РОССИЙСКОЕ ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «ЕДИНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РОССИИ»

ПОСОБИЕ К «МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

РД 153-34.2-21.342-00”

Москва

ЦПТИиТО ОРГРЭС

2006

Разработано д.т.н. И.И. ИВАЩЕНКО, инж. И.Ф. БЛИНОВ, к.т.н. М.Я. ДИДОВИЧ, инж. Л.В. КОМЕЛЬКОВ, инж. ЕЛ СУРИКОВ, инж. В.Ф. ФИСЕНКО (ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»)

к.т.н. Е.Н. БЕЛЛЕНДИР, д.т.н. А.А. ГОРДОН, А.Л. ХРАПКОВ, к.т.н. B.C. КУЗНЕЦОВ, Е.А. ФИЛИППОВА инж. А.В. КАРАВАЕВ (ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»).

Утверждено Департаментом научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России»

Первый заместитель начальника А.В. БОБЫЛЕВ

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее "Пособие" составлено в форме комментариев к тексту "Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений РД 153-34.2-21.342-00" [1]. Комментируемые позиции РД 153-34.2-21.342-00 выделены в тексте "Пособия" жирным курсивом.

Комментарии даны по тем позициям "Методики", формулировки которых либо чрезмерно лаконичны, либо, в некоторых случаях, допускают неоднозначное толкование.

"2.1. "Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений" (далее по тексту - "Методика") обязательна для применения при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию и эксплуатации объектов энергетического комплекса Российской Федерации организациями, осуществляющими разработку, утверждение и применение критериев безопасности ГТС всех классов".

Действие "Методики" распространяется на все типы гидротехнических сооружений: плотины, здания ГЭС, водосбросные, водоспускные, водовыпускные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники; сооружения, предназначенные для защиты от наводнений и разрушений берегов водохранилищ, берегов и дна русел рек; сооружения (дамбы), ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, а также другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения вредного воздействия вод и жидких отходов [2], повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайной ситуации.

"2.2. "Методика" определяет основные понятия, регламентирует процедуру и последовательность действий при выборе контролируемых и диагностических показателей состояния ГТС в составе проекта и на стадии эксплуатации, определении их критериальных значений, разработке прогнозных математических моделей, применении качественных характеристик, а также определяет "Порядок разработки и утверждения критериальных значений диагностических показателей состояния ГТС" и общие правила оценки риска аварии эксплуатируемых ГТС в детерминированной и вероятностной формах".

Отличительной особенностью комментируемого руководящего документа является введение двух уровней критериальных значений диагностических показателей состояния сооружений. Превышение первого уровня сигнализирует о наступлении потенциально опасного состояния и требует от собственника (эксплуатирующей организации) оповещения об этом органе надзора и принятия оперативных мер по переводу сооружения в нормальное состояние. В отличие от первого, превышение второго уровня критериальных значений влечет за собой также и ввод ограничений на режим эксплуатации гидротехнического сооружения (вплоть до снижения действующих нагрузок).

Контроль за сооружением в период эксплуатации может выявить факторы, влияющие на безопасность сооружения, но неучтенные в проекте и при производстве строительных работ. Необходимая оперативность и объективность эксплуатационного контроля достигается решением ряда методологических и организационно-технических задач, первоочередной из которых является определение критериев безопасности.

Методика контроля безопасности эксплуатируемых сооружений, основанная на сопоставлении отдельных показателей их состояния (диагностических показателей), определяемых по результатам натурных наблюдений, с критериальными значениями контролируемых показателей (критериями безопасности), получила наибольшее распространение.

Наиболее опасные зоны гидротехнического сооружения, состав количественных и качественных показателей, контролируемых в периоды строительства и эксплуатации, а также состав количественных диагностических показателей и их критериальные значения должны быть определены при разработке проекта в соответствии с требованиями нормативных документов по проектированию и должны быть уточнены перед вводом в эксплуатацию и в процессе эксплуатации сооружений. При этом назначаемые в составе проекта критериальные значения диагностических показателей должны быть увязаны со сценариями возможных аварий, опасными зонами сооружения и основными возможными формами разрушения сооружений.

Перечень диагностических показателей должен обеспечивать возможность оперативной оценки эксплуатационного состояния на конкретном сооружении и оперативного принятия мер по обеспечению безопасности с учетом организационно-технических возможностей эксплуатирующей организации. На основе анализа работы гидротехнического сооружения на начальной стадии эксплуатации состав диагностических показателей дополняется рядом новых, неучтенных на стадии проекта, эксплуатационных диагностических показателей состояния, существенных для данного конкретного сооружения и условий его эксплуатации.

Определение критериальных значений диагностических показателей для эксплуатируемых сооружений следует осуществлять на основе многофакторного анализа следующей информации:

результатов сопоставления критериальных значений, разработанных в составе проекта, с контролируемыми на эксплуатируемом сооружении показателями при максимальных фактических силовых воздействиях основного и особого сочетания нагрузок;

результатов поверочных расчетов наиболее ответственных элементов сооружения с использованием данных о фактических физико-механических характеристиках материалов сооружения и пород основания;

результатов анализа статистических моделей (и расчетов по ним), построенных с ис­пользованием данных натурных наблюдений и фактических нагрузок.

Для определения критериальных значений диагностических показателей следует использовать расчеты:

напряженно-деформированного состояния системы "сооружение-основание"; в зависимости от типа и конструкции могут решаться задачи теории упругости, ползучести, пластичности, механики хрупкого и пластического разрушения и других разделов механики твердых и сыпучих тел;

устойчивости бетонных сооружений и их оснований на сдвиг;

температурного режима и термонапряженного состояния сооружения и основания;

устойчивости откосов плотин из грунтовых материалов;

по определению пьезометрических уровней и расходов фильтрационного потока;

по определению пропускной способности водосбросных сооружений;

запаса отметки гребня сооружения и т.д.,

а также необходимые расчеты, учитывающие специфику ГТС различного назначения, в том числе сооружений ГРЭС и ТЭС.

Для повышения эффективности детерминистических расчетов следует осуществлять идентификацию ("калибровку") параметров математической модели, т.е. сопоставление результатов расчетов и контрольных наблюдений на предшествующих стадиях эксплуатации и корректировку параметров модели.

Осуществление контроля безопасности сооружений только на основе анализа контролируемых показателей в ряде случаев затруднительно (в особенности когда ни один из контролируемых параметров не достиг предельно допустимого уровня, а процесс накопления повреждений тем не менее развивается). Принципиально более правильной является оценка состояния сооружения на основе применения обобщенных показателей, использующих всю доступную количественную и качественную информацию о состоянии как отдельных элементов сооружений, так и ГТС в целом. Наиболее развитой и безупречной (с точки зрения теоретической разработки и обоснования) формой обобщенного показателя состояния сооружения (его надежности) является вероятность его безотказной работы в течение срока эксплуатации. Принципиальным преимуществом этой формы является возможность контроля состояния сооружений с учетом его потенциальной сопротивляемости наступлению различных возможных видов предельного состояния, а также возможных, но еще нереализованных экстремальных воздействий (сейсм, паводок, ветер и т.п.).

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

"Чрезвычайная ситуация - обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии гидротехнического сооружения, которая может повлечь или повлекла за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или ущерб окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение жизнедеятельности людей". Таким образом, согласно определению, принятому в Федеральном законе [2] и "Методике" [1], чрезвычайная ситуация (ЧС) есть следствие аварии.

"Безопасность гидротехнических сооружений - свойство гидротехнических сооружений, позволяющее обеспечить защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов".

Определение безопасности ГТС именно как "свойства ГТС" подразумевает возможность количественных оценок безопасности так же, как это делается в отношении таких, например, свойств, как "надежность ГТС".

Оценка безопасности эксплуатируемого ГТС включает:

оценку технической исправности путем сравнения значений диагностических показателей (параметров) с их прогнозируемыми и критериальными значениями (п. 2.5 "Методики");

оценку уровня риска аварии (п. 2.13 "Методики").

"Безопасность ГТС", в отличие от "надежности ГТС", является более общим свойством, так как учитывает последствия возможных аварий ГТС, подразумевает не только исправность, техническую и экологическую надежность ГТС, но и социальную приемлемость для общества определенных человеческих и материальных потерь в результате аварий. Любое гидротехническое сооружение вносит изменения в окружающую среду и может нарушить интересы какой-то группы людей.

"Критерии безопасности гидротехнического сооружения - предельные значения количественных и качественных показателей состояния гидротехнического сооружения и условий его эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии гидротехнического сооружения и утвержденные в установленном порядке федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный надзор за безопасностью гидротехнических сооружений".

В "Методике" критерии безопасности определяются как "значения", выраженные в количественной (или словесной) форме. Учитывая погрешности, неизбежные как при расчетных, так и экспериментальных методах оценки состояния ГТС, при определении безопасности назначается интервал критериальных значений.

"Авария гидротехнического сооружения - разрушение или повреждение ГТС, вызванные непредвиденными (не предусмотренными проектом и правилами безопасности) ситуациями и сопровождаемые неконтролируемым сбросом воды или жидких стоков из хранилища"

Согласно "Методике" [1], под аварией на гидротехническом сооружении ГЭС понимается событие, приводящее к прорыву напорного фронта, а на гидротехническом сооружении ТЭС - к сбросу жидких стоков из хранилища. В рамках принятого в [1] определения аварии повреждение гидротехнического сооружения или его отказ, не приводящие к прорыву напорного фронта, не квалифицируются как авария, Прорыв напорного фронта возможен при нарушении устойчивости, фильтрационной или механической прочности ГТС, входящих в состав напорного фронта. Таким образом, согласно "Методике" [1], под аварией ГТС понимается ситуация, при которой нарушается устойчивость, механическая или фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также не обеспечивается пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений. Именно в этих случаях возможен неконтролируемый сброс воды или жидких отходов.

"Допустимый уровень риска аварии гидротехнического сооружения - значение риска аварии гидротехнического сооружения, установленное нормативными документами".

Современные нормативные документы не устанавливают конкретное значение допустимого уровня риска аварии ГТС. Однако определенная доля риска аварии ГТС остается даже при выполнении всех требований нормативных документов. Указанный уровень риска присущ ГТС, запроектированным в соответствии с требованиями норм.

"Уровень риска аварии ГТС - характеристика безопасности ГТС, которая может быть представлена в вероятностной форме, либо в форме детерминистического показателя (уровня безопасности ГТС), характеризующего степень отклонения состояния ГТС и условий его эксплуатации от требований нормативных документов".

Уровень риска является обобщенным, интегральным показателем безопасности ГТС в целом, Этот показатель позволяет также сравнивать между собой уровень безопасности различных сооружений.

Вероятностная форма оценки безопасности ГТС в большей мере применима для стадии разработки проекта. На стадии эксплуатации большое значение имеют оценки состояния ГТС, выполняемые на основании данных инструментальных и визуальных натурных наблюдений, данных об условиях эксплуатации и т.п., которые трудно (если не невозможно} представить в вероятностной форме.

"Контролируемые показатели - измеренные на данном сооружении с помощью технических средств или вычисленные на основе измерений количественные характеристики, а также качественные характеристики состояния ГТС".

Контроль безопасности (технической исправности) ГТС осуществляется путем организации натурных измерений и наблюдений. Техническое обеспечение натурных измерений составляют: контрольно-измерительная аппаратура (КИА), устанавливаемая на сооружениях, а также средства автоматизированного сбора показаний КИА. Наряду с техническим обеспечением на ГТС имеется информационное и программное обеспечение контроля - базы данных для хранения результатов наблюдений, измерений и программные средства для обработки и анализа данных измерений. Требования к техническому, информационному и программному обеспечению натурных наблюдений приведены в разделе 6 "Методики" [1].

Установленная на сооружении контрольно-измерительная аппаратура (КИА) в циклическом режиме (или в режиме реального времени) измеряет текущие значения ряда показателей (перемещений, деформаций, напряжений, температур, фильтрационных расходов, пьезометрических напоров и т.д.).

По измеренным показателям вычисляются градиенты температур и пьезометрических напоров, интенсивность изменения фильтрационных расходов, величина противодавления, напряжения и т.п.

"Контролируемые показатели - совокупность всех наблюденных, а также измеренных с помощью технических средств и вычисленных по ним количественных показателей состояния ГТС, а также качественных показателей, полученных наблюдениями на сооружениях".

"Диагностические показатели - наиболее значимые для диагностики и оценки безопасности состояния ГТС контролируемые показатели, позволяющие дать оценку безопасности и состояния системы "сооружение - основание - водохранилище" в целом или отдельных ее элементов".

Диагностические показатели назначаются из числа контролируемых (как количественных, так и качественных) показателей состояния. Для крупных сооружений, имеющих несколько сотен, а то и тысяч измерительных устройств и пунктов наблюдений, доля диагностических показателей составляет обычно не более 10 - 20% от общего числа контролируемых показателей. Диагностические показатели назначаются в наиболее ответственных (или "опасных") зонах сооружений. Перечень диагностических показателей может изменяться в процессе эксплуатации.

Диагностические показатели выбираются из совокупности контролируемых показателей в соответствии с рекомендациями п. 2.11 "Методики" [1]. Для диагностических показателей определяются критериальные значения. Анализ остальных контролируемых показателей производится при обнаружении отклонений от нормальной работы, зафиксированных с помощью диагностических показателей.

Критерии состояния ГТС:

К1 - первый (предупреждающий) уровень значений диагностических показателей, при достижении которого устойчивость, механическая и фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений еще соответствуют условиям нормальной эксплуатации.

В условиях нормальной эксплуатации выполняются все основные требования нормативных документов и правил технической эксплуатации в течение длительного времени, сопоставимого со сроком службы сооружения.

К2 - второй (предельный) уровень значений диагностических показателей, при превышении которых эксплуатация ГТС в проектных режимах недопустима.

Проектные режимы определяют, прежде всего, сочетания (основное и особое) воздействий и нагрузок, предусмотренные проектом. При превышении измеренными значениями диагностических показателей состояния ГТС их критериальных значений К2 недопустима эксплуатация при любом из предусмотренных проектом сочетаний воздействий.

Величины К1 и К2 должны контролироваться в соответствии с условиями эксплуатации сооружения и действующими нагрузками, при которых они были назначены.

Эксплуатационные состояния сооружений:

нормальное - состояние сооружения, при котором сооружение соответствует требованиям действующих нормативных документов и проекта, при этом значения диагностических показателей состояния сооружений не превышают своих критериальных значений К1

потенциально опасное - состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) своего первого (предупреждающего) уровня критериальных значений (значений К1) или вышло за пределы прогнозируемого при данном сочетании нагрузок интервала значений. Потенциально опасное состояние сооружения не отвечает нормативным требованиям, но эксплуатация ГТС не приводит к угрозе немедленного прорыва напорного фронта, и сооружение может некоторое ограниченное время эксплуатироваться в соответствии с указаниями п. 7.2 "Методики";

предаворийное - состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) второго (предельно допустимого) уровня критериальных значений (значений К2); в этом случае эксплуатация сооружения в проектных режимах недопустима без оперативного проведения мероприятий по восстановлению требуемого уровня безопасности и без специального разрешения органа надзора (п. 7.3 "Методики")".

Таким образом, согласно "Методике", допустимых групп возможных состояний ГТС три - нормальное, потенциально опасное, предаварийное. Возможной (но недопустимой) группой состояний ГТС является аварийное состояние.

До введения в действие "Методики" [1] оценка состояния ГТС гидроэлектростанций регламентировалась "Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей" [4]. В ПТЭ [4] предусматривалась одна проверка состояния ГТС - сравнение измеренных показателей с их предельно допустимыми значениями (ПДЗ). То есть возможных групп состояний было два - состояние сооружения отвечало требованиям норм, если критериальные соотношения выполнялись, и состояние сооружения не отвечало требованиям норм, если критериальные соотношения нарушались, Такой подход, во-первых, не оставлял возможности принятия заблаговременных мер по предотвращению аварий, что не соответствует требованиям ст. 9 Федерального закона, и во-вторых - не в полной мере соответствовал реальной практике эксплуатации ГТС. Наличие двух возможных состояний (исправного и неисправного) естественно для изделий с "мгновенным" отказом (электрическая лампа, реле, транзистор и т.п.). Эти изделия или работают, или не работают. Отказ гидротехнического сооружения - не мгновенный, сооружение оснащено контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей зафиксировать отклонения от нормальной работы и предотвратить повреждение или отказ. "Идеальных" гидротехнических сооружений не существует. Практика эксплуатации ГТС такова, что, несмотря на наличие неисправностей, эти сооружения продолжают эксплуатироваться, при этом обнаруженные неисправности устраняются. Поэтому для гидротехнического сооружения более естественными являются принятые в "Методике" [1] три группы возможных состояний.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

«2.3. В соответствии со ст. 9 Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» собственник гидротехнического сооружения и эксплуатирующая организация обязаны: «систематически анализировать причины снижения уровня безопасности гидротехнического сооружения и своевременно осуществлять разработку и реализацию мер по обеспечению технически исправного состояния гидротехнического сооружения него безопасности, а также по предотвращению аварии гидротехнического сооружения».

Введение не одного, а двух уровней критериальных значений диагностических показателей состояния ГТС обеспечивает возможность своевременного принятия мер по ликвидации потенциально опасного и предотвращению предаварийного (и аварийного) состояний сооружения.

«2.5. Оперативную оценку эксплуатационного состояния сооружения и его безопасности следует осуществлять путем сравнения измеренных (или вычисленных на основе измерений) количественных и качественных диагностических показателей с их критериальными значениями К1 и К2, а также с прогнозируемым интервалом изменения диагностических показателей».

Таким образом, согласно [1], критериальные соотношения имеют вид:

а) состояние сооружения нормальное (исправное), если

F_изм ≤ К1                                                                               (2.1)

б) состояние сооружения потенциально опасное, если

К1 < F_изм ≤ К2;                                                                      (2,2)

в) состояние сооружения предаварийное, если

F_изм > К2,                                                                              (2.3)

где F_изм - измеренное (вычисленное по измеренным) значение диагностического показателя;

Kl, K2 - числа (критерии), достижение которых хотя бы одним диагностическим показателем будет означать переход из одного состояния в другое,

Кроме процедуры сравнения измеренных (вычисленных) показателей с их критериальными значениями, диагностический контроль включает сравнение измеренного диагностического показателя с прогнозируемым его значением. То есть кроме проверки выполнения (или не выполнения) условий (2.1) - (2.3), следует контролировать попадание диагностического показателя в доверительный интервал, прогнозируемый для реально действующих на момент проверки нагрузок:

F_прог - δ ≤ F_изм ≤ F_прог + δ,                                                    (2.4)

где F_изм - измеренное (вычисленное по измеренному) значение диагностического показателя;

F_прог - значение диагностического показателя, прогнозируемого для реальных нагрузок и воздействий детерминистической или статистической прогнозной моделью;

δ - допускаемая погрешность прогнозной модели.

Примечание - Обе проверки - сравнение с критериями (2.1) - (2.3) и критерием (2.4), меняющимся в зависимости от реальных нагрузок и воздействий, - должны быть обязательными. Они являются необходимыми и достаточными условиями безопасности. Действительно, при использовании лишь критерия (2.4), как это иногда предлагается, возможна ситуация, когда построена весьма точная прогнозная модель для диагностического показателя (например, для необратимого наклона плотины в нижний бьеф). Благодаря точности модели измеряемый показатель (наклон) будет попадать в прогнозируемый интервал. Однако может наступить момент, когда при «сбывающемся» прогнозе плотина наклонится настолько, что потеряет устойчивость и опрокинется. От этого могут гарантировать только условия типа (2.1) - (2.3). Использование только критериев (2.1) - (2.3) также не может гарантировать безопасности. В этом случае возможна такая ситуация. Предположим, что угол наклона верховой грани плотины ограничен из условия устойчивости на опрокидывание: К2 = φ = 1^º (примем, что при УМО φ = 0). Такой угол поворота можно допустить только при экстремальных воздействиях (например, при нагрузках и воздействиях особого сочетания при УВБ, равном ФПУ). Предположим, что при диагностическом контроле измеренный угол составил φ_изм - 0,9°, т.е. условие (2.2) соблюдено: 0,9° < 1º, и формально состояние плотины будет оценено как нормальное. Однако не исключено, что φ_изм = 0,9º было замерено при УВБ более низком, чем ФПУ, например при половинном гидростатическом давлении верхнего бьефа. Очевидно, что при дальнейшем росте УВБ условие (2.2) может быть нарушено. При половинной нагрузке и линейно упругой работе сооружения ожидаемый угол должен быть не более половины градуса. Только наличие проверки (2.4) может гарантировать от ошибочной диагностики при использовании только критериев (2.1) - (2.3). Проверка (2.4) позволяет обнаружить отклонения от нормальной (прогнозируемой) работы до достижения нагрузками и воздействиями максимальных значений и заблаговременно принять меры по устранению возможных неисправностей,

«.2.6. Для сооружений четвертого класса, а также при специальном обосновании для сооружений третьего класса допускается устанавливать один уровень критериальных значений К2».

Наличие первого (предупреждающего) уровня критериальных значений диагностических показателей обеспечивает повышение уровня безопасности сооружений, т.к. дает возможность своевременного осуществления мероприятий по предотвращению аварий. Однако реализация двухуровневой системы критериев безопасности требует более высокой квалификации эксплуатационного персонала, что, как правило, не обеспечивается на сооружениях.

«2.7. Количественные значения К1 и К2 диагностических показателей следует устанавливать на основе расчетов и оценок реакции сооружения при основном и особом сочетании нагрузок, соответственно. Состав нагрузок в сочетаниях и способ их определения должны быть установлены для конкретного сооружения нормативными докумен­тами и проектом и уточнены на стадии эксплуатации с учетом изменений в требованиях нормативных документов».

Данным пунктом определен лишь способ назначения критериальных значений К1 и К2. События, соответствующие особому сочетанию воздействий, более редки и применительно к ним нормами допускаются некоторые нарушения условий нормальной эксплуатации сооружений. Как правило, реакция сооружения на действие нагрузок особого сочетания более значительна и, соответственно, значения К2 являются определяющими по сравнению с К1. Однако применительно к конкретному сооружению возможны ситуации (в том числе из-за различных сочетаний нормативных коэффициентов надежности, используемых в расчетах на основное и особое сочетание воздействий), когда К1 оказывается определяющим по сравнению К2. В этих случаях следует в качестве К2 принимать более опасное для сооружения значение диагностического показателя.

«2.9. В период эксплуатации для корректировки состава и критериальных значений К1 и К2 диагностических показателей следует использовать, кроме результатов расчетов, данные натурных наблюдений за весь период строительства и эксплуатации, а также результаты анализа опыта эксплуатации данного ГТС и аналогичных по конструкции и условиям эксплуатации сооружений. В целях прогноза изменения показателей и возможно более точной их корректировки статистическими и детерминистическими методами должна быть разработана математическая модель сооружения».

Основным способом назначения критериальных значений К1 и К2, в соответствии с данной «Методикой», является расчетное определение реакции сооружения в заданных для контроля точках сооружения. При наличии достаточно представительного ряда натурных наблюдений эти данные используются как для корректировки результатов расчета, так и для построения статистических моделей. В случае ограниченного объема данных натурных наблюдений на конкретном сооружении, для построения статистических моделей могут при соответствующем обосновании дополнительно привлекаться результаты наблюдений на сооружениях-аналогах.

«2.11. Измеряемый (вычисляемый по результатам измерений) контролируемый показатель, выбранный в качестве диагностического показателя, должен отвечать следующим условиям;

диапазон изменения значений показа теля при нормальном эксплуатационном состоянии должен в несколько раз превосходить погрешность измерительной системы;

диагностический показатель должен поддаваться прогнозу с помощью детерминистических или статистических прогнозных моделей».

При выборе диагностических показателей из всей имеющейся совокупности контролируемых показателей рекомендуется, чтобы диагностические показатели обладали следующими свойствами:

диагностический показатель должен быть достаточно «чутким» к изменению внешних воздействий на сооружение (например, если контролируемый показатель «не реагирует» на изменение УВБ и температур окружающей среды, то вряд ли он пригоден в качестве диагностического);

в диапазоне изменения внешних воздействий при нормальной эксплуатации сооружения (например, при изменении УВБ от УМО до НПУ} амплитуда (размах) изменения показателя, выбранного в качестве диагностического, должен в несколько раз превосходить погрешность измерения (вычисления) этого показателя; в противном случае замер будет соизмерим с погрешностью, и диагностика будет недостоверной;

состав диагностических показателей должен быть, по возможности, полным, таким, чтобы контролировать все возможные сценарии повреждений и отказов;

во избежание ложной тревоги желательно, чтобы один и тот же диагностический показатель измерялся не одним, а двумя независимыми измерительными преобразователями.

«2.13. Наряду с оценкой безопасности на основе сравнения измеренных значений диагностических показателей с их критериальными и прогнозируемыми значениями, оценка безопасности ГТС включает оценку уровня риска аварии. Для этой цели должна быть построена иерархическая система факторов безопасности и выполнена оценка уровня риска аварии в детерминистической и (или) вероятностной форме (приложение З). Как правило, оценка уровня риска аварии должна выполняться при составлении дек­ларации безопасности ГТС».

Диагностика состояния эксплуатируемого ГТС на основе сопоставления диагностических показателей состояния с их критериальными значениями - это наиболее распространенный в нашей стране метод диагностики. Однако более обоснованное суждение о состоянии ГТС может быть составлено на основе привлечения всего комплекса имеющейся информации. Комплексная оценка состояния ГТС может быть выполнена в форме оценки уровня риска аварии в детерминистической и (или) вероятностной постановке. Выбор количественного показателя, определяющего уровень риска аварии ГТС, а также вычисление выбранного показателя для конкретного сооружения являются сложными зада­чами, не получившими общепринятого однозначного решения. Имеется ряд предложений по вычислению уровня риска аварии ГТС, два из которых рекомендованы в приложение З «Методики» [1].

Первый из рекомендованных способов дает экспертную оценку уровня безопасности ГТС в безразмерной (балльной) шкале. Для каждого сценария возможной аварии определяется перечень действующих факторов безопасности, эти факторы ранжируются по значимости, экспертным путем определяется значение каждого фактора и по определенному правилу (формуле) строится общая балльная оценка уровня безопасности ГТС.

Детальный комплексный анализ всей доступной информации о состоянии ГТС практически всегда возможен (и должен быть выполнен) при диагностике «нормального» и «потенциально опасного» состояния, т.е. в тех случаях, когда еще имеется (в отличие от случая диагностики «предаварийного состояния») запас времени для такого анализа, принятия и реализации технических и организационных мероприятий по предотвращению аварии,

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

«3.1. Проектное обоснование прочности и устойчивости ГТС и их оснований должно быть выполнено из условия недопущения предельных состояний» [5]:

                                                                           (3.1)

В (3.1) обозначено:

γ_n - коэффициент надежности по ответственности (назначению) сооружения;

γ_1c - коэффициент сочетаний нагрузок;

F - расчетное значение обобщенного силового воздействия;

R - расчетное значение обобщенной несущей способности.

«3.2. На стадии проекта состав и критериальные значения диагностических показателей К1 и К2 следует определять на основе анализа результатов расчетов и экспериментальных исследований фильтрационного, гидравлического и температурного режимов, напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости ГТС на основное и особое сочетания нагрузок (приложение 4), а также анализа прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик материала».

Основными причинами аварий на ГТС являются:

нарушение механической прочности сооружений напорного фронта или их оснований;

превышение допустимых величин деформаций;

нарушение фильтрационной прочности;

потеря устойчивости;

недостаточная пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений.

В соответствии с действующими нормами при проектировании рассматриваются две группы сочетаний нагрузок и воздействий: основные, особые отдельно для строительного и эксплуатационного периодов. Рекомендуемый перечень нагрузок и воздействий и образуемых ими сочетаний приведен в соответствующих нормах для расчетного и ремонтного случаев, «Основные сочетания включают постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки и воздействия. Особые сочетания включают постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки и воздействия и одну (одно) из особых нагрузок и воздействий» (п. 5.2 СНиПа [5]). К особым относятся нагрузки и воздействия более редкой повторяемости.

Возможным, но недопустимым состоянием ГТС является аварийное состояние. Недопустимость аварийного состояния при проектировании обеспечивается системой расчлененных коэффициентов надежности. Система этих коэффициентов осуществляет переход от нормативных нагрузок и физико-механических свойств материалов к расчетным нагрузкам и свойствам материалов. Таким образом, в проектных расчетах фигурируют не нормативные, а несколько завышенные (расчетные) нагрузки и несколько заниженные (расчетные) значения несущей способности. Под нормативными здесь понимаются нагрузки и физико-механические параметры материалов, полученные путем статистической обработки данных лабораторных или натурных испытаний.

Левая часть неравенства 3.1, представляющая значение обобщенной несущей способности, представляет собой систему критериальных значений К1 и К2 воздействий на сооружение в виде гидростатической нагрузки, температуры, противодавления, пьезометрических уровней и т.д. Правая часть этого неравенства представляет собой реакцию сооружения на эти воздействия (напряжения в бетоне, контактные напряжения, вертикальные (осадки) и горизонтальные перемещения, фильтрационные расходы и др.). Критериальные значения К1 и К2 одного и того же показателя могут быть неодинаковыми для разных зон сооружения. При этом максимальные значения их не должны превышать расчетных значений сопротивления материала сооружения с учетом коэффициентов условий работы и надежности. Так, например, максимальные критериальные значения сжимающих напряжений в бетоне определяются по формуле

 и т.д.,

где R_в - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию;

γ_n - коэффициент надежности.

«3.5. Для сооружений, измеренные значения диагностических показателей которых оказались значительно ниже расчетных значений, определенных на стадии проекта, и в случае отсутствия результатов уточненных расчетов эксплуатируемого сооружения критериальные значения показателей следует принимать по прогнозным статистическим моделям. При этом указанные статистические модели следует применять, как правило, в пределах диапазона нагрузок и воздействий, испытанных сооружением в процессе эксплуатации».

Указания данного пункта «Методики» особенно актуальны для сооружений, построенных со значительными запасами по отношению к тем воздействиям, которые реально действуют в период эксплуатации (сооружения, возведенные не на полную высоту и эксплуатируемые в таком состоянии; сооружения, запроектированные применительно к особым условиям, в т.ч. применительно к специальным воздействиям и др.).

В этих случаях прогнозные статистические модели следует применять, прежде всего, для назначения критериальных значений К1. Для назначения К2 следует, как правило, применять детерминистические расчетные модели.

«3.6. В случае превышения одним или несколькими диагностическими показателями критериального значения К1, определенного на стадии проекта и уточненного расчетом на стадии эксплуатации (а также в случае отсутствия указанных уточненных расчетных данных), допускается на период проведения мероприятий, которые предусмотрены п. 7.2 «Методики», осуществлять прогноз поведения ГТС на основе статистических моделей».

Формулировка «допускается на период проведения мероприятий ... осуществлять прогноз поведения ГТС на основе статистических моделей» связана с тем, что во многих случаях превышение уровня К1 может быть вызвано действием нагрузок, ранее не испытанных сооружением. При этом реакция на действие указанных нагрузок недостаточно точно может быть отражена статистической моделью.

С другой стороны, превышение уровня К1 в ряде случаев (в том числе применительно к «смелым» проектным решениям) сопровождается необратимыми процессами в теле сооружения и его основании, которые не всегда точно могут быть описаны современными методами расчета ГТС (детерминистические методы расчета). В этом случае также могут быть полезны статистические модели.

«3.7. Диагностику «потенциально опасного» и тем более «предаварийного» эксплуатационного состояния ГТС следует осуществлять на комплексной основе, с привлечением измерений всех диагностических показателей, в особенности таких, как параметры фильтрационного режима (расходы, величины противодавления, положение поверхности депрессии, градиенты напора) и характеристики трещинообразования в бетонных плотинах, а также с привлечением статистических прогнозных моделей и качественных диагностических показателей)).

В данном случае речь идет об уточнении диагностики состояния сооружения, осуществляемом после принятия решений по предотвращению возможной аварии.

4. РАЗРАБОТКА ПРОГНОЗНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

«4.1. Для целей диагностики, прогноза состояния и определения эксплуатационных ситуаций следует использовать три типа математических моделей:

статистические;

детерминистические;

смешанные».

«4.4. Модель следует передать эксплуатирующей организации в виде формулы для вычисления F_прог, либо в виде таблиц, графиков или компьютерных программ, с помощью которых по текущим значениям аргументов вычисляется величина F_прог и ее погрешность».

В период нормальной эксплуатации нагрузки и воздействия на ГТС меняются во времени (изменяется УВБ, температура окружающей среды и т.д.). При использовании (3.1) диагностические показатели определяются из детерминистических расчетов не на реальные переменные во времени нагрузки, а на условные, гипотетические сочетания нагрузок, при которых к сооружению приложены постоянные нагрузки, увеличенные за счет умножения на коэффициенты перегрузки. Сравнение измеренных в процессе натурных наблюдений диагностических показателей с критериальными значениями не может дать информации о близости измеренных и ожидаемых (прогнозируемых) значений диагностических показателей в силу различия нагрузок и воздействий, при которых измерялись и вычислялись соответствующие диагностические показатели. Эта информация дает сравнение измеренных значений диагностических показателей с их прогнозируемыми значениями,

«4.6. Детерминистическая (расчетная) модель, разработанная на стадии проекта, может использоваться на стадии начальной эксплуатации для прогноза при текущих, реальных на момент проверки нагрузках и воздействиях на сооружение. С этой целью следует выполнить расчеты не только на экстремальные, но и на промежуточные нагрузки и воздействия при реальных (определенных на стадии возведения сооружения) характеристиках материалов сооружения и основания».

В целях раннего обнаружения отклонений от проектной работы оценка эксплуатационного состояния ГТС, наряду со сравнением диагностических показателей с критериальными значениями, предусматривает сравнение измеренных диагностических показателей с прогнозируемым интервалом их изменения (см. п. 2.5 «Методики»). Проверяется выполнение неравенства (2.4). На стадии проектирования прогнозируемые значения диагностических показателей определяются из расчетов в рамках проектных расчетных моделей на текущие («реальные») нагрузки и воздействия.

В целях повышения достоверности диагностического контроля и раннего обнаружения отклонений работы сооружений от проектных предположений рекомендуется:

наряду с проектными расчетами на основные и особые сочетания нагрузок, выполнить несколько расчетов на действие «промежуточных» нагрузок и воздействий и представить результаты в табличной форме или в виде графиков; под промежуточными понимаются некоторые характерные нагрузки, интенсивность которых лежит в интервале изменения нагрузок в период нормальной эксплуатации сооружений;

таблицы (графики) с данными расчетов на «промежуточные» нагрузки включать в «Декларацию безопасности» в качестве прогнозной модели; прогнозируемые значения диагностических показателей для текущих (имеющих место на момент контроля) нагрузок следует определять с помощью интерполяции данных таблиц.

Для сооружений I и II классов рекомендуется иметь постоянно действующую детерминистическую расчетную модель, позволяющую в день проверки состояния сооружения выполнить расчет на нагрузки и воздействия, действовавшие на момент проведения измерений. Постоянно действующая математическая модель подготавливается генеральным проектировщиком и передается службе эксплуатации для использования при оперативном контроле состояния сооружений.

При постоянных нагрузках на ГТС естественным прогнозом будет стабильность (неизменность) значений диагностических показателей во времени. Поэтому для ГТС, которые эксплуатируются под действием нагрузок, мало меняющихся во времени (например, при постоянном УВБ), прогнозная модель очевидна и не требует построения: неизменность показаний КИА во времени с точностью до погрешности измерений.

«4.9. Для оценки погрешности детерминистической модели следует выполнить серию (или несколько серий) расчетов при одинаковых воздействиях, варьируя параметры модели в диапазоне их возможного изменения (а также густоту и конфигурацию сетки в случае применения метода конечных элементов)»,

В двустороннее неравенство (2.4) входят не только измеренные и прогнозируемые значения диагностических показателей, но и погрешность прогнозной модели δ (а также в неявной форме погрешности измерения и вычисления диагностического показателя). Строгое вычисление погрешности δ не представляется возможным. Возможна лишь приближенная оценка точности прогнозной модели путем внесения в нее разумных вариаций (возмущений). Например, расчет напряжений и перемещений производился при некотором фиксированном модуле деформации основания Е_о; пусть погрешность определения Е_о известна и составляет величину ∆Е; выполнив расчеты при модулях Е₀ ± ∆Е, можно оценить погрешность прогнозной модели по модулю деформации основания, При использовании современных конечно-элементных моделей расчет выполняется на сетке элементов фиксированной густоты и конфигурации. Известно, что приближенное конечно-элементное решение стремится к точному решению задачи при стремлении шага сетки элементов к нулю. Поэтому оценить точность численного конечно-элементного решения можно, изменив конфигурацию или сгустив сетку конечных элементов.

Процедура назначения и уточнения критериев безопасности включает следующие этапы:

На стадии разработки проекта:

1. Разработка конструктивных решений ГТС и их обоснование расчетами по первому и второму предельным состояниям. Определение в проекте состава диагностических показателей состояния ГТС. Определение для принятых диагностических показателей значений К1 и К2 [1, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].

2. Выполнение поверочных детерминистических расчетов ГТС при основном и особом сочетаниях нагрузок и воздействий. Выбор расчетной модели, методик расчетов, а также назначение расчетных случаев должны осуществляться с учетом сценариев возможных аварий на ГТС. По результатам расчетов определяется реакция сооружения в контролируемых точках и на этой основе уточняются значения К1 и К2 для диагностических показателей состояния ГТС.

На стадии эксплуатации:

3 Корректировка детерминистических расчетных моделей сооружения на основе данных натурных наблюдений в период эксплуатации (уточнение сценариев аварий и соответствующих им сочетаний воздействий и нагрузок, «калибровка» математических моделей, проведение поверенных расчетов, уточнение К1 и К2 по результатам расчетов на основное и особое сочетание воздействий, также уточненных в процессе эксплуатации).

4. Обработка данных натурных инструментальных наблюдений и построение статистических моделей. Определение на основе применения статистических моделей значений К1 и, в случае необходимости (при отсутствии или несовершенстве соответствующих выбранным сценариям детерминированных методов расчета) значений К2. Определение доверительного интервала, в котором должны находиться значения диагностических показателей при нагрузках, меньших нагрузок основного сочетания.

5. Назначение состава и определение значений качественных диагностических показателей состояния ГТС.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

(Приложения А - М)

Приложение А
ОСАДКИ БЕТОННЫХ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

1. За критериальные значения осадок (К1) сооружений на нескальных основаниях при среднем давлении под подошвой сооружений, меньше расчетного сопротивления грунта основания, на стадии проекта принимаются значения осадок, полученные расчетом (например, методом послойного суммирования в пределах сжимаемого слоя в соответствии со СНиП 2.02.02-85). При среднем давлении под подошвой сооружения, большем расчетного сопротивления грунта основания, критериальные значения осадок (К1) на стадии проекта принимают равными расчетным значениям, определенным численными методами, учитывающими упругопластический характер деформирования грунтов, пространственное напряженное состояние, последовательность возведения сооружения в соответствии со СНиП 2.02.02-85.

2. Изменение осадок сооружений во время строительства зависит от ряда производственных факторов и трудно поддается прогнозу. В условиях нормальной эксплуатации изменение осадок во времени определяются по прогнозным моделям, основанным на статической обработке данных натурных наблюдений. Прогноз изменения осадок в период эксплуатации на любой момент времени выполняется в соответствии с рекомендациями [12].

3. Критериальные значения (К1) осадок определяются для секций сооружения, отличающихся величинами нагрузок на основание или инженерно-геологическими свойствами основания и оснащенных средствами измерения осадок.

4. В случаях, когда осадка сооружения, особенно равномерная по длине сооружения, не вызывает каких-либо опасений за безопасность сооружений, основное внимание уделяется контролю изменений интенсивности осадок во времени с целью обнаружения возможного развития непредвиденных неблагоприятных процессов в основании (изменение физико-механических характеристик грунта, химическая или механическая суффозия и т.п.).

5. Прогнозные модели, основанные на данных натурных наблюдений, позволяют оценить состояние сооружения как потенциально опасное состояние, когда в течение длительного периода наблюдений интенсивность осадок не уменьшается, и как предаварийное, когда наблюдается увеличение интенсивности осадок во времени.

Приложение Б
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРЕБНЯ ВЫСОКИХ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

1. Горизонтальные перемещения гребня бетонных гравитационных, контрфорсных и арочных плотин на скальном основании, а также железобетонных плотин на нескальном основании являются одним из важнейших показателей прочности и устойчивости плотин, поскольку они характеризуют статическую работу сооружений и оснований в целом.

2. Горизонтальные перемещения гребня бетонной плотины на скальном и нескальном основаниях в эксплуатационный период обусловлены:

воздействием гидростатического давления на плотину;

температурными изменениями в теле плотины, зависящими от изменения температуры внешней среды (воздух, вода);

неупругими деформациями скального или нескального основания и материала плотины.

3. В качестве первого приближения за критериальные значения (К1) горизонтального перемещения гребня плотины принимается величина, полученная расчетом на основное сочетание нагрузок методами строительной механики, теории упругости, пластичности при принятых в проекте физико-механических характеристиках плотины и основания.

За критериальное значение (К2) горизонтального перемещения гребня плотины принимается величина, полученная расчетом на особое сочетание нагрузок методами строительной механики, теории упругости, пластичности при принятых в проекте физико-механических характеристиках плотины и основания.

Критериальные значения (К1, К2) горизонтальных перемещений гребня плотины должны быть уточнены в процессе эксплуатации плотины на основе контрольных расчетов с учетом фактических физико-механических характеристик бетона плотины и основания, а также выявленных закономерностей работы реального сооружения.

5 Для уточнения критериальных значений [К1, К2) горизонтальных перемещений гребня бетонных плотин используют статистический метод с целью установления эмпирической зависимости горизонтальных перемещений от уровня воды в водохранилище (НПУ для К1 и ФПУ для К2), температуры внешней среды (t) и времени (T) в соответствии с [13].

u = f [H (t), t (T); Т],                                                             (Б.1)

где u - горизонтальные перемещения гребня плотины;

H - уровень верхнего бьефа;

t - температура;

Т - время.

6. За уточненные критериальные значения (Kl, K2) горизонтальных перемещений принимаются величины их прогнозируемых экстремальных значений, вычисленные по методике [13], в предположении, что максимальные и минимальные перемещения от действия воды водохранилища совпадают по фазе с максимальными и минимальными перемещениями от температурных воздействий.

7. Измеренные перемещения гребня плотины во всех случаях не должны превышать критериальных значений (К1, К2). Превышение измеренных над прогнозируемыми перемещениями будет свидетельствовать о появлении аномалии в работе сооружения, и сеятояние сооружения при этом оценивается как потенциально опасное (если превышено значение К1) и как предаварийное (если превышено значение К2).

Приложение В
НАПРЯЖЕНИЯ В БЕТОНЕ

1. За критериальные значения (К1 и К2) напряжений в бетоне в контролируемых точках плотины на стадии проекта принимаются величины напряжений, полученные расчетом на основное (К1) или особое сочетание нагрузок (К2) или испытанием моделей. Величины напряжений в бетоне плотин III и IV классов определяются методами строительной механики, плотин I и II классов методами теории упругости по схемам плоской или объемной задачи в соответствии со СНиПами 2.06.06-85, 2.06.08-87 [6, 9].

2. В эксплуатационный период критериальные значения (К1) напряжений в бетоне должны быть уточнены по результатам поверочных расчетов с учетом фактических физико-механических характеристик бетона плотины. Для уточнения критериальных значений напряжений в бетоне рекомендуется использовать прогнозные математические модели.

3. Для максимально нагруженных зон бетонных плотин, прочность сечений которых определяется сопротивлением бетона сжатию, за критериальное значение К1 напряжения в бетоне принимается расчетное сопротивление бетона сжатию для предельных состояний первой группы с учетом коэффициентов условий работы и коэффициента надежности; а за критериальное значение К2 напряжений бетона в этих зонах плотины принимается равным 0,9 R_и, где 0,9 R_и - расчетное сопротивление бетона сжатию для предельных состояний первой группы.

4. Для бетонных плотин, прочность сечений которых определяется сопротивлением бетона растяжению и по условиям эксплуатации в бетоне не допускаются трещины, за критериальные значения К1 напряжения в бетоне принимаются расчетные сопротивления бетона на растяжение для предельных состояний первой группы с учетом коэффициентов условий работы и коэффициента надежности по ответственности (назначению) сооружения [6], а за критериальные значения К1 напряжения в бетоне принимаются равным 0,9 R_bt, где R_bt - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению для предельных состояний первой группы [6].

Приложение Г
НАПРЯЖЕНИЯ В АРМАТУРЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СООРУЖЕНИЙ

1. Для максимально нагруженных зон железобетонных конструкций, прочность сечения которых определяется сопротивлением арматуры растяжению и не вводится требование ограничения раскрытия трещин, за критериальное значение К1 напряжения в арматуре принимается расчетное сопротивление арматуры растяжению для предельных состояний первой группы с учетом коэффициентов условий работы и коэффициента надежности, а за критериальные значения К2 напряжений в арматуре в этих зонах железобетонных конструкций принимается равным 0,9 R_s, где 0,9 R_s - расчетное сопротивление растяжению для предельных состояний первой и второй групп.

2. Для железобетонных конструкций, прочность сечения которых определяется по растянутой арматуре, а ширина раскрытия трещин ограничена, за критериальные значения К1 напряжений в арматуре принимаются напряжения в арматуре, вычисленные по СНиП 2.06.08-87 [9]], исходя из предельно допустимой ширины раскрытия трещин.

3. В эксплуатационный период критериальные значения (К1) напряжений в арматуре должны быть уточнены по результатам поверочных расчетов с учетом фактических физико-механических характеристик бетона, арматуры, процента армирования и действующих нагрузок. При нормальной работе железобетонной конструкции напряжения в арматуре должны быть стабильны. Интенсивность и характер изменения напряжений в годовом цикле измерений (выполняемых в определенное время года и одинаковых нагрузках) должны быть одинаковыми.

Приложение Д
ПОЛОЖЕНИЕ ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ В ОСНОВАНИИ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

1. Для определения значений противодавления на подошву бетонных плотин для оценки их устойчивости методом ЭГДА или расчетами определяется положение пьезометрических уровней при основном (УВБ - НПУ) и особом сочетании нагрузок (УВБ = ФПУ) и при нарушении одного из противофильтрационных или дренажных устройств в соответствии со СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования [5].

2. За критериальные значения К\ и К2 положения пьезометрических уровней в основании бетонных плотин на стадии проекта принимаются значения пьезометрических уровней, полученные расчетом или методом ЭГДА на основное (К1 или особое сочетание нагрузок (К2) (рис. Д.1).

К1 - при основном сочетании нагрузок;

К2 - при особом сочетании нагрузок при нарушении монолитности понура

Рис. Д.1. Положение пьезометрических уровней в основании водосливной бетонной плотины

3. Для периода нормальной эксплуатации изменения положения пьезометрических уровней во времени, отражающие их критериальные значения, определяются по прогнозным регрессионным моделям, основанным на статистической обработке данных натурных наблюдений.

Критериальные значения положения пьезометрических уровней (К1) принимаются равными прогнозируемым по регрессионной модели при доверительном интервале, равным (2σ), а критериальные значения положения пьезометрических уровней (К2) - равным прогнозируемым по регрессионной модели при доверительном интервале, равным (3σ).

4. В качестве диагностических показателей положения пьезометрических уровней в основании бетонной плотины с понуром рекомендуется принимать значения пьезометрических уровней в конце понура, для контроля работоспособности верхового зуба и дренажа - пьезометрических уровней перед низовым зубом бетонной плотины.

Приложение Е
ОСАДКИ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

При назначении критериев осадки плотины используется основная закономерность геомеханики по уплотнению грунтов под действием нагрузки.

При нормальной работе грунтовой плотины ход ее осадки должен носить плавный затухающий характер. При этом интенсивность приращения осадки с каждым годом или циклом измерений (выполняемым в определенное время года и при одинаковых условиях) должна уменьшаться, стремясь к нулю. Фактическая (измеренная) осадка в любой момент времени t не должна превышать расчетных значений для основного и особого сочетания нагрузок (если расчетная модель близка к реальной) и выходить за пределы доверительного интервала:

S_расч(t) - ∆S ≤ S_нат (t) ≤ S_расч (t) + ∆S,                             (E.1)

где S_нат(t) и S_расч(t) - значения измеренной и расчетной осадок плотины за равный промежуток времени t\

∆S - погрешность определения осадки.

Исходя из этого, за критерий К1 осадки плотины в общем случае рекомендуется принимать ее расчетное значение на верхней границе доверительного интервала (при нисходящем графике хода осадки)

К1 (t) = S_расч (t) - ∆S,                                                            (E.2)

Как показывает практика, получение достоверных значений расчетных осадок плотин, учитывающих множество факторов строительного и пускового периодов и отвечающих данным натурных наблюдений, является сложной задачей. В этой связи более рациональным следует считать использование для назначения критериев осадки прогнозные модели, основанные на статистической обработке данных натурных наблюдений

S_прог (t) - ∆S ≤ S_нат (t) ≤ S_прог (t) + ∆S                                  (E.3)

где S_прог(t) - прогнозируемая осадка на момент времени t.

Прогнозируемые значения осадок определяются аппроксимацией и экстраполяцией натурных графиков хода осадки геодезических марок, установленных на плотине. Простейшая аппроксимирующая функция имеет вид

S(t) - t/(at + b),

где t - время;

a, b - эмпирические коэффициенты, определяемые, например, в результате статистической обработки данных предыдущих натурных измерений методом наименьших квадратов (рис. Е.1)

В этих случаях за К1 принимается

К1 (t) = S_прог (t) - ∆S                                                             (Е-4)

По мере получения новых данных натурных наблюдений рекомендуется выполнять корректировку прогнозных графиков хода осадок плотины и аппроксимирующих их функций.

Другим качественным критериальным признаком нормального состояния плотины по осадкам может служить неравенство вида

нормальное состояние U_s (t) > U_s (t₂) > U_s(t₃) > U_s(t₄) > ... > U_s t_n)) → 0.(E.5)

U_s(t₁), ... U_s(t_n) - натурные значения интенсивности приращения осадок плотины в первый, второй и последующие годы наблюдений (или циклы измерений).

Критериальными признаками потенциально опасного и предаварийного состояний сооружений можно считать условия, когда имеет место, соответственно, отсутствие затуха­ния осадок во времени и нарастание осадок во времени:

потенциально опасное состояние U_s (t₁)  U_s (t₂) = U_s (t₃) = ... = U_s (t_n)    (E.6)

предаварийное состояние U_s (t₁) < U_s (t₂) < U_s (t₃) < ... < U_s (t_n)                  (E.7)

При удовлетворении натурных значений интенсивности осадки плотины условиям (Е.6) проводится оперативный комплексный анализ поведения сооружения с привлечением других данных натурных наблюдений и принимаются меры по приведению сооружения в нормальное эксплуатационное состояние. При выполнении (Е.7) - принимаются оперативные меры по понижению УВБ.

Графики хода осадок на берме грунтовой плотины по натурным и прогнозируемым данным (пример)

Условные обозначения: - натурные данные;-  расчетные данные

Рис. E.1. S_i = t/(at+b) - вид аппроксимирующих функций

Приложение Ж
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ СМЕЩЕНИЯ ГРЕБНЯ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ

Назначение критериев базируется на данных систематических натурных наблюдений и на общих закономерностях изменения горизонтальных смещений гребня плотины в период эксплуатации под действием изменяющейся гидростатической нагрузки.

Установлено, что после 3-5 циклов повторяющейся годичной сработки и наполнения водохранилища (от НПУ до УМО и обратно) горизонтальные смещения гребня начинают изменяться квазиупруго. Для различных плотин число указанных циклов может отличаться. При этом к концу этого периода необратимые (остаточные) перемещения гребня плотины практически достигают своего максимума и их дальнейшие приращения близки к нулю.

Исходя из этой закономерности, состояние плотины считается нормальным, если выполняется неравенство вида

      (Ж.1)

где , и т.д. - натурные значения приращений необратимой (остаточной) составляющей горизонтальных смещений в контролируемых точках гребня плотины в первый и последующие циклы эксплуатации под напором;

t₁, t₂, ... t_n - циклы измерений в первый и последующий годы (n = 3 - 5 лет).

После перехода горизонтальных смещений гребня в квазиупругую стадию (после 3 -5 лет нормальной эксплуатации) условию нормальной работы может быть придан вид

           (Ж.2)

где  и т д. - натурные значения горизонтальных квазиупругих (обратимых) перемещений в контролируемых точках гребня в первый и последующий годы после затухания необратимых перемещений.

При незатухающем процессе изменения приращений необратимых (остаточных) горизонтальных смещений гребня плотины ее состояние следует оценивать как потенциально опасное, а при нарастающем во времени - как предаварийное.

Критерий К1, задающий границу между нормальным и потенциально опасным состояниями в i - ом году рекомендуется в виде условия:

где δ - погрешности измерения смещений.

В качестве критерия К2, задающего границу между потенциально опасным и предаварийным состояниями в i-ом году, может быть рекомендовано условие вида:

Таким образом, возможные состояния плотины по осадкам характеризуются соотношениями:

нормальное;

потенциально опасное

предаварийное

Приложение З
ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ В ГРУНТОВЫХ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПЛОТИНЫ (ЯДРО, ЭКРАН, ДИАФРАГМА)

Образование вертикальных поперечных и горизонтальных трещин в грунтовых противофильтрационных элементах плотин в зонах действия напора воды представляет реальную угрозу целостности сооружений. Трещины появляются вследствие возникновения чрезмерных для грунтов этих элементов растягивающих деформаций, проявляющихся как в период строительства, так и при эксплуатации плотины. В этой связи в качестве диагностического показателя трещинообразования рекомендуется использовать показатель относительной (вертикальной или горизонтальной) деформации растяжения ε_p грунтов противофильтрационных элементов, которая вычисляется по данным геодезических или телеметрических натурных измерений линейных взаимных перемещений точек ∆L_p, отстоящих друг от друга на расстоянии L_p:

ε_p = ∆L_p/L_p,

Для назначения критериев трещинообразования К1 и К2 используется предельный показатель относительной деформации растяжения  грунта, при которой происходит разрыв образца. Для каждого вида грунта показатель  устанавливается индивидуально соответствующими механическими испытаниями серии образцов [26].

В общем виде условие обеспечения трещиностойкости противофильтрационного элемента плотины выражается неравенством:

                                                             (З.1)

где ε_p.нат - относительная деформация растяжения грунта в против о фильтрационном

элементе плотины, полученная натурными измерениями;

 - предельная относительная деформация данного грунта на растяжение (разрыв),

полученная механическими испытаниями;

γ_n - нормативный коэффициент надежности по ответственности сооружения.

За предупреждающий критерий трещинообразования К1, задающий границу между нормальным и потенциально опасным состоянием противофильтрационного элемента плотины, принимается:

                                                                      (З.2)

За критерий безопасности К2, задающий границу между потенциально опасным и предаварийным состоянием с некоторым допущением рекомендуется принять величину:

                                                                       (З.3)

Таким образом, критериальные соотношения представляются в виде: нормальное состояние

                                                          (З.4)

потенциально опасное состояние

                                  (З.5)

предаварийное состояние

                                                          (З.6)

Для практического пользования результаты инструментального контроля за трещинообразованием в элементах плотины рекомендуется представлять в виде совокупности графиков ε_p.нат (М) - f(t), на которых заранее наносятся линии критериальных значений К1 и К2 (рис 3.1),

Рассмотренные выше критерии, основанные на контроле ε_p.нат, более приемлемы для контроля образования вертикальных поперечных трещин.

Однако в противофильтрационных элементах грунтовых плотин возможен иной механизм нарушения сплошности - выпор грунта фильтрационным потоком (если малы вертикальные сжимающие напряжения σ_γ).

В грунтовых плотинах может иметь место арочный эффект («зависание» противофильтрационного элемента на боковых призмах). Эффект «зависания» обусловлен рядом факторов главным из которых является разница деформационных свойств (модулей деформации) грунтов противофильтрационных устройств, переходных зон и боковых упорных призм. При этом как правило, происходит снижение вертикальных нормальных напряжений σ_γ в противофильтрационных элементах и концентрация напряжений в переходных или откосных зонах. Это снижение σ_γ может достигать в ряде случаев 60% и более, что, в свою очередь, может привести к образованию опасных прорывов воды и образованию в противофильтрационном элементе фильтрационных трещин гидравлического разрыва горизонтальной направленности. Чтобы исключить появление этих трещин рекомендуется условие трещиностойкости, связывающее между собой σ_γ и поровое давление воды на напорной грани.

пикеты

Эпюра продольных деформаций гребня плотины М_о, М_1, М₂ - марки на гребне плотины

Рис. 3.1. К установлению критериев трещинообразования в противофильтрационных элементах плотины

Для этой цели рекомендуется ввести коэффициент надежности грунта по образованию фильтрующих трещин  [4]:

                                                                       (З.7)

где с_p - коэффициент сцепления грунта противофильтрационного элемента, на разрыв;

σ_γ - измеренное в контролируемой точке грунта противофильтрационного элемента вертикальное напряжение;

р_в = γ_в∙h_в - давление фильтрующейся воды в контролируемой точке (расстояние по вертикали от контролируемой точки до поверхности депрессии).

При послойном уплотнении коэффициент сцепления близок к нулю. В этом случае зависимость (3.7) примет вид

                                              (З.8)

Для контроля трещиностойкости противофильтрационных элементов плотины по горизонтальным площадкам рекомендуется в качестве диагностического показателя принять измеренные вертикальные напряжения  а значения  назначать в соответствии со СНиП 2.06.05-84* по аналогии с коэффициентами устойчивости откосов для основного и особого сочетаний нагрузок в зависимости от класса сооружения. Критериальные значения о для любого произвольного сечения на глубине y_i от гребня плотины при основном и особом сочетаниях нагрузок будут, соответственно равны

                                                       (З.9)

                                                    (З.10)

Критериальные соотношения будут иметь вид:

нормальное состояние

                                           (З.11)

потенциально опасное состояние

                            (З.12)

предаварийное состояние

                                          (З.13)

где - натурные нормальные напряжения сжатия.

Приложение И
ПОЛОЖЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕПРЕССИИ

Процедура назначения критериальных положений поверхности депрессии осуществляется в следующей последовательности [1]:

а) для характерных поперечников плотины, оснащенных пьезометрами, производится расчет положений кривой депрессии при основном (УВБ - НПУ) и особом (УВБ = ФПУ) сочетаниях нагрузок; калибровкой расчетной модели (при необходимости) результаты расчета сближаются с результатами натурных наблюдений;

б) для обеих расчетных поверхностей депрессии проверяется выполнение критериальных ограничений:

недопущение выхода фильтрационного потока на низовой откос выше дренажа;

заглубление поверхностей депрессии от поверхности низового откоса на глубину h_з, не меньшую глубины сезонного промерзания грунта h_пр в районе расположения плотины;

в) поверочными расчетами проверяется соответствие коэффициентов запаса устойчивости низового откоса плотины критериям устойчивости для основного и особого сочетаний нагрузок.

При удовлетворении критериям устойчивости низового откоса расчетные поверхности депрессии принимаются в качестве критериальных (рис. И.1).

Примечания

1.При неудовлетворении критериям устойчивости низового откоса и отсутствии технических
возможностей для понижения установленных критериальных поверхностей депрессии состояние плотины не может считаться нормальным. В этом случае необходимо выполнение инженерных мероприятий по повышению коэффициента запаса устойчивости откоса до нормативного.

2.Если при УВБ = НПУ или УВБ = ФПУ отметки натурных поверхностей депрессии превышают расчетные, то:

при выполнении критериальных условий п. б) в качестве поверхностей, по которым назначаются критерии К1, К2, следует принимать натурные поверхности депрессии при УВБ, равном НПУ и ФПУ, соответственно;

если критериальные условия п. б} нарушены, то состояние плотины может быть потенциально опасным или предаварийным и необходимо выполнение инженерных мероприятий по снижению кривой депрессии,

В качестве диагностических показателей К1, К2, контролирующих положение поверхности депрессии, принимаются измеряемые уровни воды в пьезометрах Р_изм , установленных в теле плотины. Критериальным значениям К1 соответствуют пьезометрические уровни поверхности депрессии при основном сочетании нагрузок (при УВБ = НПУ). Критериальным значениям К2 соответствуют пьезометрические уровни поверхности депрессии при особом сочетании нагрузок  (при УВБ = ФПУ), Критериальные значения К1, К2 назначаются, как правило, индивидуально для каждого пьезометра (или группы пьезометров} в соответствии с координатами их расположения в контролируемом створе(ах) тела плотины:

                                                                   (И.1)

                                                                 (И.2)

При оценке состояния плотины по положениям кривой депрессии должны быть выдержаны критериальные соотношения для всех пьезометров;

нормальное состояние

P_изм (х_i) ≤ P(x_i) = K1(x_i);                                                       (И.3)

потенциально опасное состояние

                                                       (И.4)

предаварийное состояние

                                              (И.5)

Для удобства пользования численные значения K1(x_i) и К2(х_i) выражаются в абсолютных отметках пьезометрических уровней соответствующих поверхностей депрессии. Отметки критериальных уровней К1(х_i) и К2(х_i) для каждого пьезометра считываются с поверхностей депрессии для основного и особого сочетаний в точках их пересечения с линиями равных напоров (эквипотенциалями), проходящих через водоприемники контрольных пьезометров. Для этих целей рекомендуется построение фильтрационной гидродинамической сетки (рис. И.2).

Условные обозначения:

1 - критериальная поверхность депрессии при НПУ= 199,0 м;

2 - критериальная поверхность депрессии при ФПУ = 199,90 м

Рис. И.1. Критериальные положения поверхностей депрессии в теле плотины (ПК 7+50)

Рис. И.2. К установлению критериальных значений уровней К1 и K2 в пьезометрах

Приложение К
ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ТЕЛА ПЛОТИНЫ И ОСНОВАНИЯ

В соответствии со СНиП 2.06.05-84* и СНиП 2.02.02-85 фильтрационная прочность основания оценивается по действующим средним градиентам напора в контролируемых областях фильтрации. Критерием обеспечения местной фильтрационной прочности является условие:

                                                 (K.1)

где I_ср.нат , I_доп , I_cr.m - соответственно, натурный, допустимый и критический градиенты

напора в контролируемой области фильтрации;

γ_n - коэффициент надежности по ответственности сооружения.

За критерии К1 фильтрационной прочности грунтов плотины и основания принимаются значения нормативных допустимых для этих грунтов градиентов напора:

                                                              (K.2)

По условию исключения достижения действующих в сооружении градиентов напора их критических значений в качестве критерия К2 с некоторым допущением рекомендуется принимать величины, равные 0,9 _{cr m}, т.е.:

K2 = 0,9 I_cr.m.                                                                         (K.3)

Критериальные неравенства, характеризующие состояние сооружения по показателям фильтрационной прочности, имеют вид:

нормальное состояние

I_ср.нат ≤ I_доп = K1                                                                    (K.4)

потенциально опасное состояние

К1 = I_доп <I_ср.нат < 0,9 I_cr.m = К2                                             (К.5)

предаварийное состояние

I_ср.нат > 0,9 I_cr.m = K2.                                                             (K.6)

Натурные значения средних градиентов напора (I_ср.нат) во всех контролируемых областях фильтрации тела и основания плотины вычисляются по показаниям парных пьезометров, расположенных в этих областях последовательно на линиях тока или по гидродинамическим сеткам фильтрации, построенным по пьезометрическим наблюдениям в условиях действия на плотину максимального напора.

Изо всех локальных областей фильтрации тела плотины и основания должны быть выбраны те, в которых грунты менее устойчивы к суффозии и, где градиенты напора имеют (или могут иметь) максимальные значения, В качестве таких областей следует рассматривать:

прослойки неустойчивых к суффозии грунтов в основании;

зоны контактного сопряжения мелкозернистых или связных грунтов с прослойками из крупнозернистого грунта;

области разгрузки фильтрационного потока тела плотины в дренаж;

области разгрузки фильтрационного потока из основания на дневную поверхность,

области высачивания фильтрационного потока на поверхность низового откоса;

зоны сопряжения тела грунтовой плотины с встроенными бетонными сооружениями;

области обтекания фильтрационным потоком «острия» сопрягающих шпунтов и зубьев противофильтрационного контура в основании и др.

С учетом требований СНиП 2.06.05-84*, СНиП 2.02.02-85 и [2] для различных классов плотин и для различных типов грунтов тела плотины и основания в качестве критериев К1 и К2 могут приниматься значения средних градиентов напора, обеспечивающих их фильтрационную прочность.

Приложение Л
ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСХОДЫ

В общем случае при нормальном установившемся режиме работы плотины и основания измеренные фильтрационные расходы во всем диапазоне изменения напора на сооружение должны отвечать условию:

Q_р(Н_i) - ∆Q ≤ Q_нат (H_i) ≤ Q_р + ∆Q,                                       (Л.1)

где Q_нат (Н_i) и Q_p (Н_i) - натурные и расчетные расходы фильтрации при напоре H_i;

∆Q - погрешность измерения расходов в доверительном интервале.

В качестве критерия К1 максимальных фильтрационных расходов через тело плотины и основание принимаются их расчетные значения, отвечающие верхней границе доверительного интервала, полученные при УВБ = НПУ (основное сочетание) при уточненных в процессе эксплуатации значениях коэффициентов фильтрации грунтов () и нормативных допустимых средних значениях градиентов напора в области фильтрации для данного вида грунтов I _доп:

                                               (Л.2)

За критерии К2 принимаются максимальные расчетные фильтрационные расходы, отвечающие нижней границе доверительного интервала, полученные при УВБ = ФПУ (особое сочетание) при уточненных в процессе эксплуатации значениях коэффициентов фильтрации грунтов  и градиентах напора, меньших на 10% нормативных критических значений для данного вида грунтов, т.е. равных 0,9 I_{cr m}:

                                        (Л.3)

Критериальные неравенства, ограничивающие фильтрационные расходы, будут иметь вид:

Q_нат (НПУ) ≤K1 = Q_p (НПУ) + ∆Q,                                     (Л.4)

Q_нат (ФПУ) ≤K2 = Q_p (ФПУ) + ∆Q,                                    (Л.5)

В качестве прогнозной модели для фильтрационных расходов рекомендуется использовать приблизительное равенство (стабильность) натурных значений фильтрационных расходов, измеренных при одинаковых напорах H₀, действующих на сооружение в разные годы эксплуатации k_i

Q_нат (k_i H₀) = const.                                                                (Л.6)

Для исключения возможных ошибок в оценках состояния плотины по критериям К1 и К2 в неравенствах (Л.4), (Л.5) и равенстве (Л.6) следует использовать для сравнения значения фильтрационных расходов (О_нат), измеренных в условиях отсутствия приточности на водомерные устройства поверхностных вод, не связанных с фильтрацией через плотину и основание (от дождей, снеготаяния, технологических утечек и т. п.).

Приложение М
МУТНОСТЬ ВОДЫ, ПРОФИЛЬТРОВАВШЕЙСЯ ЧЕРЕЗ ТЕЛО ПЛОТИНЫ И ОСНОВАНИЕ

При нормальном фильтрационном режиме (отсутствии суффозионных процессов) мутность профильтровавшейся через плотину и основание воды  не должна превышать мутности воды в водохранилище М_вдх. Мутность - весовое содержание твердых частиц грунта в единице объема воды (мг/л).

Если профильтровавшаяся вода содержит твердых частиц больше, чем вода в водохранилище, имеется основание считать, что в сооружении имеет место процесс механической суффозии. При наличии механической суффозии состояние сооружения классифицируется как потенциально опасное. При увеличении мутности профильтровавшейся воды во времени при постоянном напоре состояние сооружения следует оценивать как предаварийное.

Исходя из этих положений, за критерий К1, задающий границу между нормальным и потенциально опасным состояниями, рекомендуется принимать

K1 = M_вдх.                                                                               (М.1)

За критерий перехода плотины из потенциально опасного состояния в предаварийное рекомендуется с некоторой степенью условности принимать удвоенную величину мутности воды в водохранилище

К2 = 2 М_вдх.                                                                           (М.2)

Тогда критериальные соотношения, характеризующие состояние плотины по мутности профильтровавшейся воды, можно представить в виде нормальное (исправное) состояние

                                                                (М.3)

потенциально опасное состояние

                                         (М.4)

предаварийное состояние

                                                             (М.5)

Показатель М_вдх в зависимости от сезона года может меняться вследствие сезонной изменчивости мутности воды, притекающей в водохранилище. Тогда численные значения приведенных выше критериев должны корректироваться для различных сезонов.

ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

(Приложения Н - Р)

Приложение Н
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ВОТКИНСКОЙ ГЭС

От значений реакции сооружения, определенной на стадии проекта для условий основного и особого сочетания нагрузок, можно перейти к проектным критериальным значениям К1 и К2 диагностических показателей, в т.ч. контролируемых КИА. Полученные значения используются в начальный период эксплуатации.

В дальнейшем состав диагностических показателей и критериальные значения К1 и К2 подлежат корректировке на основе выявленных особенностей работы сооружения: наличия ослабленных зон и незатухающих процессов в основании и плотине, уровня стабилизации фильтрационных режимов и напряженно-деформированного состояния [1].

Назначение состава диагностических показателей и значений критериальных показателей рассмотрено на примере основных сооружений напорного фронта эксплуатируемого гидроузла.

Водосливная бетонная плотина разделена температурно осадочными швами на четыре секции длиной по 48 м. Особенностью водосливной плотины является то, что она представляет собой пустотелую тонкостенную пространственную контрфорсную конструкцию без сплошной фундаментной плиты под водосливом. Водослив опирается на верховую и низовую фундаментные плиты. Непосредственно под водосливом фундаментная плита заменена тонкой анкерной плитой, толщиной 0,3 м, пригруженной грунтом. Анкерная плита состоит из верховой и низовой частей.

Основание плотины дренируется плоским и глубинным дренажами. Плоский дренаж состоит из одного слоя среднезернистого песка толщиной 0,6 м, расположенного под анкерной плитой и частично под верховой фундаментной плитой между быками и контрфорсами. В каждой секции имеется по четыре вывода из плоского дренажа в галерею верховой фундаментной плиты, которая через коллектор соединена с нижним бьефом. Кроме того, плоский дренаж соединён с нижним бъефом через засыпку, для чего в анкерной плите имеются дренажные отверстия. Вертикальный дренаж выполнен для снятия давления напорных вод в основании и состоит из одного ряда вертикальных скважин с шагом 8 м.

Устойчивость плотины на сдвиг обеспечивается собственным весом, пригрузками воды и грунта, а также совместной работой водосливных секций и прикреплённых к их верховым и низовым плитам анкерного понура и анкерной плиты, соответственно.

Анкерный понур плотины одновременно выполняет функции противофильтрационного устройства и элемента, участвующего в обеспечении устойчивости водосливной части плотины Устройство перед понуром вертикальной противофильтрационной преграды вызвано значительно большей проницаемостью основания в горизонтальном направлении, чем в вертикальном.

В основании водосливной плотины залегают переслаивающиеся алевролитовые глины, алевролиты и песчаники, сменяющие друг друга по глубине. Глины и алевролиты слабоводопроницаемы, их коэффициент фильтрации выражается тысячными долями метров в сутки. Водопроницаемость песчаников, залегающих в виде линз в толще алевролитов и глин, характеризуется коэффициентом фильтрации от 0,5 до 2,7 м/сутки.

1. Контролируемые показатели и технические средства контроля

Контролируемые показатели. Натурные визуальные и инструментальные наблюдения за состоянием сооружений Воткинской ГЭС проводятся за:

уровнями бьефов;

температурой наружного воздуха и в потернах здания ГЭС и водосливной плотины;

температурой воды в бьефах;

размывами русла за рисбермой;

осадками секций водосливной плотины, здания ГЭС, подпорных стенок и плотин из грунтовых материалов;

взаимными смещениями секций бетонных сооружений по вертикали, в плане вдоль потока и за раскрытием межсекционных швов;

противодавлением в основаниях здания ГЭС и водосливной плотины;

пьезометрическими уровнями в теле и основании плотин из грунтовых материалов, а также в береговых примыканиях;

фильтрационными расходами на водовыпусках дренажного коллектора грунтовых плотин;

температурой воды в дренаже;

уровнями мастики в шахтных шпонках;

состоянием волнозащитных креплений напорных откосов грунтовых плотин.

Наблюдение за фильтрационным режимом в основании бетонных сооружений и грунтовых плотин осуществляется с помощью напорных и безнапорных пьезометров ежемесячно.

Замеры расходов в закрытом дренаже грунтовых плотин производятся в контрольных пунктах на водовыпусках с помощью мерных водосливов.

Наблюдения за осадками сооружений и их оснований выполняются путём ежегодного нивелирования от опорной реперной сети высотных марок геодезической КИА (поверхностные и боковые марки, плиты-марки, глубинные марки, марки щелемеров). Нивелирование марок производится с точностью второго класса от реперной сети, состоящей из опорных фундаментных и рабочих реперов. Точность определения марок составляет ± 2 мм.

Наблюдения за взаимными смещениями секций относительно друг друга выполняются ежемесячно с помощью 3-марочных щелемеров, расположенных на межсекционных швах бетонных сооружений. Точность щелемерных измерений ± 0,01 мм.

2. Выбор диагностических показателей для водосливной плотины Воткинской ГЭС

Диагностические показатели уровней воды в пьезометрах

Каждая секция водосливной плотины оснащена пьезометрическим створом (створы № 2, 3, 4 и 5), расположенным по оси секции, а крайняя левая секция № 1 - дополнительным вторым створом (створ № 1), устроенным вдоль внешнего межсекционного шва для контроля сохранности шпонки. В основании каждой секции ведётся контроль за напором в глубинных горизонтах основания водослива.

В качестве ключевых зон подземного контура плотины выбраны области, где пьезометрами контролируется эффективность работы наиболее ответственных противофильтрационных устройств, а эпюры противодавления имеют наибольший вес по данным наблюдения, В состав диагностических показателей уровней воды в пьезометрах включены показания;

пьезометров группы П-3, расположенных в конце понура для контроля состояния понура;

пьезометров группы П-4 - в дренаже основания флютбета за верховым зубом, -контролирующие работоспособность верхового зуба и дренажа;

пьезометров групп ПГ-4а и ПГ-46, контролирующих напорные горизонты песчаника и алевролитов.

Диагностические показатели взаимных смещений секций водосливной плотины

На основе щелемерных измерений контролируются раскрытия межсекционного шва (координата Х), горизонтальные смещения секций по потоку (координата У) и вертикальные взаимные смещения (координата Z), За диагностические показатели приняты раскрытие шва и плановое смещение секций, определяемые по показаниям щелемеров на бычках верхнего и нижнего бьефов и в потерне (створы № 1, 2 и 3). По назначенным диагностическим показателям предполагается оперативно контролировать сохранность шпонок при смещениях секций по плановым координатам.

Вертикальные относительные смещения секций не включены в состав диагностических показателей вследствие затухания осадок секций. В случае появления аномальных неравно­мерных осадок секций они могут выявляться щелемерными измерениями по координате У.

В качестве диагностического показателя осадки секции водосливной плотины приняты значения осадок секции по верховой и низовой граням, осреднённые по фронтальным высотным маркам, расположенным на бычках верхнего и нижнего бьефа:  и  Выбор такого показателя обусловлен близкими значениями осадок парных фронтальных марок. Неравномерные осадки секций наблюдались в первые годы эксплуатации, после наполнения водохранилища. В настоящее время осадки бетонной плотины (после 40 лет эксплуатации) стабильны и находятся в пределах точности нивелирования II класса.

3. Поверочные расчёты водосливной плотины и корректировка расчётной модели

В соответствии с действующим СНиП 33-01-2003 гидротехнические сооружения следует также рассчитывать по методу предельных состояний. Недопущение предельного состояния обеспечивается системой коэффициентов из условия:

γ_1cF ≤ R/γ_n.

Для выявления соответствия проектных величин запаса и принятым в действующих СНиП сгруппируем коэффициенты γ_1с, γ_n:

R/F ≥ γ_n γ_1c.

Для расчёта устойчивости сооружений II класса:

1,20∙1,00 = 1,20 - для основных сочетаний нагрузок,

1,20∙0,9 = 1,08 - для особого сочетания нагрузок.

Соответствующие проектные коэффициенты запаса «К» выше и равны 1,3 и 1,1.

За годы эксплуатации плотины расчётные значения уровней бьефов практически не изменились, а в работе дренажа и противофильтрационных элементов не замечено аномалий и снижения работоспособности. Тогда в предположении, что параметры сдвига плотины и понура (сцепление и коэффициент трения) не изменились, изменение коэффициента устойчивости следует ожидать в связи с непроектным распределением гашения напора в основании сооружения.

Остаточные напоры на всем протяжении противофильтрационного контура ниже проектных предположений. По показаниям пьезометров, расположенных в понурной части основания, можно утверждать, что эффективность работы шпоры и понура выше проектных предположений. В зоне понура установился фильтрационный поток с параметрами, близкими к стационарному.

В то же время наблюдаемое распределение гашения напора в долях напора на противофильтрационных элементах отлично от проектного. Это обстоятельство может быть объяс­нено тем, что при проведении проектных фильтрационных расчётов не было учтено влияние водопроницаемости бетона на параметры фильтрации особенно заметные при наличии малопроницаемого основания. По данным работы [18] известно, что при относительной водопроницаемости бетона гидросооружения (/), большей 0,02, заметно уменьшается эффективность работы понура по гашению фильтрационного напора на нем и возрастает дренирующий эффект потерн бетонных сооружений на фильтрацию в их основаниях, Относительная водопроницаемость бетона рассматриваемой водосливной плотины составляет около 0,015. Поэтому в натуре наблюдаются достаточно высокие пьезометрические напоры под понуром и низкие, близкие к взвешивающему давлению, под фундаментной плитой здания ГЭС, Основные отклонения в ординатах эпюры противодавления от проектных предположений произошли в основании понура и верхового зуба.

С учетом особенностей работы против о фильтрационного контура и требований действующих СНиП 2.06.06-85 и СНиП 33-01-2003 [6, 5] рассматривались следующие нагрузки и воздействия:

Для основного сочетания нагрузок:

1. Действие наибольшего расчетного напора при НПУ.

2. Пропуск расчетного паводка обеспеченностью 1% при нормально работающих цротивофильтрационных и дренажных устройствах.

Для особого сочетания нагрузок:

1. Действие наибольшего расчетного напора при НПУ при нарушении понура как противофильтрационного элемента (трещина в понуре).

2. Пропуск поверочного паводка обеспеченностью 0,1% при нормально работающих противофильтрационных и дренажных устройствах.

4. Построение прогнозных моделей

Детерминистическая прогнозная модель

Детерминистическая прогнозная модель (п. 4.1. «Методики...») использовалась при определении критериальных значений К2 показаний пьезометров по значениям эпюры противодавления в первом расчётном случае особого сочетания нагрузок. Распределение противодавления вдоль подземного контура сооружения при нарушении понура получено на основании результатов опытов по методу ЭГДА. Учитывался дренирующий эффект потерны сооружения и работа дренирующих скважин.

Действующий напор перед верховым зубом получен 0,9Н, а в начале понура (у основания шпоры) - 0,8Н. Остаточный напор в дренаже водослива за верховым зубом -0,2Н; далее противодавление равно уровню нижнего бьефа.

При проведении расчетов устойчивости секции плотины физико-механические характеристики грунтов основания приняты по данным проектных исследований, которые составляют: φ - 22 град., сцепление С = 0,20 кг/см², коэффициент трения f = 0,45 - 0,47.

Статистическая прогнозная модель

При назначении критериев К1 и К2 использовались также статистические прогнозные модели. Статистические модели получены на основе натурных данных показаний пьезометров. Анализируемая восьмилетняя временная выборка (1993 - 2000 гг.) соответствует требованиям [1], чтобы диапазон изменения эксплуатационных нагрузок включал нагрузки, близкие к условиям нагрузок основного сочетания. Полученное число членов временного ряда удовлетворяет требованиям допустимого минимального объема выборки (не менее 100).

На основании опыта наблюдений на отечественных и зарубежных гидроузлах за внешние факторы (к показаниям которых наиболее чувствительны пьезометры) приняты уровни верхнего и нижнего бьефов. Уровень влияния каждого из факторов на показания пьезометров обусловлен близостью к нему пьезометра, наличием противофильтрационных элементов между пьезометром и внешним фактором и их работоспособностью, а также проницаемостью основания,

Значения коэффициентов двухфакторной регрессионной модели вычислялись с помощью программного пакета «Statistica» фирмы «Statsoft»,

Критериальные значения К1 и К2 назначались равными верхней границе доверительного интервала прогноза показаний пьезометра в условиях воздействия нагрузок основного сочетания. Величина доверительного интервала принималась равной двум стандартам (±2δ) погрешности прогноза модели, что обеспечивало попадание показаний пьезометров внутрь доверительного интервала с вероятностью 0,95.

5. Определение критериев безопасности водосливной плотины

Критериальные значения пьезометрических уровней в основании водосливной плотины

Критериальные значения К2 диагностических показателей пьезометрических уровней в основании понура получены в результате исследований методом ЭГДА для условий расчетного случая особого сочетания нагрузок (максимальный напор при НПУ и трещина в понуре).

Критериальные значения К2 диагностических показателей пьезометрических уровней в основании водослива приняты по результатам расчетов прогнозной статистической модели, произведенных для условий особого сочетания нагрузок (пропуск поверочного расхода). Полученные значения эпюры противодавления оказались близки значениям УНБ при пропуске поверочного паводка. Достоверность прогноза по примененной статистической модели предполагалась на том основании, что используемый при построении модели временной ряд показаний пьезометров и действующих факторов включал и форсированные значения УНБ; к тому же расчетное значение ФПУ (8,95 м) незначительно отличается от НПУ - на 0,5 м.

Критериальные значения К1 уровней воды в пьезометрах приняты по результатам расчетов прогнозной статистической модели, произведенных для условий основного сочетания нагрузок (пропуск расчетного расхода).

Уровни воды в пьезометрах, не превышающие значений К1, соответствуют нормальной и безопасной работе сооружения согласно произведенным расчетам устойчивости секций плотины.

Критериальные значения показателей К1 и К2 пьезометрических уровней секции № 4 водосливной плотины приведены в таблице П.Н.1.

Критерии безопасности взаимных смещений секций водосливной плотины

При назначении критериальных значений К1 диагностических показателей взаимных смещений секций плотины по координатам X и У учитывались три фактора: напор, температура воздуха и влияние неравномерной осадки секций (в виде временного тренда показаний). Рассматривались два варианта: экстремальные значения температур при среднемноголетних значениях напора и максимально-минимальные значения напора при среднемноголетних значениях температур воздуха. Было установлено, что влияние напора незначимо по сравнению с другими факторами.

При наличии временного тренда в показаниях щелемера прогноз назначался на 2004 г., т.е. на пятый год после рассмотренного периода эксплуатации, когда изменения в состоянии сооружения или КИА могут потребовать корректировки прогноза,

Взаимные вертикальные смещения секций (по координате Z) не рассматривались по причине затухания осадок секций. В случае появления аномальных неравномерных осадок секций они будут выявляться щелемерными измерениями по координате У, т.к. перемещение секций имеет характер вращения с центром, сдвинутым ближе к низовой грани сооружения относительно оси сооружения.

Раскрытие швов (координата X) секций водосливной плотины носит сезонный характер и коррелировано с температурой наружного воздуха, Т°С.

Таблица П.H.1 - Водосливная плотина. Критериальные значения пьезометрических уровней воды в основании секции № 4

Примечанне - К1 пьезометрического уровня получено для условий основного сочетания нагрузок: УВБ (НПУ) - 89,00 м; УНБ = 75,80 м; К2 пьезометрического уровня в основании понура получено для условий особого сочетания нагрузок: УВБ (НПУ} = 89,00 м; УНБ = 66,00 м; трещина в понуре. К2 пьезометрического уровня в основании водослива получено для особого сочетания нагрузок УВБ (НПУ) = 89,50 м; УНБ = 76,50 м.

Наибольший многолетний размах раскрытия шва на дневной поверхности (створы 1 и 2) прогнозируется на крайних секциях при наибольшем наблюденном размахе колебаний температуры воздуха.

Временные тренды в раскрытии швов практически отсутствуют или незначительны.

Критериальные значения показателей взаимных смещений секций бетонных сооружений определялись с использованием регрессионной модели, Предполагалась линейная зависимость деформации бетона сооружения от температуры как в диапазоне натурных наблюдений, так и для расчётных значений температуры.

Прогноз критериальных значений К1 по координате X назначен по регрессионной модели при наблюдённом температурном минимуме воздуха -50°С; а по координате У -по её наибольшему значению при воздействии одного из трех действующих факторов: максимального напора основного сочетания нагрузок (Н =27 м), одной из экстремальных температур (-50°С или +38°С), или по прогнозу временного тренда на 2004 г.

Критериальные значения К2 диагностических показателей взаимных смещений водосливной плотины по координатам X и У назначались по конструктивным ограничениям сохранности и нормальной работы шахтной шпонки в межсекционном шве и приняты равными 100 мм.

Критериальные значения взаимных смещений секций К1 и К2 по результатам наблюдений по щелемерам водосливной плотины приведены в таблице П.Н.2.

Критериальные значения осадок секций водосливной плотины

Прогноз осадок секций водосливной плотины выполнялся по статистической регрессионной модели с учётом затухания осадок, Аппроксимация осадок (Z) выполнена по двучленному полиному экспоненциального типа: Z мм = В_о + В₁ ЕХР(-αT).

Критериальные значения К1 осадки секций назначались равными нижней границе доверительных интервалов регрессионных моделей для прогноза осадки на 2004 г. Доверительный интервал, принимался равным двум стандартам (±2δ) ошибки оценки модели относительно кривой осадок.

Критериальные значения К2 осадки секций принимались равными значениям нижних границ доверительных интервалов, равным трем стандартам ошибки оценки модели относительно кривой осадок.

Критериальные значения показателей К1 и К2 осадок водосливной плотины приведены в таблице П.Н.3

Таблица П.Н.2 - Водосливная плотина. Критериальные значения взаимных смещений секций № 3 и 4 по показателям щелемеров

Примечания

1 Т - время (годы) = (Т_i-Т_о); Т_о- год начала отсчета (начало выборки положенной в основание регрессионной модели - 1990 г.); Т_i - год прогноза.

2 Н - напор, м;

3 TV- среднесуточная температура воздуха; при отставании во времени смещения секций относительно температурных воздействий использовался временной ряд температур со сдвигом, определенным по взаимно корреляционной функции показаний щелемеров и температуры воздуха; TV₆₀, TV₉₀, TV₃₀₀ - температура воздуха за 60, 90 и 300 суток до дня выполнения замеров по щелемерам.

Таблица П.Н.3 - Водосливная плотина. Критериальные значения осадок секции № 4

Примечания

1 T - время, единица исчисления - годы (отсчет ведется с начала наблюдений, с 1962 г.)

2 Значения К1 получены по прогнозу на 2004 г.

Приложение О
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ
ВОТКИНСКОЙ ГЭС

Грунтовая плотина - правобережная пойменная плотина № 2, сопрягающая напорный фронт с правым берегом, - выполнена однородным профилем, намывным из песков местных карьеров, с отметкой гребня 93,5 м; максимальный напор при НПУ - 23 м. Плотина возводилась способом двухстороннего намыва аллювиальных песков, слагающих пойму р. Камы. Дренажи плотин представляют собой комбинированную конструкцию из наслойной части и дренажной призмы с отводящей железобетонной трубой. Для наблюдения за работой дренажа плотины предусмотрены смотровые железобетонные колодцы, расположенные по оси дренажа через 150 (200) м друг от друга. Сброс дренажных вод производится через водовыпуски.

Грунтовая плотина располагается на аллювиальных отложениях (песчаные и гравийно-галечниковые) мощностью до 12 м в пойменной части и до 30 м на участке примыкания к правому берегу.

Коэффициенты фильтрации на стадии проекта были приняты:

для супесей и пылеватых песков - до 1 м/сутки;

для песков - 10 м/сутки;

для гравийно-галечниковых отложений - 30 м/сутки.

Ниже аллювиальных отложений залегают практически водоупорные пермские глины.

1. Контролируемые показатели и технические средства контроля

Положение кривой депрессии в измерительном створе плотины контролируется пьезометрами, установленными на гребне плотины, на низовой берме и перед наслонным дренажем. Изменение напора фильтрационного потока в основании контролируется пьезометрами, установленными под гребнем плотины, перед и за дренажем (в паре с пьезометром в теле плотины) и пьезометром на низовой пойме. Плотина оборудована восемью пьезометрическими створами.

Трасса закрытого дренажа плотины проходит в низовой дренажной призме у основания низового откоса и оборудована водовыпуском на ПК 40 + 65. На трассе дренажа от ПК 37 до ПК 41 + 50 отмечена просадка коллектора (до 0,8 м) на длине в 70 м; коллектор на 70% живого сечения заилен мелкозернистым песком.

Замеры расходов в закрытом дренаже производятся в контрольных пунктах на водовыпусках с помощью мерных водосливов.

Наблюдения за осадками сооружений и их оснований выполняются путём ежегодного нивелирования от опорной реперной сети поверхностных марок геодезической КИА Поверхностные марки запроектированы в целях получения раздельно данных по осадкам основания и тела плотины: поверхностные репера установлены в теле плотины, а плиты-марки - в основании. Марки размещены в 5-ти створах. Типовое расположение марок в измерительном створе следующее:

поверхностная марка на гребне плотины;

поверхностная марка и плита-марка на низовой берме;

поверхностная марка и плита-марка перед наслонным дренажем.

Нивелирование геодезической КИА производится вторым классом точности от реперной сети, состоящей из опорных фундаментных и рабочих реперов. Точность определения отметок марок составляет ± 2 мм.

Качественные показатели состояния грунтовой плотины. Натурные визуальные наблюдения за состоянием грунтовой плотины Воткинской ГЭС проводятся за:

состоянием гребня и откосов грунтовой плотины с целью своевременного обнаружения локальных просадок, оползней и трещин гребня и откосов плотины;

состоянием волнозащитных креплений напорных откосов грунтовых плотин для своевременного обнаружения повреждений на плитах крепления, обнаружения дефектов шовного уплотнения плит, пустот под плитами и т.п.

состоянием низового откоса и береговых примыканий для обнаружения локальных размывов откосов, выклинивания фильтрационных вод на откосе плотины и в примыкании плотины к бетонным сооружениям;

заболачиванием основания в нижнем бьефе плотины;

состоянием дренажа плотины.

2. Выбор диагностических показателей для грунтовой плотины

К диагностическим показателям, позволяющим дать оперативную оценку безопасности и состояния системы «сооружение - основание - водохранилище», отнесены фильтрационные расходы в закрытом дренаже плотины, отметки уровней воды в пьезометрах, градиенты напора и осадки тела и основания плотины.

Диагностические показатели должны быть оптимальными по количеству задействованного КИА и контролировать прежде всего те зоны сооружения, где его состояние не стабилизировалось и процессы носят незатухающий характер.

Диагностические показатели расхода воды в закрытом дренаже Дренажные расходы являются интегральным показателем и потому более информативны, чем локальные показатели (пьезометрические уровни), которые характеризуют состояние сооружения в ограниченной зоне. Желательно включать в состав диагностических показателей дренажные расходы, измеряемые на всех водовыпусках закрытого дренажа.

За диагностический показатель расхода в закрытом дренаже плотины № 2 приняты значения расхода, наблюдаемые на мерном водосливе водовыпуска № 1.

Диагностические показатели уровней воды в пьезометрах и градиентов напора в теле плотины

При назначении состава диагностических показателей выбирались наиболее ответственные створы для контроля изменений в положении кривой депрессии, в которых в свою очередь назначались наиболее опасные зоны в створе. К таким створам отнесены: створы с наибольшей высотой плотины, створы с наиболее высоким положением кривой депрессии и створы, расположенные в сопряжениях с бетонными сооружениями.

В качестве диагностических показателей, контролирующих положение кривой депрессии в измерительном пьезометрическом створе плотины, назначены показания пьезометров, расположенных:

в верховой призме плотины;

под гребнем плотины;

в низовой призме плотины, перед дренажем;

в основании плотины, перед и за дренажем.

Изменения в положении кривой депрессии можно ожидать в верховой призме плотины как из-за разуплотнения швов плит волнозащитного крепления (создающего экранный эффект), так и при дальнейшей кольматации верхового откоса. Заметные изменения положения кривой депрессии в низовой призме плотины могут быть вызваны нарушениями в работе дренажа или нарушениями фильтрационной (механической) устойчивости грунтов основания в зоне разгрузки фильтрационного потока.

Пониженная достоверность наблюдений за дренажным расходом из-за нарушений дренажного коллектора обусловила необходимость включения всех восьми пьезометрических створов в состав диагностических показателей за исключением пьезометров низкой работоспособности. К последним отнесены пьезометры;

с коэффициентом корреляции относительно действующих факторов ниже 0,4;

с временным трендом показаний.

В качестве створа, показания пьезометров которого использованы при назначении критерия К2 на основе оценки устойчивости плотины, назначен створ № 2 на ПК 39 + 48. Пьезометрический створ выбирался из следующих соображений:

положение кривой депрессии в створе наиболее высокое среди контролируемых створов;

высота плотины в створе близка к расчетной.

В состав диагностических показателей включён градиент напора на выходе в закрытый дренаж, где как показал опыт эксплуатации грунтовых плотин возможна постепенная кольматация обратного фильтра дренажа с выносом материала фильтра в дренаж. Подобные отказы дренажа вызваны ошибками в подборе состава фильтра или нарушениями строительной технологии. Градиенты напора на входе в дренаж грунтовых плотин определялись разницей показаний пьезометров, расположенных у дренажа, и уровнем нижнего бьефа (или отметкой оси закрытого дренажа) и расстоянием между пьезометром и осью дренажа L, м.

Диагностические показатели градиентов напора назначались в створах плотин с наиболее высоким положением кривой депрессии перед дренажем и с наиболее близким расположением пьезометра от дренажа.

Диагностические показатели градиентов напора определены на основе показаний пьезометров № 11 и скважины № 5 в пьезометрическом створе № 2.

Диагностические показатели осадки основания и тела грунтовой плотины

Значения осадок плотины в пяти контролируемых створах выбраны в качестве диагностических показателей осадки тела и основания грунтовой плотины.

Диагностические осадки тела плотины определены показаниями поверхностных марок, расположенных на гребне и перед наслонным дренажем.

Диагностическими показателями осадки основания плотины назначены показания плит-марок, расположенных под гребнем плотины (при нарушении последних - под низовой бермой) и в основании дренажа, контролирующие выпор или появление суффозии в зоне разгрузки фильтрационного потока.

3. Поверочные расчеты и корректировка расчётной модели

В соответствии с действующими нормами [5, 8], проектное обоснование безопасности сооружений гидроузла выполняется при условии недопущения предельных состояний по устойчивости и прочности ГТС

γ_1сF ≤ R/γ_n.

На стадии проекта приведенное требование выполняется на основании следующих расчетов [8]:

фильтрационной прочности тела, основания плотины и берегов в форме градиентов напора;

устойчивости откосов плотины и берегов;

осадок тела плотины и основания;

прочности креплений откосов на действия волн и льда.

Назначение критериев безопасности К1 и К2 по показаниям пьезометров в теле грунтовой плотины производилось для условий основного и особого сочетания нагрузок, определяемых в соответствии с требованиями действующих СНиП [5, 8],

Критерифхьные значения К1 положения кривой депрессии назначались для условий основного сочетания нагрузок при пропуске расчетного наводка обеспеченностью 1%: уровни бьефов - УВБ (НПУ) - 89,00 м, УНБ = 75,80 м; нормально работающий дренаж. Прогноз значений К1 получен с использованием регрессионной статистической модели.

Критериальные значения К2 положения кривой депрессии назначались для условий особого сочетания нагрузок. Расчетные случаи особого сочетания нагрузок принимались по требованиям СНиПов для условий пропуска поверочного расхода обеспеченностью 0,1% и при условиях пропуска расчётного расхода обеспеченностью 1 % и при закольматированном наслонном дренаже.

Значения К2 положения кривой депрессии определены по результатам фильтрационных расчётов положения кривой депрессии и устойчивости откосов плотины для варианта с минимальным значением коэффициента устойчивости.

Рассмотрены три случая состояния грунтовой плотины по критерию устойчивости при воздействии особого сочетания нагрузок:

1. Верховой откос. Отметка ФПУ = 89,5 м; УНБ - 76,5 м.

2. Низовой откос. Отметка ФПУ = 89,5 м; УНБ == 76,5 м,

3. Низовой откос. Отметка НПУ = 89,0 м; УНБ - 75,8 м; наслонный дренаж закольматирован.

Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин Воткинской ГЭС проводились в соответствии с рекомендациями СНиП 2.06.05-84 «Плотины из грунтовых материалов» [4] по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжении с учетом фильтрационных сил по методике Терцаги - Флорина [19, 20].

Минимальные значения коэффициентов устойчивости [К_min - 1,31) получены для низового откоса при особом сочетании нагрузок для третьего расчетного случая, где по условию полностью закольматирован дренаж. По результатам расчёта было получено выклинивание фильтрационного потока на низовой откос в верхней зоне наслонного дренажа.

4. Построение прогнозных моделей

Статистическая регрессионная модель

За внешние факторы воздействия на пьезометрический уровень в теле и основании плотины при построении регрессионной модели принимались значения уровней верхнего и нижнего бьефов. Уровень депрессионной поверхности в грунтовой плотине располагается ниже проектного. За время эксплуатации значения УВБ неоднократно достигали НПУ.

Прогноз значений К1 выполнялся по регрессионной модели на основе выборки временного ряда наблюдений за последний десятилетний период, включающий показания пьезометров при НПУ. Несмотря на то, что расчётный паводок не наблюдался за период эксплуатации при прогнозе с использованием УНБ = 75,80 м (значения УНБ за этот период не выше 74,0 м), предполагалось, что в диапазоне УНБ, равном 74,0-75,8 м, обеспечено сохранение тесноты и формы связи значений УНБ и показаний пьезометра. Основание: незащищённый низовой откос, высокие значения корреляции показаний пьезометров с действующими факторами и F-критерия, как параметра статистической модели.

Значения К1 назначались равными прогнозируемым показаниям пьезометра по регрессионной модели с учетом доверительного интервала равного трем стандартам (3σ) погрешности прогнозной модели относительно показаний КИА. Увеличение доверительного интервала до 3σ (обычно принимается 2σ) вызвано наличием неучтённых факторов, имеющих значимое влияние в отдельных показаниях пьезометров, но исключающих человеческий фактор и отказ КИА.

Детерминистическая модель

Если предположить, что физико-механические свойства тела и основания плотины продолжают соответствовать проектным предположениям, то основным фактором, определяющим фильтрационную прочность и устойчивость откосов плотины, остаётся положение кривой депрессии, соответствующее условиям особого сочетания нагрузок.

Задачи фильтрации (положение кривой депрессии) решаются методом ЭГДА или численным методом. В приводимом примере использовался численный метод локальных вариаций [21]. Расчет выполнялся для створа плотины на ПК 39 + 48.

В качестве исходных характеристик грунтов принимались проектные значения их физико-механических и фильтрационных характеристик. Наиболее высокое положение депрессионной кривой получено при неработающем дренаже. Отметки выхода воды на низовой откос получены в пределах  79 м -  77 м (свободная поверхность наслонного дренажа).

5. Определение критериев безопасности грунтовой плотины

Критериальные значения положения кривой депрессии

Критериальные значения К1 показаний пьезометров назначались по результатам прогноза пьезометрических уровней в условиях пропуска расчётного паводка, выполненного по статистической модели,

Расчет устойчивости откосов для основного сочетания нагрузок не производился из следующих соображений:

положение кривой депрессии остаётся ниже проектных предположений;

методика оценки устойчивости не претерпела принципиальных изменений за годы эксплуатации;

проектные коэффициенты устойчивости превышают действующие нормативные. Критериальные значения К2 уровней воды в пьезометрах принимались по прогнозу, полученному для створа № 2, в котором был получен наименьший коэффициент устойчивости откосов. При прочих равных условиях в выбранном створе наиболее высокое положение депрессионной кривой.

Значения К1 и К2 диагностических показателей пьезометрических уровней в грунтовой плотине для створа № 2 приведены в таблице П.О.1.

Критерии безопасности значений фильтрационных расходов

Наблюдаемые величины дренажных расходов значительно ниже проектных величин. Критериальные значения К1 расхода плотины № 2 назначены по прогнозу регрессионной модели для расчётного напора Н = 23,0 м в условиях основного сочетания нагрузок. Для плотины № 2, где ось закрытого дренажа выше УНБ, за внешний фактор воздействия принимались значения верхнего бьефа.

Критериальные значения К1 градиентов напора на входе в дренаж назначались с использованием регрессионной модели, Прогноз выполнялся для расчётного напора Н = 23 м в условиях основного сочетания нагрузок: НПУ = 89,0 м, УНБ = 66,0 м. Наблюдаемые значения градиентов ниже нормативных и не превышают 0,37.

Критериальные значения К2 градиентов напора на входе в дренаж назначались по нормативным предельным градиентам напора для песков мелких фракций намывных плотин. Значение К2 принято равным 0,9% критического градиента напора J_{cr m}.

Критериальные значения показателей расхода и градиентов напора в грунтовой плотине приведены в таблицах П.0.2 и П.О.З.

Критерии безопасности осадки грунтовой плотины

Учитывая разницу в начале наблюдений по плитам-маркам в основании и по поверхностным реперам в теле плотины для сравнительного анализа осадок выбран период 1962-2000 г.г. На правобережной пойменной плотине № 2 наблюдения за осадками тела и основания ведутся в 5-ти створах: на ПК 37 + 48, ПК 39 + 48, ПК 41 + 48 , ПК 43 + 48, ПК 45 + 48. Наибольшие осадки гребня плотины на ПК 37 + 48 - 68,0 мм. Интенсивность осадок гребня плотины на наблюдаемых створах не превышает 1 мм/год, а относительная осадка гребня за период 1961-2000 годы составила 0,0035 Н (высоты плотины), что свидетельствует о нормальном процессе осадок к 42 году эксплуатации.

Разница в осадках гребня плотины, низовой бермы и дренажа составляет 15-20 мм. За исключением ПК 39 + 47, где осадки дренажа близки к осадкам низовой бермы. На этом пикете поврежден дренажный коллектор. Интенсивность осадки наслонного дренажа на ПК 39 + 48 - 0,5 мм/год - наиболее высокая в сравнении с другими плотинами. Осадки основания практически затухли.

Прогноз осадок тела и основания грунтовой плотины определялся с учетом затухания осадок (статистическая модель экспоненциального типа). Значения К1 и К2 осадок тела плотины № 2 назначались равными прогнозу по статистической модели на конец ближайшего 5-ти летнего периода с учетом значений доверительного интервала, в 2δ и 3δ, соответственно.

Значения К1 и К2 для осадок основания плотины № 2, где они практически закончились, назначались равными асимптоте с учётом значений доверительного интервала, в 2δ и 3δ, соответственно.

Критериальные значения осадок К1 и К2 и приведены в таблице П.0.4. В таблице П.0.5 приведены критериальные оценки состояния сооружений по результатам визуальных наблюдений, ранжированные как потенциально опасные - К1 и предаварийные - К2.

Таблица П.O.1 - Грунтовая плотина № 2 Воткинской ГЭС. Критериальные значения пьезометрических уровней в теле и основании плотины

Примечания

1 К1 получено при условиях: УВБ (НПУ) = 89,0 м; УНБ - 75,70 м; дренаж работает нормально.

2 К2 - при НПУ (89,50 м) и УНБ (75,80 м) и при отказе наслонного дренажа.

Таблица П.О.2 - Грунтовая плотина Воткинской ГЭС. Критериальные значения фильтрационного расхода в закрытом дренаже

Примечание- Т- число лет с начала выборки (1991 г.); УВБ - уровень верхнего бьефа, м

Таблица П.О.3

Таблица П.О.4 - Грунтовая плотина № 2 Воткинской ГЭС. Критериальные значения осадок тел плотины и основания

Таблица П.0.5 - Критериальные значения качественных показателей состояния грунтовой плотины по данным визуальных наблюдений

Приложение П
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ БЕТОННОЙ ПЛОТИНЫ
САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС

Определение численных значений критериев безопасности К1, К2 включает несколько предварительных этапов:

выбор из числа контролируемых показателей наиболее важных диагностических показателей, по которым производится оперативная оценка состояния сооружения на основе правил, сформулированных в п. 2.11;

корректировку расчетных моделей, включающую проверку гипотез модели (их идентификацию) и уточнение физико-механических параметров материалов сооружения и основания (калибровку модели) на основе данных натурных наблюдений с использованием рекомендаций раздела 4 «Методики» [1];

проведение поверочных расчетов в рамках откорректированных расчетных моделей;

построение статистических прогнозных моделей на основе обработки данных предыдущих натурных наблюдений.

В настоящем приложении перечисленные выше этапы, предшествующие определению значений К1, К2, проиллюстрированы на примере плотины Саян о-Шушенской ГЭС.

1. Технические средства контроля и контролируемые показатели плотины Саяно-Шушенской ГЭС

Плотина Саяно-Шушенской ГЭС - арочно-гравитационного типа. Арочные пояса -круговые трехцентровые арки. Напорная грань - цилиндрическая поверхность с вертикальной образующей. Каньон трапецеидальный. Высота плотины 242 м, длина плотины по гребню 1070 м, по подошве - 400 м, толщина плотины по гребню 25 м, максимальная толщина по подошве - 105 м. Вдоль потока плотина разделена на четыре столба толщиной 25 м каждый, поперек потока плотина разделена на 68 секций протяженностью 15 м каждая.

1.1. Технические средства контроля

Система контроля включает следующие подсистемы.

1. Подсистема контроля НДС (напряженно-деформированного состояния), включающая в себя около 6000 датчиков струнного типа для измерения температур и деформаций в различных точках плотины. Сбор измерений с 2400 датчиков автоматизирован.

2. Подсистема фильтрационного контроля, включающая 250 пьезометров в основании плотины и берегах, а также более 50 точек измерения фильтрационных расходов (сбор данных ручной).

3. Подсистема геодезического контроля, обеспечивающая измерение плановых (вдоль и поперек потока) и вертикальных перемещений (осадок), а также взаимных перемещений элементов сооружений относительно внутренней и внешней каркасных сетей. Для измерения вертикальных перемещений во внешней каркасной сети подсистема включает 4 куста фундаментальных реперов, 1360 рабочих реперов, более 100 глубинных реперов. Для измерения относительных вертикальных перемещений (относительных осадок) подсистема содержит систему гидростатических нивелиров с общим числом марок 550. Для измерения плановых смещений служат система знаков триангуляции, плановых марок, система светодальномерных измерений, а также система прямых и обратных отвесов, позволяющая контролировать плановые перемещения 66 точек плотины. Для контроля взаимных смещений установлено более 100 трехосных щелемеров.

4. Подсистема контроля внешних воздействий (уровней бьефов, расходов, температур окружающего воздуха, состава воды и т.д.),

5. Автоматизированная подсистема сейсмометрического контроля.

1.2. Основные измеряемые параметры:

подсистема контроля НДС - компоненты тензора деформаций и температуры в характерных точках плотины и основания;

подсистема фильтрационного контроля - пьезометрические напоры и фильтрационные расходы (суммарные и на отдельных участках);

подсистема геодезического контроля - перемещения плановые (радиальные и тангенциальные) и вертикальные (осадки), а также взаимные смещения отдельных элементов конструкций;

подсистема контроля внешних воздействий - уровни верхнего и нижнего бьефов, температура воды в водохранилище, температура окружающего воздуха.

1.3. Основные вычисляемые параметры:

напряжения, вычисляемые по деформациям и температуре бетона подсистемы НДС;

нормальные и перерезывающие силы, изгибающие и крутящие моменты в характерных сечениях, вычисляемые по напряжениям;

углы поворота горизонтальных сечений плотины, вычисляемые по относительным осад­кам поперечных гидростатических нивелиров (см. ниже);

равнодействующие эпюр противодавления, суммарные фильтрационные расходы по всему сооружению и отдельным его частям, вычисляемые по данным измерений подсистемы фильтрационного контроля;

производные от измеряемых параметров по координатам, УВБ и времени - градиенты и скорости изменения контролируемых показателей при росте УВБ, тренды - необратимые составляющие измеряемых параметров (в первую очередь необратимые перемещения).

2. Выбор диагностических показателей

2.1. Плановые перемещения и их приращения

При оперативном эксплуатационном контроле практически невозможно контролировать абсолютные перемещения, определенные в проекте, так как измерительные системы вступают в эксплуатацию после того, как плотина частично возведена и нагружена. Поэтому при оперативном контроле контролируются не сами перемещения, а их приращения по сравнению с некоторым начальным (нулевым) циклом измерений. Для плотины Саяно-Шушенской ГЭС в качестве начального принят цикл измерений, соответствующий УМО (отм. 500 м) в 1989 г., так как в следующем 1990 г. водохранилище было наполнено до НПУ, и началась работа плотины в нормальном технологическом режиме наполнения - сработай: ветвь наполнения -минимальный УВБ (УМО отм. 500 м) в конце апреля - начале мая; максимальный УВБ (НПУ отм. 540 м) - в октябре, ветвь сработки от НПУ до УМО ноябрь - апрель.

Выбор диагностических показателей из всех контролируемых перемещений осуществлялся в соответствии с рекомендациями п. 2.11 «Методики».

Покажем, что радиальные перемещения и их приращения обладают необходимыми качествами диагностического показателя.

На плотине Саяно-Шушенской ГЭС с помощью системы прямых и обратных отвесов измеряются (контролируются) плановые перемещения (радиальная X и тангенциальная Z компоненты) в 66 точках, во внутренней и во внешней каркасной сетях.

Во внутренней каркасной сети в качестве условно неподвижных приняты точки закрепления якорей обратных отвесов (лежащие вблизи горизонтальной плоскости на отм. 270 м, то есть на 40 м ниже подошвы плотины).

Погрешность измерения контролируемых перемещений. Суммарная величина погрешности во внутренней каркасной сети складывается из инструментальной погрешности отвесов и погрешности внешних условий, включающей возможное отклонение струны под действием потоков воздуха и отклонения за счет изменения массы водохранилища при различных НПУ. Суммарная среднеквадратическая погрешность измерения плановых смещений X (радиального) и Z (тангенциального) точек плотины относительно якорей обрат­ных отвесов (во внутренней каркасной сети) составила 0,52 мм.

Во внешней каркасной сети в качестве условно неподвижных взяты точки стояния светодальномеров, расположенные в 1,5 км ниже створа плотины. Среднеквадратическая погрешность измерения X и Z во внешней каркасной сети существенно больше и равна 1,6 мм.

В таблице П.П.1 приведены данные измерений приращений радиальных перемещений δХ в части точек плотины СШ ГЭС при изменении УВБ от УМО отм. 500 м до НПУ 540 м за 1993 - 1995 г.г.

Из таблицы П.П.1 видно, что:

приращения радиальных перемещений плотины δХ растут при росте УВБ;

во всех точках, начиная от отм. 344 м и выше, δХ превышают величину 6 мм, что в несколько раз больше среднеквадратичной погрешности измерений как во внутренней (0,52 мм), так и во внешней каркасной сетях (1,6 мм);

прослеживающаяся по таблице, даже визуально, устойчивая закономерность измерений δX по годам, а также по высоте и фронту плотины позволяют рассчитывать на то, что X (δX) поддаются прогнозу как с помощью статических расчетов, так и путем статистической обработки данных натурных измерений.

Это подтверждает целесообразность принятия радиальных перемещений X и их приращений в точках плотины на отметках не менее 344 м в качестве диагностических параметров.

Таблица П.П.1 - Приращения радиальных перемещений контрольных секций плотины δХ (мм) при наполнении водохранилища от отм. 500 м до отм. 540 м (секция 33 - ключевая)

Отм. 542 м (гребень плотины)

Тангенциальные перемещения на порядок меньше радиальных, их величины соизмеримы с погрешностью измерений, поэтому в качестве диагностических параметров они не использовались.

2.2. Углы поворота горизонтальных сечений плотины (осей поперечных
гидростатических нивелиров).

В радиальных галереях плотины СШ ГЭС установлены гидростатические нивелиры, позволяющие измерять относительные (относительно нулевой марки) осадки в нескольких (5 - 7) точках радиальных сечений плотины. Первоначально в соответствии с проектом поперечные гидронивелиры были установлены в пяти секциях плотины (секции 18, 25, 33, 39, 45) на 4-х отметках (отм. 308 м, 332 м, 344 м, 359 м), всего 20 гидростатических нивелиров.

По измеренным относительным осадкам можно методом наименьших квадратов построить прямую, угловой коэффициент которой дает угол поворота горизонтального сечения плотины, расположенного вдоль оси гидростатического нивелира. Начальная эксплуатация плотины показала, что утлы поворота горизонтальных радиальных сечений плотины, вычисляемые по данным измерений относительных осадок марок поперечных гидростатических нивелиров, являются одними из наиболее эффективных диагностических показателей. Поэтому в процессе эксплуатации число контролируемых горизонтальных сечений (поперечных гидронивелиров) было увеличено до 35.

Анализ погрешности показал, что максимально возможная среднеквадратическая погрешность измерения и вычисления утла поворота радиального сечения плотины (оси гидр о нивелир а) не превышает 0,7 сек.

В таблице П.П.2 приведены вычисленные по измеренным относительным осадкам марок поперечных гидронивелиров углы поворота одного из сечений плотины: ключевое сечение (секция 33), контакт плотины со скальным основанием {отм. 308 м),

Таблица П.П.2 - Угол поворота радиального сечения плотины (сек)

Наполнение

Из таблицы П.П.2 видно, что:

вычисленные по данным измерений углы поворота горизонтального сечения на контакте ключевой консоли с основанием существенно больше погрешности их вычисления и измерения (0,7 сек);

углы чутко реагируют на изменения УВБ;

устойчивые и физически оправданные изменения углов в различные годы и циклы сработки - наполнения позволяют рассчитывать на возможность построения достоверной прогнозной модели и построение статистической прогнозной модели для углов.

Сказанное выше относится ко всем сечениям, в которых установлены поперечные гидронивелиры. Таким образом, углы поворота осей поперечных гидронивелиров обладают свойствами, указанными в п. 2.11 «Методики», и были приняты в качестве диагностических показателей состояния.

2.3. Необратимые радиальные перемещения

Среди эксплуатационных показателей состояния одними из важнейших показателей являются необратимые перемещения сооружения. При постановке сооружения под нагрузку и в первые годы его начальной эксплуатации происходит адаптация сооружения к окружающей его среде; при этом наблюдается: разгрузка скального основания;

возникновение и развитие не учтенных в проекте нарушений сплошности (трещин, раскрывающихся швов) в системе сооружение-основание;

геологические процессы (ползучесть молодого бетона, псевдопластические деформации грунтов);

рост противодавления на подошву сооружения.

В процессе адаптации происходят необратимые перемещения сооружения. Общепринято считать, что при обеспеченной надежности сооружения необратимые перемещения должны стабилизироваться в течение первых нескольких лет начальной эксплуатации.

Примечаиие - Под необратимыми понимаются те перемещения, которые остаются в сооружении после снятия нагрузки. Полностью разгрузить эксплуатируемое гидротехническое сооружение (например, осушить водохранилище) невозможно. Поэтому вопрос о том, какую часть общего (измеренного) перемещения определить как необратимое слагаемое, решается неоднозначно. Для ГЭС с годичным регулированием стока простейшим определением необратимого перемещения за год (цикл наполнения - сработки) будет разность перемещений при минимальных (равных УМО) УББ на соседних ветвях сработки.

В таблице П.П.3 приведены величины необратимых радиальных перемещений гребня ключевого сечения плотины Саяно-Шушенской ГЭС за первые 4 года эксплуатации после достижения водохранилищем НПУ:

Таблица П.П.3 - Необратимые радиальные перемещения (мм)

Из таблицы П.П.3 видно, что за 4 года необратимые перемещения гребня плотины составили 31 мм. Размах полных (измеренных) перемещений за период наполнения от УМО отм. 500 м до НПУ отм. 540 м в эти годы составлял 83 - 91 мм (см. таблицу П.П.1). Очевидно, что нельзя пренебрегать столь значительными необратимыми перемещениями при оценке безопасности плотины.

Погрешность измерения перемещений с помощью отвесов составляет 0,52 мм (см. выше), то есть существенно меньше контролируемой величины необратимых перемещений. Поэтому необратимые перемещения гребня приняты в качестве диагностического показателя состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

3. Поверочные расчеты (идентификация и калибровка расчетных моделей)

При сравнении измеренных диагностических показателей с результатами проектных расчетов различие между расчетными и измеренными параметрами зачастую столь значительно, что сравнение данных расчетов и натурных измерений не позволяет корректно судить о состоянии сооружения. Причинами существенных различий между расчетом и натурой могут быть:

1) недостаточное соответствие проектной расчетной модели реальной работе сооружения;

2) несоответствие физико-механических характеристик материалов, заложенных в расчетную модель сооружения и его основания, их реальным свойствам.

После нескольких лет эксплуатации и натурных наблюдений за работой ГТС производится корректировка расчетных моделей и выполнение новой серии поверочных расчетов, позволяющих уточнить прогноз и критериальные значения К1, К2. Согласно разделу 4 [1] корректировка включает:

идентификацию (отождествление) расчетной модели и натуры путем проверки гипотез модели на основе натурных наблюдений;

калибровку расчетной модели - уточнение физико-механических характеристик материалов сооружения и основания (уточнение значений коэффициентов разрешающих уравнений модели),

3.1. Идентификация расчетной модели

Технический проект. На стадии технического проекта (1970 г.) статический расчет плотины выполнялся традиционным для того времени методом пробных нагрузок (арок-консолей), разработанным в Бюро Мелиорации США, Основные гипотезы метода:

гипотеза среды - тело плотины сплошное, без трещин и швов;

гипотеза материала - упругий, линейно деформируемый;

гипотеза формы - справедлива гипотеза прямых нормалей (оболочка типа Э. Рейсснера); основание - упругая линейно деформируемая опора (схема учета податливости основания, разработанная Ф. Фогтом).

Плотина схематизировалась как симметричная относительно ключевого сечения. Число расчетных арок - пять, число расчетных консолей на половине развертки плотины - шесть. Дальнейшие расчеты, а также натурные наблюдения за работой плотины показали, что расчетные модели, принятые на стадии технического проекта столь напряженной конструкции, как плотина Саяно-Шушенской ГЭС, не учитывают многих особенностей работы плотины и ее основания.

Рабочие чертежи. На стадии рабочих чертежей были использованы более совершенные модели, реализованные на ЭВМ в виде программных комплексов:

программа ТОРМАК (теория оболочек, метод арочно-консольных направлений), разработанная в Ленгидропроекте;

программа ПРОЗА (пространственная задача), разработанная в НИС Гидропроекта; программа СИПРАМАК (система программ расчета массивных конструкций), разработанная в Ленгидропроекте.

Методика расчета, реализованная в программе ТОРМАК, по своим гипотезам мало отличалась от метода пробных нагрузок. Основное различие заключалось в том, что применение ЭВМ позволило существенно уточнить расчет за счет сгущения сетки расчетных арок и консолей. В проектных расчетах плотины по программе ТОРМАК на полной развертке плотины принималось 15 арок и 23 консоли.

В программах ПРОЗА и СИПРАМАК была реализована модель трехмерной задачи линейной теории упругости. Обе программы базировались на использовании метода конечных элементов. В ПРОЗЕ использовались барицентрические призматические элементы, в СИПРАМАК - криволинейные изопараметрические элементы высокого порядка точности.

Переход на расчетную модель трехмерной задачи линейной теории упругости позволил существенно приблизить расчетную модель к реальной работе сооружения за счет:

отказа от гипотезы прямых нормалей, справедливой лишь для тонких плотин (а плотина Саяно-Шушенской ГЭС арочно-гравитационная);

включения в расчетную область активной зоны основания плотины, что позволило оценить напряженное состояние основания и уточнить напряженно-деформированное состояние зоны контакта плотины с основанием;

учета последовательности возведения и нагружения плотины,

Ниже, в таблице П.П.4, дано сравнение напряжений в четырех характерных точках плотины, определенных в рамках расчетных моделей, использованных на стадиях технического проекта и рабочих чертежей. В таблице приведены главные напряжения от основного сочетания нагрузок в следующих точках (рис. П.1 а, б):

А_низ - точка пересечения низовой грани ключевой консоли с основанием; А_верх - точка пересечения верховой грани ключевой консоли с основанием, где в линейно упругих моделях имеют место максимальные консольные напряжения (рис, П4.1 а); точки В_верх , В_низ, где возникают максимальные сжимающие напряжения арочного направления (рис. П.1 б)

Таблица П.П.4 - Главные напряжения в плотине (основное сочетание нагрузок), МПа

Приводимые здесь и ниже данные взяты из отчета «Сводная расчетная записка арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС», 2-я редакция, инв. № 1047-10-157т. - СПб.: Ленгидропроект, 2000 г.

Из таблицы П.П.4 видно, что с уточнением расчетной схемы максимальные главные сжимающие напряжения в точках А_низ, В_низ, В_верх изменились незначительно, а растягивающие главные напряжения в точке А_верх изменились существенно (выросли с 1,09 МПа до 5,6 МПа). Растягивающие напряжения вблизи точки А_верх существенно превысили прочность бетона на растяжение (2 - 3 МПа). Поэтому гипотеза сплошности, принятая в предыдущих расчетных моделях, не соответствует реальности, и трещинообразования вблизи контакта бетон-скала со стороны верховой грани плотины избежать невозможно.

Таким образом, сравнение результатов статических расчетов, выполненных на стадии технического проекта и рабочих чертежей, показало, что расчетная модель плотины нуждается в дальнейшем уточнении, в первую очередь, за счет возможности учета образования и продвижения трещин. Опыт начальной эксплуатации подтвердил это.

Примечание - На стадии проекта глубина возможного проникновения трещин под верховой столб плотины прогнозировалась (по величине зоны растяжения в линейно упругом расчете) не более чем на 10 м. На практике горизонтальные трещины на контакте бетон-скала распространились на треть сечения, и глубина их достигла 30 - 35 м.

Корректировка расчетной модели на стадии начальной эксплуатации. Натурные наблюдения за плотиной в первые годы эксплуатации показали, что нарушения сплошности под верховой гранью плотины существенно превосходят проектные предположения. С целью более достоверной оценки реального состояния плотины генеральным проектировщиком (Ленгидропроектом) в 1994 г. была начата серия статических и динамических расчетов плотины по программе СИПРАМАК. Учитывая особую ответственность сооружения и наличие в нем крупных трещин, в 1996 г. было принято решение провести независимо серию расчетов в рамках альтернативной расчетной модели по другим программам (программный комплекс COSMOS-M) и другими специалистами (ЦСГНЭО). Главные задачи, которые ставились в этих расчетах:

учесть возможное возникновение несплошностей в плотине и основании (образование трещин, раскрытие швов);

учесть реальную последовательность возведения и нагружения на формирование напряженно-деформированного состояния плотины (реальная последовательность возведения существенно отличалась от проектной);

выявить возможную погрешность расчетных моделей путем сопоставления данных расчетов по двум моделям с данными натурных наблюдений.

Примечание - Реальная последовательность возведения плотины существенно отличалась от проектной. Главное отличие заключалось в том, что в период строительства и постепенного наполнения водохранилища реальная плотина длительное время работала неполным сечением. Низовой (четвертый) столб плотины был возведен значительно позже, чем это предусматривалось проектом, и включился в работу, когда значительная часть напора была воспринята первыми тремя столбами.

Учет продвижения трещин и последовательности возведения плотины принципиально менял расчетную модель и означал переход на неупругие расчетные модели. Неупругие задачи не имеют единственного решения, изменение последовательности возведения существенно влияет на результаты расчетов. В поверочных расчетах сценарий возведения и нагружения был представлен в виде нескольких дискретных этапов. Для учета образования и продвижения трещин в трехмерную конечно-элементную модель системы плотина-основание были введены специальные двумерные стыковочные элементы (типа Гудмена-Тэйлора-Брекке).

Вычисленные после уточнения расчетной модели величины глубины распространения трещин при росте УВБ от отм. 500 м (УМО) до отм. 540 м (НПУ) приведены в таблице П.П.5:

Таблица П.П.5 - Глубина раскрытия швов (м)

Выполненная корректировка расчетной модели позволила существенно сблизить результаты расчетов и данные натурных измерений. В частности, расчеты показали, что в системе плотина-основание со стороны верховой грани на отм. 308 (контакт плотины с основанием) и на отм. 350 м образуются две магистральные трещины. Характер трещинообразования в расчетах и в натуре оказался весьма схожим.

Таким образом, основное отличие линейно упругой проектной модели для плотины Саяно-Шушенской ГЭС от выявленной на стадии начальной эксплуатации реальной работы плотины заключалась в том, что не было учтено образование и развитие горизонтальных трещин со стороны верховой грани вблизи контакта плотины с основанием. В дальнейшем (начиная с 1996 года) все поверочные расчеты плотины выполнялись в неупругой постановке с учетом образования и развития трещин в теле плотины и ее основании.

3.2. Калибровка расчетных моделей

В п. 4.8 «Методики» описана общая схема калибровки (уточнения физико-механических характеристик материалов плотины и основания, заложенных в детерминистические расчетные модели). Рассмотрим возможные процедуры калибровки на примере плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

Первые сопоставления данных натурных измерений с результатами расчетов, выполненных на стадии технического проекта и рабочих чертежей, показали, что расчетные приращения перемещений при росте УВБ систематически превосходят измеренные примерно на 30% (см. таблицу П.П.6).

Таблица П.П.6 - Приращения радиальных перемещений гребня 18-й, 33-й, 45-й секций плотины при подъеме УВБ от отм. 500 до отм. 540 м (мм)

Из таблицы видно, что для ключевой секции 33 расчетные перемещения больше измеренных в 1993 г. - в 115/90,9 = 1,26 раза, в 1994 г. - в 115/83,1 = 1,38 раза. На основании подобных сравнений экспертами (специалистами Ленгидропроекта и СШ ГЭС) был сделан вывод о том, что реальная жесткость (модуль деформации) бетона плотины выше проектной. Проектный модуль деформации бетона плотины был принят равным 25000 МПа в соответствии с рекомендациями действовавших норм СНиП II-54-77 «Плотины бетонные и железобетонные». На основании сделанного вывода, начиная с 1994 г., во всех расчетах конструкционный модуль деформации бетона плотины был принят равным 32000 МПа. Однопараметрическое увеличение модулей деформации плотины и основания в 1,3 раза в линейно упругой задаче приводит к уменьшению расчетных перемещений во столько же раз. Такая простейшая процедура калибровки позволила существенно сблизить данные расчетов и натурных измерений. В этом легко убедиться, разделив расчетные перемещения таблицы П.П.6 на 1,3.

Рассмотрим более строгую и формализованную процедуру калибровки.

Примечание - Проектные расчеты выполнялись в трехмерной постановке. В рассматриваемом примере для простоты далее использована двухмерная расчетная модель теории оболочек средней толщины (см. Л.А. Гордон, И.К. Соколовский, Л.Х. Цовикян «Прогноз перемещений арочной плотины на основе идентифицированной расчетной модели», - Известия ВНИИГ, т. 214, 1989 г. В этой модели были приняты следующие модули деформации материалов плотины и основания: Е_пл - 30000 МПа, Е_осн = 20000 МПа.

Выберем J циклов натурных измерений некоторого диагностического показателя (например, приращения радиальных перемещений δХ) в I точках и введем следующую тради­ционную меру близости D расчетных диагностических показателей (расчетных приращений перемещений) к измеренным

где  - измеренные значения приращений перемещений в i-ой точке на j-ом цикле измерений;

 расчетные значения перемещений в /-ой точке, соответствующие УВБ и температурам j-го цикла.

Если измеренные и расчетные показатели совпадают, то D = 0. Чем сильнее различаются измеренные и расчетные показатели, тем больше D. Например, для данных измерений, приведенных в таблице П.П.6, где два цикла измерений (мах УВБ 1993 и 1994 гг.) и три точки (гребень 18-й, 33-й,45-й секций), функционал D будет:

D = {[F(18)-66,l]²+[F(33)-90,9]² + [F(45)-59,8]²+[F(18)-61,7]²+[F(33)-83,l]² + [F(45)-51,8]²},

где величины F(18), F(33), F(45) - расчетные приращения перемещений гребня 18-й, 33-й, 45-й секций при подъеме УВБ от отм. 500 м до отм. 540 м. Для расчетной модели, данные которой приведены в таблице П.П.6 (E_пл = 30000 МПа, E_осн - 20000 МПа), значения этих параметров были: F(18) = 93 мм, F(33) - 115 мм, F(45) - 97 мм.

Вычислим меру погрешности D₀ подставив в D расчетные значения F(18), F(33), F(45):

D₀ = (93-66,1)² + (115-90,9)²+(97-59,8)² + (93-61,7)² + (115-83,l)²+(97-51,8)² = 723,6 + 580,8 + 1383,8 + 979,7 + 1017,6 + 2043,0 = 6728,5.

Откалибруем расчетную модель (подберем такие значения Е_пл и Е_осн, чтобы мера погрешности D уменьшилась), приняв за нулевое приближение приведенные проектные значения приращений перемещений.

В соответствии с процедурой, описанной в п, 4.8 «Методики», проварьируем Е_пл , E_осн : дадим Е_пл , Е_осн приращения, увеличив их однопараметрически, например, в 1,2 раза, т.е. примем

 = 30000 Ч 1,2 = 36000 МПа;  = 20000 Ч 1,2 = 24000 МПа.

Поскольку все расчетные модули деформации в линейно деформируемой системе увеличились в 1,2 раза, то все расчетные перемещения уменьшились в 1,2 раза. Поэтому, не пересчитывая систему плотина-основание, можно получить расчетные перемещения при модулях ,  делением на 1,2 данных расчета таблицы П.П.6 (см. таблицу П.П.7):

Таблица П.П.7 - Приращения радиальных перемещений гребня 18-й, 33-й, 45-й секций плотины при подъеме УВБ от отм. 500 до отм. 540 м (мм).

Расчетный Е_пл = 36000 МПа

Вычислим меру погрешности D₁ для первого приближения калибровки, взяв расчетные и измеренные перемещения из таблицы П.П.7

D₁ = (77,5-66,1)² + (95,8 - 90,9)² + (80,8 - 59,8)² + (77,5 - 61,7)² + (95,8 - 83,1)² + (80,8-51,8)² = 132,2 + 24,0 + 441 + 249,6 + 161,3 + 841 = 597,2 + 1251,9 = 1849,1.

Легко видеть.что мера погрешности уменьшилась (D₁ = 1849,1 < D₀ = 6728,5), следовательно, первое приближение предпочтительнее нулевого. Действительно, например, на гребне ключевого сечения разница измеренных и расчетных перемещений при нулевом приближении составляла 115 - 83,1 = 31,9 мм, а при первом приближении 95,8 - 83,1 = 12,7 мм.

Примечания

1 Процедура калибровки, приведенная выше, позволила лишь уменьшить меру погрешности D, но не позволила достичь минимума. Процедуру калибровки можно продолжить, дав новые приращения модулям первого приближения. Можно показать, что погрешность станет еще меньше, если принять Е _пл = 39000 МПа, Е_осн = 26000 МПа.

2 Значение конструкционного модуля деформации плотины СШ ГЭС после калибровки (39000 МПа) не противоречит реальности, так как модуль деформации бетона плотины СШ ГЭС в образце выше 40000 МПа.

3 Легко заметить, что погрешность модели существенно больше возле правого берега (секция 45). Продолжая процесс калибровки (введя разные модули скалы для правого и левого берегов), можно в рамках рассмотренной выше относительно простой прогнозной модели добиться погрешности прогноза 10-12 мм.

4 Построенная прогнозная модель весьма груба (абсолютная погрешность в 21 мм эквивалентна изменению УВБ на 5 м), так как прогноз производится на основе расчета на одно (главное) воздействие - гидростатическое давление верхнего бьефа. Для плотины Саяно-Щушенской ГЭС вторыми по значимости являются температурные воздействия (сезонные колебания температур). Перемещения от температур достигают 30% суммарных перемещений. Учет в прогнозной модели температурных воздействий позволяет существенно повысить точность прогноза.

5 Приведенную процедуру калибровки можно рассматривать как начало итерационного процесса минимизации функционала D методами покоординатного спуска (локальных вариаций). В настоящее время разработан весьма широкий арсенал методов и программных средств минимизации функционалов типа рассмотренного. Их следует использовать, особенно в более сложных задачах, когда вектор модулей содержит более двух компонент, число точек и циклов измерений больше двух-трех (как в рассмотренном простом примере).

6 Аналогичную калибровку можно независимо провести для других диагностических показателей (например для напряжений). При этом вектор расчетных модулей может несколько отличаться от вектора модулей для перемещений.

4. Построение прогнозных моделей

Оперативная оценка эксплуатационного состояния сооружения включает не только сравнение диагностических показателей с их критериальными значениями, но и проверку попадания измеренного значения в прогнозируемый интервал.

Прогнозная модель - это зависимость (формула), график или правило, с помощью которого можно вычислить ожидаемое значение диагностического показателя при любых текущих значениях нагрузок и воздействий и тем самым предсказывать (прогнозировать) величину диагностического показателя,

«Методика» (п. 4.1) допускает использование трех типов прогнозных моделей - детерминистической, статистической и смешанной.

4.1. Детерминистическая прогнозная модель

Прогнозные модели на стадии проецирования базируются на детерминистических расчетных моделях (п. 4.1 «Методики»),

Проектные расчеты по обоснованию устойчивости, механической и фильтрационной прочности ГТС по существу являются прогнозными. Однако они выполняются не на реальные нагрузки и воздействия, а на регламентир о ванные нормами гипотетические экстремальные сочетания нагрузок. Предполагается, что превышение реальными нагрузками расчетных сочетаний маловероятно.

В качестве примера рассмотрим прогнозную детерминистическую модель, построенную генеральным проектировщиком (Ленгидропроектом) на стадии проектирования для радиальных перемещений плотины Саяно-Шушенской ГЭС.

На ветви наполнения водохранилища проектной организацией было выполнено нес­колько статических расчетов плотины на действие приращений гидростатического давле­ния верхнего бьефа при УВБ, меняющемся от УМО на отм. 500 м до НПУ отм. 540 м (УВБ отм. 500, 510, 520, 530, 540 м).

Данные расчетов на приращение УВБ приведены в таблице П.П.8.

Таблица П.П.8 - Приращение радиальных перемещений гребня плотины в ключе (мм)

Примечание

1 Расчет плотины на основное сочетание нагрузок в рамках той же расчетной модели, что использована для прогноза при текущих нагрузках, дает величину радиального перемещения гребня в ключе F_осн = 133,2 мм.

2 Для сравнения в таблице П.П.8 приведены данные натурных измерений за четыре года.

Данные расчетов (второй столбец таблицы П.П.8) использованы в качестве прогнозной модели. В качестве диагностического показателя взято приращение радиального перемещения U_изм (УВБ) при подъеме УВБ от УМО (отм. 500 м) до текущего УВБ.

Пусть в дни проверки УВБ был на отм, 523,3 м и 535 м. Тогда путем линейной интерполяции расчетных данных, приведенных во втором столбце таблицы П.П.8, прогнозируемые значения диагностического показателя будут

U (523,3) = 10,1 + 17,9 + 22,9/3 = 35,6 мм

U_прог (535) = 10,1 + 17,9 + 22,9 + 40,7/2 = 71,25 мм.

Реальные данные натурных измерений при УВБ отм. 523,3 м за четыре года наблюдений (1990-1993 гг.) дали следующие величины U_изм (523,3) и U_изм (535), см. таблицу П.П.9:

Таблица П.П.9 - Измеренные приращения радиальных перемещений гребня плотины в ключе при подъеме УВБ от УМО 500 м до НПУ 540 м

Сравнение измеренных перемещений с прогнозируемыми расчетами (см. таблицы П.П.8, П.П.9) показывает, что на ветви наполнения погрешность проектной прогнозной модели, основанной на статическом расчете плотины на действие гидростатического давления верхнего бьефа, достигает в 1992 г. величины 44,2-35,6 ≈ 9 мм. Изменение УВБ на 1 м в диапазоне УВБ отм. 520 - 540 м приводит к изменению радиальных перемещений гребня плотины в ключе примерно в 3 мм. Можно заметить, что погрешность приведенной выше прогнозной модели (см. таблицы П.П.8, П.П.9) несколько увеличивается от 1990 г. к 1993 г. Это объясняется отчасти тем, что в прогнозной модели не учитывалось имевшее место развитие трещин в плотине и основании и обусловленное ростом трещин накопление необратимых радиальных перемещений. Таким образом, погрешность проектного прогноза на ветви наполнения примерно эквивалентна изменению УВБ в 3 м. На ветви сработки погрешность модели столь велика (из-за неучета в ней температурных воздействий и необратимых перемещений), что вряд ли может использоваться в качестве прогнозной.

Примечания

1 Выше приведена упрощенная, грубая расчетная модель, использующая расчет плотины на одно воздействие (гидростатическое давление ВБ на напорную грань плотины). Реально используемая модель учитывает также температурные воздействия и существенно точнее. При учете температурных воздействий прогнозируемые (расчетные) радиальные перемещения на ветви наполнения при высоких УВБ несколько уменьшатся (так как ветвь наполнения реализуется летом - осенью, когда плотина «теплая»), а на ветви сработки перемещения увеличатся (так как зимой - ранней весной плотина «холодная»).

2 На крупных гидроузлах прогнозной моделью может служить программа расчета ГТС на ЭВМ, позволяющая оперативно выполнять требуемые расчеты на текущие (действующие на момент проверки) нагрузки и воздействия и их приращения.

4.2. Статистическая (регрессионная) прогнозная модель

Статистическая (регрессионная) прогнозная модель строится на базе обработки данных натурных измерений диагностического показателя за предыдущий период.

В настоящее время существует большое количество промышленных программ, позволяющих оперативно проводить регрессионный анализ силами службы эксплуатации. Самой распространенной из таких программ является входящая в пакет Microsoft Office электронная таблица Excel. В главном меню Excel имеется меню «сервис» - «анализ данных», которое предоставляет пользователю возможность статистической обработки данных, в том числе и построение регрессионных зависимостей.

Приложение Р
НАЗНАЧЕНИЕ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ И ИХ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДЛЯ ГТС, ГРЭС И ТЭС (НА ПРИМЕРЕ ЗОЛОШЛАКООТВАЛА КИРОВСКОЙ ТЭЦ-3)

Гидротехнические сооружения ГРЭС и ТЭС_Г работающих на твердом топливе, имеют в своем составе золошлакоотвал (ЗШО), который, являясь сложным напорным ГТС, обладает рядом специфических особенностей:

совпадение сроков строительства и эксплуатации; только в период строительства первичной дамбы золошлакоотвал, как правило, еще не эксплуатируется. В дальнейшем, в период эксплуатации, осуществляется многократное поочередное возведение его элементов: намыв золошлакового материала, отсыпка на нем дамб ярусов наращивания и т.д., таким образом, параметры конструкции сооружения изменяются во времени;

возведение сооружения из материала, свойства которого обусловлены процессом намыва, и улучшить или изменить их каким-либо другим способом практически невозможно; в дальнейшем ЗШМ служит основанием, а иногда используется в качестве строительного материала для возведения ярусов наращивания ограждающих и разделительных дамб;

различие функций, выполняемых напорными элементами золошлакоотвала: дамбами первичной, разделительной и ярусов наращивания, а также упорной призмой сооружения по мере его роста; каждый из этих элементов вступает в работу по мере возведения самостоятельно или совместно с другими элементами. С увеличением высоты сооружения усиливается роль намытого материала в формировании откоса, наружная грань которого образована первичной дамбой и дамбами наращивания. Главным элементом откоса становится намытый ЗШМ - он обеспечивает надежность сооружения и возможность его наращивания и т.д.

При назначении контролируемых показателей состояния и определении их критериальных значений ЗШО и его элементов необходимо учитывать специфику эксплуатации золошлакоотвалов в целом, а также конкретного сооружения в частности.

При оценке состояния эксплуатируемого ЗШО необходимо контролировать качественные и количественные показатели состояния, а также нагрузки и воздействия с целью контроля соответствия параметрам и значениям, при которых были определены критериальные значения контролируемых показателей К1 и К2.

Перечень контролируемых качественных диагностических показателей состояния ЗШО и соответствующие критерии безопасности приведены в таблице П.Р.1.

Таблица П.Р.1 - Качественные показатели состояния золошлакоотвала