Нагрузки и воздействия на ГТС

Гидротехнические сооружения в процессе их строительства и эксплуатации испытывают меняющиеся во времени различные по природе и продолжительности действия нагрузки и воздействия. Нагрузки на ГТС подразделяются на постоянные и временные (длительные, кратковременные и особые).

К постоянным нагрузкам относят:

- собственный вес сооружений, а также вес основного технологического оборудования (затворов, гидроагрегатов, трансформаторов);
- давление воды на поверхности сооружений со стороны верхнего и нижнего бьефов;
- силовое воздействие воды, фильтрующейся через сооружение и его основание (противодавление);
- вес грунта и его боковое давление, горное давление.

К временным длительным нагрузкам относят:
- температурные воздействия в периоды строительства и эксплуатации, характерные для года со средними климатическими условиями;
- давление наносов;
- нагрузки от транспортных средств.

К кратковременным нагрузкам относят:
- давление волн и льда;
- снеговые и ветровые нагрузки;
- нагрузки от кранов, судов, плавающих тел.

К особым нагрузкам относят:
- гидростатическое давление, соответствующее форсированному УВБ;
- температурные воздействия для года с экстремальными климатическими условиями;
- сейсмические воздействия;
- динамические воздействия от промышленных взрывов.

Одновременное приложение к сооружению всех возможных нагрузок (например, давление воды при ФПУ и сейсмическое воздействие) крайне маловероятно. Поэтому при проектировании ГТС расчеты их прочности и устойчивости производятся на несколько задаваемых нормами сочетаний нагрузок, вероятность одновременного действия которых за нормативный срок эксплуатации сооружения ощутима. Основные сочетания нагрузок соответствуют средним по водности и температуре воздуха условиям. Особые сочетания относятся к экстремальным условиям. Полный перечень нагрузок основного и особых сочетаний нагрузок, а также способы определения нагрузок приведены в нормах проектирования.

Как отмечалось, при проектировании расчет производится на действие расчетных нагрузок, которые несколько выше нормативных («реальных»). Ниже рассматривается определение величин нескольких наиболее важных нормативных нагрузок.

Нагрузки подразделяют на поверхностные - сосредоточенные (приложенные к малой площадке), распределенные (приложенные к значительной площади) и объемные (приложенные ко всему объему сооружения).

Вес сооружений является объемной нагрузкой и определяется по их проектным размерам и удельному весу строительных материалов, грунтов основания и воды.

Воздействие фильтрационного потока на гидротехнические сооружения устанавливается на основе фильтрационных расчетов. Гидротехнические сооружения и особенно их основания не являются водоупорами. Вода проникает в тело сооружений и их оснований, просачивается от верхнего бьефа к нижнему (фильтруется) и оказывает силовое воздействие на сооружение и основание. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений производятся с целями:

- определения давления фильтрующейся воды на систему плотина-основание; это давление является одной из нагрузок, учитываемых при расчете сооружений на прочность и устойчивость;
- установления градиентов напора и скоростей фильтрационного потока для обеспечения фильтрационной прочности грунтовых сооружений и оснований; градиенты напора и скорости фильтрации должны не превышать предельных (не размывающих) для данного грунта значений;
- определения величины фильтрационного расхода, чтобы оценить потери воды из водохранилища вследствие фильтрации;
- нахождения положения депрессионной (свободной) поверхности фильтрационных вод в земляных плотинах и в примыканиях ГТС к берегам; положение депрессионной поверхности позволяет контролировать работу противофильтрационных и дренажных устройств напорного сооружения.

Фильтрационные расчеты базируются на положениях и методах теории фильтрации.

Грунты, как известно, разделяют на скальные и нескальные (рыхлые). Нескальные грунты обладают большой пористостью.

Для нескальных грунтов в естественных условиях значения пористости изменяются в небольших пределах.

В нескальных грунтах фильтрация происходит через поры. В скальных грунтах вода фильтрует, главным образом, через систему трещин. Основной характеристикой фильтрационных свойств скальных грунтов является их трещиноватость. которая численно выражается через линейные, поверхностные и объемные характеристики трещин. Законы движения воды в порах и трещинах различны. Для движения воды в порах характерен ламинарный режим, а для движения воды по трещинам - турбулентный. Поэтому различаются и методы фильтрационных расчетов для скальных и рыхлых (пористых) грунтов. Строгая теория фильтрации разработана, в первую очередь, применительно к нескальным грунтам. Бетон, несмотря на свою малую пористость, в фильтрационном отношении может моделироваться в рамках теории фильтрации для нескальных грунтов.

- ламинарный - траектории движения частиц упорядоченные, движение жидкости слоистое, у краев поток параллелен стенкам (границам);
— турбулентный — движение частиц жидкости беспорядочное; по сложным траекториям; скорость жидкости и ее давление в каждой точке потока хаотически пульсируют; для турбулентного режима вместо реальных потоков рассматривают осредненную модель (Рейнольдса - Буссинеска) и определяют осредненные скорости и напоры.

Вода в грунтах может находиться в различных состояниях (водяной пар, гигроскопическая вода, пленочная вода, свободная вода). Свободная вода, в свою очередь, подразделяется на капиллярную воду, перемещающуюся под действием сил поверхностного натяжения, и гравитационную, перемещающуюся под действием силы тяжести. В теории фильтрации обычно изучается движение гравитационных грунтовых вод. Фильтрация воды в порах происходит под влиянием силы тяжести благодаря наличию разности напоров в различных точках потока фильтрующейся воды.

Нижней границей изучаемого фильтрационного потока обычно служит водоупор - поверхность (кровля) водонепроницаемых пород, коэффициент фильтрации которых существенно меньше коэффициента фильтрации вышележащих пород, через которые происходит фильтрация.

В зависимости от вида верхней границы потока различают напорную и безнапорную фильтрацию. К безнапорной относится фильтрация непосредственно через тело сооружения, обходная фильтрация в берегах. На поверхности безнапорного фильтрационного потока давление постоянное и равно атмосферному. Свободную поверхность безнапорного фильтрационного потока называют поверхностью депрессии.

Фильтрацию называют напорной, если на верхней границе потока давление выше атмосферного. Фильтрация под подошвой сооружения является напорной. Фильтрация в трубе типа прибора Дарси - также напорная.

Решение задач безнапорной фильтрации сложнее, так как заранее не известна граница области фильтрации (положение поверхности депрессии).

Основной закон ламинарной фильтрации (закон Дарси). Движение грунтовых вод, как мы видели, происходит по закону Дарси.

Реально фильтрация происходит через поры. Однако, можно мысленно представить себе, что фильтрационный поток заполняет все сечение (и скелет грунта и поры).

Примечание. Закон Дарси справедлив для случая ламинарной фильтрации в мелкозернистых грунтах (песках, супесях, глинах). В крупнозернистых грунтах (галечниках, трещиноватых скальных породах, каменно-набросных массивах) скорость фильтрации пропорциональна градиенту напора в степени меньшей единицы.

Закон Дарси не позволяет решить задачу фильтрации, так как представляет собой одно уравнение. содержащее два неизвестных - скорость и градиент. Поэтому для получения основных уравнений теории фильтрации закон Дарси необходимо дополнить еще одним фундаментальным законом механики - законом сохранения массы (уравнением неразрывности потока).

Основное уравнение теории ламинарной фильтрации. Прежде чем записать основное уравнение, перейдем к трехмерной постановке задачи. Выше рассматривался одномерный случай - длинная труба, где скорость и градиент менялись только по длине трубы и трактовались как скаляры.

Выше рассматривалась фильтрация в среде, у которой коэффициент фильтрации не зависит от направления движения потока (нет напластований) - изотропная среда (одинаковые свойства по всем направлениям), а также коэффициент фильтрации одинаков для всей среды, т.е. однородная среда. Очевидно, что, повторив те же рассуждения, полагая, например, что коэффициент фильтрации разный по разным направлениям, можно получить уравнение фильтрации для неоднородной анизотропной среды.

Два-три десятилетия назад решение задачи фильтрации, описываемой уравнением и граничными условиями в двумерной (а тем более в трехмерной постановке), было сложной задачей. Решение каждой частной задачи было событием. В России (СССР) сложился ряд научных школ. занимавшихся решением задач фильтрации. К Ленинградской школе принадлежали акад. Н.Н. Павловский, проф. В.И. Аравин. С.Н. Нумеров, P.P. Чутаев, в Москве задачами фильтрации занимались акад. П.Я. Полубаринова-Кочина, проф. М.М. Гришин, В.П. Недрига. А.А. Угинчус и др. К настоящему времени, в связи с развитием численных методов решения краевых задач и вычислительной техники, решение задач ламинарной фильтрации не представляет проблемы. В распоряжении проектировщиков имеется обширный набор промышленных конечно-элементных программных комплексов, с помощью которых уравнение решается численно. В результате решения определяется величина напора Я в ряде точек фильтрационного потока.

Силовое воздействие фильтрационного потока на гидротехническое сооружение. Зная напор Я, можно определить силы его воздействия на сооружение.

Выше отмечалось, что для водонепроницаемых материалов (водоупоров) давление воды - поверхностная нагрузка и приводились формулы для ее вычисления.

Реальные грунт и бетон - "отчасти водоупор"(скелет), отчасти поток жидкости (поры, трещины). Для реальных грунтов и бетона введен специальный эмпирический коэффициент, учитывающий пористость грунта: чем больше пор. тем больше коэффициент. Этот коэффициент в нормах проектирования плотин носит название коэффициента эффективной площади противодавления. Противодавлением называют давление потока фильтрующейся воды па подошву сооружения.

Во многих случаях, например, при расчетах устойчивости плотин всех классов, расчетах прочности плотин с экраном на напорной грани, расчетах прочности бетонных плотин на понур нескальных основаниях принимается а = 0, то есть сооружение считается водоупором.

Противофильтрационные устройства предназначены для создания преград фильтрационному потоку и снижения напоров за счет удлинения пути фильтрации.

Дренажные устройства располагаются ниже по движению потока в непосредственной близости от противофильтрационных устройств. Они предназначены для сбора воды, профильтровавшейся через противофильтрационные устройства, и организованного их отвода из тела сооружения. Чаше всего дренажные устройства представляют собой систему разгрузочных скважин и лотков, в которые собирается профильтровавшаяся вода.

Температурные воздействия на гидротехнические сооружения. Гидротехнические сооружения работают в сложных температурно-влажностных условиях, изменяющихся во времени.

Колебания температур в сооружениях происходят из-за взаимодействия сооружения с внешней средой (воздухом, водой), температура которой меняется, а также в результате внутренних процессов в теле сооружения, обусловленных такими явлениями, как разогрев бетонной кладки при ее твердении из-за экзотермии цемента, набухания, усадки, промораживания материала сооружения при взаимодействии с внешней средой и т.д.

Для оценки влияния температур на состояние ГТС необходимо уметь находить численные значения температур в любой точке системы сооружение - основание в любой интересующий момент времени. Иными словами. необходимо уметь решать основную задачу теории теплопроводности: определять температуру в сооружении и основании, зная изменения температур на внешних поверхностях, контактирующих с внешней средой (воздухом. водой) и тепловыделение (экзотермию) цемента при его гидратации, вызывающее внутренний разогрев бетона.

Постановку и решение основной задачи теории теплопроводности рассматривать не будем. Для инженеров-практиков решение этой задачи так же, как и решение задачи фильтрации, производится с помощью имеющихся в распоряжении инженера-проектировщика промышленных программных комплексов, реализующих разностные и вариационно-разностные схемы решения краевых задач. Здесь же, полагая, что задача теплопроводности решена, рассмотрим некоторые аспекты влияния температурных воздействий на бетонные и грунтовые гидротехнические сооружения.

Примечание. В России в настоящее время в практике проектирования широко используются конечно-элементные программные комтексы COSMOS/M и MARC, разработанные в США.

Влияние температурных воздействий на бетонные сооружения принято рассматривать, разделяя на два периода - строительный и эксплуатационный.

Температурный режим строящегося массивного бетонного сооружения в значительной степени определяется температурным разогревом бетона при твердении цемента и последующим остыванием его. Общее количество тепла, выделяемое при гидратации цемента в зависимости от рода и марки цемента, изменяется в пределах 30-80 ккал/кг. Максимум тепловыделения достигается через 10-12 часов после затворения бетона. До 90% тепла выделяется в первые 6-7 дней после укладки бетона в блок. Подъем температуры бетона из-за этого может достигать 20-40 и более.

Известно, что свободное равномерно нагретое тело удлиняется (увеличивается в объеме). Для определенности будем считать, что гидротехническое сооружение возводится блоками. В гидротехническом сооружении бетонный блок не может деформироваться свободно, его деформации стеснены соседними блоками и заделкой в основание. Разогрев бетонного блока неравномерный, в ядре блока, откуда затруднен отток тепла, температуры выше. В неравномерно нагретом защемленном в основании блоке возникают растягивающие напряжения, которые приводят к трещино-образованию в бетоне в период строительства сооружения. Главная задача, решаемая теплофизическими расчетами в период возведения бетонных сооружений - обеспечить такой температурный режим, который не приводил бы к образованию трешин.

Задачи, которые необходимо решать для построения полей температур и реакции сооружения на их изменения в период строительства, весьма сложны. Их сложность обусловлена двумя основными факторами. Во-первых, они сложны в своей постановке, так как корректно прогнозировать реальную последовательность возведения сооружения практически невозможно. Во-вторых. они сложны математически, это нестационарные трехмерные задачи теплопроводности и термоупругости, в которых необходим учет ползучести бетона (ползучесть (крип) бетона - медленное нарастание во времени пластических деформаций под действием нагрузки, чем «моложе» бетон, тем выше его ползучесть).

Учитывая сложность расчетов термонапряженного состояния на крупных бетонных плотинах, как правило, проводятся натурные исследования в период производства работ. Так, при сооружении арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС были проведены исследования возможности применения высоких блоков бетонирования до 24 м против в среднем высотой 6 м. Исследования показали, что для получения температур, при которых обеспечивается допустимое термонапряженное состояние блоков, необходимо в приконтактной зоне укладывать змеевики трубного охлаждения с шагом по высоте 1,0 м и с шагом в плане 0,5 (1,0 X 0,5), в средней зоне от (1,0 X 1,0) до (1,5 X 1,0) и в верхней зоне блока от (1,5 X 1,5) до (1,5 X 3,0).

Для регулирования температурного режима бетона в строящемся гидротехническом сооружении в проектах предусматривают ряд технологических приемов, в том числе:

- подогрев (зимой) и охлаждение (летом) воды и инертных (песка, гравия), используемых для приготовления бетонной смеси;
- искусственное трубное охлаждение бетонной кладки;
- электропрогрев блоков бетонирования;
- использование утепленной опалубки;
- бетонирование в шатрах и т.д.

По прошествии 1-2 лет после укладки бетона гидратация цемента затухает, и температурный режим сооружения, в основном, начинает определяться сезонными колебаниями температур окружающего воздуха. Мгновенные значения температур воздуха имеют случайный труднопредсказуемый характер. Однако быстро изменяющиеся мгновенные и среднесуточные колебания температур не оказывают ощутимого влияния на состояние массивных гидротехнических сооружений, так как не проникают глубоко в сооружение. Средние температуры (среднедекадные, среднемесячные) носят циклический достаточно хорошо предсказуемый характер. Именно среднедекадные и среднемесячные колебания температур воздуха оказывают влияние на состояние сооружения.

Неравномерный нагрев (остывание) тела бетонной плотины от колебаний среднемесячных температур в период ее эксплуатации вызывает дополнительные перемещения и напряжения, складывающиеся с перемещениями и напряжениями от статических нагрузок. Кроме того, проникновение в тело плотины отрицательных температур вызывает столь существенное уменьшение объема бетонной кладки, что происходит раскрытие швов бетонирования вблизи низовой грани, соприкасающейся с наружным воздухом. При проектировании массивных бетонных гидротехнических сооружений (плотин) эти дополнительные перемещения и напряжения обязательно учитываются.

Влияние температурных воздействий на грунтовые сооружения. На работу грунтовых сооружений, в основном, влияет воздействие отрицательных температур. Промораживание грунта приводит к пучению глинистых грунтов, снижению прочности, грунтов при оттаивании. Промерзание (оттаивание) приводит к значительному изменению фильтрационных характеристик грунта и меняет положение кривой депрессии. Так при промерзании водонасыщеной низовой грани земляной плотины происходит подъем депрессионной поверхности, возможен выход фильтрующейся воды на низовой откос, образование наледей и оползание откоса при оттаивании.

Влияние температурных воздействий на основания гидротехнических сооружений. Особенно большое влияние температурные воздействия оказывают на основания сооружений в зоне вечной мерзлоты, так как образование водохранилища приводит к оттаиванию грунтов. Возникновение талика (зоны оттаивания) приводит к резкому изменению фильтрационных и прочностных свойств основания.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.