CC BY
35
УДК 627.82.042
СЕЙСМОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НОВОЙ ПЛОТИНЫ ИЗ УКАТАННОГО БЕТОНА И КАМНЯ, УПРОЧНЕННОГО ЦЕМЕНТОМ
Ю.П. Ляпичев, М.Е. Грошев
Кафедра гидравлики и гидросооружений,
Российский университет дружбы народов 117198 Москва, ул. Миклухо-Маклая, б
Рассмотрены данные расчетов сейсмонапряженного состояния новой симметричной плотины высотой 100 м с заложением откосов 0,5 с наружными зонами из укатанного бетона (УБ) и центральной зоной из упрочненного камня. В качестве воздействия принимались горизонтальная и вертикальная компоненты землетрясения 8 и 9 баллов. В качестве модели УБ использовалась упругопластическая модель, в которой приняты сдвиговые параметры швов УБ. Установлено, что плотина имеет двойной запас сейсмостойкости при землетрясении 9 баллов, что указывает на необходимость рассмотрения этих плотин в проектах гидроузлов, расположенных в сейсмоопасных районах.
СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ НОВОЙ ПЛОТИНЫ ИЗ ОСОБО ТОЩЕГО УБ В РАМКАХ ВТ
В новом (2003 г.) СНиП-33-03 «Гидротехнические сооружения в сейсмических районах» сейсмостойкость плотин I и П классов должна определяться в рамках волновой теории (ВТ) на два уровня сейсмических воздействий: нижний - проектное землетрясение (ПЗ) и верхний - максимальное расчетное землетрясение (МРЗ). Соответствующие максимальные пи-
ПЗ МРЗ м
ковые ускорения основания а и а определяются в зависимости от расчетной сеисмич-ности площадки /,ас, зависящей от нормативной сейсмичности Торм с учетом отличия местных грунтов от трех основных и двух промежуточных категорий грунта, расчетных амплитуд ускорения основания (в долях %) А500 и А5ооо Для соответствующих нормативных периодов повторяемости ПЗ (500 лет) и МРЗ (5000 лет) и коэффициентов 1<Р3 и перехода от этих периодов к принятым периодам, соответственно, 100-500 и 5000 и 10000 лет. По этому СНиП для плотин I класса, расположенных в районах с ,Горм=9 и 10 баллов (карта С, ОСР 97), с нормативным и расчетным периодом повторяемости 5000 лет, на скальном основании
I категории, пиковые значения амрз составят 0,24§ {/°рм=9 баллов) и 0,48§ (./'чм‘=10 баллов).
Ниже даны результаты расчетов по методике ЦСГНЭО [3] сейсмостойкости новой смешанной плотины симметричного профиля высотой 100 м с заложением откосов 0,5, с наружными зонами из укатанного бетона (УБ-3) и центральной зоной из камня, упрочненного цементом, предложенной первым автором в 1998 г. [1,2].
В качестве воздействия использовалась синтетическая акселерограмма землетрясения с пиковым горизонтальным ускорением 0,2^ (ПЗ) и 0,4§ (МРЗ) и вертикальным ускорением, равным 0,7 горизонтального, длительностью воздействия 10 с и преобладающей частотой 3-
5 герц, близкой к частоте основного тона колебаний гравитационных плотин высотой 100 м.
При численной оценке сейсмостойкости системы «плотины-основание-водохранилище (ВБ)» решается система уравнений движения:
[К] {И} + [С] {V} + [М] {\У} = {К(,)}, (1)
где [К], [С], [М] - матрицы жесткости, демпфирования и масс расчетной области: {II}, {V}, - векторы относительных перемещений, скорости и ускорения в фиксированных точках расчетной области, {ЩХ)}- вектор переменных динамических воздействий.
Решение системы уравнений (1) производится по методике ЦСГНЭО, используемой в расчетах плотин из обычного бетона [3]. В расчетах не учитывалось влияние гравитационных волн и были упрощены граничные условия между ВБ и плотиной и ВБ и основанием. На этих границах выполняется условие равенства перемещений, нормальных к этим границам, как для твердого тела (плотина и основание), так и для воды. В то же время учитывается передача касательных напряжений на этих границах, что позволяет упростить задачу, отказавшись от введения контактных элементов.
Для описания поведения УБ использована упругопластическая (с упрочнением) модель обычного бетона [4], используемая в ЦСГНЭО в сейсмических расчетах бетонных плотин, в которой приняты сдвиговые параметры швов УБ (угол внутреннего трения ф=45°, сцепле-
ние С и предел прочности на растяжение поперек швар=С) (рис. 1). Описание деформируемости УБ в модели выполнено с помощью кусочно-гладкой поверхности нагружения, отделяющей в пространстве напряжений область упругой работы УБ от области, изменение напряжений в которой сопровождается развитием необратимых пластических деформаций. Введение поверхности нагружения определяет понятия нагрузки, разгрузки и нейтрального нагружения. Полные деформации состоят из вязкоупругих и пластических деформаций.
Рис. 1. Упругопластическая (с упрочнением) модель укатанного бетона
Для определения приращений последних используется ассоциированный с функцией нагружения закон течения, следующий из принципа максимума Мизеса:
=2>, ^
да,,
(2)
В качестве системы определяющих параметров приняты касательные и нормальные напряжения на площадке максимального сдвига:
°1 ~°2
а, +а2
(3)
2 2
Параметрами упрочнения являются сдвиговая и объемная псевдопластические дефор мации на площадке максимального сдвига:
Уу =
.*р
+ е
07
. ур • 1
+ е
чр
(4)
2 * 2 Функции нагружения модели формулируются на основании анализа имеющихся экспериментальных данных по УБ следующим образом:
ту=сГу-/> (5)
= 1.
(6)
Геометрическая интерпретация функций нагружения (5, 6) показана на рис. 1.
Поверхность нагружения в плоскости т.,-ау имеет две сингулярные точки О и А (рис. 1).
Уравнение (5) отражает процесс разрушения УБ при преобладании растягивающих напряжений, а уравнение (6) описывает поведение УБ в случае его разрушения от сжимающих напряжений. Модель УБ позволяет воспроизводить в расчетах образование в плотине горизонтальных трещин (раскрытие швов УБ), а в основании плотины произвольных трещин и последующую работу УБ в зоне таких трещин только на сжатие.
В этих расчетах использовались те же параметры прочности на сдвиг швов УБ-3 и УБ-0, что и в предыдущих расчетах сейсмостойкости в рамках ЛСТ, а также следующие параметры деформируемости скального основания: £=10000 МПа и ю=0,2.
Результаты расчетов сейсмостойкости плотины на воздействие акселерограммы ПЗ с пиковым горизонтальным ускорением 0,2§ и вертикальным 0,1показаны на рис. 2 и 3.
На рис. 2 показаны гистограммы горизонтальных перемещений 6 контрольных точек на верховом откосе плотины (первая точка в - основании откоса, шестая - на гребне плотины, шаг точек по вертикали 20 м), из которого видно, что реакция плотины вполне упругая и перемещения полностью затухают к конце ПЗ без каких-либо остаточных величин. Максимальное горизонтальное ускорение на гребне плотины при воздействии ПЗ достигает 0,3^, т.е. коэффициент усиления амплитуды колебаний составляет 1,55.
'ДууУ\Ад/ч^ууу~^%-^-'
Рис. 2. Гистограммы горизонтальных перемещений 6 контрольных точек верхового откоса при воздействии ПЗ (пиковое горизонтальное ускорение 0^, вертикальное - 0,14g)
Рис. 3. Сетка конечных элементов плотины и раскрытие шва (пунктир) в основании верховой зоны при воздействии ПЗ (горизонтальное ускорение 0,2ё, вертикальное - 0,14§)
На рис. 3 показана сетка конечных элементов плотины и основания, на которой видна одна короткая трещина или раскрытие шва в основании верховой зоны УБ-3 при ПЗ.
Результаты расчетов сейсмостойкости плотины на воздействие акселерограммы МРЗ с пиковым горизонтальным ускорением 0,4§ и вертикальным - 0,28g показаны на рис. 4-6.
На рис. 4 показаны гистрограммы горизонтальных перемещений 6 контрольных точек на верховом откосе плотины при воздействии МРЗ, из которого видно, что реакция плотины в нижней части плотины упругая с полным затуханием колебаний без остаточных перемещений, а в верхней (большей) части ее реакция - упругопластическая: на фоне затухания колебаний в конце воздействия остаются небольшие пластические перемещения.
Картина образования горизонтальных трещин или раскрытия швов УБ показана на рис. 5, из которой видно, что при воздействии МРЗ в нижней части плотины глубина раскрытия швов с верхового откоса достигает середины профиля, а с низовой - ее четверти. Учитывая наличие на верховом откосе водонепроницаемой пленки CARPI, противодавление в раскрытых швах УБ исключается, и сейсмическая безопасность плотины обеспечена. Раскрытия швов в наружных зонах плотины при МРЗ можно избежать, если произвести их обработку цементным раствором слоем 2 см, что позволит в 2-2,5 раза повысить сцепление шва.
% ~~ г1 «Г1-' ' о1 в* ' Tt¡
Tfe
■ Л
Рис. 4. Гистограммы горизонтальных перемещении о контрольных точек верхового откоса при воздействии МРЗ (пиковое горизонтальное ускорение 0^, вертикальное - 0,28§)
Рис. 5. Сетка конечных элементов плотины и раскрытие швов УБ в плотине при МРЗ (пиковое горизонтальное ускорение 0^, вертикальное - 0,28§)
Распределение горизонтальных ускорений в 6 точках верхового откоса при МРЗ на рис.
6 показывает, что максимальное ускорение на гребне из-за упругопластической реакции плотины составляет всего 0,28§
Был также выполнен расчет сейсмостойкости плотины на воздействие гипотетического максимального землетрясения с пиковым горизонтальным ускорением 0^ и вертикальным
0,56§, который показал, что в верхней части плотины (высотой 10 м) возникает прогрессирующий сдвиг, а ее остальная часть работает упруго с затуханием колебаний без остаточных перемещений. В этом случае все швы УБ плотины остаются раскрытыми по всей ширине профиля, максимальное горизонтальное ускорение на гребне достигает 0,38g.
Рис. 6. Горизонтальные ускорения (доли g) в 6 контрольных точках верхового откоса
при воздействии MP3 (пиковое горизонтальное ускорение 0,4g, вертикальное - 0,28g)
Таким образом, можно считать, что новая плотина высотой 100 м обжатого профиля (заложение откосов 0,5) имеет примерно двойной запас сейсмостойкости при воздействии максимального расчетного землетрясения (MP3), что подтверждает высокую сейсмостойкость подобных плотин и указывает на необходимость их рассмотрения в проектах гидроузлов, расположенных в сейсмически активных районах при любых грунтовых условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ляпичев Ю.П. Плотины составные: из укатанного бетона (УБ) и УБ и камня, упрочненного цементом (проектирование и строительство) (на испанском языке). Семинар в компании ESAGEN, Медельин, Колумбия, 1998,- 120 с.
2. Ляпичев Ю.П. Новые конструкции плотин из укатанного бетона и камня. Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях: Сб. научн. трудов РУДН.-М.; АСВ, 1998.-С.39-43.
3. Бронштейн В.И., Грошев М.Е. Расчетная оценка сейсмонапряженного состояния бетонных плотин по записям параметров их колебаний. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №980290. М.: Роспатент, 1998
4. Грошев М.Е., Шабпинский Г.Э. Применение теории пластического течения для описания деформируемости бетона в условиях двухосного нагружения. М.: "Строительство и архитектура", 1991
SEISMIC STRESS-STRAIN STATE OF NEW DAM OF ROLLER COMPACTED CONCRETE AND ROCKFILL ENRICHED WITH CEMENT
Yu. P. Lyapichev, M.E. Groshev
Department of Hydraulics and Hydraulic Structures,
Russian Peoples’ Friendship University Miklukho-Maklaya str. 6, Moscow 117198, Russia
Results of seismic stress-strain state analysis are considered for the new symmetrical 100 m high dam with slopes of 1/0.5 (V/H), outer zones of roller compacted concrete (RCC) and wide central zone ofrockfill enriched with cement mortar. As a seismic loading the horizontal and vertical components of strong earthquakes of 8 and 9 grades were assumed. As a RCC model the elastoplastic model of RCC with shear parameters of joints was used. It was found that the new dam has double seismic safety under action of earthquake of 9 grade that indicates to consider the dam in hydroprojects in seismic regions.
