автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Температурно-влажностный режим каменно-земляной плотины в примыкании к береговому склону

На правах рукописи

АГЕЕВА Вера Валерьевна

ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ

КАМЕННО-ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ В ПРИМЫКАНИИ К БЕРЕГОВОМУ СКЛОНУ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н.Новгород -1998

Работа выполнена в Нижегородском государственном архитектурно строительном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Гоголев Е.С.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Горохов Е.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Ведущая организация - СЗИ ВНИПИ Энергопром

(г. Санкт-Петербург)

^Г // ^

Защита состоится //^¿Кй-У^ 199 ¿г. в 7/_

на заседании диссертационного совета Д 064.09.04 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу 603600, Г.Н.Новгород, ул.Ильинская, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке

Пантелеев В.Г.,

кандидат технических наук Красавин А.Н.

ННГАСУ

Автореферат разослан Ь КЛЧ

1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессо]

Губанов Л.Н.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из аннотации, введения, 6 разделов, заключения, библиографического списка источников из 172 наименований. Диссертация изложена на 183 страницах, включая 52 рисунка и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследований, научная новизна и практическая значимость работы. Изложено краткое содержание работы.

В первом разделе дается краткий обзор накопленного опыта по исследованиям температурно-влажностного режима фунтовых плотин в суровых климатических условиях. Исследованиям по этой теме, начатым трудами Е.В. Близняка, Б.В. Проскурякова, H.A. Цытовича, П.А. Богословского, Г.С. Шадрина, посвятили свои работы В.И. Белан, А.К. Бипорин, Г.Ф. Биянов, Р.И. Гаврильев, H.H. Гераськин, Е.С. Гоголев, Я.В. Горелик, E.H. Горохов, В.Н. Грандилевский, В.А. Жданов, P.M. Каменский, И.С. Клейн, Н.Ф. Кривоногова, Я.А. Кроник, B.C. Кузнецов, Г.И. Кузнецов, И.А. Максимов, Б.А. Медведев, H.A. Мухетдинов, Б.А. Оловин, А.Б. Проскуряков, Е.А. Смирнов, C.B. Соболь, А.П. Ставровский, A.C. Тетельбаум, В.И. Титова, A.B. Февралев, Г.М. Фельдман, А.Б. Ферингер, Ф.П. Хаглеев, JI.H. Хрусталев, A.M. Цыбин, Р.В. Чжан, Р.Т. Шугаева, A.B. Янченко и др. Известны работы зарубежных ученых в этой области A.D. Brailsford, K.G. Major, D. Hansen, V. Garga, D. Townsend, G. Poots, Zhou Zhou, Xu Shaoxin, Xu Lijuan и др.

Разработкой методики прогнозирования температурно-влажностного режима плотин из каменной наброски занимались H.A. Мухетдинов, В.А. Жданов, И.С. Клейн, Ф.П. Хаглеев, E.H. Горохов; ими рассматривались плоские условия для поперечных профилей плотин. Исследованиям термического режима земляных плотин и их примыканий (в пространственных условиях) посвящены работы А.П. Ставровского, C.B.

Соболя, В.И. Белана, A.B. Февралева, А.К Битюрина и др. Однако методики этих авторов не дают возможности прогнозировать температурно-влажностный режим каменно-земляных плотин в примыкании их к береговому склону. В данной диссертационной работе предлагается разработка методики расчета температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин совместно с береговым склоном и основанием.

Во втором разделе на основе анализа процессов тепло- и массообмена в каменно-земляных плотинах, их основаниях и береговых примыканиях предлагается физическая модель Температурно-влажностного режима рассматриваемой области.

Температурно-влажностный режим грунтовых зон

(противофильтрационных ядер или экранов, основания, берегового массива) формируется под влиянием теплопроводности, конвективного переноса тепла при фильтрации воды, фазовых превращений (таяния или замерзания) поровой влаги (льда или воды).

Температурно-влажностный режим призм из каменной наброски является следствием межпоровой конвекции воздуха, конвекции воды, фазовых превращений поровой влаги, теплопроводности наброски, внутреннего (внутри отдельностей наброски) теплообмена, теплообмена между отдельностями наброски и содержимым ее пор.

Далее приводится математическая модель тепло- и массопереноса в элементах плотины из каменной наброае , основании и берегу в условиях трехразмерной задачи.

Математическое описание основных процессов переноса тепла, влаги, движения веществ, наиболее характерных в годичном цикле, основывается на определенных допущениях. Принимается конвекция сухого воздуха, для которого фазовые превращения водяного пара не учитываются; среднеинтегральная температура воздуха в порах наброски отличается от

температуры ее скелета; среднеинтегральные температуры скелета слагающих материалов и грунтов, а также льда или пленки воды на камнях одинаковы; теплообмен между частицами грунта и водой (воздухом) в порах отсутствует, а между камнями наброски и водой (воздухом) в порах учитывается через объемный коэффициент теплоотдачи; фильтрация воды принимается установившейся, ламинарной; в мерзлом грунте фильтрации нет; деформация оттаявших грунтов равна нулю; фазовые превращения влаги контролируются величиной льдистости.

Для отдельных зон берегового примыкания каменно-земляной плотины с учетом названных выше основных факторов тепло- и массопереноса и принятых допущений для трехмерных условий математическое описание рассматриваемых процессов имеет вид следующей системы уравнений (1)-(12), представленных в таблице. В уравнениях (1)-(12) обозначено: - декартовы координаты; п -

пористость среды; с,- и р, - удельная теплоемкость и плотность /-го вещества; - насыщенность пор г-ым веществом; <9 - температура твердой среды (органоминерального скелета); / - время; 2„ и Лгр - коэффициент теплопроводности наброски и грунта соответственно; 0 - температура движущейся среды (воды и воздуха); ау - объемный коэффициент теплообмена между средами; Ь - удельная скрытая теплота замерзания-таяния влаги; Я - относительная льдистость (отношение объема льда к объему влаги в порах) материалов; Ух, Уу, Уг - составляющие вектора скорости фильтрации воздуха и воды V; к* - условный коэффициент фильтрации (проницаемости) наброски по воздуху; А© - разность температур воздуха в порах наброски и вне ее; Р - избыточное над атмосферным давление воздуха в наброске; А и В - коэффициенты в формуле для силы сопротивления движению воздуха в наброске; у, -удельный вес сухого воздуха; р - коэффициент объемного расширения воздуха; к - коэффициент фильтрации материалов; Н - пьезометрический

напор; подстрочные индексы к, л, ж, в - обозначение принадлежности соответственно к камню (для наброски), ко льду, воде и сухому воздуху.

Граничные условия для тепло- и массопереноса в расчетной области берегового примыкания следующие (рис.3): 1) на сухих откосах и 39

поверхностях -Л— = а(9-вА); 2) на подводных откосах и дне бьефов: ЗС

а) верхний бьеф ©~ Т(у, б) нижний бьеф 9 = &- Т(1), 3) на боковых

39 п 30 п .. и нижнеи границе — = 0, — = 0; 4) на воздухонепроницаемых

¿X. с%

поверхностях Уг = 0; 5) на свободных откосах из наброски Р = 0; 6) на обводненных откосах и дне верхнего бьефа Я = Н1 ; 7) на обводненных откосах и дне нижнего бьефа (ниже КВВ'Ь, рис.3) II -11}; 8) на низовой грани ядра (в пределах поверхности КМЫВ) Н2 <// = Н(у, </// - М ; 9)

¿ЗУ

на боковых и нижней границах и границах зон оттаивания — = 0. Здесь

обозначено: Их н Нг - уровни воды в верхнем и нижнем бьефах; а -конвективный или эффективный коэффициент теплоотдачи от атмосферного воздуха с температурой

&1 к грунту или наброске; I -нормаль к соответствующей поверхности или границе; АИ - падение напора по линии депрессии БМ.

Необходимым условием для задания граничных условий фильтрации воды в расчетной области является известность поверхности депрессии - П. В данной работе предлагается два варианта ее определения, один из которых (рис.3) сводится к следующему: между сечениями 1 и 2 поверхность П образована линией депрессии РМ, которая получена решением плоской фильтрации в ядре; между сечением 2 и точкой А поверхность депрессии ограничивается линией ИВ - на низовом откосе с линейным распределением напора от (II1 - М) до Н2 и линией АВ по "следу" ядра на береговом откосе с линейным распределением напора от //; в точке А до Н2

Таблица

Дифференциальные уравнения тепло- и массопереноса в каменно-земляной плотине, ее береговом примыкашш и основании

Уравнения тепло-

переноса

В скелете наброски

В породой воздухе

дв | У, дв ) У, д& | У, 8Э ^ а,(в-Э) Л п Зс л ду л й л •Ь,(ср),

(2)

о о<

&\ ас) «и а\ а.)

у.=

2В.

1 +

(5)Ч|-НЧ§У

¿г

' Зс

дач ?-нчэ'

-.»§)Ч1-НЧ?У

у. = --

ЙР ' 31

(3)

(4)

(5)

(б)

Подводные зоны верховой, низовой призм плотины и переходных зоя Грунтовые водоупорный элемент и >снование плотины, береговой массив

ё-з5 § а е и й « • Е | | щ ¡'1 Уравнение и скорость движения воды 111

и « 1 В скелете слагающих материалов 0 и ||| 1 з я я в -а « З-а?! 5 § » з в 1 8 Я «

Формально аналогичным уравнениям (9) и (10) а + а И + и 1 а Я £ ® * ъ >—> 5 ь. 1 а 1 в*"" II + + а>1<4> + * II + я 3 ^ 1 II + + 1 1 + + 3 | II + + + г> §■ 3

Таким образом, система дифференциальных уравнений (])-(12) совместно с условиями их однозначности представляет собой математическую модель тепло- и массопереноса в каменно-земляной плотине и ее примыкании к береговому склону.

В третьем разделе предлагается численная аппроксимация системы дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса. Для этого применяется метод конечных разностей (метод сеток) с использованием неявной разностной схемы.

Конечнй-разностные аналоги дифференциальных уравнений (1)-(12) здесь не приводятся.

Фазовые превращения в порах контролируются льдистостыо, определяемой для границы фазовых превращений в скелете материалов: если значение льдистости лежит в пределах 0 < < 1, то значение температуры •9ци ~ Уф (все тепло идет на фазовый переход - изменение льдистости); если вся вода замерзла (Т^у-д =/), либо весь лед растаял — 0), то вычисляется температура скелета материалов с учетом тепла фазовых превращений.

Фильтрационная задач? решается совместно с тепловой, для чего отыскиваются значения избыточного давления воздуха в порах и пьезометрического напора в узлах сетки. Значения напора и давления позволяют определить проекции скорости фильтрации соответственно воды и воздуха, исходя из разностного представления уравнений движения воды и воздуха.

Решение сеточных уравнений осуществляется методом последовательных приближений по схеме Гаусса-Зейделя (метод итераций).

В четвертом разделе описывается алгоритм и пакет прикладных программ NORD, разработанные для проведения расчетов температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин, их оснований и береговых примыканий. Прогноз температурно-влажностного режима осуществляется по следующему алгоритму: 1) задаются начальные исходные данные; 2) решается фильтрационная задача, т.е. выясняется распределение пьезометрических напоров и избыточных давлений в отдельных элементах берегового примыкания плотины; 3) по найденным напорам и давлениям вычисляются скоростные поля движения воды и воздуха; 4) пересчитываются для новых (отличных от начальных) условий коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи; 5) решается тепловая задача, причем одновременно для твердой среды (скелета) и подвижной среды (вещества в порах) с учетом их взаимовлияния, т.е. выясняется распределение температур скелета наброски и грунтовых зон, а также воды и воздуха в поровом пространстве с учетом теплообмена между этими средами; 6) для следующего момента времени цикл расчетов повторяется последовательно с п.2. В предлагаемой программе временной шаг составляет 10 суток, в месяц проходит 3 цикла расчетов, в конце каждого месяца выдается информация по усмотрению оператора.

Пакет программ реализован на алгоритмическом языке Фортран-90 (MICROSOFT) применительно к ПЭВМ. Требования к вычислительной системе сводятся к следующему: ЭВМ типа ШМ PC/ AT с процессором Pentium; объем оперативной памяти не менее 8 Мб для решения задачи на сетке с числом узлов не более 40000; свободное место на жестком диске не менее 200 Мб для размещения базы данных на 100 лет прогноза; широкий Epson-совместимый принтер.

В пятом разделе сообщается об апробации разработанной методики расчетов температурно-влажностного режима и об оценке достоверности результатов этих расчетов.

Для оценки надежности принятой математической модели тепло- и массопереноса в низовой призме реальному процессу был выполнен прогноз температурно-влажностного режима правобережного примыкания каменно-земляной плотины эксплуатируемой Вилюйской ГЭС-1;2, по которой имеются данные натурных наблюдений. В качестве начального для расчетов было принято температурное состояние примыкания, наблюденное в конце декабря 1972 г. Некоторые результаты расчетов для 1973 г. представлены на рис. 1, 2. Там же приведены результаты натурных наблюдений по материалам ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева и службы эксплуатации Вилюйской ГЭС-1;2.

В течение календарного года, как это показали расчеты, дважды происходит инверсия направления движения воздуха в верхней части низовой призмы, что является определяющим в формировании ее температурного состояния. Это же подтверждается и данными натурных наблюдений. Сопоставление (рис. 1,2) полученных расчетом и по данным натурных наблюдений температурных полей в низовой призме для сечения плотины на ПК 2+40 говорит о том, что они качественно достаточно хорошо согласуются между собой; количественно расхождение между расчетными и наблюденными значениями температуры сравнительно невелики - среднее расхождение не превышает 3,7 % (за 100 % принята годовая амплитуда температуры воздуха).

Для проверки методики выполнены расчеты оттаивания берегового склона в примыкашш к нему каменно-земляной плотины (рис.3), необходимые исходные данные приняты по материалам АО Ленгидропроект. Расчеты проведены с использованием разработанного в диссертации пакета программ NORD и по известной методике ВНИИ ВОДГЕО на 89 лет эксплуатации сооружений (без учета строительного периода).

яд

Рис.1 Температурное поле в сечении Вилюйской плотины на ПК 2+40 на

23.03.1973 г.

1) изотермы температурного поля, полученного по результатам расчетов; 2) изотермы температурного поля по данным натурных наблюдений; 3) каменная наброска; 4) экран из суглинка; 5) переходные зоны; 6) скальное основание; 7) кровля скалы.

У&ВЩВ

о 15 30 45м

Рис. 2 Температурное поле в сечении Вилюйской плотины на ПК 2+40 на 18.09.1973 г. Обозначения на рис.1

X

Рис.3 Схема расчетной области берегового примыкания каменно-земляной плотины: 1) каменная наброска; 2) ядро из суглинка; 3) изотермы начального температурного поля; 4) нижняя граница мерзлоты; 5) талые грунты; б) мерзлые грунты. Переходные зоны условно не показаны.

о (

Рис. 4 Результаты вычислений оттаивания мерзлого берега для февраля 20'- и 89ы годов: 1) начальное положение границы мерзлоты; 2) граница зоны оттаивания берега в сечении I-I; 3) то же в сечении III-III; 4) то же в сечении II-II; 5) осредненная граница зоны оттаивания через 89 лет по методике ВНИИ ВОДГЕО; 6) верх ядра из суглинка; 7) линия основания плотины; 8) каменная наброска; 9) эпюры расчетной среднемесячной температуры воды в водохранилище. Следы сечений I-I, II-II и III-III показаны иа рис.3.

Проверка осуществлена путем сравнения величин оттаивания берегового склона, полученных в результате расчетов. Как видно из рис.4, результаты этих расчетов количественно и качественно согласуются между собой. Следует отметить, что предлагаемая методика, в отличии от методики ВНИИ ВОДГЕО, позволяет учесть пространственность зоны оттаивания в береговом примыкании; кроме того, берется. в расчет реальная геометрия примыкания сооружений.

В шестом разделе приводятся результаты прогнозирования температурно-влажностного режима. Этот режим рассматривался для берегового примыкания каменно-земляной плотины одного из перспективных гидроузлов в Якутии. Плотина высотой около 100 м состоит из каменной наброски (верховая и низовая призмы), суглинистого ядра и гравелистых переходных зон, в основании плотины залегают суглинки.

Расчетная схема примыкания была аппроксимирована нерегулярной разностной сеткой с числом узлов по осям X, У, Ъ соответственно равным 45,29,30.

Для расчетов потребовалось 8 Мб оперативной памяти ПЭВМ и около 200 Мб на жестком диске для размещения базы данных на 89 лет прогноза от начала эксплуатации. Затраты машинного времени ПЭВМ с процессором РеШщт-ЮО составили: для расчета на один месяц около 3 минут, для получения окончательных результатов, примерно 48 часов.

Результаты расчетов представлены на рис. 5,6.

Их анализ позволяет выявить основные тенденции в развита!; температурно-влажностного режима примыкания. Так, например, £ береговом массиве происходит сложный эволюционный процесс деградации мерзлоты: максимальное оттаивание берегового склона в мест( примыкания за 89 лет составило от 10 до 15 м; максимальное оттаиванш этого же склона в верхнем бьефе за 89 лет достигло почти 20 м;

— +1.75 -

— +: —

-+1Л5-

- +г—

Рис. 5 Температурное поле в русловом сечении плотины в январе 1-го года

от начала эксплуатации. 1) - верховая призма; 2) - ядро с переходными зонами; 3) - низовая призма; 4) - основание; 5) - изотермы температурного поля; 6) - линия раздела между талым и мерзлым грунтом

Рис.6 Температурное поле в русловом сечении плотины в феврале 89-го года от начала эксплуатации. Обозначения на рис.5

в теле плотины, по истечении начального периода, температурное поле зависит, в основном, от сезонных изменений температуры воздуха и воды в бьефах: ядро плотины со стороны гребня и низовой призмы не промерзает - граница между талой и мерзлой зонами низовой призмы располагается в самой низовой призме; талое состояние ядра обеспечивает благоприятные условия для его фильтрационной прочности; талое состояние основания низовой призмы создает хорошие условия отвода профильтровавшейся через ядро воды; основание плотины в русловой части в течение всей эксплуатации не промерзает; последнее обстоятельство говорит о существенном отепляющем влиянии фильтрационного потока в основании.

Для увеличения сейсмостойкости каменнонабросных плотин с диафрагмами сотрудниками ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева предложено использовать льдогрунтовый динамический гаситель колебаний (ЛДГК), образуемый в низовой призме. С целью оценки возможности длительного существования ЛДГК были выполнены расчеты температурно-влажностного режима плотины Тельмамского гидроузла.

Конструкция плотины с льдогрунтовым динамическим гасителем колебаний (ЛДГК), разработана Ленгидропроекгом и согласована с ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. В расчетах температурно-влажностного режима учитывался пятилетний период строительства плотины. Начальное температурное поле в основании плотины, граничные значения температуры, физико-механические и теплофизические характеристики материалов тела и основания плотины приняты по данным Ленгидропроекта и ВННИГ.

Расчеты температурно-влажностного режима были выполнены на 30 лет эксплуатации плотины. Некоторые результаты расчетов иллюстрируются рис.7 и 8.

Рис.7 Температурное поле в плотине в январе 5-го года от начала строительства. Обозначения на рис.5

Рис.8 Температурное поле в плотине в январе 30-го года от начала строительства

Результаты расчетов показали, что зона ЛДГК имеет устойчивый режим с отрицательными значениями температуры; это говорит о возможности существования этой зоны в процессе эксплуатации плотины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных в диссертационной работе исследований сформулировались следующие выводы:

1. Проектирование, строительство и эксплуатация каменно-земляных плотин в районах вечной мерзлоты и сурового климата требуют прогнозирования температурно-влажностного режима их тела, основания и береговых примыканий, учитывающего пространственные условия формирования этого режима.

2. На основе анализа процессов тепло- и массопереноса, формирующих температурно-влажностный режим, предложена физическая модель, учитывающая такие основные процессы, как межпоровая конвекция воздуха, конвекция воды, фазовые превращения поровой влаги, теплопроводность, теплоемкость, внутренний теплообмен, теплообмен между средами. При этом учитываются реальные геометрические формы плотин и береговых склонов, а также реальное геокриологическое состояние оснований и берегов.

3. Разработана математическая модель температурно-влажностного режима, отражающая физическую модель, и представляющая собой систему дифференциальных уравнений процессов тепло- и массопереноса и краевых условий для трехмерных областей.

4. Составлены численные аппроксимации математической модели на основе метода конечных разностей; разработан способ решения системы разностных уравнений неявным методом.

5.С целью реализации методики численных расчетов составлены алгоритм и пакет прикладных программ для ПЭВМ типа IBM PC/AT на алгоритмическом языке Фортран-90 (MICROSOFT).

6. Проверка методики расчетов температурно-влажностного режима осуществлена двумя путями: а) сравнением результатов расчетов, полученных по разработанной методике, с данными натурных наблюдений на плотине Вилюйской ГЭС-1;2; б) сравнением результатов расчетов по предложенной методике и результатов расчетов по методу ВНИИ ВОДГЕО. Сравнение показало приемлемость предложенной методики и достоверность результатов, получаемых на ее основе.

7. Проведены расчетные исследования температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин и их береговых примыканий. Эти исследования показали, что влияние берегового массива на температурно-влажностный режим русловых сечений плотины незначительно и поэтому здесь достаточно рассматривать плоскую задачу; в месте примыкания плотины к берегу условия формирования температурно-влажностного режима трехмерны, что требует исследований в рамках пространственной задачи.

8. Основные результаты диссертационной работы доведены до практического применения, опубликованы и могут быть использованы в исследованиях, проектировании, строительстве и эксплуатации гидроузлов в районах сурового климата.

9. Пути дальнейшего совершенствования разработанной методики температурно-влажностных расчетов каменно-земляных плотин могут состоять в учете ряда факторов, исключенных при решении поставленной задачи; в повышении эффективности путем использования ПЭВМ для формирования исходных данных и обработки полученных результатов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Агеева В.В. О возможности моделирования тепло- и массопереноса в низовой призме плотины вблизи берегового склона // Тез. докл. науч-техн. конф. / НГАСА, 1994. - Ч. 5. - С. 13.

2. Горохов E.H., Агеева В.В. Исследования температурно-влажностного режима береговой части проектируемой Тельмамской плотины с льдогрунтовым динамическим гасителем колебаний // Тез. докл. науч.-техн. конф. / НГАСА, 1994. - Ч. 5. - С. 14.

3. Агеева В.В. Алгоритм и Программа температурных расчетов берегового сопряжения каменно-земляной плотины // Тез. докл. науч,-техн. конф. / НГАСА, 1995. - 4.5. - С. 22.

4. Агеева В.В. Математическая модель тепло- и массопереноса берегового примыкания, каменно-земляной плотины // Тез. докл. науч.-техн. конф. / НГАСА, 1995. - 4.5. - С. 22.

5. Горохов E.H., Агеева В.В. Методика прогноза температурного режима берегового примыкания каменно-земляной плотины в условиях вечной мерзлоты // Материалы 50-й Международной науч.-техн. конф. / СПбГАСУ, СПб., 1996. - Ч. I. - С. 69 - 75.

6. Gorokhov Je., Ageeva V.V. Prediction of temperature conditions of the designed Telmama dam to be constructed during five-year period // International Symposium on Cold Regions Engineering / Harbin, China, 1996. - P. 32-34.

7. Агеева B.B., Горохов E.H. Разностная аппроксимация граничного условия теплообмена на откосах плотины для трехмерной задачи // Тез. докл. науч.-техн. конф. / НГАСА, 1996. - Ч. 5. - С. 42.

8. Горохов E.H., Агеева В.В. О расчете фильтрации в области берегового примыкания каменно-земляной плотины // Тез. докл. науч.-техн. конф. / НГАСА, 1996. - 4.5. - С. 58.

9. Агеева B.B. Температурный режим каменно-земляной плотины в примыкании к мерзлому береговому склону // Материалы 51-й Международной науч.-техн. конф. / СПбГАСУ, СПб., 1997. - 4.1. - С.46-50.

10. Агеева В.В., Горохов E.H. Расчет температурного режима правобережного примыкания плотины Вилюйской ГЭС-1;2 II Тез. докл. науч.-техн. конф. / НГАСУ, 1997. - 4.5. - С. 48-49.

11. Горохов E.H., Агеева В.В. Опыт прогноза температурного режима примыкания каменно-земляной плотины к мерзлому склону речной долины // Тез. докл. науч.-техн. конф. / НГАСУ, 1997. - 4.5. - С. 73-74.

12. Горохов E.H., Агеева В.В. Прогноз методом математического моделирования оттаивания мерзлых примыканий каменно-земпяных плотин, возводимых в условиях вечной мерзлоты // Материалы IV науч,-методич. семинара / ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, СПб., 1998. - С. 100-105.

Подписано в печать 21.10.98. Бумага газетная. Формат 60 х 90 ]/,6 Печать офсетная. Объем i печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 603600, Н.Новгород, Ильинская, 65. Полиграфический центр ННГАСУ, 603600, Н.Новгород, Ильинская, 65.

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АГЕЕВА Вера Валерьевна

ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ

КАМЕННО-ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ В ПРИМЫКАНИИ К БЕРЕГОВОМУ СКЛОНУ

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор ГОГОЛЕВ Евгений Семенович

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент ГОРОХОВ Евгений Николаевич

Н.Новгород - 1998

АННОТАЦИЯ

Прогноз оттаивания мерзлых береговых примыканий важен для правильного выбора конструкции сопряжения плотин, определения глубины врезки противофильтрационных элементов, решения вопросов об устройстве замораживающих колонок, для прогноза термокарста и связанных с ним деформаций плотин и пр.

В настоящей работе исследуется температурно-влажностный режим каменно-земляной плотины в условиях примыкания к мерзлому склону речной долины. Рассматривается пространственная задача.

Для прогноза температурно-влажностного режима берегового примыкания каменно-земляной плотины в условиях Крайнего Севера предложена физическая модель процессов тепло- и массопереноса; разработано математическое описание, отражающее физическую модель; получена численная формализация математической модели; предложен метод решения численных зависимостей; составлен алгоритм реализации этого метода на современных ЭВМ; разработан пакет прикладных программ для ЭВМ, позволяющих выполнять расчеты данного режима.

Проведена проверка методики сопоставлением результатов расчетов, выполненных для берегового примыкания каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1;2 с данными натурных наблюдений и сравнение результатов расчетов по пакету NORD с результатами расчетов по методике ВНИИ ВОДГЕО.

Выполнены расчеты температурно-влажностного режима береговых примыканий каменно-земляных плотин эксплуатируемой Вилюйской ГЭС-1;2 и проектируемой Тельмамской ГЭС.

Основные результаты исследований доведены до практического применения в ОАО Ленгидропроект им. С.Я. Жука, в ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева.

СОДЕРЖАНИЕ

с.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................. 6

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

ВЕЛИЧИН, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ............................................... 12

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА........................................................................ 15

1.1. Краткий обзор исследований температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин,

их оснований и береговых примыканий........................................ 15

1.1.1. Исследования тепло- и массообмена

в каменной наброске............................................................ 15

1.1.2. Исследования теплообмена и фильтрации

в береговом примыкании земляных плотин....................... 18

1.2. Цель диссертационной работы...................................................... 20

2. ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОС В КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИНАХ, ИХ ОСНОВАНИЯХ И БЕРЕГОВЫХ ПРИМЫКАНИЯХ.................................................................................. 22

2.1. Физическая модель температурно-влажностного режима........... 22

2.2. Математическое описание физической модели............................ 25

2.2.1. Дифференциальные уравнения тепло- и

массопереноса в каменной наброске................................... 26

2.2.2. Дифференциальные уравнения тепло-

и массопереноса в грунтовых (земляных) зонах................ 33

2.2.3. Сводка дифференциальных уравнений............................... 36

2.2.4. Назначение краевых условий.............................................. 36

2.3. Физические свойства и характеристики материалов, слагающих береговое примыкание каменно-земляной

плотины ......................................................................................... 46

2.3.1. Физико-механические характеристики материалов........... 47

2.3.2. Теплофизические характеристики материалов................... 49

3. АППРОКСИМАЦИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ТЕПЛО" И МАССОПЕРЕНОСА В БЕРЕГОВОМ ПРИМЫКАНИИ КАМЕННО-

ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИНЫ КОНЕЧНЫМИ РАЗНОСТЯМИ.................. 58

3.1. Уравнения тепло- и массопереноса в каменной наброске в конечных разностях.......................................................................................... 61

3.1.1. Конечно-разностное представление уравнения теплопереноса в скелете наброски............................................................... 61

3.1.2. Конечно-разностное представление уравнения теплопереноса в поровом воздухе................................................................ 67

3.1.3. Конечно-разностное представление уравнения

движения воздуха в порах наброски.................................... 69

3.2. Уравнения теплопереноса и фильтрации воды в

грунтовых (земляных) зонах плотины, ее основании и берегу в конечных разностях........................................................................ 72

3.2.1. Конечно-разностное представление уравнения теплопереноса........................................................................ 72

3.2.2. Конечно-разностное представление уравнения фильтрации

*

воды....................................................................................... 73

3.3. Сводка конечно-разностных уравнений......................................... 78

3.4. Краевые условия в конечных разностях......................................... 78

4. АЛГОРИТМ И ПРОГРАММА ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ................................................................................................. 89

4.1. Подготовка исходных данных для трехмерной задачи примыкания...................................................................................... 89

4.2. Алгоритм температурно-влажностных расчетов и пакет прикладных программ NORD.............................................................................. 91

4.2.1. Головной модуль NORD...................................................... 92

4.2.2. Программа SUB. FACTS...................................................... 96

4.2.3. Программа SUB. LAMDA.................................................... 101

4.2.4. Программа SUB. FILTER..................................................... 104

4.2.5. Программа SUB. PRES........................................................ 106

4.2.6. Программа SUB. SPEED..................................................... 109

4.2.7. Программа SUB.ALFA........................................................ 112

4.2.8. Программа SUB. HEAT-T................................................... 112

4.2.9. Программа SUB. HEAT-V.................................................. 114

4.2.10. Программа SUB. SPEAK................................................... 119

5. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ И ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ............................. 120

5.1. Сопоставление результатов расчетов температурно-влажностного режима правобережного примыкания каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС-1;2 с данными натурных наблюдений............. 120

5.2. Расчет оттаивания мерзлого берега в зоне примыкания каменно-земляной плотины......................................................... 132

6. ПРОГНОЗЫ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНОГО РЕЖИМА КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН..................................................... 136

6.1. Температурно-влажностный режим каменно-земляной

плотины в примыкании к берегу................................................. 136

6.2. Температурно-влажностный режим левобережной части Тельмамской плотины с льдогрунтовой зоной в низовой упорной призме........................................................................... 152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................... 159

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................... 161

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................... 180

ВВЕДЕНИЕ

Гидроэнергоресурсы рек криолитозоны весьма значительны. Только на реках Якутии сосредоточено более 500 млрд. кВт.ч/год, из которых действующими Вилюйскими ГЭС-1;2 и строящимися - 3 будет освоено лишь 3,75 млрд. кВт.ч/год (менее 1%) [19]. Выявлена техническая возможность получения на крупных ГЭС на реках Вилюй, Олекма, Лена, Адыча, Оленек, Алдан и его притоках около 180 млрд. кВт.ч годовой выработки электроэнергии, что позволит обеспечить собственные потребности в электроэнергии и передавать ее в значительных масштабах в другие регионы страны, превратить Якутию в крупного экспортера электроэнергии.

Экономический гидроэнергопотенциал Дальневосточного региона оценивается в 289 млрд. кВт.ч/год, однако в настоящее время использование его составляет всего 2,6 % [73].

К настоящему времени построены и действуют в этой зоне Усть-Хантайская, Курейская, Вилюйская-1;2, Колымская, Мамаканская ГЭС, в состав которых входят грунтовые плотины.

В связи с необходимостью дальнейшего освоения *

гидроэнергетического потенциала криолитозоны в Магаданской области строится Усть-Среднеканская ГЭС [138], предполагается строительство Верхнеколымской ГЭС (разработан технико-экономический доклад в 1994 г.), Амгуэмской ГЭС на р. Амгуэма; в Якутии строится Вилюйская ГЭС-3 [146], разработано технико-экономическое обоснование Чиркуокской ГЭС на р. Вилюй (верхняя в каскаде Вилюйских ГЭС), по две ГЭС на реках Оленек, Олекма и Лена, десять ГЭС на р. Алдан и ее притоках (в частности, рассматривается возможность строительства группы мощных Учурских ГЭС на р. Учур), ведется проектирование Адычанской ГЭС на

притоке р. Яны: в настоящее время этот регион электроэнергию получает на дизельных и газотурбинных станциях, для чего ежегодно завозится около 200 тысяч тонн дизельного топлива; в Забайкалье на р. Витим предусматривается строительство Мокской ГЭС (заканчивается разработка технико-экономического обоснования) с контррегулятором Ивановской ГЭС; в районе Бодайбо начато строительство Тельмамской ГЭС на р. Мамакан [24].

В составе гидроузлов, возводимых в криолитозоне, предусматриваются в основном плотины из грунтовых материалов. Среди них наиболее экономичными в условиях сурового климата являются плотины из каменной наброски. Такие плотины привлекают неизменным преимуществом - возможностью использования местных строительных материалов, простотой в технологии возведения, а также круглого личностью производства работ и пр. [9].

К настоящему времени в нашей стране и за рубежом накоплен некоторый опыт проектирования, строительства и эксплуатации таких плотин в условиях Севера [16, 17, 35, 74, 79, 94, 104, 107, 160 и др.], который показывает, что климатические условия выдвигают специфические требования к конструкции плотин и технологии их возведения [18, 57, 77, 122, 124, 135].

На основе многолетнего опыта эксплуатации Колымской, Вилюйской-1;2, Усть-Хантайской, Верхнекумахской и др. плотин можно отметить следующие явления, приводящие к их недопустимым деформациям и повреждениям [ 44, 76, 78, 100, 110, 142, 154]:

- в основании плотины - сильное протаивание пород в следствие теплового воздействия водохранилища, в результате чего прочный мерзлый грунт теряет свою несущую способность и плотина получает нежелательные осадки;

- в самой плотине - многократно повторяющиеся процессы промерзания зимой и прогревания летом низовой призмы плотины приводят к ряду нежелательных криогенных процессов в ее элементах: морозного пучения и трещинообразования тонкодисперсных грунтов, образование наледей в порах наброски в следствие проникновения фильтрационной и инфильтрационной воды в зоны наброски с отрицательной температурой, разрушения каменного материала наброски в зонах значительного и частого изменения температуры. Кроме того, на основании проведенного анализа возникающих аварийных ситуаций установлено, что нельзя допускать вкрапления в тело сооружения инородных конструкций в виде железобетонных галерей, потерн, шахт; желательно также отказаться от устройства под плотиной цементационной потерны;

- в берегах - создание водохранилища вызывает резкое изменение естественного термического режима льдонасыщенных грунтов береговых склонов, в результате их оттаивания образуются термокарстовые провалы, трещины, которые служат дополнительными ходами сосредоточенной фильтрации из водохранилища, ускоряющей процесс деградации вечной мерзлоты.

Как показывает практика эксплуатации гидроузлов на Крайнем Севере, особую опасность представляют участки сопряжения плотины с береговыми склонами, поскольку природа не может обеспечить залегания искусственно-подобранных прочных грунтов в берегу и в результате оттаивания склона возможны нарушения фильтрационной прочности, потеря устойчивости борта долины, образование термокарста, возникновение значительных осадок оснований и деформаций плотин.

Из выше сказанного ясно, что для проектирования и строительства в суровых климатических условиях надежных каменно-земляных плотин

необходимо уметь прогнозировать ее температурно-влажностный режим с учетом многообразия и взаимосвязи процессов тепло- и массопереноса, протекающих в ее отдельных элементах, основании и зонах сопряжения с бортом долины [125, 126]. Такой прогноз позволяет разработать рациональные конструкции береговых примыканий плотин и наметить мероприятия, способствующие безаварийной эксплуатации сооружений.

К настоящему времени имеются методики прогнозирования температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин применительно к условиям плоской задачи [37, 67, 97 и др.], которые не дает возможности исследовать этот режим в примыкании плотин к береговому склону, где условия формирования температурно-влажностных процессов являются пространственными. В данной диссертационной работе предлагается восполнить этот пробел путем разработки методики расчета указанного режима каменно-земляных плотин совместно с береговым склоном.

Настоящая работа посвящена разработке методики расчета температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин, их оснований и береговых примыканий для условий вечной мерзлоты.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена физическая модель температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин, их оснований и береговых примыканий, учитывающая такие основные процессы тепло- и массопереноса как межпоровая конвекция воздуха, конвекция воды, фазовые превращения поровой влаги, теплопроводность, внутренний теплообмен, теплообмен между средами;

- составлена система дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса и краевых (начальных и граничных) условий, описывающая температурно-влажностный режим;

- получена система конечно-разностных зависимостей, аппроксимирующих дифференциальные уравнения тепло- и массопереноса и краевые условия;

- разработан метод решения системы конечно-разностных уравнений, основанный на итерационном определении значений сеточных функций по неявной разностной схеме;

- составлен пакет программ NORD для ПЭВМ типа IBM PC/AT на алгоритмическом языке Фортран-90 (MICROSOFT);

- выполнены расчеты температурно-влажностного режима береговых примыканий каменно-земляных плотин эксплуатируемой Вилюйской ГЭС-1;2 и проектируемой Тельмамской ГЭС.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанная методика прогнозирования температурно-влажностного режима позволяет количественно оценивать процессы тепло- и массопереноса, происходящие в каменно-земляных плотинах, их основаниях и примыканиях. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и эксплуатации гидроузлов в суровых климатических условиях.

Результаты работы реализованы в ОАО Ленгидропроект им. С.Я. Жука и ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева при проектировании каменно-земляной плотины с асфальтобетонной диафрагмой Тельмамской ГЭС на р. Мамакан; в ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева при исследовании температурно-влажностного режима левобережной части Тельмамской плотины с льдогрунтовой зоной в низовой упорной призме; в ЗАО Инженерный Центр ВНИИГ при прогнозировании температурного режима правобережного примыкания каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС.

На защиту выносятся методика расчетов температурно-влажностного режима каменно-земляных плотин в примыкании к

береговому склону и пакет прикладных программ NORD, реализующий эти расчеты для конкретных объектов.

Материал диссертации расположен в следующем порядке.

В первом разделе дается краткий обзор и анализ имеющихся разработок; показывается необходимость исследований, выполненных в данной работе.

Во втором разделе на основе анализа процессов тепло- и массообмена в каменно-земляных плотинах, их основаниях и береговых примыканиях предлагается физическая модель температурно-влажностного режима рассматриваемой области; а также приводится математическая модель тепло- и массопереноса в элементах берегового примыкания плотины в условиях трехразмерной задачи.

В третьем разделе система дифференциальных уравнений решается путем численной аппроксимации методом конечных разностей с использованием неявной разностной схемы.

В четвертом разделе описывается алгоритм и пакет прикладных программ NORD. Приводятся подробные блок-схемы.

В пятом разделе сообщается о проверке разработанной методики расчетов температурно-влажностного режима и оценке достоверности результатов этих расчетов.

В шестом разделе приводятся результаты прогнозирования температурно-влажностного режима каменно-земляной плотины конкретного объекта.

В заключении излагаются выводы по проведенным исследованиям и пути их дальнейшего развития.

В приложении помещены материалы, показывающие внедрение результатов работы в национальном хозяйстве.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИН,

ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ Основные обозначения и единицы измерения величин

Обозначения величины Единицы измерения в системе СИ Используемые единицы