автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Регулирование температурного режима бетонных массивно-контрфорсных плотин

На правах рукописи

НГУЕН ХОАНГ

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА БЕТОННЫХ МАССИВНО - КОНТРФОРСНЫХ ПЛОТИН

Специальность - 05.23.07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Москва 2014

005554092

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательн учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Анискин Николай Алексеевич Официальные оппоненты: Соболь Станислав Владимирович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Гидротехнических сооружений ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет». Зимнюков Владимир Анатольевич кандидат технических наук, доцент кафедры Гидротехнических сооружений Института пр дообустройства им. А.Н. Костикова ФГБОУ В «Российский государственный аграрный университет - МСХА им.К.А. Тимирязева» Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

энергетических сооружений»

Защита диссертации состоится "27" ноября 2014 г. в 16 час 30 мин. на заседани диссертационного совета Д. 212.138.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 1293 Москва, Ярославское шоссе, д. 26, Открытая сеть, аудитория № 9. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» и на сайте www.mgsu.ru Автореферат разослан " " ОШЛ^ПЛ 2014 года Ученый секретарь Бестужева диссертационного совета ^/¿Р^1------------Александра Станиславе

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Достаточно распространенным типом бетонных водопод-порных гидротехнических сооружений являются массивно-контрфорсные плотины. Одним из основных воздействий на бетонную массивно-контрфорсную плотину, особенно в суровых климатических условиях является температурное воздействие. В строительный период главным воздействием является экзотермический разогрев бетона, на величину которого влияет множество факторов: физические свойства цемента и его содержание, технология укладываемого бетона, климатические особенности района строительства и многое другое. В плотинах такого типа, как и в других массивных бетонных плотинах одной из основных проблем в период возведения является температурное трещинообразование. Основные мероприятия по борьбе с трещинооб-разованием в массивном бетоне были разработаны еще в 30-х годах прошлого столетия. Сегодня эти мероприятия дополнились и усовершенствовались, однако эта проблема до сих пор не может считаться решенной. Температурное трещинообразование наблюдается во многих современных плотинах, в том числе и в возведенных по технологии укатанного бетона с малым количеством цемента. Практика показывает, что возникновение трещин в строительный период часто связано с ошибками в проектировании состава бетонов и режимов возведения плотины или с нарушениями необходимых условий.

В эксплуатационный период плотина подвергается сложному температурному воздействию. Необходимость учета множества влияющих факторов, изменяющихся в пространстве и времени нередко вызывает сложности в решении температурной задачи.

Строительство плотины в суровых климатических условиях, как правило, требует дополнительных мероприятии для регулирования температурного режима и термонаприяженного состоянии. Данная диссертационная работа посвящена изучению температурного режима массивно - контрфорсных плотин в зависимости от различных действующих факторов. В работе предпринята попытка создания математической имитационной модели температурного режима бетонных плотин при их возведении и эксплуатации (в том числе в условиях, близких к условиям Вьетнама). Рассмотрены некоторые методы регулирования температурного режима плотины на примерах плотин Канкунской ГЭС и плотины гидроузла Лай Чау (Вьетнам).

Целью диссертации является анализ влияния различных факторов на формирование температурного режима при возведении бетонных массивных плотин по различным технологическим схемам, разработка рекомендаций по улучшению температурного режима и термонапряженного состояния бетонных массивно-контрфорсных плотин в строительный и эксплуатационный периоды. Рассмотрены наиболее часто используемые сегодня схемы укладки бетона: столбчатая и длинными блоками (применительно к технологии «укатанного» бетона). На основе исследований созданы математические имитационные модели температурного режима массивных бетонных плотин, возводимых в различных климатических условиях (в том числе, близких к условиям Вьетнама).

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи исследований:

• усовершенствованы методики и программы расчетов температурного реж ма бетонных плотин с учетом их возведения и экзотермического разогрева;

• выполнен анализ влияния различных факторов на формирование темпер турного режима бетонных плотин и прогнозирование трещинообразование плот при их возведении с использованием различных схем разрезки на блоки бетониров ния;

• созданы математические имитационные модели температурного режима б тонной плотины при ее возведении;

• построены номограммы для оценки температурного режима послойно во водимого бетонного массива;

• проведены исследования в трехмерной постановке температурного режи и термонапряженного состояния реальных бетонных плотин с учетом всех действ ющих температурных воздействий на примере бетонных массивных плотин с во душной полостью гидроузлов Лай Чау (Вьетнам) и Канкунской ГЭС.

Методы исследований основаны на численных методах решения пространстве ных задач по определению температурного режима и термонапряженного состоя! сооружений. Кроме того, используется математический аппарат теории планироваь эксперимента и поиска оптимальных решений, методы номографирования.

Достоверность результатов исследований определяется проверкой полученнь по созданной программе результатов тестовых задач с известными теоретически или численными решениями.

Научная новизиа работы состоит в следующих выносимых на защиту положен ях:

■ усовершенствована методика расчета в пространственной постановке темпер турного режима возводимого бетонного сооружения с учетом экзотермии цемента основе МКЭ в локально-вариационной постановке;

■ проведены численные эксперименты, на основе которых создана математич екая имитационная модель температурного режима послойно возводимого бетонно массива в различных климатических условиях (в том числе близких к условиям Вье нама);

" выполнен анализ влияния факторов (расхода цемента и его тепловыделеш толщины укладываемого слоя бетона, температуры укладки бетона и интенсивное возведения) на величину температурного разогрева возводимого бетонного масси для различных схем укладки бетона;

■ составлены номограммы для определения максимальной температуры экзоте мического разогрева возводимого бетонного массива в зависимости от рассмотре ных факторов;

- выполнено прогнозирование возможного температурного трещинообразоваш при возведении бетонного массива и сформулированы рекомендации по обеспечени монолитности плотины при ее возведении;

■ поставлены и решены численные задачи в пространственной постановке п определению температурного режима и термонапряженного состояния реальных ги ротехнических объектов на примере плотин Канкунской ГЭС и гидроузла Лай Ча (Вьетнам), для которых даны рекомендации по предотвращению температурног трещинообразования;

Практическое значите работы состоит в том, что полученные результаты могут быт использованы в практике проектирования и строительства бетонных массивных плотин для получения благоприятных температурных режимов и термонапряженного состояния.

Личный вклад автора в полученные результаты, изложенные в диссертации, заключается в следующем:

• в выборе и обосновании актуальности темы диссертации;

• в усовершенствовании методики и программ расчета температурного режима и термонапряженного состояния бетонных плотин в пространственной постановке;

• в постановке плана исследований влияния факторов на температурный режим послойно возводимого бетонного массива;

• в проведении численных исследований и на их основе создании математической имитационной модели температурного режима послойно возводимого бетонного массива;

• в построении номограмм для определения максимальных температур в возводимом бетонном массиве;

• в численных исследованиях в пространственной постановке температурного режима и термонапряженного состояния бетонных массивно-контрфорсных плотин Канкунской ГЭС и гидроузла Лай Чау (Вьетнам).

На защиту выносятся следующие вопросы, рассмотренные в диссертации:

• результаты численных исследований влияния некоторых факторов на температурный режим массивной бетонной плотины в строительный период;

• создание математической имитационной модели температурного режима послойно возводимого бетонного массива на основе факторного анализа и номографирование полученных зависимостей;

• постановка и решение задач по прогнозированию температурного режима и термонапряженного состояния бетонных плотин Канкунской ГЭС и гидроузла Лай Чау

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка из 121 наименования. Общий объем диссертации состоит из 165 страниц, из которых 165 машинописного текста. Диссертация содержит 48 рисунков и 12 таблиц.

Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определены цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе представлен краткий обзор развития строительства бетонных массивно-контрфорсных плотин и гравитационных облегченных плотин с расширенными швами, в том числе в суровых климатических условиях. Достаточная распространенность таких конструкций обусловлена их возможными преимуществами по сравнению с массивными гравитационными плотинами. В настоящее время в разных странах построено более 500 контрфорсных плотин. На территории бывшего СССР также было построено несколько крупных массивно - контрфорсных плотин и гравитационных плотин с расширенными швами. Достаточно большое количество подоб-

ных конструкций работает в сложных климатических условиях. Данные конструкци могут быть вполне конкурентоспособны с другими типами плотин. Помимо возмож ной экономической целесообразности данный тип плотин обладает рядом преиму ществ, в том числе с точки зрения восприятия температурных воздействий и возмож ностью регулирования температурного режима.

Одним из примеров подобной конструкции является массивно-контрфорсн плотина Зейской ГЭС (1970-1980 г.г.), на которой была достигнута максимальн степень облегчения. Решение плотины в массивно-контрфорсном варианте, помим уменьшения неблагоприятного воздействия температуры на напряженно деформированное состояние плотины, позволило уменьшить ее стоимость по сравне нию с гравитационным вариантом на 15%. Исследования температурного режим плотины Зейской ГЭС показали, что глубина промерзания по низовой грани плотин примерно равна 3,0-3,5 м, что равно толщине теплозащитной стенки. Для гравитаци онного варианта в таких же условиях глубина промерзания достигает 8-15 м, что со ставляет почти половину всего профиля. Исследованиями было определено, что д поддержания оптимального температурного режима возможен электрообогрев кало риферами общей мощностью 10-15 квт. В период строительства трубное охлаждени прискальных блоков использовалось только в оголовках плотины. Бетон контрфорсо остывал до температур омоноличивания за счет естественного рассеивания тепла.

Одной из основных проблем, связанных с температурным режимом бетонны массивно-контрфорсных плотин является проблема трещинообразования. Она воз никла с началом массового использования бетона для строительства массивных со оружений. Однако и сегодня можно констатировать, что эта проблема не решена д конца: практически все современные бетонные плотины подвержены температурно му трещинообразованию (в той или иной степени). Даже в плотинах, возводимых п технологии «укатанного» бетона, отличающихся гораздо меньшим расходом исполь зуемого цемента, весьма часты случаи возникновения трещин в процессе возведения.

Исследованию температурного режима массивных бетонных плотин посвящен достаточно большое количество современных работ, выполненных с использование современных методов. В данной работе автором предпринята попытка создания ма тематической прогнозной модели температурного режима послойно укладываемог бетонного массива в зависимости от основных действующих факторов (глава 3). Ис пользование такой модели позволит принимать рациональные решения по состав бетонов (расходу цемента и его тепловыделению) и технологической схеме возведе ния бетонных плотин (интенсивность возведения плотины по высоте, толщина укла дываемого слоя бетона). Попытки создания аналогичных математических моделе предпринимались ранее, однако, они рассматривали конкретные объекты и услови возведения и ограниченное количество влияющих на процесс факторов. Чтобы свест к минимуму трещиннообразование в период строительства необходимо использова: методы регулирования температурного режима при возведении (выбирать состав бе тона, технологические параметры укладки бетона).

Для регулирования температурного режима в эксплуатационный период воз можно использование специальных мероприятий (устройство теплоизоляционны стенок, периферийный электрообогрев воздушной полости).

Во второй главе описывается использованная методика определения темпепа-= режима и термонапряженного состояния бетонных сооружений в про^а, -ственнои постановке с учетом особенностей .к возведения и эксплуатации

сти „Zrr ИСХОДН0Й 1е""СРаТУРН0Й ФуНКЦИИ t=f(x- У- *> в расчетной обла-ньГх ¿оизГднГ Ш6НИИ ДИФФСРСНЦИаЛЬН0Г° yf™ теплопроводности в част-

8t 8 dt 8 , dt д 8t 1 8П

¿Г*<в'&>^в'*) + &(в- О)

где: а,, яг - коэффициенты температуропроводности материала в направлении

кам„СГвМяГРДИН^ * " 0 " К0ЛИЧеСТВ0 тепла' выделяемое внутренними и" ками (в данной работе - экзотермический разогрев бетона) к данному моменту времени; с- удельная теплоемкость бетона, р -плотность бетона, г- время ?

Известно, что решение уравнения (1) эквивалентно минимизации следующего интеграла в случае использования граничных условий 2-го и 3-го рода-

*,(§)> )'м|;-|(2)

где q - удельный тепловой поток при граничных условиях 2-го рода: L - температура среды, на контакте с которой имеют место граничные условия III рода" -поверхности расчетной области, на которых выполняются соответственно граничные условия 2-го или 3-го рода. Минимизация функционала (2) производится с использованием метода конечных элементов в локально-вариационной постановке

В основе решения задачи по определению термонапряженного состояния методом конечных элементов (МКЭ) лежит минимизация потенциальной энергии сиЗы которая записывается в следующем виде: системы,

П = 3{U,V,W)-3{Q,P) (3)

гае: Э(и, V, IV) ~ потенциальная энергия деформации тела-Потенциальная энергия деформации и потенциал внешних'сил выражаются через компоненты напряжений, деформаций и перемещений:

3{Q,P) = \\\iQxU + QyV + Q!W)dV+\\(PiU+PyV + PiW)dn, (5)

" а

где: U, V, IV- Компоненты перемещения соответственно по оси X Y Z-О О О -^проекции объемных сил на оси * Y, Z; Рв Рр Р, - проекции поверх^ых с™ на

Компоненты напряжений с учетом температурного воздействия записывается в виде известных из теории упругости выражений.

Задача по определению термонапряженного состояния конструкции сводится к

Z™T П0ЛЯ ПереМСЩСННЙ U- V' W в исследуемой области? обеспечивГщего минимум потенциальной энерпш системы (3) при заданных нагрузках, температурном поле и граничных условиях.

Автором данной диссертационной работы были усовершенствованы программе расчетов в пространственной постановке температурного режима и термонапряжен ного состояния бетонных плотин.

Для апробации программ расчета был решен ряд тестовых задач, имеющих анали] тические решения или решения по ранее апробированным программам. '

Решались нестационарные темпатурные задачи по остыванию или нагреву стень из бетона с учетом и без учета экзотермии (рассматривался процесс остывания сте| ны, имеющей постоянную по толщине начальную температуру и помещенной в сред с постоянной температурой).

Расчетная область и ее разбивка на конечные элементы представлены на рис. 1. Ре; зультаты решения задач и их сравнение с имеющимися аналитическими решениям! приведены на рис. 2.

У(м)

Рис. 1. Расчетная область и ее на конечные элементы.

Рис. 2. Распределение температуры по толщине стены для методических задач стены с граничными

условиям III рода

Расхождения полученных результатов для всех сечений по толщине стены незна чительны и не превышают 5%, что говорит о достоверности получаемых результатов.

Наращивание бетонного столба с учетом экзотермии. Рассматривался процесс возведения бетонного столба высотой 20 м с размерами боковых сторон 18 м. Рассматривалось два варианта: возведение слоями толщиной 2 м и 4 м при одинаковой интенсивности возведения по высоте столба. Температурные поля в центральных сечениях столба на момент завершения укладки бетона представлены на рис. 3. Полученные результаты хорошо корреспондируются с ранее полученными результатами.

а) б) Рис. 3. Температурное поле в центральном сечении возводимого бетонного столба (а - вариант с толщиной слоя 2м; б - вариант с толщиной слоя 4м.)

Термонапряженное состояние прямоугольной плиты с постоянной температурой. Определялись температурные напряжения в длинной прямоугольной плите (схема на рис. 4) с длиной сторон Ь = 100 м и высотой 25 м; температура плиты постоянна и равна Т=ГС, коэффициент линейного расширения а = 10-5 (град"1), модуль упругости бетона Е = 105 (кгс/см2).

Расчеты проводились по программе «ШУАЯ-ЗО» основанной на МКЭ и апробированной на многочисленных расчетах программе «СИАСК»(2В). Результаты расчетов приведены на рис 5.

Рис.4.Расчетная схема плиты по определению ее термо-НДС

Эпюры по программе ЗО Эпюры по программе 2.0

Рис.5. Эпюры напряжений бх (кгс/см2) в бетонной плите со свободными торцами.

Сравнивая результаты по программе 20 и «ЬОУАЯ- ЗЕ>» с результатами теорети ческого метода отметил следующее. Результаты, полученные по программ «ШУА11- 30» очень близки к результатам, полученными по программ «СКАСК»(20).

Обобщая результаты решения набора тестовых задач, можно отметить хороше-совпадение полученных по используемым программам результатов с известными ре шениями. Это позволяет рекомендовать применение предлагаемой методики и про граммы расчета для дальнейших исследований.

В третьей главе проводится анализ влияния некоторых факторов на формиро-. вание температурного режима в послойно наращиваемом бетонном массиве. Темпе-' ратурный режим бетонного массива плотины при её возведении формируется пор воздействием многих факторов. Можно выделить внешние температурные воздей; ствия: температуру воздуха, температуру основания, воздействие инсоляции, наличие ветра и его направление. Основным, действующим в строительный период факторов является экзотермия цемента. На процесс экзотермии влияют состав бетонного сме си (расход цемента и его тепловыделение) и множество технологических факторов:! схема бетонирования, температура укладываемого бетона, толщина укладываемых бетонных слоев, интенсивность бетонирования, использование искусственного охлаждения бетонного массива и т.д. В процессе возведения массива и интенсивного тепловыделения цемента происходит значительный нагрев внутренней зоны массива. В результате этого могут возникать большие температурные перепады, которые вызывают значительные растягивающие напряжения и приводят к трещинообразованию. Как показывает практика строительства массивных бетонных плотин в зависимости от условий «защемления» и расположения блока в теле плотины возникновение температурных трещин связано с температурными перепадами.

В данной работе автором предпринята попытка создания математической прогнозной модели температурного режима послойно укладываемого бетонного массива в зависимости от основных действующих факторов. Использование такой модели позволит принимать рациональные решения по составу бетонов (расходу цемента и его тепловыделению) и технологической схеме возведения бетонных плотин (интенсивность возведения плотины по высоте, толщина укладываемого слоя бетона). Попытки

10

создания аналогичных математических моделей предпринимались ранее, однако, они, как правило, рассматривали конкретные объекты и условия возведения и ограниченное количество влияющих на процесс факторов.

Были рассмотрены две наиболее используемые в современном плотиностроении (в том числе при возведении массивно-контрфорсных плотин) схемы разрезки массивного сооружения на блоки бетонирования:

• схема разрезки длинными однослойными блоками (с использованием технологии «укатанного» бетона);

• схема столбчатой разрезки (с использованием вибрированного бетона).

Для исследования влияния факторов использовалась методика факторного анализа. Рассматривался полно факторный эксперимент для случая 5 факторов. В качестве факторов принимались следующие величины и интервалы их изменения (см. таблицу

Таблица 1

Факторы Укатанный бетон Внбрированный бетон

Х1 (Ц)— расход цемента (кг/м3) -1 50 200

+1 170 350

Х2 (Дслоя)— толщина укладываемого слоя (м) -1 0.3 1.0

+1 1.0 3.0

Хз0:уклад) - величина температурного укладываемого бетона (°С) -1 10 10

+1 22 22

Х4 (Эти)- максимальное тепловыделение цемента (КДж/кг) -1 120 350

+1 350 500

Х5 (Убегон)- интенсивности бетонирования (м/сут) -1 0.1 0.1

+1 0.6 0.6

В качестве отклика рассматривалась максимальная температура для блоков в свободной зоне (удаленной от основания). Расчеты проведены для двух случаев температурного воздействия среды. В первом случае температура воздуха принята постоянной и равной 20°С (что примерно соответствует бетонированию в летний период большей части территории России и условий горного Вьетнама). Во втором случае температура воздуха принята постоянной и равной 5°С (что соответствует зимней укладке бетона под защитой тепляков в суровых климатических районах России и зимнему бетонированию в условиях горного Вьетнама).

По результатам исследований были получены уравнения регрессии для схемы укладки бетона длинными сплошными блоками (после исключения малозначащих членов):

при температуре наружного воздуха 5°С

1тах=27.29+2.95Х1+1.33Х2+5Л1Х3+2.64Х4+230Х5+1Л1Х1Х4 + +0Л5Х4Х5 (6) при температуре наружного воздуха 20 "С

¡тах= 34.7 + 2.58Х/ + 0.43 Х2+ 5.22 Х3+ 1.98 Х,+1.35 X, +1.55 Х,Х4-0.56Х4Х5 -0.23 Х,Х2Х4 - 0.23Х,Х3Х5 +0.52 Х,Х4Х5 +0.2\Х2Х4Х5 +0МХ,Х2Х4Х5\ (7)

Проверка адекватности полученных уравнений, которая проведена при уровня* факторов Х1=Х2=Хз=Х4=Х5 = 0 показала хорошую сходимость. Погрешность уравне ния (6) составила 0,32% и уравнения (7) - 0,11 %, что говорит об их адекватности.

Рассмотрев функции откликов (6-7), можно отметить следующее. Все рассмотрен ные факторы оказывают достаточно большое влияние на величину максимальной температуры бетонного массива. Наибольшее влияние оказывает величина темпера-! туры укладываемой смеси (Х3), что естественно, так как она является начальной тем пературой бетона, на которую «накладывается» влияние остальных факторов. Можн • было бы в качестве отклика рассматривать максимальное приращение температуры! массива. В этом случае можно не учитывать температуру укладываемой смеси (по добная модель была предложена ранее). Однако в этом случае не учитывалось бы влияние температуры на величину экзотермического разогрева. Кроме того, дат предварительной оценки возможного трещинообразования, надо знать перепады между температурой внутри массива и температурой на его поверхности или осред-ненной температурой в блоке в период эксплуатации.

Для варианта возведения по схеме столбчатой разрезки рассматривалось 3 вариан та размеров столба в плане: с шириной 10 м, 15 м, 20 м. В результате были получены! следующие функции откликов (в автореферате приводятся результаты для одного из| вариантов): Вариант £0л= 20 м

при температуре наружного воздуха 5 "С

1тах= 57.45 + 11.14*} + 2.00 Х2 + 5.71 Х3 + 8.02 X, +3.13 Х5 -0.92 Х,Х2 -0.07 Х,Х3+ 1 59 X, Х4 +0.80Х1Х, +0.1 1Х2Х3 + 0.82ХА+ 0.25ХгХ5 +ОЛ1Х4ХГОМХ1Х2Х4 +0.ПХ1Х2Х<-ОМХ^зХ,; (8)

при температуре наружного воздуха 20 "С Кшх= 60.52 + 10.37Х; + 1.77 Х2+ 5.62 Х3 + 7.10 +2.86 X, -0.81 Х/Х2+0.06Х,Х5 + 1 97, X, Х4+\Л2Х,Х5 +0.1 ЗХгХз + 0.33Х2Х4 +0.96ВД -0.60Х,ХХ4 -0.25 X, Х2Х5-0.60Х1Х3Х5-0.44X2X4X5; (9)

Условия адекватности для уравнений выполняется: погрешности уравнений (8), (9) составляют соответственно 0,08% и 0.03%.

Рассмотрев функции откликов для данного случая, можно отметить следующее. По сравнению с вариантом укатываемого бетона (уравнения 6-7) значительно возросло влияние факторов X! и X, ( расход цемента и его максимальное тепловыделение), что естественно связано с составами вибрируемых бетонов. Менее значимый фактор -интенсивность бетонирования (Х5), увеличение которого приводит к повышению экзотермического разогрева бетонного массива. Однако, в отличие от укатываемого бетона, этот фактор влияет на максимальную температуру при зимнем и летнем бетонировании примерно одинаково. Наименее значимым фактором является фактор Х2 -толщина слоя укладываемого бетона. Чуть в большей степени он влияет при зимнем бетонировании, вызывая максимально возможную температурную разницу в ~9,8°С (против ~7,8°С при летнем бетонировании).

На основе полученных зависимостей были построены номограммы, позволяющие оперативно давать оценку температурному режиму возводимого массива или

350 /

Толщина блок(м> Т укпадв! бетона ¡'С) 1 3 22 10

~г4~

£ &

200 /////> ^

Инген (м?'суг)

0 6 0 1 44>73 1 максимальная ("С)

500 '.„., 1 " 14 78

Рис. 6. Номограмма для определения максимальной температуры в центре бетонного массива (1воздух= 5 °С, расход цемента 50-170 кг/м3, Эмах 120-350 кДж/кг, интенсивность бетонирования 0,1м/сут - 0,6м/сут )

Толщина блок (м) Трладки бгтена{"С)

1 3 22 10 350 / /_

Г7-Г'ГТ

шш. ■

I ГПТлг^

™ Ж

Икген (ьу'сут) 0,1

47,99 1

' (VI

максимальная ГС)

0,6

500 . \......V......V ; \\ _х

24,15

1

350

У\0Л --лулУ

Рис. 7. Номограмма для определения максимальной температуры в центре бетонного массива (1В03Дух= 20 "С, расход цемента 50-170 кг/м3, Эмах 120-350 кДж/кг, интенсивность бетонирования 0,1м/сут - 0,6м/сут)

1 3 22 10

350/ /

50/

ш

200 -

0.5

тсуг'

0.1 , 31,78

500 Л\\\\

чШрИк

353

\ \ \ \ / / \\\\1;

>> >\

Рис. 8. Номограмма для определения максимальной температурой в центре бетоннга массива (издух= 5 °С, расход цемента 200-350 кг/м3, Эмах 350-500 кДж/кг, интенсивное бетонирования 0,1м/сут - 0,6м/сут ) при ¿6л= 20м

Гс.тщииа. блок О.')

1 3

350/

Т укл ад к« б атона (:С) 22 10

ш

5=

200

а.../ / У

06"в16к,>'!уг>01 91.22

500 ' \.\ \ \ \ %.......

1 мак сям ап ьная

38. Ов

ехй_ёй

Ж

350-

шзэвш:

V \ \ \\\\Ч\\\Уч

, у 1у\ V \\\А,

1 \ *__;__V

Рис. 9. Номограмма для определения максимальной температурой в центре бетонного м сива (1в03дух= 20 °С, расход цемента 200-350 кг/м3, Эмах 350-500 кДж/кг, интенсивность бе нирования 0,1м/сут - 0,6м/сут ) при Ь6л= 20м

решать обратную задачу: по желаемой температуре в бетонном массиве определ возможные величины рассмотренных факторов. На рис. 6-7 представлены но! граммы для варианта укладки бетонного массива сплошными длинными слоями (т нология «укатанного» бетона), на рис. 8-9 - для варианта столбчатой разрезки (т нология вибрированного бетона) шириной столба 20 м.

В результате многолетней практики проектирования и инженерных расчетов ранее выработана (работы В.И.Телешева) доступная методика оценки возможного трещи-нообразования, которая дает приемлемые для предварительных расчетов результаты. Полученные результаты были использованы для предварительной оценки возможности трещинообразования для конкретных условий возведения. Даны рекомендации по составу бетона и технологии его укладки, которые позволят избежать температурного трещинообразования.

В четвертой главе приведены результаты исследований в пространственной постановке температурного режима и термонапряженного состояния бетонных массивно - контрфорсных плотин на примере Канкунской ГЭС (Россия) и гидроузла Лай Чау (Вьетнам).

Канкунский гидроузел проектируется в суровых климатических условиях: среднегодовая температура воздуха составляет -8,5°С, минимальные температуры в зимний период достигают в январе -33°С (среднемноголетние значения) при абсолютном минимуме -60°С, продолжительность периода с отрицательными температурами в течении года составляет 7 месяцев. Высота плотины -225 метров. В таких условиях большое значение в обеспечении надежной и безопасной работы бетонной массивно-контрфорсной плотины имеет температурный режим конструкции и вызванное им термонапряженное состояние конструкции. Для определения температурного воздействия на бетонную массивно-контрфорсную плотину была разработана объемная численная модель температурного режима системы «секция плотины-основание». В результате решения температурной нестационарной задачи получено температурное поле расчетной области для любого расчетного момента времени и возможных значений температурных воздействий (температуры воздуха, воды водохранилища и нижнего бьефа). На следующем этапе полученные величины температурной функции были использованы для определения температурных деформаций и напряженного состояния конструкции. Фрагмент сетки МКЭ исследуемой области представлен на рис. 10.

При решении температурной задачи применительно к секции бетонной массивно-контрфорсной плотины рассматривалось четыре расчетных случая: • строительный случай - рассматривался температурный режим возведенной 1-ой очереди плотины при наполненном до отметки 510.0 м водохранилище. При этом низовой оголовок плотины возведен до отметки 428,0, межсекционная полость не закрыта и поверхность бетона внутри полости контактирует с воздухом, имеющим внешнюю температуру.

С«тхахгнечкых «кмгяк» для хяшерахуршх расчетсв сзхшга ей вжмиздШкунсизго гидроузла:

£-1ИЛ Ьетевихски гатотккы :-¿щоч-^едивозв«саяия

гэеток егкиии ипогккьЕ 2 ■ой оч«рас и воз£«дгя»м

Батон с*хшги пяс-тика 3-ой ©тзргвн еегеггеяня

[ 1 Поросы оежкшке

• эксплуатационный случай - плотина возведена полностью, водохранили наполнено.

При решении температурной задачи эксплуатационного периода рассматривало три расчетных схемы:

• секция плотины без устройства теплоизоляционных перегородок в межсекг онной полости;

• ^ секция плотины с устройством теплоизоляционных перегородок в межсек онной полости вдоль верхового и низового оголовков; |

• секция плотины с устройством теплоизоляционной перегородки в межсек» онной полости вдоль верхового оголовка.

Для каждой из расчетных схем рассматривалось пять расчетных случаев для э плуатационного режима:

- без обогрева межсекционной полости - плотина возведена полностью, водохра! лище наполнено;

- с обогревом межсекционной полости продолжительностью 10 суток (первая де тидневка января) интенсивностью обогрева 0,01 ккал/м3*час;

- с обогревом межсекционной полости продолжительностью 10 суток (первая де тидневка января) с интенсивностью обогрева 0,02 ккал/м3*час;

- с обогревом межсекционной полости продолжительностью 1 месяц (январь) с и тенсивностью обогрева 0,01 ккал/м3*час;

- эксплуатационный случай с обогревом продолжительностью 1 месяц (январь) с и тенсивностью обогрева 0,02 ккал/м *час.

В результате решения температурной задачи получено распределение те! пературной функции в рассматриваемой секции массивно-контрфорсной плотия для каждого из расчетных случаев на расчетные моменты времени (середина каждо

16

месяца). Изохромы температурных полей для варианта полости без внутреннего обогрева на наиболее холодный момент времени 15 марта, полученные в результате решения температурной задачи представлены на рис. 11.

-К ОО ... >«0.00

Шкала температуры

.„-*.«"» ... .»да о оо .1

Рис. 11. Распредглйккг хеяткрзгуры в сйззп: оетокней кентрфергзая пютиеы на «1-1 п<? межегиввжнохгу шву; б— сечеккг2-2 по оси ежики:

времени 25 кгртз в жеггтуатациен ны и период: горизсвгз.тькс-е сечекке кз отагггк« 507.

Эксплуатационный случай для варианта без устройства теплоизоляционных перегородок без обогрева межсекционной полости. В этом расчетном случае межсекционная полость закрыта, доступ наружного воздуха в нее блокирован. Изменение температуры воздуха в пределах межсекционного шва происходит за счет проникновения наружных температур через бетон сооружения и конвективного теплообмена на поверхности сооружения. Температурный режим для этого варианта бетонной плотины характеризуется следующим (рис.10). Температура бетона в пределах верхового оголовка (за исключением зоны переменных уровней) и большей части контрфорса исключая низовое перекрытие в течении года практически не изменяется. Верховой оголовок и часть контрфорса к нему примыкающая находятся под воздействием положительных температур: от 4,0 °С на верховой грани до 0,0 °С на низовой грани. Большая часть контрфорса охлаждена до отрицательных температур в интервале от 0,0 °С до -4,0 °С вблизи низовой грани. В области контрфорса, примыкающей к низовому перекрытию отрицательные температуры достигают величин от -4,0 °С до -8,0 °С. В переделах низового оголовка происходят сезонные температурные колебания, в результате которых температура вблизи низовой грани колеблется с почти такой же амплитудой, как и температура воздуха: от -32,6 °С в январе до 15,7°С в июле месяце. На низовом оголовке температура изменяется от -17.8°С на низовой грани плотины до -6,7°С - -7,0°С со стороны межсекционного шва. В межсекционной полости средняя температура воздуха составляет -1,7°С.

После применения электрообогрева в течении первой десятидневки марта средняя температура воздушной полости повышается до -0,3 °С (с интенсивностью 0,01 ккал/м3*час) и до 0,12°С (с интенсивностью 0,02 ккал/м3*час).

Увеличение периода обогрева до 1 месяца позволяет еще в большей степени

Гт^нГГ™ Г^ В П0Л0СТИ' БЫЛ° П°Ка3аН0' ™ ^ ^ительно™,

(в течение 3 месяцев) в низовом напорном перекрытии происходит увеличение

ХГГ ПвРеПаДа' И' ^ СЛеДСТВИ6' во—«не в низовом ог^ловк" ' тальных растягивающих напряжений до 1,6 МПа. Чрезмерный обогрев может Э

ГпсаНпоРЯЖеНН°е С°СТ0ЯНИе В пРи™ой зоне: в средней части но" шириГко форса появляются горизонтальные растягивающие напряжения до 0,8 МПа Та образом, благоприятного температурного режима бетонной плотины с воздуш'

лоизоТио °ЖН0 ДОбИТЬСЯ ПУТ6М НеСЛ0ЖНЫХ —дивных элементов в вид^! ГГГГ* СТеН0К И ИСКУсственн°™ обогрева межсекционной полости, зад, необходимую интенсивность и продолжительность обогрева. Полученные реулТт решения температурной задачи использовались при определений напряженно

1ГоИлРе°еВГОГ° С0СТ°ЯНИЯ ПЛ0ТШЬ1' ЧТ° П°ЗВ0ЛИЛ°^л! °конч^льные «

наиболее благоприятном температурном режиме конструкции

Для оценки напряженно-деформированного состояния конструкции были пров= ны расчеты термонапряженного состояния секции плотины™ры нормаль, напряжении, полученные от действия температуры на момент наибольшего о2 ния 15 марта показаны на рас. 12. Полученные результаты позволяют отметить -

гГсТг6 А ГСП0"0" °ГОЛОВКе УР°ВеНЬ г°Ризонтальных напряжений ах близок к н (рис. 12,а). В средних сечениях контрфорсов возникают незначительные сжимаю напряжения в интервале от -0,14 Мпа (на отметке 513,5) до -0,26 (на отметке 432 Вдоль низовои грани по низовому оголовку возникают растягивающие напржке Ох в пределах 0,08 - 0,5 Мпа. ф Же

По программе

По программе

обогревиоздушнойиолосш.1

Вертикальные растягивающие термонапряжения су (рис. 12,6) на низовой грани изменяются в диапазоне 0,83 МПа - 1,42 МПа, в напорном оголовке они изменяются от 0,61 МПа до 0,5 МПа. Также была дана оценка суммарного НДС от действия всех основных нагрузок, которая показала хорошую работоспособность конструкции. В рамках данной работы были проведены численные исследования бетонной мас-сивно-контрфорсной плотины гидроузла Лай Чау (Вьетнам) высотой 115 метров, имеющей заложение верховой напорной грани 1:0.4 и низовой грани 1:0.5.

В результате решения трехмерной нестационарной температурной задачи был определен квазистатический температурный режим бетонной массивно-контрфорсной плотины Лай Чау ГЭС. Шаг по времени принимался равным 720 часов. Результаты температурных расчетов на момент времени 15 марта (наибольшее охлаждение) показаны на рис. 13.

[-—с

Шкала температуры

(Г! '

_о.м _«.»

-КМ „«.« . *» «.V,

_4Мв -ИМ -21.® -.3.»

Рве. 13. Рквдаеквю т:;шграгуры в «вот «тонкой контрфорснох глоганы на момехт цхнгш марта четвертого гола в з период: а— сечеЕие!-1 со жкеекцаонному шву; о— сечение2-2 ло осе еешт; в — горизонтальное сечение на отметке 246,2 м.

Результаты проведенных расчетов термонапряженного состояния плотины показали относительно невысокий уровень возникающих температурных напряжений. В течении года происходят небольшие изменения температурных напряжений, что обусловлено климатическими особенностями района строительства. Растягивающие напряжения оу достигают максимума 0,3 МПа (в сечениях контрфорса со стороны низовой грани для момента времени 15 марта), что дает суммарное сжатие от полного сочетания нагрузок. Расчеты показывают целесообразность возведения массивно-контрфорсной плотины в условиях Вьетнама.

Общие выводы

1. Усовершенствована методика и программы расчета в пространственной постан ке температурного режима (с учетом экзотермического разогрева бетона) и термо пряженного состояния бетонных плотин. Использование в этих расчетах единой тодики (метод конечных элементов в локально-вариационной постановке) и оди ковых приемов аппроксимации расчетной области позволяет легко совмещать ре ние этих двух задач. Решение тестовых задач показало хорошую сопоставимость лучаемых результатов, с решениями аналитических и уже апробированных мегодо

2. На основе усовершенствованной методики выполнены исследования темпера ного режима послойно наращиваемого бетонного массива для двух наиболее ча используемых схем возведения массивных бетонных плотин и в частности, массив контрфорсных плотин: схема бетонирования сплошными длинными блоками (при нительно к технологии «укатанного» бетона) и возведение по схеме столбчатой р резки (применительно к технологии вибрированного бетона).

3. Использование методики факторного анализа позволило проанализировать вл ние основных действующих на формирование температурного режима факторов, лучены зависимости для определения максимальных температур, возникаюпд глубине бетонного массива при его возведении для рассмотренных технологичес схем.

4. На основе результатов факторного анализа построены номограммы, позволяю на предварительных этапах давать оценку возможного температурного режима п тины в строительный период. Также с их помощью возможно решение обратной дачи: по величине желаемой максимальной температуры внутри бетонного мае« определять необходимые для этого величины рассмотренных факторов.

5. Выполнены численные исследования в пространственной постановке температ ных режимов и термонапряженного состояния бетонных массивно-контрфорсн плотин проектируемых Канкунской ГЭС и гидроузла Лай Чау (Вьетнам). Показ возможность регулирования температурных режимов с целью получения благоп ятного напряженно-деформированного режима сооружения с учетом основных д ствующих нагрузок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующей работе авто

1. Анискин H.A., Нгуен Хоанг. Температурный режим бетонной массив плотины с воздушной полостью в суровых климатических условях// Вест МГСУ. 2012 №12, с. 212-218.

2. Анискин H.A., Нгуен Хоанг. Прогноз трещинообразования бетонных м сивных плотин при возведении в суровых климатических условиях // Ве ник МГСУ. 2014 №8, с. 165-178.

Формат 60x90/16. Заказ 5638. Тираж 100 экз. Усл.-печ. л. 1,0. Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов. Опечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Лениский пр. 42, тел. (495)774-26-96