натурные исследования напряженно

УДК 556.536:535.5
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ПЛОТИНЫ БОГУЧАНСКОЙ ГЭС
Д.В. Козлов
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия,
Д.А. Крутов
ОАО Научно-исследовательский институт энергетических сооружений «НИИЭС»,
г. Москва, Россия
Особенностью бетонной плотины Богучанского гидроузла является незавершенное
строительство и, как следствие, длительное непроектное состояние. Район строительства
характеризуется суровыми климатическими условиями со среднегодовой температурой
воздуха –3,2 0С и абсолютным минимумом –57 0С.
Богучанская плотина гравитационного типа с наклоном низовой грани 1:0,7 состоит
из глухих станционных и водосливных секций. Секции разбиты на четыре столба.
Производилось омоноличивание профиля в объеме 10% от общей площади швов,
подлежащих цементации.
Возведение плотины начато в декабре 1982 г. Плотина Богучанской ГЭС,
законсервированная в 1992 году, подвергается замораживанию и оттаиванию,
воздействию воды в водопропускных отверстиях. Плотина возведена до отметок
144,5…181,0 м. Использованы многолетние наблюдения (с 1982-2001 гг.) по
преобразователям и щелемерам, установленным в четырех секциях плотины.
Прекращение строительства гидротехнических сооружений всегда приводит к
непрогнозируемым последствиям, особенно в условиях сурового климата, когда
неморозостойкий бетон внутренних зон десятилетиями замораживается и оттаивает.
В связи с этим основной целью работы являлась оценка напряженно-деформированного состояния гравитационной плотины, подвергающейся сезонному
знакопеременному режиму в условиях затянувшегося строительства.
Накопленный опыт не имеет аналогов возведения высоких бетонных плотин в
течение более чем двадцатилетнего периода в суровых климатических условиях.
Температурные воздействия (низкая отрицательная температура) приводят к изменению
физико-механических характеристик бетона в случаях промораживания блоков и
обусловливают поведение швов и трещин, что необходимо учитывать для правильного
представления о работе плотин.
Например, долгострой Бурейской плотины привел к трещинообразованию бетона
прискальной зоны и напорной грани, а также к ослаблению структуры бетона в результате
промораживания бетонных массивов. С учетом этих обстоятельств, необходимость
анализа натурных данных о состоянии Богучанской плотины не вызывает сомнений.
Тензометрические измерения, проводимые на высоких бетонных плотинах, обычно
сводятся к определению напряженных деформаций, переводу их в напряжения. В этом
случае деформации, измеренные в «конусе» (свободном объеме бетона), используются
только для получения напряженных деформаций. Между тем, анализ температурновлажностных деформаций в свободном объеме бетона, заключенного в «конус», показал
высокую информативность данных о поведении свободного бетона [2].
На основе анализа деформаций 67 свободных объемов бетона («конусов») за 17 лет
наблюдений установлены закономерности поведения замораживаемого и оттаиваемого
бетона Богучанской плотины и характер структурных изменений в нем.
Наблюдения за влиянием отрицательной температуры на бетон плотины
проводились в измерительных точках, замораживаемых в зависимости от их
местоположения до –8 …–25 0С в течение двух-десяти сезонов (35 «конусов»). Для
каждого цикла замораживания и оттаивания был построен график зависимости
деформаций от температуры и определен коэффициент линейного расширения (к.л.р.).
Среднее значение к.л.р. для замороженного бетона Богучанской плотины колеблется
в пределах (1,5·10-51,6·10-5).
Степень изменения к.л.р. при замораживании зависит от его прочности. Чем выше
прочность при положительной температуре, тем меньше изменяется к.л.р. в
замороженном бетоне. Зависимость между к.л.р. замороженного бетона и его прочностью
позволяет оценить изменение прочностных характеристик во времени. Такая зависимость
установлена для бетонов Усть-Илимской и Братской плотин [1]
(1)
n  1.35  0.077  20  R ,
'
где n  . Здесь ’ и  – к.л.р. бетона при отрицательной и положительной

температуре, соответственно; R – кубиковая прочность бетона.
Коэффициент линейного расширения (к.л.р.) бетона б принято определять по
формуле

 б   стр  изм ,
(2)
T
где
стр – коэффициент линейного расширения струны преобразователя, стр =
-5
0
1,210 1/ С;
изм – приращение свободных измеренных деформаций бетона, отн. ед.;
Т – приращение измеренных температур бетона, 0С.
Бетон Богучанской плотины имел аналогичные составы (крупность заполнителя,
цемент Красноярского завода).
Соотношение между средней величиной к.л.р. замороженного бетона и средней
прочностью бетона плотины Богучанской ГЭС соответствует зависимости, полученной
для других ангарских плотин, что дает право с определенной условностью оценивать
прочностные характеристики бетона.
Таким образом, можно ориентировочно судить об изменении прочности по степени
увеличения к.л.р при отрицательной температуре. По этой оценке прочность бетона марки
В7,5 изменялась в пределах от 128 кг/см2 до 317 кг/см2; марки В12,5 в пределах от 69
кг/см2 до 255 кг/см2; марки В15 в пределах от 190 кг/см2 до 326 кг/см2; марки В20 в
пределах от 223 кг/см2 до 239 кг/см2; марки В30 в пределах от 186 кг/см2 до 400 кг/см2.
В большинстве рассмотренных случаев замораживание в течение нескольких лет
привело к уменьшению первоначальной прочности (в бычках водосбросных отверстий и в
некоторых внутренних зонах глухих секций).
При анализе монолитности бетонных массивов учитывалось влияние передачи
нагрузок от первого столба на низовой клин (состояние межстолбчатых швов), раскрытие
межблочных строительных швов, температурное трещинообразование и влияние
отрицательной температуры (коэффициента линейного расширения) на раскрытие швов.
Влияние замораживания проявлялось в увеличении глубины раскрытия швов, что
вызвано более высоким значением к.л.р. замороженного бетона по сравнению с
незамороженным. Раскрытие швов прямо пропорционально величине к.л.р. и в
промороженных блоках происходит
более интенсивно по сравнению
с
непромороженными.
Состояние межстолбчатых швов
В условиях затянувшегося строительства еще свыше 90% общей площади
строительных швов подлежат цементации (по состоянию на ноябрь 2000 г.).
Неэффективное омоноличивание швов отмечено в пределах карт цементирования до
отметки 134,0 м. Вывод о качестве проведенной цементации сделан на основе показаний
щелемеров, которые в некоторых случаях свидетельствуют о некачественной (в
прискальных блоках) и неэффективной цементации (на более высоких отметках).


В незацементированных межстолбчатых швах наблюдалось их постепенное
закрытие за счет остаточных деформаций расширения при замораживании и оттаивании.
Эта величина закрытия составила 1…1,5 мм. Поведение таких швов (изменение во
времени величины раскрытия) напоминает их состояние, характерное для неэффективно
омоноличенных швов. Цементация таких швов может оказаться неэффективной.
В большинстве случаев раскрытие межстолбчатых швов соответствует сезонным
колебаниям температуры наружного воздуха. Швы раскрываются и закрываются, что
свидетельствует об отсутствии раствора в швах. Швы, подлежащие в дальнейшем
цементации, в основном, раскрыты на величины достаточные для их омоноличивания.
В условиях затянувшегося строительства края межстолбчатых швов
промораживаются, так же как и стенки донных отверстий. В таких условиях выполненная
цементация не будет эффективной при любой температуре из-за значительного
температурного градиента (в бычках донных отверстий).
Отмечены небольшие величины раскрытия швов между первым и вторым столбами
во всех секциях. Это обусловлено технологией возведения плотины, когда соседние
столбы бетонировались с отставанием от первого. Отсутствие наклона первого столба в
сторону напорной грани не позволит иметь технологическое обжатие напорной грани.
Состоние межблочных швов
Данный вид несплошности (раскрытие межблочных швов) связан с
местоположением и сезонными колебаниями температуры. В основном раскрывались швы
на отметках 140…150 м, где в меньшей степени сказывалось влияние веса бетона, и
амплитуда сезонных колебаний была выше.
В водосбросной секции протяженность раскрытия шва доходила до центра блока
(более 10 м).
Строительные швы, выходящие на низовую грань, раскрыты на глубину 3,7 м от
наружной грани.
Температурное трещинообразование
Невозможность абсолютного соблюдения всего комплекса мероприятий по
регулированию температурного режима обусловливает неизбежность температурного
трещинообразования. Температурное трещинообразование в блоках Богучанской плотины
связано с типовыми нарушениями технологических мер по регулированию температуры.
Из 24-х контролируемых блоков трещины прошли по базе приборов в шести случаях. В
период прекращения бетонных работ возникла только одна трещина. Эта вертикальная
трещина зафиксирована на третий год, когда началось перекрытие блока с интенсивным
бетонированием вышележащих отметок. Как и в других плотинах, большинство
вертикальных трещин сосредоточено на стенках донных отверстий, в которых
температурный градиент направлен вдоль оси плотины.
Установлено появление трех наклонных субгоризонтальных трещин y в разных
секциях плотины, что не является типичным явлением.
Вертикальные трещины поперек потока x, ухудшающие статическую работу
плотины (приводящие к неравномерной передаче давления от действующих нагрузок и,
как следствие, к перераспределению напряжений в плотине и локальному
перенапряжению отдельных зон), зафиксированы в трех случаях. В одном из этих случаев
трещина закрылась через полгода после своего образования.
Наименее трещиностойкой оказалась водосливная «неработающая» контролируемая
секция. В этой секции из трех блоков, оснащенных «розетками», в двух обнаружены
трещины. Во втором столбе в центре по базе трех тензометров из пяти прошла
субвертикальная трещина перпендикулярно потоку (по оси сооружения) с большим
раскрытием. В третьем столбе имеет место трещинообразование с выключением из
работы части бетона.
Напряженное состояние блоков определялось по всем работающим «розеткам».
Перевод измеренных деформаций в напряжения проведен в соответствии с общепринятой
методикой. Меры ползучести и модуль упругомгновенных деформаций были получены
прямыми испытаниями бетона в Богучанской плотине.
Анализ напряжений показал следующее.
Напорная грань сжата ( y=-1…-2,5 МПа). Сезонный размах напряжений достигает
1,5 МПа и зависит от сезонных колебаний температуры.
Напряжения y и z развиваются по одной закономерности. Отличие в значениях
напряжений обусловлено воздействием веса уложенного бетона и составляет до 2,5 МПа
(в зависимости от отметки).
Низовая грань плотины подвержена сезонному влиянию отрицательной температуры
окружающего воздуха. Из-за раскрытия строительных швов бетон низовой грани
реагирует в большей степени на изменение температуры, чем на вес бетона. Напряжения
по горизонтальным площадкам y мало реагируют на вес бетона, хотя и находятся в
области сжатия. Нормальные напряжения y на низовой грани контролируемых секций
меняются в пределах от +0,2 до –0,9 МПа.
О влиянии несплошностей (строительных швов) в том числе в центре блоков, на
перераспределение напряжений свидетельствует об их неравномерном распределении по
горизонтальным сечениям. При раскрытии межблочного шва в центральной части блока
указанная зона исключается из работы с увеличением напряжений от веса бетона в районе
напорной грани. Продолжение бетонирования вызывает рост напряжений сжатия y у
напорной грани при мало меняющемся напряжении y в центре блока, что
свидетельствует о локальном нарушении монолитности межблочного шва.
Остаточные деформации, накопленные в свободном бетоне, в массивном бетоне
сооружения превращаются в необратимые напряжения сжатия или растяжения.
Максимальные необратимые напряжения сжатия отмечены в блоках секций,
замораживающих и оттаивающих в течение 10 лет. Накопленные необратимые напряжения
находятся в пределах 0,2…0,8 МПа, складываясь с напряжениями от действующих
нагрузок.
Необратимые напряжения растяжения зафиксированы в четырех случаях в бетоне
донных отверстий. Их величина колеблется от 0,2 до 1,0 МПа.
Результаты анализа напряженно-деформированного состояния Богучанской плотины
показали, что при действии сезонного изменения температуры, кроме аналогичного
сезонного изменения напряжений, в них может накапливаться необратимая
составляющая, обусловленная структурными изменениями в массивном бетоне.
Напряженное состояние плотины характеризуется, с одной стороны, напряжениями
сжатия, более высокими, чем только от веса уложенного бетона, с другой - наличием зон, в
которых фиксируются напряжения растяжения.
Статическая работа бетонной плотины Богучанской ГЭС будет схожа со статической
работой гравитационных плотин, эксплуатирующихся в суровом климате, в случае
эффективного омоноличивания межстолбчатых швов. Наполнение водохранилища
сказалось бы благоприятно на НДС плотины. В этом случае в летний период из-за
температурного сжатия и работы плотины полным рабочим профилем состояние ее будет
наиболее благоприятным. При раскрытии швов на низовой грани в зимний период будут
наблюдаться максимальные значения напряжений из-за возросшей роли гидростатической
нагрузки.
Оценка надежности работы сооружения связана с анализом характера изменения
контролируемых параметров. Отсутствие необратимых явлений – главный фактор
стабильной работы плотины. Одна из главных задач анализа натурных данных
заключается в выявлении причин необратимых составляющих. Необратимые остаточные
деформации, обусловленные структурными изменениями свойственными бетону как
материалу, являются неизбежными. Анализ показаний преобразователя в «конусе»
позволяет выделить эти остаточные деформации, объективно оценить динамику
напряженно-деформирован-ного состояния.
Выводы
1. Дана оценка напряженно-деформированного состояния Богучанской плотины,
которую нельзя получить расчетным путем из-за немоделируемости процессов,
происходящих в замораженном и оттаявшем бетоне.
2. За время консервации в плотине Богучанского гидроузла произошли увеличения
напряжений сжатия на 0,2...0,8 МПа и их уменьшение на 0,2…1,0 МПа, в зависимости от
интенсивности структурных изменений, вызывающих необратимые деформации.
3. Результаты выполненной работы можно использовать для определения
предельных значений количественных показателей состояния гидротехнических
сооружений.
4. Оценка состояния Богучанской плотины дает возможность выполнить Закон РФ
«О безопасности гидротехнических сооружений» и скорректировать технические условия
по завершению строительства гидроузла в суровых климатических условиях Сибири.
Библиографический список
Дурчева В.Н. Натурные исследования монолитности высоких бетонных плотин. М.:
Энергоатомиздат, 1988. 120 с.
Козлов Д.В., Крутов Д.А. Анализ собственных деформаций бетона по данным натурных
наблюдений на плотине Богучанского гидроузла. //Гидротехническое строительство.
2005. №1. С. 31-36.