Обоснование проектных решений сталежелезобетонных напорных водоводов ГЭС и ГАЭС на основе конечноэлементных моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование проектных решений сталежелезобетонных напорных водоводов ГЭС и ГАЭС на основе конечноэлементных моделей

С.Е. Лисичкин, Р.З. Мукашов; А.С. Лисичкин

Приведены результаты расчетного обоснования проектных решений сталежелезобетонных напорных водоводов Загорской ГАЭС-2 и Зарамагской ГЭС-1 на основе конечноэлементных моделей в рамках усовершенствованной методики численного моделирования напорных водоводов.

сталежелезобетонный напорный водовод конечноэлементный

Напорные водоводы

Напорные водоводы являются одними из наиболее ответственных сооружений гидроузлов, так как их разрушение может привести к затоплению здания ГЭС (ГАЭС) и прилегающей территории. Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации представляет собой важнейшую задачу при обосновании проектных решений напорных водоводов.

По многим причинам у нас в стране до сравнительно недавнего времени (60-70-х гг. прошлого века) не возводились гидростанции с агрегатами, рассчитанными на использование больших расходов и напоров.

Проблема разработки сталежелезобетонной конструкции напорного водовода возникла в период начала проектирования и строительства ГЭС большой мощности при освоении водных ресурсов Сибири, Средней Азии, Северного Кавказа. Так, на рубеже 1960-х годов начали проектироваться и возводиться такие уникальные сооружения, как Братская, Красноярская, Ингурская, Нурекская ГЭС с турбинами единичной мощности по 235…500 МВт, рассчитанными на гидродинамический напор до 550 м и расход до 600 м³/с. Далее планировалось проектировать Саяно-Шушенскую ГЭС с турбинами мощностью 600…1000 МВт.

Возможности создания турбинных водоводов со стальными оболочками ограничены прочностью и толщиной имеющихся листовых сталей. В водоводах же сталежелезобетонной конструкции этих ограничений практически нет.

При разработке новой сталежелезобетонной конструк-ции были проведены значительные объемы расчетных и экспериментальных (в том числе крупномасштабных) исследований в ведущих проектных и научно-исследовательских организациях: ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», Институт Ленгидропроект, НИС Гидропроекта, Институт Гидропроект, НИИЖБ, МГСУ, МГУП, СПКТБ «Мосгидросталь», «Ленгидросталь» и др.

Анализ данных экспериментальных исследований показал, в том числе, что в предельном состоянии напряжения во внутренней стальной оболочке и в арматуре достигают своих предельных значений (текучести). Тем не менее, не представляется возможным одновременное достижение расчетных сопротивлений (которые соответствуют упругой стадии работы элементов сталежелезобетонных конструкций). Имеются особые участки напорных водоводов, как правило, называемые компенсационными (в зонах перехода напорных водоводов из плотины в здание ГЭС приплотинного типа; входные участки свободно лежащих водоводов в здание ГЭС и др.). В пределах таких участков внутренняя стальная оболочка водовода обернута мягкой (низкомодульной) прокладкой с целью полностью отделить стальную оболочку от окружающего железобетона и позволить свободно деформироваться при взаимных деформациях сооружений. Планируются дальнейшие исследования НДС и прочности сталежелезобетонных напорных водоводов на компенсационных участках.

Обоснование конструкции напорных водоводов Загорской ГАЭС-2

Подача воды от водоприемника к зданию Загорской ГАЭС-2 обеспечивается четырьмя нитками напорных водо-водов, которые имеют следующие основные параметры: диаметр водовода 7,5 м; максимальный статический напор в начале водовода - 32,75 м; в конце водовода - 127,7 м; расчетный напор в конце водовода, с учетом гидроудара - 172,55 м; расчетный расход - 236,5 м³/с. Общая ширина трассы напорных водоводов составляет ~ 100 м, протяженность одной нитки ~ 720 м, отметка верха трассы ~ 226 м, отметка низа ~ 129 м.

Расчетные исследования НДС напорных водоводов Загорской ГАЭС-2 в ЗАО «ИЦ СКТЭ» проводились на основе математических конечноэлементных моделей. При этом расчетные модели отражали конструктивные особенности (включая элементы внутренней стальной оболочки, окружающую железобетонную оболочку, расположение арматурных стержней и др.), особенности характера действия нагрузок, свойства грунтов основания и др.

В железобетонной части оболочки водоводов воспроизводились трещины, возникающие в зонах действия максимальных растягивающих напряжений в бетоне, превышающих сопротивление бетона растяжению. При этом моделировалось их проникновение вглубь сечения железобетонной части оболочки, вплоть до сквозного трещинообразования при полном растяжении сечения (случай внецентренного растяжения с малым эксцентриситетом). Расчеты проводились итерационным путем. На каждом последующем этапе расчетов конечно-элементные модели корректировались с учетом полученных на предыдущих этапах результатов. Моделировалась стержневая рабочая кольцевая арматура железобетонной части, нарушение сцепления арматуры с бетоном в зонах раскрывшихся трещин, взаимодействие железобетонной оболочки и внутренней стальной оболочки на их контакте.

Наиболее существенное напряженно-деформированное состояние отмечается при особом сочетании нагрузок (включающем действие гидроудара при полном сбросе нагрузки); в данном случае напряжения во внутренней стальной оболочке и кольцевой арматуре оказались выше, чем при гидростатическом напоре; однако, они не превышали соответствующие допускаемые значения (которые определялись с учетом соответствующих коэффициентов г_n, г_с, г_lc, г_s). При этом максимальное значение кольцевых растягивающих напряжений в стальной оболочке составляет 147,8 МПа, максимальное значение растягивающих напряжений в арматуре составляет 292,4 МПа.

В результате проведенных расчетных исследований на основе конечноэлементных моделей была предложена и обоснована следующая конструкция напорных водоводов Загорской ГАЭС-2 (на их наиболее нагруженном участке). Сталежелезобетонная монолитная конструкция напорного водовода состоит из железобетонной оболочки толщиной 48 см и внутренней стальной оболочки толщиной 20 мм из стали 09Г2С с ребрами толщиной 20 мм и высотой 200 мм. Внутренняя стальная оболочка не предназначена для полного восприятия внутреннего давления, поэтому в наружной защитной железобетонной конструкции оболочки водоводов был предусмотрен наружный ряд рабочей кольцевой арматуры периодического профиля класса А-III (на низовом участке диаметром 40 мм с шагом 125 мм). В дальнейшем кольцевое армирование было принято в проекте из арматуры класса А500 взамен арматуры класса A-III.

Обоснование конструкции напорных водоводов Зарамагской ГЭС-1

В ЗАО «ИЦ СКТЭ» выполнялось расчетное обоснование и уточнение технических решений сталежелезобетонных конструкций напорных водоводов Зарамагской ГЭС-1 с оптимизацией их армирования.

Напорные турбинные водоводы к зданию Зарамагской ГЭС-1 включают в себя поверхностный сталежелезобетон-ный участок диаметром 4,4 м протяженностью 602,57 м, вертикальную шахту турбинных водоводов диаметром 3,6 м глубиной 507 м, а также субгоризонтальные подземные турбинные водоводы № 1, 2 диаметром 2,5 м длиной 946 м. При этом каждый из субгоризонтальных турбинных водоводов разветвляются на два водовода диаметром 2,1 м при входе в здание ГЭС, где размещаются агрегаты ковшового типа.

Вертикальная шахта турбинных водоводов и субгоризонтальные турбинные водоводы являются наиболее сложными и трудоемкими участками при производстве работ. В соответствии с проектом Ленгидропроекта 1996 г. в верхней части обделки субгоризонтальных турбинных водоводов предусмотрены смотровые и дренажные проходы. Однако такое решение вызывает затруднения при его распространении на конструкцию водовода № 2, трасса которого была проложена более 10-ти лет назад, что обусловливает некоторое различие в исходных данных для расчетов водоводов № 1, 2. В проекте была принята толщина внутренней стальной оболочки 30 мм при двухрядном кольцевом армировании железобетонной. В целях облегчения технологического процесса и снижения трудозатрат ГИПом Зарамагских ГЭС было предложено рассмотреть возможность назначения однорядного кольцевого армирования железобетонной обделки (при толщине стальной оболочки в пределах 30…36 мм), что позволило бы существенно облегчить производство работ.

Внутреннее гидростатическое давление по длине водоводов изменяется от 5,553 МПа при напоре 555,3 м (на отметке 1086,5 м) в начале субгоризонтального участка водоводов до 0,6333 МПа при напоре 633,3 м (на отметке 1008,5 м) в створе ГЭС-1. Соответствующее гидродинамическое давление (с учетом гидроудара при полном сбросе нагрузки) изменяется от 6,257 МПа при напоре 625,7 м (на отметке 1086,5 м) в начале субгоризонтального участка водоводов до 0,760 МПа при напоре 760,0 м (на отметке 1008,5 м) в створе ГЭС-1. Для снижения напора наружных грунтовых вод предусмотрены смотровые и дренажные проходы поверху водоводов и зонтичный скважинный дренаж из большей выработки для водовода № 1 в направлении меньшей выработки для водовода № 2. При этом за счет «воротниковой» выработки вокруг ствола вертикальной шахты наружный напор снижается до 20% и составляет 42,7 м на начальном участке водовода № 1. Для водовода № 2, не имеющего смотрового и дренажного прохода, в запас по согласованию с ГИПом Зарамагских ГЭС принят максимальный напор 40% от природного давления равный 85.4 м.

По протяженности напорных водоводов встречаются несколько характерных типов пород, слагающих вмещающий горный массив. Учитывая, что за период, прошедший с начала разработки горного массива (более 10-ти лет), например, вдоль трассы водовода № 2, могли произойти существенные изменения характеристик грунтов, по согласованию с ГИПом Зарамагских ГЭС было решено проводить расчеты прочности субгоризонтальных сталежелезобетонных напорных водоводов при действии внутреннего давления без учета отпора окружающего горного массива.

Район строительства Зарамагской ГЭС-1 имеет высокую сейсмическую активность. При этом расчетная интенсивность сейсмических воздействий составила 8 баллов на начальном участке субгоризонтальных напорных водоводов и 8 баллов у входа в здание ГЭС (на основе данных филиала «ЦСГНЭО» и ГИПа Зарамагских ГЭС). Таким образом, вдоль трассы субгоризонтальных напорных водоводов принимается расчетная сейсмичность 8 баллов. Расчеты проводились для основного и особых сочетаний нагрузок. При этом в основное сочетание входят нагрузки, соответствующие периоду нормальной эксплуатации водоводов с учетом гидростатического напора внутри водоводов. В особые сочетания включаются сейсмические воздействия (совместно с гидростатическим напором внутри водоводов) и действие гидродинамического напора с учетом гидравлического удара при полном сбросе нагрузки.

Расчеты проводились по методу предельных состояний, по несущей способности на прочность и по раскрытию трещин.

Напряженно-деформированное состояние сталежелезобетонных напорных водоводов Зарамагской ГЭС-1 определялось на основе математических конечноэлементных моделей. При этом рассматривались имеющиеся типы конструкций на примере сталежелезобетонного напорного водовода № 1 (типы II и III в крепких породах, типы IIа и IIIа на участках с сильной трещиноватостью пород).

Проведенными расчетами были обоснованы конструк-тивные решения субгоризонтальных сталежелезобетонных водоводов: решение по стальной оболочке (толщиной 36 мм) и по однорядному кольцевому армированию (5Ш40 A-III на 1 м.п.). Было рекомендовано обеспечить надежную связь внутренней стальной оболочки с кольцевой арматурой и с железобетоном обделки водоводов в целом; а также назначить толщину железобетонной обделки водоводов не менее 50 см по всей их окружности (в том числе в своде).

Уточненные технические решения напорных водоводов Зарамагской ГЭС-1 (в том числе обоснованное однорядное кольцевое армирование) позволяют значительно облегчить технологию возведения конструкции и сократить сроки строительства.

Авторами усовершенствована методика численного моделирования сталежелезобетонных напорных водоводов, усовершенствованы схемы их армирования, разработан алгоритм проведения расчетных исследований МКЭ.

Размещено на Allbest.ru