автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Несущая способность бетонных гравитационных плотин на скальных основаниях с учетом раскрытия контактного шва

ст

N

^ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МАРЧУК МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

ЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ БЕТОННЫХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ПЛОТИН НА СКАЛЬНЫХ ОСНОВАНИЯХ С УЧЕТОМ РАСКРЫТИЯ КОНТАКТНОГО ШВА

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.Г.Орехов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор М.Г.Эерцапов - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Б.В.Фрадкин

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский

институт им.Б.Е.Веденеева (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится " ¿Г" 1994 г.

в£Гчас.,?0мин. на заседании диссертационного совета Д.053.11.

Московском государственном строительном университете по адресу

Москва, ул. Спартаковская, д.2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв у

автореферат, заверенный печатью, по адресу:

129337, Москва, Ярославское шоссе, дом 26, МГСУ, Ученый совет,

Автореферат разослан '

Ученый секретарь диссертационного совета Н.Н.Лршене

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Бетонные гравитационные плотины нп скальных снованиях являются наиболее распространенным типом водоподпорных ео-ружений, несмотря на значительный объем материала, затрачиваемого для к возведения. С целью повышения экономичности бетонных плотин и исхо-я из опыта эксплуатации в существующих нормах их проектирования (СНиП .06.06-85) допускается наличие ограниченной зоны растягивающих налря-ений под верховой гранью сооружения.

Опыт строительства и эксплуатации ряда отечественных и зарубежных етонных плотин показывает, что при допущении растягивающих напряжений од напорной гранью практически не удается избежать появления контакт-эй трещины. Это приводит к уменьшению рабочего сечения, увеличению ротиводавления на подошву плотины, росту фильтрационных расходов и грераспределению контактных напряжений в оставшемся сечении с возник-эвением зоны их концентрации под низовым клином. Значительные кон-актные' трещины отмечены на бетонных гравитационных плотинах Братской Усть-Илимской ГЭС, арочно-гравитационной Саяно-Шушенской, арочных ?льнбрейн й Шлегайс (Австрия), Санта-Мария (Швейцария) и других.

С другой стороны, недопущение растягивающих напряжений на напор-эй грани может стоять на пути дальнейшего повышения экономичности бе-энных плотин и препятствовать облегчению их профиля. Поэтому важным зляется вопрос правильной оценки характера статической работы бетонах плотин с учетом возможного раскрытия контактного шва и влияния его * несущую способность сооружения.

Целью диссертационной_работы является исследование несущей сложности бетонных гравитационных плотин на скальных основаниях на ос-зве анализа предельных состояний с учетом возможного раскрытия кон-1ктного шва при эксплуатационных нагрузках.

Для осуществления этой цели поставлены следующие задачи: > на основе анализа фактических предельных состояний предложить рас-■тные схемы бетонной плотины, отвечающие реальным условиям ее работы; учитывая сложность рассматриваемой задачи, разработать приближенный >актический метод оценки несущей способности бетонных плотин с учетом 1зможного раскрытия контактного шва;

провести анализ характера статической работы бетонной плотины с уче->м раскрытия контактного шва при наиболее полном учете факторов, оп-■деляющих реальные условия работы сооружения.

Научная новизна работы заключается в следующем: '

- показано, что существующие нормативные требования учитывают раскрьН тие контактного шва лишь косвенно, назначением предельной глубины зонь растягивающих напряжений; зона растяжения неоднозначно определяет длину раскрытия трещины и поэтому не может служить критерием прочности;

- получены для схематизированного профиля плотины общие зависимости, позволяющие оценить несущую способность бетонных гравитационных плоти;

- получены достоверные результаты при численном моделировании статической работы бетонной плотины Братской ГЭС в статико-фильтрационно{ постановке при учете всего комплекса внешних факторов.

Практическая ценность. Разработанная методика оценки несущей способности может применяться на предварительных стациях проектировали? бетонных гравитационных плотин; для удобства ее инженерного применена приведены формулы, графики и номограммы. На защиту выносятся:

- расчетные схемы бетонной плотины с раскрытым контактным швом;

- методика оценки несущей способности бетонных гравитационных плоти! на скальных основаниях с учетом характера распределения напряжений го контактному шву и его возможного раскрытия;

- результаты расчетов секции Братской плотины с раскрытым контактны! швом.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационно работы докладывались на научной конференции молодых специалистов (Тби лиси, 1987г.); международном Конгрессе по механике скальных пород (Ка нада,Монреаль, 1987г.); международном симпозиуме СИГЕ по численным ме тодам оценки безопасности плотин (Дания, Копенгаген, 19В9 г.), Всесо юзном научно-техническом совещании "Опыт проектирования и контроль на дежности эксплуатации бетонных гидротехнических сооружений" (Киргизе кая ССР, Кара-Куль, 1989г.); Всесоюзном научно-техническом совещани "Расчетные предельные состояния бетонных и железобетонных конструкци энергетических сооружений" ПРЕДС0-90 (Эстонская ССР, Усть-Нарва 1990г.). По результатам диссертации опубликовано 8 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четь рех глав, основных выводов и списка литературы, . имеет 203 ст, лш-цы, включая 72 рисунка, 15 таблиц, 12 страниц списка литературы; из 11 наименований. •

- Б -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснована актуальность темы, сформулиро-аны цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практичес-вя значимость полученных результатов.

В первой главе диссертации изложены современные тенденции в пло-иностроеиии, анализ аварий сооружений и результаты исследований бе-онных плотин о раскрытым контактным швом.

Весь опыт мирового плотиностроения доказывает невозможность дос-ижения абсолютной монолитности бетонной плотины и ее сопряжения со кальным основанием. Раскрытие контактного шва относится к такому типу арушения монолитности, которая влияет на характер статической работы ооружения, что выдвигает повышенные требования к обеспечению надеж-ости проектируемых сооружений на основе анализа реальных условий ра-оты в их предельных состояниях.

Выявление предельных состояний сооружений на ранних стадиях стало озможным благодаря комплексным натурным наблюдениям и исследованиям, ■вой вклад в развитие натурных исследований внесли С.Я.Эйдельман, :.Н.Дурчева, А.Н.Марчук, Э.К.Александровская, З.И.Соловьева.А.П.Епифа-ов, А.И.Царев, И.И.Чалый, Н.Ф.Блинов, В.И.Сильницкий и другие.

Исследования контакта бетон-скала впервые были начаты С.Я.Эйдель-:аном на бетонной плотине Братской ГЭС. Раскрытие контактного шва было бнаружено в 1964 г. тензометрами при наполнении водохранилища до ровня 84-90% проектного напора. Наличие трещины подтвердилось высоким ротиводавлением с низовой стороны цемзавесы. Максимальная длина кон-актной трещины составляет в настоящее время 17 м и имеет тенденцию к величению во времени под влиянием сезонных изменений гидростатической агрузки и температуры.

Сцепление бетона со скалой Усть-Илимской плотины было нарушено в-. 8 секциях в строительный период, причем в значительной степени длина аскрытия зависела от строительной готовности секции. Было отмечено аличие трещины под всем первым столбом в штрабленых станционных сектах, подвергшихся промораживанию через открытые водоводы. При этом асть, приборов вышла из строя из-за разрыва струны при раскрытии ,2-0,6 мм. Трещинообразование в контакте сопровождалось скачкообраз-нм увеличением противодавления.

Растягивающие деформации на контакте были зафиксированы на Крас-оярской плотине летом 1969 г. на втором этапе наполнения водохранили-

ща. Величина их стабилизировалась затем на уровне (10-1£>10 . По дан ним НИС Гидропроекта, деформации растяжения порядка 0,05 wj отмечалис: под напорной гранью Курпсайской плотины.

На строящейся плотине Еогучанской ГЭС нарушение сцепления бетон со скалой отмечалось при длительных перерывах в бетонировании поел укладки выравнивающих прискальних блоков. Максимальные аначениа раек рытия составили от 0,6 мм до 2,9 мм. В даяьиейшем при действии гидрос татической нагрузки в секциях, где отмечено нарушение сцепления бетон со скалой, можно ожидать отклонение от расчетной схемы сооружения.

Явление раскрытия контакта бетон-скала характерно и для други типов бетонных плотин на скальных основаниях. Контактные трещины был отмечены на контрфорсных Кировской и Зейской плотинах, арочно-гравита ционной Саяно-Шушенской, арочных плотинах Мансур Эддахби (Марокко) Кельнбрейн и Шлегайс (Австрия), Санта Мария (Швейцария), Лаузас (Фран ция) и др.

Начало теоретических исследований этого явления быдо положен Ф.Тельке. Приближенные методы определения контактных напряжений был предложены А.П.Синицыным, И.И.Гудушаури, А.А.Храпковым, И.А.Константа новым, В.Н.Ломбардо и др. Качественно новый подход к решению контакт ной задачи был впервые реализован A.A.Храпковым на основе механик хрупкого разрушения. Большой вклад в теоретические исследования данно проблемы с позиции механики разрушения внес В.Г.Орехов..

В начале 70-х годов в связи с появлением и быстрым развитием вы числительной техники и численных методов появляется ряд универсальны программ для решения задач теории упругости во ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева НИСе Гидропроекта, МИСИ им. В.В.Куйбышева, ВНИИ ВОДГЕО. В развити численных методов решения контактной задачи внесли вклад Р.Гудган Р.Тейлор, Т.Брекке, А.А.Храпков, А.В.Вовкушевский, Б.А.Шойхет Б.В.Фрадкин, С.Б.Ухов, М.Г.Эерцалов, В.А.Иванов, В.В.Толстиков С.А.Юфин, В.И.Титков, H.A.Анискин, Ю.В.Кириллов, К.И.Даюба, Ю.Н.Ефи мов, Л.Б.Сапожников,. А.П.Троицкий и другие.

Выполненный обзор показывает, что в настоящее время существуе возможность аналитического исследования реальных условий работы соору жений в их предельных состояниях и оценки надежности сооружения с уче том нарушения сплошности контактного шва.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию несущей способ ности бетонной гравитационной плотины при линейном характере распреде ления контактных напряжений.

Для обоснования расчетной схемы, которая учитывает трещинообразо-вание и увеличение противодавления по длине раскрытого контакта проанализированы данные натурных исследований М.Б.Гинзбурга, Л.П.Коржецко-го, Л.И.Малышева, А.Н.Марчука, С.Я.Эйдельмана, В.Н.Дурчевой, И.Б.Соколова, В.А.Логуновой, А.Каэагранды, Дж. Оливера, В.Стелле и других. В соответствии с этим для анализа несущей способности плотины треугольного профиля с одной линией дренажа основания предлагаются три расчетных схемы с соответствующим учетом фильтрационного давления: схема 1 - упругая работа контактного шва без нарушения сцепления бетона со скалой при расчетной эпюре противодавления (СНиП 2.06.06-85); схема 11 - учет контактной трещины без увеличения фильтрационного противодавления Спри наличии гидроизоляции контакта верховой грани плотины с основанием);

схема 111 - учет контактной трещины и полного фильтрационного противодавления по длине раскрытого контакта до дренажа основания (при отсутствии гидроизоляции или при выходе ее из строя).

Предельное состояние сооружения представляется в виде возможного сдвига по монолитному, ненарушенному участку контакта или потере прочности материала . тела плотины или основания в зоне ее низового клина. Излагаются основные положения метода расчета прочности и устойчивости сооружений, разработанного на основе теории квазихрупкого разруиения.

Условие распространения трещины по горизонтальному контактному шву, полученное на основе решения для полосы с краевой трещиной записывается в виде:

где

Aj-- параметр разрушения;

- коэффициент интенсивности нормальных напряжений; критическая величина коэффициента интенсивности напряжений по контактному шву для трещины нормального отрыва; . равномерная составляющая нормальных напряжений;

лб" - треугольная составляющая нормальных напряжений;

Ji,42~ Функции, учитывающие влияние граничных условий;

с - длина трещины;

L - длина расчетного сечения; относительная длина трещины.

Краевые нормальные напряжения в общем случае для трех расчетны> схем запишутся в виде:

; (2)

б> ] V О)

где h -высота плотины (напор); Ш-уклон низовой грани; ^-удельный вес воды; -объемный вес бетона; А,,-относительная длина полного фильтращ онного давления на подошву сооружения; \3 -относительное расстояние оч напорной грани до линии дренажа в основании плотины. Сжимающие налряж* ния в (2) и (3) приняты со знаком "минус". Остальные компоненты напряжений находятся по формулам:

УЧ.» "-»«V vi^^v^

Для определения длины контактной трещины для каждого значения m и А} строился график зависимости параметра разрушения от относительно! длины трещины Ki'j-(XT)- Длина равновесной трещины определялась из услг вия (1), т.е. ее развитие прекращалось при достижении параметром pai рушения его критического значения. Вычисления проводились по специалы составленной программе.

Расчеты показали, что при К1С =0 относительная длина контактно! трещины не зависит от высоты плотины. При прочности контактного шв< А'Ш =5,0 МПа-см^и при нулевой его прочности разница в относительно! длине трещины для стометровой плотины в среднем не превышает 10%, причем эта разница уменьшается с ростом высоты сооружения. По згой причине дальнейшие исследования проводились для случая нулевой прочност! контактного шва (в запас).

Вопрос о соотношении глубины зоны растяжения и длины контактно: трещины является очень важным с точки ' зрения назначения критерие! прочности проектируемых сооружений. Расчеты показали, что для схемы I это соотношение составляет в среднем 1,6-2,6, а для схемы III - в сре; нем 1,6-4,8.

В диссертации графически показана область "критических" парамет ров стометровой плотины треугольного профиля, удовлетворяющих для схем! 1 нормативным критериям прочности при расчете по СНиП 2.06,06-85 н сокращенный состав нагрузок (при сдвиговой прочности контакта f=0,7;

С"0,2 МПа). В случае нарушения гидроизоляции контакта и развития тре-цины вглубь сооружения с проникновением в нее воды (схема III), указанные сооружена не будут удовлетворять нормативным условиям прочности на сдвиг.

По аналогии с описанным выше, приведена область "критических" значений параметров плотины по условию прочности бетона класса В7,5 в зоне низового клина.

Приведены формулы и графики, позволяющие оценить несущую способность бетонной гравитационной плотины при наличии контактной трещины.

Третья глава посвящена исследованию несущей способности бетонной плотины с применением теории планирования эксперимента при нелинейном законе распределения контактных напряжений (при учете фактора податливости основания).

Рассматривалась плотина треугольного профиля высотой 100 м при варьирований следующих факторов: уклона низовой грани Xf= fH ; модуля деформации основания Хх*£0 и относительного расстояния от напорной грани до дренажа основания •

Величины,факторов и уровни их варьирования в натуральных и кодированных величинах приведены в табл.1.

Таблица 1.

Уровни Кодированное значение Значения величин факторов

х^т Х^ЕсМПл

Верхний +1 0,8 25000 0,30

Основной 0 0,7 15000 0,15

Нижний -1 0,6 ' 5000 0

В проведенных исследованиях реализован D-оптимальный трех-факторный план Бокса В3 для квадратичной модели вида:

Для решения указанной задачи были проведены численные расчеты с использованием программы МКЭ "CRACK" в плоской постановке.* Для моделирования контактного шва в программе иопользуется контакт-элемент, предложенный Р.Гудмэном, Р.Тейлором, Т.Брекке. Напряженное состояние

* Программа разработана на кафедре гидротехнических сооружений МГСУ.

элемента характеризуется двумя компонентами: нормальными и касательными напряжениями. Упругие характеристики вдоль элемента и нормально к нему определяются двумя постоянными ks и , представляющими собой единичные жесткости элемента по этим направлениям. Для описания характера контактного взаимодействия применяется модель упруго-пластического тела с условием прочности Кулона-Мора. При решении нелинейной задачи в программе используется итерационная процедура на основе метода начальных напряжений и начальных деформаций.

Область основания под плотиной моделировалась размерами 200x540м. Сетка конечных элементов состояла из 250 узлов и 2G9 конечных элементов. Сгущение сетки призводилось в области контакта плотины с основанием, который моделировался 40 специальными контактными элементами Гудмэна, разбитыми на две равные части "минус"-секцию и "плюс"-секцию. Таким образом, точность дискретизации контакта составляла 1:80 (или 0,0125 относительной длины подошвы сооружения).

Принимались следующие показатели свойств материала плотины: модуль деформации Ея=20000 МПа, коэффициент Пуассона v)=0,2, объемный вес бетона »2,4 т/м?

На плотину воспроизводилось действие следующих нагрузок: собственного веса, гидростатики и фильтрационного противодавления по СНиП 2.05.06-85 с одной линией дренажа.

Расчеты проводились для трех вышеуказанных расчетных схем. В ка-честье функций отклика были выбраны:

^-относительная глубина зоны растягивающих напряжений по. контакту (схема I) или относительная длина контактной трещины (схемы 11,III); , уг,у}-максимальные главные сжимающие напряжения соответственно в плотине и основании в зоне низового клина плотины (схемы 1-1II); > y4,yr,yt -коэффициенты устойчивости сооружения на сдвиг по контакту соответственно при £<=0,75, С,"0,2 МПа,. £=0,85, £=0,3 МПа, Jy0,95, Cj=0,4 МПа (схемы I-III).

Для расчетной схемы I (монолитный контакт) значения откликов брались из упругого решения при действующих нормативных нагрузках. Решение для расчетной схемы II получалось в результате итерационной процедуры, для схемы III - методом последовательных приближений с изменени-' ем эпюры противодавления по длине раскрытого контакта.

Для выбранных функций отклика были получены значения коэффициентов уравнения регрессии (5) (табл.2).

Адекватность функций отклика проверялась по критерию Фишера. .Для

функции ■ отклика У; ' Значение функции отклика в центре плана 4 4' 4 1 1 4 4. 4" 4 4

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

У, 0,069 0,061 -0,056 0,016 0,024 0,013 -0,003® О.ООЗ8 0,005 -0,007 0,001й 0;001е

Уг 5,670 5,646 -1,330 -2,003 ^¿032* 0,339 0|754 -©¿001® 0,241 0,001я -0,016а 0,001®

у» ,4,800 4,804 -1,465 -0,646 0.02СР 0,206 0,186 -0,024* 0,133 0 0 0

V у, 1,355 1;356 0,194 0 -0,079 0 0 0 0 -0,011 0 0

Н О Уг 1,640 1,640 0,234 0 -0,089 0 0 0 0 «-0,013 0 0

У* 1,923 1,923 0,275 .0 -0,100 0 0 0 - 0 -0,014 0 0

У, 0,163 0,157-0; 163 0.-053 0,063 0,-074 -0,020 0,005® 0 -0,043 0 0,012

с у, 6;010 5,946 -2,-аб1 «1,691 0,4» 0,909 0.729 0,074® 0,248 -0,530 0,025* 0,-065*

Л у» 5,070 5.076 -2,224 -0,489 0,405 0,744 0,159 0,008й-0,015*-0,378 0,060» -0,055*

X и У» 1,311 1,313 0,235 -04013 -0,099 -0,014 0,005 -0,002й 0 -0,001* -0.002® -0,005

X о у. 1,571 1,575 0,296 -0,020 -0,120 -0,022 0,007 -0,003х 0 0,003* -0.003* -0,008

* 1,832 1,837 0,357 -0,027 -0,141 -0.0НЭ 0.0Ш -0,004 1* -0,001* .0,007 -0,0044 -0,010

У, 0,238 0,241 -0,230 0*060 0Д69 0,072 -0*022 0,009® 04021 -0,092 0.0С9® 0,031 0,103*

3 у» 6,340 5,849 -3,644 -1,846 1,875 1,651 1,141 0,646 0,285* -2,123 0,085*

сб у, 5,340 5,030 -3,231 -0,338 1,457 1*305 0,450 0,425 -0,155* -1,528 0,243* -0,195?

я С0 у. 1,227 1,-223 0;253 -0,028 -0,169 0,003* 0,0С9 0 -0,021 0,-020 -0,020 -0,026

а Уг 1,468 1,464 0,320 -0,037 -0,207 -0|001* 0,012 -0,001я -0,026 0,030 -0,025 -0,033

у, 1,710 1,705 0,387 -0,047 -0,246 -0,00? 0,015 -0,002* -0,031 0,041 -0,030 -0,041

коэффициенты нееначинн

удобства применения в инженерной практике полученные зависимости были представлены в виде графиков и номограмм.

Отношение длины контактной трещины к зоне растягивающих напряжений в проведенных экспериментах для схемы II составило в среднем 1,25-3,33, для схемы 111 - 1,74-5,1?. \

Полученные зависимости могут быть использованы для плотины любой высоты и при произвольных сдвиговых характеристиках по контакту, т.к. относительная длина аоны растяжения и относительная длина трещины при Rf =0 не зависят от высоты и сдвиговой прочности контакта, а максимальные главные сжимающие напряжения линейно зависят от высоты сооружения. . '

В диссертации приведено графическое изображение "критических" параметров плотины для h =100 м, £=0,75, Q, =0,2 МПа, которые удовлетворяют нормативным условиям прочности (схема I) и не удовлетворяют им при изменении схемы статической работы сооружения (схема III).

При некоторых значениях сдвиговых характеристик раскрытие контактного шва в период эксплуатации может привести к потере устойчивости и полному разрушению сооружения, запроектированного с учетом требований СНиП 2.06.06-85. Так, для плотины высотой h =100 м, Щ =0,67, Е0=5000 МПа при Л?=0,3 (схема I) по контакту возникает зона растяже-•ния относительной глубины А^О.СЭ, что удовлетворяет нормативным требованиям прочности, При сдвиговых характеристиках по контакту £ =0,65 и С =0,37 МПа обеспечивается нормативный, коэффициент, устойчивости Ку =1 >323. Для схемы III относительная длинз трещины составит А^О,446 и произойдет разрушение плотины в форме сдвига по оставшемуся "контактному сечению Яу =0,998. При этом следует отметить, что максимальные главные сжимающие напряжения в зоне низового клина плотины для схемы III увеличиваются в 1,5 раза.

Для некоторых сооружений с высокими сдвиговыми характеристиками по контакту соблюдение условия прочности по . допустимой глубине зоны растяжения может привести к необоснованным запасам несущей способности и препятствовать облегчению бетонных гравитационных плотин.

Для обоснования точности прогноза напряженно-деформированного состояния сооружений с использованием полученных зависимостей приведены данные натурных и расчетных исследований.

Четвертая глава посвящена исследованию напряженно-деформированного состояния секции Братской плотины с учетом раскрытия контактного шва с использованием методики совместных стлтико-фильтрационных расче-

тов МКЭ в плоской постановке.

Суть этой методики заключается в совместном решении уравнений стационарной фильтрации жидкости и статического равновесия системы. В статических расчетах монолитные зоны плотины и скального основания моделируются сплошными квадратичными конечными элементами, швы и трещины - контактными элементами. В расчетах фильтрации структурно-однородные зоны расчетной области описываются треугольными элементами с заданными интегральными коэффициентами фильтрации, швы и трещины - стержневыми конечными элементами. Решение задачи нелинейной фильтрации в дренажных скважинах осуществляется с помощью специальной процедуры, аналогичной методу переменных жесткостей. Использование в рамках одной сетки МКЭ конечных элементов двух разных математических моделей механических и фильтрационных свойств материалов позволяет составить оптимальную расчетную схему исследуемой области. Итерационная процедура состоит из последовательности чередующихся расчетов НДС и фильтрационного режима системы "плотина-основание". Итерационный процесс полностью автоматизирован в рамках программы "CS"* и продолжается до полной сходимости расчета с заданной точностью.

При расчете напряженно-деформированного состояния станционной секции 36 Братской плотины рассматривались две расчетных схемы: мгновенное возведение сооружения и возведение в три этапа. На I этапе 1,11,III,IV столбы возведены до отметок 70,0; 60,0; 46,4; 28,0 м при УВБ на отметке 65,0 м. На II этапе I, II, III столбы возведены до отметок 92,0; 64,0; 56,0 м. УВБ достигает отметки 75,0 м. Ill этап соответствует возведению плотины полным профилем при УВБ, равном НПУ. Температурные напряжения для первой расчетной схемы подсчитывались от разницы.- температурного поля эксплуатационного периода и температуры замонодичивания (+5"С), для схемы поэтапного возведения - от разницы температур последующего и предыдущего этапов. При этом распределение температуры по сечению плотины в строительный и эксплуатационный периоды принималось по натурным данным.

Сетка конечных элеметов состояла из 470 узлов и 451 элемента. Межстолбчатые швы воспроизводились 40 контактными элементами; сопряжение плотины с основанием моделировалось 23 фильтрующими контактными элементами. Прочностные и жесткостные характеристики межотолОчатш

* Программа разработана на каф?дро гидротехнических сооружений МР.'У.

швов и контакта "бетон-скала" принимались по результатам штачповых огштов.

Материал тела плотины принимался водонепроницаемым с модулем де-формщии 2БОШ МПа и величиной объемного веса 2,5 т/м? Расширенные швы и водовод в теле плотины учитывались приведенными величинами модуля деформации и объемного веса материала.

Размеры основания принимались равными по длине 610 м (вдоль потока) и по глубине 310 м. Вес основания в расчетах не учитывался. Деформационные и фильтрационные характеристики пород основания были приняты по материалам полевых изысканий..

В расчетах воспроизводились следующие противофильтрационные устройства в основании станционной секции: сопрягающая цементационная завеса шириной 8 м и глубиной 10 м,: две линии вертикальных дренажных скважин диаметром 110 мм с шагом 3 м на расстоянии от напорной грани соответственно 21,3 м и 46,3 м и глубиной 29 м и три опытных дренажных скважины глубиной 10 м, пробуренных в 1975 году из цементационной галереи в сторону нижнего бьефа на расстоянии 11 м от напорной грани по контактному шву. ■

Для каждого из расчетных случаев (мгновенное возведение и возведение в три этапа)'рассматривались варианты с открытым и закрытым 'опытным' дренажом в условиях нормальной эксплуатации. Данные результатов расчетных и натурных исследований приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Показатели

Мгновенное Поэтапное возведение возведение Натура

Прогиб гребня, мм

65,2 68,2 43,2

Разность осадок I и VI столбов на I этапе (у 27,0 м), мм

5,2 11,0

5,0 8,0

Осадка I столба на I этапе (у 27,0 м), мм Вертикальные напряжения на напорной грани (у 40,0 м), МПа

0,43 1,43 1,2-1,3

Максимальные главные напряжения на низовой

грани (7 40,0 м), МПа

0,09 0,8 0,8-1,2

Раскрытие контактного ш^а, м:

- опытный дренаж закрыт

- опытный дренаж открыт Расход в дренажной системе, л/с

13,8 -23,6 >17,С 8,0 17,9 17,С

6,9 16,7 до 13,С

Разница в прогибах гребня плотины может быть объяснена запаздыванием начала отсчетов для наиболее высоких точек первого столба и реализацией значительной части прогибов в натуре по мере возведения плотины и наполнения водохранилища до снятия нулевых отсчетов. На начальном этапе возведения сооружения отмечался наклон секции в сторону верхнего бьефа, что было получено в расчетах на первом этапе. Характер наклона секций подтверждался и измерениями осадок первых и шестых столбов. По данным натурных наблюдений для секций 28-51 положительная разность осадок I й VI столбов в среднем составила 5 мм. Наклон секции в сторону верхнего бьефа сменился затем, по мере возведения сооружения до отметок II этапа и роста УВБ, наклоном в сторону нижнего бьефа.

В расчетных исследованиях были получены также и близкие к натурным данным величины напряжений на напорной и низовой гранях плотины (при зимнем охлаждении). Характерной особенностью статической работы сооружения в зимнее время является раскрытие межстолбчатых и горизонтальных швов и трещин на низовой грани. Расчетная величина раскрытия этих швов составляла от 0,5 до 2 мм. По данным натурных исследований такое раскрытие имели 737. контролируемых швов.

Основное внимание в проведенных исследованиях уделялось напряж'ен-яо-дефориврованному и фильтрационному состоянию зоны контакта плотины со скальным основанием.

Для случая мгновенного возведения сооружения раскрытие контактного ива наблюдается на длине всего первого столба с восстановлением эпюры полного фильтрационного напора верхнего бьефа до первой линии дренажа основания (при закрытых опытных скважинах). При открытии опытных скважин под первым столбом происходит значительное понижение эпюры напоров и уменьшение длины раскрытия контакта до 8 м.

Учет поэтапности возведения в расчетах значительно ухудшает напряженно- деформированное состояние контактной области. Раскрытие контактного шва при НПУ в зимнее время распространяется по всей длине первого столба и захватывает значительную часть второго столба. Кроме того, с верховой стороны столбов III-VI наблюдаются участки нарушения монолитности контакта. По подошве плотины отмечается практически полная эпюра напора до I линии дренажа основания. Существенное (до 287.) восстановление напора происходит за 1I линией дренажа, что подтверждается и данными натурных наблюдении. Открытие опытных дренажных скважин значительно уменьшает противодавление и раскрытие контактной трещины под 1 столбом.

Результаты расчетов сравнивались с данными натурного эксперимента по влиянию опытного дренажа на противодавление и раскрытие контакта, проведенного в секции 36 Братской плотины в 1963-84 гг. Наиболее близкое совпадение было получено при учете в расчетах поэтапности, что отвечает реальным условиям работы сооружения.

Учет поэтапности возведения сооружения и наличие дополнительного дренажа под I столбом оказывает влияние и на запас несущей способности бетонной плотины. .

Коэффициент устойчивости на сдвиг по контакту при эксплуатационных нагрузках с учетом его реальных прочностных характеристик для случая мгновенного возведения и.отсутствия дополнительного дренирования под I столбом составляет 2,60. При открытых дренажных скважинах коэффициент устойчивости увеличивается до 2,84 за счет снятия части фильтрационного противодавления и увеличения площади сцепления по контакту. Эти же величины при учете поэтапности возведения сооружения составляют соответственно 2,21 и 2,49. . . •'

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ -

1. Существующие строительные нормы и правила не отражают реальных условий работы,бетонных гравитационных' плотин. Возможное нарушение прочности контакта учитывается в них лишь косвенно в критериях проч-.ности назначением соответствующих предельных глубин зоны . действующих растягивающих напряжений. Но глубина зоны растяжения неоднозначно определяет длину раскрытия контактной трещины и поэтому не может служить критерием прочности.' . . . *

2. Проведенными исследованиями показано, что при линейном законе распределения напряжений по контакту длина раскрытия трещины под действием эксплуатационных нагрузок может превышать глубину зоны растяжения в 1,6-2,6 раза, а с учетом повышения противодавления по длине раскрытого контакта - в 1,6-4,8 раза. При учете фактора податлиЕости основания длина раскрытия контактной трещины может превышать глубину вони растяжения по контакту в 1,25-3,33 раза, ас учетом повышения противодавления - в 1,74-5,17 раза.

3. Исследования, выполненные на основе разработанной методики оценки прочности и устойчивости бетонных, гравитационных плотин (для произвольных ее высоты ^профиля, модуля деформации скального основания, положения дренажа и сдвиговых характеристик контакта бетон-скала)

с учетом раскрытия контактной трещины позволили установить, что соблюдение существующих нормативных требований по допустимой глубине зоны растяжения может привести к необоснованным запасам несущей способности сооружений и препятствовать дальнейшему облегчению бетонных гравитационных плотин. В то же время, в некоторых случаях, при раскрытии контактного ива и изменении схемы статической работы сооружения, выполнение нормативных требований может привести к недостаточной несущей способности бетонной гравитационной плотины вплоть до полного ее разрушения.

4. Для удобства инженерного применения разработанной ■ методики приведены формулы, графики и номограммы, позволяющие простейшими арифметическими действиями решать сложные инженерные задачи по определению несущей способности бетонных гравитационных плотин с учетом возможного раскрытия контакта. Данные прогноза длины контактной трещины с верховой стороны плотины и напряжений в зон? ее низового клина, полученные с использованием разработанной методики, показали удовлетворительное совпадение с данными натурных исследований и специальных расчетов МКЭ, проведенных на кафедре гидротехнических сооружений МГСУ.

5. Проведенные совместные статико-фильтрационные расчеты станционной секции Братской плотины с учетом упругопластической работы мате; риала,' температурных воздействий и др. показали удовлетворительное

совпадение с данными натурных наблюдений по длине раскрытия контактного ива и эпюре фильтрационных напоров в контактной зоне, по напряжениям и перемещениям сооружения, по раскрытию межстолбчатых швов и фильтрационным расходам в основании. Наиболее близкое совпадение расчетных и натурных данных было получено при учете в расчетах поэтапности возведения плотины, что отвечает реальным условиям работы сооружения. .

6. Точное прогнозирование длины раскрытия контактного шва и влияние его на несущую способность конкретного сооружения возможно только при учете всего сложного комплекса внешних факторов: поэтапности его возведения и нагружения, наличия швов и трещин в плотине и основании, фильтрации по трещина!,к контактному шву и в цельных блоках скальной . породы, улругопластической работы материала и. температурных воздействий. ■

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Марчук А.Н., Храпков А.А., Цукерман Я.Н., Марчук М.А. Особенности статической работы бетонных напорных сооружений ГЭС с приплотин-ной компоновкой. Гидротехническое строительство, 1985, N12, с.12-16.

2. Marchuk A.N., Khrapkov A.A., Zukerman Ja.N., Marchuk М.A.. Contact effects at the interface between rock foundations "and concrete dams with power plants at their toes. International Congress on Rock Mechanics. Proc., Vol.1, Montreal, Canada, 1987, p.433-435.

3. Марчук A.H., Марчук М.А. О состоянии контакта бетона со скалой под напорными гранями плотин. Гидротехническое строительство, 1989, N6, с.26-31.

4. Marchuk A.N., Marchuk М.А. State of concrete-rock contact under upstream face of dam. International Symposium on analytical evaluation of dam related safety problems. Presented papers, Vol.1, Copenhagen, 1989, p.128-140. ' 1

5. Орехов В.Г., Марчук М.А. Исследование несущей способности массивной бетонной плотины с учетом раскрытия контактного шва. Энергетическое строительство, 1990, N4, с.4-6.

6: Марчук М.А. Исследование статической работы бетонной гравита-. ционной плотины с учетом раскрытия контактного шва. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике: Расчетные предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений. ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1991г., с.38-43.

7. Орехов В.Г., Бабаян А.Г., Марчук М.А. Совместные статико-филь-трационные расчеты бетонной плотины Братской ГЭС. Гидротехническое строительство, 1991 г., N11, с.8-13.

.8. Marchuk A.N., Orehov V.G., Babayan A.G., Marchuk M.A. Coupled static and filtration calculations at Bratsk dam. Water Power and Dam Construction, July, 1993, p.30-32.

Подписано в печать II.10.94 Формат 60x84V16 Печать офсетная

_И-18Г Объем1 I уч.-изд.л. Т.100_Заказ Бесплатно

Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26