автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Температурно-влажностное состояние и деформационное поведение каменно-земляных плотин с экраном в условиях Севера

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ Юрий Михайлович

ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОЕ СОСТОЯНИЕ И ДЕФОРМАЦИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН С ЭКРАНОМ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Специальность 05.23.07 — Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 НОЯ 2010

Санкт-Петербург 2010

004612086

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Панов Станислав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гольдин Александр Львович ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева» (Санкт-Петербург)

кандидат технических наук Щербина Владимир Иванович ОАО «НИИЭС» (Москва)

Ведущая организация

ОА'О «Ленгидропроект» (Санкт-Петербург)

Защита состоится «/?%> 2010 г. в часов

на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 в ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева» (195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21, ауд. 407)

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

старший научный сотрудник ~7~У/'// /у? Т.В. Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время в России основные запасы гидроэнергоресурсов сосредоточены в Северных районах с неблагоприятными для гидротехнического строительства природно-климатическими условиями и наличием вечномерзлых оснований.

Актуальность проблема. Одним из распространенных типов грунтовых плотин на Севере являются плотины из каменной наброски. В этих местах подобные плотины, как правило, более предпочтительны, поскольку имеют относительно меньшие объемы, меньшую длину строительных водосбросов и могут возводиться как в летний период, так и зимой.

Вместе с тем строительные свойства каменной наброски на Севере и в районах с умеренным климатом, имеют существенные различия. Главное из них - это малое самоуплотнение мерзлой наброски в строительный период и связанная с этим се просадка при оттаивании в условиях водного окружения. Поскольку температурное состояние и фильтрационный режим грунтовых плотин на Севере практически не бывают стационарными, зависящие от них особенности деформационного поведения мерзлой горной массы приводят к далеко не всегда безопасным для таких сооружений последствиям.

Поэтому исследования, направленные на обобщение результатов натурных наблюдений за каменно-земляными плотинами, безаварийно эксплуатируемыми на Севере, а также на выявление закономерностей изменений их температурно-влажностного состояния и деформационного поведения в процессе длительной эксплуатации являются весьма актуальными.

Актуальность и практическая значимость исследований, выполненных в данной работе, усилены еще и тем, что она направлена и на решение важной народнохозяйственной задачи, связанной с дальнейшим сохранением надежности в эксплуатации каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС, являющейся стратегическим объектом экономического развития республики Саха (Якутия).

Цель диссертационной работы заключалась в выявлении по данным натурных наблюдений основных закономерностей изменения во времени температурного состояния, фильтрации и смещений элементов ка-менно-земляных плотин с экраном на Севере. Это позволит более обоснованно решать важные отраслевые задачи по обеспечению инженерной надежности и технической безопасности подобных сооружений.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:

обобщить и проанализировать результаты многолетних натурных наблюдений за поведением каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС при ее эксплуатации в течение более чем 40 лет;

разработать объективный метод количественной оценки температурного состояния каменно-земляных плотин на Севере по данным натурных наблюдений;

разработать метод количественного прогноза осадок и горизонтальных смещений каменно-земляных плотин с экраном, учитывающий изменения природных и техногенных факторов внешнего воздействия;

составить расчетный прогноз возможных деформаций плотины Ви-люйской ГЭС при изменениях уровневого режима нижнего бьефа;

на основании анализа данных натурных наблюдений выявить закономерности изменений температурного состояния, фильтрации и деформационных процессов в каменно-земляных плотинах с экраном на Севере в период их эксплуатации;

разработать рекомендации по увеличению эксплуатационной безопасности каменно-земляных плотин, проектируемых, возводимых и эксплуатируемых на Севере.

Методы исследований. Результаты, выводы и инженерные рекомендации, содержащиеся в диссертации, базируются на натурных данных, полученных при проведении инструментальных натурных наблюдений за поведением плотины Вилюйской ГЭС.

В теоретических обобщениях и при разработке расчетных моделей процессов, происходящих в плотине, использовались современные представления механики грунтов, а также теорий теплопереноса и фильтрации в грунтах.

При численном моделировании физических процессов в плотинах использовались основные алгоритмы метода конечных элементов (МКЭ), реализуемые с помощью соответствующих современных компьютерных программ.

Научная новизна работы

1. Обобщены и проанализированы результаты длительных натурных инструментальных наблюдений за состоянием каменно-зешшюй плотины с экраном Вилюйской ГЭС, длительно и безаварийно эксплуатируемой на Севере.

2. Предложен новый метод количественной оценки температурного состояния грунтовых плотин на Севере по диагностическим показателям удельной теплоты и средневзвешенной температуры грунтов сечений этих сооружений.

3. Выявлены основные закономерности изменений температурного состояния каменно-земляных плотин, длительно эксплуатируемых в условиях Севера.

4. Для анализа деформационного поведения каменно-земляных плотин с мерзлыми льдосодержащими включениями горной массы создана математическая модель, учитывающая термопросадочность этих грунтов при первичном оттаивании в условиях водного окружения.

5. Предложен новый метод количественного прогноза осадок и горизонтальных смещений элементов каменно-земляных плотин на Севере, учитывающий влияние изменений природных и техногенных факторов внешнего воздействия.

6. На основании результатов натурных исследований температурного режима, фильтрации и деформационного поведения установлены основные закономерности изменений состояния плотины Вилюйской ГЭС, характерные для каменно-земляных плотин с экраном, эксплуатируемых на Севере.

Практическая значимость работы

1. Разработанные методы анализа температуры и деформационного поведения каменно-земляных плотин на Севере могут быть использованы для количественной оценки технического состояния и эксплуатационной безопасности подобных плотин по данным натурных наблюдений.

2. Показано, что деформационное поведение каменно-земляных плотин с экраном на Севере, зависит от уровневого режима нижнего бьефа и от природно-климатических условий в районе гидроузла.

3. Полученные в диссертации результаты внедрены в практику эксплуатации каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС.

4. Предложенные в диссертации инженерно-технические мероприятия по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации каменно-земляных плотин на Севере могут быть использованы при освоении гидроэнергетических ресурсов Южной Якутии и других районов Северо-Востока страны.

Достоверность полученных результатов подтверждена данными натурных наблюдений, проводимых с использованием сертифицированной КИА, а также удовлетворительной сходимостью результатов расчетных исследований, выполненных по методу конечных элементов с использованием современного программного обеспечения, и натурных данных.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, в анализе материалов натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС, в выявлении основных закономерностей изменения температурного состояния и смещений этой плотины, в разработке инженерных рекомендаций, направленных на повышение безопасности подобных плотин проектируемых, строящихся и эксплуатируемых на Севере.

Автор выражает благодарность сотрудникам ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева», принимавшим участие в проведении натурных исследований плотины Вилюйской ГЭС и в анализе полученных при этом результатов.

Апробация работы и внедрение ее результатов

Основные положения диссертации докладывались на заседаниях Секций Ученого Совета ОАО «ВНИИГим. Б.Е.Веденеева», а также на 3-й и 4-й Научно-технических конференциях ОАО «РусГидро».

Результаты работы внедрены на Вилюйской ГЭС:

при уточнении состава и программы натурных наблюдений за поведением таломерзлой каменно-земляной плотины,

при интерпретации результатов натурных наблюдений и оценке изменений состояния плотины в процессе ее длительной эксплуатации;

при разработке критериев и оценке безопасности плотины Вилюй-ской ГЭС.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в там числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

На защиту выносятся:

1. Результаты многофакгорного анализа данных многолетних натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС.

2. Новые методы количественной оценки температурного состояния и деформационного поведения каменно-земляных плотин по данным натурных наблюдений

2. Основные закономерности изменений температурного состояния и деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном при длительной их эксплуатации в условиях Севера.

3. Новый метод количественного прогноза осадок и горизонтальных смещений элементов каменно-земляных плотин на Севере, учитывающий влияние изменений природных и техногенных факторов внешнего воздействия.

4. Рекомендации, направленные на обеспечение эксплуатационной безопасности каменно-земляных плотин с экранами в условиях Севера.

Общий объем диссертации. Работа состоит го введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 110 страниц основного текста с рисунками, таблицами и список литературы из 93 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы выполнен анализ современного состояния проблемы исследований, рассмотрены особенности поведения каменно-земляных плотин с наклонным экраном и центральным ядром на Севере, оценены различия строительных свойств каменной наброски в умеренном климате и на Севере, рассмотрены основные расчетные модели таких грунтов и способы реализации этих моделей в расчетах плотин.

Показано, что при отсутствии не предусмотренных проектом изменений уровневого режима нижнего бьефа каменно-земляные плотины с экраном являются более приспособленными к эксплуатации в условиях Севера. Отмечено, что различия физико-механических свойств каменной наброски в талом и мерзлом состояниях оказывает влияние на деформационное поведение каменно-земляных плотин в условиях Севера.

Экспериментальные исследования механических свойств горной массы в разное время выполнялись Р. Марсалом, В.Г. Мельником, Л.Н. Рассказо-вым, H.H. Розановым, В.И.Щербиной, С.И. Пановым, Б.И. Балыковым и др. Результаты этих исследований позволили выявить основные закономерности ее деформируемости и прочности, которые должны учитываться в расчетных моделях плотин из каменной наброски.

Расчетные модели деформационного поведения каменной наброски можно условно разбить на модели в виде сплошной и дискретной сред. 4

Большой вклад в создание сплошных расчетных моделей грунта внесли В.Г. Березанцев, А.К. Бугров, С.С. Вядов, МБ. Малышев, Ю.К. Зарецкий, АЛ. Гольдин, JI.H. Рассказов, В.П. Федоровский, АЛ. Крыжановский и др.

Первые построения дискретных расчетных моделей грунта восходят к работам Ш.Кулона. Из современных работ в этой области известны работы И.И. Кандаурова, Г. Дересевича, П.В. Роу, Б.И. Дидуха и др.

В расчетах напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтовых сооружений обычно используются численные методы, среди которых большее распространение имеет метод конечных элементов (МКЭ). К этой области относятся работы Л. Финна, А.Б.Фадеева, JI.H. Рассказова, И.С. Клейна, А.К. Бугрова, А.П. Троицкого, и др.

Характеристики теплофизических свойств, а также водо- и воздухопроницаемости каменной наброски используются в расчетах температурного состояния плотин. Существенное влияние на распределение температур в плотинах из каменной наброски оказывают процессы естественной конвекции воздуха и фильтрация. При этом конвекция воздуха вызывает охлаждение низовой призмы плотин, а фильтрация приводит к переносу тепла из водохранилища в тело плотины.

Теоретическим и расчетным исследованиям температурно-влаж-ностного состояния плотин на Севере посвящены работы П.А.Богословского, С.В.Соболя, Н.А.Анискина, Я.А.Кроншса, И.С. Клейна, Н.А.Мухетдинова, И.А.Максимова, А.М.Цвика и др.

За последние 50 лет в странах, имеющих северные территории, было построено несколько высоких каменно-земляных плотин с экраном. В их числе плотины Bersimis, Mission, Kenney и Kelsey в Канаде, плотины Holjes и Trangslet в Швеции и плотина Вилюйской ГЭС в России.

Из перечисленных выше лишь плотина Вилюйской ГЭС была возведена в условиях Крайнего Севера с наличием вечной мерзлоты в основании и среднегодовыми температурами воздуха до минус 8 °С.

Вместе с тем, богатые гидроэнергоресурсами районы страны (Север Красноярского края, Южная Якутия, Северо-Восток страны) характеризуют даже более суровые, чем на Вилюе, климатические условия. Поэтому при проектировании и строительстве плотин в таких районах целесообразно учитывать опыт длительной безаварийной эксплуатации плотины Вилюйской ГЭС (рис.1), выбранной в диссертации в качестве аналога и источника для получения данных натурных наблюдений.

Особенностью плотины Вилюйской ГЭС, является то, что с момента завершения строительства на ней в полном объеме ведутся инструментальные натурные наблюдения. В натурных исследованиях плотины Вилюйской ГЭС во время ее строительства и в начальный период эксплуатации принимали участие сотрудники ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, Ленгидро-проекта, ЛПИ, СибВНИИГ, МИСИ, ВОДГЕО, ВНИМС и других организаций. Полученные ими весьма ценные результаты учитывались при оценке современного состояния плотины.

250,00

1 - экран из суглинка; 2 - пригрузка из горной массы; 3 - низовая призма

из горной массы; 4 и 5 -зоны мерзлой горной массы с полным и частичным заполнением пор льдом

В настоящее время после 40 лет эксплуатации тепловые, фильтрационные и деформационные процессы в плотине, имеют иные, чем в начальный период закономерности изменения. Эти процессы протекают в условиях, при которых сооружение в основном приспособилось к восприятию внешних природных воздействий. Вместе с тем, со временем происходят изменения не только природно-климатических воздействий и физико-механических свойств грунтовых материалов тела плотины, но и техногенные изменения уровневых режимов бьефов. Для плотины Вилюйской ГЭС эти изменения связаны с возможностью высокого ее подтопления со стороны нижнего бьефа в связи с завершением строительства Светлинской ГЭС.

Выполненный в данной главе диссертации анализ современного состояния проблемы, позволил сформулировать изложенные выше основные задачи, которые необходимо было решить для обоснования мер по сохранению безопасности плотины Вилюйской ГЭС в дальнейшей эксплуатации при возможных естественных и техногенных изменениях факторов внешнего воздействия. Эти задачи перечислены в первом разделе данного автореферата.

Вторая глава посвящена выявлению закономерностей изменения температурного состояния каменно-земляной плотины с экраном в условиях Севера.

С этой целью в диссертации была разработана новая методика оценки температурного состояния элементов плотин с использованием специальных диагностических показателей. Определение значений этих показателей сводится к компьютерному построению по данным натурных наблюдений (для каждого из исследуемых плоских сечений) трехмерных диаграмм распределений температур (0) в координатах "х, у, 0" и к последующему вычислению по этим диаграммам средневзвешенного значения температуры (0сет) в рассматриваемом сечении плотины. Этот интегральный диагностический показатель позволяет выполнять количественное сопоставление изменений температурного состояния элементов плотин в пространстве и во времени. Указанная методика была апробирована при 6

обработке результатов натурных наблюдений за температурным состоянием каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС.

Натурные данные об изменениях среднегодовых значений температуры плотины вдоль ее продольной оси свидетельствуют, что в сечениях, относящихся к русловой части, значения показателя 9сет изменялись от плюс 1,19°С до плюс 1,32°С, что существенно выше, чем для сечений в береговых примыканиях плотины.

Так на правобережном примыкании, где сказывается отепляющее воздействие поверхностного водосброса, значение 0С1Л. было равно плюс 0,78°С, а в сечениях более холодного левобережного примыкания 9СВТ -минус 0,25°С.

Анализ распределения температур грунтов в поперечных сечениях показал, что среднегодовые значения 0СВТ в верхних частях сечений, относящихся непосредственно к телу плотины, изменяются вдоль продольной оси плотины весьма незначительно - в диапазоне от плюс 0,98°С до плюс 1,01°С. В элементах сечений, относящихся к основанию плотины, изменения значений 9сет более существенны - от минус 0,60°С в левобережном примыкании, до плюс 1,58СС в сечениях в пределах подруслового талика.

Натурные данные об изменениях температуры плотины за последние 5 лет эксплуатации свидетельствуют, что в русловых сечениях, приуроченных к подрусловому талику, среднегодовые значения 0СВ1 изменялись по годам в диапазоне от плюс 1,9°С до плюс 1,0°С. При этом было установлено, что значения 9СВТ имеют практически линейную связь (при коэффициенте корреляции к = 0,974) со значениями среднегодовой температуры воздуха в створе плотины 9вад:

8 =0,064-0 +1,580 ■ (1)

СВТ ' БЗД ' '

Натурные данные о сезонных изменениях температурного состояния плотины свидетельствуют, что среднемесячные значения 9сет очень хорошо коррелируют (к = 0,893) со среднемесячными значениями показателя совместного внешнего температурного воздействия на плотину 6е = (083Д + 0бвб + 6В„Б)/3, учитывающего среднемесячные значения температур воздуха (0ЮД), а также воды в верхнем (9ввб) и нижнем (9вцб) бьефах:

9 свт =0,290-9е +2,575 (2)

Результаты проведенного анализа натурных данных позволяют утверждать, что в настоящее время плотина Вилюйской ГЭС перешла в динамически равновесное температурное состояние, показатели которого хорошо соответствуют циклически изменяющимся показателям температурного воздействия окружающей среды (рис.2).

Сопоставление натурных данных с результатами аналитических расчетов свидетельствует, что распределение среднегодовых значений температуры плотины достаточно хорошо соответствует теоретическому решению об установившемся распределении температур в теле плотины при

граничных условиях на поверхности плотины, заданных среднегодовыми значениями факторов внешнего температурного воздействия (рис.3).

6СВТ - среднемесячная температура грунтов, °С

■0,5 0.0 О.Ь 1,0 1.5 г.О 2.5 Э.О « 4.0 4.5 5,0 5.5 5.0

Рис.2. Влияние совместного температурного воздействия окружающей среды 0е (воздуха и воды в бьефах) на среднемесячную температуру грунтов плотины 0СЭТ

Рис.3 Распределение среднегодовых значений температур в русловом сечении: а - натурные данные; б - аналитическое решение Клейна И.С.

Описанные закономерности изменений температурного состояния каменпо-земляной плотины с экраном при ее эксплуатации на Севере следует учитывать при интерпретации натурных данных, а также при выборе диагностических показателей и назначении количественных значений их критериев безопасности плотин по температуре грунтов.

Третья глава посвящена выявлению закономерностей фильтрационных процессов, происходящих в каменно-земляной плотине с экраном на Севере.

В настоящее время в плотине Вилюйской ГЭС контрольно-измерительная аппаратура (КИА) по определению диагностических показателей фильтрации сосредоточена в цементационной галерее. В ней размещена КИА для определения интенсивности притока фильтрационной воды в галерею, а также для замеров пьезометрических напоров в основании плотины у цементационной завесы со стороны верхнего и нижнего бьефов.

По результатам сопоставления натурных данных, полученных по принципу "день в день", т.е. на одну и туже дату измерения, величины фильтрационного притока и соответствующие им значения уровней воды в верхнем бьефе имеют линейную связь с коэффициентами корреляции ¿2:0,85.

По данным натурных наблюдений показания пьезометров, направленных в сторону верхнего бьефа, имеют хорошую корреляцию с УВБ. Показания пьезометров, направленных сторону нижнего бьефа и расположенных в зоне подруслового талика, имеют удовлетворительную корреляцию с УНБ, а показания аналогичных пьезометров, но расположенных за пределами подруслового талика, имеют корреляцию лишь с УВБ.

Сопоставление натурных данных с результатами соответствующих фильтрационных расчетов, выполненных численными методами с использованием МКЭ, свидетельствует, что в пределах зоны подруслового талика на контакте цементационной завесы и подошвы потерны имеются зоны повышенной фильтрационной проницаемости. Этим обстоятельством, по всей видимости, объясняется выявленная по данным натурных наблюдений повышенная интенсивность переноса тепла через цементационную завесу в сечениях, расположенных в зоне подруслового талика.

В связи с постоянно мерзлым состоянием центральной части низовой упорной призмы, разовые замеры диагностических показателей фильтрации в ней выполняются при проходке специальных термометрических скважин. Сопоставление этих данных с результатами фильтрационных расчетов, выполненных с использованием МКЭ, свидетельствует об удовлетворительном соответствии фактического и расчетного положений пьезометрической поверхности в русловых сечениях плотины.

В четвертой главе приведены результаты анализа деформационного поведения каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС за время ее эксплуатации.

Регулярные инструментальные наблюдения за осадками и горизонтальными смещениями элементов плотины Вилюйской ГЭС были начаты после окончания строительства.

Результаты анализа данных многолетних натурных наблюдений позволили сделать вывод о том, что ежегодные приращения векторов смещений гребня плотины состоят из двух компонент. Первая из них - это нормально затухающие во времени приращения смещений, связанные с процессами реологического деформирования грунтов тела плотины. Вторая компонента приращений смещений, названная аномальной, считалась обусловленной отклонениями от нормы характеристик внешних воздействий на плотину.

Для аппроксимации натурных данных о нормальных изменениях во времени векторов смещений гребня плотины Я в центральных ее сечениях была принята дробно-линейная функция, используемая при описании реологических процессов в грунтах:

С

К = И*

(3)

С учетом (3) для определения нормальных компонент значений ежегодных приращений векторов смещений (рис. 4) было использовано выражение

(4)

где й* - некоторое предельное значение вектора; Т0 — временной параметр; время.

Отклонения фактических приращений векторов смещений от значений, полученных по выражению (4), считались аномальными.

(5)

8 8 8 ДЭ1Ы

Рис.4. График изменений годовых приращений вектора <ИЦ,Ш и его аппроксимация выражением (4)

В работе предполагалось, что аномальные приращения смещений элементов плотины обусловлены в основном известной го практики строительства каменно-земляных плотин на Севере способностью к увеличению деформируемости мерзлой льдосодержащей горной массы при ее оттаивании в процессе первичного замачивания.

Для проверки этой гипотезы была выполнена количественная оценка связи изменений внешних техногенных и природных факторов с показателями деформационного поведения низовой упорной призмы плотины.

При этом были рассмотрены следующие факторы внешнего воздействия:

среднегодовые значения уровней воды в верхнем бьефе (УВБ);

среднегодовые значения уровней воды в нижнем бьефе (УНБ);

годовые значениях слоя атмосферных осадков (//ао);

среднегодовые значения температуры воздуха (0ВЗД).

В анализе особенностей изменений во времени перечисленных внешних факторов за линии нормального хода изменений УВБ и УНБ были приняты полученные методом наименьших квадратов регрессии, наилучшим образом аппроксимирующие натурные данные:

УВБ„=УВБ0 + УВБ'-^— (6)

х0 +[

УНБ„=УНБ0+УНБ'~^— (7)

10 +1

где УВБа, УНБ0 - среднегодовые значения УВБ и УНБ на год начала измерений; УВБ*, УНБ*, 7оУНК и Т™ - параметры регрессии; /-время.

Относительные отклонения с1уеб и с1ун6 фактических среднегодовых значений УВБ и УНБ от значений, полученных по выражениям соответственно (6) и (7) считались аномальными:

¿укГ (УВБфжт - УВБп У УВБп (8)

4„б= (УНБфаи- УНБп)! УНБ,, (9)

Аномальными изменениями Нао считались относительные отклонения (а?на0) годового слоя атмосферных осадков от принятого за норму среднего за период наблюдений (1964-2009 гг.) значения, равного 373 мм/год.

<4ю = (373 - Дю ) / 373, (10)

где Нга в мм/год

Аномальные изменения 9тд оценивались по величине относительного отклонения (4,^) среднегодовой температуры воздуха от принятого за норму среднего многолетнего (также за период наблюдений) значения, равного минус 7,3°С.

С целью количественной оценки связи между указанными значениями факторов внешнего воздействия (независимые переменные) и приращениями смещений гребня (зависимая переменная) была выполнена

11

оценка их парной корреляции. Было установлено, что между аномальными приращениями смещений гребня плотины и отклонениями от нормы среднегодовых значений уровней нижнего бьефа, среднегодовых значений уровней верхнего бьефа и величин годового слоя осадков существуют парные линейные связи с корреляцией к > 0,80. Установлено также, что аномальные изменения среднегодовых температур наружного воздуха весьма слабо влияют на аномальные приращения смещений гребня плотины.

В связи с отмеченным, в дальнейшем анализе множественной корреляции были использованы следующие упрощающие допущения:

в рамках множественной корреляции допускалось наличие линейных связей между dRa, с1ув5, dyu5 и dmo\

в анализе использовались данные, относящиеся лишь к случаям положительных (превышающих норму) максимальных значений dRa.

Использование указанных допущений позволило свести задачу количественного описания связи аномальных приращений смещений гребня плотины с аномальными изменениями природно-техногенных факторов к решению системы линейных уравнений.

В результате решения этой системы было получено уравнение регрессии:

dRa = 0,0164Еб + 0,0524„б - 28,8454ао (11)

где dRa, dyB& dy„5 и dmo соответственно из выражений (5), (8), (9) и (10).

Эмпирическое выражение (11), удовлетворительно (с коэффициентом корреляции к ~ 0,8) аппроксимирует линию связи максимальных значений аномальных приращений смещений гребня с аномальными изменениями факторов внешнего воздействия на плотину. Поэтому для определения полной величины максимальных ежегодных приращений смещений гребня рекомендовано следующее выражение:

Ж„рог = dRK + dR^ (12)

где dRn и dRa определяются соответственно по (4) и (11).

Приведенные выше выражения (4) - (12) используются в методике прогноза максимальных смещений гребня плотины, сущность которой сводится к следующему.

1. На рассматриваемый календарный год задаются фактические значения параметров внешнего воздействия на плотину УВБ, УНБ и Нт, при которых предполагается определить величину возможных максимальных значений вектора смещений гребня плотины.

2. По выражениям (4), (6) и (7) для заданного календарного года определяются нормальные значения параметров dR„, УВБ„ УНБ„, а затем по выражениям (8), (9) и (10) относительные величины аномальных отклонений от нормы внешних воздействий - dyhs, d,Kб и dHW.

3. По выражению (11) определяется максимально возможное значение dRa и далее по выражению (12) искомое значение ¿/Лпрог.

4. В предлагаемой методике допущено, что изменения осадок и горизонтальных смещений гребня плотины являются следствием одних и тех 12

же деформационных процессов в плотине, поэтому полученное расчетное значение г#?прог при необходимости может быть разложено на вертикальную и горизонтальную составляющие.

Пятая глава посвящена вопросам возможного инженерного использования результатов работы. Приводимые в ней положения базируются на данных натурных наблюдений и расчетной оценки состояния плотины Вилюйской ГЭС, а также на обобщении и анализе имеющегося опыта строительства и эксплуатации плотин из каменной наброски в северовосточных регионах нашей страны.

Особенности природно-климатических факторов этих регионов, такие как вечномерзлое состояние грунтов оснований и низкие среднегодовые температуры воздуха, обусловливают преимущественное использование здесь мерзлой горной массы для возведения грунтовых плотин. Длительный зимний период приводит к необходимости выполнения земельно-скальных работ по возведению сооружения в зимнее время. При этом в тело сооружения, как правило, попадают каменные отдельности, имеющие рваную угловатую форму с неокатанными гранями. Большое количество зимних дней и большое количество осадков способствуют процессам образования и накопления в порах каменной наброски льда. Все это приводит к консервации мерзлоты в сооружении и к возможности существенного послестроительного доугшотнения грунтового материала тела насыпи.

Наличие таких льдогрунтовых материалов в упорных призмах ка-менно-земляных плотин влияет на их температурно-влажностный режим и деформационное поведение в эксплуатации. В работе выполнен сравнительный анализ особенностей эксплуатации на Севере каменно-земляных плотин с экраном и центральным ядром на основании натурных данных, полученных на Вилюйской и Колымской ГЭС

Показано, что в тотииах с грунтовым экраном к моменту окончания строительства низовые упорные призмы, как правило, оказываются полностью промороженными. Особенности климатических условий и длительность сроков строительства обусловливают постепенное заполнение пор каменной наброски льдом.

После наполнения водохранилища частично промороженный в процессе строительства грунтовый экран весьма быстро и практически полностью оттаивает. В этот период наблюдается интенсивный рост осадок и горизонтальных смещений гребня и берм низового откоса. Ежегодные приращения осадок гребня достигают максимальных значений к 3-5-му году эксплуатации, после чего их величина постепенно убывает.

После оттаивания подэкранной части упорной призмы интенсивность изменений температурного состояния плотины снижается и через 10 - 12 лет эксплуатации местоположение нулевой изотермы в центральной части сооружения практически стабилизируется. Это отражается и на затухании величин приращений осадок гребня, которые уменьшаются до 0,5 -1 см/год, что соответствует нормальным процессам реологического деформирования грунтового сооружения.

Вместе с тем, динамически равновесное температурно-деформа-ционное состояние таких плотин может резко нарушаться при изменении внешних условий, в частности, при не проектных изменениях уровневого режима нижнего бьефа.

В плотинах с центральным ядром к окончанию строительства верховые и низовые призмы также практически полностью промораживаются. Осадки этих элементов в строительный период не превышают 1 -2% от высоты насыпи.

Наполнение водохранилища вызывает интенсивное оттаивание и доуплотнение горной массы в верховой призме. При этом ее гребень претерпевает не только значительные осадки, но и горизонтальные смещения в сторону верхнего бьефа, достигающие 50% от максимального значения осадок. Это приводит к интенсивному образованию трещин не как в самой верховой призме, так и в ядре плотины. Степень опасности этих процессов для сооружения зависит от скорости наполнения водохранилища.

В эксплуатационный период после оттаивания ядра (если оно было проморожено во время строительства) нулевая изотерма в низовой упорной призме через 10-15 лет после наполнения водохранилища занимает практически стабильное положение. При достаточной толщине низовой переходной зоны образовавшаяся в плотине мерзлота не создает серьезных препятствий для нормальной разгрузки фильтрационного потока.

Результаты проведенного сопоставления свидетельствуют, что в процессе строительства или эксплуатации каменно-земляных плотин с экраном на Севере, при отсутствии не предусмотренных проектом изменений уровней нижнего бьефа, процессы термопросадочного доуплотне-ния мерзлой каменной наброски, как правило, не приводят нарушениями сплошности грунтового противофильтрационного устройства плотины. Это позволяет считать, что каменно-земляные плотины с экраном более приспособлены к безаварийной эксплуатации в условиях Севера.

Выявленные особенности поведения каменно-земляных плотин на Севере позволили уточнить основные принципы организации натурных наблюдений.

В частности, взаимосвязанность температурно-влажностных и деформационных процессов в каменно-земляных плотинах приводит к необходимости комплексного подхода в организации натурных наблюдений с одномоментным и однокоординатным определением всех параметров и характеристик этих процессов.

При разработке проектов КИЛ и регламентов натурных наблюдений за подобными сооружениями, а также при определении критериев безопасности эксплуатации следует учитывать, что сроки наступления стационарных состояний каменно-земляных плотин на Севере зачастую сопоставимы, а иногда и превышают расчетные сроки их эксплуатации.

Многофакторный характер зависимости деформационного поведения плотин из каменной наброски на Севере от внешнего воздействия оп-14

ределяет целесообразность организации непрерывных режимных комплексных наблюдений за поведением сооружения и за факторами природно-климатического и техногенного воздействия на него. При этом наблюдения за температурой воздуха и воды, уровнями бьефов, количеством выпадающих осадков должны производиться, начиная с первых этапов возведения сооружения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Показано, что преимущества технологии строительства, экономия затрат, надежность и безопасность в эксплуатации обусловливают предпочтительность выбора для строительства на Севере каменно-земляных плотин. Установлено, что в условиях Севера плотины с грунтовым экраном в сравнении с плотинами, имеющими центральное грунтовое ядро, при первоначальном наполнении водохранилищ имеют существенно меньшие послестроительные осадки и горизонтальные смещения, а также меньшую вероятность нарушения сплошности грунтов противофильтра-ционных устройств.

2. Разработан новый метод оценки температурного состояния плотин по диагностическим показателям средневзвешенной температуры сечений, позволяющий проводить количественный анализ данных натурных наблюдений и выявлять закономерности изменений температурного состояния каменно-земляных плотин на Севере. Показано, что диагностические показатели температурного состояния поперечных сечений тела плотины практически не изменяются вдоль ее продольной оси. Диагностические показатели температурного состояния поперечных сечений основания зависят от наличия подруслового талика, а также от теплового воздействия расположенных на участках береговых примыканий водопропускных сооружений.

3. Установлено, что через 10-15 лет после наполнения водохранилища температурный режим каменно-земляных плотин с экраном становится динамически равновесным, при котором количество тепловой энергии, поступающей в сооружение летом и уходящей из него зимой, практически одинаково. Показано, что результаты аналитических и численных решений задач о стационарном температурном состоянии подобных плотин, выполненных при граничных условиях, соответствующих среднегодовым значениям факторов внешнего температурного воздействия, соответствуют натурным данным о распределении среднегодовых температур тела плотины.

4. Выявлены особенности фильтрационного режима каменно-земляных плотин с экраном, имеющих мерзлые зоны в элементах тела и основания. Установлено, что при постоянно талом состоянии экрана фильтрационные расходы через него весьма малы. Отвод этих расходов в сторону подруслового талика в основании плотины происходит беспрепятст-

венно при достаточной толщине и талом состоянии нижней части примыкающей к экрану переходной зоны.

5. Установлено, что между приращениями деформаций элементов плотины и факторами внешнего воздействия существует тесная корреляция. Выявлено, что величина ежегодных приращений гребня плотины складывается из двух компонент. Первая из них связана с нормальным ходом реологического деформирования грунтов плотины. Вторая - обусловлена аномальными изменениями среднегодовых значений факторов внешнего воздействия на плотину (уровней воды в бьефах, среднегодовой температуры воздуха, годового слоя атмосферных осадков). Выполнено количественное описание этой связи.

6. Разработана методика количественного прогноза величин годовых приращений осадок и горизонтальных смещений элементов плотины Вилюйской ГЭС в зависимости от уровневого режима нижнего бьефа и характеристик природно-климатических факторов в районе гидроузла. Оценены максимальные значения и степень опасности этих смещений при подтоплении нижнего бьефа со стороны водохранилища Светлинской ГЭС.

7. Разработаны инженерные предложения по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации каменно-земляных плотин на Севере, которые могут быть использованы при проектировании строительстве и эксплуатации новых гидроузлов энергетического назначения в Южной Якутии и в других районах Северо-Востока страны.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

1. Николаев Ю.М., Особенности температурно-деформационного поведения каменно-земляных плотин при длительной их эксплуатации в условиях Севера / С.И.Панов, А.В.Толошинов, А.М. Цвик, С.М.Воронин // Гидротехническое строительство, №5,2007.

2. Николаев Ю.М., Критерии безопасности каменно-земляных плотин на Крайнем Севере по температурному состоянию / С.И.Панов, С.М.Воронин. Известия ВНИИГ, №249, СПб, 2007.

3. Николаев Ю.М., Особенности температурного состояния камен-но-земляной плотины Вилюйской ГЭС после 40 лет эксплуатации / С.ИЛанов / Известия ВНИИГ, №252, СПб, 2008.

4. Николаев Ю.М., Методика количественной оценки температурного состояния плотин по данным натурных наблюдений / С.И.Панов. Известия ВНИИГ, №254, СПб, 2009.

5. Николаев Ю.М., Методика многофакторного анализа деформаций каменно-земляных плотин на Севере / С.И.Панов, А.В.Прямицкий / Известия ВНИИГ, №257, СПб, 2010.

6. Николаев Ю.М., Опыт эксплуатации высокой каменно-земляной плотины с экраном на Севере, Известия ВНИИГ, №258, СПб, 2010.

7. Николаев Ю.М., Температура, фильтрация и деформации плотин из каменной наброски в условиях Севера / А.И.Альхименко, СЛПанов / Гидротехника XXI, №1, СПб, 2010. 16

Типография ООО «Наша Марка» 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21, Объем 1,0 п.л. Тираж 100. Заказ 28.

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы.

1.1 Основные особенности строительства и эксплуатации каменно-земляных плотин в условиях Крайнего Севера.

1.2 Основные строительные свойства каменной наброски.

1.3 Современные методы расчета каменно-земляных плотин.

1.4 Плотина-аналог, как источник информации.

1.5 Выводы и обобщения.

Глава 2. Температурный режим каменно-земляных плотин с экраном при их эксплуатации в условиях Севера.

2.1 Сведения о природных условиях площадки плотины-аналога.

2.2 Изменения температуры плотины вдоль ее продольной оси.

2.3 Изменения температуры плотины во времени.

2.4 Сезонные изменения температуры плотины.

2.5 Сопоставление расчетных и натурных данных.

2.6 Выводы и обобщения.

Глава 3. Фильтрация в каменно-земляных плотинах с экраном на Севере.

3.1. Размещение измерительных устройств и методика измерений.

3.2. Фильтрационные расходы.

3.3. Пьезометрические напоры.

3.4. Расчетные исследования процессов фильтрации в плотине.

3.5 Выводы и обобщения.

Глава 4. Деформационное поведение каменно-земляных плотин с экраном на Севере.

4.1. Осадки и горизонтальные смещения элементов плотины.

4.2. Данные о температурно-уровневом режиме в створе плотины

4.3. Прогноз максимально возможных деформаций плотины.

4.4 Выводы и обобщения.

Глава 5. Инженерное использование результатов работы.

5.1. Закономерности деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном и центральным ядром на Севере.

5.2. Рекомендации по повышению надежности проектируемых и безопасности эксплуатируемых каменно-земляных плотин на Севере.

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

Актуальность проблемы.

Одним из распространенных типов грунтовых плотин на Севере являются плотины из каменной наброски. Сооружения из этих грунтов, как правило, имеют относительно меньшие объемы, меньшую длину строительных водосбросов и могут возводиться как в летний период, так и зимой

Строительные свойства каменной наброски на Севере и в районах с умеренным климатом, имеют существенные различия. Главное из них - это малое самоуплотнение мерзлой наброски в строительный период и связанная с этим большая ее просадка при оттаивании. Температурное состояние и фильтрационный режим грунтовых плотин на Севере практически не бывают стационарными, поэтому зависящие от температурного состояния особенности деформационного поведения мерзлой горной массы приводят к растянутым во времени смещениям и деформациям, не всегда безопасным для сооружений.

Отмеченное объясняет актуальность проведения системных натурных наблюдений за каменно-земляными плотинами на Севере и выявления основных закономерностей происходящих в них физических процессов. Адекватность любых создаваемых расчетных моделей изменения температурного состояния, фильтрации и деформаций подобных плотин может быть проверена лишь с использованием результатов длительных инструментальных натурных наблюдений.

Известно, что на Севере в связи с большим отепляющим воздействием создаваемых водохранилищ, в подобных грунтовых плотинах в процессе эксплуатации происходят взаимообусловленные температурно-фильтрационнодеформационные процессы, влияющие на эксплуатационную безопасность этих сооружений.

Поэтому в диссертации в качестве объекта натурных наблюдений была выбрана каменно-земляная плотина с экраном Вилюйской ГЭС, возведенная в условиях Северо-востока страны около 40 лет назад. Особенностью этого грунтового сооружения (высотой более 70 м) из горной массы является то, что с момента завершения строительства и по настоящее время на нем в полном объеме проводятся инструментальные натурные наблюдения с оперативной интерпретацией их результатов.

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

Цель работы заключалась в выявлении основных закономерностей изменения во времени температурного состояния, фильтрации и смещений элементов каменно-земляных плотин на Севере, а также в определении на основании натурных данных параметров расчетных моделей поведения таких сооружений. Это позволит более обоснованно решать важные отраслевые задачи по обеспечению инженерной надежности и технической безопасности грунтовых сооружений при длительной их эксплуатации на Севере.

Для достижения поставленной цели автором диссертации были решены следующие основные задачи:

- обобщены результаты проведенных ранее экспериментальных и расчетных исследований температурного состояния, фильтрации и деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном при длительной их эксплуатации на Севере;

- на основании многофакторного анализа натурных данных выявлены закономерности изменений температурного состояния, фильтрации и деформационных процессов, происходящих в каменно-земляной плотине с экраном Ви-люйской ГЭС;

- составлен расчетный прогноз возможных деформаций плотины Вшпойской ГЭС при изменениях естественных и техногенных факторов внешнего воздействия на сооружение.

Методы исследований.

Результаты выводы и рекомендации диссертации базируются на экспериментальных данных, полученных в инструментальных натурных наблюдениях за плотиной Вилюйской ГЭС.

При анализе натурных данных и выборе соответствующих расчетных моделей поведения плотин использовались современные представления механики грунтов, а также теорий теплопереноса и фильтрации грунтах.

В численном моделировании физических процессов в плотинах использовались основные алгоритмы метода конечных элементов (МКЭ), реализуемые с помощью современных компьютерных программ.

Научная новизна работы:

1. Обобщены и проанализированы результаты уникальных натурных инструментальных наблюдений за температурно-фильтрационным состоянием и деформациями каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС, длительно и безаварийно эксплуатируемой на Севере.

2. Предложен метод количественной оценки теплового состояния грунтовых плотин на Севере, позволивший выявить основные закономерности изменений этого диагностического показателя для плотины Вилюйской ГЭС.

3. Выявлены особенности фильтрационного режима неоднородной тало-мерзлой системы "плотина с экраном - основание" в условиях Севера.

4. Предложен метод количественного прогноза осадок и горизонтальных смещений элементов каменно-земляных плотин с экраном на Севере, учитывающий влияние природных и техногенных факторов внешнего воздействия.

Практическая значимость работы

1. Предложенные в диссертации новые методы анализа температурного состояния, фильтрационного режима и деформаций каменно-земляных плотин с экраном на Севере могут быть использованы для количественной оценки технического состояния и эксплуатационной безопасности подобных плотин по данным натурных наблюдений.

2. Разработанный в диссертации метод оценки деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном на Севере может быть использован при составлении прогноза изменений напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости подобных плотин в зависимости от изменений уровневого режима бьефов и характеристик природно-климатических факторов в районе гидроузла.

3. Результаты работы внедрены в практику эксплуатации каменно-земляной полтины Вилюйской ГЭС.

4. Предложенные в диссертации инженерно-технические мероприятия по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации каменно-земляных плотин на Севере могут быть использованы при освоении гидроэнергетических ресурсов Южной Якутии и других районов Северо-востока страны

Достоверность полученных результатов обеспечивается данными системных инструментальных натурных наблюдений, проводимых с использованием сертифицированной КИА в течение более 40 лет, а также удовлетворительной сходимостью натурных данных и результатов численного моделирования, выполняемого с использованием современных компьютерных программ.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, в обобщении и анализе материалов натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС, в выявлении основных закономерностей изменения температурного состояния, фильтрации и смещений этой плотины в процессе ее длительной эксплуатации в условиях Севера, в разработке новых методов анализа температурного состояния и деформаций каменно-земляных плотин с экраном на Севере, в разработке инженерных рекомендаций, направленных на повышение надежности и безопасности подобных плотин проектируемых, строящихся и эксплуатируемых в суровых климатических условиях Севера.

Автор диссертации выражает искреннюю благодарность сотрудникам Отдела "Анализ и оценка технического состояния ГТС" ОАО "ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева", принимавшим участие в совместном проведении отдельных этапов работы и за помощь в анализе полученных при этом натурных данных.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на заседаниях Секций Ученого Совета ОАО ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева,

- на 3-й и 4-й Научно-технических конференциях ОАО "РусГидро" в 2007 и 2008 гг.

Внедрение результатов работы осуществлено в процессе эксплуатации плотины Вилюйской ГЭС:

- при уточнении состава и программы натурных наблюдений за поведением таломерзлой каменно-земляной плотины,

- при интерпретации результатов натурных наблюдений и оценке изменений состояния плотины в процессе ее длительной эксплуатации на Севере;

- при разработке численных значений критериев безопасности каменно-земляной плотины.

По теме диссертации в центральных технических изданиях (по списку ВАК) опубликовано 7 печатных работ.

На защиту выносятся:

1. Результаты многофакторного анализа данных многолетних натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС, позволившие составить прогнозные модели изменений температурного состояния и деформационного поведения каменно-земляной плотины с экраном на Севере.

2. Выявленные основные закономерности изменений температурного состояния, фильтрации и деформаций каменно-земляных плотин с экраном при длительной их эксплуатации в условиях Севера.

3. Рекомендации, направленные на обеспечение эксплуатационной безопасности каменно-земляных плотин с экранами в условиях Севера.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора

1. Николаев Ю.М., Особенности температурно-деформационного поведения каменно-земляных плотин при длительной их эксплуатации в условиях Севера /С.И. Панов, А.В.Толошинов, A.M. Цвик, С.М.Воронин // Гидротехническое строительство, №5, 2007.

2. Николаев Ю.М., Критерии безопасности каменно-земляных плотин на Севере по температурному состоянию /С.И. Панов, С.М.Воронин/, Известия ВНИИГ, №249, СПб, 2007

3. Николаев Ю.М., Особенности температурного состояния каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС после 40 лет эксплуатации /С.И. Панов/, Известия ВНИИГ, №252, СПб, 2008

4. Николаев Ю.М., Методика количественной оценки температурного состояния плотин по данным натурных наблюдений /С.И. Панов/, Известия ВНИИГ, №254, СПб, 2009

5. Николаев Ю.М., Методика многофакторного анализа деформаций каменно-земляных плотин на Севере /С.И. Панов, А.В.Прямицкий/ Известия ВНИИГ, №257, СПб, 2010

6. Николаев Ю.М., Температура, фильтрация и деформации плотин из каменной наброски в условиях Севера. /А.И.Альхименко, С.И. Панов,/ Гидротехника XXI, №1, СПб, 2010

7. Николаев Ю.М., Опыт эксплуатации высокой каменно-земляной плотины с экраном на Севере, Известия ВНИИГ, №258, СПб, 2010

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 110 страниц основного текста с рисунками, таблицами и списком литературы из 92 наименований.

4.4 Выводы и обобщения

1. Многофакторный анализ данных многолетних натурных наблюдений за плотиной-аналогом свидетельствует, что между приращениями смещений гребня каменно-земляной плотины с экраном и параметрами температурно-уровневого состояния бьефов существует тесная корреляция. Выявлено, что величина ежегодных приращений гребня плотины складывается, по меньшей мере, из двух компонент.

2. Компонента нормально затухающих во времени приращений смещений плотины может быть описана выражениями типа (4.3).

3. Показано, что компонента анолгальных приращений смещений зависит от аномальных изменений среднегодовых уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, аномальных изменений годового слоя осадков и среднегодовой температуры воздуха и может быть описана выражением (4.9).

4. Показано, при подтоплении нижнего бьефа Вилюйской ГЭС до среднегодовых отметок 182.00 м и выше, годовые приращения горизонтальных смещений и осадок гребня плотины в ее центральной части могут возрасти до 70 и 80 мм/год.

5. На основании анализа данных натурных наблюдений составлена расчетная модель изменений во времени осадок и горизонтальных смещений элементов плотины, а также разработана методика численного прогноза величины годовых приращений этих осадок в зависимости от уровневого режима нижнего бьефа и характеристик природно-климатических факторов в районе гидроузла.

ГЛАВА 5. ИНЖЕНЕРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. Закономерности деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном и с ядром на Севере

Приводимые далее положения базируются на обобщении и анализе результатов расчетных исследований и натурных наблюдений за строящимися и эксплуатируемыми плотинами из каменной наброски.

Опыт строительства плотин из каменной наброски на Крайнем Севере, а также данные натурных наблюдений за ними, позволяют выделить факторы природно-климатических воздействий и технологии возведения, которые влияют на особенности поведения сооружений в эксплуатационный периоды.

Низкие среднегодовые температуры обуславливают вечномерзлое состояние грунтов оснований, мощность которых измеряется сотнями метров. Это исключает возможность получения талой горной массы для возведения сооружений и способствует консервации мерзлоты в них.

Длительный зимний период и очень низкие среднесуточные температуры воздуха в холодные месяцы исключают возможность проведения сколько-нибудь существенной части земельно-скальных работ по отсыпке сооружения в теплое время года.

Большое количество зимних дней с сильными ветрами, а также (в большинстве регионов) большое количество осадков в виде снега способствует погребению в наброске значительных объемов снега и льда, что влияет на температурное состояние каменно-набросного материала.

При строительстве плотин на Крайнем Севере используются две технологии возведения каменно-набросных элементов - отсыпка мощными слоями, толщиной 10-15 м без специальных мер по уплотнению (использовалась на строительстве плотин Вилюйской ГЭС и Колымской ГЭС) и укладка тонкими (не более 2,5-3,0 м) слоями с разравниванием и последующим уплотнением грузовым автотранспортом (использовались на строительстве плотины Усть-Хантайской ГЭС). В обоих случаях в тело сооружения попадает каменная наброска, отдельности которой имеют рваную, угловатую форму, что приводит к большому послестроительному доуплотнению насыпи.

Механические характеристики горной массы существенно зависят от ее температурно-влажностно-ледового состояния. Различие закономерностей формирования температурно-влажностного состояния плотин из каменной наброски с наклонным экраном и с центральным ядром (или диафрагмой) и схем нагружения материала несущих элементов в них приводят к необходимости раздельного рассмотрения особенностей деформационного поведения этих сооружений на Севере.

Плотины с грунтовым экраном

К моменту окончания строительства каменно-набросные упорные низовой призмы таких плотин оказываются практически полностью промороженными. В теле призм образуется многолетняя мерзлота, температура которой достигает минус 10. 15°С. Замерзание дождевой влаги, приникающей в наброску, а также интенсивные процессы тепло- и массопереноса в низовом клине призмы обуславливают возможность заполнения пор наброски льдом в отдельных зонах этого элемента плотины .

После наполнения водохранилища частично мерзлый ранее экран через 3-5 лет эксплуатации оттаивает. Движение нулевой изотермы в упорной призме происходит со скоростью 2-4 м в год. В этот период наблюдается довольно интенсивный рост осадок гребня.

После оттаивания подэкранной части призмы скорость перемещения нулевой призмы снижается и к 15-20 годам эксплуатации ее местоположение в центральной части плотины практически стабилизируется.

К этому моменту сооружение приспосабливается к такому обмену энергией с окружающей средой, при котором приток тепла в плотину от водохранилища и окружающей среды в летнее время года практически компенсируется потерями ею тепла зимой.

Вместе с тем, к этому времени температурно-деформационное состояние плотины становится лишь динамически равновесным. При этом аномальные изменения среднегодовых значений уровней воды в нижнем бьефе влияют на температурно-влажностное состояние упорной призмы плотины и на размеры ее мерзлой зоны. Это, в свою очередь, отражается на характере деформационных процессов в сооружении.

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

Результаты прогнозного расчета позволяют утверждать, что при длительном максимальном подтоплении плотины Вилюйской ГЭС со стороны водохранилища Светлинской ГЭС величина годовых приращений смещений гребня сооружения может возрасти до 70-80 мм/год и более.

Отмеченное позволяет утверждать, что конструктивные особенности возводимых на Севере каменно-земляных плотин с наклонным грунтовым экраном, характер изменения их температурно-влажностного состояния в процессе длительной эксплуатации, а также закономерности деформирования при оттаивании в значительной мере способствуют предотвращению существенных нарушений прочности их элементов, что отражается на сохранении эксплуатационной пригодности.

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

Плотины с грунтовым ядром

В связи с центральной конструктивно-технологической симметрией таких сооружений, к моменту окончания их строительства как низовая, так и верховая каменно-набросные призмы обычно практически полностью проморожены. Наброска призмы имеет весьма низкие отрицательные температуры и существенное заполнение пор льдом.

Наполнение водохранилища вызывает интенсивное доуплотнение материала верховой призмы. При этом бермы и гребень призмы претерпевают не только вертикальные, но и значительные горизонтальные смещения в сторону верхнего бьефа, достигающие 50% от вертикальных. В связи с этим в верхней части ядра создаются условия для образования трещин. Подобное трещинообразование имело место на плотинах Курейской и Колымской ГЭС.

В эксплуатационный период после оттаивания ядра нулевая изотерма через 15-20 лет занимает квазистационарное предельно-равновесное положение. В это время приращения деформаций упорной призмы имеют весьма малую величину, но они очень слабо затухают.

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

Выполненное сопоставление позволяет считать, что каменно-земляные плотины являются наиболее приспособленными к длительной безаварийной эксплуатации в условиях Севера. Вместе с тем, такие плотины являются объектами, требующими повышенного внимания в течение всего срока их эксплуатации.

5.2 Рекомендации по повышению надежности проектируемых и безопасности эксплуатируемых каменно-земляных плотин с экраном на Севере

5.2.1 Рекомендации по совершенствованию конструктивно-технологических решений в проектах плотин

Выявленные в диссертации основные особенности изменений температурного состояния, фильтрационного режима и деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном в условиях Севера позволяют высказать ряд следующих предложений по совершенствованию конструкций и методов строительства таких плотин, направленных на повышение их надежности и эксплуатационной безопасности.

1. С целью уменьшения влияния температурно-уровневого состояния нижнего бьефа на деформации плотин предлагается — цокольную (нижнюю) часть упорной призмы на высоту максимально возможного подъема УНБ возводить из крупной каменной наброски по принципу "фильтрующей насыпи" с однократным пропуском через нее в 1-й год строительства паводковых строительных расходов или с допущением перелива этих расходов через верх цокольной части упорной призмы.

Этот способ известен и апробирован в практике гидротехнического строительства. В частности, таким способом была возведена цокольная часть каменно-земляной плотины Усть-Хантайской ГЭС. Однако в большинстве известных случаев использование этого способа было обусловлено не готовностью водосбросных устройств к пропуску паводка.

Результаты, полученные в диссертации, позволяют рекомендовать более широкое использование указанного способа уменьшения послестроительных деформаций плотины.

2. С целью уменьшения влияния на температурный режим плотины конвективного движения холодного воздуха в зимнее время, а также для уменьшения величины послестроительной осадки сооружения, предлагается верхнюю часть низовой упорной призмы (выше цокольной) отсыпать из рядовой каменной наброски с максимально возможной степенью заполнения ее пор песчано-щебенистым материалом. В плотине-аналоге уменьшение воздушной проницаемости каменной наброски упорной призмы произошло самопроизвольно в процессе постепенного заполнения ее пор льдом, после чего интенсивность охлаждения плотины за счет конвективного движения холодного воздуха существенно уменьшилась.

Следует отметить, что в практике строительства известны приемы влияния на температурное состояние плотин с помощью устройства защиты поверхности низового откоса каким-либо теплоизолирующим материалом. Известны также и технологические приемы уменьшения величины послестроительной осадки каменной наброски за счет заполнения ее пор песчаным или щебеночным материалом.

Результаты, полученные в диссертации, позволяют рекомендовать более широкое направленное применение, предлагаемого конструктивно-технологического решения.

3. Поскольку в руслах северных рек всегда имеет место подрусловый талик, предлагается - выполнение предпостроечной планировки основания под переходную зону плотины (как в береговых примыканиях, так и на русловом участке) с уклонами, достаточными для гарантированного водоотвода фильтрационных вод в сторону сечений с подрусловым таликом. При сложном рельефе русла возможно устройство подсыпки со специальным противофильтрационным ее покрытием.

4. С целью гарантированного обеспечения талого состояния дренажно-водоотводящих путей в переходной зоне предлагается - при наличии цементационной галереи и противофильтрационной завесы оснащать проектируемые или эксплуатируемые плотины специальными устройствами, позволяющими осуществлять регулируемый дозируемый периодический подвод воды из донных слоев водохранилища в переходную зону. Эти устройства могут быть совмещены с напорными пьезометрами. Аналогичные устройства могут быть использованы для контролируемого растепления и промывки дренажно-водоотводящих путей и в верхней пригребневой части переходной зоне.

5.2.2 Рекомендации по совершенствованию мониторинга безопасности плотин в эксплуатации

Выявленные в диссертации основные закономерности деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном в условиях Севера позволяют сформулировать основные принципы организации натурных наблюдений за такими сооружениями.

1. Взаимосвязанность и взаимообусловленность температурно-влажностных, криогенных и деформационных процессов в каменно-земляных плотин с экраном на Севере приводят к необходимости комплексного подхода к организации натурных наблюдений. Параметры названных процессов должны рассматриваться как единые факторы состояния сооружения. С учетом этого измерения параметров температуры, льдосодержания, фильтрации, напряжений и деформаций элементов сооружения должны быть одномоментными и однокоординатными.

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

3. В отличие от сооружений, возводимых в районах с умеренным климатом, параметры температурных, фильтрационных и деформационных состояний грунтовых сооружений на Севере достигают своих стационарных значений в сроки, которые, могут превышать расчетные сроки эксплуатации сооружений. В связи с этим, подобные сооружения должны быть отнесены к категории объектов, требующих повышенного внимания в течение всего срока эксплуатации.

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

5. Многофакторный характер деформационного поведения плотин из каменной наброски на Севере обуславливает целесообразность организации непрерывных наблюдений за поведением сооружения, начиная с первых этапов его возведения, при этом совместно с непосредственными наблюдениями за процессами, происходящими в сооружении должны быть организованы системные наблюдения за факторами природно-климатического воздействия на сооружение, температурой и ледовым режимом бьефов, инженерно-геокриологической обстановкой и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты работ, выполненных в диссертации, позволяют сделать следующие выводы.

1. Показано, что преимущества технологии строительства, экономия затрат, надежность и безопасность в эксплуатации обусловливают предпочтительность выбора для строительства на Севере каменно-земляных плотин. Установлено, что в условиях Севера плотины с грунтовым экраном в сравнении с плотинами, имеющими центральное грунтовое ядро, при первоначальном наполнении водохранилищ имеют существенно меньшие после-строительные осадки и горизонтальные смещения, а также меньшую вероятность нарушения сплошности грунтов противофильтрационных устройств.

2. Разработан новый метод оценки температурного состояния плотин по диагностическим показателям средневзвешенной температуры сечений, позволяющий проводить количественный анализ данных натурных наблюдений и выявлять закономерности изменений температурного состояния каменно-земляных плотин на Севере. Показано, что диагностические показатели температурного состояния поперечных сечений тела плотины практически не изменяются вдоль ее продольной оси. Диагностические показатели температурного состояния поперечных сечений основания зависят от наличия подруслового талика, а также от теплового воздействия расположенных на участках береговых примыканий водопропускных сооружений.

3. Установлено, что через 10-15 лет после наполнения водохранилища температурный режим каменно-земляных плотин с экраном становится динамически равновесным, при котором количество тепловой энергии, поступающей в сооружение летом и уходящей из него зимой, практически одинаково. Показано, что результаты аналитических и численных решений задач о стационарном температурном состоянии подобных плотин, выполненных при граничных условиях, соответствующих среднегодовым значениям факторов внешнего температурного воздействия, соответствуют натурным данным о распределении среднегодовых температур тела плотины.

4. Выявлены особенности фильтрационного режима каменно-земляных плотин с экраном, имеющих мерзлые зоны в элементах тела и основания. Установлено, что при постоянно талом состоянии экрана фильтрационные расходы через него весьма малы. Отвод этих расходов в сторону подруслово-го талика в основании плотины происходит беспрепятственно при достаточной толщине и талом состоянии нижней части примыкающей к экрану переходной зоны.

5. Установлено, что между приращениями деформаций элементов плотины и факторами внешнего воздействия существует тесная корреляция. Выявлено, что величина ежегодных приращений гребня плотины складывается из двух компонент. Первая из них связана с нормальным ходом реологического деформирования грунтов плотины. Вторая — обусловлена аномальными изменениями среднегодовых значений факторов внешнего воздействия на плотину (уровней воды в бьефах, среднегодовой температуры воздуха, годового слоя атмосферных осадков). Выполнено количественное описание этой связи.

6. Разработана методика количественного прогноза величин годовых приращений осадок и горизонтальных смещений элементов плотины Ви-люйской ГЭС в зависимости от уровневого режима нижнего бьефа и характеристик природно-климатических факторов в районе гидроузла. Оценены максимальные значения и степень опасности этих смещений при подтоплении нижнего бьефа со стороны водохранилища Светлинской ГЭС.

7. Разработаны инженерные предложения по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации каменно-земляных плотин на Севере, которые могут быть использованы при проектировании строительстве и эксплуатации новых гидроузлов энергетического назначения в Южной Якутии и в других районах Северо-Востока страны.

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

2. Анискин H.A. Температурно-фильтрационный режим основания плотины Курейской ГЭС// Вестник МГСУ, 2006, №2

3. Биянов Г.Ф. Строительство плотин на Канадском Севере//ГТС, 1970, №1

4. Биянов Г.Ф. Строительство каменно-набросной плотины Вилюйской ГЭС//ГТС, 1970, №2

5. Богословский П. А. Расчёт многолетних изменений температуры земляных плотин, основанных на толще мёрзлых грунтов//Труды ГИСИ, 1957

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

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

8. Гольдин A.JI. и др. Расчет напряжений и смещений земляной плотины с учетом нелинейной связи между напряжениями и деформациями в грунте. Изв. ВНИИГ, 1974, т. 104.

9. Гольдин А.Д., Рассказов JI.H. Проектирование грунтовых плотин. Издательство Ассоциации Строительных Вузов Москва 2001

10. Глускин Я.Э., Лосев Е.Д., Петров В.Г. Высокие плотины из грунтовых материалов на Крайнем Севере, Тр. коорд. совещ. по гидротехнике, вып. 101, Л, 1975.

11. Гаврилов А.Н. Об оценке осадок грунтовых плотин, возводимых в ССКЗ, // Инженерное мерзлотоведение, материалы конференц. и сове-щещ. по гидротехнике, ВНИИГ, Л., 1984.

12. Гончарова В.Ф., Залежнев Ю.Э. Прочностные свойства крупнообломочных грунтов, // Тр. Гидропроекта, 1973, сб. 28.

13. Долежалова М. Приложение метода сеток к определению влияния крутизны бортов ущелья на НДС ядра каменно-земляных плотин, // Тр. ВОДГЕО, 1969, №5.

14. Журек Я. Некоторые новые данные о сжимаемости крупнообломочных грунтов, // Тр. ВОДГЕО, сб. №5, 1969, с. 146-154.

15. Зарецкий Ю.К. Лекции по современной механике грунтов. Ростов: РГУ, 1989.

16. Зарецкий Ю.К. и др. Рекомендации по проектированию плотин из грунтовых материалов. Назначение расчетных характеристик, материалов грунтовых плотин. П-783-83, М.: Гидропроект, 1983.

17. Залежнев Ю.Е. Исследование прочности крупнообломочного материала при высоких удельных давлениях, // Тр. ВОДГЕО, №30, 1971.

18. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. М.: Недра, 1974.

19. Инструкция по проектированию гидротехнических сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов, ВСН 30-83, Л.: ВНИИГ,20