CC BY
62
ВЕСТНИК
МГСУ.
12/2012
ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 627.8
Н.А. Анискин, Нгуен Хоанг
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ БЕТОННОЙ МАССИВНОЙ ПЛОТИНЫ С ВОЗДУШНОЙ ПОЛОСТЬЮ В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ
УСЛОВИЯХ
Рассмотрены и проанализированы результаты расчета температурного режима массивной бетонной плотины с воздушной полостью с учетом устройства теплоизоляционных перегородок и электрообогрева полости.
Ключевые слова: бетонная плотина, воздушная полость, температура воздуха, метод конечных элементов, регулирование температурного режима.
Достаточно большое распространение в практике гидротехнического строительства в России и странах СНГ получили бетонные массивно -контрфорсные и гравитационные плотины с расширенными швами, имеющие межсекционные воздушные полости [1—3]. Большинство из них возведено в условиях сурового климата с низкими среднегодовыми температурами. К таким конструкциям можно отнести гравитационные плотины Мамаканской (средемноголетняя температура воздуха t = -5,8 °С) [2] и Братской ГЭС ( = -2,6 °С) [3], контрфорсная плотина Зейской ГЭС ( = -4,1 °С). Климат в районах постройки этих плотин характеризуется большими амплитудами колебаний температуры. Так, в районе Мамаканской ГЭС температура самого холодного месяца — января — падает до -60 °С, а самого теплого — июля — поднимается до 37 °С. В таких условиях для конструкции на стадии проектирования необходимо правильно оценить ее температурный режим и термонапряженное состояние и при необходимости предусматривать технологические и конструктивные мероприятия по улучшению напряженного состояния плотины. Для обеспечения благоприятного и стабильного температурного режима плотин Мамаканской, Братской и Зейской ГЭС применялся электрообогрев воздуха в полостях с помощью электрокалориферов в течение 1___1,5 мес. в конце зимы.
Это позволило достичь положительных температур во всех зонах плотин, за исключением зоны вдоль низовой грани плотины, где бетон подвержен колебаниям температуры воздуха. И сегодня подобные конструкции массивных бетонных плотин рассматриваются как альтернативные при вариантном проектировании гидроузлов в суровых климатических условиях. Примером такого нового гидроузла может быть Канкунская ГЭС на р. Тимптон с максимальной высотой плотины 228 м [4].
Решение температурной задачи для подобных конструкций является достаточно сложным ввиду пространственной формы конструкции и влияния многих факторов. При проектировании плотин Мамаканской и Братской ГЭС использовались приближенные методы. В частности, использовалось приближенное решение одномерной температурной задачи для многослойной конструкции с заменой полости эквивалентным твердым телом [5]. При этом, однако, не учитывались многие действующие факторы, что снижало точность решения. Также использовался другой приближенный метод расчета, основанный на составлении уравнения теплового баланса воз-
душной полости [6, 7]. Исследуемая система при этом представлялась в виде пространственной области, включающей воздушную полость и твердое тело. Твердое тело разбивалось на простейшие элементы-пластины: напорное перекрытие, низовой оголовок, контрфорс и примыкающее основание. В пределах каждого элемента температурное поле рассматривалось как одномерное. Нестационарная задача решалась с постоянным шагом по времени, в течение которого температурные воздействия (температура воздуха, воды, основания) и температура воздуха в полости постоянны. Данная методика также не лишена недостатков: упрощается геометрическая форма расчетной области, не учитываются такие факторы, как возможная сработка водохранилища, изменение температуры воды по глубине водохранилища, теплообмен между элементами конструкции. На сегодняшний день наиболее полный учет факторов при решении температурной задачи возможен с применением численных методов, в частности — метода конечных элементов [8—10].
Решение пространственной нестационарной температурной задачи методом конечных элементов рассматривается в данной работе на примере бетонной контрфорс -ной плотины высотой 228,0 м. Район строительства характеризуется суровыми климатическими условиями: среднегодовая температура воздуха составляет -8,5 °С, минимальные температуры в зимний период достигают в январе -33 °С (среднемно-голетние значения) при абсолютном минимуме -60 °С, продолжительность периода с отрицательными температурами в течении года составляет 7 мес. Рассматривалась секция массивно-контрфорсной плотины с выделенной примыкающей областью основания. Размеры рассматриваемой области основания принимались следующими: от точек пресечения верховой и низовой граней с основанием в сторону верхнего и нижнего бьефов размеры рассматриваемой области основания принимались равными 450 м (что соответствует примерно удвоенной высоте плотины). Нижняя граница расчетной области принималась также на 450 м ниже плоскости пересечения секции плотины с основанием (т.е. контактного сечения).
Расчетная область была разбита на конечные элементы. Общее количество элементов сетки МКЭ (метода конечных элементов) составляет 74260. Толщины элементов вдоль граничных поверхностей плотины (места возникновения максимальных температурных градиентов) принимались равными 0,2 м. Составленная сетка МКЭ предусматривает возможность исследований температурного режима в строительный период для принятых промежуточных этапов возведения плотины (1 и 2 очередь) и для эксплуатационного периода при окончательном возведении плотины (3 очередь). Фрагменты составленной аппроксимационной сетки приведены на рис. 1.
При решении температурной задачи учитывались следующие температурные воздействия на конструкцию плотины и выделенную область основания. Температура воздуха в районе гидроузла характеризуется существенными колебаниями среднемесячных температур в течение года: от -33 °С в январе до 16 °С в июле. В расчетах использовались среднемесячные значения температур воздуха, полученные на основе многолетних наблюдений за 75-летний период (табл.).
Распределение температуры воды по глубине водохранилища задавалось на основе водохранилища-аналога. Приняты следующие закономерности распределения температуры по глубине водохранилища: на глубине более 50 м и ниже температура воды практически неизменна в течение года и равна 4 °С; в период с июня по ноябрь происходит нагрев верхнего слоя водохранилища; в июле максимальная температура воды в верхних слоях достигает 16 °С; к началу ноября температура верхнего слоя глубиной 100 м имеет постоянную величину -5 °С; с ноября по июнь верхний слой охлаждается до температуры от 0 до 3 °С.
ВЕСТНИК
МГСУ_
12/2012
У600,00
У600,00
1. | Бетон секции плотины 1 -й очереди возведения 4. И Межсекционная воздушная полость
2. Бетон секции плотины 2-й очереди возведения 5. | Породы основания
3. | Бетон секции плотины 3-й очереди возведения
Рис. 1. Сетка конечных элементов секции бетонной контрфорсной плотины: а — сечение по 1-1; б — сечение по 2-2; г — горизонтальное сечение на отметке 430,0
Среднемесячные температуры воздуха, °С
Месяцы
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
-33,0 -28,1 -17,8 -5,8 4,1 12,6 16,0 12,7 4,5 -7,4 -22,7 -32,1
Значения температуры воды на соответствующих отметках и уровни верхнего бьефа задавались в соответствие с принятым графиком сработки и наполнения водохранилища.
Температура основания на глубине 450 м от поверхности основания (по нижней границе расчетной области) принималась равной среднегодовой температуре -8,5 °С.
При решении температурной задачи использовались следующие граничные условия. На поверхности сооружения и основания по контакту с водой задавались граничные условия 1-го рода: в узлах сетки МКЭ на этой границе значения температурной функции принимались неизменными и равными температуре воды. По поверхности основания со стороны верхнего бьефа температура принималась неизменной и равной 4 °С. По контакту сооружения с воздухом (гребень плотины, низовая грань до отметки с нижним бьефом, поверхность межсекционной полости) использовалось условие 3-го рода — условие конвективного теплообмена между воздухом и поверхностью сооружения. По вертикальным поверхностям, ограничивающим расчетную область основания со стороны верхнего и нижнего бьефов задавалось граничное условие 2-го рода при равенстве теплового потока в горизонтальном направлении нулю. Такое же условие задавалось по межсекционному шву в пределах верхового и низового оголовков.
При решении температурной задачи рассматривалось три расчетных схемы: 1) секция плотины без устройства теплоизоляционных перегородок в межсекционной полости; 2) секция плотины с устройством теплоизоляционных перегородок в межсекционной полости вдоль верхового и низового оголовков; 3) секция плотины с устройством теплоизоляционной перегородки в межсекционной полости вдоль верхового оголовка.
Для каждой из расчетных схем рассматривалось пять расчетных случаев для эксплуатационного режима: 1) без обогрева межсекционной полости — плотина возведена полностью, водохранилище наполнено; 2) с обогревом межсекционной полости продолжительностью 10 сут (первая десятидневка января) с интенсивностью обогрева 0,01 ккал/м3-ч; 3) с обогревом межсекционной полости продолжительностью 10 сут (первая десятидневка января) с интенсивностью обогрева 0,02 ккал/м3-ч; 4) с обогревом межсекционной полости продолжительностью 1 месяц (январь) с интенсивностью обогрева 0,01 ккал/м3-ч; 5) эксплуатационный случай с обогревом продолжительностью 1 мес. (январь) с интенсивностью обогрева 0,02 ккал/м3-ч. Некоторые результаты решения температурной задачи представлены ниже.
Эксплуатационный случай для варианта без устройства теплоизоляционных перегородок без обогрева межсекционной полости. Температурный режим для этого варианта бетонной плотины характеризуется следующим. Температура бетона в пределах верхового оголовка и большей части контрфорса, исключая низовое перекрытие, в течение года практически не изменяется. Верховой оголовок и часть контрфорса, к нему примыкающая, находятся под воздействием положительных температур: от 4,0 °С на верховой грани до 0,0 °С на низовой грани. Большая часть контрфорса охлаждена до отрицательных температур в интервале от 0,0 до -4,0 °С. В области контрфорса, примыкающей к низовому перекрытию, отрицательные температуры достигают величин от -4,0 до -8,0 °С. В переделах низового оголовка происходят сезонные температурные колебания, в результате которых температура вблизи низовой грани колеблется с почти такой же амплитудой, как и температура воздуха: от -32,6 °С в январе до 15,7 °С в июле месяце. В центре перекрытия эта амплитуда снижается: от -21,0 °С в марте до 6,0 °С в сентябре. Изохромы температурных полей для варианта плотины без перегородок в воздушной полости на момент максимального охлаждения конструкции (середина марта), полученных в результате решения температурной задачи, приведены на рис. 2. Для этого момента времени температура верхового оголовка меняется от 4 °С на напорной грани до 0,35.. .0,5 °С на низовой грани. На низовом оголовке температура изменяется от -17,8 °С на низовой грани плотины до -6,7.-7,0 °С со стороны межсекционного шва. В межсекционной полости средняя температура воздуха составляет -1,7 °С. Для сравнения за счет обогрева в течение первой десятидневки марта средняя температура воздушной полости повышается до -1,2 °С (при обогреве с интенсивностью 0,01 ккал/м3-ч) и до -0,9 °С (при обогреве с интенсивностью 0,02 ккал/м3-ч).
V600.00 V 690,00
в
IУкала тп-[ХЧ ура
^^^Я Я« .:о 1X1 11.1X1 кию Л.1Х1 И» О.Ои М 4.00
Рис. 2. Распределение температуры в секции бетонной контрфорсной плотины на момент времени 15 марта в эксплуатационный период (вариант без перегородок и обогрева полости): а — сечение 1-1 по межсекционному шву; б — сечение 2-2 по оси секции; в — горизонтальное сечение на отметке 428,0
ВЕСТНИК 12/2012
МГСУ_12/2012
Эксплуатационный случай для варианта с 2 теплоизоляционными перегородками в воздушной полости и с обогревом межсекционной полости с интенсивностью обогрева 0,02 ккал/м3-ч. При устройстве теплоизоляционных стенок с двух сторон полученное температурное поле характеризуется следующим (рис. 3). Для расчетного случая без обогрева в пределах верхового оголовка температура меняется от 4 °С на напорной грани до 0,4.1,2 °С на низовой грани оголовка. В полости между верховым оголовком и перегородкой температура воздуха в среднем -0,6 °С. На низовом оголовке температура изменяется от -17,8 °С на низовой грани плотины до -9.-11,9 °С со стороны межсекционного шва. Средняя температура в воздушном прослойке между низовым оголовком и теплоизоляционной стенкой равна -5,0 °С. В межсекционной полости средняя температура воздуха составляет -1,6 °С.
V 590,00
р 600.00
У566.0С
V 375,00 У"! «.00 [ ?375.00
-ОС
в
Икала тамлер&туры
В:
-2Р.00 -2Л И -2000 -и.ОО ЛИН -7 -Х -100 ' ' С И |,И 2.00 -100 Ь.ОО Г. ! 10 00
Рис. 3. Распределение температуры в секции бетонной контрфорсной плотины на момент времени 15 марта в эксплуатационный период (вариант с 2 перегородками и обогревом полости интенсивностью 0,02 ккал/м3): а — сечение 1-1 по межсекционному шву; б — сечение 2-2 по оси секции; в — горизонтальное сечение на отметке 428,0
а
После применения электрообогрева в течении первой десятидневки марта средняя температура воздушной полости повышается до -0,3 °С (с интенсивностью 0,01 ккал/м3-ч) и до 0,12 °С (при обогреве с интенсивностью 0,02 ккал/м3-ч).
Увеличение периода обогрева до 1 мес. позволяет в еще большей степени увеличить температуру воздуха в полости. Таким образом, благоприятного температурного режима бетонной плотины с воздушной полостью можно добиться путем устройства несложных конструктивных элементов в виде теплоизоляционных стенок и искусственного обогрева межсекционной полости, задавая необходимую интенсивность и продолжительность обогрева. Полученные результаты решения температурной задачи использовались при определении напряженно-деформированного состояния плотины, что позволило сделать окончательные выводы о наиболее благоприятном температурном режиме конструкции [10].
Выводы. 1. Массивные бетонные плотины с воздушными полостями при определенных условиях могут конкурировать с другими типами водоподпорных сооружений (например, грунтовыми) в условиях сурового климата. Это показала практика проектирования, строительства и эксплуатации плотин Мамаканского, Братского, Зейского и других гидроузлов.
2. Наличие воздушных полостей в подобных конструкциях способствует более быстрой стабилизации температурного режима и дает возможность его регулирования за счет устройства простых конструктивных элементов и электрообогрева.
3. Использованная методика численного решения нестационарной температурной задачи позволяет получать детальную картину распределения температуры в бетоне и воздушной полости с учетом множества действующих факторов.
Библиографический список
1. Проценко Ю.Д. Особенности эксплуатации массивно-контрфорсных плотин в суровых климатических условиях // Гидротехническое строительство. 1966. № 9. С. 33—35.
2. Телешев В.И., Семенов Н.Г. Гидроэлектростанция на р. Мамакан // Гидротехническое строительство. 1968. № 5. С. 1—4.
3. Эйдельман С.Я. Натурные исследования плотины Братской ГЭС. Л. : Энергия, 1968. 253 с.
4. Расчетное обоснование массивной гравитационной плотины Канкунской ГЭС с расширенными полостями / Г.Л. Козинец, Н.А. Вульфович, Г.В. Денисов, Потехин Л.П. // Гидротехническое строительство. 2012. № 8. С. 22—25.
5. МихеевМ.А. Основы теплопередачи. М. : Госэнергоиздат, 1956. 292 с.
6. Плят Ш.Н., Цыбин А.М. Метод расчета температуры в замкнутых полостях контрфорс-ных плотин // Гидротехническое строительство. 1973. № 11. С. 27—31.
7. Плят Ш.Н., Цыбин А.М. Влияние различных факторов на температуру воздуха в полости контрфорсной плотины // Известия ВНИИГ. 1974. Т. 106. С. 82—88.
8. Анискин Н.А. Температурный режим гравитационной плотины из укатанного бетона // Гидротехническое строительство. 2005. № 12. С. 13—17.
9. Анискин Н.А., Нгуен Данг Жанг. Прогноз температурного режима бетонных гравитационных плотин из укатанного бетона // Гидротехническое строительство. 2007. № 12. С. 8—14.
10. Орехов В.Г., Толстиков В.В. Напряженно-деформированное состояние бетонной плотины Канкунского гидроузла // Гидротехническое строительство. 2012. № 2. С. 34—42.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
Об авторах: Анискин Николай Алексеевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидротехнических сооружений, директор института гидротехнического и энергетического строительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, nikolai_ aniskin@mail.ru;
Нгуен Хоанг — аспирант кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»),
129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, hoang@mail.ru.
Для цитирования: Анискин Н.А., Нгуен Хоанг. Температурный режим бетонной массивной плотины с воздушной полостью в суровых климатических условиях // Вестник МГСУ. 2012. № 12. С. 212—218.
N.A. Aniskin, Nguen Hoang
THERMAL REGIME OF MASSIVE CONCRETE DAMS WITH AIR CAVITIES IN THE SEVERE CLIMATE
Concrete massive head buttress dams and gravity dams with extended air cavities were widely used in the hydraulic engineering of Russia and CIS countries. Most of them were built in the severe climate with low average annual temperatures. These circumstances are to be considered in design of the above structures to contemplate technological and design actions aimed at improvement of the stress state of dams.
The solution to the three-dimensional temperature problem is considered in this paper on the basis of the following example of a dam: the height of a concrete buttress dam is 225.0 meters; it will be built in severe climatic conditions; the average annual temperature is - 8.5 °C; the minimum temperature in winter reaches -33 °C in January (average annual value) with an absolute minimum of -60 °C; the period of negative temperatures continues for 7 months in a year. As a result, the solution to the non-stationary temperature problem using the finite element method consists in the method by virtue of which the temperature field of the analyzed area for any moment in time is calculated on the basis of pre-set values of temperature factors variable over the time.
BECTHMK
MI"CY_12/2012
The thermal regime of the concrete dam with an air cavity can be adjustable by simple structural elements, including a heat-insulating wall and artificial heating of cavities. The required intensity and duration of heating are to be identified. Final conclusions about the most favorable thermal regime pattern will be made upon completion of fundamental calculations of the thermal stress state of the dam to be performed in the next phase of the research.
Key words: concrete dam, air cavity, air temperature, finite elements method, adjustment of the thermal regime.
References
1. Protsenko Yu.D. Osobennosti ekspluatatsii massivno-kontrforsnykh plotin v surovykh kli-maticheskikh usloviyakh [Operation of Massive Head Buttress Dams in Severe Climatic Conditions]. Gi-drotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1966, no. 9, pp. 33—35.
2. Teleshev V.I., Semenov N.G. Gidroelektrostantsiya na r. Mamakan [Hydraulic Power Plant on the Mamakan River]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1968, no. 5, pp. 1—4.
3. Eydel'man S.Ya. Naturnye issledovaniya plotiny Bratskoy GES [Field Research of the Dam of Bratsk Hydraulic Power Plant]. Leningrad, Energiya Publ., 1968, 253 p.
4. Kozinets G.L., Vul'fovich N.A., Denisov G.V., Potekhin L.P. Raschetnoe obosnovanie massivnoy gravitatsionnoy plotiny Kankunskoy GES s rasshirennymi polostyami [Analysis of the Massive Gravity Dam of Kankun HPP with Extended Cavities]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 2012, no. 8, pp. 22—25.
5. Mikheev M.A. Osnovy teploperedachi [Fundamentals of Heat Transfer]. Moscow, Gosenergoizdat Publ., 1956, 292 p.
6. Plyat Sh.N., Tsybin A.M. Metod rascheta temperatury v zamknutykh polostyakh kontrforsnykh plotin [Method of Temperature Analysis inside Closed Cavities of Buttress Dams]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 1973, no. 11, pp. 27—31.
7. Plyat Sh.N., Tsybin A.M. Vliyanie razlichnykh faktorov na temperaturu vozdukha v polosti kon-trforsnoy plotiny [Influence of Various Factors on the Air Temperature in the Cavity of a Buttress Dam]. Izvestiya VNIIG [All-soviet Scientific and Research Institute of Hydraulics]. 1974, vol. 106, pp. 82—88.
8. Aniskin N.A. Temperaturnyy rezhim gravitatsionnoy plotiny iz ukatannogo betona [Thermal Regime of a Roller Compacted Concrete (RCC) Gravity Dam]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 2005, no. 12, pp. 13—17.
9. Aniskin N.A., Nguyen Dang Giang. Prognoz temperaturnogo rezhima betonnykh gravitatsionnykh plotin iz ukatannogo betona [Projecting the Thermal Regime of a Roller Compacted Concrete (RCC) Gravity Dam]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 2007, no. 12, pp. 8—14.
10. Orekhov V.G., Tolstikov V.V. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie betonnoy plotiny Kankunskogo gidrouzla [Stress-deformation State of the Concrete Dam of Kankun HPP]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering]. 2012, no. 2, pp. 34—42.
About the authors: Aniskin Nikolay Alekseevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Hydraulic Engineering Structures, Director, Institute of Hydraulic Engineering and Power Generation Plant Construction, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavs-koe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; nikolai_aniskin@mail.ru;
Nguen Hoang — postgraduate student, Department of Hydraulic Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; hoang@mail.ru.
For citation: Aniskin N.A., Nguen Hoang. Temperaturnyy rezhim betonnoy massivnoy plotiny s voz-dushnoy polost'yu v surovykh klimaticheskikh usloviyakh [Thermal Regime of Massive Concrete Dams with Air Cavities in the Severe Climate]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 212—218.
