Расчетные исследования устойчивости и прочности подпорных стен первого яруса водоприемника Загорской ГАЭС Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 502/504 : 627.8 С. Е. ЛИСИЧКИН

Закрытое акционерное общество

«Инженерный центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике», Москва

О. Д. РУБИН

Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт энергетических сооружений», Москва

И. Ж. АТАБИЕВ, Н. И. МЕЛЬНИКОВА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ

И ПРОЧНОСТИ ПОДПОРНЫХ СТЕН

ПЕРВОГО ЯРУСА ВОДОПРИЕМНИКА ЗАГОРСКОЙ ГАЭС

Приведены результаты расчетных исследований устойчивости и прочности подпорных стен первого яруса водоприемника Загорской ГАЭС в условиях неудовлетворительного состояния дренажной системы.

Подпорные стены, устойчивость, прочность, напряжение, армирование, расчетные случаи.

Подпорные стенки первого яруса, осуществляющие сопряжение водоприемника Загорской ГАЭС с правобережной и левобережной дамбами верхнего аккумулирующего бассейна (ВАБ), представляют собой уникальные железобетонные сооружения, не имеющие аналогов в практике гидротехнического строительства (рис. 1).

Верхние подпорные стены второго яруса (правые)

Верхние подпорные стены / первого яруса (правые)

Верхние подпорные стены первого яруса (левые)

ЛН-1

<—^ ЛН-2

лс-з

Верхние подпорные стены лн-1 второго яруса (левые)

Нижние подпорные стены (левые)

Нижние подпорные стены (правые)

Рис. 1. Схема размещения верхних (первого и второго ярусов) и нижних подпорных стен водоприемника Загорской ГАЭС

(44

Необходимость восстановления упавших стенок и усиления остальных стенок первого яруса обусловлена в основном обрушением левых подпорных стенок ЛВ-1 и ЛВ-2 первого яруса и грунта обратной засыпки во время их строительства (1986).

Подпорные стенки ЛВ-1 и ЛВ-2 восстановлены с одновременным их усилением со стороны лицевой грани и тыловой грани консоли (рис. 2); стенка ЛВ-3 значительно усилена с тыловой грани массивным железобетоном с помощью арматурных анкеров. Усиление же подпорных стенок ПВ-1 ... ПВ-3 выполнено путем утолщения вертикальной консоли со стороны лицевой грани с дополнительным ее армированием и установкой арматурных анкеров, забуриваемых в бетон существующей стенки. Таким образом, стенки первого яруса водоприемника Загорской ГАЭС представляют собой сложные конструкции (из бетонов различных марок), ослабленные строительными швами различного направления (включая контакты

№ 2' 2012

«нового» бетона со «старым»), имеющие смешанные схемы армирования из арматуры различных классов и диаметров.

Рис. 2. Конструкция подпорной стены ЛВ-1 первого яруса водоприемника с размещением контрольно-измерительной аппаратуры (КИА): = ПДС; • ПТС; - ПЛПС

Натурными наблюдениями установлен чрезвычайно сложный характер действия нагрузок. Так, начиная с 1988 года за стенками первого яруса и в их основании в верхнем бьефе водоприемника фиксируются избыточные давления, значительно превышающие проектные значения, что свидетельствует о неудовлетворительном состоянии расположенного за стенами (в двух уровнях слоев) горизонтального дренажа [1, 2]. По этой причине существуют опасения в обеспечении достаточного уровня устойчивости и прочности подпорных стенок первого яруса при опорожнении верхнего аккумулирующего бассейна ниже отметки УМО.

В процессе анализа напряженно-деформированного состояния сопрягающих подпорных стенок первого яруса, полученного на основе данных натурных наблюдений в эксплуатационный период, в первую очередь следует отметить следующие нагрузки и воздействия:

давление грунта обратной засыпки и грунтовой воды на тыловые грани стенок;

давление на лицевые грани стенок воды изнутри верхнего аккумулирующего бассейна, изменяющееся в соответствии с режимом работы ГАЭС;

циклические сезонные температурные воздействия внешней среды.

Изменения напряжений в арматуре подпорных стенок в период эксплуатации

№ 2' 2012

зависят от сезона нагрузок и имеют циклический характер.

Максимальные значения растягивающих напряжений в арматуре подпорных стен первого яруса по показаниям приборов ПСАС (преобразователь силы арматурный струнный) за весь период наблюдений (1989-2010) не превышали расчетного сопротивления, равного 292 МПа, и в последние годы эксплуатации не превышали следующих значений:

53,2 МПа, согласно показаниям ПСАС 6118, установленного на отметке 236,00 м тыловой грани стены ПВ-1 посредине ее высоты (см. рис. 2);

51,40 МПа, согласно показаниям ПСАС 6121, установленного на отметке 232,00 м лицевой грани стены ЛВ-1 на 1/3 ее высоты (см. рис. 1).

Максимальные значения сжимающих напряжений также не превышали расчетного сопротивления арматуры сжатию и в последние годы достигали:

82,40 МПа, по показаниям ПСАС 6105, установленного в горизонтальном строительном шве между фундаментной плитой и стеной ПВ-1, в зоне вертикального строительного шва между конструкцией стенки, выполненной по проекту, и блоком ее усиления. Сжимающие напряжения 22...36 МПа зафиксированы также по показаниям ПСАС 6109 и 6110, установленных выше на отметке 233,00 м в зоне того же шва (см. рис. 2).

По показаниям приборов ПСАС, установленных на лицевой грани стенки ЛВ-1 со стороны верхнего аккумулирующего бассейна, с 1990 года наблюдается постепенное увеличение напряжений в арматуре. При этом средний рост максимальных растягивающих напряжений, по показаниям ПСАС 6121 и 6122, составил около 39 МПа.

Температурный режим подпорных стенок ПВ и ЛВ за длительный период наблюдений отражает сезонное изменение температуры воды и имеет циклический характер в соответствии с годовой гармоникой с наибольшей амплитудой колебаний от зимы к лету с лицевой стороны

до 20,7 ° С (преобразователь температуры

струнный (ПТС) 6523 в ЛВ-1).

В расчетных исследованиях, проводимых ранее, рассматривались характерные случаи:

(4б)

случаи нормальной эксплуатации при максимальном (266,5 м) и минимальном (257,5 м) уровне воды в верхнем аккумулирующем бассейне;

ремонтный случай, при котором отметка уровня воды соответствует отметке верха подпорных стенок 245,5 м (ниже отметки УМО);

случай аварийной сработки верхнего аккумулирующего бассейна до отметки 230,0 м.

Последний из представленных случаев является наиболее неблагоприятным с точки зрения обеспечения устойчивости и прочности подпорных стенок.

При обосновании проектных решений по восстановлению и усилению подпорных стен первого яруса Загорской ГАЭС был рассмотрен строительный случай. Позднее были рассмотрены другие расчетные случаи, при этом результаты расчетов устойчивости (в том числе с учетом упора в понур) вызывали серьезные опасения в случае аварийной сработки верхнего аккумулирующего бассейна.

Настоящие расчеты устойчивости и прочности секций стенок ЛВ-1, ЛВ-2, ЛВ-3, ПВ-1 и ПВ-3 проводили на аварийный и два варианта ремонтных случаев.

Расчетная схема (включая схему действия нагрузок) подпорной стены первого яруса водоприемника (на примере ЛВ-1) представлена на рис. 3.

УВБ 244,5

235,55 0 227,55 Ат 13,57 224,55 Г (?

7,0 25,59

6,52 262,5

248,55

26,48

219,55 23,38 18,45 20,40

УГ

7,0 24,45

18,45 24,45

Рис. 3. Расчетная схема подпорной стенки ЛВ-1 первого яруса водоприемника для аварийного расчетного случая

Аварийный расчетный случай включает в себя следующие нагрузки: собственный вес сооружения О; вес грунта засыпки Р; взвешивающее давление

Жвзв; вес грунта под основанием стенки; гидравлическую нагрузку со стороны тыловой грани стенки Т^; гидравлическую нагрузку со стороны верхнего бассейна Т ; активное давление грунта со стороны засыпки Еа ; пассивное давление грунта со стороны камеры Ер

Ремонтный расчетный случай (вариант 1) включает в себя следующие нагрузки: собственный вес сооружения; вес грунта засыпки; вертикальную пригрузку водой со стороны верхнего бассейна; взвешивающее противодавление на подошву стенки; вес грунта под основанием стенки; гидравлическую нагрузку со стороны тыловой грани стенки; гидравлическую нагрузку со стороны верхнего бассейна; активное давление грунта со стороны засыпки; пассивное давление грунта со стороны камеры.

Ремонтный расчетный случай (вариант 2) включает в себя следующие нагрузки: собственный вес сооружения; вес грунта засыпки; вертикальную пригрузку водой со стороны верхнего бассейна; взвешивающее противодавление на подошву стенки; вес грунта под основанием стенки; гидравлическую нагрузку со стороны тыловой грани стенки; гидравлическую нагрузку со стороны верхнего бассейна; активное давление грунта со стороны засыпки; пассивное давление грунта со стороны камеры.

В результате предварительных расчетов устойчивости (упомянутых выше) при аварийной сработке верхнего аккумулирующего бассейна устойчивость стенок ЛВ-1, ЛВ-2, ЛВ-3, ПВ-1, ПВ-3, даже с учетом предельного сопротивления понура осевому сжатию, не обеспечивалась.

Согласно СНиП 2.02.02-85* «Основания гидротехнических сооружений», критерием обеспечения устойчивости сооружения системы «сооружение - основание» по горизонтальной поверхности скольжения на уровне подошвы тылового зуба является следующее условие [3]:

Ую^—

Уп

где Я - расчетные значения соответственно обобщенных сдвигающих сил и сил предельного сопротивления или моментов сил, стремящихся повернуть (опрокинуть) и удержать сооружение.

Класс капитальности подпорных стен водоприемника Загорской ГАЭС соответствует второму классу.

Данное выражение можно

преобразовать:

R у у 0 95• 1 2

— ^ >1Д4 - для основного

F Ус 1,0 '

сочетания нагрузок периода ремонта;

R у у 0 9-1 2

K= — > -Ш. > ' ' > 1,08 - для особого

F Ус 1,0 ' сочетания нагрузок аварийного периода.

Таким образом, для сооружений второго класса обобщенный коэффициент запаса подпорных стен на сдвиг и опрокидывание должен быть не менее 1,14 для основного сочетания нагрузок и не менее 1,08 для особого сочетания нагрузок.

Результаты расчетов устойчивости подпорных стенок ЛВ-1 и ЛВ-2, ЛВ-3, ПВ-1, ПВ-3 для двух вариантов ремонтных случаев (отметки воды - 244,50 м) представлены в табл. 1.

По результатам выполненных расчетов устойчивости подпорных стен первого

в аварийном случае прочность подпорных стен не обеспечивается при чрезмерно высоких напряжениях в растянутой арматуре тыловой грани;

в ремонтном случае (вариант 1) прочность подпорных стен также не обеспечи-

яруса водоприемника можно сделать следующие выводы:

в аварийном случае устойчивость подпорных стен не обеспечивается, в том числе с учетом упора в понур;

в ремонтном случае (вариант 1) устойчивость подпорных стен обеспечивается с учетом упора в понур; при этом понур достигает своего предельного теоретического сопротивления при центральном сжатии;

в ремонтном случае (вариант 2) устойчивость подпорных стен обеспечивается (в большинстве случаев) с учетом упора в понур; при этом понур не достигает своего предельного теоретического сопротивления при центральном сжатии.

Результаты инженерных расчетов прочности подпорных стен ЛВ-1 и ЛВ-2, ЛВ-3, ПВ-1, ПВ-3 для ремонтного расчетного случая (вариант 2) представлены в табл. 2.

По результатам выполненных инженерных расчетов прочности подпорных стен первого яруса можно сделать следующие выводы:

вается, но при значительно более низких напряжениях в тыловой арматуре;

в ремонтном случае (вариант 2), результаты расчетов для которого приведены выше, прочность подпорных стен обеспечивается для всех стенок.

Таблица 1

Результаты расчетов устойчивости подпорных стенок

Коэффициент запаса устойчивости

Подпорная стенка Основное сочетание нагрузок ремонтного расчетного случая (вариант 1) Основное сочетание нагрузок ремонтного расчетного случая (вариант 2)

ЛВ-1 и ЛВ-2:

без учета упора в понур 0,54 < 1,14 0,807 < 1,14

с учетом упора в понур 1,17 >1,14 К > 1,14

ЛВ-3:

без учета упора в понур 0,56 < 1,14 0,89 < 1,14

с учетом упора в понур 1,153 >1,14 К > 1,14

ПВ-1:

без учета упора в понур 1,07 < 1,14 0,9 < 1,14

с учетом упора в понур 2,34 >1,14 К > 1,14

ПВ-3:

без учета упора в понур 1,21 > 1,14 0,91 < 1,14

с учетом упора в понур 2,41 >1,14 К > 1,14

Таблица 2

Результаты расчетов прочности подпорных стен

Подпорная стенка Напряжение, МПа

В арматуре о В бетоне о

ЛВ-1 и ЛВ-2

Сечение:

1-1 (отметка 232,0 м) 207,0 5,24

2-2 (отметка 235,55 м) 163,6 4,87

ЛВ-3

Сечение:

1-1 (отметка 231,8 м) 121,0 2,806

2-2 (отметка 235,3 м) 48,74 1,63

ПВ-1

Сечение:

1-1 (отметка 226,55 м) 188,87 5,69

2-2 (отметка 231,05 м) 167,47 5,35

ПВ-3

Сечение:

1-1 (отметка 227,59 м) 169,1 5,29

2-2 (отметка 233,79 м) 194,47 5,355

Выводы

Поскольку целью расчетных исследований являлось определение предельных нагрузок (в том числе предельного уровня воды в засыпке), при которых подпорные стенки обладают устойчивостью и прочностью (в том числе с учетом упора лицевых консолей фундаментных плит стенок в понур), было выявлено, что устойчивость подпорных стен в ремонтном случае обеспечивается с учетом упора в понур: для варианта 1 - с учетом предельного теоретически возможного сопротивления бетона понура сжатию; для варианта 2 - при меньших усилиях в понуре (чем предельное сопротивление сжатию), которые получались непосредственно из расчетов численными методами.

Прочность железобетонных конструкций подпорных стенок обеспечивается в ремонтном случае при варианте 2 сочетаний нагрузок с определенным запасом. В большей степени это касается конструкции ЛВ-3, в которой продольной рабочей арматуры установлено больше, чем требовалось по расчету.

1. Загорская ГАЭС на реке Кунье: технический отчет о проектировании, строительстве и первом периоде эксплуатации. - Т. I. Основные сооружения и постоянный поселок. Проектирование. - М.: Институт «Гидропроект», 1999. - С. 214-270.

2. Разработка режима допустимой сра-ботки верхнего бассейна при аварийных ситуациях на основе расчетов на устойчивость и результатов натурных наблюдений стенок первого яруса водоприемника с учетом повреждения дренажных элементов: технический отчет. - М.: ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений», 2003.

3. Основания гидротехнических сооружений: СНиП 2.02.02-85*. - М.: Госстрой, 2004. - 54 с.

Материал поступил в редакцию 12.04.11. Лисичкин Сергей Евгеньевич, доктор технических наук, заместитель генерального директора Тел. 8-926-015-19-59 E-mail: Lisichkin1989@rambler.ru Рубин Олег Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, зам. генерального директора, технический директор

Тел. 8-903-589-25-90 E-mail:cskte@rambler.ru Атабиев Исхак Жафарович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидротехнические сооружения» Тел. 8-916-147-15-42 E-mail: atabiev-ig@mail.ru Мельникова Наталья Игоревна, аспирантка

Тел. 8-926-469-22-78 E-mail: melok2504@mail.ru