) Параметрические критерии безотказности и неповреждаемости для плотины Саяно-1ушенской ГЭС //Гидротехническое строительство.-1994.-Н.6.-с. 16-19 (соавтор Л.А.Гордон).