автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Сейсмостойкость и надежность грунтовых плотин в суровых климатических условиях

РГ6 од

/ О Ш11 ¿«ВСЕРОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ / НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ

имени Б. Е. ВЕДЕНЕЕВА

На правах рукописи

ФИНАГЕНОВ

Олег Михайлович

СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ГРУНТОВЫХ плотин В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 05.23.07—Гидротехническое и мелиоративное

строительство

А вт ореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

19 9 3

Работа выполнена во Всероссийском государственном научно-исследовательском институте гидротехники имени Б. Е. Веденеева.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шульман С. Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бухарцев В. Н., кандидат технических наук Радченко В. Г.

Ведущая организация: ПИИ «Ленгидропроект».

на заседании специализированного совета Д. 144.03.01 во Всероссийском государственном научно-исследовательском институте гидротехники имени Б. Е. Веденеева по адрес у: 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Защита состоится

1993 г. в « » часов

Автореферат разослан

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

ИВАНОВА

-к-

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из основных проблем, возникающих при строительстве и эксплуатации гидроузлов в сейсмически активных районах с суровым климатом, является проблема сейсмостойкости и надежности, плотин из грунтовых материалов.

В настоящее время отсутствуют нормативные документы, в полной мере учитывающие специфику строительства и эксплуатации грунтовых плотин на Севере. Однако для обеспечения надежности сложных и ответственных природно-технических систем, каковыми являются грунтовые плотины и создаваемые ими водохранилища, необходимо обоснование принимаемых технических решений, важной составляющей которого должен стать комплексный анализ надежности системы с учетом различных, часто трудноопределимых факторов: нагрузок и воздействий на сооружение; свойств материалов и грунтов; условий эксплуатации и т.п.

Целью диссертационной работы является разработка приближенной методики оценки сейсмостойкости и надежности грунтовых плотин, возводимых в районах с суровым климатом. Основные задачи исследования:

- оценка сейсмостойкости грунтовых плотин в северных районах с учетом их температурно-влажностных режимов;

- оценка возможности использования льдогрунтового динамического гасителя сейсмических колебаний (ДГК) для повышения сейсмостойкости грунтовых плотин;

- оценка возможности пропуска паводковых расходов через ледовые водосбросы;

- оценка эффективности и влияния на надежность грунтовых плотин новых конструктивных решений (льдогрунтового ДГК и ледового водосброса);

- разработка методики оценки надежности грунтовых плотин

-л-

с учетом случайных факторов в рамках системного подхода.

Научная новизна.

1. Предложена методика оценки сейсмостойкости и надежности грунтовых плотин в суровых климатических условиях.

2. В рамках разработанной методики решены следующие задачи:

- задача оценки сейсмостойкости грунтовых плотин с учетом их температурно- влахностных режимов в рамках линейно-спектральной теории (в детерминистической и вероятностной постановках);

- задача оценки влияния льдогрунтового дгк на сейсмостойкость грунтовых плотин (в детерминистической и вероятностной постановках);

- задача взаимодействия высокоскоростного паводкового потока с ледовым водосбросом (в детерминистической и вероятностной постановках);

Практическое значение работы. Разработанная методика оценки сейсмостойкости и надежности грунтовых плотин в суровых климатических условиях может быть использована для оценки сейсмостойкости и проектной надежности грунтовых плотин, возводимых в сейсмически активных районах севера и северо-востока России. Ее применение позволит уже на стадии проектирования выявить слабые или имеющие чрезмерный запас элементы плотины с учетом комплекса случайных факторов.

Практическая реализация работы. Материалы диссертации использовались при расчетах сейсмостойкости и надежности грунтовых плотин Тельмамской и Усть-Среднеканской ГЭС, а также в проекте технологических правил по возведению сооружений из льда и льдокомпозитных материалов.

На защиту выносятся:

- методика оценки сейсмостойкости грунтовых плотин в се-

-з-

верных районах с учетом их температурно-влажностных режимов;

- использование льдогрунтового ДГК для повышения сейсмостойкости грунтовых плотин;

- использование ледовых водосбросов для пропуска паводковых расходов;

- методика оценки надежности грунтовых плотин в северных районах с учетом комплекса случайных факторов;

- решения частных детерминистических и вероятностных задач по оценке сейсмостойкости грунтовых плотин, эффективности льдогрунтового ДГК, взаимодействия паводкового потока с ледовым водосбросом.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на:

- Всесоюзном научно-техническом совещании "Инженерное мерзлотоведение в гидротехнике" - ИМГТ-88 (Москва, 1988);

- Всесоюзной научно-техническом совещании "Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый и термический режим рек и окружающую среду" - Лед-89 (Дивногорск, 1989);

- координационном совещании "Математическое моделирование в гидроэкологии" (Ленинград, 1990);

- всесоюзной конференции "Методы математического моделирования в задачах охраны природной среды и экологии" (Новосибирск, 1991);

- всесоюзном научно-техническом совещании "Будущее гидроэнергетики. Основные направления создания гидроэлектростанций нового поколения" (Дивногорск, 1991);

- секции оснований и грунтовых сооружений Ученого Совета ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева (Санкт-Петербург, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (121 наименование); со-

-k-

держит ill страниц основного текста, 25 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы по разработке методики оценки сейсмостойкости и надежности грунтовых плотин в районах с суровым климатом.

В первой главе рассматриваются основные конструктивные решения плотин из грунтовых материалов в северных климатических районах. Приводятся примеры организации пропуска строительных расходов при сооружении гидроузлов на северных реках. Рассматривается влияние температуры на физико-механические свойства грунтов. Приводятся существующие методы оценки сейсмостойкости грунтовых плотин и дается вероятностный подход к оценке их надежности. Формулируются основные задачи исследования.

В настоящее время определились два метода строительства грунтовых плотин в северных климатических районах: с сохранением грунтов основания и тела плотины в мерзлом состоянии и с допущением их оттаивания, т.е. соответственно мерзлый и талый тип плотин. При выборе типа плотины необходимо учитывать, что ее напряженно-деформированное состояние при землетрясении во многом зависит от свойств грунтов (талых и мерзлых), слагающих тело плотины.

Деформационные и прочностные свойства грунтов под влиянием промерзания значительно меняются из-за цементации минеральных частиц льдом. При этом в несколько раз повышается их прочность (сцепление, сопротивление сдвигу, сжатию и растяжению) , и тем больше, чем ниже температура грунта, оттаивание грунтов влечет за собой обратный процесс, когда деформационные и прочностные свойства грунтов резко снижаются.

В условиях неравномерного стока северных рек схема про-

пуска их расходов в период строительства и накопления водохранилища является одним из сложнейших вопросов, ответ на который определяет не только общую компоновку гидроузла, но и методы производства работ, что в свою очередь существенным образом влияет на выбор типа плотины.

Проблемы, связанные с проектированием и строительством грунтовых плотин в северных климатических районах, отражены в трудах Е.Н.Батенчука, А.К.Битюрина, Г.Ф.Биянова, П.А.Богословского, О.К.Воронкова, Н.Ф.Кривоноговой, Я.А.Кроника, В.Л.Купермана, Н.А.Мухетдинова, Ю.Н.Мызникова, С.И.Панова, Ю.П.Правдивеца, Л.Н.Рассказова, А.В.Февралева, Н.А.Цытовича и многих других.

В соответствии с действующими нормами основным методом расчета сооружений на сейсмические воздействия является спектральный метод. В последние годы значительное развитие получили методы оценки необратимых деформаций гидросооружений, которые обусловлены изменением свойств грунтов под влиянием землетрясения, а также смещениями сейсмически неустойчивых призм обрушения по фиксированным поверхностям скольжения или переформированием откосов из несвязных грунтов при сейсмических воздействиях, задаваемых акселерограммами землетрясений.

Существующие методы оценки сейсмостойкости грунтовых плотин обычно основываются на детерминистической расчетной модели без учета существенной неполноты исходной информации о параметрах воздействия, деформационных и прочностных характеристиках грунтов и т.п. Путь преодоления этого несоответствия - последовательное использование представлений и .методов теории надежности сооружений, позволяющей связать вероятностные характеристики параметров воздействия и сооружений с вероятностными характеристиками величин, определяющих состояние системы.

Вопросы надежности сооружений, оснований и конструкций нашли свое отражение в работах М.Ф.Барштейна, В.В.Болотина, И.И.Гольденблата, Э.Г.Газиева, Н.Н.Ермолаева, В.Д.Костюкова.

А.П.Кудзиса, Б.П.Макарова, Ц.Е.Мирихулавы, В.В.Михеева, Ш.Г.Напетваридзе, Н.А.Николаенко, В.Л.Райзера, А.Р.Ржаницына, А.П.Синицына, Н.С.Стрелецкого, Н.Ф.Хоциалова, л.Н.Хрусталева, С.Г.Шульмара, Г.Аугусти, А.Баратты, К.Клейна, С.Корнелла, Л.Ламберсона, А.Майера, Н.Ньюмарка, Э.Розенблюэта, А.Фрейден-таля и других.

Развитие вероятностных методов оценки надежности применительно к грунтовым гидротехническим сооружениям получило в работах Т.С.Атраховой, Л.В.Горелика, И.Н.Иващенко, В.М.Лятхе-ра, А.А.Можевитинова, В.С.Пепояна, Л.Н.Рассказова, Н.П.Розанова, д.В.Стефанишина, Л.А.Уварова, Ф.М.Шихиева, А.В.Школы, К.Бари, Е.Ванмарке, Ж.Маринье, П.Рислера, А.Сильвера, К.Уит-та, М.харра и других. Необходимо отметить, что, за редким исключением (работы Н.Н.Гераськина, В.М.Придорогина), в настоящее время отсутствуют исследования по оценке надежности грунтовых плотин, возводимых в суровых климатических условиях.

Вероятностный подход к оценке надежности грунтовых плотин в сейсмически активных районах с суровым климатом позволяет учесть имеющуюся неполноту исходной информации о параметрах сейсмического воздействия и вариабельность характеристик грунтов, зависящую, кроме всего прочего, и от темпера-турно-влажностного режима основания и тела плотины.

Для оценки надежности грунтовых плотин в суровых климатических условиях предлагается использовать системный подход, основанный на синтезе положений и методов теории надежности сооружений, конструкций, оснований и природных объектов и методов теории надежности сложных технических систем. В соответствии с вышесказанным, были поставлены следующие основные задачи диссертации:

- развить методы решения частных задач оценки сейсмостойкости и надежности грунтовых плотин с учетом особенностей их возведения в суровых климатических условиях;

- на основе синтеза частных задач разработать единую методику оценки сейсмостойкости и надежности грунтовых плотин в

суровых климатических условиях;

- оценить эффективность и определить влияние на надежность грунтовых плотин новых конструктивных решений: ледового водосброса и льдогрунтового ДГК.

Во второй главе рассматриваются проблемы, возникающие при возведении плотин из грунтовых материалов в сейсмически активных районах северной строительно-климатической зоны, производится оценка сейсмостойкости плотин в рамках линейно-спектральной теории и расчет плотин на заданную акселерограмму.

Строительство крупных гидроузлов в сейсмически активных районах с суровым климатом приводит к деградации криогенного состояния многолетнемерзлых грунтов оснований, снижению их прочностных и деформационных характеристик, а также к увеличению сейсмичности площадок строительства и увеличению повторяемости землетрясений.

Одновременно с процессами деградации криогенного состояния грунтов оснований развиваются процессы образования льдог-рунтовых зон в пригребневых областях и низовых призмах грунтовых плотин. Причем интенсивность этих явлений в значительной степени определяется как среднегодовыми, так и сезонными климатическими условиями. Указанные выше факторы оказывают существенное влияние на сейсмостойкость грунтовых плотин и должны учитываться в расчетах.

Согласно действующим нормам при проектировании плотин из грунтовых материалов в сейсмических районах должна производиться проверка их прочности и устойчивости на условные статические нагрузки в рамках линейно-спектральной теории. При проверке устойчивости откосов коэффициент Кв находится путем сопоставления состояния откоса с предельным, которое характеризуется одновременным возникновением во всех точках заданной поверхности оползания предельных касательных напряжений.

В качестве примера приводится расчет устойчивости откосов грунтовой плотины тельмамского гидроузла на р.мамакан

при землетрясении интенсивностью 8 баллов. Оценка устойчивости откосов плотины в случае полностью талого состояния показала, что по сейсмической устойчивости откосы удовлетворяют требованиям действующих норм. Далее, проводилась оценка устойчивости откосов плотины с учетом температурно-влажност-ного режима сооружения. Причем, рассматривалось два варианта: а) конец лета - наименьшее льдообразование в теле плотины; б) конец зимы - наибольшее льдообразование в теле плотины, оценка устойчивости откосов плотины в случае наибольшего льдообразования показала, что минимальные коэффициенты запаса как верхового, так и низового откосов, возросли по сравнению с полностью талой плотиной. Это объясняется увеличением прочностных характеристик мерзлых грунтов. Оценка устойчивости откосов плотины в случае наименьшего льдообразования показала , что минимальный коэффициент запаса верхового откоса удовлетворяет требованиям действующих норм проектирования, низового откоса - не удовлетворяет, что объясняется наличием "слабых" зон оттаявшего грунта в низовой призме плотины.

Все расчеты проводились на ЭВМ ЕС-1066 с использованием вычислительного комплекса МРЕ (Ю.Н.Ефимов, Л.Б.Сапожников. Программный комплекс расчета сооружений и оснований методом конечных элементов для ЕС ЭВМ /шифр МРЕ/.-л.: ВНИИГ, 1987).

При расчете плотины на заданную акселерограмму в качестве модели грунта использовалась вторая модификация модели С.С.Григоряна, позволяющая учесть пластические деформации сдвига не только в предельном, но и допредельном состоянии грунта. Уравнения состояния используемой модели совместно с соотношениями, связывающими компоненты тензора деформаций и компоненты вектора перемещений, а также уравнениями движения, граничными и начальными условиями, образуют полную систему уравнений, описывающих поведение плотины при сейсмических воздействиях.

Далее, для трех разных случаев (полностью талая плотина, плотина с наибольшим льдообразованием, плотина с наименьшим льдообразованием) на примере грунтовой плотины Тельмамской

ГЭС решалась динамическая задача при начальных условиях, соответствующих статическому напряженному состоянию грунта в плотине; граничных условиях, заданных горизонтальным движением подошвы плотины и при нулевых значениях напряжений на ее контуре. Задача решалась численно с использованием ЭВМ ЕС-1066.

Полученные результаты показали, что динамика ледяных включений в теле грунтовой плотины существенным образом влияет на пластические свойства грунтов и поведение сооружения при землетрясении. Причем, наиболее неблагоприятным случаем является случай, когда происходит оттаивание ледяных включений, при этом наблюдаются наибольшие пластические деформации в теле плотины.

В третьей главе рассматриваются пути повышения сейсмостойкости грунтовых плотин; дается предварительная оценка эффективности льдогрунтового дгк и оценка сейсмостойкости грунтовых плотин с ДГК.

Традиционный путь повышения сейсмостойкости грунтовых плотин - это развитие площади поперечного сечения сооружения за счет увеличения ширины гребня и запаса высоты плотины над уровнем воды, уменьшения крутизны ее откосов. Наиболее перспективными являются антисейсмические конструктивные мероприятия, направленные на изменение динамических характеристик и сопротивляемости сооружения в целом.

Для повышения сейсмостойкости грунтовых плотин в северных районах предлагается льдогрунтовый динамический гаситель сейсмических колебаний, представляющий собой верхнюю часть плотины, омоноличенную льдоцементными связями.

Качественная оценка влияния ДГК на поведение плотины при сейсмическом воздействии может быть дана при рассмотрении системы грунтовая плотина - льдогрунтовый ДГК в виде дискретной двухмассовой системы, состоящей из защищаемого объекта (плотины) массой и квазиупругим коэффициентом С(, а также льдогрунтовым ДГК массой гт\, и квазиупругим коэффициентом С.

Предлагается (в качестве одного из возможных) следующий способ определения коэффициентов С( и Сд:

О ■> о

где - соответственно низшая собственная частота пол-

ностью талой грунтовой плотины и низшая собственная частота этой же плотины, омоноличенной льдоцементными связями.

Из решения системы уравнений движения рассматриваемой двухмассовой системы находятся выражения для крайних частот ОДм и/У/мх диапазона, в котором происходит гашение колебаний:

\

( 2 )

СО,

_ т)^ 4.

'Ж & ~

Л+Ш.

ГП4

обглч пч

Л* ^ пи

для конкретного сооружения, варьируя величинами С{ , С^, /П^ , гА^ , можно добиться того, что преобладающие частоты сейсмического воздействия(характерного для данной площадки строительства) попадут в диапазон частот от тем

самым, произойдет гашение колебаний плотины.

Варьирование квазиупругого коэффициента гасителя колебаний может производиться не только за счет изменения его размеров, но и путем подбора необходимого коэффициента ль-дистости VI. Была проведена серия экспериментальных исследований /эксперименты выполнялись Л.А.Дмитриевой при участии автора/ по определению зависимости^д^^мичеосого модуля упругости Е грунта от коэффициента*1^ "V"" «г. Результаты испытаний позволяют предположить следующую зависимость:

п

где £6, £г - соответственно динамический модуль упругости при

К = 0 и I = 1; п- показатель степени (п > 0).

Значение показателя степени п в значительном мере зависит от характера связей, обусловленных сцеплением льда с минеральными частицами во внутрипоровых пространствах.

Оценку влияния льдогрунтового ДГК на сейсмостойкость грунтовой плотины необходимо проводить с использованием динамических методов. Это объясняется сугубо динамическим характером работы ДГК, и любые квазистатические методы не могут учесть влияния гасителя на поведение плотины при землетрясении.

В качестве критериев сейсмостойкости могут быть рассмотрены следующие:

1) максимальной остаточной горизонтальной деформации в теле плотины (расчетная область й)

2) средней остаточной горизонтальной деформации по зоне 01 области 0, нормированной по площади Ф

3) максимального значения второго инварианта тензора пластических деформаций

( 4 );

( 5 );

( б );

4) средней остаточной деформации по контуру плотины (кроме основания)

где к - множество точек контура; I - линейный размер, по которому проводится нормирование;

5) максимальной осадки гребня плотины И, которая не должна превышать запас уровня верхнего бьефа

для исследования влияния льдогрунтового дгк на сейсмостойкость грунтовой плотины (на примере плотины Тель-мамской ГЭС) на ЭВМ ЕС-1066 решалась динамическая задача, поставленная во второй главе. Сейсмическое воздействие задавалось в виде синусоидального импульса скорости с амлитудой Ау = 0,7 м/с и длительностью т = 2,0 с. В результате было получено, что использование льдогрунтового дгк приводит к снижению остаточных деформаций плотины при землетрясении в 14-20 раз (в зависимости от применяемого критерия сейсмостойкости).

В четвертой главе рассматриваются конструкции ледовых водосбросов; даются определение скорости оттаивания ледового водосброса и определение коэффициента теплообмена паводкового потока с ледовым водосбросом; описываются мероприятия, снижающие скорость оттаивания ледовых водосбросов.

Использование ледовых водосбросов для пропуска паводковых, строительных, эксплуатационных расходов позволит создать

( 7 )

( 8 )

-я-

принципиально новые компоновочные решения, в которых возможно частично или полностью отказаться от дорогостоящих туннельных водосбросных сооружений, полностью отказаться от крепления из сборных железобетонных плит поверхности грунтового сооружения при пропуске паводка поверх недостроенной плотины, что позволит в целом обеспечить существенное сокращение сроков строительства гидроузлов и значительный экономических эффект.

При пропуске паводкового расхода через ледовый водосброс наиболее опасным для последнего является долговременное тепловое воздействие паводка, которое может привести к преждевременному стаиванию ледовой оболочки и размыву тела плотины.

Определение скорости оттаивания в первом приближении ведется путем решения одномерной задачи теплопроводности по координате, нормальной к поверхности водосброса. По двум другим координатам проводится осреднение. Температура паводкового потока То считается пос.^лнной и неизменной по длине водосброса и толщине самого потока. Так как ледовый водосброс не должен полностью оттаять до окончания паводка (в противном случае произойдет размыв тела плотины), то это дает возможность рассматривать ледовую оболочку как полубесконечную область, в глубине которой (на бесконечности) температура не меняется, оставаясь равной некоторому известному значению Тс. Считается, что на границе поток - лед существует пограничный слой, внутри которого температура изменяется от величины То до температуры плавления льда Тпл. Решение поставленной одномерной задачи теплопроводности дает следующее выражение для скорости оттаивания ледового водосброса:

N ЪО Г,, Хг

где , - соответственно коэффициент температуропроводности льда и воды; , - соответственно коэффициент теплопроводности льда и воды; Р. - плотность льда; Ь - скры-

-4к~

тая теплота плавления льда;А - толщина пограничного слоя.

Для реальных значений величин, входящих в формулу (9), допустимо (с погрешностью всего в несколько процентов) использовать при определении скорости оттаивания упрощенное выражение:

7= -;--(Ю).

При решении одномерной задачи теплопроводности с граничным условием третьего рода на границе поток - лед, выражение для скорости оттаивания получается следующим:

Лг Д (Н).

I*

где 9 - относительный коэффициент теплообмена между паводковым потоком и ледовой оболочкой.

Таким образом, устанавливается связь между параметрами 4 и 6: Л = в'< ■ В дальнейших исследованиях в рассмотрении оставляется параметр &.

Определение коэффициента в ведется путем решения задачи идентификации выбранной математической модели с использованием метода функций чувствительности. При этом по коэффициенту в минимизируется целевая функция:

Л. * /—. ~г*\1

где То..] - температура ледовой оболочки, полученная из решения прямой задачи теплопроводности, в момент времени в

точке 0С|-; - температура, замеренная в этой же точке в

тот же момент времени.

Считается, что известно некоторое приближенное значение коэффициента $, равное $Для определения следующего прибли-функция ) разлагается в ряд в окрестности

величины б5 с точностью до членов второго порядка малости. Полученное выражение подставляется в производную целевой функции по параметру $ . В итоге получается следующая формула итерационного процесса:

>1

е *е

\ 1=1 л-1__

и. М ]

(13).

пГ ^

где — ^ д" - функция чувствительности. В качестве критерия завершения итерационного процесса может быть использовано следующее неравенство:

1 (14),

где V - заданная величина погрешности. Аля проверки сходимости итерационного процесса и определения влияния точности замеров температуры ледовой оболочки на точность определения коэффициента 0 была решена серия тестовый задач, которые показали, что при замерах без погрешности наблюдается хорошая сходимость итерационного процесса к точному значению коэффициента 6 ; при замерах с погрешностью 10% наблюдается хорошая сходимость итерационного процесса к значению коэффициента 0, отличающегося от точного на 25-37%, в зависимости от коли-

чества замеров.

Экспериментальные (подготовка и проведение экспериментов осуществлялись г.А.Чупиным и Т.В.Гавриленко при участии автора) и теоретические исследования показывают, что скорость оттаивания ледовых водосбросов достигает величин, больших 20 см/ч, при скоростях паводкового потока свыше 5 м/с. Из этого видно, что необходимы мероприятия, значительно снижающие скорость оттаивания ледового водосброса. Одним из возможных способов снижения скорости оттаивания является применение термоизоляционных покрытий, которые наносятся на поверхность и вмораживаются внутрь ледового водосброса. В этом случае скорость оттаивания определяется следующим образом:

где }>, £ - соответственно коэффициент теплопроводности и толщина термоизоляции.

Соответствующим подбором величин Л и £ можно добиться снижения скорости оттаивания до допустимых значений. Использование данной схемы защиты ледового водосброса не позволяет оперативно реагировать на изменение температуры паводка и его длительности. Поэтому при продолжительных паводках возможно применение регулирования температуры поверхности ледового водосброса, контактирующей с защищаемым грунтовым сооружением, в зависимости от температуры и длительности паводка. В этом случае выражение для установившейся толщины ледовой оболочки водосброса определяется следующим образом:

(15),

где

Кт

"Тпл ~

(17),

Тгр - регулируемая температура нижней границы водосброса. Для сохранения постоянной толщины ледовой оболочки необходимо при повышении температуры паводкового потока То снижать температуру нихней границы водосброса Тгр так, чтобы коэффициент Кт оставался постоянным.

В пятой главе рассматривается общая схема оценки надежности плотины, оценка надежности ледового водосброса, вероятностная оценка эффективности льдогрунтового ДГК и пример оценки надежности плотины на основе системного подхода.

Основными факторами, определяющими надежность грунтовых плотин в суровых климатических условиях, являются: 1) температурные режимы плотины; 2) изменчивость показателей свойств материалов и грунтов, слагающих тело плотины и ее основание; 3) воздействие фильтрации; 4) работоспособность водосбросов; 5) сейсмичность района строительства и др.

Для оценки полной вероятности О разрушения грунтовой плотины предлагается использовать методы теории надежности сложных технических систем, причем необходимо учитывать возможность стохастических связей между различными отказами. Однако , если они вызываются различными причинами, то обычно такие отказы считают независимыми (в запас). В этом случае выражение для полной вероятности отказа грунтовой плотины имеет следующий вид:

где 01 - расчетная вероятность л.-го отказа плотины, ведущего к ее разрушению.

Порядок расчета и оценки надежности грунтовых плотин в рамках системного подхода может быть следующим:

(18),

с

-а- выявляются основные факторы и параметры, определяющие надежность сооружения; устанавливаются возможные отказы, ведущие к разрушению плотины;

- определяются вероятностные характеристики нагрузок и воздействий, показателей свойств материалов и грунтов, условий эксплуатации сооружения (повторяемость землетрясений, температурные режимы сооружения и пр.);

- решаются частные задачи параметрической надежности сооружения и его основания и определяются вероятности отказов;

- выявляются стохастические связи между отдельными отказами;

- оценивается надежность сооружения.

далее в таком же порядке дается оценка надежности новых конструктивных элементов (ледового водосброса и льдогрунтово-го ДГК) и грунтовой плотины в целом.

Оценка надежности ледовых водосбросов ведется для двух случаев: при отсутствии и наличии регулирования температуры на нижней границе ледовой оболочки. В качестве случайных величин принимаются длительность паводка и его средняя температура. На основе существующих исследований (Ю.Б.Виноградов, Н.А.Картвелишвили и др.) считается, что эти величины подчиняются нормальному закону распределения. Задача решается методом прямой линеаризации. Получены следующие результаты:

^к-нф^'НЧ(Ы) "9>-

где Оп, Оа - соответственно вероятности отказа ледового водосброса при отсутствии и наличии регулирования температуры его нижней границы; 5 - допустимая глубина оттаивания ледового водосброса; I , Щ - математическое ожидание и стандарт глубины оттаивания ледового водосброса, определяемые методом прямой линеаризации; ¿Г, - допустимая толщина ледового водосброса ; Г? , - математическое ожидание и стандарт толщины

ледового водосброса, определяемые методом прямой линеариза-2. Си

ции; егГ(и) = ¿¡2 ~ функция ошибок.

С учетом отказа термоизоляционного покрытия и системы охлаждения (регулирования температуры нижней границы) вероятность отказа ледового водосброса имеет следующий вид:

(20),

где Ок - вероятность разрушения к-го слоя термоизоляции; ) - вероятность отказа системы охлаждения при условии, что отказало (1\ элементов этой системы; От - вероятность отказаГЯ элементов системы охлаждения.

Вероятностную оценку эффективности льдогрунтового ДГК предлагается осуществлять, используя соотношение

(2

Кэ =

ПА

<-2:ГК

(21),

где 0;,Г(< - вероятность несоблюдения критерия сейсмостойкости плотины с ДГК; Опл - то же для плотины без ДГК.

В качестве критерия сейсмостойкости может быть выбран один из критериев, введенных в гл.З (выражения (4)-(8)). Тогда

; Ом-РКмН]

где , \(ц - значение одного из критериев сейсмостой-

-¿С-

кости плотины с АГК и без ДГК соответственно; I/» - допустимое предельное значение этого критерия.

Значения и Опл определялись путем решения методом

прямой линеаризации динамической задачи сейсмостойкости, описанной во второй главе диссертации. Значения коэффициента эффективности ДГК для принятых критериев сейсмостойкости находятся в следующих пределах: Кэ = 15 - 20.

В качестве примера оценки надежности грунтовой плотины в суровых климатических условиях на основе системного подхода рассматривалась грунтовая плотина Тельмамской ГЭС. При оценке ее надежности учитывались решения частных вероятностных задач, представленных в диссертации. Учитывалось влияние теипе-ратурно-влажностного режима сооружения на его сейсмостойкость. Вероятность отказа плотины при землетрясении определялась двумя методами: квазистатическим и динамическим. Приведены сравнения значений полной вероятности отказа плотины, полученной с использованием системного подхода, для этих методов, а также для случаев учета и не учета температур-но-влажностного режима тела сооружения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена приближенная методика оценки сейсмостойкости грунтовых плотин в районах с суровым климатом.

2. В рамках предложенной методики на примере грунтовой плотины Тельмамской ГЭС проведены исследования ее сейсмостойкости с учетом температурно-влажностного режима тела сооружения в рамках линейно-спектральной теории и на заданную акселерограмму с применением упруго-пластической модели грунта.

3. Проведенные исследования показали, что образование и таяние ледяных включений в теле плотины существенным образом влияют на ее сейсмостойкость, причем расчет на заданное сейсмическое воздействие с использованием упруго-пластической модели грунта дает более неблагоприятный результат, так как в этом случае учитываются пластические свойства "слабых" оттаивающих грунтов.

4. Для повышения сейсмостойкости грунтовых.плотин'в районах с суровым климатом предложен льдогрунтовый динамический гаситель сейсмических колебаний.

На примере плоской модели грунтовой плотины Тельмамской ГЭС проведена оценка ее сейсмостойкости при заданном сейсмическом воздействии с использованием льдогрунтового дгк.

Проведенные исследования показали, что применение ДГК в 15-20 раз, в зависимости от применяемого критерия сейсмостойкости, повышает сейсмостойкость сооружения.

5. Предложено пропуск паводковых расходов в строительный период осуществлять через ледовые водосбросные устройства, намораживаемые поверх недостроенных плотин.

6. Для снижения скорости оттаивания ледовых водосбросов предложено использовать пассивную и активную схему защиты. Пассивная схема защиты представляет собой термоизоляционное покрытие, укладываемое на поверхность (или вмороженное внутрь) водосброса. При использовании пассивной схемы защиты скорость оттаивания может быть снижена в 10 и более раз, в зависимости от характера термоизоляции.

При активной схеме защиты кроме термоизоляции используется регулирование температуры нижней границы ледового водосброса в зависимости от температуры и длительности паводка. Это позволяет поддерживать толщину ледовой оболочки водосб-

роса постоянной на всей продолжительности паводка.

7. Предложена приближенная методика оценки надежности грунтовых плотин в сейсмически активных районах с суровым климатом. В основе предлагаемой методики лежит системный подход.

8. В рамках предложенной методики решен ряд частных задач оценки надежности грунтовых плотин, которые показали, что новые конструктивные решения (льдогрунтовый ДГК и ледовый водосброс) повышают надежность плотины в целом.

9. Предлагаемая методика оценки, надежности грунтовых плотин в районах с суровым климатом может быть применена на стадии проектирования, в частности, при сравнении вариантов.

основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Пропуск паводков через ледовые водосбросные устройства грунтовых и бетонных плотин. - Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1989, т.216, с.43-46 (соавторы В.И.Хорьков, Н.Ф.Кривоногова).

2. Управление скоростью оттаивания ледовых водосбросных устройств. - Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1989, т.216, с.47-50 (соавторы В.И.Хорьков, Н.Ф.Кривоногова).

3. Управление динамической реакцией грунтовых плотин с использованием динамических льдогрунтовых гасителей колебаний. - Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1989, т. 216, с.39-43 (соавтор В.И.Хорьков).

4. Идентификация относительного коэффициента теплообмена. - Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1990, т.221, с.94-97.

5. К оценке вероятности отказа ледового водосбросного устройства. - Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1991, т.225, С.76-79.

6. К оценке вероятности отказа льдогрунтового динамического гасителя колебаний. - Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, 1991, Т.225, С.79-83.

7. Оценка безопасности грунтовых плотин в сложных природных условиях на основе системного подхода // Тезисы докладов всесоюзной конференции: Методы математического моделирования в задачах охраны природной среды и экологии. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1991, с.102 (соавторы Д.В.Стефанишин, С.Г.Шульман).

8. Методы оценки надежности грунтовых плотин, возводимых в сложных природных условиях (системный подход) // Тезисы докладов к Всесоюзному научно-техническому совещанию: Будущее гидроэнергетики. - д.: ВНТОЭ, 1991, с.48-49 (соавторы Д.В.Стефанишин, В.И.Хорьков, С.Г.Шульман).

9. Ледовые водосбросы: Конструкции и расчетно-экспери-ментальные обоснования. - СПб: ВНИИГ, 1992, 48 с. (соавторы В.и.хорьков, С.Г.Шульман).

Тип. ¿ницг. 3 3.-й1 7 06 ^