CC BY
123
1. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты / Госстрой СССР. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986. - 48 с.
2. ГОСТ-5686-94. Методы полевых испытаний сваями. М., 1995. - 49 с. УДК 624.15: 626/627
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОДЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ФУНДАМЕНТОВ ЗАЩИТНОЙ ОБОЛОЧКИ РЕАКТОРНОГО ОТДЕЛЕНИЯ ВВЭР-1000
В. Л. Седин, д. т. н., проф., Е. А. Бауск, зав. лаб., С. И. Головко, к. т. н., доц.
Ключевые слова: реакторное отделение, осадки, крен, натурные наблюдения, осадочная воронка, грунтовое основание.
Постановка проблемы. В настоящее время АЭС Украины, построенные в 80 - 90-х годах прошлого столетия, приблизились к завершению проектного срока эксплуатации, составляющего по нормам 30 лет. Однако мировая практика показывает возможность продления сроков эксплуатации оборудования, в том числе реакторных отделений, на 20 лет и более, при обеспечении их надежности и безопасности. Поэтому возникает потребность в оценке технического состояния и обоснования продления эксплуатации строительных конструкций АЭС. В данной работе проводится анализ влияния длительной деформации грунтового основания фундаментов реакторного отделения ВВЭР-1000.
Особенностью зданий и сооружений современных АЭС с точки зрения строительной науки являются более жесткие требования по деформационным параметрам как всего сооружения, так и отдельных его элементов. Предельные значения совместной деформации основания и сооружений АЭС устанавливаются исходя из необходимости соблюдения следующих предельных состояний:
а) максимально допустимые деформации сооружений, которые назначаются из условия работы технологического оборудования;
б) предельное состояние по прочности, устойчивости и трещиностойкости конструкций, включая общую устойчивость сооружений.
Для обеспечения безопасности работы энергооборудования АЭС, особенно элементов, относящихся к системам, важным для безопасности (СВБ), наибольшее значение приобретают выполнения первой категории предельного состояния [1]. Предельные значения совместной деформации основания и сооружений по технологическим требованиям устанавливаются соответствующими нормами проектирования зданий и сооружений АЭС, правилами технической эксплуатации энергооборудования или заданием на проектирование с учетом, в необходимых случаях, рихтовки положения оборудования в процессе эксплуатации. Так, крен реакторного отделения для реакторного аппарата типа ВВЭР-1000 ограничен величиной уклона фланца главного разъёма реактора на проектный период эксплуатации, период продления срока эксплуатации и период вывода из эксплуатации. Это ограничение обусловлено обеспечением безопасной работы реакторного аппарата.
Фундамент типового реакторного отделения ВВЭР-1000, конструкция которого применена на современных АЭС стран бывшего СССР, отличается значительными размерами и высоким давлением под подошвой фундамента.
Серийные унифицированные реакторные отделения АЭС с реакторами типа ВВЭР-1000 представляют собой массивные железобетонные сооружения весом 262 тыс. т с размерами в плане 68^68 м и высотой 67 м. Фундамент реакторного отделения представляет собой коробчатую железобетонную конструкцию размерами 68 х 68 м и высотой 20 м. Оболочка гермозоны представляет собой монолитный железобетонный цилиндр диаметром 45 м, перекрытый куполом. Монолитная нижняя железобетонная плита толщиной 2,5 м заглублена на 7 м. Среднее давление по подошве фундамента составляет 0,55 МПа (5,5 кгс/см2).
Существующие нормативы не описывают все особенности взаимодействия между фундаментом и грунтовым основанием [1; 2]. Чтобы сформировать адекватный базис для нормативов и произвести оценку безопасности и длительное обслуживание конструкции, важной для безопасности, были проведены специальные исследования поведения основания и фундамента. Данная статья обобщает опыт долговременных исследований на Запорожской,
Хмельницкой и Калининской АЭС, которые расположены в различных инженерно-геологических условиях. Описываемые исследования осадок и кренов фундаментов реакторных отделений длились более 20 лет.
Основания фундаментов реакторных отделений приведенных АЭС представлены различными по физико-механическим характеристикам грунтами и имеют значительные отличия по параметрам сжимаемости.
Основание реакторного отделения Запорожской АЭС сложено песками средней плотности и плотными, мелко- и среднезернистыми с прослоями суглинка. Пески подстилаются палеогеновыми глинами. Грунтовые воды расположены в уровне подошвы фундаментов. Основанием для фундаментов Хмельницкой АЭС служит малосжимаемая аргиллито-алевролитовая толща с прослоями песчаника. Под подошвой фундамента реакторного отделения Калининской АЭС залегает слой суглинка моренного происхождения. Ниже расположены напластования выклинивающихся слоев песка, супеси, суглинка и глины, которые подстилаются известняком. Уровень подземных вод находится практически у дневной поверхности. Особенностью грунтового основания фундаментов Калининской АЭС является сложное напластование грунтов и их различие в сжимаемости.
Многолетние натурные наблюдения за осадками и кренами реакторных отделений с реакторами ВВЭР-1000 показали, что на пространственное положение реакторного аппарата оказывают непосредственное влияние деформации грунтового основания (см. рис. 1). Таким образом, одним из основных механизмов деградации оснований реакторных отделений является процесс неравномерной сжимаемости грунтов в основании фундаментов. Поэтому прогнозирование и управление этим процессом весьма актуально для управления старением строительных конструкций АЭС.
Т, лет
Рис. 1. Результаты натурных наблюдений за креном реакторного отделения (1) и уклоном
фланца реакторного аппарата (2)
Результаты натурных исследований реакторных отделений с реакторами ВВЭР-1000 по всем АЭС показали, что с момента полного приложения нагрузки к основанию деформации грунтового основания фундамента продолжали развиваться с постоянной скоростью (см. рис. 2), величина которой зависела от степени сжимаемости грунтового основания. При этом значение скорости осадки сохраняется постоянным на протяжении 10...20 лет с момента начала эксплуатации не только в глинистых (Калининская АЭС), но и в песчаных грунтах (Запорожская АЭС), для которых не характерны длительные деформации.
В настоящее время скорость развития осадок фундаментов реакторных отделений Запорожской, Хмельницкой и Калининской АЭС составляет соответственно 2,84, 0,46 и 4,37 мм/год.
На результаты расчета конечных осадок большеразмерных фундаментов, к которым относятся фундаменты реакторных отделений блоков типа ВВЭР-1000, по любой из принятой
расчетной модели грунтового основания значительное влияние оказывает выбор расчетной глубины сжимаемой толщи Нс [3]. При расчете осадок выбор значения глубины сжимаемой толщи затруднен тем, что величина Нс зависит от многочисленных факторов [1; 2], в том числе от размеров фундамента, его формы и жесткости, глубины заложения подошвы, состояния и физико-механических характеристик грунтов основания, а также характера их напластования. Поэтому натурные экспериментальные исследования Нс большеразмерных фундаментов в различных грунтовых условиях позволяют совершенствовать существующие расчетные модели. В лабораторных условиях невозможно моделировать работу основания большеразмерных фундаментов, поэтому особое значение приобретают результаты исследований на натурных объектах [4]. Широко известны попытки экспериментального определения Нс для больших плитных фундаментов гражданских и промышленных зданий, дымовых труб и высотных сооружений, однако, учитывая большое разнообразие грунтовых условий, следует отметить, что натурных исследований в этом направлении недостаточно. Особое значение приобретают также результаты длительных наблюдений за характером деформирования грунтового основания.
Э, мм 250,0
■ 11111
-2,000 0,000 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 18,000 20,000
^ лет
Рис. 2. Графики развития средних осадок реакторных отделений Запорожской (1), Хмельницкой (2) и Калининской (3) АЭС.
31, 32 и 83 - соответствующие функции средних осадок от времени после окончания пуско-
наладочных работ
С целью расчетного обоснования наблюдаемых осадок возводимых сооружений на площадке строительства Запорожской АЭС были выполнены испытания грунтов статической нагрузкой на отметке заложения подошвы фундамента. Испытывались пески средней плотности и плотные штампами площадью 0,5 и 1,0 м2 при ступенчато возрастающей нагрузке. Величина ступени принималась 0,05 МПа. Нагружение осуществлялось чугунными грузами до давления 0,95 и 0,575 МПа в соответствии с ГОСТ 20276-85. Результаты испытаний оказали, что зависимость «осадка - нагрузка» является линейной до давления 0,55 МПа. На линейном участке диаграммы «8-Р» модуль деформации грунта составляет 100 МПа. Полученные результаты свидетельствуют о том, что до глинистых грунтов (до глубины 24 м от подошвы фундамента) основание является практически несжимаемым и применение в расчетах модели слоя конечной толщины становится проблематичным. В то же время по расчетам в соответствии с нормативными требованиями [2] расчетная глубина сжимаемой толщи для фундамента РО в грунтовых условиях Запорожской АЭС составляет 15,5 м, в которую попадают только пески. Длительное развитие осадок не характерно для песчаных грунтов,
слагающих расчетную сжимаемую толщу. Поэтому по натурным результатам можно сделать вывод, что в сжимаемую толщу основания включаются и глинистые грунты, поскольку происходит сравнительно интенсивное развитие осадок во времени. Этот же вывод следует и из анализа развития осадок глубинных осадочных марок, установленных в основании фундамента. Глубинные марки, установленные в пределах 20 м сжимаемой толщи, показывают практически одинаковые осадки (расхождение не превышает 10 %).
О том, что при давлениях 0,56 МПа и ширине фундамента 70 м в работу вовлекается значительная толща основания, свидетельствуют также результаты наблюдений за фундаментами прилегающих сооружений (см. рис. 3). За пределами большеразмерного сильнонагруженного фундамента возникает осадочная воронка, величина которой достигает 20 - 60 м, что соизмеримо с размерами фундамента. Следует отметить, что величина осадочной воронки зависит от степени сжимаемости грунтов оснований (см. рис. 2). Так, для реакторного отделения Хмельницкой АЭС зона распространения осадочной воронки достигает 60 м, а для Калининской АЭС - до 40 м. Песчаное основание Запорожской АЭС дает промежуточное значение.
а б
1_, м
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
0
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
4
К
Л---- Л
Э, мм
■ Запорожская АЭС —о— Хмельницкая АЭС
■ Калининская АЭС
Рис. 3. Профили осадок реакторных отделений (а) и фундаментов колонн примыкающего
машзала (б)
Таким образом, на основании проведенных исследований и анализа полученных результатов можно заключить, что для определения осадок большеразмерных фундаментов в заданных грунтовых условиях необходимо использовать расчетную модель, учитывающую увеличение сжимаемой толщи основания при повышенных давлениях. Расчет осадок можно выполнить по СНиП 2.02.02-85 «Основания гидротехнических сооружений» [5], который распространяется на фундаменты больших размеров, поскольку в инженерной практике имеется обширный опыт расчетов и исследований таких сооружений. Расчетную толщину сжимаемого слоя Нс определяют из условия, чтобы напряжения от внешней нагрузки не превышали величины 0,5 а^.
Рассчитанная таким образом Нс для условий Запорожской, Хмельницкой и Калининской АЭС составляет от 20 до 45 м, что соответствует результатам натурных наблюдений. Уточненная глубина сжимаемой толщи для реакторного отделения Запорожской АЭС включает в себя и глинистые грунты, расположенные на большой глубине и оказывающие основное влияние на развитие деформаций в период эксплуатации. Поверочный расчет средней осадки фундаментов исследованных реакторных отделений с учетом увеличения глубины сжимаемой толщи показал хорошую сходимость с данными наблюдений за осадками (8.. .12 %).
Результаты многолетних натурных исследований и поверочных расчетов оснований предоставили возможность выполнить прогноз процесса деградации основания реакторных отделений с реакторами ВВЭР-1000, что, в свою очередь, позволяет обеспечить процедуру оценки остаточного ресурса энергетического реактора. В то же время своевременный и долговременный прогноз развития механизмов деградации основания реакторного отделения
позволит разработать технически грамотные и экономически оптимальные мероприятия по управлению старением систем, важных для безопасности.
В качестве эксперимента был выполнен долговременный прогноз развития механизмов деградации основания одного из реакторных отделений исследуемых АЭС. В качестве критерия механизма деградации была выбрана величина общего крена фундамента, которая оказывает наибольшее влияние на положение энергетического реактора. В качестве метода прогнозирования была выбрана экстраполяция результатов натурных наблюдений [6; 7].
Метод экстраполяции в ряде случаев используется для прогноза средних осадок и кренов фундаментов. При этом, как правило, используется метод выравнивания кривых, позволяющий в ряде случаев с достаточной степенью точности свести процедуру прогноза к определению методом наименьших квадратов параметров линейного уравнения регрессии. В этом случае в качестве исходных данных служат установленные в ходе геодезических наблюдений диаграммы "общий крен - время." Следует также отметить, что, согласно [7], наиболее приемлемыми для аппроксимации являются логарифмическая и степенная зависимости.
Для прогноза кренов нами были использованы зависимости вида:
. . , t +1 • •
1 = .о In—, l=l0t 1
Здесь 1 - крен фундамента РО; 10, Т и а1 - эмпирические параметры, установленные методом наименьших квадратов.
В результате прогнозируемые на момент окончания и продления эксплуатации значения общих кренов реакторного отделения представлены на рисунке 4.
Рис. 4. Прогноз развития фактического крена (1) реакторного отделения по результатам аппроксимации максимально (2) и минимально (3) возможного значения.
41
Выводы. 1. Одним из основных механизмов деградации основания реакторного отделения является деформация подстилающих фундамент грунтов. Деформации грунтового основания оказывают непосредственное влияние на положение энергетического реактора.
2. При увеличенном давлении и относительно большом размере фундаментов реакторных отделений ВВЭР-1000 слои грунта деформируются на глубину, сравнимую с величиной фундамента. Осадочная воронка расширяется на значительное расстояние, влияя на соседние сооружения.
3. Деформационный анализ сооружений реакторных отделений согласно с моделью слоя конечной толщины может давать 50 - 70 % погрешность.
4. Применение метода экстраполяции результатов натурных наблюдений позволяет с достаточной точностью выполнить долговременный прогноз развития механизмов деградации основания и разработать технически грамотные и экономически оптимальные мероприятия по управлению старением систем, важных для безопасности эксплуатации реакторов.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. - М. : Высшая школа. 1978. -447 с.
2. Егоров К. Е. Особенности деформации оснований реакторных отделений АЭС. К. Е. Егоров, Н. С. Соколов. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1985. - №4. - С. 14 - 17.
3. Месчян С. Р. Экспериментальная реология глинистых грунтов. С. Р. Месчян. - М. : Недра, 1985. - 342 с.
3. Основания зданий и сооружений. Нормы проектирования: СНиП 2.02.01-83*. - М.: 1995 - 64 с.
4. ПиН АЭ-5.10-87 Правила и нормы в атомной энергетике. Основания реакторных отделений атомных станций. М. : Минатомэнерго СССР. 1998. - 53 с.
5. СНиП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений. / Госстрой СССР. - М. : ЦИТП Госстроя ССР, 1987. - 68 с.
6. Цытович Н. А. Инженерный метод прогноза осадок фундаментов. - М. : Стройиздат, 1988. - 118 с.
УДК 624/159/11/621/25:621.039
УПРАВЛЕНИЕ СТАРЕНИЕМ ФУНДАМЕНТОВ МОЩНЫХ ТУРБОАГРЕГАТОВ
С УЧЕТОМ ПОЛЗУЧЕСТИ БЕТОНА
В. Л. Седин, д. т .н., проф., Е. А. Бауск, И. В. Харченко, студ.
Ключевые слова: фундамент, турбоагрегат, деформация, температурная деформация усадка и ползучесть бетона, скорость ползучести бетона.
Постановка проблемы. Обобщаются результаты длительных натурных наблюдений за деформациями фундаментов мощных (1 000 Мвт) турбоагрегатов. Выполнены экспериментальные исследования ползучести бетона опорных конструкций фундаментов с оценкой степени влияния длительных вялотекущих деформаций на надежность работы энергетического оборудования. Приведена концепция теоретического решения проблемы по расчету сложных железобетонных конструкций фундаментов турбоагрегатов с учетом ползучести бетона.
Решение проблемы
1. Экспериментальный аспект проблемы. Практика эксплуатации фундаментов турбоагрегатов большой единичной мощности (300 Мвт и выше) свидетельствует о значительном влиянии различного вида деформаций опорных строительных конструкций на надежность работы энергетического оборудования. Длительные натурные исследования характера развития осадок и деформаций верхнего и нижнего строений фундаментов турбоагрегатов мощностью 1 000 Мвт в период строительства и при различных режимах эксплуатации проведено на шести блоках Запорожской АЭС.
Отличительными особенностями эксплуатируемых на отечественных АЭС турбоагрегатов большой единичной мощности (1 000 Мвт) является то, что машина имеет значительные размеры (длиной до 70 м) и массы вращающихся частей, жесткое соединение роторов. В связи с этим турбоагрегат чувствителен даже к незначительным (с позиции работы строительных конструкций) прогибам и неравномерным деформациям фундамента. Так, отношение стрелы общего продольного прогиба (выгиба) к длине фундамента за межремонтный эксплуатационный период, который составляет по нормативам 3...4 года, не должно превышать относительной величины 0,00015 (от 3 до 5 мм на всю длину фундамента), при плавном характере линии прогиба и кривизне одного знака, что при значительных размерах сооружения в плане и по высоте обеспечить сложно. Практика эксплуатации фундаментов турбоагрегатов большой единичной мощности свидетельствует о значительном влиянии различного вида деформаций на надежность работы машин.
Под отечественные турбоагрегаты мощностью 1 000 Мвт применены железобетонные сборно-монолитные фундаменты рамно-стенчатой конструкции (см. рис. 1). Машина имеет цилиндр высокого давления (ЦВД), три цилиндра низкого давления (ЦНД) с тремя конденсаторами, расположенными в подвальной части, генератор и возбудитель. Под наиболее
