Введение к работе
В настоящее время в России основные запасы гидроэнергоресурсов сосредоточены в Северных районах с неблагоприятными для гидротехнического строительства природно-климатическими условиями и наличием вечномерзлых оснований.
Актуальность проблемы. Одним из распространенных типов грунтовых плотин на Севере являются плотины из каменной наброски. В этих местах подобные плотины, как правило, более предпочтительны, поскольку имеют относительно меньшие объемы, меньшую длину строительных водосбросов и могут возводиться как в летний период, так и зимой.
Вместе с тем строительные свойства каменной наброски на Севере и в районах с умеренным климатом, имеют существенные различия. Главное из них - это малое самоуплотнение мерзлой наброски в строительный период и связанная с этим ее просадка при оттаивании в условиях водного окружения. Поскольку температурное состояние и фильтрационный режим грунтовых плотин на Севере практически не бывают стационарными, зависящие от них особенности деформационного поведения мерзлой горной массы приводят к далеко не всегда безопасным для таких сооружений последствиям.
Поэтому исследования, направленные на обобщение результатов натурных наблюдений за каменно-земляными плотинами, безаварийно эксплуатируемыми на Севере, а также на выявление закономерностей изменений их температурно-влажностного состояния и деформационного поведения в процессе длительной эксплуатации являются весьма актуальными.
Актуальность и практическая значимость исследований, выполненных в данной работе, усилены еще и тем, что она направлена и на решение важной народнохозяйственной задачи, связанной с дальнейшим сохранением надежности в эксплуатации каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС, являющейся стратегическим объектом экономического развития республики Саха (Якутия).
Цель диссертационной работы заключалась в выявлении по данным натурных наблюдений основных закономерностей изменения во времени температурного состояния, фильтрации и смещений элементов ка-менно-земляных плотин с экраном на Севере. Это позволит более обоснованно решать важные отраслевые задачи по обеспечению инженерной надежности и технической безопасности подобных сооружений.
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:
обобщить и проанализировать результаты многолетних натурных наблюдений за поведением каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС при ее эксплуатации в течение более чем 40 лет;
разработать объективный метод количественной оценки температурного состояния каменно-земляных плотин на Севере по данным натурных наблюдений;
разработать метод количественного прогноза осадок и горизонтальных смещений каменно-земляных плотин с экраном, учитывающий изменения природных и техногенных факторов внешнего воздействия;
составить расчетный прогноз возможных деформаций плотины Ви-люйской ГЭС при изменениях уровневого режима нижнего бьефа;
на основании анализа данных натурных наблюдений выявить закономерности изменений температурного состояния, фильтрации и деформационных процессов в каменно-земляных плотинах с экраном на Севере в период их эксплуатации;
разработать рекомендации по увеличению эксплуатационной безопасности каменно-земляных плотин, проектируемых, возводимых и эксплуатируемых на Севере.
Методы исследований. Результаты, выводы и инженерные рекомендации, содержащиеся в диссертации, базируются на натурных данных, полученных при проведении инструментальных натурных наблюдений за поведением плотины Вилюйской ГЭС.
В теоретических обобщениях и при разработке расчетных моделей процессов, происходящих в плотине, использовались современные представления механики грунтов, а также теорий теплопереноса и фильтрации в грунтах.
При численном моделировании физических процессов в плотинах использовались основные алгоритмы метода конечных элементов (МКЭ), реализуемые с помощью соответствующих современных компьютерных программ.
Научная новизна работы
Обобщены и проанализированы результаты длительных натурных инструментальных наблюдений за состоянием каменно-земляной плотины с экраном Вилюйской ГЭС, длительно и безаварийно эксплуатируемой на Севере.
Предложен новый метод количественной оценки температурного состояния грунтовых плотин на Севере по диагностическим показателям удельной теплоты и средневзвешенной температуры грунтов сечений этих сооружений.
Выявлены основные закономерности изменений температурного состояния каменно-земляных плотин, длительно эксплуатируемых в условиях Севера.
Для анализа деформационного поведения каменно-земляных плотин с мерзлыми льдосодержащими включениями горной массы создана математическая модель, учитывающая термопросадочность этих грунтов при первичном оттаивании в условиях водного окружения.
Предложен новый метод количественного прогноза осадок и горизонтальных смещений элементов каменно-земляных плотин на Севере, учитывающий влияние изменений природных и техногенных факторов внешнего воздействия.
6. На основании результатов натурных исследований температурного режима, фильтрации и деформационного поведения установлены основные закономерности изменений состояния плотины Вилюйской ГЭС, характерные для каменно-земляных плотин с экраном, эксплуатируемых на Севере.
Практическая значимость работы
1. Разработанные методы анализа температуры и деформационного
поведения каменно-земляных плотин на Севере могут быть использованы
для количественной оценки технического состояния и эксплуатационной
безопасности подобных плотин по данным натурных наблюдений.
2. Показано, что деформационное поведение каменно-земляных
плотин с экраном на Севере, зависит от уровневого режима нижнего бьефа
и от природно-климатических условий в районе гидроузла.
Полученные в диссертации результаты внедрены в практику эксплуатации каменно-земляной плотины Вилюйской ГЭС.
Предложенные в диссертации инженерно-технические мероприятия по совершенствованию проектирования, строительства и эксплуатации каменно-земляных плотин на Севере могут быть использованы при освоении гидроэнергетических ресурсов Южной Якутии и других районов Северо-Востока страны.
Достоверность полученных результатов подтверждена данными натурных наблюдений, проводимых с использованием сертифицированной КИА, а также удовлетворительной сходимостью результатов расчетных исследований, выполненных по методу конечных элементов с использованием современного программного обеспечения, и натурных данных.
Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, в анализе материалов натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС, в выявлении основных закономерностей изменения температурного состояния и смещений этой плотины, в разработке инженерных рекомендаций, направленных на повышение безопасности подобных плотин проектируемых, строящихся и эксплуатируемых на Севере.
Автор выражает благодарность сотрудникам ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева», принимавшим участие в проведении натурных исследований плотины Вилюйской ГЭС и в анализе полученных при этом результатов.
Апробация работы и внедрение ее результатов
Основные положения диссертации докладывались на заседаниях Секций Ученого Совета ОАО «ВНИИГим. Б.Е.Веденеева», а также на 3-й и 4-й Научно-технических конференциях ОАО «РусГидро».
Результаты работы внедрены на Вилюйской ГЭС:
при уточнении состава и программы натурных наблюдений за поведением таломерзлой каменно-земляной плотины,
при интерпретации результатов натурных наблюдений и оценке изменений состояния плотины в процессе ее длительной эксплуатации;
при разработке критериев и оценке безопасности плотины Вилюй-ской ГЭС.
По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК.
На защиту выносятся:
Результаты многофакторного анализа данных многолетних натурных наблюдений за плотиной Вилюйской ГЭС.
Новые методы количественной оценки температурного состояния и деформационного поведения каменно-земляных плотин по данным натурных наблюдений
Основные закономерности изменений температурного состояния и деформационного поведения каменно-земляных плотин с экраном при длительной их эксплуатации в условиях Севера.
Новый метод количественного прогноза осадок и горизонтальных смещений элементов каменно-земляных плотин на Севере, учитьшающий влияние изменений природных и техногенных факторов внешнего воздействия.
Рекомендации, направленные на обеспечение эксплуатационной безопасности каменно-земляных плотин с экранами в условиях Севера.
Общий объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации ПО страниц основного текста с рисунками, таблицами и список литературы из 93 наименований.
