Изменения напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС в условиях эксплуатации и оценка их методом конечных элементов

Обеспечение безопасности эксплуатации гидротехнического сооружения (ГТС) регламентируется рядом документов[1,2], в первую очередь, Федеральным Законом «О безопасности гидротехнических сооружений». В системе мер обеспечения безопасности при эксплуатации, наряду с разработкой «Декларации безопасности.», основное место принадлежит мониторингу состояния ГТС. При его осуществлении для сооружений I класса обязательно использовать ряд диагностических средств, в частности, детерминистические модели работы сооружения [3].

Диагностика состояния арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС весьма сложна по ряду причин. Имеющая неординарные размеры, сложная в конструктивном отношении, с предельным для бетона уровнем напряжений, подверженная значительному влиянию температурного фактора, эта плотина имеет много особенностей в ее реакциях на внешние воздействия. В связи с недостаточным обжатием напорпой 1рани, рлушкм-нением основания потребовалось проведение длительных ремонтных работ, что повлекло изменения в ее напряженно-деформированном состоянии (НДС). Для плотины было введено пониженное на 1 метр по сравнению с проектом значение нормального подпорного уровня (НПУ), который плотина способна воспринимать в небольшой по времени период, при достаточном повышении температуры бетона. Продолжается нарастание необратимых перемещений плотины, в результате чего ее перемещения на гребне вплошую приблизились к предельным. Поэтому требуется наращивание объема и качества наблюдений, а так же большого объема исследований Проведение анализа НДС такого объекта непременно требует построения и совершенствования модели, достоверно отражающей поведение сооружения.

Использование в этом качестве расчетных моделей, используемых при проведении проектировочных расчеюв, а в последствии, для поверочных расчетов напряженно-деформированного состояния гидротехнического сооружения затруднительно. Они предназначены, главным образом, для обоснования и подтверждения прочности и устойчивости сооружения, установления критериальных значений контрольных параметров.

При расчете НДС плотины Саяно-Шушенской ГЭС в период обоснования варианта конструкции использовались метод центральной консоли, неполный метод пробных нагрузок, на стадии технического проекта — полный метод пробных нагрузок и метод «арок-консолей» [4]. Эти методы в настоящее время не используются.

Более совершенные расчетные модели создавались на основе метода конечных элементов (разработки генерального проектировщика института «Ленгидропроект», ЦСГНЭО, ВНИИГ, НИС Гидропроекта). Уровень сложности конечно-элементных моделей менялся с течением времени, в соответствии с развитием вычислительной техники и программного обеспечения. Одна из первых в этом ряду — модель Фрадкина Б.В.([5], 1977г). Последние расчеты, проведенные под руководством Вульфовича Н.А.(1994;1997гг. и позднее) и под руководством Бронштейна В.И.(1998г.) [6,7], выполнялись уже с учетом данных натурных наблюдений и реальной последовательности возведения и нагружения плотины. С помощью этих моделей исследовались вопросы возникновения и развития зоны растяжения со стороны напорной грани плотины, влияния последовательности омоноличивания и нагружения плотины. Делались попытки расчетов с учетом температурного воздействия и оценка последствий проведенных ремонтных работ в теле плотины и в основании [8−14].

Существенным недостатком используемых при этом моделей является воспроизведения в одной модели как особенностей строительного периода сооружения, так и ею состояния в эксплуаыционныи период. Гак, гочноиь моделирования длительного (порядка 10 лет), многоэтапного процесса возведения, омоноличивания, нагружения плотины СШГЭС не имеет достаточного подтверждения в виду отсутствия полных натурных данных Проводимое сравнение результатов расчета с данными наблюдений в эксплуатационный период, подтверждающее корректность модели, ведется не в полном объеме, ограничиваясь экстремальными значениями параметров состояния сооружения. Температурное воздействие при этом оценивается в своем максимальном проявлении, при изменении температурного поля в плотине от наиболее холодного (весна) до наиболее теплого (осень) ее состояния.

Этот подход был предопределен целью проектировочных и поверочных расчетов. Следует отметить характерные для этого периода такие объективные причины, как существенные количественные ограничения на степень детализации при построении конечно-элементной сети объекта, малая производительность средств вычислительной техники.

Для целей мониторинга преобладающими становятся такие качества модели как ее адекватность текущему состоянию сооружения, точность воспроизводимых в модели параметров состояния, сравнимая с точностью получаемых при наблюдениях натурных данных. Это позволит дополнить проводимый в настоящее время сравнительный анализ параметров текущего состояния плотины с показаниями предыдущих лет (при сходных внешних условиях) расчетным анализом. Расчет позволяет выяснить, соответствуют ли полученные при измерениях параметры состояния плотины складывающимся внешним условиям, или в сооружении возникли нежелательные изменения, нарушения. Своевременное обнаружение деструктивных процессов имеет определяющее значение.

Анализ отклонений, изменений в состоянии сооружения включает в себя поиск причин намечающихся проблем, и проведение на модели серии расчетов с учетом тех или иных изменений в схеме работы сооружения может дать такой ответ. Для этого должны быть отработаны методические приемы, технологии расчета, необходимые для моделирования всех возможных изменений. К их числу можно отнести изменение температуры отдельных частей плотины, появление магистральных трещин, а так же тех изменений в свойствах и характере взаимодействия отдельных частей плотины, которые происходят при ремонтных работах. В этом проявляется решающее преимущество использования детерминистической расчетной модели перед альтернативными статистическими, в большинстве своем — регрессионными моделями [15,16].

Обеспечение необходимой точности расчетной модели возможно за счет следующего:

— отображение в модели именно текущего состояния сооружения, без попыток охватить всю его историю;

— проведение идентификации модели по максимальному количеству параметров (по данным разных видов и средств измерений), постоянное уточнение параметров модели по данным, соответствующим именно текущему периоду времени;

— построение более густой сети конечных элементов, с отображением всех существенных особенностей его конструкции и вмещающего массива. Одновременно с этим необходимо сгущение сети в местах высоких температурных градиентов в теле плотины для корректного учета температурного фактора;

— отработка методических вопросов расчета НДС сооружения с учетом всех возможных изменений в схеме работы сооружения. Имеются в виду изменения разной природы, как естественно развивающихся процессов, 1ак и процессов, имеющих техногенный характер.

Отсюда и вытекает основная цель диссертационной работы — построение конечно-элементной модели для расчета НДС плотины Саяно-Шушенской ГЭС и вмещающего массива, отработка применяемых при расчете методических приемов. Уникальные параметры плотины СШГЭС, широкий диапазон изменения нагрузок в годовом цикле, приводящий к значительным, с высокой точностью фиксируемым перемещениям, насыщенность сооружения контрольно-измерительной аппаратурой и полноценный контроль ее состояния по всем видам наблюдений — все эти факторы в совокупности предопределяют возможность, а так же и научную ценность моделирования работы данного объекта.

В процессе работы были рассмотрены и решены следующие вопросы:

— изучение объекта исследования, сбор документальных материалов по сооружению, изучение всего измерительного комплекса, методики измерений и обработки полученных данных;

— анализ полученной в последнее десятилетие информации по перемещениям, напряжениям и другим показателям состояния плотины с целью выявления основных закономерностей и особенностей ее поведения в условиях ежегодного цикла изменения нагрузок и внешних условий;

— исследование температурных полей, формирующихся в условиях эксплуатации, в плотине Саяно-Шушенской ГЭС. Так как это — один из важнейших факторов, определяющих состояние плотины, данное исследование проведено наиболее полно, и на его основе сформированы ряд предложений по модернизации системы измерения температурного поля в плотине и организации измерений температуры воды в водохранилище в ряде точек вблизи напорной грани;

— изучение материалов, полученных при проведении предыдущих поверочных расчетов, изучение технологии расчета и применяемых конечно-элементных комплексов программ;

— построение новой конечно-элементной сети — основы расчетной модели,.

— разработка программного обеспечения для автоматизации подготовки исходных данных для расчетов, управления свойствами модели и преобразования выходной информации для ускорения анализа полученных результатов;

— проведение идентификации модели по данным натурных наблюдений, что позволило определить основные параметры модели и проверить используемые методические приемы;

— тестирование модели для проверки ее соответствия данным натурных наблюдений, охватывающих полный годовой цикл «наполнения-сработки» водохранилища, и выработка на этой основе предложений по дальнейшему развитию модели и методики расчета.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в следующем:

— установлены основные закономерности изменений вертикальных (на контакте с основанием) и плановых перемещений плотины в годовом цикле, а также других показателей состояния плотины. С учетом этих результатов приняты основные решения по построению модели, методике использования натурных данных;

— исследованы поля температур в теле плотины, отмечены недостатки в размещении дистанционной измерительной аппаратуры, подготовлен проект дооснащения системы измерения температуры в сооружении;

— разработана концепция конечно-элементной детерминистической модели как средства отображения в ней изменений напряженно-деформированного состояния плотины и вмещающего массива, происходящих в годовом цикле изменения нагрузок и воздействий на сооружение. Ввиду невозможное i и использования разработанных ранее конечно-элементных моделей для поставленных целей построена новая сеть конечных элементов. Важным качеством новой сети является ее строгое соответствие границам конструктивных элементов плотины, обеспечение возможности ее перес гроики и развишя для целей исследования местного НДС;

— с целью отработки методики расчета решена задача об изменениях в НДС сооружения, произошедших при ремонтных работах в теле плотины в 1996 году (инъецирование разуплотненной зоны на отметках 350−359м со стороны напорной грани). Этот опыт был использован для предварительной оценки влияния инъекционных работ в береговых примыканиях.

— внедрен в практику работы лаборатории гидротехнических сооружений (ЛГТС) расчетный анализ состояния плотины. Проведены расчеты НДС плотины в период наполнения водохранилища летом 2006 года для оперативной оценки ее состояния. Своевременно выявлена и определена величина дополнительных перемещений, отличающих состояние плотины в данный период от ее состояния в предыдущие годы. На основе полученных результатов был скорректирован режим эксплуатации Саяно-Шушенского гидроузла в целях повышения безопасности эксплуатации.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы представлены в виде докладов на 62-ой и 63-ой научно-технических конференциях Новосибирскою ю-сударственного архитектурно-строительного университета (СИБСТРИН) (г. Новосибирск, 2005 г. 2006 г.), а так же при проведении лекций на семинаре «Организация надзора за безопасностью ГТС» в 2004 — 2006 годах (на базе Саяно-Шушенского филиала КГТУ).

На тему диссертации опубликовано 4 статьи, выпущено 2 технических отчета, посвященных анализу натурных данных. Расчетные исследования и материалы по разработке модели отражены в виде отдельных глав в 5 ежегодных отчетах ЛГ ГС.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, списка литературы (48 наименований).

Основные результаты проведенных работ заключаются в следующем. 1. Проведен комплексный анализ информации о поведении сооружения в последние годы на основе данных натурных наблюдений. При этом установлено, что: а) Перемещения плотины при ежегодном цикле изменения нагрузок несимметричны относительно ключевой секции плотины 33, левая, станционная часть плотины имеет большую податливость по сравнению с правой, водосбросной ее частью. В то же время, перемещения, обусловленные изменениями температурного поля плотины, имеют обратную направленность, их величина больше для правой части плотины. Этоследствие различий в конструкции станционной и водосбросной плотины, поэтому эти конструктивные особенности необходимо отразить в модели. б) Приконтактное сечение, судя по вертикальным перемещениям точек, при деформировании системы «плотина-основание» осуществляет поворот относительно некоторой воображаемой горизонтальной оси поворота, сохраняя при этом в основном свою плоскую форму Данное наблюдение позволяет при построении модели рассматривать плотину как монолитное сплошное тело. Возникающие при деформировании сооружения отклонения точек этого сечения из плоскости относительно невелики, но надежно определяются при помощи системы гидронивелиров и несут информацию о жесткости скального основания и его изменениях. в) Анализ показаний датчиков температуры, установленных в плотине, приводит к заключению, что по ним возможно достаточно точно установить температурные поля по большей части низовой грани, с учетом неравномерности этого распределения, которое обусловлено разными условиями инсоляции. В виду недостаточности установленной закладной аппаратуры в местах расположения турбинных водоводов, открытых и закрытых участков водосброса, местах расположения водоприемников на верховой грани разработан проект размещения дополнительных датчиков температуры, что позволит более точно учесть при расчете влияние температурного воздействия. г) Проанализированы показания тензорозеток в теле плотины Отмечено, что вычисленные по данным измерений напряжения в бетоне дают значительные отклонения и не отражают общее НДС плотины. Возможно использование только относительных значений компонентов тензора напряжений, то есть приращений данных параметров в годовом цикле изменения нагрузок и воздействий.

2. Разработана концепция новой расчетной модели сооружения, которая предназначается для воспроизведения в модели только изменений в его напряженно-деформированном состоянии в ходе эксплуатации. Построена новая конечно-элементная сеть, которая отражает с необходимой степенью детализации каждую секцию плотин и их различия в конструктивном исполнении для станционной и водосбросной частей плотины.

3. Предложена методика, позволяющая при учете температурных воздействий на плотину корректно отразить особенности взаимодействия блоков бетонирования вблизи наружной поверхности плотины, учесть наличие несомкнутых межблочных швов. Применяется снижение коэффициента температурного расширения бетона, что приводит к понижению усилий на контакте, обусловленных тепловым расширением-сжатием бетонных блоков.

4. Предложена методика моделирования работы разуплотненного скального основания под 1−2 столбами плотины со стороны напорной грани путем введения пониженного модуля упругости для соответствующих конечных элементов.

5. Как важная и неотъемлемая часть модели, разработаны программные средства автоматизации работ по подготовке исходных данных и представлению полученных результатов для последующего анализа.

6. Проведена параметрическая идентификация модели, что позволило уточнить ряд констант, определяющих свойства модели, проверить применимость исходных предположений и допущений, использованных при построении модели, а также подтвердить возможность использования ряда расчетных методических приемов. Определены такие важные параметры, как конструкционный модуль упругости бе гона, модуль упругости скального основания.

7. Проведена оценка работоспособности и точности модели путем тестирования ее на основе серии расчетов, в которой были воспроизведен последовательно 11 состояний плотины, охватывающих полный годовой цикл изменения нагрузок и воздействий. Получено удовлетворительное соответствие расчетных и измеренных при натурных наблюдениях параметров НДС — перемещений и напряжений. Анализ результатов тестирования позволил наметить пути дальнейшего совершенствования модели.

8. С использование модели решены ряд практических задач. В их числеразработка методики оценки влияния на НДС плотины масштабных инъекционных работ. Предложена методика моделирования в сооружении расклинивающего эффекта от заполнения сети трещин в бетоне композиционными смолами, как это происходило после ремонтных работ в плотине в 1996 году, при ликвидации повышенной фильтрации со стороны напорной грани. Сравнение с результатами наблюдений подтвердило применимость данной методики.

9. Проведена в оперативном порядке серия расчетов по оценке состояния плотины в 2006 году, в ходе наполнения водохранилища. Данная работа представляет пример расчетного сопровождения процесса наблюдений (мониторинга) поведения сооружения, что дополняет традиционный анализ, придает ему количественный характер. При этом было установлено, что состояние плотины в летний период 2006 года характеризуется дополнительными перемещениями в сторону нижнего бьефа относительно ее состояния в предыдущие два года, и которые достигают величины 4 мм на гребне плотины.

10. Проведены расчеты перемещений плотины, позволяющие прогнозировать их величину в предстоящий осенний период 2006 года, и установлено, что при достижении максимальных плановых перемещений имеется возможность превышения критериальных значений К1 при раннем похолодании, какое наблюдалось в 2000 году. С учетом полученных результатов расчетов был скорректирован график сработки водохранилища, ускорено снижение УВБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Построение детерминированной конечно-элементной модели плотины Саяно-Шушенской ГЭС и вмещающего массива для целей мониторинга проведено как совокупность аналитических работ по исследованию закономерностей и особенностей поведения гидротехнического сооружения при эксплуатацииразработки модели (построения конечно-элементной сети) и решения методических вопросов, связанных с расчетами НДС плотиныи выполнения ряда практических расчетов, дающих оперативные оценки состояния ГТС в ходе эксплуатации.