CC BY
40
ВЕСТНИК 11/2014
11/2014
УДК 627.8.012.4
Д.А. Крутов, Л.А. Шилов*
ОАО «Институт Гидропроект», *ФГБОУВПО «МГСУ»
ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОННОЙ ПЛОТИНЫ С УЧЕТОМ ИЗМЕНЧИВОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ БЕТОНА
Приведены особенности обработки данных натурных наблюдений на бетонных плотинах. Получены средние коэффициенты линейного расширения замороженного бетона для разных зон плотины. Представлены результаты численных исследований бетонной плотины с учетом изменения коэффициента линейного расширения бетона при действии отрицательной температуры.
Ключевые слова: измерительная аппаратура, натурные наблюдения, коэффициент, линейное расширение, конечно-элементная модель, бетонная плотина, Богучанская плотина.
Мониторинг бетонных плотин включает измерение деформаций бетона с последующим вычислением напряжений [1—6]. Контрольно-измерительную аппаратуру устанавливают как в блоках бетона, воспринимающих нагрузки, так и в «конусе», в котором бетон деформируется свободно. Данные о свободных деформациях бетона можно использовать для определения физико-механических свойств бетона [7—10]. Последнее тем более важно, поскольку бетон в блоках плотин, которые эксплуатируются в суровых климатических условиях, может изменять свои свойства.
Мониторинг бетонных плотин показывает увеличение коэффициента линейного расширения бетона аб при отрицательной температуре [7, 8, 10]. Увеличение а замороженного бетона обусловлено тем, что лед в порах бетона имеет а в 3.. .7 раз выше, чем а бетона.
Коэффициент линейного расширения бетона аб можно определить по формуле
М
где астр — коэффициент линейного расширения струны контрольно-измерительного устройства, асгр=1,2^10-5 °С-1; Авизм — приращение свободных измеренных деформаций бетона, отн. ед.; ДТ — приращение измеренных температур бетона, °С.
Были рассмотрены измерения 35 «конусов» Богучанской бетонной плотины, которые когда-либо подвергались попеременному замораживанию и оттаиванию. Для каждого цикла построен график зависимости деформаций от температуры и по формуле (1) определялся аб.
В зависимости от местоположения «конусов» бетонные массивы были условно разделены на зоны:
1) бычки водосбросных отверстий;
2) массивный бетон.
а б =а стр (1)
Результаты анализа сведены в табл. 1.
Табл. 1. Коэффициенты линейного расширения бетона Богучанской плотины при действии отрицательной температуры
№ Зона бетона Число рассмотренных конусов Средний коэффициент линейного расширения бетона, 10-5-°С-1
1 Бычки водосбросных отверстий 22 1,49
2 3 м от наружной грани (водосливная плотина) 2 1,53
3 1,5 м от наружной грани (глухая плотина) 4 1,72
4 1 м от наружной грани (водосливная плотина) 1 1,61
5 1 м от наружной грани (глухая плотина) 3 1,65
В используемых на практике нормах для бетона гидротехнических сооружений, независимо от состава бетона и его температуры, рекомендован постоянный а = 1,0-10-5 °С-1. Однако значение а и величина его изменения при замораживании бетона влияет на напряженно-деформированное состояние бетонных сооружений [11].
Для анализа влияния изменения а бетона при замораживании на напряженно-деформированное состояние гравитационных плотин выполнены конечно-элементные расчеты для типовой водосливной секции Богучанской плотины со ступенчатой гранью в двух вариантах: при постоянном а = 1,0-10-5 °С-1 [12];
Г1,5310-5 °С-1, если г <- 4 ° С; при температурно-зависимом а = <
[1,00-10-5 °С-1, если г >-4 °С.
Конечно-элементная модель представляет собой сечение по водосливной плотине толщиной поперек потока 1,0 м (рис.).
На модели с помощью специальных контактных конечных элементов воспроизведены строительные швы при высоте блоков бетонирования по 1,5 м, что позволило учесть нелинейную работу швов на сдвиг и их раскрытие. Приняты следующие параметры сопротивления сдвигу строительных швов: tgф = 1,0, с = 0,45 МПа. Коэффициент теплопроводности принят 1,69 Вт/м°С.
Расчеты выполнены на нагрузки и воздействия основного сочетания ной секции
ВЕСТНИК
МГСУ-
11/2014
в самом холодном месяце — январе — для года со средней амплитудой колебаний среднемесячных температур воздуха. Строительные швы через 1,5 м воспроизведены только в нижней части конечно-элементной модели. В верхней части модели швы не воспроизводились.
В нижней части плотины (где строительные швы моделировались) напряжения SX и 8У в обоих случаях принимают значения около 0 МПа. В верхней части плотины (где строительные швы не моделировались) при постоянном а, уровень растягивающих напряжений SX и 8У достигает +6 МПа, а при тем-пературно-зависимом а возрастает до +8 МПа. При этом величина и характер вертикальных напряжений 8У и горизонтальных напряжений SX на напорной грани не меняются.
Максимальная глубина раскрытия горизонтальных строительных швов со стороны низовой грани увеличилась в 1,5 раза с 2,6 до 3,8 м. Максимальная ширина раскрытия швов увеличилась в 2,6 раза с 0,5 до 13 мм. Увеличилась глубина (с 5,3 до 7,3 м) и ширина (с 1 до 1,2 мм) раскрытия контакта плотины с основанием. Величина прогиба гребня увеличилась на 3 мм или на 13 % (табл. 2).
Табл. 2. Результаты расчетов деформированного состояния типовой водосливной секции
Результаты расчета при а
Деформационные параметры постоянном температурно-зависимом
1. Раскрытие горизонтальных строительных швов, ширина, мм / глубина, м 0,5/2,6 1,3/3,8
2. Раскрытие контакта плотина — основание, ширина, мм / глубина, м 1,0/5,2 1,2/6,0
3. Горизонтальный прогиб гребня, мм 24 27
Из полученных результатов следует, что увеличение а в 1,53 раза при замораживании бетона влияет на деформированное состояние плотины при заданном температурном воздействии, которое соответствует условиям Богучанской ГЭС [13—20]:
значительно изменяются параметры раскрытия горизонтальных строительных швов;
увеличивается глубина и ширина раскрытия контакта бетон — скала;
незначительно (на 13 %) возрастает величина прогиба гребня;
изменение а не сказывается на напряженном состоянии напорной грани плотины.
Выводы. 1. Изменение а не сказалось на напряженном состоянии напорной грани плотины Богучанской ГЭС.
2. Увеличилась глубина и ширина раскрытия контакта бетон — скала. Принимая во внимание незначительную ширину раскрытия контакта (доли мм), можно утверждать, что это практически не скажется на фильтрации в скальном основании секций плотины.
3. При определении физико-механических характеристик бетона для конечно-элементных расчетов необходимо учитывать изменение коэффициента линейного расширения бетона.
Библиографический список
1. England G.L., Illston J.M. Methods of computing stress in concrete from a History Measured Strain // Civil Engineering and Public Works Review. April—June, 1965. Pp. 513—517, 692—694, 846—847.
2. Fifteenth Congress on Large Dams : General Report / Georges Post. Q. 56, Lausanne, Switzerland, 1985. Pp. 1623—1723.
3. Rapfael J.M. The development of streesses in Shasta Dam // Transactions, American Society of Civil Engineers. 1953. Vol. 118 A. P. 289.
4. Powers T.C. The physical structure and engineering properties of concrete. Research and Development Laboratories of P.C.A., Chicago, 1958, Bulletin No. 90. 28 p.
5. Blinov I.F., MirzakE.M., Lavrov B.A., Galperin I.E. Monitoring of the concrete dam of the Boguchany hydroelectric station in the construction period // Power Technology and Engineering. 1993. Vol. 27. No. 9. Pp. 501—507.
6. Блинков В.В., Александровская Э.К. Комплекс натурных исследований высоких бетонных плотин в суровых климатических условиях // Гидротехническое строительство. 1974. № 10. C. 23—28.
7. Дурчева В.Н., Майорова М.А. Тензометрические измерения свободных деформаций бетона плотин // Гидротехническое строительство. 2002. № 11. С. 6—9.
8. Дурчева В.Н. К вопросу о влиянии замороженного бетона на работу гидротехнических сооружений // Тр. координационных совещаний по гидротехнике. 1974. Вып. 91. С. 87—91.
9. Дурчева В.Н., Загрядский И.И. Анализ собственных деформаций бетона на эксплуатируемых плотинах по данным натурных наблюдений // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2000. Т. 237. С. 54—62.
10. Козлов Д.В., Крутов Д.А. Натурные исследования свободных деформаций бетона в блоках плотины Богучанского гидроузла // Водные ресурсы Центральной Азии. 2004. № 1. С. 88—97.
11. Kozlov D.V., Krutov D.A. Analysis of natural deformations of concrete according to data of field observations of the dam of the Boguchanskii waterwork facility // Power Technology and Engineering. 2005. Vol. 39. No. 2. Pp. 78—83.
12. Дурчева В.Н. Натурные исследования монолитности высоких бетонных плотин. М. : Энергоатомиздат, 1988. 120 с.
13. Козлов Д.В., Крутов Д.А. Свободные температурные деформации бетона плотины Богучанского гидроузла при действии отрицательной температуры // Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России : сб. науч. тр. Всеросс. науч.-техн. конф. 15—19 марта 2004 г. М. : МГУП, 2004. С. 199—204.
14. Лядов Ю.Д., Семененок С.Н., Сухоцкая С.С. Шаркунов С.В. О надежности бетона основных сооружений Богучанской ГЭС // Гидротехническое строительство. 1995. № 5. C. 22—28.
15. Оценка состояния плотины Бурейской ГЭС по данным комплексных натурных наблюдений строительно-эксплуатационного контроля : отчет о НИР. Этап 4. СПб. : ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2002. 140 с.
16. Обоснование значений физико-механических характеристик на основе результатов исследований бетона плотины Богучанской ГЭС : отчет о НИР. Этап 3. М. : НИИЭС, 1992. 38 с.
17. Радкевич Д.Б. Развитие комплекса средств контроля состояния гидротехнических сооружений и их оснований : сб. науч. тр. Гидропроекта. М., 1982. Вып. 79. С. 97—103.
ВЕСТНИК ii /20|4
11/2014
18. Разработка детерминированных и смешанных математических моделей поведения плотины и основания, обеспечивающих учет результатов натурных наблюдений и исследований. Технический отчет № 349, этап № 3. СПб., ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1996. 64 с.
19. Царев А.И., Еникеев Ф.Г. О предельно допустимых показателях безопасной работы гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство. 1981. № 9. С. 34—37.
20. Эйдельман С.Я., Дурчева В.Н. Бетонная плотина Усть-Илимской ГЭС / Библиотека гидротехника и гидроэнергетика. М. : Энергия, 1981. 136 с.
Поступила в редакцию в октябре 2014 г.
Об авторах: Крутов Денис Анатольевич — кандидат технических наук, главный специалист гидротехнического отдела № 1, Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гидропроект» им. С.Я. Жука (ОАО «Институт Гидропроект»), 125993, г. Москва, ул. Волоколамское шоссе, д. 2, [email protected];
Шилов Леонид Андреевич — инженер 1 категории гидротехнического отдела № 1, Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гидропроект» им. С.Я. Жука (ОАО «Институт Гидропроект»), 125993, г. Москва, ул. Волоколамское шоссе, д. 2; магистрант Института инженерно-экологического строительства и механизации, Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Крутов Д.А., Шилов Л.А. Исследования напряженно-деформированного состояния бетонной плотины с учетом изменчивости коэффициента линейного расширения бетона // Вестник МГСУ. 2014. № 11. С. 154—160.
A.V. Krutov, L.A. Shilov
RESEARCH INTO THE STRESS-STRAINED STATE OF THE CONCRETE DAM GIVEN THE VARIABILITY OF THE LINEAR EXPANSION COEFFICIENT OF CONCRETE
The article has summarized findings of the research into the stress-strained state of the concrete dam. Within the framework of this project, the co-authors have analyzed particular features accompanying field data processing, if the concrete dam serves as the data source. The co-authors have derived average linear expansion coefficients for frozen concrete samples originating from varied dam zones. The findings of numerical studies are provided with the account for the variable value of the linear expansion coefficient of the concrete exposed to negative temperatures. Specialized contact methods in finite elements simulations were employed to simulate the casting joints, with the monolith height being equal to 1.5 m, to take account of the non-linear shear strain of joints and their opening. The analysis performed by the co-authors is based on the combinations of loads and other exposures typical for January as the coldest month of an average year. Casting joints were only simulated in the bottom of the finite element dam model, while no joints were simulated for the dam top. The findings have proven, that the 1.53-fold rise in the value of a accompanying concrete freezing, influences the strain state of the dam at Bogouchanskaya hydropower plant. However no effect was produced by the change in the a value onto the strain state of the dam face. Besides, the rock-to-concrete contact depth and width increased. Although, given the small value of the aforementioned increase (decimal points of a millimeter), it will produce no effect on the filtration underway within the bedrock base of the dam. Changes in the value of the linear expansion coefficient of concrete must be taken into account when physico-mechanical characteristics of concrete are identified for the purpose of the finite element analysis.
Key words: measuring facilities, field studies, coefficient, linear expansion, finite
element model, concrete dam, Bogouchanskaya hydropower plant.
References
1. England G.L., Illston J.M. Methods of Computing Stress in Concrete from a History Measured Strain. Civil Engineering and Public Works Review. April—June, 1965, pp. 513—517, 692—694, 846—847.
2. Fifteenth Congress on Large Dams : General Report. Georges Post. Q.56, Lausanne, Switzerland, 1985, pp. 1623—1723.
3. Rapfael J.M. The Development of Stresses in Shasta Dam. Transactions, American Society of Civil Engineers. 1953, vol. 118 A, p. 289.
4. Powers T.C. The Physical Structure and Engineering Properties of Concrete. Research and Development Laboratories of P.C.A., Chicago, 1958, Bulletin No. 90, 28 p.
5. Blinov I.F., Mirzak E.M., Lavrov B.A., Gal'perin I.E. Monitoring of the Concrete Dam of the Boguchany Hydroelectric Station in the Construction Period. Power Technology and Engineering. 1993, vol. 27, no. 9, pp. 501—507. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/BF01545368.
6. Blinkov V.V., Aleksandrovskaya E.K. Kompleks naturnykh issledovaniy vysokikh bet-onnykh plotin v surovykh klimaticheskikh usloviyakh [Complex of Field Investigations of High Concrete Dams in Harsh Climatic Conditions]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1974, no. 10, pp. 23—28. (In Russian)
7. Durcheva V.N., Mayorova M.A. Tenzometricheskie izmereniya svobodnykh defor-matsiy betona plotin [Strain Gauge Measurement of Free Deformation of Concrete Dams]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 2002, no. 11, pp. 6—9.
8. Durcheva V.N. K voprosu o vliyanii zamorozhennogo betona na rabotu gidrotekh-nicheskikh sooruzheniy [On the Effect of Frozen Concrete on Waterworks' Operation]. Trudy koordinatsionnykh soveshchaniy po gidrotekhnike [Works of Coordination Meetings on Hy-drotechnics]. 1974, no. 91, pp. 87—91. (In Russian)
9. Durcheva V.N., Zagryadskiy I.I. Analiz sobstvennykh deformatsiy betona na eks-plu-atiruemykh plotinakh po dannym naturnykh nablyudeniy [Analysis of the Characteristic Deformations of Concrete in Operating Dams According to Field Observations]. Izvestiya VNIIG im. B.E. Vedeneeva [Proceedings of All-Russian Research and Development Institute of Hydraulic Engineering Named after B.E. Vedeneev]. 2000, vol. 237, pp. 54—62. (In Russian)
10. Kozlov D.V., Krutov D.A. Naturnye issledovaniya svobodnykh deformatsiy be-tona v blokakh plotiny Boguchanskogo gidrouzla [Field Investigations of Free Deformation of Concrete Blocks in Boguchansky Hydrosystem Dam]. Vodnye resursy Tsentral'noy Azii [Water Resources of Central Asia]. 2004, no. 1, pp. 88—97. (In Russian)
11. Kozlov D.V., Krutov D.A. Analysis of Natural Deformations of Concrete According to Data of Field Observations of the Dam of the Boguchanskii Waterworks Facility. Power Technology and Engineering. 2005, vol. 39, no. 2, pp. 78—83. http://dx.doi.org/10.1007/s10749-005-0029-6.
12. Durcheva V.N. Naturnye issledovaniya monolitnosti vysokikh betonnykh plotin [Field Investigations of Monolithic High Concrete Dams]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988, 120 p. (In Russian)
13. Kozlov D.V., Krutov D.A. Svobodnye temperaturnye deformatsii betona plotiny Bo-guchanskogo gidrouzla pri deystvii otritsatel'noy temperatury [Free Thermal Deformations of the Concrete of Boguchansky Waterworks Dam under the Action of Negative Temperature]. Problemy nauchnogo obespecheniya razvitiya ekologo-ekonomicheskogo potentsiala Rossii: sbornik nauchykh trudov Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii 15—19 marta 2004 g. [Collection of Scientific Works of All-Russian Scientific and Technical Conference, March 15—19, 2004 "Problems of Scientific Support for the Development of Ecological and Economic Potential of Russia"]. Moscow, MGUP Publ., 2004, pp. 199—204. (In Russian)
14. Lyadov Yu.D., Semenenok S.N., Sukhotskaya S.S., Sharkunov S.V. O nadezhnosti betona osnovnykh sooruzheniy Boguchanskoy GES [On the Reliability of Concrete of the Main Structures of the Boguchanskaya HPP]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1995, no. 5, pp. 22—28. (In Russian)
BECTHMK ii /20l4
11/2014
15. Otsenka sostoyaniya plotiny Bureyskoy GES po dannym kompleksnykh naturnykh nablyudeniy stroitel'no-ekspluatatsionnogo kontrolya : otchet o NIR. Etap 4 [State Assessment of Bureiskaya HPP Dams According to Comprehensive Field Observations of Construction and Operational Control. Research Report. Step 4]. Saint Petersburg, VNIIG im. B.E. Vedeneeva Publ., 2002, 140 p. (In Russian)
16. Obosnovanie znacheniy fiziko-mekhanicheskikh kharakteristik na osnove rezul'tatov issledovaniy betona plotiny Boguchanskoy GES : otchet o NIR. Etap 3 [Justification of Physical and Mechanical Properties Values on the Basis of the Results of the Studies of the Bogu-chanskaya HPP Concrete Dam. Research Report. Step 3]. Moscow, NIIES Publ., 1992, 38 p. (In Russian)
17. Radkevich D.B. Razvitie kompleksa sredstv kontrolya sostoyaniya gidrotekh-nicheskikh sooruzheniy i ikh osnovaniy [Development of Control Devices for Hydraulic Structures and their Foundations]. Sborniknauchnykh trudov Gidroproekta [Collection of the Scientific Papers of Hydroproject]. Moscow, 1982, no. 79, pp. 97—103. (In Russian)
18. Razrabotka determinirovannykh i smeshannykh matematicheskikh modeley pove-deniya plotiny i osnovaniya, obespechivayushchikh uchet rezul'tatov naturnykh nablyudeniy i issledovaniy. Tekhnicheskiy otchet № 349, etap № 3 [Development of deterministic and mixed mathematical behavior models of a dam and its foundation for integrating the results of field observations and investigations. Technical Report №349, step 3]. Saint Petersburg, VNIIG im. B.E. Vedeneeva Publ., 1996, 64 p. (In Russian)
19. Tsarev A.I., Enikeev F.G. O predel'no dopustimykh pokazatelyakh bezopasnoy raboty gidrotekhnicheskikh sooruzheniy [On the Performance Limits of Safe Operation of Hydraulic Structures]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1981, no. 9, pp. 34—37. (In Russian)
20. Eydel'man S.Ya., Durcheva V.N. Betonnaya plotina Ust'-Ilimskoy GES [Concrete dam of Ust-Ilim hydroelectric station]. Biblioteka gidrotekhnika i gidroenergetika [Library of Hydraulic Engineer and Hydropower Worker]. Moscow, Energiya Publ., 1981, 136 p. (In Russian)
About the authors: Krutov Denis Anatol'evich — Candidate of Technical Sciences, Chief Specialist, Hydraulic Department 1, Institute Hydroproject named after S.Ya. Zhuk
(Institute Hydroproject), 2 Volokolamskoe Shosse, Moscow, 125993, Russian Federation; [email protected];
Shilov Leonid Andreevich — category 1 engineer Hydraulic Department 1, Institute Hydroproject named after S.Ya. Zhuk (Institute Hydroproject), 2 Volokolamskoe Shosse, Moscow, 125993, Russian Federation; Master student, Institute of Engineering and Ecological Construction, and Automation, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU),
26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Krutov D.A., Shilov L.A. Issledovaniya napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya betonnoy plotiny s uchetom izmenchivosti koeffitsienta lineynogo rasshireniya betona [Research into the Stress-Strained State of the Concrete Dam Given the Variability of the Linear Expansion Coefficient Of Concrete]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 11, pp. 154—160. (In Russian).
