Температурно-фильтрационный режим пригребневой зоны грунтовой плотины в суровых климатических условиях

ГИДРАВЛИКА. ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ. ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 627.8:551.5

Н.А. Анискин

ФГБОУВПО «МГСУ»

ТЕМПЕРАТУРНО-ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ РЕЖИМ ПРИГРЕБНЕВОЙ ЗОНЫ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Рассмотрены и проанализированы результаты расчета температурно-филь-трационного режима пригребневой зоны каменно-земляной плотины в условиях вечной мерзлоты для случая возможного повышения уровня верхнего бьефа выше отметки НПУ. Обоснована возможность такого повышения, позволяющая увеличить выработку электроэнергии ГЭС.

Ключевые слова: каменно-набросная плотина, температурно-фильтрацион-ный режим, температура воздуха, метод конечных элементов, установившийся режим, уровень верхнего бьефа.

Важной в практике гидротехнического строительства является задача прогнозирования фильтрационно-температурного режима системы грунтовая плотина — основание применительно к сооружениям, возводимым в условиях вечной мерзлоты. Вопросы обеспечения устойчивости и надежности таких сооружений невозможно решать без четкого представления о фильтрационном и температурном режимах плотин и их оснований. В теле плотины, ее основании и бортах в процессе возведения формируется сложный неустановившийся температурный режим. В сооружении возникают мерзлые и талые зоны с изменяющимися во времени границами, в результате чего происходят фазовые переходы влаги, изменения прочностных, фильтрационных и динамических параметров сооружения. При наполнении водохранилища и возникновении фильтрации усиливается теплообмен между фильтрующей водой, всегда имеющей положительную температуру, и грунтами плотины, основания и бортов, которые могут находиться как в талом, так и в мерзлом состоянии. Отепляющее воздействие фильтрационного потока может вызвать нежелательное чрезмерное оттаивание грунтов, что в свою очередь вызовет увеличение проницаемости плотины и основания и потерь воды из водохранилища, появление зон локальной усиленной фильтрации, увеличение пористости и осадок сооружения. Фильтрационный и температурный режимы в этом сложном нестационарном процессе взаимно влияют друг на друга. Изучению этого взаимодействия посвящено достаточно много исследований [1—6].

Опыт эксплуатации каменно-земляных плотин в суровых климатических условиях (плотины Вилюйской ГЭС-1, 2, Усть-Хантайской, Курейской,

ВЕСТНИК

Колымской ГЭС) выявил некоторые особенности работы таких конструкций. Одной из проблемных зон таких плотин является гребень плотины и верхняя часть оголовка противофильтрационного элемента из связных грунтов [7—9]. В этой зоне, как правило, образуется область многолетнемерзлого связного грунта, расположенная выше депрессионной кривой. Конструкцией, работающей в подобных условиях, является каменно-земляная плотина Колымской ГЭС [10]. Высота плотины достигает 131 м, длина по гребню — 760 м. Начало строительства — 1970 г., завершение строительства — 1989 г. Анализ температурного состояния плотины Колымской ГЭС, проведенный ранее на основании натурных данных [10], показал, что процесс приспособления сооружения с начала периода эксплуатации (1989 г.) не завершен и сегодня. Квазистационарный температурно-фильтрационный режим сооружения, когда приток тепла в плотину в летнее время года будет соответствовать потерям ею тепла зимой и положение нулевой изотермы стабилизируется на одинаковые моменты времени любого года эксплуатационного периода, не достигнут. Кроме того, натурные исследования ядра с помощью георадара выявили фактическое снижение гребня ядра на некоторых участках с проектной отметки 454,0 до отметки ~ 451,0 и локальную неоднородность материала ядра, свидетельствующую о возможном наличии зон с повышенным содержанием замерзшей в порах грунта воды. Ее оттаивание при повышении температуры может вызвать резкое снижение отметки гребня.

Расчеты фильтрационно-температурного режима грунтовой плотины Колымской ГЭС были проведены с целью прогноза возможного температурного режима пригребневой части плотины в случае стабильного повышения уровня воды верхнего бьефа в августе-сентябре до отметок 252,0 (что выше отметки НПУ 451,5) для увеличения выработки электроэнергии. В этом случае тепловое воздействие водохранилища может вызвать растепление противофильтрационного элемента (глинистого ядра) на отметках выше отметки 445,0 и, как следствие, просадки грунта и снижения гребней плотины и ядра. Проведенные расчеты выполнены для ответов на данные вопросы. Также рассмотрено возможное повышение уровня верхнего бьефа до отметки ФПУ 457,6.

Плотина Колымской ГЭС возведена в суровых климатических условиях

со средней температурой воздуха--11,5 °С [10]. Протяженность периода с

отрицательными среднемесячными температурами воздуха составляет 7 мес. (с октября по апрель включительно). Наиболее холодные месяцы в году декабрь и январь (среднемесячные температуры достигают —35,4...-35,8 °С). Самый теплый месяц в году — июль (среднемесячные температуры достигают ~ +15,8 °С).

Значения среднемесячных температур воздуха, зафиксированные за период с 1993 по 2002 гг. в районе строительства Колымской ГЭС, приведены в табл. 1.

Гидравлика. Инженерная гидрология. Гидротехническое строительство УЕБТЫНС

_мвви

Табл. 1. Среднемесячные температуры воздуха района Колымской ГЭС

Месяц года

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

-35,8 -31,7 -23,8 -10,7 3,3 13,3 15,8 11,4 4,1 -10,5 -26,7 -35,4

В расчетах закладывались максимальные из наблюденных за последние десять лет значения уровней верхнего бьефа, что является худшим вариантом с точки зрения температуры в гребневой зоне плотины. Значения рассмотренных уровней верхнего бьефа в табл. 2. Максимальных значений уровень верхнего бьефа достигает в августе-сентябре (отметка 452,0), что превышает отметку НПУ (451,5). Максимальная сработка водохранилища задавалась в апреле — до отметки 440,0.

Табл. 2. Уровни верхнего бьефа водохранилища Колымской ГЭС

Месяц года

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

446,5 445,0 443,2 440,0 442,0 450,8 450,0 452,0 452,0 451,1 450,0 449,6

Ежемесячные значения температур воды на разных отметках задавались в соответствии с графиками изменения температуры воды по глубине водохранилища, построенными на основе натурных наблюдений. Температурный режим водохранилища характеризуется следующим. Наиболее низкие температуры воды соответствуют периоду с ноября по апрель (температура воды в этот период изменяется от 0,0 °С на поверхности до 2,5...3,5 °С на глубине более 40 м). В период июнь-июль происходит повышение температуры воды в верхнем слое до 8.16 °С и прогрев воды на глубине до 4.5 °С. В августе вода на глубине 40 м прогревается до 7 °С при ее температуре на поверхности 12 °С. Данные по климатическим параметрам и температурному режиму водохранилища использовались в расчетах температурно-фильтрационного режима плотины Колымской ГЭС.

Решение фильтрационно-температурной задачи выполнено с использованием метода конечных элементов в локально-вариационной постановке [1, 11]. Решалось известное дифференциальное уравнение Фурье — Кирхгофа [11]:

д _ д ^ . _ д ^ . _ д 2t Ст у т ( д д д ^

)

- = ax—- + ау—- + az—- -—I v--+ v--+ v —

дт dx2 ' dy2 dz2 Св Y в I x

где — температура твердого тела (материала плотины или основания);

^ — время; а, а аг — коэффициенты температуропроводности твердого тела, насыщенного водой, по осям х, у, z; V, vz — компоненты скорости фильтрации по осям х, у, г; С Ст — удельная объемная теплоемкость воды и твердого тела; у ут — плотности воды и твердого тела.

Решение данного дифференциального уравнения равносильно минимизации функционала [1]:

ВЕСТНИК

МГСУ-

ф=Ш\ 1

+ ау

'ал2

ду

+ а,

Э/

+ — / + (у,grad/)/ [й&йУйг +

ь([ д/й П+ДО - /ВОЗд )2 й П,

О, П2 2

. ч 9/ 5/ 5/ ,

где (V, grad/ ) = у^ — + уу —+у2 — — скалярное произведение векторов фильтра-

дх ду 02

ционной скорости и температурного градиента; й й2 — поверхности расчетной области, на которой выполняются соответственно граничные условия 2 и 3-го рода.

Минимизация функционала в расчетной области осуществляется на основе метода конечных элементов в локально-вариационной постановке [1, 11].

Фильтрационно-температурная задача решалась в плоской постановке. В качестве расчетного сечения рассматривалось русловое сечение плотины. Расчетная область включала в себя пригребневую область грунтовой плотины от отметки гребня до горизонтального сечения на отметке 415,0.

Для численного решения задачи с использованием метода конечных элементов была составлена сетка разбивки расчетной области на конечные элементы. Разбивка на конечные элементы была сделана таким образом, чтобы были воспроизведены конструктивные элементы пригребневой части грунтовой плотины: верховая и низовая призмы плотины из горной массы, два слоя переходных зон со стороны верхнего и нижнего бьефов, суглинистое ядро. Учитывалось снижение верха ядра до отметки 451,0, что было выявлено в результате натурных исследований. Общее количество узлов апроксимационной сетки для решения плоской задачи составляет 4941, количество элементов — 4800. Сетка метода конечных элементов для расчетной области представлена на рис. 1.

Рис. 1. Конечно-элементная дискретизация расчетной области для фильтрацион-но-температурной задачи

V

Граничные условия при решении задачи задавались следующим образом. При решении фильтрационной задачи в узлах со стороны верхнего бьефа (узлы по верховому откосу плотины до отметки верхнего бьефа) задавались граничные условия первого рода — максимальные значения относительного напора H = 1.

г

По узлам нижней границы расчетной области (горизонтальное сечение по отметке 415,0) задавалось условие равенства удельного фильтрационного рас, , dH п дН хода или градиента фильтрации нулю: qn = k -д^ = 0, где -д^ — производная

фильтрационного напора по нормали к поверхности. Данное условие равносильно заданию водоупора по поверхности и реализуется заданием слоя элементов с нулевыми коэффициентами.

По низовой грани ядра плотины задавалась «шина»: в узлах низовой грани ниже выхода на нее депрессионной кривой значение относительного напора принималось неизменным и равным Н. = zlН, где z. — превышение точки над уровнем нижнего бьефа; Н — статический напор. Переходные зоны со стороны нижнего бьефа и низовая призма плотины при решении фильтрационной задачи не рассматривались (в виду их гораздо большей проницаемости по сравнению с ядром). Для элементов расчетной области, в которых значение средней температуры ниже -0,3 °С, величина коэффициента фильтрации принималась равной 0 (мерзлая зона принималась водонепроницаемой).

При решении температурной задачи по контакту сооружения и основания с водой задавалось граничное условие I рода: t. = t , где t — температура воды (задавалась в соответствии с заданным распределением температуры по глубине водохранилища).

В узлах по границе грунта с воздухом задавалось граничное условие III рода (конвективный теплообмен). По нижней границе расчетной области за-

dt a

давалось условие равенства температурного градиента по нормали нулю: -г—= 0,

dn

что соответствует абсолютной теплоизоляции, и моделировалось заданием по данным поверхностям слоя элементов нулевой проницаемости. Данное упрощение, очевидно, сказывается на локальной области вблизи данной границы и не оказывает существенного влияния на распределение температуры в при-гребневой зоне плотины, представляющее наибольший интерес в данных исследованиях.

В качестве начального условия при решении нестационарной темпера-турно-фильтрационной задачи было принято распределение температуры в пригребневой зоне, полученное из решения температурной задачи, на момент времени октябрь 2005 г. В результате решения в узлах сетки конечных элементов получены значения температурной функции.

Можно отметить следующие особенности полученного температурного режима пригребневой части плотины. Основная особенность — это стабильное положение нулевой изотермы в пределах ядра, изменяющееся от отметки ~445,0 на верховой грани ядра до отметки ~442,0 по оси ядра и ~440,0 на низовой грани ядра. Таким образом, согласно полученным резуль-

ВЕСТНИК

татам, часть ядра выше нулевой изотермы, проходящей в ядре по отметкам 445,0-442,0-440,0 будет постоянно находиться в мерзлом состоянии при достаточно продолжительном превышении над отметкой НПУ уровня верхнего бьефа (в течении 2 месяцев уровень держится на отметке 452,0). Ниже этих отметок ядро находится в талом состоянии, что удовлетворяет условиям его безопасности и работоспособности как грунтового противофильтрационного устройства талого типа.

Гребневая часть плотины до отметок ~445,0...450,0 находится в течение всего года в мерзлом состоянии (за исключением поверхностного слоя толщиной ~3 м, оттаивающих в летний период).

Переходные зоны со стороны нижнего бьефа в верхней части плотины (выше отметок ~430,0...440,0) находятся в мерзлом состоянии, подвергаясь в области гребня плотины незначительному оттаиванию в конце летнего периода. Первый слой переходных зон со стороны нижнего бьефа ниже отметки ~440,0 и частично второй слой ниже отметки ~425,0 в течение года находятся в стабильно талом состоянии, что соответствует требованиям безопасности и обеспечения их нормальной работы как дренажной водоотводящей конструкции.

В низовой призме сформировалась мерзлая зона с отрицательными температурами до -8.-10 °С в ее центральной части. Поверхность низового откоса подвергается попеременному оттаиванию и замораживанию в годовом цикле. Толщина слоя, подвергающаяся таким изменениям, достигает 5.6 м.

Был также рассмотрен расчетный случай при повышении уровня верхнего бьефа в период с 15 августа по 15 сентября до отметки ФПУ 457,6 м. Результаты данного расчета приведены на рис. 2. Такой подъем уровня воды в водохранилище вызывает к 15 сентября несколько больший прогрев при-гребневой зоны вдоль верхового откоса (рис. 2, а) по сравнению со случаем уровня верхнего бьефа в этот период на отметке 452,0. Дальнейшее снижение уровня воды в октябре (рис. 2, б) и ноябре (рис. 2, в) к «нормальным» приводит к постепенному охлаждению этой зоны. При этом нулевая изотерма достигает примерно внешней границы первого слоя переходных зон на отметке 454,0 (рис. 2, б). Зона в центральной части пригребневой зоны остается в мерзлом состоянии.

Полученные результаты решения температурно-фильтрационной задачи в целом подтвердили сделанные раннее выводы [8] о нормальном с точки зрения температурного режима состоянии грунтов вблизи гребня плотины в русловых сечениях. Вместе с тем, учитывая уникальность и важность данного объекта, следует продолжить численные исследования температурно-фильтрационного режима в направлении создания пространственной прогнозной модели, что позволит учесть множество не учтенных в проведенных расчетах факторов: влияние бортов и обходной фильтрации, наличие в теле плотины открытых со стороны нижнего бьефа железобетонных труб водоводов т.д.

Сентябрь '„„=4,1 °С

УВБ ФПУ V1d7jS0 V 453.СЮ

6

Ноябрь t =-26,7 °С

V 45S.00

в

-35,00 -25,00-15,00 -10,00-8,00 -6,00 -4,00 -3,00 -1,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 6,00 8,00

Шкала температур

Рис. 2. Распределение температуры в пригребневой части грунтовой плотины Колымской ГЭС при повышении уровня верхнего бьефа до отметки ФПУ 457,6 в августе-сентябре расчетного года: а — на момент времени 15 сентября расчетного года; б — на момент времени 15 октября расчетного года; в — на момент времени 15 ноября расчетного года

Библиографический список

1. Анискин Н.А. Температурно-фильтрационный режим основания и плотины Курейской ГЭС во втором правобережном понижении // Вестник МГСУ 2006. № 2. С. 43—52.

2. Горохов Е.Н. Температурный режим грунтов левобережного примыкания Вилюйской ГЭС-3 // Гидротехническое строительство. 2003. № 2. С. 12—15.

ВЕСТНИК AI-iMt.

4/2013

3. Клейн И.С. Метод расчета температурного режима каменно-земляных плотин // Труды ВОДГЕО. М., 1981. С. 162—176.

4. Шугаева Р.Т. Прогноз термического режима грунтовой плотины Вилюйской ГЭС-III // Известия ВНИИГ : сб. науч. тр. 1984. Т. 158. С. 64—69.

5. Соболь С.В. Водохранилища в области вечной мерзлоты. Н. Новгород : ННГАСУ, 2007. 432 с.

6. Горохов Е.Н. Теория и метод расчета температурно-криогенного режима плотин из каменной наброски в криолитозоне // Известия вузов. Строительство. 2005. № 9. С. 32—39.

7. Мухетдинов Н.А., Кузьмина С.А., Кожевникова Е.А. Конструкция гребня камен-но-земляных плотин в районах Крайнего Севера // Гидротехническое строительство. 2005. № 2. С. 13—23.

8. Пехтин В.А. О безопасности плотин в северной строительно-климатической зоне // Гидротехническое строительство. 2004. № 10. С. 6—9.

9. Пехтин В.А., Серов А.А., Суслопаров В.А. О конструкции гребне каменно-зем-ляных плотин в северной строительно-климатической зоне // Гидротехническое строительство. 2002. № 4. С. 18—20.

10. Серов А.А., Пехтин В.А. Колымская ГЭС. Опыт строительства и эксплуатации. СПб. : Изд-во ВНИИГ, 1999. 655 с.

11. Гидротехнические сооружения / Л.Н. Рассказов, В.Г. Орехов, Н.А. Анискин и др. В 2-х т. М. : Изд-во АСВ, 2011. Т. 2. 535 с.

Поступила в редакцию в марте 2013 г.

Об авторе: Анискин Николай Алексеевич — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой гидротехнических сооружений, директор института гидротехнического и энергетического строительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, nikolai_aniskin@mail.ru.

Для цитирования: Анискин Н.А. Температурно-фильтрационный режим при-гребневой зоны грунтовой плотины в суровых климатических условиях // Вестник МГСУ 2013. № 4. С. 129—137.

N.A. Aniskin

THERMAL AND FILTRATION BEHAVIOUR OF THE EARTH DAM CREST AREA IN SEVERE CLIMATIC CONDITIONS

The author analyzes the thermal and filtration behaviour of the earth dam's crest area in the case of the water level rise in the permafrost conditions. Kolymskaya hydroelectric power station operates in severe climatic conditions with the average air temperature of -11.5 °C. The period of negative average temperatures lasts for 7 months (October through April). The coldest months are December and January (when the average temperature reaches -35.4 ... -35.8 °C). The warmest month of the year is July (the average temperature reaches 15.8 °C).

Analysis of the thermal and filtration behaviour was performed through the employment of the finite element method in its variational formulation. The Fourier-Kirchhoff differential equation was solved as part of the problem resolution.

The results of the analysis comply with the earlier findings. However, the unique nature and importance of the hydro-electric facility confirm the need to perform further research into its thermal and filtration behaviour by developing a three-dimension forecast

model to take account of several following factors, including the bypass filtration and the

presence of reinforced concrete pipes in the dam.

Key words: earth-fill dam, thermal and filtration behaviour, air temperature, finite

element method, static mode.

References

1. Aniskin N.A. Temperaturno-fil'tratsionnyy rezhim osnovaniya i plotiny Kureyskoy GES vo vtorom pravoberezhnom ponizhenii [Thermal and Filtration Behaviour of Dam Base and Structure of Kureyskaya Hydro-electric Power Plant at the Second Reduced Level of the Right Bank]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2006, no. 2, pp. 43—52.

2. Gorokhov E.N. Temperaturnyy rezhim gruntov levoberezhnogo primykaniya Vilyuyskoy GES-3 [Thermal Mode of Soils of the Left-bank Abutment of Vilyuyskaya-3 Hydro-electric Power Plant]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 2003, no. 2, pp. 12—15.

3. Kleyn I.S. Metod rascheta temperaturnogo rezhima kamenno-zemlyanykh plotin [Method of Analysis of the Thermal Mode of Rock-and-earthfill Dams]. Trudy VODGEO [Works of VODGEO Institute]. Moscow, 1981, pp. 162—176.

4. Shugaeva R.T. Prognoz termicheskogo rezhima gruntovoy plotiny Vilyuyskoy GES-III [Projected Thermal Mode of Earth Dam of Vilyuyskaya Hydro-electric Power Plant-III]. Izvestiya VNIIG. Sb. nauch. tr. [News of the All-Union Scientific and Research Institute of Hydraulic Engineering. Collection of Research Works]. 1984, vol. 158, pp. 64—69.

5. Sobol' S.V. Vodokhranilishcha v oblasti vechnoy merzloty [Artificial Water Storage Basins in the Permafrost Conditions]. N. Novgorod, NNGASU Publ., 2007, 432 p.

6. Gorokhov E.N. Teoriya i metod rascheta temperaturno-kriogennogo rezhima plotin iz kamennoy nabroski v kriolitozone [Theory and Method of Analysis of Thermal and Cryogenic Mode of Rock-mound Dams in the Permafrost Zone]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo [News of Institutions of Higher Education. Construction]. 2005, no. 9, pp. 32—39.

7. Mukhetdinov N.A., Kuz'mina S.A., Kozhevnikova E.A. Konstruktsiya grebnya ka-menno-zemlyanykh plotin v rayonakh Kraynego Severa [Crest Structure of Rock-and-earthfill Dams in the Far Northern Areas]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 2005, no. 2, pp. 13—23.

8. Pekhtin V.A. O bezopasnosti plotin v severnoy stroitel'no-klimaticheskoy zone [Safety of Dams in the North Zone of Construction]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 2004, no. 10, pp. 6—9.

9. Pekhtin V.A., Serov A.A., Susloparov V.A. O konstruktsii grebnei kamenno-zemly-anykh plotin v severnoy stroitel'no-klimaticheskoy zone [Structure of Crests of Rock-and-earthfill Dams in the North Zone of Construction]. Gidrotekhnicheskoe stroitel'stvo [Hydraulic Engineering Construction]. 2002, no. 4, pp. 18—20.

10. Serov A.A., Pekhtin V.A. Kolymskaya GES. Opyt stroitel'stva i ekspluatat-sii. [Kolymskaya Hydro-electric Power Plant. Construction and Operation Experience]. St.Petersburg, VNIIG Publ., 1999, 655 p.

11. Rasskazov L.N., Orekhov V.G., Aniskin N.A. Gidrotekhnicheskie sooruzheniya [Hydraulic Engineering Structures]. Moscow, ASV Publ., 2011, vol. 2, 535 p.

About the author: Aniskin Nikolay Alekseevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Hydraulic Engineering Structures, Institute of Hydraulic Engineering and Power Plant Construction, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; nikolai_aniskin@ mail.ru.

For citation: Aniskin N.A. Temperaturno-fil'tratsionnyy rezhim prigrebnevoy zony gruntovoy plotiny v surovykh klimaticheskikh usloviyakh [Thermal and Filtration Behaviour of the Earth Dam Crest Area in Severe Climatic Conditions]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 4, pp. 129—137.