автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Оценка надежности скальных оснований бетонных плотин

МОСКОВСКИЙ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КАЛ УСТЯ Н Эдуард Семснопич

УДК 62-4 : 15 : 626/627

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ СКААЬНЫХ ОСНОВАНИЙ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

05.23.07 — Гидротехническое и мелиоративное строительство

Апто реферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Л10СКВЛ 1992

Работа выполнена' в Государственном научно-исследовательском и ироектно-изискательском институте «Гидронроект».

О ф I! ц и а л I. н ы с оппонент ы: доктор технических наук,

профессор В. П. НЕДРИГЛ

доктор технических наук А. Н. МАРЧУК

диктор технических наук М. Г. ЗЕРЦАЛОВ

Ведущая о р г а п н з а ц и я: Грузинский научно-нсследо-ш тельскни институт водною хозяйства и инженерной экологии.

Защита, диссертации состоится « ¿О » ¿Ы^Ьё-А^ 1992 г. и час на заседании специализированного совета

Д. 120.16.01 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук при Московском ордена Трудовою Красного Знамени гидромелиоративном институте по адресу: 127550, .Москва, .4-550, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке инстн-I ута.

Автореферат разослан «¿^ » -¿¿¿у^тГ«. 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

профессор Р. И. БЕРГЕН

( I

,""! ОЕЦАЯ ХА.РАКТЕШСТИКА РАБОТЫ

ктуальность проблемы. По данным Международной комиссии по большим плотинам ежегодно во реем мире вводится в эксплуатации до 1500 плотин всех типов, из которых от 300 до 400 Еыше 15 м, а общее число плотин к 2000 году может достичь 80 тысяч, против 30 тысяч.в 1970 году. До 30 еысоки." плотин ежегодно претерпевают повреждения с человеческими жертвами и значительными материальными убыткам!, а 2-4 плотины разрушаются. Значимость разрушений плотин может быть приравнена к некоторым стихийным бедствиям с трудно оцениваемыми социальными последствиями, а повреждения приводят к значительному материальному ущербу. Так, убытки, вызванные разрушением паводком II небольших плотин в 1986 году в США, составили 320 млн.дол., а стоимость дополнительных затрат на гравитационной плотине Клайд высотой 102 метра в Австралии и арочной плотины Кёльнбрайн высотой 200 метров в Австрии оценивается многими десятками млн.дол. Возрастает стоимость ремонтных мероприятий по ликвидации повреждений на плотинах всех типов в нашей стране, составившая в системе Минэнерго СССР в 1989 году 20,7 млн.руб.

0 актуальности работы свидетельствует создание и более чем 20-летняя работа подкомиссии по авария/л Международной комиссии по большим плотинам.

Оценка надёжности системы "внешня среда-сооружете-осиоваипе" и а конечном счёте управление ею возможны при учёте условий взаимодействия слагающих её подсистем. Одним из путей выявления условий функционирования подсистем представляется использование результатов изучения аварий с учётом вероятностного характера действующих внешних нагрузок и оопротивляемости подсистемы "плотина-основание".

Большая часть аварий бетонных плотин на скальных основаниях связана с подсистемой "основание", полому изучение свойств скальных оснований и влияния размеров дефектов на значимость аварии и форму отказов является актуальным.

Цель работы состоит в разработке методики изучения аварий скальных оснований бетонных плотин, выделении слабого звена в подсистеме "основание" и оценке вклада различных факторов в надёжность этого зЕена; в количественной оценке значимости факторов, определяющих сопротивляемость скальных оснований; получении необходимых данных: для расчётов надёжности скальных оснований. Рассмотрение результатов полевых геомеханических испытаний с учетом выявленных наиболее значимых факторов для еыдэчи рекомендащи

по наиболее эффективным способам изучения фильтрационных и деформ-ционных сяойств скальных оснований бетонных плотин.

Внедрение в практику проектирования результатов выполненной работы для решения практических задач строительства и эксплуатации бетонных плотин на скальных основаниях.

Работы по теме диссертации выполнялись с 1971 по 1991 год в соответствии с пианом научно-исследовательских и производственных работ института Гидропроект ( инвентарные Г-132235; T-I32791; 10462 ПК архива Вццюпроекта); планом научно-исследова-те;ьских jaöoT ГКНТ СССР (проблема 0.55.08; тема 07.Н 1.2.5, номера государственной регистрации 01825033986; .018770078641; теме 06. Н 2, номер государственной регистрации 01870078642; тема 06.Н 1.2, номер государственной регистрации 01870074005; инвентарные номера II515; II2L3 архива Гидропроекта), основные результаты которых использованы в диссертации.

Методы исследований основаны на анализе аварий, путём выделения из их совокупности соответствующих по уров ню предельным состояния!', принятым при расчётах основания. Рассмот рено влияние времени эксплуатации на условия наступления аварий скальных оснований бетонных плотин. Разработан и внедрен метод полевых испытаний скального основания при совместном действии фильтрационного и статического давления воды, а также методика оценки состояния скального оонования по данным геомеханических испытаний и натурных наблюдений на начальном этапе заполнении водохранилища.

Защищаемые положения:

- научно обоснованная методика анализа аварий скальных оснований .бетонных плотин, позволяющая выделить и количественно оценить наиболее значимые свойства, влияющие на надёжность основания;

- выявленное влияние внешних воздействий и сопротивляемости на распределение отказов по периодам функционирования объекта; расчёты надёжности скального основания с использованием полученных данных;

- рекомендации по испытаниям скальных оснований в зависимости от их строения и восприниыемых нагрузок от сооружения;

- способы изучения и повышения надёжности скальнчх оснований при действии фильтрационной и статической нагрузок.

Научная новизна. На основе большого числа данных о фактических авариях, рассмотренных по разработанной методике , получены характеристики, отражающие многофактороность внешних воз-

действий и сеойств скальных оснований при наступления их предель-шх состояний. Выделены наиболее важные свойства скальных основа-шй, получены статистические критерии надёжности для различных уровней отказа и свойств скалы х оснований, используемые в рас-1ётах в качестве нормативных значений. Внедрен способ исследова-шй скального основания при совместном действии ста".леской и фильтрационной нагрузок, методика контроля безопасности основания га основе сопоставления данных изысканий и натурных наблюдений т начальном этапе эксплуатации сооружения; дана количественная оценка показателя деформационной неоднородности различных типов :кальных пород.

Научное значение заключается в разработке: «етодики анализа аварий скальных оснований бетонных плотин, выделении и оценке значимости наиболее важных факторов при отказах; юлучении данных, необходимых для расчётов надёжности скального >снованил в целом и отдельных его факторов; способа исследования :еойств скального основания при совместном действии статической 5 фильтрационной нагрузки; методики оценки надёжности скального »снования на щчальном этапе заполнения водохранилища. Все при-зедешше в диссертации дагаше получены автором лично.

Достоверность научшх полокений и рекомендаций )боснована следующими дашшмл: собрана к классифицирована инфор-яация о причинах аварий 204 бетонных плотин на скальных основаниях; >бобщены дашше 160 полевых геомеханических испытаний, внполнен-шх на отечественшх и зарубежных объектах под руководством,и [ри участии автора, а также - результаты натурных наблюдений за юнованием Ингурской арочной плотины на начальном этапе запалне-шя водохранилища. Достоверность дашшх испытаний п выводов пст->ерждается результатами наблюдений на исследованных объектах.

Практическая ценность работы. Матери-1лы работы, основные выводы и рекомендации могут бить полезны: ! практике изысканий - при выборе необходимых видов геомеханич??-:их исследований и количественной оценке показателей свойств ¡калыгого основания бетонной плотшш; при проектировании - для всчётов надёжности подсистемы "нлотина-основание? при устройств протявофальтрациошшх мероприятий; л качество аналогов воз-южных предельных состояний оснований сооружений; в аксплуатадш • для выбора способов ликвидации аварий; е преподавательской [рактике - для иллюстрации методов обоспочешт'нэдекносгн глотни,

о

и

выполнения расчётов надёжности.

Внедрение полученных автором результатов оценки размываемости заполнителя трещин в основании Ингурской арочной плотины позволило отказаться от устройства двух шахт глубиной по 60 м и подход-но£ штольни длиной I8S м; в случаях Худонской, Ташкумырской плотин, бетонных сооружений Аль Багдада - поеысить достоверность расчётов сооружений за счёт использования в проектах показателей проницаемости в условиях сжатия и растяжения.

Новизна конструкций и способов, разработанных при выполнении работы, потвервдена авторскими свидетельствами: В 368371 на устройство для наблюдения при проведении суффозионных исследований; Ji 1254088 на способ создания дренажной завесы в скальном основании; JЬ I3I2I29 на устройство для определения давления воды, действующего на границе разнопроницаемых тел.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и публиковались.в трудах Международных совещаний: по безопасности плотин ( 1984 год, Коимбра, Португалия); по полевым измерениям в геомеханике ( 1983 год, Цюрих, Швейцария); по механике скальных пород в гидротехнике ( 1988 год, Мадрид, Испания ); Всесоюзных совещаний: по надёжности гидромелиоративных сооружений ( 1977 год, Ивано-Франковск ); по работе бетонных плотин совместно со скальным, основанием ( 1978 год, Нарва ); надёжности скальных оснований ( 1981 год, Ингури ГЭС ); безопасной эксплуатации гидросооружений ( 1982 год, ВДНХ СССР ); по механике горных пород (1985 год, Тбилиси ); Конференциях и совещаниях института Гидропроект: У, У1, IX, X Конференциях изыскателей Гидропроекта; У научно-техническом совещании Гидропроекта; Советах: изыскательского сектора Гидропроекта ( 1983; 1987; 1989 годы ); по надёжности - в ГрузНЖГиМе ( 1985 год ); гидротехнической лаборатории ВОДГЕО ( IS85 год ); отдела натурных наблюдений НИСа Гидропроекта ( 1986 год ); заседаниях кафедры гидротехнических сооружений и научно-технических конференциях МГШ ( 1984, 1985, IS86, 1937, 1989 годы ).

Данные по оценке размываемости сеязного заполнителя трещин, анализу аварий, результатам натурных наблюдений нашли отражение е учебниках к монографиях ( Гидротехнические сооружения. Под редакцией проф. Н.П.Розанова//Стройиздат. 1978; А.К. Марчука. Статическая работа бетонных плотян.//Экергоатокиздат. M. 1983; ?.Г.Газ::5вэ, В.'Л.Речлцкого. Вероятностная оценка надёжности скаль-

ных массиЕов.//Стройиздат. 198,5;'Н.С.Розанова, А.К.ЦарёЕа, Л.П. Михайлова, И.Б.Соколова. Аварии и повреждения больших плотин. Под редакцией A.A.Борового.//^Энергоатомиздат. М. 1986; Г.И.Чог^- • вадзе, И.К.Мгебришвили, И.Е.Ломов -. Ингурская гидрозлектростанция. //Энергоатомиздат. М. 1987;;Плотиностроение, том 2, Лондон,1991).

П у б.,л'и к а ц и и. Ло теме диссертации автором огг, Зликоезпо •30-печатных работ,, из которых 6 в соавторстве и а изобретения.

Структура работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, двух частей, включающих семь глав, выводов и заключения, списка литературы и приложений.

Общий объем диссертации составляет 385 стр., в т.ч. 222 стр. основного текста, 65 таблиц, 43 рисунка, списка использованной литературы из 336 источников и 5 приложений на 33 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой части диссертации, состоящей из четырех глав представлены: информация по внешним воздействиям и причинам аварий, а такие соответствующим им свойствам скальных оснований бетонных плотин, методика анализа аварий и расчёта надёжности. Сформулированы требования к геомеханическим испытаниям с ni зиций надёжности. '-'*'-• .

Глава первая. Некоторые вопросы анализа аварий

Причины аварий гидротехнических соо^кений^ассмотрелы в работах А.А.Гельфера, Ы.М.Гришина, Е.А.ЗашринЗ^Л.Мюллера, Н.С.Розановы, Н.П.Розанова, И.Б.Соколова, Н.Берне, Н.Келена, ПЛовда, К.Терцаги, РЛэммонда, Р.Янсена и других.

Изучению причин аварий предшествовала работа по выбору терминологии для характеристики отказов, поскольку различные авторы используют одинаковые термины для описания различных явлений. Термин "авария" ( синоним в теории надёжности "отказ" ) используется в работе как общее определение, под которшл может пониматься как разрушение, так и повреждение основания, в результате чего имели место материальные убытки и (или ) человеческие жертвы. .

Разрушение - превышение прочности основания, в результате чего происходит потеря его монолитности, сооружение не может выполнять свои функции.

Повреждение - превышение контролируемых показателей, в результате чего образуются трещины, смещения, сосредоточенная фильтрация, противодавление, приводящие к нарушению условий нормальной

эксплуатации.

Состояния, именуемые "разрушение" и "повреждения" связаны с, группами пределышк состояний, расчеты по которым регламентируются СНиПами.

Не вое трещины и другие дефекты бывают опасными. Для оценки реальной надёжности сооружения целесообразно проанализировать ; вторичную систему с выявленными дефектами.

Врекя фиксирования аварии - период с момента воспринятия сооружением внешней нагрузки до аварии - рассматривается независимо от уровней аварии после формирования одинаковых по воздействиям и сопротивляемости скальных оснований групп сооружений.

Под надёжностью понимается способность объекта . выполнять свои функции без превышения прочности или контролируемых параметр ров в течении расчётного срока службы.

Контролируемыми являются такие" показатели, превышение которых не допускается по условиям нормальной эксплуатации сооружения.

Для анализа причин и значимости отдельных факторов, оценки надёжности скальных оснований, из всей совокупности аварий сооружений выделены такие, которые вызваны сходными внешними воздействиями и сопротивляемостью. Такими сооружениями, ь частности, являются бетонные плотины на скальных основаниях, общее число которых в работе составляет 4489. Анализ информации по этим сооружениям позволил выделить 204 объекта, из которых II разрушились, а 193 были поЕреждеш. Для сопоставления укажем, что по данным Международной комиссии по большим плотинам из общего числа 1105 аварий к бетонным плотинам ьа всех типах оснований отно-» сится 276 сооружений.

Проведенный а диссертации анализ показал, что существующие методы учёта нагрузок и сопротивляемости основаны на результатах изучения причин аварий отдельных сооружений и их оснований, а обеспечение надёжности подсистемы "плотина-основание" происходит на основе углубления знаний о саповом взаимодействии фильтрационного потока, плотины и основания.

Глава вторая. Разрушения и повреждения сооружений, связанные со скальными основаниями

Разрушение плотины связано с превышением внешними.силами сопротивляемости подсистемы "цлотина-сснование'.' В этой связи наряду с оценкой числа аварий важно установить - какие физические про- . цессы были характерны для ьтих аварий и какие свойства скальных

оснований при этом оказались недостаточными?

В трех из одиннадцати случаев разрушения происходили з условиях чрезвычайных паводков. Информации о разрушениях бетонных плотин на скальном основании от других чрезвычайных воздействий не учтенных при расчётах не имеется.

Восемь из одиннадцати разрушений плотин произошли при заполнении водохранилищ. К их числу.относится авария плотины Байлес, построенной на чередующихся пластах сланцев и песчаников. Разрушении сооружения в результате усиления фильтрации и сдвига предшествовало её повреждение, при котором левобережное примыкание в зоне сланцев сместилось на 45,7 - 78,8 см.

Разрушение плотины Сен Френсис, возведенной на разнородном основании, представленном в левобережном примыкании и средней части сланцами с прочностью 25-77 Ша, а в правобережном - конгломератами с прослойками гипса с прочностью в сухом состоянии 4,2-13,2 Ша, связывается с потерей прочности водонасыщенных пород правобережного примыкания за счёт выщелачивания гипсовых включений. Кроме того, согласно последним данным, правобережное Ьри-мыкание плотины выше разлома представлено древним оползнем..

Арочная плотина Мальпассо на реке Кейран ео Франции была возведена на гнейсах с прочностью на сжатие по данным лабораторных испытаний образцов 35,6-97,0 Ша. Модуль деформации пород по данным испытаний штампами составил 0,4-1,8 Ша. Пласты породы с падением в нижний бьеф плотины под углами 35-60° на глубине 15-30 м в основании левобережного примыкания подсекались нарушением, ориентированным по направлению потока и заполненным глинистым материалом. Низкая проницаемость пород основания исключала проведение цементации. Наибольшие напряжения сжатия в основании составляли 7 Ша, а растяжения в основании со стороны верховой грани плотины -1,5 Ша { Дополнительной силой, послужившей причиной раз пушения плотины при первом наполнении водохранилища и неучтенной в расчётах, было фильтрационное давление воды, полной передаче которого л основании левобережного примыкания плотины спосооствова-ло трещиноооразоваила в гнейсах со стороны верхнего бьефа, и снижение проницаемости пород в обжатом состоянии. Разрушение скального основания-«^--действием нагрузки от плотины и противодавления было вызвано перемещением левобережного примыкания по прослою, слабого материала, распространенного под всем примыканием и имевшим выход в нижний бьеф плст.чш... Деформации основания, составляющие 17 мм за два месяца до аварии, достигли 1,2м.

в момент разрушения плотины.

Повреждения скальных оснований отмечено на 193 объектах. Выделено четыре группы причин аварий.

Недопустимая проницаемость. Случаи аварий в этой группе разделены1 на связанные счре з мерной фильтрацией и.повышенным противодавлением.

Аварии из-за чрезмерной фильтрации в свою очередь подразделяются на две подгруппы. К первой -' относятся аварии.; со значительными утечками в бортах водохранилища.или в овновании плотины, свойственные преимущественно закарстованныг породам. Критерий допустимых потерь на фильтрацию, предложении- ;.1.Люжоном, характеризует упловия цементации пород, но не их фильтрационную прочность. Ко второй подгруппе относятся случаи сосредоточенных фильтрационных утечек с размывом материала, непосредственно влияющие на надёжность сооружения. Во всех случаях размыва материала оснований, как, например, на плотинах Идбар, Агилар, выполнялись срочные сработки водохранилища и проведение ремонтных мероприятий. В диссертации рассмотрены причины фильтрации в основаниях плотин Брюк, Еиротт, Эгузон, Контрерас, Эль Кахон, Канельес, Пунг дал Галл и . ряде других. Проведение цементации как правило требовало значительных затрат времени, материалов и средств, и не всегда оказывались успешными.

Повышенное п р о т и во давление. За аварийные случаи принято превышение фактически замеренного поотиво-давления вода в скальном основании относительно проектного. Необходимость регулирования противодавления возникла при заполнении водохранилища плотины Боулдер. После разрушения арочной плотины Ыальпассе регулирование противодавления с помощью,дренажа. ■ становится обязательным мероприятием. В случав слаботрещиноватого основания с трещинами шириной менее 0,25 мм дренаж является"^'-.; наиболее эффективным. средство..! снижения противодавления. Однако для:осадочных пород отмечено снижение эффективности дренажа в. течении 15-20 лет эксплуатации из-за отложения в скважинах карбоната кальция.. , ,

■ Глубина цемзавесы и дренажа основания арочно-гравитационной плотины Боулдер высотой 225 м е США, возведенной на'слаботрещино-вяткх ан;;ээитах,с прочностью на сжатие1 56 Ша, первоначально составляла 45 и 30 !Л. При наполнении водохранилища противодавление

значительно превысило расчётные значения, звязи с чем цементационная завеса была углублена до 160 м, а дренаж - до 70 -« 120м, после чего протнводавление на подолгу плотины снизилось до расчётных значений.

Противодавление со стороны низовой грани основания арочной плотины Изола, сложенного горизонтально залегающими слоями слабопроницаемых сланцешх гнейсов с глинистыми прослойками, превысило проектное и составило 30% напора. Избыточное противодавление ликвидировали нагнетанием искуственной смолы, устройством дренажа в основании и со стороны низовой грани плотины.

Рассмотрены мероприятия по' борьбе с поваленными противодавления!,ш в основаниях плотин Бхакра, Непеан, Сентр Ул'.г.с, Хитогура.

Неоднородность деформационных свойств. В этой группе рассмотрены аварии связанные с различной деформируемостью пород основания, основания и плотины, а также ряд других, связанных со статической работой основания, в т.ч. при сейсмических воздействиях. Опыт гидротехнического строительства показывает, что однородназ основание с модулем деформации 0,2-4,5 ГПа не является противопоказанием для строительства-бетонной плотины при соответствующем учёте его прочности и реакции плотины на различные деформации основания. Как правило проялекяе деформационной неоднородности сопровождается усилением фильтрации, что затрудняет проведение ремонтных мероприятий. Так, при заполнении водохранилища арочной плотины Идбар, возведенной на неоднородном основании с модулем деформации 0,1-20 ГПа, фильтрация привела к размыву заполнителя трещин в основании, в результате чего левобережным устой сместился в сторону примыкания на 1.1,9 см, а в теле плотины образовались трещины. Дяя выполнения ремонта пришлось осуществить срочное опорожнение водохранилища. Рассмотрели случаи влияния деформационной неоднородности на плотинах Розлан, /лротт, Бор, Пьяве ди Кадоре и рада других. Другую группу составляют аварии бетонных плотин, связанные с образованием трещин в их основаниях со стороны напорной грани. Раскрытие существующих и образование новых трещин с усилением фильтрации и протлродавлепия объясняется созданием в процессе эксплуатации растягивающих напряжений в основании. В случаи с арочной плоти-Кёльнбрайн, возведенной на прочны/ гнейсах с модулем деформация 17-35 ГП*, тре!чичообра:"1нпние возможно было связано с ошибкой при оценке соотношения ьодулей деформации оспоппния и плотиин.

что по расчётам привело к увеличению растягивающих напряжений в основании до 3 МПа. Необходимость ликвидации последствий трещи-нообразования задержало достижение нормального подпорного уровня водохранилища, потребовало значительных затрат. Эффективным методом борьбы с последствиями трещинообразования является устройство бетонных понуров и гибких экранов со стороны верховой грани плотин.

Расчетами методом конечных элементов (А.А.Храпков, Ю.Б.Мгалобе-лое ) установлено влияние напряженного состояния на размеры зоны трещинообра зования.

Недостаточная прочность на сдвиг в основании и примыканиях. Разрушения плотин Еайлес, Тигра, Аустин Еследствии сдвига были вызваны наличием в их основаниях субгоризонтальных напластований ослабленных пород с глинистыми прослоями. За последнее время случаи разрушений из-за сдвига сооружения в связи с учётом возможных силовых воздействий, наличия критериев недопущения разрушения из-за сдвига, на наблюдались. Однако повреждения имеют место. Так, в случае гравитационной плотины Мгкиненца, построенной на горизонтально залегающих известняках с прослоями мергеля и лигнита, при заполнении водохранилища в правобережном примыкании образовалась заметная трещина, фильтрационный расход в течении 3 дней возрос до 14 Водохранилища было срочно сработано, проведены определения сдвиговых, деформационных и фильтрационных характеристик мергеля и лигнита, результаты которых учтены при выполнении ремонтных работ по устройству дренажа и дополнительной цементации основания. Рассматриваются повреждения плотин Одеахере, Мидоубенк, Шуанпе и других.

Современными исследованиями (С.А.Фрид, Ю.А.Фишман) показано, что процесс сдвига в различных породах происходит с образованием зоны трещинообразования со стороны верховой и смятия - низовой граней сооружения.

При строительстве современных водохранилищ особое значение приобретает оценка устойчивости примыканий и берегов, что требует исследований основания в пределах всего водохранилища. Анализ случаев аварий на водохранилищах Вайонт, Потезеи и других показал, что для стабилизации скальных массивов в верхнем бьефе особую роль приобретает регулирование скорости наполнения и сработки водохранилища.

Недопустимая р а з к и в а е и ость пород нижнего бьефа поверхностным потоком. д.варии такого типа характерны при пропуске чрезвычайных паводков 'на сооружении и при отсут-

степи крепления пород нашего бьефа. Ремонт сооружения и этих случаях, как правило, включает устройство бетонного крепления скальных массивов в нижнем бьефе и увеличение пропускной способности водосбросных устройств. Рассматриваются причины аварий плотин Блек Каньон, Мшсфилд, Калдервуд, Вако и ряда других. Глава третья. Классификация аварий, методика оценки надёжности

Накопление сведений по надёжности гидротехнических сооружений д'<мжно происходить по двум взаимно дополняющим направлениям. Развитие первого - связано с классификацией причин аварий значительного числа гидротехнических сооружений, определение наиболее значимых свойств скальных оснований, статистической надёжности их. Второе - основано на изучении физических процессов конкретной аварии, развитии методов расчёта я способов исследований скальных оснований бетонных плотин.

Развитию первого направления посвящены работы А.Гелт4ера, Э. Грюнера, М.И.Гогоберидзе, Ф.Д.Дмитриева, М.Роха, К.Лягиихп Серафима и других. Характерным для рассмотренных одпофакторных классификаций является представление п качестве причины аварии Наиболее значимого фактора, вне зависимости от того, какую группу (внешние воздействия или свойства сооружения) он представляет. При таком подходе исключается возможность использования полученных данных в расчётах надёжности сооружений, значительная роль отводится факторам не учитываемым в расчётах ( ошибки проектирования, изысканий и т.д.). При разработке методики многофакторной классификации аварий учитывалась необходимость получения данных, характеризующих действующие нагрузки и сопротивляемость скальных оснований, которые могли быть использованы в расчётах надёжности сооружения. Такой подход предполагает самостоятельное рассмотрение возлейстлий и сопротивляемости им сооружена« в каждой аварии. Для оценки надежности используется модель

женил данным воздрЛстрлл;» ; Н - надёжность .

Отказы таких систем могут быть випд&ны либо превышением сие-

Н

(1)

шшши воздействиями их значений учтенных в проекте, либо недостаточной сопротивляемостью сооружения.

Поскольку наибольшее число отказов вызвано недостаточной сопротивляемостью сооружения, следующим шагом является изучение "слабого" звена в системе сооружение. Как показывает анализ аварий разрушение скального основания всегда приводит к разрушению сооружения, поэтому модель взаимодействия в системе сооружение для оценки её надёжности будет иметь вид

"Е—- н • (2)

- сопротивляемость

П

где

П

О

- сопротивляемость плотины; основания.

Каждая из рассмотренных нами при оценке надёжности подсистем "плотина" к "основание" включает рад факторов. Состав, значимость и характер взаимодействия факторов в' подсистеме "основание" основан на фактических случаях аварий. Для модели независимого действия каждой из выделанных ранее причин аварий, перехода к характеризующим эти причины свойствам скальных оснований бетонных плотин, надёжность основания будет

Н^ нпрндннпсир . (3)

Представленные в (3) факторы характеризуют надёжность связанную со свойствами скальных оснований: проницаемостью ШПр), деформируемостью (Н^ц), прочностью на сдвиг (Н„„), устойчивостью размыву пород поверхностным потоком (Нр). В качестве нормативных значений надёжности различных факторов в (3) могут быть использованы полученные нами данные статистики отказов. Уровень годовой интенсивности разрушения с учётом фактической наработки до- разрушения по этим данным составляет 6,5хЮ-4 и близок к значениям подсчитанным другими авторами. По аналогии с детерминированными расчётами надёжность каждого фактора в (3) может определяться независимо от других. Сопоставление нормативных значений надёжности с данными, расчиташшш по параметрам, характеризующим свойства скальных оснований, позволяет установить значимость рассматриваемого фактора для конкретного скального основания.

Развитию Еторого направления - расчётам надёжности гидротехнических сооружений на основе изучения физических свойств с вероятностных позиций посвящены работы Э.Г.Г'азиева, К.Крайцера, И. Н.Иващенко, В.М.Лнтлера, Ц.Е.Мирцхуиава, Л.Н.Рассказова, Ж.Берне,

Э.Ванмарка и других.

Чисденное значение надёжности, связанное с реализацией какого-либо свойства под действием стохастической внешней нагрузки и сопротивляемости в (3) определяется областью наложения функции нагрузки (ВС) и данного свойства (С), т.е.

с=со вс=с

Н = Р(С^ВС)= у //(ВС) / (С) ^ (ВС)а'(С) . (4) с=о вс=о

Аналитические выражения для установления подынтегральной функции в (4) в настоящее время имеются для ограниченного числа моделей взаимодействия. В случае нормального распределения нагрузок и сопротивляемости основания (4) реализуется известной зависимостью

Н = Ф(Х) = Ф [( _ тас)/{^ГГбТ ] , (5) где Ф(Х) - нормированная функция распределения Лапласа; тс }/пас-средние значения сопротивляемости и нагрузки; с^ ; - стандарты данных величин; Н - надёжность любого из факторов по (3).

Расчёт надёжности по (5) предполагает наличие данных либо по нормативной надёжности и сводится в етом случае к определению требуемой сопротивляемости скального основания по одному из выделенных значимых факторов, либо данных о нагрузка:: и сопротивляемости, по которым рассчитываются фактические ¡значения надёжности. На рисунке I (кривая) нанесены значения параметра "X" соответствующего различной надёжности для случая нормального рао-

Рис.1. График значений 11 -¿{1)

С учётом данных статистики отказов на кривой Н =У (X) выде- . лат условия надёжней работы скального основания по разрушению (X 3,10) и яо повреждению (Х>-1,74), ниже которых надёжность по разрушению или повреждению не обеспечивается.

При планировании комплексных исследований скального основания полученные данные можно использовать для определения областей соотношения нагрузки и сопротивляемости, при которых требуется либо более точное определение показателей свойств породы путём проведения полевых геомехакических испытаний, либо достаточно определение юс приближенными методами. ■ .• ,'

Предложенный подход используем для расчёта надёжности скаль-: ного основания арочной плотины Ыальпассе при реализации прочности на скатие, растяжение и сдбиг гнейсов пачки М III 2, залегающей на участке разрушения левобережного примыкания. Наибольшие сжимающие напряжения:/*^ =7,0 Ша. Наимейыпая прочность гнейсов пачки М Iii 2:*%. =36,5 МПа,в"с=16,5 Ша. Надёжность по прочности ш сжатие по (5) - К=0,96> 0,956. Растягивающие напряжения со стороны верховой грани =1,5 Ша. Среднее значение прочности гнейсов на расхяжекие по даннш испытаний образцов:^. =1,4 МПа, =0,7 МПа. Надежность, основания по прочности на растяжение по (5) -Н=0,44<. 0,956. Сдвигающие нагрузки для принятых размеров сооружения до создания дополнительной силы противодавления ,47■ Сопротивляемость сдвигу по данным испытаний образцов: тс =1,32 и

=0,30. Надёжность основания по прочности на.сдвиг по (5) -Н =0,9916 >-0,5838. Нормативные значения взяты из диссертации. Можно црздположить следуащую иодель.разрушения. Наименьшая на-• дёжность на растяжение свидетельствует о первоначальном более вероятном образования верховых трещин, следствием которых,.вероятно, явидась фильтрация на правом берегу за месяц до аварии и противодавление. Эта нагрузка привела к увеличению сдвигающего усилил, которое в левобережном примыкании превысило прочность нарушения на сдвиг. Смещения основания по нарушению привели к общему повороту арочной плотины и. необратимости процесса разрушения.

В случае с плотиной Сен Френсис по данным о нагрузках и прочности иыеем:/^{=1,3 =1,5-3,8 Ша. Надёжность по прочности на сжатие - 11= 0,6564-i. 0,9965, хотя коэффициент безопасности для тех ае пород составляет: (1,5*3,8)/1,3=1,15 + 2,32. В работе приведены расчёты надёжности скального основания.'

Худонокой арочной плотины, плотины Куробе 1У и Дез о использованием данных геомеханических испытаний.

При ограниченном числе экспериментальных данных расчётное значение надёжности устанавливается о учётом требуемого уровня вероятности

Нр = Н - <ул<уа(р) . (61

где ау Ф(р) - функция обратная функции Лапласа, для различных значений р имеет затабулировашые значения.

Глава четвертая. Анализ значимости различных Факторов и определение статистической надёжности скальных оснований

В таблице I представлены данные по внешним воздействиям и причинам аварий, выделенных в соответствии с предложенной мато- ■ дикой на рассмотренных 204 объектах.

Таблица I

' Распределение аЕарий в системе "внешняя среда-сооружзние - основание" '

Причины аварий подсистемы "основание"

Количество аварий от внешних воздействий

заполнение во- :павод- :г :: '

:дохранилища ;ки . :оеЯСМ ¡ДР-«™; ЕСе1°

«- | < . | [ . , | | -- * -1*111*1----

Недопустимая проницаемость 100, ■ 6 2 2 110

Деформационная

неоднородность 38 ?. 2 2 44

Недостаточная прочность на сдвиг в основании и примыканиях 19 3 1 3 26

РазшЕаемость пород

в нижнем бьефе___5__18___-___1 24

Вое-го . 162___29___5______8___204.

Приведенные данные показывают, что 79,4^ аварий связано с действием систематического для гидротехнических сооружения «актора - гидростатического давления еоды при заполнении водохраияджп. На долю других внешних воздействий приходится 20,6% аварий, из которых 69/5 связаны с пропуском чрезрхчайных наподков.

Тот (¡акт , что наибольшее число аварий произошло в процессе наполнения водохранилища свидетельствует о большей значимости изучения свойств системы "сооружение-основание", з т.ч. скаль-

ных оснований при расчётных нагрузках.

По данным статистики отказов риск разрушения и повреждения

бетонной плотины на скальном основании составляет соответствен-р о

но 0,24x10 и 4,3x10 . Уровень годовой интенсивности отказов с учётом фактическом наработки до отказа составляет: по разрушению - 6,5x10-4, по повреждению - 2,1x10""?

В диссертации рассмотрены аварии, связанные с чрезвычайными внешними воздействиями.

Сопротивляемость скальных оснований внешним воздействиям. Аварии этого типа вызваны недостаточной способностью скальных оснований воспринимать внешние нагрузки. Решающее значение для обеспечения надёжности основания будутацего сооружения имеет чёткое представление о возможном влиянии сеойств и напряженно-дефорш-роЕанного состояния скального основания на поведение и надёжность сооружения. Для обеспечения равной с плотиной надёжности основания целесообразно ориентироваться на проведение сопоставимых с бетоном плотины комплексных исследований скального основания.

Значение величин чрезмерных фильтрационных расходов в скальных основаниях некоторых плотин при авариях отличаются более чем на три порядка, от 10 л/с ( плотины Бор и Розлан ) до 47,2 м3/с ( плотина Хале Бар ). Следует отметить зависимость между типами пород и величиной фильтрационных расходов. Так, фильтрационные потери более 10 м /с характерны для закарстованшх пород, причём в случаях с плотинами Хэле Бар и Монтехак ремонтные мероприятия оказались экономически нецелесообразными. В случаях размыва материала зон ослаблений и заполнителя трещин создаются условия, непосредственно влияющие на надёжность сооружения. В подобных случаях (плотины Агилар, Внллагарсия, Ниррот) принимались срочные меры по ликвидации фильтрации. Поэтому изучение размыва-емости слабых прослоев в скальном массиве является одним из актуальных вопросов обеспечения надёжности скальных основании бетонных плотин, во вторуи части диссертации приведены результаты исследований автора по оценке размываемости связного заполнителя треииц в массиве и способ использования его водоупорных свойств.

В существуюцпх способах определения проницаемости пород главно« рияманио уделяется режиму фильтрации, в качестве усилия используется давление воды в трещинах, а влияние действующей в мас-см:.'о нагрузки от сооружения на изменение его проницаемости не учкт;:гастся. Дня оценки пронздеемости в условиях совместного дей-

,Г6

ствия нагрузки сжатия-растяжения при фильтрации автором разработан и апробирован способ полевых испытаний, результаты применения которого в основаниях Ташкумырской и Худонской бетонных г о-тин , ГЭС Аль Багдада представлены во второй части работы.

. Прртиводавление является важнейшей нагрузкой на сооружение. Слсшость его определения вызвана одновременным проявлением давлены! воды при фильтрации по трещинам, механической прочности скалы при различных нагрузках на основание сооружения. Изучение силового воздействия фильтрации на границе разнопроницаемых тел для случая, когда менее проницаемое тело подстилается более проницаемым выполнено ка специальной устанс-се (А.с.1 1312129 ). Результаты рассмотрены во второй части работы.

Деформируемость основания является другим значимым фактором, влияющим на надёжность сооружения и определяется прочностью, строением основания, трещиноватоотыо пород. Деформируемость основания реализуется в осадках, перемещениях, наклонах основания, которые зависят от действия нагрузок и способности скальных оснований воспринимать их. Деформационная неоднородность скального основания определена в работе по результатам статических нагру-жегош скальных массивов методом бетонного штампа, полученных на стадии, изысканий. Для оценки деформируемости различных участков основания во время строительства и определения её сооиетстви.: расчётной требуется проведе!ше наблюдений за деформациями основания в процессе бетонирования плотины. Методика такой оценки применена автором на строительстве Ингурскои арочной плотины, результаты исследовании приведены во второй части диосертамии.

В отличии от фильтрации, деформации скальных оснований бетонных плотин скорее зависят от вида предельного состояния, чем от типа породы.

В процессе наполнения водохранилищ, образованных высокими бетонными плотинами, на глубине 4-10 м в их основаниях зафиксировано раскрытие существующих или образование новых трещин шириной от 5 до 30 юл. По расчётам растягивающие напряжения в области, примыкающей к бетону, могут достигать I МПа и более.

По данннм А.И.Савича и М.М.Ильина условия Еодонасыщения и оттока эанапоренной еоды из трещин а скальном основании могут привести к росту трещин.

Приведенные во второй части диссертации данные свидетельствуют о решающем влиянии напряженно-деформированного состояния на

фильтрацию и противодавление.

При проведении изысканий в основаниях таких плотин необходимо предусматривать изучение прочности и проницаемости скального основания при растяжении, а в проектах - конструктивные мероприятия по предотвращению нежелательных последствий трещинообразо-вания.

Надёжность подсистемы "плотина-основание" в значительной степени определяется детальностью инженерно^геологического изучения скального основания. Влияние геологических факторов при авариях гидротехнических сооружений рассматривались Л.Д.Белым, А.Л.Варрой, В.Д.Ломтадзе, А.Г.Лыкошиным, Л.А.Молоковым, И.А.Парабучевым, г.1.11.Семёновым, К.Терцаги, Р.Р.Тпзделем и др. Анализ в диссертации влияния типа пород и строения массива на участке сооружения, их неоднородности и анизотропии на характер, форму и кинематику аварий с позиции геомеханики показал, что фильтрационные проблемы хроактерны для осадочных, закарстованных карбонатных пород (43 % от количества отказов вследствиичрезмерной фильтрации), зон нарушений и заполнителя трещин при размыве (Ю % 0т количества отказов вследствии чрезмерной фильтрации). Повышенное проти- « Еодавление на основа"ие плотины и фильтрация характерны для всех типов пород, в особенности, слабодефоршруемых, в зонах растягивающих напряжений (34 % 0т количества отказов вследствии деформационной неоднородности). Смещения в основаниях, сопровождаемые интенсивной фильтрацией характерны для пород с напластованиями, развитыми преимущественно в направлении сдвигающей нагрузки (51 % от количества отказов вследствии сдвига).

Данные по риску отказов во время эксплуатации приведены на рисунке 2.

Из этих данных следует, что разрушения имеют место в течении первых трех-четырех лет эксплуатации, повреждения предшествуют разрушениям, а отказы от фильтрации имеют независимое распределение от первых двух. По данным К.Камбеллеса, приведенным на ХУП Конгрессе по большим плотинам, старение сооружения может наблюдаться уже после 40-50 лет эксплуатации сооружения.

Рассмотренные в первой части диссертации данные могут быть использовав при проектировании для выбора наиболее значимых свойств различных типов скальных оснований при анализе возможных отказов, в качестве банка данных предельных состояний, а полученные данные статистики - в качестве нормативных значений надёжности.

го, лег

Рис 2. Риск аварии в процессе эксплуатации; |"шсА разрушения; риск повреждения из-за нарушения пючтости; З^рискповреждения из-за фильтрации; 4-рнск отказов вследствии естественного старешш Вместо с тем, факт недоучёта сопротивляемости стальных оснований при проектировании сооружения в большинстве аварий вызван недооценкой значения в комплексе изысканий геомеханических испытаний по определению показателей свойств. Физические процессы взаимодействия в системе "внешняя срела-плотина-основашзе" для большинства аварий характеризуется наложением напряженного состояния при совместном действии фильтрационного и статического давления вода.. Совершенствование изысканий в части определения пок .ателей свойств скальных оснований, определяющих их сопротивляемость и необходимых для оценки надёжности, необходимо выполнять на основе учёта статического и фильтрационного давления вода, а тчкже с учётом динамической и сейсмический нагрузок.

Вторая ' часть диссертац:и, состоящая из трех глав, посвящена вопросам определения: показателей наиболее значимых свойств скальных оснований полевыми геомеханическими испытаниями, параметров фильтрационного потока с учётом значения напряжений, влиянию статических нагрузок сжатия-растяжения на фильтрацию. Глава пятая. Рекомендации по регулированию фильтрации и противодавления в скальных основаниях бетонных плотин Для сильнопроницаешх, сла'бодеформируемых скальных оснований, характерных для закарстованных пород, наиболее эффективным средством борьбы с фильтрацией является совершенная цементационная

завеса, усиление которой на участках повышенной фильтрации может осуществляться и в период начального заполнения водохранилища. В обычных по проницаемости и ела~ ^деформируемых основаниях осуществляется комплекс мероприятий: совершенная цементационная завеса заданной плотностью устраивается внэ ь-'чы растяжения и снижает фильтрационные расходы в основании, а регулирование противодавления осуществляется дренажом, расположенным за цемзавесой вне зоны тре-щинообразования под верховой гранью или нелинейных деформаций под низовой гранью плотины в основании. Для повышения устойчивости примыканий арочных плотин обходной фильтрационный поток рекомендуется перехватывать перед зоной сжатия, создаваемой нагрузками от плотины. Для слабопроницаемых, слабодеформируемых скальных оснований наиболее эффективным средством регулирования противодавления и фильтрации является дренаж. Во всех случаях размещение разведочных выработок в основании при проведении изысканий необходимо выбирать с учётом последующего использования их для устройства смотровых к дренажных: галерей.

При наличии нагрузок растяжения целесообразно определять их влияние на фильтрацию, а в проекте предусматривать изоляцию данной зоны. В случаях еысокого противодавления со стороны нижнего бьефа эффективно использование скрытого и площадного дренажа.

В приведенных в диссертации расчётных зависимостях по определению параметров фильтрационного потока для рассмотренных случаев, величина удельного водопоглощения задаётся с учётом напряженного состояния ^снования.

В шестой и седьмой главах диссертации рассмотрены результаты . исследований для трех возможных неблагоприятных схем взаимодействия с системе "сооружение-основание": выпор и размыв сеязногс) заполнителя трещин; превышение прочности массива на растяжение при совместном действии фильтрационного и статического давления; наличия неоднородных по деформационным показателям скальных пород в основании плотины.

Глава шестая. Проницаемость скальных оснований

Вопросам обеспечения надёжности оснований гидротехнических сооружений прг фильтрации посвящены работы В.И.Аравина, Б.Н.Жиленко-ва, Г.М.Ломизе, Ц.Е.Млрцхулава, В.П.Недриги, Н.Н.Павловского, И.О. Ронжина, М.Маскета, А.Касаграндв, Ф.Форхгеймера и других.

Одним из актуальных вопросов при проектировании высоких бетонных, в т.ч. и арочных, плотин, является выбор рациональной схемы расположения сооружений для регулирования фильтрации и противодав-

ления. При наличии связного заполнителя в прослоях и трещинах расположение противофильтрационной завесы и дренажа определяется фильтрационной ycrrfr u-jüiью заполнителя. В работе проанализированы результаты выполненных ранее полевых и лабораторных исследований связного заполнителя тектонических трещин основания арочной плотины Ингури по величинам сцепления и допускаемых скоростей потока при различных условиях заполнения прослоев. Анализ показал существенную неоднородность заполнителя по сцеплению и снижение его до 3,3 раз даже при отборе образцов ненарушенного сложения, требовавшихся для испытаний на размыв. Величины неразмывающих скоростей потока для образцов с наименьшим сцеплением (0,29-0,38 )х10%а составили 0,21-0,41 м/с. Результаты полевых опытов по изучению выпора связного заполнителя (в опытах 1971 года критический градиент напора при выпоре заполнителя трещины № 8 составил 20,Ь-31,7 для сцеплений (0,13*0,21)хЮ%а позволил принять в качестве допустимого значения градиент напора 18 для величины сцепления не ниже 0,I3xI0%a. В 1У86 году при уровне воды в водохранилищ Ингурской арочной плотиш 497 м й градиенте напора на участке исследований 18,2 явлений выпора не наблюдалось.

. Результаты натурных наблюдений за фильтрацией в основании Ингурской арочной плотиш (Л.И.Малышев, Г.Г.Тужихин) при достижении отметки ЫО м показали, что крупные трещины со связным заполнителем являются Еодоупорами, разделяющими фильтрационный поток на отдельные фрагменты, а наблюдаемая фильтрация приурочена к зонам повышенной трещиноватости и сложного напряженного состояния.

Необходимость использования естественной фильтрационной устойчивости заполнителя крупных трещин в скальном массиве, её экранирующего эффекта, исключения нарушения сохранности заполнителя, позволило разработать способ дренирования скальных массивов такого типа путём выполнения дренаяних сгражин в,ноль плоскости трещины (A.c. И254039, рясунок 3), ксгкш.зокише которого позволяет исключить перетек фильтрационного потока с одного горизонта на другой, устройство опвциалышх штолен в ;г:гогом бьефе плотины.

Представленный в поргой частя зшсспртчнки мптаг"** по отказам показал, что наиболее характерным г.пчпескш.! np^ccv, j<r,i большинства отказов явлд.поь нзлэконие няпг'л-.^гнслО сист'.'тъп

Рис 3. Дренажная завеса в скальном основании с трещинами со связным заполнителем

I-штольня; 2-цемзавеса; 3-дренажная завеса;

4-дренажные скеэкины вдоль плоскости трещины;

5-трещина со связным заполнителем; 6-укрепи-тельная цементация вокруг штольни; В-рассто-яние между завесами

при совместном действии фильтрационного и статического давления воды. Поэтому в той мере, как проведенными испытаниями удастся создать такие воздействия и установить способность конкретного основания воспринимать нагрузки сжатия и растяжения при фильтрации, е такой данное сооружение будет экономичным и надёжным. \ Для этого наряду с существующими методами определения параметров проницаемости в скальных массивах их необходимо определять с учётом действия нагрузки сжатия-растяжения. Реализация данного ! условия достигнута созданием установки, позволяющей проводить испытания при различных режимах загружения скального основания статической и фильтрационной нагрузками. На рисунке .4 приведены результаты испытаний пс оценке влияния нагрузок сжатия-растяжения на изменение фильтрационных расходов (цифрами обозначены номера штампов) в скальных основаниях Худонской и Ташкуиырской бетонных плотин и бетонных сооружений ГЭС Аль Багдада. Из приведенных данных следует, что обжатие трещиноватых пород нагрузкой 0,5 НПа приводит к снижению фильтрации, а при нагрузках растяжения на порядок ниже, чем при сжатии - к её резкому росту.

й10 А. изменение во попроницашэсти скального основания при деЗстнш нагрузж сжатия - растяшшя ( - туфопесчаники и лавобрекчии основания Худонской плотины; □ - известняки основания бетонных сооружений гэс Аль -Багдада; + - алевролиты основания Ташкумыр-ской гэс )

При этом поверхность разрушения практически во всех случаях проходит по породе и удалена от контакта штампа с основанием тем дальше, чем прочнее порода. Особенностью испытанных кристаллических кавернозных известняков явилось отсутствие влияния сжатия в пределах расчётного значения 2,0 ЫПа на фильтрацию. При действии нагрузки растяжения усиление фильтрации происходит в момент отрыва штампа. Эта особенность испытанного типа кристаллических пород корреспондирует выявленной в деформационных испытаниях их способности возврата в существовавшее до нагруже-ния состояние при перерыве между циклами испытаний 10 - 12 часов.

На рисунке 5 дана схема установки по измерению сиды давления воды на границе разнопроницаемых тел (A.c. Щ312129). Полученные по результатам испытаний давления, действующие на перегородку при отсутствии отверстия сравнивались с аналогичными значениями, полученными для различных насадок eg. Опыты показали, что уже при соотношении е£/е^=0,08 происходит снижение давления на перегородку. Полученные е диапазоне e2/ej-c 0,20 данные близки с результатами расчётов и исследований Ф.Иахера.

Рис 5. Общий вид установки для определения давления на границе разнопроницаемых тел 1-основание; ¡¿-динамометр; 3-перегородка; 4,Ь,6~насадки с отверстиями различных диаметров; 7-аодоподводящий патрубок; 8-уплотнятеяи; 9-подводящий водовод; Ю-маноыетр

Глава седьмая.Деформируемость скальных оснований Другим важным фактором, определяющим характер повреждений скальных оснований бетонных плотин, является их деформативность.

Изучению этого фактора а полевых условиях посещены работы З.Т.Бенявского, А.И.Савича, Д.Д.Сапзгина, С.Б.Ухоеэ, Р.Р.Тизделя, К.Л.Тер Микаеляна, Л.Мюллера, Г.Оберти и других.

Дефомацяонная неоднородность в одном случае вызвана различием деформационных показателей самого основания, в другом - основания и плотины. Как известно по данным модельных исследовании, податливые породы со стороны верхнего бьефа приводят к благоприятному распределению напряжений в плотине и, напротив, наличие таких пород со стороны низовой грани кокэт привести к образованию растягивающих напряжений на верховой грани плотины. В работе рассмотрен ряд случаен, когда при различии деформационных показателей соседних участков основания более 3 раз в сооружении возникали трещины, просадки, перекосы, которые при росте до 10 раз становились критическими.

Показатели изменчивости модуля деформации различных типов скальных оснований по результатам 88 штэшоеых испытаний участков, сопоставимых по протяженности с шириной плотины, е среднем составляют: для Еулканогешшх пород гидроузла Хоабинь - 0,69; для метаморфических пород основания Ташкушрской плотины -0,58; для осадочных пород Ингурской арочной плотины - 0,58. Сопоставление полученных данных с аналогичными значениями для бетона плотины показывает, что неоднородность скальных пород может быть существенно выше бетона плотины.

Исправление деформационной неоднородности скального основания осуществляется цементацией, заделкой ослаблений бетоном и другими. При этом считается, что обжатие основания весом сооружения приводит к снижению проницаемости и выравниванию деформационной неоднородности пород. Анализ результатов полевых испытаний скальных оснований бетонных плотин (таблица 2) показывает, что обжатие основания статической нагрузкой приводит к увеличе- * нию модуля деформации основания, снижению его проницаемости (рисунок 4), но влияет на выравнивание деформационной неоднородности скального основания незначительно.

Укрепительная цементация как следует из приведенных е таблице 2 данных полевых опытов снижает неоднородность скальных оснований за счёт заполнения пустот в Г,3 раза. При этом эффект укрепительной цементации в повышении модуля деформации п выравнивании деформационной неоднородное™ скальных массивов тем выше, чем ниже модуль деформация нее ладу ш,их пород. Результаты опытов по оценке эф')е;ста укрепительной цементации по даннкм 3¿ штамповых испытаний в известняках основания Ингурской арочной

Таблица 2

Показатели изменчивости деформационных свойств скальных пород до и после цементации

Номер камеры

Показатель изменчивости, С,,

:VEcp

По первому циклу : Для упругого сос-: После цементации нагружения : тояния основания :

Осадочные породы основания арочной плотины Ингури (Ед 171-10 П1а)

1Д 0,55 0,53

3-4Д

0,86

0,77

0,42 0,67

Метаморфические породы основания гравитационной Ташкумырской плотины (Кд 0,84-2,01 1'Па)

аде

0,35

0,36

плотины и 34 штамповых испытании в основаниях других плотин показывает, что модуль деформации в зависимости от его начального значения может быть повышен до 2,6 раз, при этом погрешность в определении модуля деформации по этим данным составляет от 0,6 до 13%, что указывает на хорошую сходимость для различных типов пород. Указанные особенности цементации е основаниях бетонных плотин следует учитывать не только для достижения критерия проницаемости, но и по условиям выравнивания деформационной неоднородности. Укрепительную цементацию по условиям выполнения данного требования с учётом взимного расположения разномодульных участков, целесообразно производить при соотношении модулей деформации соседних участков основания более чем в три раза. При этом с целью сокращения расхода материалов цементацию целесообразно выполнять после предварительного загружения основания нагрузкой от веса сооружения до 0,4 - 0,5 Ша. Необходимую величину пригрузки на основание: можно устанавливать по результатам опытных работ.

Натурные наблюдения являются одним из средств контроля надежности и позволяет получить данные о фактическом состояли! скального массива для сопоставления с прогнозируемыми по проекту. Вопроса?.: изучения взаимодействия бетонных плотин на скальных основаниях при проведении натурных наблюдений эаникагись Э.К. А^ксчадропокал, В.И.Дур-;ева, Д.К.Марчук, Г.В.!.'осхн,О.Н.Но-ci-'-i'n, A.l'.r.irei, С.А.Эйде пи-ян :i другие. Конт]юль сеспрмхруекос-

ти различных участкоЕ основания натурными наблюдениями целесообразно производить уже на начальных стадиях возведения плотины, когда уточнения проекта еще менее сложны. Сопоставление данных полевых испытаний с резуль—" л натурных наблюдений на момент первоначального заполнения Ингурского водохранилища показало, что до нагрузки 2 мПа соотношение между деформациями активной зоны и приконтактной для данного случая составляет

V0'21 5 общ

где 5 Пр- деформация приконтактной зоны; тивной зоны.

(7)

общ- деформация агс-

На рисунке 6,А приведеш значения модулей деформации определенных для одного и того же участка полевыми испытаниями методом штампа (кривые 1,2) и по результатам натурных наблюдений за основанием секций арочной плотины Ингури по измерителям деформаций скалы (ИДС)(крк.

мм Я 4 5

е.иги.

А)

10 20

ТО 20 30 40 50

Рис 6. Сопоставление деформационных показателей скального основания арочной плотины Ингури по данным: А) полевых испытаний и натурных наблюдении: I-результаты нолевых испытаний на штампах 8-10 в штольне 1650 на нравом берегу; 2-резуяьтаты испытаний на штампах 1-3 в шт-ольнэ 1649 пу леяом берегу; 3-результаты натурных наблюдений по ИДС и?,184,25I, установленных на правом берегу; 4-тоже, по ИДС По,77,100,57, установленных на левом берегу; Б) наблюдений за приконтактной и активной зонами: 1а,б,а-модуяи деформаций приконтактной вони: 2а,б,в -модули деформации в пределах активной зоны (а-пмзыБ берег; <5-левый бзрег: г—посбковая часть)

3

Сопоставление показало близость деформационных показателей, что позволило сделать вывод о надёжной работе скального основания по деформируемости на начальном этапе заполнения водохранилища. Установлено (рисунок 6,Б), что приповерхностный более деформируемый слой непосредственно под основанием бетонной плотины сохраняется несмотря на значительную врезку и на начальном этапе заполнения водохранилища. Это должно благоприятно сказываться на распределении напряжений в основании, и свидетельствует о возможности ограничения врезки в береговые примыкания по условию достижения менее деформируемых пород. Увеличение модуля деформации активной зоны в русловой части плотины, отличное от аналогичного в береговых примыканиях (рисунок 6,Б) может быть объяснено влиянием при-грузки на русловую часть при бетонировании берегоЕых секций плотины. При последующем загружении основания в процессе первого заполнения водохранилища деформации приконтактной зоны стабилизируются, а при последующих циклах наполнения - сработки - реагируют на изменение нагрузки на основание.

ОСНОВНЫЕ ЕЫБОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИИ

1. В диссертации показано, что большинство аварий скальных оснований бетонных плотин еызеэны созданием неравнонадёжной системы, в которой плотина имеет более высокую надёжность, чем скальное основание, а не из-за недоучёта экстремальных внешних нагрузок на сооружение и представлена новая методика анализа такой системы, позволившая на основании оценки вклада подсистем: внешняя срзда, плотина, основание оценить значимость различных сеойств скальных оснований бетонных плотин при отказах, получить необходимые данные для расчётов надёжности.

2. Получены показатели риска аварий скальных оснований бетонных плотин по данным за Ьи летний период эксплуатации начиная с ¿Уии года: разрушения - 0,24х10~т повреждения - 4,3x10"? Определена значимость внешних воздействий: гидростатика - 0,79; паводки - 0,14; сейсмические воздействия - 0,02; другие - 0,05 и вклад различных свойств скальных оснований в отказч: чрезмерная проницаемость - 0,54 ( 51? случаев овяпаны с карстом, нарушешш-ги, рл-.'/ивом заполнителя трещин); деформационная неоднородность - 0,22 ( 34£ ссучасв связаны с образованием зоны трэщянообра^о-

я осноракп:: со стороны напорной грани плотин щ.еапуществен->".• в с л ■2б:-д'."Т--|р-.:;1хуо1.'нх королях); недостаточная прочность на

сдвиг в основании и бортах - 0,13 ( 51% случаев связан со струк- -турой напластования); размываемость поверхностном потоком - 0,11. 3. С учётом данных статистики отказов определены условия надёжной работы систегг; cooj .tc - основаште по разрушению ( Х>3,10) ■ и по повреждению ( Х> 1,74), ниже которых в случае нормального распределения воздействий и сопротивляемости надёжност1 системы по разрушению или повреждению не обеспечивается. Использование полученных данных критериев в процессе изысканий и проектирования позволяет выделить параметры, определение значений которых геомеханическими испытаниями в натурных условиях необходимо ■ для обеспечения надёжности сооружения и его основания. . 4. На основании обобщения результатов 160 полевых геомеханических испытаний скальных пррод, выполненных автором на ряде отечественных и зарубежных объектов, разработана и внедрена в практику изысканий методика совместных статических и фильтрационных испытаний и конструкция устройства для оценки показателей свойств скальных оснований при совместном действии нагрузки сжатия или растяжения и напорного фильтрационного потока.

5. Нарушение условий нормальной эксплуатации для скальных оснований современных бетонных плотин, допускающее трещинообразова- ' ние в зоне растягивающих.напряжений под верховой гранью, обусловлено превышением прочности скального массива на растяжение при совместном действии статической и фильтрационной нагрузок. При этом линия предельного равновесия проходит пе по контакту бетон - скала, а по породе. Для обеспечения надёжности таких плотин требуется: при проведении изысканий определения прочности скального массива на растяжение .с учётом фильтрации предложенным сособом; при премировании - конструктивные мероприятия по исключению небрагоприятных последствий фильтрации.

6. Испытания предложенным способом показали, что при обжатии трещиноватого скального массива нагрузками до 0,5 МПа фильтрационные расходы снижаются в 1,5-2,0 раза за счёт закрытия крупных трещин, а при дальнейшем обжатии снижаются незначитель-

___ но. При действии растягивающих нагрузап по величине на порядок 1 ниже сжимающих фильтрационные расходы возрастают на ¿-2 порядка. Для прочных кристаллических каЕернозннх известняков с прочностью на одноосное сжатие 17 1.51а увеличение снимающих напряжений мало сказывается на изменении фильтрационных расходов даже . при 2 .'Да, при действии-нагрузок растяжения фильтрация ¡.озко

, '¿у

возрастает е момент отриЕа штампа от основания.

7. Исследования размыЕаемости сеязного заполнителя трещин скальных массивов показали значительное Елияние на процесс размыва характера заполнения и условий выхода потока из трещины. Для использования естественных водоупорных свойств заполнителя трещин в скальных основаниях бетонных плотин рекомендуется дренаж вдоль плоскости трещины предложенным способом.

8. Неоднородность деформационных свойств скального массива вызвана наличием в нем зон ослаблений и нарушений, значительным отличием деформационных свойств плотины и основания. При проектировании наряду с обеспечением критерия допустимой фильтрации в основании следует учитывать его деформационную неоднородность, а также расположение зон ослаблений. С учётом расположения зон ослаблений в основании плотины при соотношении модулей деформации соседних блоков основания более 2-3 раз целесообразно предусматривать укрепительную цементацию для повышения модуля деформации и выравнивания деформационной неоднородности скального основания.

9. Данные полевых геомеханических испытаний свидетельствуют, что обжатие основания собственным весом сооружения несмотря на повышение модуля деформации пород сказывается на снижении деформационной неоднородности незначительно. Укрепительная цементация выравнивает деформационную неоднородность в 1,3 раза в зависимости от начального значения модуля деформации.

10. Контроль деформируемости пород различных участков основания с целью оценки его надёжности следует производить с самого начала возведения плотины, путём сопоставления данных натурных наблюдений за осадками основания с данными полевых геомеханических испытаний на тех же участках. Такой контроль рекомендуется выполнять по методике, апробированной автором при строительстве и на начальном этапе заполнения водохранилища Ингурской арочной плотины.

11. Частота отказов является экспоненциальной функцией времени эксплуатации. При этом отказы, связанные с действием систематических факторов могут иметь место в течении первых пяти лет с момента заполнения водохранилища, а - случайных - в течении всего срока эксплуатации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЫЛЕ ДИССЕРТАЦИИ I. Калустян Э,С. Размываемость связного заполнителя тектоничео-

', кой трещины в основании арочной плотины Ингури.//Тр. ГрузШЫГиМ. Л 29, 1972, С.42-49,

2. Тер Микаелян К.Л..Калустяя Э.С..Савинская U.K..Емельянова М.Б. Исследова1Шя влияния масштабного фактора на величину деформационных характеристик скального основания Ингури ГЭС (камера 5)./Научные исследования по гидротехнике в 1972г.М.:Энергия.1973.Вып.I.

3. Калустян Э.С. Устройство для наблюдения за процессом оплыЕания стенок скважины при проведении суффозиошшх исследований. A.c.tö 368371.СССР.М.Кл Е 02в 3/00.//Открытия. Изобретения. 1973, ß 9.

4. Калустян Э.С. Размываемость связного заполнителя тектонических трещин в основании арочной плотины Ингури.// Тр. Гидропроекта. 1973,' № 33. C.I77-I8Ö.

5. Тер Микаелян К.Л..Калустян Э.С..Савинская U.K..Емельянова М.Б. Исследования предельного сопротивления сжатию скального основания" Ингури ГЭС./ Научные исследовай;:я по гидротехнике в 1972 г. Вып. I, Энергия. М. 1973.

6. Тер Микаелян К.Л..Калустян Э.С..Савинская М.К..Емельянова М.Б. Влияние укрепительной цементации на деформационные свойства скального основания Ингурской арочной плотины./ Научные исследования по гидротехнике в 1974 г. Вып. I. Энергия. Ы.19У5.

7. Калустян Э.С.Д'ер Микаелян К.Л. .Савинская М.К. Влияние цементации на деформируемость скальных основан!'... // Тезисы У Конференции изыскателей Гидропроекта. 1975. Вып. 2. С. 38-40.

8. Калустян Э.С. Влияние укрепительной цементации на деформационные свойства скального массива оспования арочной плотины Ингури.//Научно-технический семинар по вопросам проектирования и строительства арочной плотины Ингури. Тбилиси. 1975.

9. Калустян Э.С. О размыве связного заполнителя трещин в скальных массивах.//Доклада ВАСХНИЛ. 1976. № 5. С.41-43.

10. Калустян Э.С. Результаты натурных исследований приконтакт-ной зоны скального основания арочной плотины Ингури./Тезисы У1 Конференции изыскателей института Гидропроект. 1987. С.29-31.

11. Тиздель P.P..Калустян Э.С. Оценка деформационных свойств скального основания арочной плотины Ингури в процессе строительных работ.//Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. ВНИИГ. 1979. С. I31-137.

12. Калустян Э.С. Влияние физико-механических характеристик основания на надёжность плотин.//Энергетическое строительство за рубежом. 1980. J& 5. С. 26-30.

13. Калустян Э.С. Гидротехнические сооружения на ре;<е Псырцхе. //Гидротехника и мелиорация, 1981. № 8. С. 80-82.

14. Калустян Э.С. Надёжность скальных оснований бетонных плотин и их повышение. // Энергетическое строительство за рубежом. 1982. Л- 5. С. 17 - 23.

15. Калустян Э.С. Надёкность скальных оснований бетонных плотин. // Гидротехническое строительство. 1983. № 6. С. 7-8.

16.Kalust±an E.S. Result of field studies of the Inguri arch dam rock foundation with use of rocl: deformometers./International simpoaium on field measurements. Balkeraa. 1963. P.906-9X7.

17. Калустян Э.С. Вопросы надёжности скальных оснований бетонных плотин. // Сб.тр. ГрузНИИГиМ: надёжность гидромелиоративных систем и сооружений. 1983. С. 36-41.

18. Калустян Э.С. Учёт пригружаицзго давления в расчётах гидросооружений. Доклада ВАСХНИЛ. 1984. Уа I. С. 42-44.

19. Газиев Э.Г..Калустян Э.С. Надёжность скальных оснований бетонных плотин и некоторые рекомендации по их оценке. // Гидротехническое строительство. т984. № 6. С. 30-32.

20. Kalustian E.S. Statistical analisis of distribution of concrete dam rock foundation failures./Proceedings of the International confereSe on safety of dams. Coimhra. Balkema. I9B4.P.3H-3I9.

21. Калустян Э.С. Повреждения скальных оснований высоких бетонных плотин. Энергетическое строительство за рубежом. 1985. Ik I. С. 24-30.

'¿'¿. Калустян Э.С. Некоторые вопросы обеспечения надёжности бетонных плотин на скальных основаниях.// Энергетическое строительство. 1986. В 6. С. 40-52. '

23. Калустян Э.С. Способ создания дренажной завесы в скальном основании плотины. А.с. №1254089. СССР.М.К 02в 3/16//0ткрытия. Изобретения. 1986. № 32.

24. Калустян Э.С. Повышение надёжности сооружений усилением их скальных оснований.// Энегетическое строительство за рубежом. 1886. «5. С. 19-24.

25. Калустян Э.С. Методика оценки надёжно,ти скальных оснований бетонных плотин и некоторые ре?УльТа™ . исследований.//Основные вопросы надёжности гидромелиоративных сооружений. Тбилиси. 1986. С. 30,- 39.

2Ь. Калустян'Э.Сt Устройство для определения давления воды, действующего на бетонное гидротехническое сооружение. А.о.1312129.