Оценка осадки плотины Магнитогорского гидроузла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(25), 2017 г., [178-189]

Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт имени А. К. Кортунова Донского государственного аграрного университета

ОЦЕНКА ОСАДКИ ПЛОТИНЫ МАГНИТОГОРСКОГО ГИДРОУЗЛА

А.И. Перелыгин, Л.В. Персикова, С.А. Киселёв

Аннотация

Целью исследований являлось проведение оценки осадки плотины Магнитогорского гидроузла на реке Урал в Челябинской области, а также определение времени стабилизации ее тела и основания с учетом многолетних наблюдений. В процессе исследований с использованием системного подхода были проанализированы данные натурных наблюдений, которые проводились с декабря 1938 г. (еще до ввода сооружений Магнитогорского гидроузла в эксплуатацию) по сентябрь 2016 г. Для наблюдения за осадкой плотины, состоящей из каменно-земляной и гравитационной железобетонной частей, установлены 14 реперов-марок на гребне и два репера в береговых примыканиях. Для проведения исследований в последние годы применялись нивелир Н-05 и комплект инвентарных трехметровых реек. Нивелирование реперов производилось один раз в два года. Высотные отметки рабочих (деформационных) реперов, расположенных на плотине гидроузла, определялись по методике нивелирования III класса. В результате исследований установлены срок стабилизации тела и основания плотины, а также количественные показатели осадки по годам. Процесс осадки происходил в основном на участке каменно-земляной плотины за счет уплотнения тела сооружения, срок осадки тела плотины - 71 год, а в целом за период эксплуатации гидроузла (77 лет) наибольшая осадка составила 342,0 мм, что значительно превышает аналогичный показатель для других известных плотин, приведенных в работе. В то же время вертикальная деформация бетонной части плотины равна 2,0 мм, что в пределах аналогичных значений известных бетонных конструкций. плотина гидроузел осадка магнитогорский

Ключевые слова: вертикальные деформации плотины, тело и основание плотины, каменно-земляная плотина, бетонная плотина, натурные исследования, стабилизация осадки, оценка осадки.

Annotation

A. I. Perelygin, L. V. Persikova, S. A. Kiselyov

Novocherkassk Engineering and Land Reclamation Institute of Don State Agrarian University, Novocherkassk, Russian Federation

DAM SUBSIDENCE ASSESSMENT OF MAGNITOGORSK HYDRAULIC WATERWORKS

The aim of research was dam subsidence assessment of Magnitogorsk hydraulic waterworks on the river Ural Chelyabinsk region as well as time stabilization determination of its body and foundation based on long-term observations. In the process of research using a systematic approach, data of field observations carried out from December 1938 (before Magnitogorsk waterworks structures were launched) till September 2016 were analyzed. To monitor the dam subsidence consisting of earth-and-rockfill and concrete gravity parts, 14 benchmarks-makes and two benchmarks in landfalls were set on the crest. Lately H-05 level and a set of inventory three-meter rails were used. Benchmaking survey was carried out once in two years. Elevations points of working (deformation) benchmarks, located on the hydroelectric dam, were determined by the method of leveling class III. The period of body and base stabilization as well as quantitative subsidence data by year were found out. The subsidence process occurs mainly in the area of earth-and-rockfill dam by consolidation body structure. The subsidence of the dam body was 71 years, as a whole for the operation period (77 years) maximum subsidence was 342 mm, which is considerably higher than for other known dams listed in the work. At the same time the vertical deformation of the concrete part of the dam is 2.0 mm, which is within the similar values of the known concrete structures.

Keywords: vertical dam deformation, body and base of dam, earth-and-rockfill dam, concrete dam, field studies, subsidence stabilization, subsidence assessment.

Введение

Негативный опыт разрушений гидротехнических сооружений в XIX и начале XX столетия, причинивших огромные убытки и сопровождавшихся гибелью многих людей, показал необходимость организации систематического контроля состояния гидросооружений, включая их осадку.

Осадка плотины складывается из осадок тела плотины и ее основания. Ее рассчитывают для уточнения общего объема работ, определения необходимого строительного подъема гребня плотины и величины неравномерности осадки различных частей сооружения. Деформации каменно-земляных плотин зависят от типа и месторасположения противофильтрационного устройства, возможных изменений формы основания, систем уплотнения и деформационных свойств материала сооружения, времени его эксплуатации и т. д. [1-3].

Целью настоящей работы являлось проведение оценки осадки плотины Магнитогорского гидроузла, расположенного на реке Урал в Челябинской области, а также определение времени стабилизации ее тела и основания с учетом многолетних наблюдений.

Согласно СП 39.13330.2012 осадку каменно-земляных плотин в период строительства и в процессе эксплуатации необходимо определять на основании экспериментальных исследований сжимаемости крупнообломочных грунтов с учетом фактора времени [4]. Осадка гребня в любой момент времени, , м, также может быть рассчитана по выражению [5]:

(1)

где - удельный вес грунта, Н/м³;

- высота плотины, м;

- модуль мгновенной деформации материала, МПа;

- время, лет;

- эмпирические параметры, характеризующие деформацию ползучести, измеряемые соответственно в МПа•год и МПа.

Магнитогорский гидроузел расположен на реке Урал в черте города Магнитогорска Челябинской области, сдан в эксплуатацию в 1939 г. Гидроузел предназначен для создания водохранилища с целью водоснабжения Магнитогорского промышленного района, орошения полей подсобных хозяйств, охлаждения воды, поступающей с металлургического комбината.

Общая длина сооружений напорного фронта составляет 912,1 м. В комплекс основных сооружений гидроузла входят:

- каменно-земляная плотина с экраном и понуром (рисунок 1);

- паводковый водосброс;

- гравитационная железобетонная плотина, разделенная на два участка донным водоспуском;

- струенаправляющая дамба.

Рисунок 1 Каменно-земляная плотина (нижний бьеф) (автор фото С. А. Киселёв)

Класс капитальности основных сооружений гидроузла - I.

Каменно-земляная плотина - насыпная, смешанного типа, состоит из каменной призмы, суглинистого экрана с понуром толщиной от 3,0 до 9,0 м и песчано-гравийного слоя толщиной до 2,5 м.

Физико-механические свойства грунтов тела каменно-земляной плотины и грунтов основания приведены в таблице 1. Длина плотины по гребню составляет 728,0 м, максимальный напор - 15,0 м, при этом максимальная высота плотины - 17,5 м.

Гравитационная плотина - железобетонная, общей длиной 56,5 м. Первый ее участок длиной 42,0 м перекрывает напорный фронт от паводкового водосброса до водоспуска. Второй участок длиной 14,5 м сопрягает водоспуск с каменно-земляной плотиной.

Материалы и методы

Для наблюдения за осадкой плотины, состоящей из каменно-земляной и гравитационной железобетонной частей, установлены 14 реперов-марок на гребне и два репера в береговых примыканиях. Срок натурных исследований составляет 77 лет. Для проведения исследований в последние годы применялись нивелир Н-05 и комплект инвентарных трехметровых реек. В качестве исходных для вычисления отметок рабочих реперов наблюдательной станции использовались реперы , .

Нивелирование реперов производилось один раз в два года. Высотные отметки рабочих (деформационных) реперов, расположенных на плотине гидроузла, определялись по методике нивелирования III класса [3].

Допустимая невязка в линии нивелирования рассчитывалась по формуле:

, (2)

где - число штативов в ходе, шт.

Результаты и обсуждения

Результаты натурных исследований представлены в табличной (таблица 2) и графической (рисунок 2) формах, из которых видно, что наиболее интенсивная осадка плотины наблюдалась в период наполнения водохранилища, в дальнейшем происходило ее постепенное затухание. В настоящее время осадка грунтовой плотины практически прекратилась.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 1

Расчетные показатели физико-механических свойств грунтов участка основных сооружений гидроузла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблица 2

Осадка бетонной и насыпной части плотины

Рисунок 2 Результаты натурных исследований осадки плотины гидроузла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процесс осадки происходил в основном на участке расположения каменно-земляной плотины за счет уплотнения тела сооружения. В результате натурных исследований было установлено, что время стабилизации осадки плотины Магнитогорского гидроузла - 71 год. При этом наибольшая ее осадка составила = 342 мм (правый берег, ).

Для сравнения в таблице 3 приводятся сведения по другим гидроузлам [6-10].

Таблица 3

Сведения по вертикальным деформациям гидроузлов

Из таблицы 3 следует, что осадка каменно-земляной плотины Магнитогорского гидроузла превышает показатели осадки приведенных в ней земляных плотин, данное обстоятельство можно объяснить материалом, из которых выполнено сооружение, технологией строительства плотины в 1936-1938 гг., а также временем эксплуатации гидроузла.

В то же время вертикальная деформация бетонной части плотины составляет всего 2,0 мм, что в пределах аналогичных значений известных бетонных конструкций.

Для оценки осадки гребня плотины Магнитогорского гидроузла воспользуемся вышеприведенной формулой (1). В связи с отсутствием отдельных исходных данных за основу возьмем рекомендации, приведенные в справочнике проектировщика [5], в котором отмечено, что для предварительных расчетов величин , можно принять данные, соответствующие результатам натурных наблюдений плотин, представленные в таблице 9.2 [5]. Наиболее близкой в данном случае является плотина Инфернильо.

Тогда = 1750 см; 0,027 Н/см³; = 100 МПа; = 5,5 МПа•год; = 66 МПа; = 71 год.

Подставляя значения в формулу, получаем:

см = 0,01 мм.

Однако фактические значения осадки по данным натурных исследований в 2009 г. изменялись по створам от 1 до 6 мм.

Выводы

1 Вычисленное значение осадки плотины (в 2009 г.) по формуле (1) согласно исходным данным плотины-аналога не соответствует натурным результатам, поэтому эту зависимость можно применять только на основании (и с использованием) материалов изысканий исследуемой каменно-земляной плотины.

2 В результате натурных исследований установлено время стабилизации плотины Магнитогорского гидроузла в отношении осадки ее тела и основания - 71 год, за данный период максимальная осадка плотины составила 342 мм. Она произошла вследствие вертикальных деформаций тела каменно-земляной плотины.

3 Для получения точного результата оценку осадки каменно-земляной плотины в любой период времени следует выполнять на основании экспериментальных исследований сжимаемости крупнообломочных грунтов конкретного гидротехнического сооружения и его основания с учетом фактора времени.

Список использованных источников

1 Гинзбург, М. Б. Натурные исследования крупных гидротехнических сооружений / М. Б. Гинзбург. М. Л.: Энергия, 1964. 130 с.

2 Моисеев, С. Н. Каменно-земляные плотины / С. Н. Моисеев, И. С. Моисеев. М.: Энергия, 1977. 219 с.

3 Мелиорация и водное хозяйство. 4. Сооружения: справочник / под ред. П. А. Полад-Заде. М.: Агропромиздат, 1987. 464 с.

4 СП 39.13330.2012. Плотины из грунтовых материалов. Актуализированная редакция: СНиП 2.06.05-84: утв. Министерством регионального развития РФ 29.12.11.М.: Минрегион России, 2012. 85 с.

5 Гидротехнические сооружения: справочник проектировщика / под общ. ред. В. П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983. 544 с.

6 Гидротехнические сооружения / Н. П. Розанов [и др.]; под ред. Н. П. Розанова. М.: Агропромиздат, 1985. 432 с.

7 Эйдельман, С. Я. Натурные исследования бетонных гидротехнических сооружений / С. Я. Эйдельман. М. Л.: Госэнергоиздат, 1960. 137 с.

8 Александровская, Э. К. Результаты обследования гидротехнических сооружений Красноярской ГЭС / Э. К. Александровская, В. А. Стафневский, Б. Г. Ботвинов // Гидротехническое строительство. 2000. № 6. С. 14-16.

9 Александровская, Э. К. Результаты обследования гидротехнических сооружений Новосибирской ГЭС / Э. К. Александровская, В. А. Стафневский, А. П. Комаров // Гидротехническое строительство. 1999. № 3. С. 29-31.

10 Блинов, И. Ф. Натурные наблюдения и исследования на энергетических сооружениях / И. Ф. Блинов, И. С. Ронжин, А. И. Царев // Гидротехническое строительство. 1999. № 8-9. С. 58-63.

Размещено на Allbest.ru