автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Напряжения и деформации сооружений из крупнообломочных грунтов при длительной эксплуатации в условиях Севера



На правах рукописи

ТОЛОШИНОВ Александр Валентинович

НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ СООРУЖЕНИЙ ИЗ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения 05.23.07 - Гидротехническое строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2003

Работа выполнена в Красноярской государственной архитектурно-строительной академии

Научный руководитель доктор технических наук, С.И.Панов

профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, А.П. Ешфшов

профессор

Доктор технических наук, Г. И. Кузнецов профессор

Ведущая организация ОАО "ЛЕНГИДРОПРОЕКТ",

г. Санкт-Петербург

Г. в и- часов на заседании дис-

Защита состоится " октября 2003 г в 13

секционного совета Д 212.096.01 в Красноярской государствен«^ архитектурно-строительной академии по адресу:

660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 82, КрасГАСА, аудитория К-120 Тел.-(3912)44-58-53; Факс- (3912)44-58-60; е-шш! -root@gasa.krs,

;.ги

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КрасГАСА [тй °™.ЫВ Н„а автоРеФеРат в 2-х экземплярах с подписью составителя завеоен

2Й2Гпечатью организации'просим нап<™• адРес~цГ

Автореферат разослан " 13" сентября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн, наук, профессор,

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург ¿.л/,

оэ тдажгУЛ

В. Н. Шапошников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее распространенных материалов при строительстве грунтовых инженерных сооружений на Севере является каменная наброска (горная масса). Сооружения из горной массы (насыпи автодорог, засыпки подпорных стен, дамбы, плотины и др.), как правило, имеют относительно меньшие объемы и могут возводиться как в летний период, так и зимой.

Строительные свойства этого техногенного крупнообломочного грунта на Севере и в районах с умеренным климатом, имеют существенные различия. Главное из них - это весьма малое самоуплотнение мерзлой льдосодержащей каменной наброски в строительный период и связанная с этим большая проса-дочность при оттаивании в процессе эксплуатации сооружения. Температурный режим инженерных систем "сооружение-основание" на Севере практически не бывает стационарным, поэтому эти особенности поведения мерзлой и оттаивающей горной массы приводят к большим деформациям, которые могут нарушить эксплуатационную пригодность сооружений.

Отмеченное определяет актуальность экспериментального изучения механических свойств мерзлых льдосодержащих грунтов, а также соответствующего математического описания закономерностей их изменений во времени. Адекватность создаваемых при этом расчетных моделей деформационного поведения и прочности фунтовых сооружений на Севере может быть эффективно оценена лишь с использованием результатов длительных натурных наблюдений за их температурным состоянием, фильтрационным режимом и деформациями.

Известно, что на Севере в связи с растепляющим воздействием водохранилищ, наиболее интенсивные температурно-фильтрационно-деформационные процессы происходят в фунтовых гидротехнических сооружениях и их основаниях. Поэтому в диссертации в качестве объекта натурных наблюдений использована каменно-земляная плотина Вилюйской ГЭС-1.2, возведенная уело-

виях Севера более 30 лет назад. Особенностью этого насыпного сооружения (высотой более 70 м) из горной массы является то, что с момента завершения строительства на нем в полном объеме проводятся инструментальные натурные наблюдения с оперативной интерпретацией их результатов.

Актуальность данной работы обусловлена также и тем, что она направлена и на решение важной народнохозяйственной задачи, связанной с дальнейшим сохранением эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений Вилюйской ГЭС-1.2, являющейся стратегическим объектом экономического развития республики САХА (Якутия).

Цель исследований - выявление основных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния, прочности, надежности и технической безопасности насыпных каменно-земляных сооружений различного назначения в зависимости от их температурно-влажностного состояния и длительности эксплуатации, а также определение характеристик расчетных моделей поведения сооружений при длительной их эксплуатации в Северной строительно-климатической зоне на основании данных натурных наблюдений.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

- обобщены результаты проведенных ранее расчетно-теоретических исследований и выбрана расчетная модель, отражающая особенности деформационного поведения мерзлых и оттаивающих каменно-земляных сооружений при длительной их эксплуатации на Севере;

- обобщены результаты экспериментальных исследований мерзлой льдо-содержащей каменной наброски и определены расчетные характеристики выбранной расчетной модели;

- проведен многофакторный анализ данных натурных наблюдений и выявлены основные закономерности изменений во времени деформаций каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2 с учетом изменений ее температурно-

влажностного состояния и режима нижнего бьефа;

- выполнены численные исследования изменений во времени параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) плотины Вилюйской ГЭС-1.2 и проверена адекватность расчетной модели на основании сопоставления расчетных и натурных данных;

- составлен расчетный прогноз изменений эксплуатационных показателей плотины Вилюйской ГЭС-1.2 при возможных естественных и техногенных изменениях режима нижнего бьефа гидроузла.

Методика исследований. Результаты, выводы и инженерные рекомендации, содержащиеся в диссертации, базируются на экспериментальном материале, полученном при проведении длительных инструментальных натурных наблюдений за поведением плотины Вилюйской ГЭС-1.2

В теоретических обобщениях и при разработке расчетной модели плотины использовались современные представления теории механики грунтов, учитывающие вероятностный характер структурной и деформационно-прочностной неоднородности фунтовой среды.

В численных исследованиях НДС каменно-земляных сооружений использовались алгоритмы метода конечных элементов в приложении к решениям нелинейных задач теории упругости и деформационной теории пластичности.

Научная новизна работы определяется следующими результатами.

1. Впервые обобщены и проанализированы достаточно полные результаты уникальных длительных натурных инструментальных наблюдений за темпера-турно-фильтрационным состоянием и деформациями элементов каменно-земляной плотины, эксплуатируемой на Севере более 30 лет.

2. В работе использована математическая модель деформационного поведения мерзлых и оттаивающих обломочных грунтов, учитывающая нелинейные связи между напряжениями и деформациями, структурную неоднородность среды, а также ее температурное состояние и льдосодержание.

3. При "калибровке" расчетной модели и определении ее характеристик использованы результаты как лабораторных экспериментальных исследований, так и натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС-1.2.

4. На основании результатов исследований температурного режима, деформаций и прочности установлены основные закономерности изменения во времени состояния каменно-земляных насыпных сооружений, длительно эксплуатируемых на Севере.

Практическое значение работы заключается в возможности использования полученных в ней результатов:

- при определении расчетных характеристик фунтовых материалов, что позволяет более полно учитывать их свойства и изменения несущей способности в зависимости от температурно-влажностного состояния;

- при расчетном исследовании напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений и анализе данных натурных наблюдений за ними;

- при оценке состояния и эксплуатационной пригодности грунтовых сооружений различного назначения.

Достоверность полученных результатов подтверждена данными длительных натурных наблюдений, а также удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Полученные на основании анализа результатов натурных исследований закономерности изменения во времени характеристик прочности и деформируемости таломерзлых крупнообломочных грунтов.

2. Статистическая модель деформационного поведения каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2, учитывающая процессы нормального реологического уплотнения грунтов тела плотины, а также аномальные изменения их температурно-влажностного состояния.

3. Результаты численных исследований НДС и прочности каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2 и рекомендации по сохранению эксплуатационной пригодности, технической надежности и безопасности этого сооружения.

4. Выявленные на основании анализа результатов численных и натурных исследований основные закономерности деформационного поведения каменно-земляных сооружений при длительной эксплуатации в условиях Севера.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях технического совета ОАО "ЛЕНГИДРОПРОЕКТ" (Санкт-Петербург, 19952002 г.), на заседаниях научно-технического совета ОАО ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева (Санкт-Петербург, 1995-2000 г.); на научно-технических конференциях КрасГАСА (Красноярск, 2001-2003 г.); на научно-технической конференции НГАСУ им. В.В.Куйбышева (Новосибирск, 2003 г.).

Результаты исследований внедрены в практику эксплуатации основных сооружений Вилюйской ГЭС-1.2.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 4 -в центральных технических изданиях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 119 стр. текста, включая 41 рисунок, 8 таблиц, а также список использованной литературы из 179 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи работы, приведена информация об использованных методах исследований, научной новизне работы и практической значимости полученных результатов, а также об их апробации и внедрении.

В главе 1 выполнен детальный анализ современного состояния проблемы исследований, приведены исходные предпосылки, рассмотрены основные механические свойства техногенных крупноскелетных фунтов, проведен анализ современных расчетных моделей каменно-земляных сооружений, а также современных методов реализации таких моделей в расчетах их деформационно-прочностного поведения в условиях Севера.

В настоящее время в плотиностроении в качестве материала несущих элементов (упорных призм) фунтовых плотин часто используются техногенные крупнообломочные фунтовые материалы, именуемые горной массой или каменной наброской.

Деформируемость и прочность талой и мерзлой горной массы в теле насыпи различны. У мерзлой льдонасыщенной горной массы эти свойства существенно зависят от ее температурно-влажностного состояния (TBC). Это влияет не только на деформационное поведение и прочность, но и предопределяет эксплуатационную пригодность насыпных сооружений из таких материалов в условиях Севера.

Механическое поведение фунтового материала может быть описано математически, если при любом TBC для него известны значения расчетных характеристик деформируемости и прочности. У таломерзлой каменной наброски эти свойства существенно нелинейны, изменяются во времени (реономность), а также зависят от температуры и степени льдонасыщения.

Впервые исследования механических свойств горной массы в условиях трехосного нафужения были выполнены в Мексике Р. Марсалом (в 1960 г.), а затем у нас в стране Я. Журеком, В.Г. Мельником, J1.H. Рассказовым, H.H. Розановым, С.И. Пановым, Б.И. Балыковым и др.

Обобщение и анализ результатов этих исследований позволили выявить следующие основные закономерности поведения крупнообломочных фунтов при трехосном нафужении:

- диаграммы объемного и сдвигового деформирования нелинейны во всем диапазоне нагружения;

- диаграммы сдвигового деформирования центрально подобны друг другу;

- диаграммы объемного деформирования имеют знакопеременные касательные;

- показатели прочности на сдвиг горной массы из различных горных пород, практически постоянны.

Выявленные закономерности надлежит учитывать при выборе расчетных моделей деформационного поведения каменно-земляных сооружений при длительной эксплуатации на Севере.

Все многообразие созданных расчетных моделей деформирования грунтов можно условно разбить на три основных класса - модели, в которых грунт идеализируется сплошной средой, модели в виде дискретной (зернистой) среды и модели, в которых учитывается структурная неоднородность механических свойств фунта.

Большой вклад в создание сплошных линейно-деформируемых, предельно-равновесных и смешанных расчетных моделей фунта внесли соответственно Н.П. Пузыревский, Н.М. Герсеванов, М.Н. Гольдштейн, М.И. Горбунов-Посадов, Б.И. Далматов, Д.Е. Польшин, В.А. Флорин и В.Г. Березанцев, С.С. Голушкевич, В.И. Новоторцев, В.В. Соколовский, а также А.К. Буфов, П.Д. Евдокимов, М.В. Малышев и другие. Расчетные модели фунта в виде нелинейно-деформируемых сред созданы в работах А.И. Боткина, С.С. Вялова, М.В. Малышева, Ю.К. Зарецкого, A.C. Строганова, В.П. Федоровского и др.

Исторически первые построения дискретной расчетной модели фунта восходят еще к работам Купле и Кулона. Из современных работ в этой области известны работы И.И. Кандаурова, Г. Дересевича, П.В. Роу, Б.И. Дидуха и др.

Начало созданию структурно-неоднородных расчетных моделей было положено Ю.И. Кадашевичем, В.В. Новожиловым, ДА. Гохфельдом,

О.С. Садаковым. В механике грунтов такие модели были использованы Ю.К. Зарецким и С.И. Пановым.

В расчетах напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтовых сооружений, как правило, используются численные методы, среди которых наибольшее распространение имеет метод конечных элементов (МКЭ).

Впервые исследование НДС грунтовой плотины с учетом нелинейных /•

свойств грунтов с помощью МКЭ было проведено Клауфом и Вудвартом. К этой области относятся и работы Л. Финна, А.П. Троицкого, Л.Н. Рассказо- ^

ва, М.В. Виттенберга, И.С. Клейна, С.Б. Ухова, А.Б. Фадеева, А.Л. Гольдина, А.К. Бугрова и другие, в которых задачи о НДС фунтовых сооружений решались в линейной и нелинейной постановках.

В главе 2 приведено описание использованной структурно-неоднородной расчетной модели деформационного поведения техногенных крупнообломочных фунтов. Рассмотрены также результаты экспериментальных исследований механических свойств этих фунтовых материалов, которые позволили определить значения основных характеристик использованной расчетной модели.

При проведении расчетных исследований НДС каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2 была использована разработанная проф. С.И. Пановым структурно-неоднородная модель тапомерзлых техногенных обломочных фунтов, в которой достаточно просто учитываются как постоянные, так изменяющиеся во времени (реономные) особенности деформирования фунтов.

В использованной расчетной модели каждый элементарный объем считается наделенным двумя типами неоднородности (дефекты сдвигового деформирования и дефекты объемного сжатия). Взаимное (перекрестное) влияние инвариантов учитывается при смешанных траекториях нафужения.

В общем случае для частей модели, отражающих сдвиговое и объемное деформирование, уравнения состояния расчетной среды могут быть представлены следующими выражениями:

и

С„(о-.,0 г, К,.')-г,. СДо.,/) ^(о-.)-г(-Ф,(/)

^.(О-еДО + о-. г,

(2)

где 00, т, *, Кск, К„ и е„" - характеристики сдвигового и объемного деформирования; Г/егт) и 1г2(т,о-,1) - функции перекрестного влияния:

^ -сг. ; (3)

= 1 + ; (4)

/=тД*; (5)

Ф,(1), Ф2(0 и Ф3(0 - функции времени, которые на основании результатов экспериментальных исследований техногенных обломочных фунтов предложено аппроксимировать единообразным дробно-линейным выражением:

1Л + (

(6)

где б и Т0 -параметры, зависящие от температуры в и льдосодержания Ь:

е*

(7)

(8)

Идентификация расчетной модели, выполненная на основании результатов лабораторных испытаний горной массы при трехосном нафужении, позволила определить значения параметров, входящих в выражения (1)...(5): С„= Т|*(ат, / 0.015; Т|*(ат, в,Ь) = т,*(ат,0,0) * ;

г>. ДО) ~0.35-l.08o-,,;

Р7 =(¿-¿ + 1)"+[(¿ ¿+1)"-1]-^Ч; а = 0.25;Ь = 15;9 = -5°С; К,, = 500 МПа; К„ = 6 МПа; еДв.Ь) = еу'(0,0)* ру; е„*(0,0) = 0.05; Д, = л' - а ■ 1-1И(е -~—-); а =0.25.

Расчетные значения параметров функций (6)...(8) были определены с уче-

том результатов натурных наблюдений за развитием деформаций плотины Ви-люйской ГЭС-1.2 во времени.

Глава 3 посвящена уточнению значений характеристик расчетной модели при длительном приложении нагрузки на основании анализа данных натурных наблюдений за деформационным поведением каменно-земляной плотины Ви-люйской ГЭС-1.2 (рис.1) высотой более 70 м, возведенной более 30 лет назад.

Рис. 1. Поперечное сечение каменно-земляной плотины ВГЭС-1,2: 1- суглинистый экран, 2 - пригрузка из горной массы, 3 - упорная призма, 4 - мерзлая горная масса, 5 - зона заполнения льдом пор горной массы

Отсыпка суглинистого экрана производилась зимой при температурах воздуха до минус 40°С с защитой его от промерзания. Упорная призма плотины отсыпалась из горной массы слоями 10-20 м в зимнее время и к моменту окончания строительства была полностью мерзлой.

Согласно данным натурных наблюдений, в теле плотины до настоящего времени сохранились обширные области, в которых горная масса находится в мерзлом состоянии, имеет большое льдосодержание и сохранила способность к доуплотнению при оттаивании

Инструментальные наблюдения за температурным режимом, фильтрацией и деформациями плотины были начаты после окончания ее строительства и установки соответствующей контрольно-измерительной аппаратуры (КИА).

Имеющийся в настоящее время ряд наблюдений за осадками плотины уникален и включает непрерывные данные за период 1971-2002гг.

Регрессионный анализ графиков осадок плотины позволил получить значения временного параметра Т0 =13.4 года в выражении (6), а также предельное (при "нормальном" ходе процесса деформирования) значение осадки ее гребня 8*=1.7м.

На графике затухания во времени приращений осадок гребня плотины (рис.2) были выделены, характерные временные моменты, когда ход этого процесса существенно отклонялся от тренда, принятого за "норму".

г^г*.|-*.г^ооаососо<ово<ооосоФО}0>о>0)а)0>о>о»0}о>ооо о>спо>о)(7>о>о)0>о><яо>о>а>о>а)<»с»о>о>о>о1£»о>с»ооо

Т, годы эксплуатации

Рис.2. График изменений величины ежегодных приращений осадок гребня:

а - данные натурных наблюдений, б - тренд их аппроксимация

При выявлении причин, которые могли обусловить аномальные величины приращений осадок плотины были рассмотрены данные:

- о среднегодовых значениях уровней воды в верхнем бьефе (УВВБ);

- о среднегодовых значениях уровней воды в нижнем бьефе (УВНБ);

- о значениях годового слоя осадков в районе гидроузла;

- о среднегодовых значениях температуры воздуха в районе гидроузла.

Многофакторный анализ перечисленных данных позволил установить, что между параметрами температурно-уровневого состояния нижнего бьефа гидроузла и интенсивностью приращений осадок плотины существует тесная кор-

реляция.

Выявлено, что величина ежегодных приращений осадок плотины складывается из двух компонент. Первая из них (с18„) относится к затухающему во времени нормальному процессу реологического доуплотнения фунтов тела плотины:

¿Б. = 75 • 0.93(г"|,75) , мм/год (9)

где Т - календарный год эксплуатации сооружения, начиная с 1975г.

Вторая компонента (ёЭ»), обусловлена термопросадочными процессами в мерзлой упорной призме при аномальных изменениях факторов ее температур-но-влажностного состояния:

йБа = 0.0225 • (йН„ + ¿Нк ■ а )2 + 0.1287 • (■+№„■/&),мм/год (10)

где йНуц и ¿11 к - аномальные значения приращений соответственно уровня нижнего бьефа и слоя осадков; Ю- безразмерный коэффициент аномалий теп-лового'влияния окружающей среды.

Результаты расчетного прогноза показали, что подтопление со стороны строящейся в настоящее время Вилюйской ГЭС-3 может привести к аномально большой разовой просадке элементов плотины Вилюйской ГЭС-1.2. Эти значения были использованы в качестве фаничных условий расчета НДС плотины и прочности ее элементов.

В главе 4 приведены основные результаты расчетных исследований напряженно-деформированного состояния и прочности элементов каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2.

Данные исследования выполнялись с использованием МКЭ в рамках деформационной структурно-неоднородной расчетной модели фунтовой среды.

При расчете НДС плотины на момент завершения строительства и на 30 год ее эксплуатации задачи решались с соответствующей каждому временному моменту корректировкой значений расчетных характеристик деформируемости

фунтов. Адекватность "калибровки" расчетной модели оценивалась по данным натурных наблюдений за осадками плотины.

После этого был сделан прогнозный расчет изменений НДС плотины с учетом возможных осадок, обусловленных подтоплением плотины со стороны водохранилища строящейся Вилюйской ГЭС-3.

., На основании результатов решения оценивалась степень исчерпания проч-

ности грунтового материала и его близости к предельному состоянию:

т, (11)

; к\а; = а*гМг (12)

где т*, = с - сгт. tg<p - предельные значения касательных напряжений т1 , а й*г - предельные значения деформаций растяжения (ег) или сдвига (уг), при которых в грунте возникают нарушения сплошности.

По данным предыдущих исследований, для грунтов в теле сооружения предельные значения относительных деформаций одноосного растяжения и сдвига составляют соответственно е*г 0.004 и у*г 0.015.

В тех случаях, когда значения кгш/ (илик^ были < 1, считалось, что грунт в рассматриваемом расчетном элементе находится в предельном состоянии.

!> Безопасность всего сооружения оценивалась по общей величине зон предельно-

го состояния и их близости к свободной поверхности.

^ Согласно результатам выполненных расчетных исследований, на настоя-

щее время (после 30 лет эксплуатации) деформационно-прочностное состояние плотины Вилюйской ГЭС-1,2 можно считать удовлетворительным.

Основные результаты исследований НДС для третьего расчетного случая (при подтоплении нижнего бьефа до отметки 182 м) показаны на рис. 3, из которого видно, что аномальное подтопление плотины приведет к образованию трех зон предельного равновесия, приуроченных к наружным границам сечения плотины и к подошвенной части его мерзлой низовой призмы.

Анализ результатов численных исследований, позволяет утверждать, что последствия такого подтопления нижнего бьефа не будут катастрофическими для плотины и не приведут к нарушениям ее эксплуатационной пригодности.

Рис.3. Изолинии расчетных значений кгм/ и к^

бместе с тем, аномально большие деформации элементов сооружения могут изменить фоновый режим показаний установленной на плотине КИА, что позволяет рекомендовать изменения регламента натурных наблюдений и численных значений критериев безопасности плотины Вилюйской ГЭС-1.2.

Глава 5 посвящена инженерному использованию результатов исследований. В частности, в ней сформулированы основные закономерности деформационного поведения каменно-земляных сооружений в районах Севера, даны рекомендации по совершенствованию натурных наблюдений с целью повышения их надежности и безопасности.

Особенности природно-климатических факторов этих регионов - вечно-мерзлое состояние грунтов оснований и низкие среднегодовые температуры обуславливают преимущественное использование мерзлой горной массы для возведения насыпных сооружений. Длительный зимний период приводит к необходимости проведения земельно-скальных работ по отсыпке сооружения в зимнее время. При этом в тело сооружения, как правило, попадают отдельно-

сти, имеющие рваную угловатую форму с не окатанными гранями. Большое количество зимних дней с сильными ветрами и большое количество осадков в виде снега способствуют накоплению в каменной наброске значительных объемов снега и льда. Все это приводит к сохранению мерзлоты в сооружении и возможности существенного последующего доуплотнения фунтового материала тела насыпи.

Наличие таких фунтов в несущих элементах каменно-земляных плотин » различного типа по-разному влияет на температурно-влажностный режим и де-

формационно-прочностное поведение сооружений при их длительной эксплуатации на Севере.

В плотинах с наклонным грунтовым экраном после наполнения водохранилищ мерзлый экран в первые 3-5 лет практически полностью оттаивает. В этот период наблюдается интенсивный рост осадок элементов плотины. После оттаивания подэкранной части упорной призмы местоположение нулевой изотермы в низовом клине практически стабилизируется. Это отражается и на величинах ежегодного прироста осадок плотины, которые уменьшаются до 0.51.0 см/год, что соответствует процессу нормального реологического деформирования таломерзлого фунтового сооружения под постоянной нафузкой.

4

Подобное динамически равновесное температурно-деформационное со> стояние плотины может сохраняться долгие годы. Но при этом в любой момент времени аномальные повышения уровней воды в нижнем бьефе могут привести к аномально большим приращениям осадок плотины. Подобные процессы происходят в каменно-земляной плотине Вилюйской ГЭС-1.2.

В плотинах с центральным грунтовым ядром первичное наполнение водохранилища вызывает интенсивное оттаивание и доуплотнение горной массы верховой призмы. При этом элементы призмы претерпевают не только вертикальные, но и значительные горизонтальные смещения в сторону верхнего бьефа, вследствие чего в верхней части ядра происходит образование и раскрытие

I !

трещин, которые могут нарушить эксплуатационную пригодность сооружений. Интенсивность этих процессов зависит от скорости подъема уровня воды в водохранилище. Подобное трещинообразование имело место во время строительства каменно-земляных плотин Курейской, Колымской, а также Вилюйской ГЭС-3. В эксплуатационный период, после оттаивания ядра, нулевая изотерма занимает квазистационарное положение в нижней трети низовой призмы. К этому времени абсолютные значения приращений осадок плотины существенно уменьшаются, но при этом они весьма слабо затухают во времени.

Взаимосвязанность температурно-влажностных и деформационно-прочностных процессов в таломерзлых каменно-земляных плотинах приводит к необходимости комплексного подхода в организации натурных наблюдений с одномоментным и однокоординатным определением всех параметров и характеристик этих процессов.

При разработке проектов КИА и регламентов натурных наблюдений за подобными сооружениями, а также определении критериев их безопасной эксплуатации следует учитывать, что сроки наступления стационарных состояний грунтовых сооружений на Севере зачастую сопоставимы, а иногда и превышают расчетные сроки их эксплуатации.

Многофакторный характер деформационного поведения сооружений из каменной наброски на Севере определяет целесообразность организации непрерывных режимных комплексных наблюдении за поведением сооружения и за факторами природно-климатического и техногенного воздействия на него. При этом наблюдения за температурой воздуха и воды, уровнями бьефов, количеством выпадающих осадков должны производиться, начиная с первых этапов возведения сооружения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Установлено, что характеристики деформирования и прочности на сдвиг мерзлых и оттаивающих крупнообломочных грунтов в теле насыпных сооружений нелинейно зависят от величины нагрузки, длительности нагруже-ния, влажности фунтов, их температуры и степени льдонасыщения.

2. Выявлены основные закономерности изменения во времени темпера-турно-влажностного и напряженно-деформированного состояния каменно-земляных сооружений, возводимых на Севере, а также определены расчетные значения характеристик деформируемости и прочности таломерзлой каменной наброски в теле таких сооружений.

3. Составлена статистическая модель поведения плотины Вилюйской ГЭС-1.2 при длительной эксплуатации, позволившая определить предельные значения осадок элементов сооружения, а также оценить влияние на их величину аномальных изменений температурно-уровневого режима нижнего бьефа.

4. Установлено, что между приращениями осадок элементов плотины и параметрами нижнего бьефа существует тесная корреляция. Величина приращений осадок складывается из двух компонент - нормальных, затухающих во времени, и аномальных, функционально зависящих от изменений уровней нижнего бьефа, годового слоя осадков и среднегодовой температуры воздуха.

5. Показано, что подтопление каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2 при наполнении водохранилища строящейся Вилюйской ГЭС-3 не приведет к существенному снижению эксплуатационной пригодности сооружения.

6. Составлены рекомендации по установке дополнительной КИА на плотине Вилюйской ГЭС-1.2, уточнены регламент натурных наблюдений и критерии ее безопасности.

7. Установлено, что при расчете НДС насыпных каменно-земляных сооружений перспективно использование структурно-неоднородных расчетных моделей, идентификацию которых необходимо проводить по результатам

!

экспериментальных исследований и длительных натурных наблюдений.

8. Разработана методика комплексной оценки безопасности и эксплуатационной пригодности насыпных сооружений на Севере из крупнообломочных фунтов по результатам численных, экспериментальных и натурных исследований их температурно-влажностного режима и напряженно-деформированного состояния.

Основные положения диссертации изложены в публикациях:

1.Толошинов A.B. Строительство Вилюйской ГЭС-3 / А.В.Толошинов, А.М.Цвик, М.МШерман //Гидротехническое строительство, 1997, №8.-С. 29-32.

2.Толошинов A.B. Условия формирования температурно-влажностного режима каменно-земляной плотины ВГЭС-1,2 / H.A. Мухетдинов, A.B. Толо-шинов // Известия ВУЗов. Строительство, 2003, № 8.- С. 67-74.

3.Толошинов A.B. Особенности напряженнно-деформированного состояния и прочности каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2 /.С.И. Панов, А.В.Толошинов // Вестник КрасГАСА, № 6, Красноярск, 2003. - С. 147-157.

4.Толошинов A.B. Исследования влияния подтопления нижнего бьефа на деформации таломерзлой каменно-земляной плотины с экраном на Севере / С.И.Панов, А.В.Толошинов // Вестник КрасГАСА, № б, Красноярск, 2003. -С. 198-209.

5.Толошинов A.B. Влияние режима нижнего бьефа на деформации плотины Вилюйской ГЭС-1.2 / С.И. Панов, A.B. Толошинов, A.M. Цвик // Гидротехническое строительство, 2003 ,№11 (в печати).

6.Толошинов A.B. Особенности деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном при длительной эксплуатации на Севере / С.И.Панов, А.В.Толошинов // Известия ВУЗов. Строительство, 2003, №11 (в печати).

Соискатель:

Отпечатано на ризофафе КрасГАСА """" " 1 ^ ный, 82

£oo3? -fi

¡4ß42.

# 14 8 4 2

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы исследований

1.1 Общие положения и исходные предпосылки

1.2 Основные механические свойства техногенных обломочных 15 грунтов

1.3 Основные расчетные модели деформационного поведения 28 грунтов

I 1.4 Современные методы статического расчета каменно-земляных плотин

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Расчетная модель таломерзлой горной массы и ее экспери- 39 ментальное обоснование

2.1. Описание расчетной модели

2.2. Экспериментальные исследования горной массы

2.3. Выводы по главе

Глава 3. Уточнение значений характеристик расчетной модели плоти- 50 ны Вилюйской ГЭС-1,2 по данным натурных наблюдений

3.1 Особенности температурно-влажностного состояния плотины

1 3.2 Анализ особенностей деформационного поведения плотины

3.3 Расчетный прогноз деформаций плотины в нештатных ситуаци- 68 ях

3.4 Корректировка граничных условий и расчетных характеристик 70 деформируемости грунтовых материалов тела плотины

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Напряжения и деформации каменно-земляной плотины

Вилюйской ГЭС-1,

4.1 Постановка задачи исследований 4.2 Исходные данные

4.3 Методика и техника исследований

4.4 Результаты расчетных исследований

4.5 Выводы по главе

Глава 5. Инженерное использование результатов исследований

5.1. Основные закономерности деформационного поведения камен- 101 но-земляных плотин на Севере

5.2. Натурные исследования деформационных процессов в грунто- 107 . \ * вых сооружениях

В последние десятилетия развитие сырьевой и энергетической базы страны было в основном связано с освоением Северо-Восточных районов и Крайнего Севера. Отсутствие реальной альтернативы этому позволяет считать, что процесс освоения Севера будет продолжаться и в обозримом будущем.

Актуальность проблемы. Одним из наиболее распространенных мате-I риалов при строительстве грунтовых инженерных сооружений на Севере является каменная наброска (горная масса). Сооружения из горной массы (насыпи автодорог, засыпки подпорных стен, дамбы, плотины и др.), как правило, имеют относительно меньшие объемы и могут возводиться как в летний период, так и зимой.

Строительные свойства этого техногенного грунта на Севере и в районах с умеренным климатом, имеют существенные различия. Главное из них - это весьма малое самоуплотнение мерзлой льдонасыщенной каменной наброски в строительный период и связанная с этим большая просадочность при оттаивании в процессе эксплуатации сооружения. Температурный режим инженерных систем "сооружение-основание" на Севере практически не бывает стационарным, поэтому особенности механического поведения мерзлой и оттаивающей горной массы приводят к большим растянутым во времени деформациям, кото-^ рые могут нарушить эксплуатационную пригодность сооружений.

Отмеченное обуславливает актуальность экспериментального изучения механических свойств мерзлых льдосодержащих грунтов, а также соответствующего математического описания закономерностей их изменений во времени. Адекватность создаваемых при этом расчетных моделей деформационного I < поведения и прочности грунтовых сооружений на Севере может быть эффективно оценена лишь с использованием результатов длительных натурных наблюдений за их температурным состоянием, фильтрационным режимом и деформациями.

Известно, что на Севере в связи с огромным растепляющим воздействием вновь создаваемых водохранилищ, наиболее интенсивные температурно-фильтрационно-деформационные процессы происходят в грунтовых гидротехнических сооружениях и их основаниях.

Поэтому в диссертации в качестве объекта натурных наблюдений использована каменно-земляная плотина Вилюйской ГЭС-1.2, возведенная условиях Севера более 30 лет назад. Особенностью этого грунтового сооружения (высотой более 70 м) из горной массы является то, что с момента завершения строительства и по настоящее время на нем в полном объеме проводятся инструментальные натурные наблюдения с оперативной интерпретацией их результатов.

Актуальность данной диссертационной работы обусловлена также и тем, что она направлена и на решение важной народнохозяйственной задачи, связанной с дальнейшим сохранением эксплуатационной надежности гидротехнических сооружения Вилюйской ГЭС-1.2, являющейся стратегическим объектом экономического развития республики САХА (Якутия).

Цель исследований заключалась в выявлении основных закономерностей изменения во времени температурного состояния и деформаций насыпных ка-менно-земляных сооружений различного назначения, а также в определении на основании данных натурных наблюдений значений характеристик и параметров расчетных моделей деформационного поведения и прочности таких сооружений. Это позволит обоснованно решать важные отраслевые задачи по обеспечению сохранности, инженерной надежности и технической безопасности грунтовых сооружений при длительной их эксплуатации в Северной строительно-климатической зоне.

Для достижения поставленной цели автором диссертации были решены следующие задачи:

• обобщены результаты проведенных ранее расчетно-теоретических исследований и выбрана расчетная модель, отражающая особенности деформационного поведения мерзлых и оттаивающих каменно-земляных сооружений при длительной их эксплуатации на Севере;

• обобщены результаты экспериментальных исследований мерзлой льдосо-держащей каменной наброски и определены расчетные значения характеристик выбранной расчетной модели;

• проведен многофакторный анализ данных натурных наблюдений и выявлены основные закономерности изменений во времени деформаций ка-менно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2 с учетом изменений ее температурно-влажностного состояния и режима нижнего бьефа;

• выполнены расчетные исследования изменений во времени параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) плотины Вилюйской ГЭС-1.2 и проверена адекватность расчетной модели на основании сопоставления расчетных и натурных данных.

• составлен расчетный прогноз изменений в эксплуатационной пригодности плотины Вилюйской ГЭС-1.2 при возможных естественных и техногенных изменениях режима нижнего бьефа гидроузла.

Методика исследований. Результаты, выводы и инженерные рекомендации, содержащиеся в диссертации, базируются в основном на экспериментальном материале, полученном при проведении длительных инструментальных натурных наблюдений за поведением плотины Вилюйской ГЭС-1.2 >

В теоретических обобщениях и при разработке расчетной модели плотины использовались современные представления теории механики грунтов, учитывающие вероятностный характер структурной и деформационно-прочностной неоднородности грунтовой среды.

В численных исследованиях НДС каменно-земляных сооружений использовались основные алгоритмы метода конечных элементов в приложении к решениям нелинейных задач теории упругости и деформационной теории пластичности.

Научная новизна работы определяется следующими результатами.

1. Впервые обобщены и проанализированы достаточно полные результаты уникальных длительных натурных инструментальных наблюдений за темпера-турно-фильтрационным состоянием и деформациями элементов каменно-земляной плотины, эксплуатируемой на Севере более 30 лет.

2. В работе использована математическая модель деформационного поведения мерзлых и оттаивающих обломочных грунтов, учитывающая нелинейные связи между напряжениями и деформациями, структурную неоднородность среды, а также ее температурное состояние и льдосодержание.

3. При "калибровке" расчетной модели и определении ее характеристик использованы результаты как лабораторных экспериментальных исследований, так и комплексных натурных наблюдений за поведением плотины Вилюйской ГЭС-1.2

4. На основании результатов расчетных исследований температурного режима, деформаций и прочности установлены основные закономерности изменения во времени эксплуатационной пригодности каменно-земляных насыпных сооружений, длительно эксплуатируемых на Севере.

Практическое значение работы заключается в возможности использования полученных в ней результатов:

• при определении расчетных характеристик грунтовых материалов, что позволяет более полно учитывать их свойства и изменения несущей способности в зависимости от температурно-влажностного состояния;

• при расчетном исследовании напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений и анализе данных натурных наблюдений за ними;

• при оценке состояния и эксплуатационной пригодности грунтовых сооружений различного назначения, длительно эксплуатируемых на Севере.

Достоверность полученных результатов подтверждена данными системных натурных наблюдений, проводимых в течение более 30 лет, а также удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований.

На защиту выносятся:

1. Результаты многофакторного анализа данных многолетних натурных на' блюдений, позволившие создать статистическую модель деформационного поведения каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2, учитывающую процессы нормального реологического уплотнения грунтов тела плотины, а также аномальные изменения их температурно-влажностного состояния.

2. Результаты расчетных исследований НДС и прочности каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1.2, а также их изменений во времени.

3. Выявленные на основании анализа результатов расчетных и натурных исследований основные закономерности деформационного поведения каменно-земляных сооружений при длительной эксплуатации в условиях Севера.

4. Инженерные рекомендации, направленные на обеспечение эксплуатационной пригодности, технической надежности и безопасности плотины Вилюйской ГЭС-1.2 в дальнейшей ее эксплуатации.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях ТС ОАО "ЛЕНГИДРОПРОЕКТ" (Санкт-Петербург, 1995-2002 г.), на заседаниях НТС ОАО ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева (Санкт-Петербург, 1995-2000 г.); на научных конференциях КрасГАСА (Красноярск, 2001-2003 г.); на научно, ' технической конференции НГАСУ им. В.В.Куйбышева (Новосибирск, 2003 г.). •

Внедрение результатов исследований осуществлено в процессе эксплуатации основных сооружений Вилюйской ГЭС-1,2:

• при назначении состава и программы натурных наблюдений за темпера-турно-влажностным состоянием и деформационным поведением тало-мерзлой каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1,2, эксплуатируемой в условиях Севера в течение более 30 лет;

• при интерпретации результатов натурных наблюдений за поведением плотины и оценке изменений ее эксплуатационной пригодности в процессе длительной эксплуатации на Севере;

• при назначении численных значений критериев безопасности каменно-земляных плотин;

• при выборе параметров и регламента работ по реконструкции элементов плотины.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 работ, в том числе 4 статьи в центральных технических изданиях:

ЬТолошинов А.В., Строительство Вилюйской ГЭС /А.В.Толошинов,

A.M. Цвик, М.М.Шерман // Гидротехническое строительство, 1997 г., №8.-С. 29-32

2.Толошинов А.В., Влияние режима нижнего бьефа на деформации плотины Вилюйской ГЭС-1.2 /С.И. Панов, А.В.Толошинов, A.M. Цвик //Гидротехническое строительство, 2003 ,№11 (в печати)

3.Толошинов А.В., Условия формирования температурно-влажностного режима каменно-земляной плотины ВГЭС-1,2 / А.В.Толошинов, Н.А. Мухетдинов // Известия ВУЗов, Строительство, 2003, вып.№8.-С. 53-58

4.Толошинов А.В., Особенности напряженнно-деформированного состояния и прочности каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1,2 / С.И. Панов, А.В.Толошинов // Вестник КрасГАСА, вып. №6, Красноярск, 2003.-С. 147-157

5.Толошинов А.В., Исследования влияния подтопления нижнего бьефа на деформации таломерзлой каменно-земляной плотины с экраном на Севере / С.И.Панов, А.В.Толошинов // Вестник КрасГАСА, вып. №6, Красноярск, 2003. -С. 198-209

6.Толошинов А.В., Особенности деформационного поведения каменно-земля-ных плотин с экраном при длительной эксплуатации на Севере / С.И.Панов, А.В.Толошинов // Известия ВУЗов, Строительство, 2003, вып.№11 (в печати).

Объем работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения. Общий объем диссертации 119 стр. компьютерного текста с рисунками и таблицами, а также списка литературы из 179 наименований.

4. 5 Выводы по главе

Результаты выполненных расчетных исследований НДС, прочности и устойчивость плотины Вилюйской ГЭС-1,2 и их анализ позволяют отметить следующее:

1. В настоящее время, после более чем 30 лет эксплуатации, состояние ка-менно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1,2 следует считать удовлетворительным, прочность и устойчивость не вызывают опасений, а эксплуатационная пригодность соответствует нормативным требованиям.

2. Длительное подтопление нижнего бьефа после завершения строительства и наполнения водохранилиша Вилюйской ГЭС-3, а также обусловленное этим просадочное доуплотнение оттаивающей мерзлой горной массы в нижней части упорной призмы плотины могут привести к существенным изменениям ее состояния, в частности:

• к нарушениям целостности верхового обратного фильтра и локальной устойчивости грунтов в подводной части пригрузки экрана, что, безусловно, ухудшит условия его работы при глубокой "сработке" уровней воды в водохранилище, а также его снизит защиту от волнового воздействия;

• к нарушениям локальной устойчивости низового откоса плотины в верхней его части на участке между гребнем и бермой на отметке 230 м, что может привести к образованию дополнительных трещин на гребне плотины у его низовой бровки, аналогичных зафиксированным в 1990-92 гг.;

• к увеличению горизонтальных смещений элементов плотины, в сторону нижнего бьефа и к ее центру, что чревато ухудшением работы низового обратного фильтра плотины.

3. Перечисленные последствия изменений режима нижнего бьефа не будут катастрофическими для плотины и не приведут к существенным нарушениям ее эксплуатационной пригодности, но могут существенно изменить фоновый режим показаний установленной на плотине КИА. Это позволяет рекомендовать разработку новых критериев безопасности плотины Вилюйской ГЭС-1,2 и корректировку программы натурных наблюдений за ней в период наполнения водохранилища Вилюйской ГЭС-3.

ГЛАВА 5.

ИНЖЕНЕРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1. Основные закономерности деформационного поведения плотин из каменной наброски на Севере

Приводимые далее положения базируются на обобщении и анализе результатов расчетных исследований и натурных наблюдений за строящимися и эксплуатируемыми плотинами из каменной наброски /17, 58, 59, 65, 69, 80, 91, 100, 102, 113, 122, 123, 125, 142 и др./.

Относительно небольшой опыт проектирования и строительства плотин из каменной наброски на Крайнем Севере /22, 65, 66/, а также данные натурных наблюдений за ними/23, 58, 60, 65, 77, 80, 122, 123/ позволяют выделить факторы природно-климатических воздействий и технологии возведения, которые влияют на особенности поведения сооружений в строительный и эксплуатационный периоды.

Низкие среднегодовые температуры (до - 10-16°С) и обусловленное этим вечномерзлое состояние грунтов оснований. Мощность постоянно мерзлой толщи оснований измеряется сотнями метров. Это практически исключает возможность получения талой горной массы для возведения сооружения и предрасполагает к консервации мерзлоты в значительной его части.

Длительный (до 8-11 месяцев в году) зимний период и очень низкие (до — 50.-60°С) среднесуточные температуры воздуха в наиболее холодные месяцы, что исключает возможность проведения сколько-нибудь существенной части земельно-скальных работ по отсыпке сооружения в теплое время года. В связи с мерзлым состоянием каменно-набросного материала и отрицательной температурой наружного воздуха, неэффективно и практически невозможно использование поливки насыпи напорной водой при ее уплотнении.

Большое количество зимних дней с сильными ветрами, а также (в большинстве регионов) большое количество осадков в виде снега с одной стороны способствует погребению в наброске значительных объемов снега, а с другой -существенно влияет на температурно-влажностное состояние каменно-набросного материала.

Гидрограф большинства рек на Севере имеет остропиковый характер, когда весенние паводковые расходы превышают меженные в тысячи и десятки тысяч раз. На 1-1.5 паводковых месяца приходится до 75-80% общегодового стока. Это обуславливает большую интенсивность подъема уровня воды в водохранилище при его первичном наполнении, особенно при низких отметках.

При строительстве плотин на Крайнем Севере в основном используются две технологии возведения каменно-набросных элементов — отсыпка мощными слоями, толщиной 10-15 м без специальных мер по уплотнению (в чистом виде использовалась на плотине Вилюйской ГЭС-1) и укладка тонкими (не более 2,5-3,0 м) слоями с разравниванием и последующим уплотнением грузовым автотранспортом (использовались на плотине Усть-Хантайской ГЭС). В обоих случаях в тело сооружения попадает каменная наброска, отдельности которой имеют рваную, угловатую, с не окатанными гранями, что обуславливает возможность существенного последующего доуплотнения материала насыпи.

Как было показано ранее, механические характеристики горной массы существенно зависят от ее температурно-влажностно-ледового состояния. Различие закономерностей формирования температурно-влажностного состояния плотин из каменной наброски с наклонным экраном и с центральным ядром (или диафрагмой), а также различия в схемах нагружения материала несущих элементов в этих сооружениях, приводят к необходимости раздельного рассмотрения особенностей их деформационного поведения на Севере.

Плотины с наклонным грунтовым экраном

К моменту окончания строительства каменно-набросные упорные низовой призмы таких плотин оказываются практически полностью промороженными. В теле призм образуется многолетняя мерзлота (рис. 3.3), температура которой достигает минус Ю.20°С. Замерзание дождевой влаги, приникающей в наброску, а также интенсивные процессы тепло- и массопереноса в низовом клине призмы обуславливают значительное заполнение пор наброски льдом. При пропуске меженных и паводковых расходов через обводные устройства подру-словой талик за годы строительства также промораживается на значительную глубину.

После наполнения водохранилища частично мерзлый ранее экран в течение первых 3-5 лет эксплуатации полностью оттаивает. Движение нулевой изотермы в сторону нижнего бьефа в подэкранной части упорной призмы в первые 8 лет происходит со скоростью 2-4 м в год. В этот период наблюдается довольно интенсивный рост осадок гребня и берм низовой призмы (рис. 3.4). Максимальных значений ежегодный прирост осадки гребня (до 0.2.0.3% от общей высоты плотины) достигает к 4-5-му году эксплуатации, после чего его величина постепенно убывает.

После оттаивания подэкранной части призмы скорость перемещения нулевой призмы существенно снижается и к 15-20 годам эксплуатации ее местоположение в центральной части плотины практически стабилизируется. К этому моменту сооружение приспосабливается к такому обмену энергией с окружающей средой, при котором приток тепла в плотину от водохранилища и окружающей среды в летнее время года практически компенсируется потерями ею тепла зимой.

Это отражается и на величине ежегодного прироста осадок поверхности, которые выравниваются для гребня и нижерасположенных берм и не превышают 0,5-1,0 см, что соответствует нормальным процессам реологического деформирования таломерзлого грунтового сооружения под относительно постоянной нагрузкой.

Вместе с тем, квазистационарное температурно-деформационное состояние плотины является динамически равновесным. При этом какие-либо существенные изменения среднегодовых значений уровней воды в нижнем бьефе влияют на температурно-влажностное состояние упорной призмы плотины и на размеры ее мерзлой зоны. Это, в свою очередь, отражается на характере деформационных процессов в сооружении, проявляясь в виде аномально больших приращений осадок гребня и берм плотины.

Выполненный в главе 3 многофакторный анализ данных натурных наблюдений позволил установить, что величина ежегодных приращений осадок плотины складывается из нормально затухающих во времени приращений осадок плотины и аномальных их приращений, величина которых зависит от аномальных изменений среднегодового уровня воды в нижнем бьефе, аномальных изменений годового слоя осадков и аномальных изменений среднегодовой температуры воздуха.

Так, по данным натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС-1.2, даже кратковременные изменения уровневого режима нижнего бьефа (в 1978 и 1989 гг.), связанные со строительно-технологическими процессами на гидроузле, приводили к увеличению "фоновых" значений приращений осадок гребня плотины (6 и 3 см/год) в 1.5-2 раза (рис. 3.7). Результаты выполненного в разделе 3.3 прогнозного расчета позволяют утверждать, что при длительном подтоплении этой плотины со стороны водохранилища строящейся Вилюйской ГЭС-3 величина годовых приращений осадок гребня сооружения может одноразово возрасти до 50-70 см/год.

Результаты выполненных расчетов НДС и прочности элементов плотины (см. главу 4) свидетельствуют, что даже такие большие приращения осадок не приведут к существенным нарушениям сплошности противофильтрационного устройства и устойчивости его основных несущих элементов.

Отмеченное позволяет утверждать, что конструктивные особенности возводимых на Севере каменно-земляных плотин с наклонным грунтовым экраном, характер и последовательность изменения их температурно-влажностного состояния в процессе длительной эксплуатации, а также закономерности деформирования при оттаивании способствуют возможности предотвращения существенных нарушений их эксплуатационной пригодности.

Вместе с тем, следует отметить, что в подобных сооружениях сроки стабилизации температурно-деформационных процессов, по всей видимости, сопоставимы или даже превышают расчетные сроки их эксплуатации. Это обстоятельство следует учитывать как при организации натурных наблюдений за ними, так и при назначении критериев их безопасности.

Плотины с центральным ядром

В связи с центральной конструктивно-технологической симметрией сооружения, к моменту окончания его строительства как низовая, так и верховая каменно-набросные призмы, как правило, практически полностью проморожены /80, 81, 91/. Наброска призмы имеет весьма низкие (до -Ю.-15°С) температуры и существенное заполнение пор льдом. Осадки в строительный период не превышают 2,5-3,0% от высоты насыпи.

Наполнение водохранилища вызывает интенсивное доуплотнение материала верховой призмы. При этом бермы и гребень призмы претерпевают не только вертикальные (до 8-10% и более от высоты замоченного слоя), но и значительные горизонтальные смещения в сторону верхнего бьефа, достигающие (для плотин Курейской и Колымской ГЭС) 50-60% от максимального значения вертикальных. Величина горизонтальной составляющей зависит от скорости подъема уровня воды в водохранилище, увеличиваясь по мере ее возрастания.

Оттаивание наброски в верховой призме при первичном подтоплении приводит к образованию в ее нижней части слоя структурно-неустойчивой горной массы. Структурная связность мерзлой наброски выше границы оттаивания, а также переменная мощность доуплотняющего слоя, обуславливают смещения верха призмы в сторону верхнего бьефа. Эти смещения приводят к разгрузке верховой грани ядра от значительной части статической нагрузки, передававшейся на нее со стороны верховой призмы. В связи с этим в шейся на нее со стороны верховой призмы. В связи с этим в верхней части ядра создаются условия для образования трещин.

Подобное трещинообразование имело место на плотинах Курейской и Колымской ГЭС.

В эксплуатационный период после оттаивания ядра (если оно было проморожено во время строительства) нулевая изотерма через 15-20 лет занимает квазистационарное предельно-равновесное положение в нижней трети низовой призмы. В это время приращения осадок и смещений элементов призмы имеют весьма малую величину, но очень слабо затухают. Стабилизируется лишь скорость ползучести.

Отмеченное позволяет утверждать, что для возводимых в условиях Севера каменно-земляных плотин с центральным грунтовым ядром экраном, характерны проявления термопросадочных деформаций мерзлой горной массы, оттаивающей в верховой упорной призме при первичном наполнении водохранилища. При этом могут возникать нарушения сплошности грунтового ядра. Степень опасности этих процессов для эксплуатации сооружения существенно уменьшается при снижении скорости наполнения водохранилища.

Следует отметить, что описанные деформации приурочены к строительно-эксплуатационному периоду, когда наличие на площадке строительной техники позволяет ликвидировать их последствия, без существенных осложнений для дальнейшей нормальной эксплуатации сооружения.

Выполненное сопоставление позволяет считать, что среди каменно-земляных плотин наиболее приспособлены к длительной безаварийной эксплуатации в условиях Севера плотины с массивным наклонным грунтовым экраном. При этом следует иметь в виду, что такие плотины являются объектами, требующими повышенного внимания в течение всего срока эксплуатации.

5.2. Натурные исследования деформаций грунтовых сооружений

Закономерности деформационного поведения гидросооружений из мерзлых льдосодержащих техногенных грунтов обуславливают следующие основные принципы организации и проведения натурных наблюдений за такими сооружениями.

1. Взаимосвязанность и взаимообусловленность температурно-влажностных, криогенных и деформационных процессов в грунтовых гидросооружениях приводят к необходимости комплексного подхода при проведении натурных наблюдений за ними. Параметры названных процессов должны рассматриваться как единые факторы состояния сооружения. С учетом этого измерения параметров температуры, льдосодержания, фильтрации, напряжений и деформаций элементов сооружения должны быть одномоментными и однокоординатными.

2. Процессы, происходящие в упорных призмах плотин из каменной наброски предопределяют ход деформирования сооружения. Поэтому необходимо проведение наблюдений за быстропротекающими процессами в сооружении при первичном наполнении водохранилища и при всевозможных изменениях уровневого режима нижнего бьефа.

3. При наблюдении за деформациями сооружений необходимо проведение обязательных совмещенных по координатам и времени измерений не только вертикальных, но и горизонтальных смещений элементов сооружения.

4. Количество и пространственное размещение устанавливаемых в сооружении датчиков КИА должно определяться из условия их достаточности для фиксации локальных процессов и разрешающей способности всего измерительного комплекса.

5. В отличие от сооружений, возводимых в районах с умеренным климатом, параметры температурных, фильтрационных и деформационных состояний грунтовых сооружений на Севере достигают своих стационарных значений в гораздо большие сроки, которые, по всей видимости, могут превышать расчетные сроки эксплуатации сооружений. В связи с этим, подобные сооружения должны быть отнесены к категории объектов, требующих повышенного внимания в течении всего срока эксплуатации. Это обуславливает необходимость проведения в полном объеме инструментальных наблюдений независимо от срока его эксплуатации.

6. Практическое отсутствие стационарных состояний приводит к необходимости разработки и использования при анализе результатов натурных наблюдений динамических критериев и контрольных показателей нормального хода температурных, фильтрационных и деформационных процессов, протекающих в сооружении без нарушения его эксплуатационной пригодности.

7. Многофакторный характер деформационного поведения плотин из каменной наброски на Севере обуславливает целесообразность организации непрерывных наблюдений за поведением сооружения, начиная с первых этапов его возведения. При этом натурные наблюдения за протекающими в сооружении процессами должны сопровождаться расчетным анализом на ЭВМ возникающих в нем ситуаций, проводимым с учетом всей предшествующей истории изменения температурных, фильтрационных и деформационных факторов.

8. Совместно с непосредственными наблюдениями за процессами в сооружении должны быть организованы системные наблюдения за факторами природно-климатического воздействия на сооружение, температурой и ледовым режимом бьефов, инженерно-геокриологической обстановкой и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты расчетно-теоретических, экспериментальных и натурных исследований, рассмотренных в диссертации, позволяют сделать следующие выводы.

1. Показано, что преимущества технологии строительства, экономическая эффективность и высокая надежность обуславливают предпочтительность выбора для строительства на Севере грунтовых сооружений из горной массы.

2. Установлено, что характеристики объемного и сдвигового деформирования мерзлой горной массы в теле сооружений обладают нелинейностью и зависимостью от длительности нагружения, влажности, температуры и степени льдонасыщения.

3. Показано, что при расчете НДС каменно-земляных плотин перспективно использование структурно-неоднородных расчетных моделей, в которых учет реономные и неизотермические свойства грунтов не вызывает затруднений.

4. Идентификацию таких расчетных моделей надлежит выполнять на основании результатов исследований деформируемости и прочности с длительным трехосным загруженем образцов по контролируемым траекториям.

5. Относительная кратковременность лабораторных исследований, обуславливает возможность большой погрешности прогнозных расчетов НДС, прочности и устойчивости каменно-земляных плотин. Для уменьшения этой погрешности параметры функций времени надлежит по результатам длительных натурных наблюдений за поведением реальных сооружений, эксплуатируемых на Севере.

6. Анализ данных многолетних натурных наблюдений за температурно-влажностным состоянием и деформациями элементов каменно-земляной плотины ВГЭС-1,2 позволил не только уточнить расчетные значения характеристик деформируемости материалов тела плотины, но и выявить основные закономерности ее деформационного поведения, а также факторы, определяющие характер изменений деформаций во времени.

7. Показано, что между приращениями осадок элементов плотины ВГЭС-1,2 и параметрами температурно-уровневого состояния нижнего бьефа гидроузла существует тесная корреляция. Величина приращений осадок складывается из двух компонент - нормальных, затухающих во времени, и аномальных, практически функционально зависящих от аномальных изменений уровней воды в нижнем бьефе, годового слоя осадков и среднегодовой температуры воздуха.

8. Составлена статистическая модель поведения этой плотины при длительной эксплуатации, позволившая определить предельные значения осадок и смещений элементов сооружения и оценить влияние на эти характеристики аномальных изменений температурно-уровневого режима нижнего бьефа.

9. Разработана методика количественного прогноза деформационного поведения плотины при аномальных изменениях режима нижнего бьефа природного или техногенного характера, которая позволила оценить влияние подтопления Вилюйской ГЭС-3 на состояние плотины Вилюйской ГЭС-1.2. Результатами расчетных исследований показано, что подобное подтопление не приведет к сколько-нибудь существенному снижению эксплуатационной пригодности сооружения.

10. Разработаны инженерные предложения по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации каменно-земляных плотин, а также по организации натурных наблюдений за их состоянием с целью повышения их надежности и приспособляемости к суровым природно-климатическим условиям Севера.

1.А. Проектирование каменно-набросных и каменно-земляных плотин. М.: Энергия, 1968.

2. Амусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной механики. М.: Недра, 1975.

3. Барон Л.И., Глатман Л.Б. Контактная прочность горных пород, М.: Недра, 1966.

4. Боткин А.И. Исследования напряженного состояния в сыпучих и связных материалах, //Изв. НИИГ, т. 24, 1939.

5. Боткин А.И. О прочности сыпучих и связных материалов, // Изв. НИИГ, т.26, 1940.

6. Бугров А.К., Нарбут P.M. Сипидин В.П. Исследования грунтов в условиях трехосного сжатия, Л.: Стр. изд., 1987.

7. Бугров А.К. О решении смешанной задачи теории упругости и теории пластичности грунтов, // ОФиМГ, 1974, №6.

8. Бугров А.К., Гребнев К.К. Расчет деформаций и напряжений в плотинах из местных материалов и оснований, // ГТС, 1976, №6.

9. Бугров А.К., Зархи А.А. Расчеты несущей способности грунтовых массивов,//ГТС, 1979, №11.

10. Винокуров Е.Ф. Итерационный метод решения плоских нелинейных задач механики грунтов, Минск, 1969.

11. Вуцель В.И. Проектирование и современные тенденции в строительстве каменно-земляных плотин. Тр. Гидропроекта, 1973, вып. 32.

12. Вялов С.С. Реологические свойства и несущая способность мерзлых грунтов, М.: изд. АН СССР, 1959.

13. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов, М.: ВШ, 1978.

14. Герчиков Е.А. Исследования упругих свойств горной породы в условиях ее естественного залегания, ОНТИ, 1938.

15. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин, М.: Э/А изд., 1987.

16. В списке приняты следующие сокращения названий часто встречаемых в ссылках журналов и изданий:

17. ГТС — журнал «Гидротехническое строительство»;

18. ОФиМГ журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов»;

19. Тр. ВОДГЕО — труды института ВОДГЕО;

20. Изв. ВНИИГ — Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева;

21. Стр. изд. Стройиздат; Э/А изд. - ЭнергоАтомИздат.18