Stress-strain state of reinforced concrete structures of the LN-1 and LN-2 retaining walls of Zagorskaya PSPP taking into account the opening of interblock joints and the formation of secondary cracks

Full Text

Введение Низовые подпорные стены водоприемника Загорской ГАЭС длительное время находятся в эксплуатации. При этом левосторонние стены ЛН-2 и ЛН-3 усилены анкерными тягами. Учитывая сезонные особенности работы анкерных тяг (в летний период они ослаблены, а в зимний период включаются в работу), эти стены претерпевают знакопеременные воздействия. В ходе натурных наблюдений и обследований были зафиксированы отклонения в работе от проектных предпосылок. Потребовалось проведение расчетных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) низовых подпорных стен на основе конечно-элементного моделирования. Методы Для исследований НДС приняты характерные конструкции подпорных стен водоприемника ЛН-1 (работающей по консольной схеме) и ЛН-2 (работающей с анкерными тягами, качественно изменяющими характер работы стен). Для определения НДС подпорных стен ЛН-1 и ЛН-2 водоприемника Загорской ГАЭС разработаны математические конечно-элементные модели. При этом учтен отечественный и зарубежный опыт численных исследований подпорных стен и стен камер шлюзов [1-13]. В разработанных конечно-элементных моделях воспроизводились конструктивные особенности подпорных стен (горизонтальные межблочные швы, вторичные наклонные трещины, схемы армирования конструкции, анкерные тяги и др.); особенности характера действия нагрузок (включая давление воды и грунта в основании и в засыпке стен, противодавление в раскрывшихся межблочных швах и наклонных вторичных трещинах); физико-механические характеристики материалов сооружения, грунтов основания и засыпки подпорных стен и др. Схема подпорной стены с грунтовой засыпкой и грунтовыми водами представлена на рис. 1. Виды конечно-элементных моделей представлены на рис. 2 и 3. Расчеты проводились итерационным путем. На каждом последующем этапе расчетов конечно-элементные модели корректировались с учетом полученных на предыдущих этапах результатов. Схема моделирования противодавления воды в горизонтальном межблочном шве и в наклонной вторичной трещине показана на рис. 4. Рис. 1. Уровень грунтовой воды (на отметке 231,0 м) в обратной засыпке низовой подпорной стены водоприемника Загорской ГАЭС Figure 1. Ground water level (at elevation 231,0 m) in the backfill of the lower retaining wall of the intake of the Zagorskaya PSHPP Рис. 2. Вид пространственной конечно-элементной модели подпорной стены ЛН-1 Figure 2. View of the spatial finite element model of the LN-1 retaining wall наклонная трещина oblique crack поперечная арматура transverse reinforcement продольная арматура longitudinal reinforcement блочный шов block joint блочный шов block joint блочный шов block joint продольная арматура longitudinal reinforcement Рис. 3. Моделирование горизонтальной поперечной арматуры, пересекающей наклонную вторичную трещину Figure 3. Modeling of the horizontal transverse reinforcement crossing an oblique secondary crack Tw pw pw межблочный шов interblock joint Рис. 4. Схема моделирования противодавления воды в горизонтальном межблочном шве и в наклонной вторичной трещине Figure 4. Modeling scheme of water backpressure in a horizontal interblock joint and in an inclined secondary crack Результаты и обсуждение Результаты расчетов НДС подпорной стены ЛН-1 с учетом раскрытия межблочных швов. Выполненные на начальном этапе расчеты НДС в упругой постановке показали образование трещин по горизонтальным межблочным швам. С учетом образования и раскрытия трещин по межблочным швам (а также действия противодавления воды в раскрывшихся швах) для вышеуказанных расчетных случаев получено распределение главных растягивающих напряжений в вершинах горизонтальных трещин. При этом направления главных растягивающих напряжений обозначили траектории продвижения наклонных вторичных трещин, образование и продвижение которых происходит в результате раскрытия межблочных швов. Цветовые поля распределения растягивающих напряжений (в МПа), возникающих в процессе формирования наклонных вторичных трещин, выходящих из швов, для вышеуказанного расчетного случая представлены на рис. 5. Рис. 5. Вторичные растягивающие напряжения, МПа, в элементах конструкции подпорной стены ЛН-1 Figure 5. The secondary tensile stresses, MPa, in structural elements of the LN-1 retaining wall] Из анализа выполненных расчетов в стадии работы с горизонтальными трещинами по швам в конструкции нижней подпорной стены ЛН-1 можно заключить следующее. В подпорной стене ЛН-1 возникают вторичные растягивающие напряжения, достигающие максимальной величины 4,3 МПа (в шве на отметке 230,8 м). Вторичные растягивающие напряжения (3,0 МПа) отмечаются также на отметке 235,3 м в месте расположения горизонтального межблочного шва. Полученные величины вторичных растягивающих напряжений вызывают образование вторичных наклонных трещин, выходящих из горизонтальных межблочных швов с выходом на лицевую грань стены. Результаты расчетов НДС подпорной стены ЛН-1 с учетом раскрытия межблочных швов и образования вторичных трещин. Для определения напряжений в арматуре с учетом фактического армирования стены проведены расчеты НДС на стадии раскрытия межблочных швов и образования вторичных наклонных трещин для вышеприведенных расчетных случаев (с учетом действия противодавления воды в раскрывшихся швах и наклонных трещинах). В том числе в конечно-элементных моделях воспроизведены вторичные наклонные трещины, пересекающие поперечную арматуру. При этом смоделировано размещение поперечной арматуры в зонах прохождения вторичных наклонных трещин (под межблочными швами), развитие которых происходит из вершин трещин по раскрывшимся горизонтальным межблочным швам. Расположение расчетных сечений представлено на рис. 6. Результаты расчетов по определению напряжений в продольной и поперечной арматуре с учетом фактического армирования представлены в табл. 1. Как следует из табл. 1, напряжения в горизонтальной поперечной арматуре в зонах вторичных трещин достигают 524,7 МПа, что превышает расчетное сопротивление поперечной арматуры класса А-II, равное Rsw = 230 МПа. Данные результаты свидетельствуют о недостаточном количестве установленной горизонтальной поперечной арматуры. Напряжения в продольной арматуре у тыловой грани достигают 240,6 МПа. Таблица 1 Результаты расчетов стены ЛН-1 по определению напряжений в продольной и поперечной арматуре с учетом фактического армирования Стена № сечения Отметка межблочного шва, м Напряжения σs в продольной арматуре у тыловой грани, МПа Напряжения σsw в горизонтальной поперечной арматуре, пересекающей вторичные трещины, МПа ЛН-1 1-1 226,3 240,6 - 2-2 230,8 211,9 524,7 3-3 235,3 155,4 343,0 Table 1 The calculations results of the wall LN-1 to determine stresses in longitudinal and transverse reinforcement, taking into account the actual reinforcement The wall Section number Interblock joint mark, m Stresses σs in longitudinal reinforcement at the rear face, MPa Stresses σsw in horizontal transverse reinforcement crossing secondary cracks, MPa ЛН-1 1-1 226.3 240.6 - 2-2 230.8 211.9 524.7 3-3 235.3 155.4 343.0 На рис. 7 представлено деформированное состояние железобетонной конструкции подпорной стены ЛН-1 с учетом раскрытия межблочных швов и образования вторичных наклонных трещин. As Рис. 6. Схема расположения расчетных сечений Figure 6. Layout diagram of design sections Рис. 7. Деформированное состояние конструкции подпорной стены ЛН-1 с учетом раскрытия межблочных швов и образования вторичных трещин Figure 7. The deformed state of the retaining wall construction LN-1 taking into account the disclosure interblock joints and secondary cracks formation Результаты расчетов НДС подпорной стены ЛН-2 с учетом раскрытия межблочных швов в случае работы с анкерными тягами. Для определения напряжений в арматуре с учетом фактического армирования стены ЛН-2 проведены расчеты НДС на стадии раскрытия межблочных швов в случае работы с анкерными тягами. При этом происходит качественное изменение схемы работы стены, наличие анкерных тяг вызывает растяжение лицевой грани стены и раскрытие горизонтальных швов с лицевой стороны. В лицевой конструктивной арматуре (не предназначенной для восприятия значительного растяжения) возникают не предусмотренные проектом значительные растягивающие напряжения. На рис. 8 представлено деформированное состояние железобетонной конструкции подпорной стены ЛН-2 с учетом раскрытия межблочных швов в случае работы с анкерными тягами. Рис. 8. Деформированное состояние подпорной стены ЛН-2 в случае работы стены с анкерными тягами Figure 8. The deformed state of the retaining wall LN-2 in the case of wall operation with anchor rods Результаты расчетов по определению напряжений в продольной арматуре с учетом фактического армирования представлены в табл. 2. Как следует из табл. 2, в случае работы стены ЛН-2 с анкерными тягами максимальные напряжения в продольной арматуре у лицевой грани достигают 287,9 МПа (в сечении 3), максимальные напряжения в продольной арматуре у тыловой грани достигают 50,9 МПа (сечение 1). Таблица 2 Результаты расчетов стены ЛН-2 по определению напряжений в продольной арматуре с учетом фактического армирования в случае работы с анкерными тягами Стена № сечения Отметка межблочного шва, м Напряжения σs в продольной арматуре у лицевой грани, МПа Напряжения σs в продольной арматуре у тыловой грани, МПа ЛН-2 1-1 225,8 -18,1 50,9 2-2 230,1 144,7 -23,6 3-3 234,3 287,9 -36,8 Table 2 The calculations results of the wall LN-2 to determine stresses in longitudinal reinforcement, taking into account the actual reinforcement in the case of work with anchor rods The wall Section number Interblock joint mark, m Stresses σs in longitudinal reinforcement at the front face, MPa Stresses σs in longitudinal reinforcement at the rear face, MPa ЛН-2 1-1 225.8 -18.1 50.9 2-2 230.1 144.7 -23.6 3-3 234.3 287.9 -36.8 Анализ состояния и оценка дальнейшей эксплуатации железобетонных конструкций низовых подпорных стен водоприемника. Анализ результатов проведенных натурных обследований показал, что на лицевой поверхности низовых подпорных стен водоприемника Загорской ГАЭС обнаружены протяженные горизонтальные трещины шириной раскрытия до 0,4 мм. Образование горизонтальных трещин свидетельствует о раскрытии горизонтальных межблочных швов и о выходе наклонных вторичных трещин на лицевую поверхность стен. Расчетные исследования НДС и прочности железобетонных конструкций подпорных стен подтвердили образование вторичных наклонных трещин, выходящих из горизонтальных межблочных швов, а также образование сквозных трещин по горизонтальным швам, отделяющих верхнюю часть стен от остального массива стен (в случае работы стен с анкерными тягами). То есть первоначально происходило раскрытие горизонтальных швов с тыловой стороны (при сезонном ослаблении анкерных тяг), а из-за влияния анкерных тяг раскрытие швов происходило с лицевой стороны. Из расчетов НДС подпорной стены ЛН-1 на основе конечно-элементных моделей получены траектории вторичных наклонных трещин и значения напряжений в поперечной арматуре (более 500 МПа) в зонах моделирования вторичных наклонных трещин. Моделирование работы стены ЛН-2 с анкерными тягами показало образование трещин по горизонтальным швам, раскрывающихся с лицевой стороны вследствие изменения расчетных схем из-за наличия анкерной тяги, с высоким уровнем растягивающих напряжений в лицевой арматуре (около 300 МПа), которые могут еще возрасти при непредусмотренных проектом воздействиях. Проведенные расчеты железобетонных конструкций подпорных стен показали, что требуется расчетное поперечное армирование в количестве более 30 см2 на ширину 1 п. м и на 1 п. м высоты стен, в то время как в стенах установлено чисто конструктивное горизонтальное поперечное армирование. Таким образом, для обеспечения дальнейшей безопасной эксплуатации низовых подпорных стен рекомендуется их усиление. При этом в подпорных стенах, работающих по консольной схеме (без анкерных тяг), рекомендуется установить наклонные арматурные стержни в пробуренные отверстия со стороны лицевой поверхности стен для восприятия поперечных усилий и вторичных напряжений и для предотвращения развития вторичных наклонных трещин. Принципиальная схема усиления подпорных стен со стороны лицевой грани представлена на рис. 9. Рис. 9. Принципиальная схема усиления подпорных стен со стороны лицевой грани: 1 - горизонтальные межблочные швы; 2 - вторичные наклонные трещины; 3 - арматурные стержни, установленные в пробуренные скважины Figure 9. Schematic diagram of the reinforcement of retaining walls from the side of the front face: 1 - horizontal interblock joints; 2 - secondary oblique cracks; 3 - reinforcing bars installed in drilled wells ЛН-6 LN-6 ЛН-5 LN-5 ЛН-4 LN-4 ЛН-1 LN-1 ЛН-3 LN-3 ЛН-2 LN-2 Рис. 10. Принципиальная схема усиления лицевой грани стен ЛН-2 и ЛН-3 углеродными лентами Figure 10. Schematic diagram of reinforcing the front face of the walls of LN-2 and LN-3 with carbon tapes В подпорных стенах ЛН-2 и ЛН-3, работающих с анкерными тягами, рекомендуется усиление со стороны лицевой грани стен посредством внешнего армирования углеродными лентами. Принципиальная схема усиления лицевой грани стен ЛН-2 и ЛН-3 углеродными лентами представлена на рис. 10. Заключение Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния выполнялись на основе математических конечно-элементных моделей подпорных стен ЛН-1 и ЛН-2 для двух расчетных случаев: работы стен без анкерных тяг (для ЛН-1) и с анкерными тягами (для ЛН-2). В конечно-элементных моделях воспроизводилось давление грунта и грунтовой воды на тыловую грань стены (при УГВ = 231,0 м), а также противодавление воды в раскрывшихся горизонтальных межблочных швах и наклонных вторичных трещинах. Была усовершенствована методика моделирования подпорных стен с учетом горизонтальных межблочных швов, образования вторичных наклонных трещин, выходящих из швов, а также продольного и горизонтального поперечного стержневого армирования. Из расчетов НДС подпорной стены ЛН-1 на основе конечно-элементных моделей получены траектории вторичных наклонных трещин и значения напряжений в поперечной арматуре (более 500 МПа) в зонах моделирования вторичных наклонных трещин. Недостаточное количество горизонтальной поперечной арматуры требует усиления подпорных стен в зонах горизонтальных межблочных швов. На рис. 9 представлена принципиальная схема усиления подпорных стен посредством наклонных арматурных стержней в зонах горизонтальных межблочных швов. Моделирование работы стены ЛН-2 с анкерными тягами показало образование трещин по горизонтальным швам, раскрывающихся с лицевой стороны вследствие изменения расчетных схем из-за наличия анкерных тяг. При этом требуется усиление стен ЛН-2 и ЛН-3 со стороны лицевой грани. На рис. 10 показана принципиальная схема усиления подпорных стен ЛН-2 и ЛН-3 углеродными лентами со стороны лицевой грани.

About the authors

Nartmir V. Khanov

Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Author for correspondence.
Email: vkhanov@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0002-5764-4734

Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Hydraulic Structures

19 Pryanishnikova St, Moscow, 127550, Russian Federation

Fedor A. Pashchenko

JSC “LenAeroProekt”

Email: lenair@lenair.ru

General Manager

122B Naberezhnaya Obvodnogo Kanala, Saint Petersburg, 198095, Russian Federation

References

Supplementary files