CC BY
72
2/2006
ФИЛЬТРАЦИЯ В ОСНОВАНИИ И БОРТАХ БЕТОННОЙ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПЛОТИНЫ БУРЕЙСКОГО ГИДРОУЗЛА
а кафедре гидротехнических сооружений МГСУ проводились исследования фильтрационного режима в основании и бортах бетонной гравитационной плотины Бурейского гидроузла. Бетонная гравитационная плотина, имеющая окончательную высоту 139,0 м и длину по гребню 765,0 м, является сооружением 1-го класса и состоит из станционной, водосбросной и глухих лево и правобережных частей. Основание плотины, однородное по составу, представлено верхнепалеозойскими гранитами. Гидроузел располагается в пределах единого крупного тектонического блока. Непосредственно территорию гидроузла пересекают крупные разрывные нарушения / 1,2 /, называемые «тектоническими нарушениями». Образуемые ими блоки, в свою очередь, рассечены более мелкими разрывными нарушениями.
Ранее в 1982 - 1984 годах во ВНИИГе им Б.Е. Веденеева были проведены подробные исследования фильтрационного потока в основании плотины Бурейского гидроузла и прилегающих бортовых склонов. Исследования проводились методом ЭГДА на профильных и плановых моделях из электропроводной бумаги. Основание плотины представлялось состоящим из 3-х однородных по водопроницаемости слоев, зоны тектонических нарушений не выделялись. Были получены основные характеристики фильтрационного потока. С целью их уточнения для оценки фильтрационной прочности основания, выявления эффективности и
Н.А. Анискин
обоснования параметров противофиль-трационных элементов ВНИИГом в 1985-1988 гг. были выполнены дополнительные исследования применительно к русловой части. При этом схематизация водопроницаемости основания не менялась.
Была дана оценка фильтрационного потока в основании и бортах створа. Фильтрационный расход был оценен в 200 л/п.м.-сек в русловой части и приблизительно 25 л/п.м.-сек под правобережной плотиной и в обход. Максимальные градиенты напора на завесе не превышают 8,5. В целом было показано, что устройство противофильтраци-онных элементов (сопрягающая и глубинная завесы в сочетании с вертикальным дренажем), предусмотренных проектом, достаточно эффективно. Однако выводы были сделаны на основе решения плоских и плановых задач без учета возможной фильтрации по «тектоническим зонам» и трещинам.
Кроме того, за достаточно длительный период с начала строительства Бурейского гидроузла (с 1976 года) массив основания бетонной плотины претерпел как экзогенные изменения, вызванные процессами естественного выветривания и разгрузки пород, так и техногенные изменения, связанные со строительством сооружений. Центром службы геодинамических наблюдений в электроэнергетической отрасли (ЦСГНЭО) ОАО «Институт Гидропроект» в 2001 -2002 гг. был проведен комплекс исследований по оценке современного состояния пород в основании и
примыканиях плотины. В отчете по данной работе / 2 / представлены инженерно-геологические и геофильтрационные модели основания Бурейского гидроузла.
Цель проведенных на кафедре гидротехнических сооружений расчетов -фильтрационные исследования основания и бортов Бурейского гидроузла в пространственной постановке с учетом «тектонических нарушений», некоторого изменения фильтрационных свойств пород основания в результате экзогенных и техногенных воздействий, реальной врезки плотины в основание и конструкций противофильтрационных элементов.
Исходная информация по врезке плотины и инженерно-геологические условия (инженерно-геологический разрез по оси плотины, компоновка основных сооружений гидроузла, поперечные разрезы по секциям №№ 16, 21, 29) были представлены проектной организацией (АО «Ленгидропроект»). В качестве расчетных использовались инженерно-геологическая и геофильтрационная модели основания Бурейской плотины, предложенные ЦСГНЭО ОАО «Институт Гидропроект» / 2 /.
Ранее на кафедре гидросооружений МГСУ аспирантом Бабаяном А.Г. проводилась работа по созданию конечно-элементной методики совместных расчетов фильтрационного режима и статической работы плотины на скальном основании /4/. Скальное основание при этом рассматривалось как совокупность цельных блоков, обладающих определенной проницаемостью, и разделяющих эти блоки трещин, также являющихся проводниками фильтрационного потока. Подобный подход использовался и в данной работе. Скальное основание рассматривается как дискретная среда, состоящая из цельных пористых блоков с различной водопроницаемостью и системы трещин, которые могут иметь различную степень открытия, могут быть пустыми или заполненными материалами с различными коэффициентами фильтрации. Для моделирования трещин и швов используются специальные фильтрационные элементы: 2-х узловой стержневой для решения плоских фильтрационных задач и 4-х узловой пластинчатый элемент для решения пространственных задач.
Для пластинчатого элемента уравнение Лапласа в локальных координатах % и п имеет следующий вид /3/:
д
К
(д н ^
д
дп
К
( д н ^
дп
= 0;
(1)
где Н = /(х,у,г,^) - напорная функция в расчетной области, изменяющаяся во времени; , Кп - коэффициенты проницаемости трещиноватого элемента по направлению осей локальной системы координат.
Решение основного дифференциального уравнения теории фильтрации с учетом движения воды как в массивных блоках скального основания так и в трещинных элементах сводится к минимизации функционала, имеющего следующий вид /3/:
N 1
и=1 у
К.
( д нЛ2
д х
+ К,
( д нЛ 2
д у
+ К_
( д нЛ 2
д г
д Н „
+ ц--Н
д I
дхйуйг +
qH Ш О +
к=1 О
т=1 $
( д Н ^2
+ К п
( д н ^2
дп
ds,
(2)
где Кх, Ку, Кг - коэффициенты фильтрации материалов массивных блоков ос-
нования по направлениям координатных осей X, У, I; д - коэффициент водоотдачи грунта; q - величина удельного фильтрационного расхода по поверхности 0(при использовании граничного условия 2-го рода). Таким образом, решение фильтрационной задачи сводится к минимизации функционала (2) для расчетной области при задании соответствующих граничных, а при решении нестационарных задач и начальных условий. Использовался метод конечных элементов в локально-вариационной постановке, на основе которого автором была составлена программы расчетов для двумерных и трехмерных фильтрационных задач /5/.
Коэффициенты проницаемости стержневых и пластинчатых конечных элементов определялись как для щели между двумя параллельными плоскостями по зависимостям из /6/. Для пустых трещин и швов: = ЬКф = (у
Ь3/12д), где Кф = уЬ2/12д - коэффициент фильтрации пустой трещины; Ь -раскрытие трещины; у - объемный вес воды; д - динамическая вязкость воды.
Коэффициент проницаемости трещин с заполнителем зависит от ее напряженно-деформированного состояния /6/. При сжатии: Кир = Ь Кфз, где Ь - раскрытие трещины; ^фз - коэффициент фильтрации заполнителя трещины. При растяжении: Кир = Ь0'^фз + (АЬ3/12д), где Ь0 - начальное раскрытие трещины; АЬ - приращение раскрытия под действием растягивающих напряжений.
Согласно использованной геофильтрационной модели ЦСГНЭО ОАО «Институт Гидропроект» /2/ каждая «тектоническая зона» представляет собой трехслойное образование: в центре располагается так называемая «зона сместителя» (зона дробления), заполненная материалами с определенной водопроницаемостью. По бокам от «зоны сместителя» располагаются «зо-
ны влияния», представляющие собой области повышенной трещиноватости и водопроницаемости с определенными коэффициентом фильтрации. Коэффициенты фильтрации данных зон и их толщины принимались в соответствии с рекомендациями, данными в /2/. В конечно-элементной аппроксимации как в плоской так и в пространственной постановках «зоны сместителей» моделировались трещинными элементами, а «зоны влияния» - обычными конечными элементами.
На первом этапе исследований решались фильтрационные задачи в плоской постановке для 3-х сечений по осям секций №№ 16 (на границе глухой правобережной плотины и станционной части), 21 (в станционной части плотины) и 29 (середина водосливной части) (положения сечений в створе показаны на рис.3). Расчеты проводились для двух случаев: без учета «тектонических зон» и с их учетом.
На рис.1 показана конечно-элементная аппроксимация расчетной фильтрационной области в основании секции № 21. Исследуемая область ограничена вертикальными сечениями, отстоящими от оси плотины на 170,0 м в сторону верхнего и 320,0 м в сторону нижнего бьефов. Нижнее ограничивающее сечение проходит на отметке - V 90,0 м, т.е. глубина рассматриваемой области основания составляет 240,0 м. Количество узлов сетки МКЭ составляет 3430, элементов - 3312.
По глубине основания выделены три зоны с различной водопроницаемостью: верхний слой (сильнопроницаемый) с ^ф = 20,0 м/сут, второй слой с
^ф = 2,0 м/сут и нижний слой (слабопроницаемый) с ^ф = 0,20 м/сут. Моделировались три «тектонические зоны». Для всех «тектонических зон» принимался коэффициент фильтрации «зон сместителя» ^ф = 0,20 м/сут и коэффициент «зоны влияния» - ^ф =30,0/м/сут
Плотина БурейсКОЙ ГЭС
1ПТУ V2ifj.no
Условные обозначения материалов
I
2.
3.
4. 5
□ □
Кф=20м/сут Кф=2.0м/сут Кф=ОДм/сут
Кф=0,02м/сут ■ цементационная mueca Кф=20м/суг- 1-ая тектоническая ¡она (зона влияния)
Рис. 1. Конечно-элементная дискретизация сечения в основании секции №21
6,
7. 8 9.
Кф=20м/сут- 2-ая тектоническая зона (зона влияния) Кф=20м/с>т - 3-я тектоническая зона (зона влияния) К^ЗОм/суг - зона влияния в пределах 1 -го слоя К,],—0.02м/суг - заполнитель в мне смест и геля
(в пределах первого слоя основания) и Кф =20,0/м/сут для остального массива основания. Толщина «зоны сместите-ля» принималась равной 0,5 м, толщины «зон влияния» - 5,0 м. Также воспроизводились цементационная завеса до отметки 85,0 (Кф =0,020 м/сут) и дренаж основания.
В результате решения фильтрационных задач в расчетных сечениях получены величины относительных напоров в узлах расчетной сетки, значения градиентов и скоростей фильтрационного потока в элементах расчетных сеток. Определены также величины удельных фильтрационных расходов в основании под каждой секцией.
На рис 2 показано распределение линий равных напоров (в относительных величинах) в основании секции № 21 для различных расчетных схем. Первая схема не учитывает «тектонические зоны» (рис.2,а). Можно отметить сгущение линий равных напоров у цементационной завесы и незначительные
величины напоров за ней. Практически все фильтрационное противодавление действует на участке от напорной грани плотины до дренажа.
Для варианта с учетом «тектонических зон» (рис.2,б) распределение линий равных напоров несколько меняется. Они смещаются в сторону верхнего бьефа, что вызвано повышенной проницаемостью «тектонических зон». Был также рассмотрен случай при увеличенных в 10 раз коэффициентах фильтрации «тектонических зон» (рис.2,в). Это увеличение проницаемости приводит к смещению всех линий равных напоров влево относительно «тектонических зон», являющихся в данном случае естественным глубинным дренажем.
Для каждой из рассмотренных секций были определены удельные фильтрационные расходы для 2-х расчетных схем. Величины удельных фильтрационных расходов представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Величины удельных фильтрационных расходов для плоских задач
Секция бетонной плотины Величина удельного фильтрационного расхода, м3/с на п.м.
Расчетная геофильтрационная схема
Схема 1 без «тектонических зон» Схема 2 с «тектоническими зонами»
Секция № 16 4,4-10-4 4,9-10-4
Секция № 21 3.7-10-4 4,4-10-4
Секция № 29 3,8-10-4 5,7-10-4
Рис. 2. Распределение линий равных напоров в основании секции №21 плотины Бурейского гидроузла. 1 - ось цемзавесы; 2 - «тектонические зоны»
ршш&к
Ориентировочная величина полного фильтрационного расхода в русловой части была получена умножением величины удельных расходов на соответствующие длины участков. Для 1-ой расчетной схемы она составляет 0,12 м3/с. Эта величина достаточно хорошо корреспондируется с результатами полученными во ВНИИГе / 1 / (там величина фильтрационного расхода в русловой части створа оценивалась, примерно, в 0,08 м3/с).
Учет сильно проницаемых «тектонических зон» увеличивает удельные расходы на 10^19 % (см. таблицу 1) под секциями № 16, 21 и на 50% в основании секции № 29.
Общий фильтрационный расход с учетом «тектонических зон» в русловой части равен примерно 0,16 м3/с. Максимальные градиенты напора на цементационной завесе достигают величин около 12.
В целом, решение плоских задач подтвердило выводы, сделанные ранее на основе исследований ВНИИГа им. Б.Е. Веденеева / 1 / о достаточности принятой конструкции противофильт-рационных элементов.
Для получения более точного представления о параметрах фильтрационного потока, в особенности фильтрационного расхода (так как направление «тектонических зон» и трещин благоприятствует фильтрации из водохранилища) в том числе и в бортовых примыканиях плотины, на следующем этапе решалась пространственная фильтрационная задача.
В качестве расчетной области был выделен массив основания следующих размеров. От оси плотины в сторону верхнего и нижнего бьефов рассматривались участки длиной соответственно 170.0 и 320 м. В бортовых примыканиях рассматривались области удаленные на 330,0 м от береговых опира-ний плотины на отметке НПУ (256,0). По глубине расчетная область была доведена до отметки 90.0, т.е. ее глубина в русловой части составляет 220.0 м. По глубине основания, также как и в плоских задачах, рассматривались три зоны различной проницаемости. В основании также выделены шесть наиболее крупных тектонических зон (см. рис. 3).
Принимались следующие характеристики выделенных зон. «Зоны смес-тителей», заполненные по данным /2/ практически водонепроницаемыми породами с коэффициентом фильтрации <0,02 м/сут (принято 0,03 м/сут). Толщины этих зон изменяются в достаточно широких пределах: от 0,5 до 3,5 м (принято 0,5 м). «Зоны влияния» представляют собой области повышенной трещиноватости и водопроницаемости с коэффициентом фильтрации в пределах 2-х верхних зон основания >20,0 м/сут (принято 30 м/сут), в пределах нижнего слоя основания - в интервале от 2 до 20,0 м/сут (принято 20 м/сут). Толщины этих зон от 3^5 м (принято 5,0 м).
Как видно, в проведенных расчетах принимались максимальные пределы изменения коэффициентов фильтрации и значения толщин зон влияния.
Под напорной гранью бетонной плотины моделировалась цементационная завеса, доходящая в русловой части до отметки 85.0. Величина коэффициента фильтрации материала цементационной завесы принималась равной 0,02 м/сут. За цементационной завесой моделировался глубинный дренаж основания.
Расчетная область разбита на 57 элементов в направлении оси плотины, 17 элементов вдоль потока и 16 элементов по глубине основания. Общее количество элементов сетки МКЭ - 15504, количест-
во узлов - 17748. На рис. 3 представлено сечение сетки МКЭ вдоль оси плотины.
При решении фильтрационной задачи рассматривалось две схемы. В 1-ой не моделировались «тектонические зоны» и рассматривалось 3-х слойное по глубине основание, во 2-ой были воспроизведены «тектонические зоны» с параметрами описанными выше.
В результате решения было получено распределение напоров в узлах сетки МКЭ, значения фильтрационных градиентов и скоростей в элементах сетки, подсчитаны величины фильтрационных расходов для различных областей основания и всего массива в целом.
На рис. 4,5 даны картины пространственной фильтрации в левобережной и правобережной частях створа для 2-го расчетного варианта. Положение де-прессионной поверхности фильтрационного потока показано в виде ее следов на поверхностях, образующих поверхность основания и границы расчетной области. Также показаны «следы» поверхностей равных напоров.
В результате решения были определены величины фильтрационных расходов (см. таблицу 2), а также была проведена оценка возможного фильтрационного расхода при минимальном уровне величин коэффициентов фильтрации зон влияния (приняты в 10 раз меньше максимального уровня).
Таблица 2
Величины фильтрационных расходов в створе бетонной плотины Бурейского гидроузла
№ пп Рассматриваемая зона основания плотины Величина фильтрационного расхода м3/сек для вариантов
Сема 1 без «тектонических зон» Схема 2 с «тектоническими зонами»
Кмакс. Кмин.
1. Левобережное бортовое примыкание 0.021 0,021 0,021
2. Основание под левобережной глухой части плотины 0.055 0,112 0,061
3. Основание под русловой частью 0.160 0,709 0,215
4. Основание под правобережной глухой частью плотины 0.059 0,501 0,103
5. Правобережное бортовое примыкание 0.018 0,022 0,018
6. Суммарный фильтрационный расход 0.313 1,365 0,607
Рис. 4. Пространственная фильтрация в левобережной части створа плотины
Рис. 5. Пространственная фильтрация в правобережной части створа плотины
Учет «тектонических зон» с большой водопроницаемостью значительно увеличил значения расходов под русловой часть и под правобережной глухой частью плотины, где сосредоточены эти нарушения. Расход под русловой частью плотины увеличился с 0,160 м3/сек до 0,709 м3/сек, под правобережной глухой частью плотины с 0,059 до 0,501 м3/сек. Величина суммарного расхода в створе увеличилась с 0,313 до 1,365 м3/сек.
Уменьшение проницаемости «тектонических зон» в 10 раз дают значительно меньшие величины расходов, особенно в русловой части (здесь расход равен 0,215 м3/с) и под правобережной глухой частью плотины (расход равен 0,103 м3/с) суммарный расход в этом случае равен 0,607 м3/с.
Градиенты фильтрационного напора достигают максимальной величины 12 в русловой части основания на цементационной завесе как в первой, так и во второй расчетной схеме. Максимальные градиенты напора при входе в дренаж составляют от 3,0 до 1,5.
Полученная величина фильтрационного расхода 0ф^1,4 м3/сек при учете «тектонических нарушений» с максимальной водопроницаемостью, по видимому, является близкой к верхнему пределу, так как в расчеты вводились максимальные значения коэффициентов фильтрации и толщины зон с повышенной водопроницаемостью. Эта величина может быть использована при выборе контрольного параметра при натурных измерениях фильтрационного расхода.
Выводы
1. Результаты решения плоских фильтрационных задач с уточненными врезкой и геофильтрационной моделью без учета «тектонических зон» и трещин в скальном массиве основания секций №№ 16, 21и 29
бетонной плотины в целом подтвердили выводы, полученные ранее во ВНИИГе им. Б.Е. Веденеева. Величина фильтрационного расхода в русловой части равна 0,12 м3/с (по исследованиям ВНИИГа 0,08 м3/с). Максимальные фильтрационные градиенты достигают на цементационной завесе 12. Учет «тектонических зон» с повышенной водопроницаемостью в скальном массиве рассмотренных секций при решении плоских задач несколько увеличил фильтрационный расход в русловой части, который достиг величины 0,16 м3/с. Фильтрационное противодавление и максимальные фильтрационные градиенты изменились незначительно.
2. В результате решение фильтрационной задачи в пространственной постановке получена подробная картина распределения напоров, градиентов и скоростей фильтрации в расчетной области. Определено возможное положение депресси-онной поверхности и граница выхода фильтрационного потока на склоны створа. Решение пространственной фильтрационной задачи с учетом крупных «тектонических зон» с повышенной водопроницаемостью позволило оценить вероятный максимум фильтрационного расхода. Наибольшее изменение получены для русловой части и правобережной глухой части плотины, где получены величины расходов соответственно 0,709 м3/с и 0,501 м3/с. Именно в этих частях створа сосредоточены «тектонические зоны». Величина суммарного фильтрационного расхода оценивается в 1,365 м3/с (при минимальных значениях коэффициентов фильтрации эти значения снижаются соответственно до 0,215, 0,103 и 0,607 м3/с). В целом можно отметить, что расчет пространственной
фильтрации с учетом крупных «тектонических зон» повышенной водопроницаемости подтвердил удовлетворительную работу проти-вофильтрационных элементов бетонной плотины.
Литература
1. Аргал Э.С., Тужихин Г.Г. Противо-фильтрационные устройства в основании плотины Бурейского гидроузла (опыт проектирования и первые результаты производства работ), Гидротехническое строительство № 8, Энергопрогресс, М., 2001.
2. Проведение комплекса инженерно-геологических, геофизических, геомеханических исследований и выполнение инженерных расчетов по оценке современного состояния пород в осно-
вании и примыканиях плотины Бурей-ской ГЭС, Технический отчет, ЦСГНЭО ОАО «Институт «Гидропроект», М., 2002.
3. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. - М., Мир, 1975.
4. Бабаян А.Г. Конечно-элементная ме-тодикадля совместных расчетов фильтрационного режима и статической работы системы «бетонная плотина-скальное основание». Гидротехническое строительство. 1991, № 9.
5. Пространственная фильтрация в основании и бортах бетонной гравитационной плотины пускового комплекса Бурейского гидроузла, Отчет по науч-но-ииследовательскойработе, МГСУ, М, 2002.
6.. Чернышев С.Н. Движение воды по сетям трещин. М.: Недра, 1979.
