Введение к работе
іктуальность проблемы.
іначительная часть гидроэнергетических ресурсов России рас — оложена в районах Крайнего Севера и Вечной мерзлоты.Оп— еделяющим фактором, который способствовал созданию и оддержаїїию в указанных регионах Вечной мерзлоты,являет — я температурный режим.Поэтому необходимо на стадии ТЭО гехнико— экономическое обоснование ) и в процессе проек — ирования прогнозировать, какое температурное поле
плотине и основании возникнет после окончания строитель —
тва,а также в период его длительной эксплуатации, так как
озможная деградация Вечной мерзлоты может привести _к не —
[редсказуемым последствиям. Знание этих температур необхо —
имо при выборе типа сооружения,а также для обоснования
инструктивных и, технологических мероприятий, которые тре —
іуются для его правильной эксплуатации.Вместе с тем до насто —
щего времени недостаточно ясно, какое температурное поле
озникнет в микрорегионе после окончания строительства со —
>ружения,какой эксплуатационный температурный режим ус —
ановится в плотине и ее основании,как повлияет новый мик —
юклимат на установившееся температурное поле в полостях
ютонных контрфорсных плотин и плотин с расширенными
ивами.Например,до сих пор неясно, стоит ли дополнительно
>богревать полости плотины Зейской ГЭС. f
Недостаточно изучено влияние температуры на процесс кон — :олидации оттаивающего основания гидросооружения.Требует точнения влияние температуры на процесс тепловыделения в їетоне при его укладкаЭто особенно актуально для северной :троигельно — климатической зоны.
Таким рбразом,расчет температурного режима,разработка но — гых алгоритмов, создание и совершенствование существующих методов расчета позволяют существенно повысить надеж— гость технических решений, принимаемых при проектиро — тнии и строительстве гидросооружений в северных регионах и в ряде случаев внести существенные коррективы в про — жты и в технологию строительных работ.
Целью диссертационной работы явилось развитие теории и практики анализа термического состояния гидросооружений и их оснований в районах Вечной мерзлоты.
Необходимо было разработать практические алгоритмы и сое — тавить программы расчета температурных полей, которые,в от -личие от существовавших до этого программ,давали бы возмож ность обосновать наряду с другими факторами выбранный тип бетонного гидросооружения на всех стадиях его работы. Для достижения сформулированной цели были рассмотрены сл< дующие основные вопросы:
фазовые переходы и сопровождающие их изменения фи — зико — механических характеристик в основании,
температурные процессы в бетонных сооружениях в период строительства и эксплуатации,
— воздействия энергетического объекта на температурный ре
жим сооружения.
При этом были решены такие задачи
— получение аналитических решений для одномерной несга —
ционарной и двумерной стационарной задач типа Стефана;
— создание новых численных алгоритмов решения задач теп
лопроводности;
— разработка алгоритмов и создание методов,необходимых для
решения следующих важных для^ строительства и эксплуатации
гидросооружений вопросов:о конфигурации талика под руслом
рек и водохранилищ,об оледенении трубопроводов и OJKOH —
фигурации полыньи в нижних бьефах ГЭС;
определение эксплуатадцонных температур з гидросооружении и его основании, минуя промежуточную стадию от некоторого начального состояния до установившегося;
разработка алгоритмов расчета эксплуатационных температур воздуха в полостях бетонных, плотин конгрфорсных и с расши -ренными швами,подобных существующим на Братской, Мама — канской и Зейской ГЭС;
формулировка и обоснование нового уточненного краевого условия на границе между талой и мерзлой зонами основания гидросооружения и решение целого ряда вопросов , связанных с процессом консолидации оттаивающего грунта;
— учет температурной предыстории в процессе тепловыделе
ния бетона при его гидратации, что особенно важно при
строительстве бетонных плотин в северной климатичес
кой зоне.
Научную новизну представляют:
— постановка и решения плоских и пространственных задач те-
плопроводности.которые давали бы возможность оперативно
ответить на поставленные проектировщиками и строителями
вопросы,связанные с процессом быстрой оттайки или.наобо— рот,с долговременной устойчивостью мерзлых зон;
аналитические зависимости,позволяющие оперативно оценить зону протаивания.а также возможность деградации Веч — ной мерзлоты и движения границы между талой и мерзлой зонами;
разработка и создание основанных на решении стационарной задачи Стефана методов расчета ледового режима трубопроводов и конфигурации стационарной полыньи в нижних бьефах ГЭС;
— разработка и создание метода расчета непосредственно экс
плуатационного ( квазистационарного) температурного по
ля в плотине и основании,а затем реализация созданного ал
горитма в ширшсо используемой программе расчета этих полей;
— разработка и создание метода расчета квазистационарных
температур воздуха в замкнутых полостях гидросооружений, в
частности, контрфорсных плотин и плотин с расширенными
швами;
обоснование целесообразности строительства в районах Крайнего Севера и Вечной мерзлоты бетонных контрфорсных пло — тин,способных аккумулировать в своих полостях холодный воздух с тем, чтобы почти все сооружение и значительная часть основания были проморожены в течение всего года;
обоснование видоизмененного краевого условия на границе между талой и мерзлой зонами и решение с его учетом ряда практических задач;
доказательство зависимости тепловыделения в бетоне от всей температурной предыстории процесса гидратации цемента;
построение феноменологических соотношений.связывающих интенсивность тепловыделения с температурной предысторией гидратации цемента.
На защиту выносятся:
постановки задач оценки темперагурного режима сооружения;
методы,алгоритмы и программы.позволягощие определить температурные поля в гидросооружениях и их основаниях.при условии,что эти сооружения проектируются,строятся и эксплуатируются в районах Крайнего Севера и Вечной мерзлоты;
рекомендации.дающие возможность на основании полученных аналитических зависимостей выбрать тип гидросооружения или обосновать комплекс мероприятий,позволяющих гра —
мотдо и надежно осуществлять его эксплуатацию.
аналитические соотношения, на основании которых можно оценить экологический эффект,'вызываемый строительством и эксплуатацией в указанном регионе выбранного типа гидросооружения . Эго в частности относится к длине и конфигурации полыньи в нижнем бьефе ГЭС, возможности полной или частичной деградации Вечной мерзлоты.наличию замкнутого или сквозного талика под водохранилищем;
выделение специального класса температурных л.олей в гидросооружениях и их основаниях ( эксплуатационных тем — ператур) и создание методики их вычисления,минуя промежуточные этапы от некоторого (.как правило,фиктивного) начального состояния;
разработка.создание и апробация метода расчета квазиста — ционарных температур воздуха в замкнутых полостях гидро -сооружений, в частности плотин контрфорсних и с расширенными швами;
обоснование возможности и целесообразности строительст -ва и эксплуатации в районах Крайнего Севера и Вечной мерзлоты бетонных плотин контрфорсных и с расширенными швами;
обоснование новой(позволяющей более точно учестыпроте — кающие на границе между талой и мерзлой зонами процессы) постановки задачи о консолидации оттаивающего грунта;
— анализ и решение ряда проблем,связанных с влиянием тем
ператур в процессе тепловыделения в бетоне при его затво —
рении.
Фактический мат ериал работы составили мо — нография и публикации 1970—1995 г.г.,а также разработанные автором программы расчетов применительно к различным компьютерным системам,начиная от ЭВМ М —220 и до ПЭВМ.
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
Внедрение результатов исследований осуществлялось следующими путями :
— созданием алгоритмов и разработкой программ расчета
с передачей их в ряд институтов, проектных организаций и
строительных трестов;
-обоснованием различных конструктивных решений, принимаемых в проектах и осуществленных на ряде объектов(Зей — екая и Колымская ГЭС,Печорская ГРЭС, проекты Катунской и Амгуэмской ГЭС);
Экономический эффект от внедрения результатов расчетов в обосновании ряда проектных решений по Зейской ГЭС и Печорской ГРЭС составил 1300 тыс. рублей в ценах 1978 года.
Апробация работы. Отдельные результаты работы доложены на двух международных конференциях, 12 всесоюзных и республиканских совещаний и семинарах,а также школах семинарах.
Публикации .Результаты исследований опубликованы в 47 печатных работах автора и одной монографии. Объем работы. Диссертация в виде доклада состоит из введения,5 глав выводов и списка литературы .Включает 49 с. печатного текста (в т.ч. 4 таблицы),а также 14 рис.;список литературы содержит 48 наименований.
Личный вклад автора заключается в формулировании и разработке основных положений диссертации. В проведении отдельных лабораторных и расчетных исследований принимали участие работавшие под руководством автора, кандидаты наук Н.И.Лыкова, Л.М.Моносов, Г.Н.Писарев ,А.Б. Проскуряков. Им,а также профессорам П.И.Васильеву.И.Д.За — порожцу,Л.В.Горелику,Ш.Н.Пляту и А.А.Храпкову автор остается всемерно благодарен.
