Accounting for the filling of the reservoir when calculating the stress-strain state of a concrete dam

Cover Page

Abstract


The aim of work. The paper considers the issue of reservoir accounting when calculating the stress-strain state of a concrete dam and its foundation. Solution technique. As a rule, reservoirs on a global scale represent a large gravitational mass in the form of water, which affects the engineering-geological situation in a large deep of rocks foundation. To study this factor, an investigation was made of the power component of the reservoir on the basis of the “reservoir - structure - rock foundation” system. For the calculations, the hydro power plant of Boguchanskaya HPP was selected, which is part of the Angara river cascade and is located in Siberia. To perform the stress-strain state calculations, a three-dimensional mathematical finite element model of the “reservoir - structure - rock foundation” system was created on the basis of which the predicted values of the calculated draft of the concrete dam are determined. The mathematical model consists of a fragment of the rock foundation, represented by the lithosphere and the upper part of the asthenosphere. To verify the proposed reservoir account, the predicted sediment values were compared with geodesic data, while the comparison results showed a high degree of correlation. A high degree of correlation suggests that the proposed method predicts the rock foundation and structure sediments quite well when filling the reservoir. Results. The results of the conducted investigations and comparisons of calculated and field data have shown the necessity of reservoir accounting when calculating predictions of sediment values of hydraulic structures and their rock foundation. This forecast is quite important in determining the criterial values of diagnostic indicators for the safety control of the structure.


Введение Водохранилища, создаваемые при сооружении гидроузла, являются источниками сильных техногенных воздействий на геологическую среду [1-6]. Создаваемые водохранилища формируют на большой территории техногенную гидрогеологическую обстановку. Создание водохранилищ приводит к неустановившимся фильтрационным процессам в больших массивах оснований плотин, проявляющихся в изменении силовых и температурных воздействий на горные породы. На плотинах проводятся многочисленные натурные исследования, в частности ведется мониторинг за осадкой сооружений как в строительный период, так и в период наполнения и эксплуатации сооружения. Многие авторы, ведущие наблюдения за осадкой, отмечают, что при наполнении водохранилища плотины приобретают дополнительную осадку [7-11]. Силовое воздействие на систему «водохранилище - сооружение - основание» со стороны водохранилища проявляется через несколько форм, среди которых можно выделить основные, проявляющиеся вследствие фильтрационных воздействий на массив основания и берегов, а также оставшийся в верхнем бьефе «неизрасходованный» на формирование фильтрации напор. Фильтрационные воздействия на породы основания проявляются в виде поверхностных и объемных сил. Цели исследования и постановка задачи Целью настоящей работы является определение реальной осадки ложа водохранилища с учетом давления веса водохранилища. В статье в качестве примера описываются исследования влияния водохранилища на напряженно-деформированное состояние плотины Богучанской ГЭС на основе пространственных конечно-элементных моделей системы «водохранилище - сооружение - основание». В исследованиях использовалась математическая конечно-элементная модель системы «водохранилище - сооружение - основание» в трехмерной постановке. Разработка математических моделей велась с учетом рекомендаций и наработок [12-16], которые позволили достичь высокой точности расчетов. В связи с тем, что, как правило, водохранилище ГЭС распространяется на многие километры, исследования были проведены для двух математических моделей: · общая модель, включающая территорию в несколько десятков километров, для определения общей осадки ложа водохранилища; · локальная модель, позволяющая проанализировать воздействие водохранилища на бетонную плотину. Результаты исследований Зона водохранилища Богучанской ГЭС затрагивает огромную территорию, представленную на рис. 1. Общая модель включает фрагмент основания (литосферы и верхней части астеносферы), подверженный нагрузке, вызванной весом воды в водохранилище (рис. 2). Рис. 1. Карта расположения Богучанского водохранилища [Figure 1. Location map of the Boguchansky reservoir] Axis of the Angara river Рис. 2. Общая модель системы «водохранилище - основание» [Figure 2. General model of the “reservoir - foundation” system] Основание представлено прочными материалами, в связи с этим в расчетах приняты линейноупругие модели материалов. Однако, как известно, чем глубже от дневной поверхности расположен грунт, тем он более прочный, соответственно, с глубиной дополнительные деформации от нагрузки уменьшаются. Для этого основание по высоте было разбито на слои с разными модулями деформации. Так как глубины расчетной области достаточно большие, физико-механические параметры для них были определены исключительно математически (на основе зависимости модуля деформации от скорости прохождения сейсмических волн), исходя из распределения скоростей продольных сейсмических волн [17]. Значения физико-механических параметров сведены в таблице. Результаты расчета деформированного состояния основания представлены на рис. 3. Как видно из рис. 3, после начала наполнения водохранилища постепенно под действием веса воды основание начинает прогибаться. Заметно, что при наполнении водохранилища высотой 73 м до отметки НПУ дополнительные вертикальные перемещения ложа водохранилища составляют 143 мм. Физико-механические параметры [Table. Physico-mechanical parameters] Таблица № материала [Item no.] E, МПа [E, MPa] ν γ, тc/м3 [γ, tf/m3] tgφ С, МПа [С, MPa] Название [Name] 1 16 000 0,20 - - - 1-й слой земной коры [1st layer of the earth's crust] 2 55 000 0,20 - - - 2-й слой земной коры [2nd layer of the earth's crust] 3 100 000 0,20 - - - 3-й слой земной коры [3rd layer of the earth's crust] 4 100 000 0,20 - - - астеносфера [asthenosphere] Vertical displacement, mm Рис. 3. Дополнительная осадка ложа водохранилища при его наполнении до отметки нормального подпорного уровня (НПУ) [Figure 3. Additional sediments of the reservoir bed when it is filled to the normal retaining level] При рассмотрении плана перемещений, а также разреза вдоль русла реки вблизи ГЭС (рис. 4.), можно увидеть, что вокруг водохранилища образуется так называемая «воронка проседания», которая распространяется на расстояние порядка 90 км. Натурные геодезические измерения, как правило, привязываются к фундаментальному реперу, и все измерения отсчитываются исходя из того, что репер неподвижен. Однако, как видно из рис. 4, фундаментальный репер, который обычно относится подальше от сооружения (порядка 2 км) и считается неподвижным, в свою очередь, попадает в ту самую «воронку проседания», тем самым приобретая дополнительное перемещение. В связи с этим при сравнении расчетной осадки и измеренной геодезией необходимо учитывать именно относительную расчетную осадку (относительно фундаментального репера). Сравнение осадки показано на рис. 5. Fundamental reference Dam of Boguchanskaya HPP Vertical displacement, mm Рис. 4. Вертикальные перемещения на разрезе вдоль русла реки [Figure 4. Vertical displacements in the section along the river bed] calculated data field observation vertical displacement, mm upstream level уровень верхнего бьефа (УВБ) upstream level Рис. 5. Сравнение расчетной осадки и натурных геодезических наблюдений [Figure 5. Comparison of calculated sediment and field geodesic observations] Выводы Расчеты показали, что наполнение водохранилища влияет на окружающую инженерно-геологическую обстановку. В частности, создание водохранилищ приводит к проседанию, пусть даже небольшому, поверхности вокруг самого водохранилища. Но что самое важное, наполнение водохранилища влияет на глобальные перемещения плотины.

Igor V Baklykov

JSC “Institute Hydroproject”

Author for correspondence.
Email: moscow_igor88@mail.ru
2 Volokolamskoe Shosse, Moscow, 125080, Russian Federation

Leading Engineer of the JSC “Institute Hydroproject”

  • Savich A.I., Gaziev Eh.G. (2005). Vliyanie vodohranilishch na povedenie skal'nyh massivov osnovanij vysokih plotin [Influence of reservoirs on the behavior of rock massifs in the foundations of high dams]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (11), 33–37. (In Russ.)
  • Tetel'min V.V., Ulyashinskij V.A. (1990). Tekhnogennye vozdejstviya i processy v skal'nyh osnovaniyah plotin [Man-caused impacts and processes in rock bases of dams]. Moscow: Ehnergoatomizdat publ., 160. (In Russ.)
  • Balavaze B.K., Abashidze V.G. (1985). Naklony i deformacii zemnoj kory v rajone Ingurskoj GEHS [The slopes and deformations of the earth's crust in the region of the Inguri hydroelectric power station]. Tbilisi: Mecniereba publ., 117. (In Russ.)
  • Savich A.I., Il'in M.M. (2003). Osobennosti vliyaniya vodohranilishch na skal'nye osnovaniya bol'shih plotin [Features of the influence of reservoirs on the rock bases of large dams]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (3), 48–53. (In Russ.)
  • Tetel'min V.V., Baklykov I.V. (2017). Glubinnye processy massoi teploperenosa v osnovaniyah vysokih plotin [Deep processes of mass and heat transfer in the foundations of high dams]. Izvestiya VNIIG, 283. (In Russ.)
  • Zoback M.D. (2010). Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 461.
  • Abakarov A.R., Durcheva V.N. (2004). Sostoyanie Chirkejskogo gidrouzla po dannym mnogoletnih kompleksnyh naturnyh nablyudenij [The state of the Chirkei hydroelectric complex according to the data of long-term complex natural observations]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (9), 43–51. (In Russ.)
  • Durcheva V.N., Puchkova S.M. (2006). Rabota plotiny Burejskoj GEHS pri napolnenii vodohranilishcha [The work of the dam at the Bureyskaya HPP during the filling of the reservoir], Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (1), 8–15. (In Russ.)
  • Marchuk A.N., Marchuk N.A. (2010). Tektonofizicheskie aspekty napryazhyonno-deformirovannogo sostoyaniya bol'shih betonnyh plotin [Tectonophysical aspects of the stressstrain state of large concrete dams], Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (3), 31–34. (In Russ.)
  • Jay N. (2016). Stateler, Brad Iarossi Using monitoring programmes to manage dam safety risks. Hydropower and dams, (4), 90–96.
  • Brouillac P., Carreaud P. (2015). New approaches for improved dam monitoring. Hydropower and dams, (3), 70–75.
  • Volynchikov A.N., Mgalobelov Y.B., Baklykov I.V. (2015). Connecting of the concrete and rock-fill dams at the Boguchanskaya HPP, Power Technology and Engineering, 48(6), 431–438.
  • Lisichkin S.E., Rubin O.D., Shakars I.Eh., Novikov S.P. (1998). Raschyotnaya ocenka napryazhyonnodeformirovannogo sostoyaniya levogo bloka zdaniya Plyavin'skoj GEHS s uchyotom dannyh naturnyh nablyudenij [A computational estimate of the stress-strain state of the left block of the Plavinskaya HPP building, taking into account the field observations], Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (2), 47–53. (In Russ.)
  • Rubin O.D., Lisichkin S.E., Grebenshchikov V.P., Cybakov V.A., Nefyodov A.V., Katanov A.D., Ponomaryov D.I. (2005). Raschyotnoe obosnovanie reshenij po obespecheniyu nadyozhnosti konstrukcij vodosbrosa № 2 betonnoj plotiny Boguchanskoj GEHS [Calculation justification of the decisions to ensure the reliability of the spillways design of No. 2 concrete dam of the Boguchanskaya HPP]. Izvestiya VNIIG [Proceedings of the VNIIG], 244, 227–233. (In Russ.)
  • Rubin O.D., Lisichkin S.E., Lyapin O.B., Nefedov A.V. (1999). Issledovaniya betonnyh i zhelezobetonnyh ehnergeticheskih sooruzhenij [Investigations of concrete and jelly-zibeton energy facilities], Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (8/9), 22–28. (In Russ.)
  • Kozinec G.L. (2014). Matematicheskoe prostranstvennoe modelirovanie gidroagregatnyh blokov vysokonapornyh GEHS [Mathematical spatial modeling of hydrounit blocks of high-pressure hydroelectric power stations], Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical construction], (11), 22–25. (In Russ.)
  • Glubinnoe stroenie slabosejsmichnyh regionov SSSR [Deep structure of the weakly seismic regions of the USS]. (1987). Moscow: Nauka publ., 238. (In Russ.)

Views

Abstract - 75

PDF (Russian) - 23


Copyright (c) 2018 Baklykov I.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.