Расчет подземных сводчатых перекрытий методом конечных перекрестных полос с учетом длительных процессов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО УЧЕТУ ДЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОДЗЕМНЫХ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ СВОДЧАТОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЗДАНИЙ

ГЭС НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПЕРЕКРЕСТНЫХ КОНЕЧНЫХ ПОЛОС

2.1. Нагрузки, действующие на сводчатые перекрытия подземных зданий ГЭС.

2.2. Предлагаемый способ расчета сводчатого перекрытия на основе метода перекрестных конечных полос

2.3. Определение ординат линий влияния перемещений арок произвольного очертания

2.4. Определение ординат линий влияния перемещений балок

2.5. Расчет сводчатого перекрытия подземного здания ГЭС с учетом различных модулей упругости горной породы

ГЛАВА 3. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ГОРНОЙ ПОРОДЫ НА НАПРЯЖЕНИЯ В СВОДЕ ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ

3.1. Учет влияния медленных тектонических движений различных массивов горной породы на напряжения в своде подземного здания ГЭС

3.2. Учет влияния ползучести скального основания на напряженно-деформированное состояние подземных сводчатых перекрытий

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА СВОДЧАТОГО

ПЕРЕКРЫТИЯ ПОДЗЕМНОГО ЗДАНИЯ ГЭС

4.1. Краткая характеристика вычислительной программы расчета сводчатого перекрытия подземного машинного зала Ингурской ГЭС на статические воздействия

4.2. Расчет сводчатого перекрытия подземного здания Ингурской ГЭС с учетом различных модулей упругости горной породы

4.3. Оценка влияния ожидаемых раздвижек земной коры на сводчатое перекрытие подземного здания Ингурской ГЭС.

4.4. Учет влияния ползучести горной породы на напряженно-деформированное состояние сводчатого перекрытия подземного здания

Ингурской ГЭС.

4.5. Расчет сводчатого перекрытия подземного здания Ингурской ГЭС с учетом единого модуля упругости горной породы

4.6. Установление максимальной длины подземного зала Ингурской ГЭС, до которой сводчатое перекрытие следует рассчитывать как пространственную конструкцию.

4.7. Определение напряжений в своде при различных закономерностях распределения нагрузок

4.8. Проверка на прочность и трещиностойкость ключевого сечения железобетонного сводчатого перекрытия подземного здания

Ингурской ГЭС.

4.9. Расчет сводчатого перекрытия подземного машинного зала Худонской ГЭС на статические воздействия.Х

4.10.Проверка на прочность и трещиностойкость ключевого сечения железобетонного сводчатого перекрытия подземного здания Худонской ГЭС

ВЫВОДЫ.И

Актуальность проблемы. В нашей стране огромное внимание уделяется развитию гидроэнергетики. Построены такие крупные гидроэлектростанции, как Днепровская, Волжская, Братская, Красноярская, Чиркейская. В настоящее время строятся такие гиганты, как Усть-Илимская, Саяно-Шушенская гидроэлектростанции и др.

Наряду с развитием равнинной гидроэнергетики, в нашей стране успешно развивается и строительство горных гидроэлектростанций с арочными плотинами. За последние 15-20 лет арочные плотины находят значительное распространение в прантике строительства ГЭС на реках горных районов СССР (арочные и арочно-гравитацион-ные плотины Ингурекой, Чиркейской, Намахванской, Саянской и др. ГЭС). Некоторые горные гидроэлектростанции имеют подземные здания для размещения гидроагрегатов.

За последний период в мировой практике все чаще встречаются гидроэлектростанции с подземным расположением машинного зала. Такое распространение подземного варианта здания ГЭС объясняется многими причинами: свободой выбора гидравлической схемы, топографическими, геологическими и климатическими условиями, экономическими соображениями и, наконец, требованиями противовоздушной обороны.

В нашей стране построен ряд гидроэлектростанций с подземным расположением машинного зала. К ним относятся Верхне-Туломская, Севанская, Арзникская, Даховская, Чиркейская, Ладжанурская и Храмсная П гидроэлектростанции. В настоящее время строятся Зей-ская и Нурекская гидроэлектростанции с подземными зданиями. Поэтому изыскание возможностей дальнейшего усовершенствования подземного здания ГЭС имеет важное народно-хозяйственное значение.

Все это требует разработки прогрессивных конструкций в связи с чем актуальное значение приобретают вопросы их теоретического и экспериментального исследования.

Внимание исследователей привлекла конструкция, представляющая собой сводчатое перекрытие машинного зала со стенками-подвесками для монтажного крана.

Подобная конструкция применена на ряде строек за рубежом (гидроэлектростанции Пикоте, Кенисада, Саламонде в Португалии, Супити в Африке), а также в СССР, например на Ингурской ГЭС.

Преимущество этой конструкции по сравнению с другими типами заключается в том, что уменьшаются объемы скальных и железобетонных работ. Свод с подвешанными стенками-подвеснами для под-нрановых балок возводится на начальной стадии строительства подземного здания. Это позволяет установить мостовой кран намного раньше, чем при обычной схеме, что дает возможность начать монтаж агрегатов сразу после подготовки фундаментов. Кроме того, наличие на начальной стадии разработки подземного машинного здания готовых подкрановых опор дает возможность использовать монтажный кран в период строительства.

Подземное здание ГЭС полностью находится в горной породе. Поэтому конструкция свода может располагаться в зоне разных горных пород с различными характеристиками упругости. Свод может сооружаться и в зоне возможного разлома массива горной породы. Горные породы обнаруживают и свойство ползучести. Деформации ползучести грунта основания свода способны оказывать значительное влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции.

В стадии проектирования необходимо учитывать все названные факторы, оназывающие влияние на конструкцию свода подземного здания ГЭС,

Все сказанное позволяет заключить, что дальнейшие исследования в указанном направлении являются актуальной задачей теории расчета сводчатых перекрытий подземных зданий ГЭС.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка матрично-векторной формы расчета сводчатых перекрытий подземных машинных залов ГЭС методом конечных перекрестных полос с учетом различных модулей упругости, наличия линии разлома массива в зоне сооружения, а также ползучести горной породы.

Для достижения этой цели требуется:

- записать в матрично-векторной форме разрешающие уравнения метода конечных перекрестных полос;

- разработать способ учета различных модулей упругости горной породы под основанием свода;

- разработать способ оценки влияния медленных (вековых) движений блоков горной породы, разделенных линией разлома, на напряжения в своде;

- записать разрешающие уравнения метода нонечных перекрестных полос, учитывающие деформации ползучести горной породы под основанием свода.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложена методика и разработан алгоритм определения напряженно-деформированного состояния свода подземного здания ГЭС с учетом различных упругих характеристик горных пород, разлома массива и деформации ползучести горной породы;

- проведен анализ численных результатов напряженно-деформированного состояния сводчатого перекрытия машинного зала Ингурской ГЭС с учетом всех вышеуказанных факторов и установлены критерии надежности работы сооружения в зависимости от продолжительности его эксплуатации;

- показано, что учет длительных процессов существенно меняет напряженно-деформированное состояние подземного сводчатого перекрытия; обосновывается необходимость учета этого фактора.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная в диссертации матрично-векторная форма расчета сводчатого перекрытия подземного машинного зала ГЭС с учетом различных модулей упругости горной породы и длительных процессов доведена до стадии практического применения путем численной реализации на ЭВМ.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований внедрены в проектную практику Тбилиссного отделения института "Гидропроект" им.С.Я.Жука при расчете подземного сводчатого перекрытия машинного зала Ингурекой ГЭС с учетом длительных процессов.

Публикация работы. Основное содержание диссертационной работы отражено в шести печатных работах.

Проведенные в 1974-1982 гг. исследования нашли также отражение в соответствующих отчетах ИСМиС им.К.С.Завриева АН ГССР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 129 страниц, в том числе 35 рисунков и справки внедрения. Библиография включает 73 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Разработан алгоритм статического расчета сводчатого перекрытия подземного здания ГЭС, как пространственной системы на основе предложенной дискретной схемы с использованием метода конечных перекрестных полос.

2. Предложенная расчетная схема представляет систему мысленно выделенных взаимопересекающихся балок и арок, имеющих конечные размеры. Неизвестные силы взаимодействия представлены в виде сосредоточенных сил, приложенных в центрах контактных площадок.

3. Расчетные элементы - балки и арки рассчитываются с учетом упругих деформаций основания.

4. Рассмотрен случай упругого основания с несимметричными характеристиками геотехнических показателей. Установлено, что при степени ассимметричности больше двух, перераспределение напряжений в своде покрытия является значительным и учет этого фактора является необходимым.

5. Установлено, что учет пространственности является существенным при условии k ^ 5,5.

6. Разработан алгоритм расчета сводчатого перекрытия подземного здания ГЭС с учетом деформаций ползучести горной породы, тем самым получено решение задачи по обеспечению долговечности работы исследуемой конструкции. Установлено, что влияние ползучести горной породы является весьма существенным - после шести месяцев напряжения в ключе увеличиваются в среднем на 20% и продолжают расти в последующее время.

7. Установлены критерии для оценки влияния медленных (вековых) движений земной коры на напряжения и деформации сводчатого перекрытия подземного здания ГЭС при наличии линии разлома в зоне сооружения указанной конструкции. Учет этого фактора приводит к изменению нормальных напряжений примерно на 25% от допустимых напряжений на сжатие бетона.

8. Проведен численный расчет сводчатого перекрытия подземного здания Ингурской и Худонской ГЭС с использованием всех алгоритмов, разработанных в диссертационной работе. Доказано, что конструктивная арматура свода обеспечивает надежность и долговечность проектируемой конструкции сводчатого перекрытия подземного здания ГЭС.

1. Ардашев К.А., Ахметов В.И., Катков Г.А, Методы и приборы дляисследования проявлений горного давления. М., "Недра",1981.

2. Балавадзе Б.К., Абашидзе В.Г., Мумладзе Г.В. К изучению локальных деформаций земной коры наклономерным методом. Сообщения АН ГССР, т.52, № I, 1968.

3. Балавадзе Б.К., Абашидзе В.Г. Наклономерное исследование современных тектонических движений земной коры в районе строительства плотины Ингури ГЭС. Сообщения АН ГССР, т.71, № 3, 1973.

4. Буачидзе И.М. Вопросы инженерной геологии гидроэлектростанцийюжных Альп. Издательство "Мецниереба". Тбилиси, 1971.

5. Газиев Э.Г. Механика скальных пород в строительстве. М.,1. Стройиздат, 1973.

6. Галкина Н.Г. Оценка зон расслоения в стенках круглой выработки и слоистой среде. "Сб. НИИ оснований и подз. сооруж. Госстроя СССР". № 63, 1972.

7. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных горных выработок. М., "Недра",1982.

8. Гиоргадзе Д.П. Статический и динамический расчет оболочек типа арочных плотин методом конечных перекрестных полос в матричной форме. Кандидатская диссертация, ГрузНЙИЭГС, Тбилиси, 1982.

9. Джегер Ч. Механика горных пород и инженерные сооружения. М.,1. Мир", 1975.

10. Джигаури Г.М., Мастицкий А.К., Кереселидзе С.Б. Инженерно-геологические условия головного узла Ингури ГЭС и Джварского водохранилища (Технический проект Ингури ГЭС, т. 1У, книга 1-ая). "Тбилгидропроект", Тбилиси, 1970.

11. Е^жаков К.С. Теория ползучести горных пород и ее приложения.

12. Изд-во "Наука", Алма-Ата, 1964.

13. Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. М., Наука, 1967.

14. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений.1. Недра", М., 1979.

15. Зурабов Г.Г., Бугаева О.Е. Гидротехнические туннели гидроэлектрических станций. Госэнергоиздат, М., 1962.

16. Ильницкая Е.Н. и др. Свойства горных пород и методы их определения. М., "Недра", 1969.

17. Клейн Г.К. Расчеты подпорных стен. М., "Высшая школа", 1964.

18. Кондратов А.Б., Константинова С.А., Орлова Е.П. Напряжения иперемещения в упруго пластических породах в окрестности горной выработки с учетом изменения силы сцепления в глубь массива и ползучести пород. "Научн. тр." Перм. Политехи, ин-та, № 190, 1976.

19. Котульский В.В., Скоков В.Г., Суровегин В.В. Укрепительнаяцементация основания плотины Чирнейсной ГЭС. "Гидротехническое строительство", № II, 1976.

20. Крупенников Г.А., Филатов Н.А., Амусин Б.З., Барковский В.М.

21. Распределение натяжений в породных массивах. М., "Недра", 1972.

22. Кубецний В.Л., Ухов С.Б. Исследования ползучести скальных пород методом пробной статичесной нагрузки. "Гидротехническое строительство", № 8, Изд-во "Энергия", 1968.

23. Кубецкий В.Л., Эристов B.C. К расчету облицовок напорных туннелей в условиях ползучести скальных пород. "Гидротехническое строительство", № 12. Изд-во "Энергия", 1969.

24. Кубецкий В.Л. Влияние ползучести бетона и окружающих скальных пород на напряженное состояние обделок напорных туннелей. "Гидротежническое строительство", № 6, Изд-во "Энергия", 1972.

25. Кубецний В.Л. Некоторые вопросы описания ползучести трещиноватых скальных пород и их приложение к расчету конструкций напорных туннелей. Механика грунтов, основания и фундаменты. Сборник трудов МИСИ, № 115, 1973.

26. Кузнецов Г.Н. Механические свойства горных пород. М., "Мир",1971.

27. Лосаберидзе Ан.А. Расчет арочных плотин. Изд-во "Мецниереба",1. Тбилиси, 1966.

28. Лосаберидзе Ан.А., Кучаидзе Н.А. К вопросу расчета несимметричных арочных плотин. Труды ГПЙ, N2 4(116), Тбилиси, 1968.

29. Лосаберидзе Ан.А. Исследование напряженного и деформированного состояния арочных плотин при статических и сейсмических воздействиях. Докторская диссертация, ГрузНИИЭГС, Тбилиси, 1971.

30. Лосаберидзе Ан.А., Мадзагуа З.К., Челидзе Т.В. Влияние ползучести скальных пород на напряженное состояние нруговой арки. Строительная механика пространственных конструкций. Изд-во "Мецниереба", 1974.

31. Лосаберидзе Ан.А., Мадзагуа З.К., Челидзе Т.В. Учет влиянияползучести горной породы на сводчатые перекрытия подземных зданий ГЭС. Строительная механика пространственных конструкций. Изд-во "Мецниереба", 1975.

32. Лыкошин А.Г. Пути повышения качества инженерных изысканийдля гидротехнического строительства труды Гидропроекта, сб. 23, 1972.

33. Мадзагуа З.К., Челидзе Т.В. Определение напряженного состояния железобетонных свода подземного здания гидроэлектростанции с учетом податливости горной породы. Строительная механика пространственных систем. Изд-во "Мецниереба", Тбилиси, 1974.

34. Мадзагуа З.К., Челидзе Т.В. Оценка влияния ожидаемых раздвижек земной коры на сводчатые перекрытия подземных зданийгидроэлектростанций. Строительная механика пространственных конструкций, йзд-во "Мецниереба", 1975.

35. Мгалобелов Ю.Б., Хилина Л.И. Аналитический метод расчета устойчивости скальных откосов в условиях плоской задачи и определения необходимого анкерного усилия для повышения устойчивости. "Гидротехническое строительство", N2 9,1970.

36. Мгалобелов Ю.Б. Аналитическое исследование надежности скальныхоткосов. "Гидротехническое строительство" № 4, 1976.

37. Мещеряков Ю.А. Вековые движения земной коры. Некоторые итогии задачи исследования. Сб. стат. "Современные движения земной коры, № I, Изд-во АН СССР, M.t 1963.

38. Можевитинов А.Л., Шинтемиров М. Общий метод расчета устойчивости откосов земляных сооружений. -"Известия ВНИИГ", т.92, 1970.

39. Молоков Л.А. Опыт и методика изучения взаимодействия плотинс породами их основания. "Гидротехническое строительство", Ш I, 1977.

40. Мостков В.М. Строительство подземных сооружений большого сечения. Госгортехиздат, 1963.

41. Мостков В.М. Подземные сооружения большого сечения. М.,1. Недра", 1974.

42. Мостков В.М., Резников Р.А. О методике статического расчетаподземных машинных залов ГЭС и ГАЭС. "Гидротехническое строительство", № I, 1979.

43. Мюллер Л. Инженерная геология (механика скальных массивов).1. М., "Мир", 1971.

44. Островский А.Е., Широков И.А. Исследования наклонов земнойповерхности на площадках строящихся плотин Чиркейской и Саяно-Шушенской ГЭС. Фонды Ленгидропроекта и ИФЗ АН СССР, 1969.

45. Островский А.Е., Бахрушин А.Б., Миронова Л.И. Опыт измерениятектонических деформаций с помощью наклономеров в районе Душанбе. Сб. стат. "Современные движения земной коры", Изд-во АН СССР, М., 1963.

46. Островский А.Е., Петрухин Б.П. Отчет о наклономерных работах

47. Токтогульского отряда на 1966 г. Фонды ИФЗ АН СССР,1967.

48. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций."Наука", 1966.

49. Рабочие чертежи Ингури ГЭС на реке Ингури. Тбилгидропроект,1972.

50. Самарин И.К., Ермаков В.В., Любимов А.И. О расчете основанийгидротехнических сооружений. Труды Гидропроекта, вып.32,1973.

51. Самарин И.К. Практический метод расчета деформаций ползучестиоснований гидротехнических сооружений. "Гидротехническое строительство" № 4, 1978.

52. Старков В.И., Старкова Э.Я. Результаты наклономерных наблюдений на разломах. Сб. ст. "Симпозиум по обмену опытом наклономерных наблюдений. Изд-во АН СССР, М., 1969,

53. Тер-Мартиросян З.Г. Вторичная консолидация глинистых грунтов.

54. В кн.:Труды МИСИ № 140, 1977.

55. Филин А.П. Расчет пространственных стержневых конструкций системы перекрестных связей и его применение к оболочкам при использовании электронных вычислительных машин. Ис- 125 следования по строительной механике (сб. трудов), вып. 190, ЛИИЖТ, Л., 1962.

56. Фисенко Г.Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. М., "Недра", 1965.

57. Хуберян К.М., Гудушаури И.Н., Лосаберидзе Ан.А. Теория расчета арочных плотин. Исследования по строительной механике. Изд-во "Мецниереба", 1973.

58. Цинцадзе Г.С. Исследование напряженного состояния железобетонного свода подземного здания гидроэлектростанций с подвешенными подкрановыми балками. Кандидатская диссертация. ГрузНИИЭГС, Тбилиси, 1972.

59. Челидзе Т.В. Расчет железобетонного свода подземного здания

60. ГЭС с учетом различных модулей упругости горной породы. Техническая информация Госстроя ГССР, серия "Строительство и архитектура" № 8, Тбилиси, 1975.

61. Чинчараули Т.Г. К вопросу обеспечения устойчивости выработокподземных машинных залов ГЭС натяжными анкерами. Проектирование и строительство гидротехнических сооружений. Научные труды ГПИ им.В.И.Ленина Ш 10(255), 1982.

62. Чугаев P.P. Земляные откосы гидротехнических сооружений. Л.,1. Энергия", 1967.

63. Широков И.А., Абашидзе В.Г., Багмет А.Л., Яковлев В.Н. Измерения наклонов в районах строительства плотин.Сб.ст.:"Симпозиум по обмену опытом нанлономерных наблюдений". Изд-во АН СССР, М., 1969.

64. Широков И.А. Исследование и медленных и приливных наклоновземной поверхности в районах строительства плотин. Кандидатская диссертация. Фонды ИФЗ АН СССР, М., 1969.

65. Эристов B.C., Мазур A.M. Проектирование и строительство больших плотин. Вып. I. Подземные работы по улучшению скальных оснований плотин. "Энергия", 1966.

66. Эристов B.C., Кубецний B.JI. Учет реологических свойство горных пород при проектировании облицовок напорных гидротехнических туннелей. Доклады ХХУП научно-технической конференции МИСИ, тезисы, 1968.

67. Эристов B.C., Хечинов Ю.Е., Андгуладзе Г.П., Жохов Е.И., Чинчараули Т.Г. Натурные исследования в подземном машинном зале Ингури ГЭС.-"Гидротехническое строит ельство?1Ёб, 1974.

68. Эристов B.C., Хечинов Ю.Е., Юфин С.А. Влияние поэтапного раскрытия выработки на напряженно-деформированное состояние конструкций подземных машинных залов ГЭС.-"Гидротехническое строительство", № 7, 1972.

69. Юфин С.А., Чинчараули Т.Г. Исследования напряженного состояния скального массива при разработке подземного машинного зала Ингури ГЭС. -"Гидротехническое строительство", № 2, 1978.

70. Юфин С.А. Расчет напряжений и перемещений в своде подземногомашинного зала ГЭС и в окружающем скальном массиве с учетом поэтапности разработки. -"Гидротехническое строительство", № 9, 1974.

71. Юфин С.А., Жигач Ю.К. Программа решения плоской задачи тео

72. Caloi P. Za Geofisica е le grand! Dighe Zenergia elettrica, No I, 1962.

73. Fogt P. Stresses in Thick Arches of Dams, Proceeding ASCE,1. August, 1926.

74. Rock Meohanica in Engineering Practice edited Ъу Stagg K»G., Zienkiwicz O.C. John Wilaу and Sons, London, New-York, Sydney, 1968.1. СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ1. WlAlJ «и^и ,- ul)l-JiC63GOOJA(nOd(iO OB

75. Председателю спецсовета I д. 144.06.01 при ГрузНИИЭГСд.т.н. проф. Г.И.Чоговадзе

76. По вопросу ШР на тему "Уче^ . .влияния ползучести горной " ;породы на напряке нно-дефор- 'рационное состояние сводча- •,.-.того перекрытия подземного здания машинного зала Ингурской ГЭС". ••

77. На основе использования метода конечных перекрестных полос У-; Т.В.Челидзе выполнил расчет сводчатого перекрытия подземного шшщ-й ного зала ИнгуриГЭС с учетом различных модулей упругости скального"; основания и длительных процессов.

78. Численные результаты расчета использованы ТоилгкАропроектоиг > при проверке сводаатогр.дерекрытия подземного машинного зала Ингу—.; риДКЙнН"^ процессов деформирования.-.^1. Главный .инженер--:^,1. Ш: -: .1. Ткем&яадзе•1. W-il'9оч <>• v1. Н.Д.Эмухвариv