КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННЫХ ПЛОТИН В ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ ПЕРИОД (НА ПРИМЕРЕ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ В УСЛОВИЯХ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС)

Барышников В.Д. — Учреждение Российской академии наук «Институт
горного дела Сибирского отделения РАН»

 

---

Нарушения устойчивости элементов инженерных сооружений, вызванные природными и техногенными воздействиями, могут привести к негативным последствиям и авариям. Многие бетонные гидротехнические сооружения (ГТС) в нашей стране находятся в эксплуатации длительное время (30 лет и более), что требует постоянного контроля их состояния, актуальность которого по мере старения сооружений должна возрастать. Многолетними натурными наблюдениями на ряде бетонных плотин установлены отклонения от проектных предположений в характере взаимодействия системы «плотина – скальное основание»: появление нерасчетных напряжений и трещин на контактах с основанием и в теле плотины; изменения водопроницаемости и деформационных свойств скального основания; снижение устойчивости береговых примыканий [1, 2]. Крупные гидроузлы с высокими плотинами (Н > 100 м) и значительными изменениями уровня водохранилищ требуют особого внимания с учетом значительных техногенных нагрузок (статических и динамических) и активного фильтрационного влияния на скальное основание.

Традиционно контроль напряженно-деформированного состояния (НДС) ГТС осуществляется на основе регулярно проводимых наблюдений с использованием закладной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). Закладная КИА (струнные датчики деформаций и температур) размещается, как правило, по створному принципу в наиболее характерных сечениях плотины при её строительстве. Такой принцип размещения в сложных инженерно-геологических условиях не всегда отражает особенности статической работы сооружения, определяемые, прежде всего, геологическим строением и механическим состоянием скального основания. Во время строительства и начального периода эксплуатации ГТС (в период адаптации «плотина – основание») могут обнаружиться некоторые отклонения в деформировании плотины от проектных предположений [3]. Причинами этого могут быть не только геолого-структурные особенности скального массива, но и технологические влияния при сооружении плотины (технология укладки бетона и цементации швов, температурные влияния, последовательность и этапность возведения и нагружения плотины и т.п.), учесть которые в проектных решениях не всегда удается.

Специфика экспериментальной оценки НДС заключается в пересчете измеренных с помощью закладной КИА деформаций в напряжения на основе использования, как правило, аппарата теории упругости, предполагающего сплошность, однородность и изотропность бетонного массива. Поэтому достоверность полученных результатов во многом определяется тем, насколько точно выбранная расчетная модель отвечает реальному механическому состоянию и свойствам контролируемого участка массива. Если установкой дополнительных контрольных датчиков можно в какой-то степени оценить соответствие принятой модели (иначе, методические погрешности), то в отношении использования показателей упругих свойств бетона вопрос остается нерешенным. Характеристики, определенные при испытании бетонных образцов, как правило, отличаются от полученных в натуре, а различие величин модуля упругости нередко оказывается существенным. Следует также отметить, что инструментальные погрешности, свойственные самому датчику, со временем возрастают. Закладной датчик, установленный в массиве еще на стадии строительства, уже не поддается каким-либо регулировкам, а его характеристики – строгой метрологической аттестации. Чем больше срок работы КИА, тем выше вероятность возрастания погрешности оценки величин напряжений (при этом приращения напряжений за отдельный цикл наполнения – сработки водохранилища могут сохраняться или изменяться).

Всё вышеизложенное, а также потеря работоспособности части датчиков в процессе эксплуатации по различным причинам приводит в конечном счете к снижению надежности контроля за состоянием сооружения в целом.

В работе [4] предложен один из подходов к решению вопросов расширения сети наблюдений за НДС ГТС на участках отсутствия или выхода из строя КИА. Суть его заключается в следующем. Количественная оценка начальных (действующих в данное время) напряжений выбранного участка производится с использованием скважинных геомеханических методов, а последующий контроль за изменением НДС – по деформациям стенок и контура галерей вследствие температурных изменений, геодинамических и техногенных воздействий.

Для количественной оценки величин напряжений могут быть использованы как методы измерений в глубине (до 10 м от обнажений) бетонного массива (метод параллельных скважин [5, 6]), так и на поверхности бетонных обнажений (методы щелевой и частичной разгрузки скважиной [7]). Важным достоинством указанных методов является возможность определения деформационных свойств бетона непосредственно на участке замера напряжений путем деформирования массива с применением специальных нагрузочных устройств и оценки правомерности основных допущений расчетной модели (упругость, изотропность и однородность материала). Использование в методах измерительных схем, обеспечивающих избыточность полученной информации, позволяет судить о качестве каждого конкретного опыта на основе оценки погрешностей определения компонентов напряжений [6, 7]. Проведение повторных замеров напряжений на данном участке позволяет оценить приращения напряжений за период между циклами измерений. Опыт натурной апробации данных методов в бетонной плотине СШ ГЭС (рис. 1, 2) свидетельствует о принципиальной возможности их применения для организации системы контроля НДС элементов сооружений в местах отсутствия или выхода из строя закладной КИА, а также уточнения результатов численных расчетов НДС сооружений [5, 8].

В качестве элемента системы контроля НДС ГТС в эксплуатационный период предложен деформационный метод, основанный на измерениях деформаций контура и стенок галерей (потерн) плотины [8-10]. Равномерное размещение галерей в теле плотин обеспечивает доступ и возможность контроля приращений напряжений в процессе их эксплуатации. Незначительные затраты на реализацию метода (из-за отсутствия буровых работ для размещения датчиков в глубине массива), принципиальная возможность автоматизированного съема показаний (при использовании, например, накладных телетензометров) делают его привлекательным как с экономической точки зрения, так и с точки зрения оперативности и надежности контроля в целом. Необходимо отметить, что галерея, являясь информационным усилителем (за счет концентрации напряжений вокруг полости регистрируемая деформация на ее поверхности в 1,5-2,5 раза больше, чем таковая при размещении датчика непосредственно в бетонном массиве), обеспечивает возможность измерения относительных смещений между установленными в бетоне марками с использованием надежных механических средств, что экономически оправдано при проведении уточняющих замеров, а также при наблюдениях с большим временным интервалом между замерами.

В вертикальном створе ключевой секции 33 плотины СШ ГЭС оборудованы станции для измерения деформаций. Измерения выполнялись по четырехкомпонентным розеткам (база 1 м) в центральной части вертикальных стенок галерей в начале, середине и конце каждого из столбов. С использованием формул теории упругости относительные смещения реперов пересчитывались в деформации [10]. Расчет приращений напряжений по измеренным деформациям проводился с учетом поправок на перераспределение напряжений в окрестности галерей. Коэффициенты концентрации напряжений при этом определялись по результатам численных решений задач теории упругости для типовых форм сечений галерей и потерн [8-10].

На рис. 3,а приведены приращения консольных деформаций при наполнении и сработке водохранилища в 2005-2006 гг. Полученные результаты свидетельствуют об их удовлетворительной сходимости. Для сравнения приведены графики приращений консольных деформаций при наполнении водохранилища в доремонтный (1996 г.) и послеремонтный (2006 г.) периоды (рис. 3,б). Анализ графиков показывает более существенные расхождения измеренных деформаций как в верхней, так и нижней частях плотины.

Рис. 4 отражает величины и характер остаточных деформаций за период с 1996 г. (начальный отсчет) по 2006 г.

За десятилетний период наблюдений произошли значительные изменения в характере деформирования верхней (выше отм.+440,000 и нижней (отм.+310,000) частях плотины. Изменения (уменьшения консольных растягивающих деформаций) можно объяснить снижением отметки НПУ на 1 м, а также уменьшением противодавления на контакте нижней части плотины со скальным основанием. При этом отмечается увеличение консольных деформаций во втором столбе на отм.+413,000 и в 3-м столбе от отм.+344,000 до отм.+386,000. Такая особенность деформирования плотины может быть вызвана повышением отпора со стороны низовой грани плотины, испытывающей дополнительную пригрузку за счет накопления прогибов плотины в нижний бьеф. Остаточные деформации стенок потерн ключевой секции существенно различаются как по высоте плотины, так и их удалении от наружных граней (напорной и низовой). Наибольшие остаточные деформации наблюдаются в нижней части плотины, в конце первого столба; во втором столбе и на участках реперных станциях вблизи низовой грани. В потернах ниже отм.+440,000 остаточные деформации носят сдвиговый или растягивающий характер. На отм.+440,000 и выше отмечается дополнительное обжатие.

На рис. 5 приведены приращения напряжений на низовой грани плотины вблизи скального основания за период с 1995 по 2005 г. Следует отметить хорошую сходимость между циклами наполнения в различные годы. В то же время отмечается неравномерная пригрузка секций по створу плотины. Особо следует отметить накопление остаточных деформаций за период наблюдений (рис. 6), что свидетельствует о росте абсолютных величин деформаций в низовом клине.

Опыт оценки особенностей НДС конструктивных элементов плотины СШ ГЭС свидетельствуют об удовлетворительных результатах применения деформационного метода контроля состояния сооружения в эксплуатационный период. Результаты апробации предложенного метода контроля НДС плотины позволяют сформулировать следующие этапы его реализации:

• оценка коэффициентов концентрации напряжений на контурах галерей и потерн;
• определение приращений напряжений в процессе наполнения водохранилища и эксплуатации сооружения (остаточные напряжения);
• определение абсолютных величин напряжений в бетоне плотины;
• определение деформационных и прочностных свойств бетона непосредственно на замерных станциях;
• автоматизация процесса измерений деформаций сооружения.

Заключительный этап организации системы деформационного мониторинга связан с выбором наиболее ответственных участков сооружения, где величины напряжений по результатам предварительных этапов наблюдений имеют наибольшие значения, либо имеет место рост остаточных деформаций.

Таким образом, полученный опыт и методические принципы организации системы контроля НДС бетонных плотин с использованием комплекса методов экспериментальной оценки напряжений и деформаций контуров галерей, совершенствование и автоматизация системы сбора и обработки информации позволят осуществлять контроль НДС плотины в эксплуатационный период при невозможности использования закладной КИА.

 

Библиографический список

 

1. Марчук А.Н., Марчук Н.А. Плотины и геодинамика: Опыт натурных наблюдений. – М.: ИФЗ РАН, 2006. – 145 с.
2. Бразгалов В.И. Двадцатилетний опыт эксплуатации Саяно-Шушенского гидроузла // ГТС. – 1998. – №9.
3. Кузьмин К.К. Некоторые вопросы напряженного состояния и надежности плотины Саяно-Шушенской ГЭС // ГТС. – 1998. – №9.
4. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Об одном подходе к организации и проведению контроля напряженно-деформированного состояния гидротехнических сооружений // ГТС. –1998. – №2.
5. Курленя М.В., Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Опыт применения метода параллельных скважин для оценки действующих напряжений в бетонном массиве // ГТС. – 1998 – №9.
6. А.с. №877005 СССР. Способ определения напряженно-деформированного состояния в массиве горных пород / М.В. Курленя, В.Д. Барышников, Г.Ф. Бобров, С.Н. Попов, В.К. Федоренко // БИ. – 1981. – №40.
7. Иванов В.С., Барышников В.Д. Развитие на метода за частично разтоварване за in situ геомеханични изследвания / Материалы IV Международной конференции по геомеханике. – Варна, Болгария. – 2010.
8. Барышников В.Д., Гахова Л.Н. Некоторые особенности развития деформационных процессов при эксплуатации гидросооружения СШ ГЭС, установленные нетрадиционными методами наблюдений // ГТС. –1999. – №3.
9. Контроль напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС / В.Д. Барышников, В.И. Брызгалов, В.А. Булатов, Л.Н. Гахова // ГТС. – 2000. – №10.
10. Барышников В.Д., Гахова Л.Н. К вопросу диагностики и контроля НДС конструктивных элементов плотины СШ ГЭС / Материалы V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Электронный ресурс). – Екатеринбург: ИМАШ УрО РАН, 2008.