CC BY
42
1/2010 мв.ВЕСТНИК
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН
М.Е. Горохов, Е.Н. Горохов
ОАО «НИАЭП», ННГАСУ
Предложены способы регулирования температурного режима грунтовых плотин, приводятся физическая и математическая модели, доказана эффективность предложенных способов.
Proposed the methods of regulation of temperature regime of earth dams, proposed of physical and mathematical models, proved the effectiveness of the proposed methods.
На кафедре гидротехнических сооружений ННГАСУ разработан способ регулирования температурно-фильтрационного режима каменно-земляных плотин, основанный на управлении термо-гравитационной конвекцией воздуха в каменной наброске низовой упорной призмы. Суть регулирования заключается в следующем [1]:
Для фильтрующей (талой) плотины:
а) с целью снижения конвекции воздуха в низовой призме и тем самым уменьшения глубокого охлаждения призмы в холодный период года откос низовой каменно-набросной призмы покрывается слоем мелкого камня или карьерной мелочи;
б) для гарантированного поддержания части низовой призмы вблизи переходной зоны в талом состоянии в низовой призме с помощью воздухонепроницаемого экрана создается зона сезонноактивной конвекции, которая включается в действие только в теплый период года.
Для нефильтрующей (мерзлой) плотины:
а) откос низовой призмы засыпается мелким камнем - для снижения конвекции воздуха в зоне ограниченной конвекции;
б) путем устройства воздухонепроницаемого экрана создается зона сезонноактивной конвекции, которая включается в действие в холодный период года, а в теплый период выключается из работы. Это позволяет сохранить приядерную зону низовой призмы в гарантированно мерзлом состоянии.
Для оценки эффективности предложенного способа регулирования температурного режима каменно-земляных плотин выполнено его компьютерное моделирование для эксплуатационного периода. Моделирование проведено с применением программного комплекса NORD.3D [5].
Программный комплекс NORD.3D реализует физико-математическую модель темпе-ратурно-фильтрационного режима каменно-земляной плотины, разработанную на кафедре гидротехнических сооружений ННГАСУ [3]. Суть модели заключается в следующем:
Физическая модель температурно-фильтрационного режима основана на учете основных факторов, которые определяют тепло- и массоперенос в различных частях плотины [2]. Система дифференциальных уравнений математической модели тепло- и массопереноса может быть записана следующим образом [2]:
С
I
IS
ВЕСТНИК 1/2010
1) стационарная фильтрация воды и воздуха в порах материалов:
V, (к* • V Н) + V, (к* • V Н) + V, (к* • V Н) = 0; С1)
V, (кр -V Р) + V, (кр -V Р + • кр -М) + V, (кр -V Р) = 0; (2)
2) нестационарная кондуктивная и конвективная теплопроводность в мелкодисперсных средах (в земляных частях плотины):
с-V 1з = ух(л -V+V,(л -V+ Vг(л -Vгз)-сж ■ а™(й-3); (3)
3) нестационарная кондуктивная и конвективная теплопроводность в крупнодисперсных средах (в каменной наброске):
Ску,£=у (л .V £)+V,(к, -V 3)+у,(л +«(г-5) + • /);■
Св(«)У,Г = сИу(й ■ Т) (Т -3);
4) теплопередача на границе фронта замерзания-таяния:
С V £ = V х (Я • V + V, (Л- V + V г (Л- V 5) - рж пЬл IV Я;
5) составляющие вектора скорости фильтрации воды и воздуха
для воды: й =- К „ -V Н; й =- К „ -УН; й =- К „ -УН;
х ф х ' у ф У г ф г '
длявоздуха йх =-Р-V Р; йу =-Р(V,Р + -АТ); йг =-Р-VгР.
Р = Л(лД + 45 / Л2 л/ф -1)/(25 -л/ф);
Ф = (VХР)2 + (VГР + рр, -АТ)2 + (VгР)2.
В уравнениях (1)-(6): Н — пьезометрический напор; Р — избыточное над атмосферным давление воздуха в порах наброски; к' = к (1 - Я) — коэффициент, характеризующий водопроницаемость грунтов (здесь кф — коэффициент фильтрации, 0 < Я < 1 — относительная льдистость грунта); к = Ьв / А — коэффициент, характеризующий воздухопроницаемость наброски; $ и рв — коэффициент объемного расширения и плотность воздуха; 3 — температура грунта или скелета наброски; Т — температура порового воздуха или воды; А Т = (Т - Тл ) — разность температур по-рового и наружного (атмосферного) воздуха; t — время; I — удельная теплота плавления льда; Л — коэффициент теплопроводности грунта; Лн — эффективный
коэффициент теплопроводности каменной наброски; С, СК, Св, Сж — соответственно, объемная теплоемкость грунта, скелета наброски, воздуха и воды; а — объемный коэффициент теплоотдачи от порового воздуха или воды к отдельностям наброски; Ь„и Р„ — соответственно, насыщенность пор льдом и плотность льда; п — пористость; Ьв —насыщенность пор; Л и 5 — коэффициенты в формуле силы сопротивления движению воздуха.
Дифференциальные уравнения тепломассопереноса (1)-(6) дополняются граничными условиями I, II и IV рода.
Интегрирование приведенных зависимостей (1)-(6) осуществляется методом конечных разностей, при этом использовано двухслойная неявная разностная схема. Численная аппроксимация производных в уравнениях проводится с использованием семиточечного вычислительного шаблона. Математические выражения, являющиеся результатом численной аппроксимации уравнений тепло- и массопереноса (1)-(6) и
1/2010 ВЕСТНИК _1/20™_МГСУ
устанавливающие функциональную связь искомых на момент времени t + А t параметров (температура, напор и давление) в центральном узле шаблона с этими же параметрами в шести периферийных его узлах приведены в [3].
Рис.1. Каменно-земляная плотина Тельмамского гидроузла (показана конечно-разностная схема)
В качестве примера здесь приводятся результаты моделирования температурного режима для двух вариантов плотины Тельмамского гидроузла. Тельманский гидроузел проектируется на р. Мамакан в Бодайбинском районе Иркутской области вблизи устья р. Тельмамы.
Участок расположения Тельмамского гидроузла входит в зону сплошного развития вечномерзлых пород со сквозным таликом под руслом реки Мамакан, ширина которого не превышает ширины реки по меженному зимнему урезу воды. В основании мерзлота сливающегося типа.
Плотина гидроузла каменно-земляная высотой 154,5 м., длиной по гребню 1120,50 м., запроектирована с ядром из суглинка толщиной по низу 40,00 м., и заложением граней 7,5:1, имеет две переходные зоны средней толщиной по 3 м. (рис.1). По температурному состоянию плотины талая, предполагающая свободную фильтрацию воды через ядро с беспрепятственым отведением ее в нижний бьеф по переходным зонам [4].
Для талой русловой плотины Тельмамского гидроузла моделирование показало, что в процессе эксплуатации имеется реальная опасность перемерзания переходных зон со стороны низовой призмы, а так же глубокое замерзание центральной части плотины вследствие значительной зимней сработки водохранилища гидроэлектростанцией (рис.2). Эти обстоятельства могут привести к переводу свободной фильтрации в ядре плотины в напорную или напорно - безнапорную. Такая ситуация не может быть допущена, поскольку она выведет сооружение за рамки проектного состояния.
ВЕСТНИК 1/2010
Рис.2. Температурное поле в расчетном сечении плотины в июле десятого расчетного года (показано векторное поле фильтрации воды и воздуха)
Моделирование температурного режима в условиях регулирования по предложенному способу показало, что приядерная зона низовой призмы плотины в условиях регулирования температурного режима будет пребывать в гарантированно-талом состоянии, что, собственно, и требуется (рис.3).
Рис.3. Температурное поле в расчетном сечении плотины в июле десятого расчетного года при регулировании температурно-фильтрационного режима (показано векторное поле фильтрации воды и воздуха)
Таким образом, можно сделать вывод о том, что предложенный способ регулирования температурного режима для талой русловой Тельмамской плотины оказывается весьма эффективным и может быть применен и для других проектируемых в криоли-тозоне талых каменно-земляных плотин.
Рис.4. Температурное поле в расчетном сечении плотины в феврале десятого расчетного года при регулировании температурно-фильтрационного режима (показано векторное поле фильтрации воздуха)
1/2010 мв.ВЕСТНИК
Для пойменных участков плотины Тельмамского гидроузла, где залегают вечно-мерзлые породы толщей более 80... 100м., возможно возведение каменно-земляной плотины мерзлого типа с регулированием температурного режима. Для подтверждения эффективности предложенного способа регулирования было выполнено моделирование температурного режима мерзлой левобережной каменно-земляной плотины Тельмамского гидроузла на 10 лет
Результаты свидетельствуют о том, что на 10 году эксплуатации мерзлой плотины в условиях регулирования температурного режима ядро находится в гарантированно мерзлом состоянии, что также подтверждает эффективность предложенного способа (рис.4).
Литература:
1 Горохов, E.H. Управление температурно - криогенным режимом каменно-земляных плотин на северных реках / E.H. Горохов, М.Е. Горохов// Международный научно - промышленный форум "Великие реки 2004": Генеральные доклады, тез. доклад международного конгресса, 18 -21 мая 2004г, Н.Новгород. - Н.Новгород: Издательство ННГАСУ, 2004. - С. 97 - 99.
2 Горохов E.H. Теория и метод расчета температурно-криогенного режима плотин из каменной наброски в криолитозоне/ Е.Н.Горохов// Известие высших учебных заведений. Строительство. 2005. - №9. - С.32-39.
3 Горохов М.Е. Грунтовая плотина Тельмамского гидроузла на реке Мамакан/ М.Е.Горохов// Выпускная квалификационная работа специалиста. - Н.Новгород: ННГАСУ, 2007. - 190 с.
4 Горохов М.Е. Регулирование температурного режима талой каменно-земляной плотины Тельмамского гидроузла/ М.Е.Горохов// Сборник трудов аспирантов и магистрантов. Технические науки. - Н.Новгород: ННГАСУ, 2007. - С.215-217.
5 Горохов E.H. Программный комплекс NORD трехмерного моделирования температурного режима каменно-земляных плотин/ E.H. Горохов, В.И. Логинов // Материалы междунар. конф. «Инженерно-геологические изыскания в криолитозоне «ИГК-2000». - СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2000. - С. 64-73.
Ключевые слова: вечная мерзлота, физическая и математическая модели температурно-фильтрационного режима каменно-земляных плотин, регулирование температурно-фильтрационного режима каменно-земляных плотин.
Keywords: Permafrost, physical and mathematical models of temperature and filtration regime of earth dams, regulation of temperature and filtration regime of earth dams.
Рецензент: проректор по научной работе ННГАСУ, заведующий кафедрой гидротехнических сооружений, д.т.н., профессор Соболь Станислав Владимирович
E-mail автора: [email protected]
