автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Устойчивость и прочность новых конструкций плотин из укатанного бетона и камня

Введение. Актуальность темы и постановка задачи.

Глава 1. Анализ и обобщение современного мирового опыта проектирования и строительства плотин из укатанного бетона.

1.1. Общее понятие об укатанном бетоне истории его появления.

1.2. Анализ и обобщение современного опыта проектирования и строительства плотин из укатанного бетона.

1.3. Зонирование плотины по содержанию вяжущих в бетоне.

1.4. Вертикальные температурно-усадочные швы в плотине.

Глава 2. Прочность на сдвиг и качество строительных швов в Плотинах из укатанного бетона (полевые и натурные данные).

2.1. Прочность на сдвиг укатанного бетона между швами.

2.2. Прочность на сдвиг в швах укатанного бетона.

2.3. Основные факторы, влияющие на прочность на сдвиг в швах

2.4. Сравнительный анализ физико-механических характеристик укатанного и обычного бетонов.

2.5. Обобщение и анализ натурных данных по фильтрации через швы и трещины в плотинах из укатанного бетона.

2.6. Особенности трещинообразобания в плотинах из УБ.

Глава 3. Устойчивость и прочность новых конструкций плотин из укатанного бетона и камня.

3.1. Анализ профилей гравитационных плотин из укатанного бетона и способы повышения их устойчивости.

3.2. Тенденции в изменении профиля гравитационных плотин из укатанного бетона (УБ).

3.3. Новые конструкции смешанных плотин из УБ и камня.

3.4. Оценка статической и сейсмической устойчивости новой конструкции плотины из УБ и камня.

3.5. Сравнительная оценка устойчивости, прочности и стоимости смешанных плотин из УБ и камня.

3.6. Применение особо тощего УБ и камня, упрочненного цементным, раствором в смешанных плотинах симметричного профиля.

3.7. Исследования устойчивости и прочности плотины симметричного профиля из особо тощего УБ.

Глава 4. Устойчивость, напряженно-деформированное состояние и прочность новой конструкции плотины из укатанного особо тощего бетона и камня, упрочненного цементом.

4.1. Оценка устойчивости и прочности вариантов плотины из УБ при статических и сейсмических воздействиях по нормативной методике.

4.2. Параметрические расчеты напряженно-деформированного состояния и прочности вариантов плотины из УБ при статических воздействиях с помощью МК.

4.3. Параметрические расчеты напряженно-деформированного состояния и прочности вариантов плотины из УБ при сейсмических воздействиях по линейно-спектральной теории.

4.4. Расчеты напряженно-деформированного состояния и прочности высокой плотины из УБ при сейсмических воздействиях по волновой теории.

4.4.1. Модель пластического течения с упрочнением для УБ.

4.4.2. Методика расчета реакции системы плотина-основание-водохранилище на сейсмические воздействия.

4.4.3. Результаты расчетов сейсмостойкости высокой плотины из особо тощего УБ по волновой теории.

Актуальность темы и постановка задачи.

К началу 2001 г. в 32 странах мира было построено 211 плотин из вибро-укатанного бетона (УБ) высотой более 15 м, общим объемом бетона свыше 70

-у о млн. м , из которых УБ - 47 млн. м , и строятся 34 плотины общим объемом свыше 20 млн. м3, из которых УБ - 15 млн. м3. Ведущими странами в области строительства плотин из УБ являются: Китай, США, Япония, Испания, Бразилия, Колумбия, ЮАР, Австралия и Марокко, на долю которых приходится 87% плотин из УБ.

В странах Южной Америки сейчас наблюдается тенденция перехода со строительства традиционных для этих стран грунтовых плотин с железобетонными экранами на широкое строительство плотин из УБ, как наиболее экономичных и технологичных типов плотин высотой более 50 м.

УБ является новым типом жесткого малоцементного бетона с большими еще не полностью использованными технологическими возможностями и широкими физико-механическими характеристиками от традиционного УБ с высоким (свыше 150 кг/м3) расходом вяжущих (цемент+пуццоланы) до особо

-5 жесткого УБ с очень низким расходом вяжущих (до 50 кг/м ) и до разнозерни-стой горной массы и камня, упрочненных цементным раствором, что позволяет УБ использовать как в обычных гравитационных плотинах с вертикальной напорной гранью, так и в составных плотинах симметричного профиля из УБ и камня, упрочненного цементным раствором.

В последние годы в нескольких крупных западных проектно-технологичес-ких фирмах ведется интенсивное совершенствование конструкций плотин из УБ, а также разработка новых конструкций плотин из особо жесткого УБ, а также составных (смешанных) конструкций плотин из УБ и камня. Уже построены 3 плотины из особо жесткого УБ высотой до 30 м и две, высотой около 100 м, проектируются.

К сожалению, до сих пор в нашей стране не начато проведение подобных научно-технологических разработок по этому направлению строительства плотин из УБ.

Как показывают наши расчеты, устойчивость и прочность, а также скорость строительства плотины высотой 50-100 м из особо жесткого УБ симметричного профиля с заложением откосов 0,5 на скальном основании существенно выше, а стоимость строительства заметно ниже, чем обычной гравитационной плотины из УБ такой же высоты с вертикальной напорной гранью и заложением низового откоса 0,8. Подобные симметричные плотины высотой до 5060 м с заложением откосов 0,6-0,7 могут строиться на обычных аллювиальных основаниях, где строительство обычных гравитационных плотин затруднено геотехническими условиями грунтов основания.

Ввиду этого тема диссертации, посвященная научному обоснованию этих новых конструкций плотин из УБ и камня, является очень актуальной.

Цель (задачи) диссертационной работы.

1. Разработка новых конструктивно-технологических решений по плотинам из УБ на основе анализа последних достижений в проектировании и строительстве этих плотин, обеспечивающих повышение их надежности и экономичности.

2. Анализ и обобщение обширных данных лабораторных, полевых и натурных испытаний образцов, кернов и опытных блоков из многих плотин из УБ различного состава с определением сдвиговых параметров и качества рабочих швов УБ, необходимых для достоверного научного обоснования новых конструкций плотин из УБ.

3. Разработка модели работы горизонтальных швов УБ различного состава и качества на основе реальных данных их сдвиговых испытаний и включение этой модели в математическую упруго-пластическую модель описания поведения УБ при статических и сейсмических воздействиях.

4. Оценка устойчивости, напряженно-деформированного состояния и прочности новых конструкций плотин из особо жесткого УБ и камня, в том числе камня, упрочненного цементным раствором, при статических и сейсмических воздействиях (в рамках спектральной теории) и сравнение результатов этих расчетов с аналогичными расчетами обычных гравитационных плотин из УБ.

5. Оценка напряженно-деформированного состояния, трещиностойкости и проч-ности высокой (100 м) плотины симметричного профиля из особо жесткого УБ с использованием упруго-пластической модели УБ при сейсмических воздействиях по волновой теории.

6. Разработка общих рекомендаций по проектированию и строительству новых конструкций плотин из особо тощего УБ и камня, упрочненного цементным раствором.

Основные выводы и рекомендации.

1. УБ является новым типом жесткого малоцементного бетона с большими еще не полностью использованными технологическими возможностями и широкими физико-механическими характеристиками от традиционного УБ с высоким (свыше 150 кг/м ) расходом вяжущих (цемент+пуццоланы) до особо жесткого УБ с очень низким расходом вяжущих (до 50 кг/м3) и до разнозерни-стого камня, упрочненного цементным раствором. Это позволяет УБ использовать как в обычных плотинах с вертикальной напорной гранью, так и в смешанных плотинах симметричного профиля из УБ и камня, упрочненного цементом.

2. Многочисленные швы, образующиеся при послойной укатке УБ, являются наиболее слабым местом плотин из УБ. Обработка этих швов путем укладки на них тонкого слоя цементного раствора не обеспечивает равнопрочность швов и УБ, т. е. монолитность плотины, и существенно замедляет высокие темпы их строительства. Поэтому экономически обоснован переход на новые более технологичные конструкции плотин из особо тощего УБ с отказам от обязательной обработки всех швов .

3. По сравнению с укатанным камнем особо тощий УБ (с расходом цемента до 50 кг/м3, золы-уноса до 25 кг/м3) и камень, упрочненный цементным раствором, обладают очень высоким сцеплением (соответственно, 0,5-1,0 и 0,10,5 МПа) при одном угле внутреннего трения (около 45°), а также высоким сопротивлением размыву при пропуске поверх строящейся плотины строительных паводков. Эти несомненные преимущества особо тощего УБ и упрочненного камня в полной мере могут реализованы только в плотинах симметричного зонированного профиля с крутыми откосами (заложение 0,5), с экраном из двухслойной пленки типа CARPI, что позволяет отказаться от тру. доемкой обработки швов УБ.

4. Сейсмостойкость плотины симметричного профиля высотой 30-100 м из особо тощего УБ с заложением откосов 0,5 на скальном основании существенно выше, чем гравитационной плотины из обычного УБ такой же высоты с вертикальной напорной гранью и заложением низового откоса 0,8. Простота и технологичность конструкции плотины, возможность отказа от трудоемкой обработки швов УБ обеспечивают более высокие ее технико-экономические показатели. Подобные плотины высотой до 50-60 м с заложением откосов 0,7 могут строиться и на обычных аллювиальных основаниях, где строительство обычных гравитационных плотин сильно усложнено.

5. В качестве математической модели УБ целесообразно использовать вариант упруго-пластической упрочняющейся модели обычного бетона, используемой в ЦСГНЭ - филиале Гидропроекта в сейсмических расчетах бетонных плотин, в которой приняты сдвиговые и деформативные параметры швов УБ.

6. Проведенные с применением этой модели УБ расчеты сейсмостойкости симметричной плотины высотой 100 м с заложением обеих откосов 0,5 из особо жесткого УБ на воздействие землетрясения с пиковым ускорением 0,2 и 0,4g показали, что в первом случае плотина работает упруго и вполне надежно, а во втором, в ней возникают небольшие остаточные деформации вблизи гребня и на обеих откосах плотины появляются трещины, что однако не приводит к разрушению плотины. Учитывая наличие водонепроницаемого экрана из пленки типа CARPI на верховом откосе плотины, предотвращающей проникновение воды в раскрывшиеся швы УБ, сейсмостойкость плотины можно считать обеспеченной.

7. Для увеличения сдвиговых параметров швов УБ и уменьшения трещино-образования в плотине высотой 100 м с заложением обеих откосов 0,5 при 9-бальном землетрясении целесообразно обработать цементным раствором все холодные швы в УБ в верховой половине профиля, что повысит примерно вдвое сцепление в швах УБ.

1. Intern. Journal on Hydropower and Dams. 2000 World Atlas & Industry Guide. RCC Dams, 2000.

2. Intern. Journal on Hydropower and Dams. 2000, Vol. 7, N4. Hydropower and dams in China.

3. Intern. Symposium on Roller Compacted Concrete Dams (China RCC '99). Proc., April 1999, Chengdu, China.

4. Intern. Seminar on Roller Compacted Concrete Dams (USA RCC '2000). Proc., September 2000, Denver, USA.

5. Jornada Tecnica sobre Presas de Hormigon Compactado (Spain RCC '2000). Proc., May 2000, Madrid.

6. Berkani A., Ibanes de Aldecoa, Dunstan M. The Construction of Beni Haroun dam, Algeria. Journal on Hydropower and Dams. 2000, Vol. 7, N3.

7. Rogers M.F., Kline R.A., Hartman R.J. RCC mix design programme for the Olivenhain dam. Journal on Hydropower and Dams. 2000, Vol. 7, N3.

8. Presas de Hormigon Compactado (III Curso de Presas de Hormigon Compactado). IECA, Septiembre 1996, Madrid.

9. Simposio Intern. Presas de Hormigon Compactado con Rodillo. Vol. 3 en Espanol, Santander, Octubre 1995, Spain.

10. K.F. Kamel, L.J. Baba, B.P. Machado. Salto Caxias: Brazil's largest RCC dam. Intern. Journal on Hydropower and Dams. 1999, Vol. 6, N1.

11. Федосов B.E. Гидроузел Капанда в Анголе. Гидротехническое строительство. 2000, №8/9.

12. Liapichev Yu. P. Presas de Concrete Compactado con Rodillo (CCR) у Presas Mixtas de CCR у Escollera (Aspectos de Diseno у Construccion). Seminar sobre Presas de CCR, Diciembre 1998. ISAGEN, Medellin, Colombia. 108 p.

13. Schrader, E. Willow Creek dam concrete report/ Vols. 1, 2. US Army Corps of Engineers, Washington, USA; 1984.

14. Schrader, E. Roller compacted concrete for dams, The state-of-the -art, Proceedings, Intern. Conf. On Advances in Concrete Technology, 2nd ed., Canmet, Ottawa, Canada; 1994.

15. Schrader, E. RCC dam overview- Development, current practice and options, Proc., ICOLD Conf., ICOLD, Paris, France; 1995.

16. Hansen, K. Roller-Compacted Concrete Dams, McGraw-Hill, New York, USA; 1991.

17. Федосов B.E., Коган E.A., Осипов А.Д. Характеристики упругости и ползучести малоце- ментного укатанного бетона в плотине гидроузела Капанда / Гидротехническое строи-тельство. 1992, №5.

18. Федосов В. Е., Коган Е.А. Прочность горизонтальных строительных швов в укатанном бетоне плотины ГЭС Капанда / Гидротехническое строительство. 1993, №6.

19. Dunstan M. New composite roller compacted concrete and rockfill dams/ Intern. Water Power and Dam Construction, 1992, February,-P.-40-44.

20. SterenbergJ. Combining rockfill and RCC to create better dams./ Intern. Journal on Hydropower and Dams, 1998, Issue 3,-P.-46-50.

21. Ляпичев Ю.П. Новые конструкции плотин из укатанного бетона и камня. Проблемы теории и практики в инженерных исследов: Сб. научн. трудов.-М.: АСВ, 1998,- С.39-43.

22. Учет сейсмических воздействий при проектировании гидросооружений. Пособие к разделу 5: Гидросооружения, СНиП-П-7-81. П-17-85/ВНИИГ, Л-д, 1986.-С.310.

23. JCOLD Bulletin N52. Methods of Seismic Analysis of Dams. ICOLD, Paris, France.-1986.

24. Blinder, S., Toniatti, N. RCC and CFR Dams. Cost Comparision, Intern. Symposium on RCC Dams, Santander, Spain; October 1995.

25. СНиП 2.06.06-85.Бетонные плотины. Госстбй СССР, М.: 1986.-С.38.

26. Ляпичев Ю.П. Применение конечных элементов в расчетах грунтовых плотин. Учебное пособие, УДН. М:. 1982,- С.80.

27. Трошев М.Е., Шаблинский Г.Э. Применение теории пластического течения для описания деформируемости и прочности бетона в условиях двухосного нагружения. М.: "Строительство и архитектура", 1991.

28. Иевлев Д.Д., Быковцев Б.И. Современное состояние теории пластичности. М.: Наука, 1971.

29. Грошев М.Е. Методы и програмные средства для оценки Сейсмонапряжен-ного состояния и безопасности сооружений гидравлических электростанций. Безопасность энергетич. сооружений. Научно-техн. сб-к, Вып. 7, АО НИИЭС, М.: 2000.С. 130-140.

30. Reabilitility and Applicability of Numerical Procedures foe Dam Engineering. New Bulletin of ICOLD Committee on Computational Aspects of Dam Amnaly-sis and Design. ICOLD, Paris, 2000. P.-140.

31. Fenves G., Chopra A. Effect of reservoir bottom absorption on earthquake response of concrete dams, Earthquake Engineering Structural Dynamics, Vol. 11, 1983, P. 809-822.

32. Fenves G, Chopra A Simplified earthquake analysis of concrete gravity dams, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 113, N8, 1987, P. 1688-1708.

33. El-Aidi В., Hall J. Nonlinear earthquake response of concrete gravity dams, part 2: Behaviour, Earthquake Engineering Structural Dynamics, Vol. 18, 1989, P. 853-865.

34. Hung T, Wang M. Nonlinear hydrodynamic pressure on rigid dam motion, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 113, N4,1987, P. 482-499.

35. Wilson E., Khalvati M. Finite elements for the dynamic analysis of fluid-solid systems, International Journal of Numerical Methods in Engineering, Vol. 19, 1983, P. 1657-1668.

36. Ahmadi M., Ozaka Y., A simplified method for the full-scale 3-D dynamic analysis of arch dam, Proc. of 9-th World Conference on Earthquake Engineering, V. 6,1988, P. 373-378.

37. Ahmadi M. The full-scale 3-D dynamic analysis of Sefidrad buttress dam after the strong earthquake in 1969, Dam Engineering, Vol. 3, N2,1992, P. 85-115.

38. Lysmer J., Kuhlemeyer R, Finite dynamic model for infinite media, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 95,1969, P. 859-877.

39. Бронштейн В.И., Грошев M.E. Расчетная оценка сейсмонапряженного состояния массивных бетонных плотин по записям кинематических параметров их колебаний. Свидет-ство об офиц. регистрации программы для ЭВМ №980290. Роспатент. 1998.

40. Smith I., Griffiths D. Programming the Finite Element Method (3-rd Ed.). John Wiley, N-Y., 1998.-P. 533.

41. Бате К., Вильсон E. Численные методы анализа и метод конечных элементов. Стройиздат. М.: 1983.-С. 448.

42. ГалагерР. Метод конечных элементов (Основы).М.-Мир. 1984. С. 428.

43. Хечумов Р., Кепплер X., Прокопъев В. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. Изд-во АСВб М.: 1994.-С. 350.

44. Griffiths D., Rockey К., etc. The Finite Element Method.A Basic Intriduction for Engineers.(2-nd Ed.). John Wiley.-1983. P. 240.

45. NewmarkN., Effects of earthquake on dams and embankments. Geotechnique,1965, Vol. 15, N2.