Анализ рисков геодеформационных проявлений вибросейсмических процессов в основании турбинного корпуса АС

2/2011 вестник 2/20L]_МГСУ

АНАЛИЗ РИСКОВ ГЕОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЯВЛЕНИИ

ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОСНОВАНИИ ТУРБИННОГО КОРПУСА АС

THE GEODEFORMATION DISPLAYS RISKS ANALYSIS OF VIBRATIONS IN THE NUCLEAR STATION TURBINE CASE BASIS

M.C. Хлыстунов, Ж.Г. Могилюк

M.S. Hlystunov, J.G. Mogilyuk

мгсу

В статье представлены результаты грависейсмического мониторинга и компьютерного моделирования на комплексе «Композит-7» полей микросейсм и идентификации причин неравномерных осадок большепролетных зданий и сооружений.

In article are presented graviseismic monitoring results and results of microseisms fields computer modelling on a complex «Composite-7» to identification the non-uniform depths immersion reasons in the nuclear station turbine case basis.

Из результатов проведенных в МГСУ исследований следует, что возможные риски многолетнего микросейсмического воздействия и дестабилизации геоэкологических связей и процессов могут существенно ускорить геодеформационные процессы в основаниях тяжелых сооружений, включая отечественные и зарубежные АС с реакторами любого типа.

Экстренная инструментальная верификация МАГАТЭ микросейсмических проявлений в районе расположения и на промплощадке одной из АС (Ленинградская АС) на территории РФ, убедительно показывает, что авторитетные международные организации и специалисты имеют веские основания для проведения инспекционного контроля состояния микросейсмического фона и последствий его многолетнего воздействия на строительную конструкцию и оборудование станции.

Эта проблема не менее важна и для других объектов промышленного и гражданского строительства, особенно, в мегаполисах и промзонах с высоким уровнем техногенной вибросейсмической нагрузки грунтов оснований.

В настоящей статье в качестве объекта обобщенного анализа геодеформационных рисков рассмотрена виртуальная АС с некоторым типовым набором энергоблоков.

Па одном из реакторов АС при загрузке топливом произошел незначительный перекос крышки активной зоны (котла), на другом были выявлены системные волосные трещины на панелях ограждения турбинного корпуса, на третьем ранее регламентного срока разрушились подшипники турбины и т.д.

Характерной особенностью этих незначительных происшествий было то, что они не постулировались при проектном обосновании безопасности и, как правило, проис-

ВЕСТНИК 2/2011

ходили в пределах локальных зон промплощадок, отличающихся повышенной виброактивностью.

Подобные незначительные «неприятности» имели место как на исследуемой АС, так и на целом ряде других зарубежных станций с реакторами и оборудованием, спроектированными и изготовленными в других странах и на других предприятиях.

В связи с этим представляется важным исследование малоизученных ранее скрытых малоамплитудных процессов, например вибросейсмических, обладающих аккумулятивным эффектом, приводящим к плавным отказам строительных конструкций или оснований станций.

В пользу такой версии указывают статистические материалы обследований причин микроциклической усталости грунтов оснований в мегаполисах, особенно в районах с повышенным уровнем микросейсм, с перегруженными транспортными развязками или с мощной виброактивной составляющей техногенных перегрузок геологической среды оснований объектов городской или промышленной техносферы.

По этой причине основной целью настоящей статьи является рассмотрение геодеформационной эффективности воздействия малоамплитудных, но многоцикловых вибросейсмических нагрузок на основания виброактивных объектов на примере турбинного корпуса исследуемой АС.

Геодезические наблюдения за осадками и кренами зданий и сооружений второй очереди рассматриваемой АС начались в 1972 году. Периодичность выполнения наблюдений была регламентирована МУ РД 34.21.322.94, согласно которого последние наблюдения выполнялись с периодичностью 3 года.

На рис.1 показаны изолинии вертикальных смещений осадочных марок главного корпуса 4 блока по состоянию на 2000 год (относительно марта 1976г.).

Как показывают результаты наблюдений на рис.1. в центре реакторно-турбинного цеха (РТЦ) 4 имеются осадки, достигающие ~ 20-30 мм. Скорость осадки в среднем достигает 2 мм/год. Предположительно, причиной осадок являются вибрационные воздействия на грунты оснований динамически активного технологического оборудования и ряд других причин, сопровождающих его эксплуатацию.

На текущий год суммарные вертикальные смещения в центре РТЦ 4 составили величины порядка 20 мм.

Вертикальные смещения верхних фундаментных плит турбоагрегатов в основном связаны с общей картиной осадок. По всем без исключения верхним фундаментным плитам турбоагрегатов отслеживаются максимальные осадки в районе наибольших вибродинамических нагрузок.

На рис.2 приведены суммарные вертикальные смещения осадочных марок градирен АС по состоянию на 2000 год (относительно 1974 года).

Вертикальные деформации градирен можно разделить на две части по признаку размещения относительно сбросного водоканала. Если градирни 1-5 имеют отрица-

смещений осадочных марок главного корпуса блока 4

угуллл вестник _2/20ГТ_МГСУ

тельные вертикальные смещения (осадку), то градирни 6 и 7 имеют положительные вертикальные смещения, т.е. фундаменты этих градирен испытывают поднятия. Отри цательные вертикальные смещения фундаментов градирен 1-5 примерно равномерны, если исключить отдельные случайные «выбросы» (Гр.№1 - м.7/139, -30,6 мм, Гр.З -м.2/157, -20,2 мм и др.), средние осадки составляют - 8 - 12 мм с креном в направлении р. Дон. Поднятия фундаментов градирен 6 и 7 составляют в среднем от минус 5 до плюс 9 мм с прежним направлением крена.

Как видно, максимальные осадки реакторно-турбинного <г,>' ^ цеха блока 4 за двадцатичетырехлетний период (с 1976 по

2000 г.) не превышают 20 мм. За двадцатишестилетний период (с 1974 по 2000 г.) максимальные осадки градирни не превышают 15 мм.

Наблюдения за кренами и осадками объектов -^ока 4 АС свидетельствуют о том, что их величины находятся в допустимых пределах, а, следовательно, исходные физико-

О механические параметры грунтов, принятые в проекте, дос-

таточно адекватно отражают их реальные величины.

Вместе с тем на современном этапе развития при-

О О

о О

J кладиых исследований в числе нагрузочных факторов,

Рос 9 Изолинии ве то определяющих долговременную безопасную работу тп-!!!!!!!!,И„й;!!1!сооружений, наименее исследованными являются низ-

KdJIbriblÄ ОМсЩСпИИ ULd"

дочных марок градорен кочастотные вибросейсмические воздействия. Особен-(суммарные, относо- ностью этих воздействий является их многоцикловый тельно оюля 1974 года) характер, что дает основание для предположений о возможном наследовании и накоплении энергии нелинейных эффектов, сопутствующих этим воздействиям, что, в свою очередь, может привести к нарушению устойчивости грунтовых оснований, их эрро-зии, неравномерным осадкам сооружений и т.д.

В связи с этим целью данной статьи является обоснование возможности применения для анализа геодеформационных проявлений (осадок) вибродинамических воздействий расчвных моделей на базе вибродозиметрического метода оценки остаточного ресурса надежности строительных конструкций и метода возмущений для линейного моделирования нелинейных вибросейсмических гис-терезисных аккумулятивных эффектов в грунтах оснований.

Исследуемая АС расположена на берегу реки, захватывая пойму, I и II надпойменные террасы, коренной склон.

Площадка размещения главного корпуса АС расположена на первой надпойменной террасе эрозионно-аккумулятивного генезиса. В естественных условиях поверхность террасы ровная, пологонаклоненная в сторону реки. В процессе строительства поверхность была спланирована.

В гидрогеологическом разрезе описываемой площадки выделяются подземные воды в четвертичных, плиоценовых и девонских отложениях чехла и в кристаллических породах фундамента.

В пределах промплощадки развиты два водоносных горизонта, а также локально встречающаяся верховодка.

Площадка, на которой размещаются сооружения главного корпуса АС, представляет собой спланированную территорию с системой регулирования поверхности стока,

ВЕСТНИК МГСУ

2/2011

поэтому здесь практически отсутствуют условия для естественной активизации экзогенных процессов.

В процессе изысканий поверхностных карстовых и суффозионных форм в пределах промплощадки выявлено не было.

Известняк на большей части территории перекрыт достаточно мощным (от 2,5 до 6,0 м) слоем водоупорных пород - глинами и глинистым элювием.

Таким образом, анализ геологического строения и гидрогеологических условий площадки размещения главного корпуса исследуемой АС показал, что на рассматриваемой территории отсутствуют условия для развития экзогенных геологических процессов, могущих создать опасность для сооружений АС. Вместе с тем стабильность грунтов площадки при динамических нагрузках не определялась.

Схема размещения фундамента ограждения и турбоагрегатов турбинного цеха исследуемой АС приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема размещения фундаментов ограждения и турбоагрегатов

Анализ спектральной плотности микросейсм и форм колебаний строительных конструкций исследуемой АС показал, что в спектре микросейсм отчетливо выделяется более 10 резонансных компонент, а максимум плотности достигается на доминирующей частоте около 12 Гц. Основной вибросейсмической модой возбуждения основания площадки является продольная.

Эквивалентная схема для моделирования вибросейсмического взаимодействия фундамента и основания, приведенная на рис.4, составлена путем комплексирования элементарных источников продольных сейсмических волн на подошве фундаментных блоков каждого турбоагрегата, изолированных от фундаментов ограждения турбинного корпуса и реакторного здания АС.

Рис.4. Эквивалентная схема моделирования вибросейсмического взаимодействия фундаментов турбоагрегатов и основания исследуемой АС.

При моделировании и при построении эпюр в главной вертикальной плоскости турбинного корпуса и в плоскости первой сейсмически контрастной границы пластов использовались трехмерные расчетные сетки. Результаты расчетного моделирования получены в виде эпюр распределения интенсивности рисков.

Эпюр, полученный для плоскости первой сейсмически контрастной границы пластов, приведен на рис.5.

На рис.6 и 7 представлены эпюры распределения интенсивности рисков нормальных напряжений в проекциях на оси координат в двух вертикальных взаимно перпендикулярных плоскостях.

Анализируя полученные результаты можно сделать вывод, что помимо неравномерной осадки следует ожидать общего крена конструкции корпуса влево с одновре-

2/2011

ВЕСТНИК .МГСУ

меннои реализацией оползневых процессов скольжения корпуса вдоль направления падения границы пластов. Указанные геодеформационные процессы в основании и конструкции могут быть усилены не только геодинамическими (механическими) резо-нансами, но и за счет нарушения естественных геоэкологических процессов.

Рис.5. Эпюр распределения интенсивности рисков геодеформационных проявлений динамических напряжений падающих продольных волн на первой границе пластов основания

Рис.6. Эпюр распределения интенсивности геодеформационных рисков действия компоненты нормальных динамических напряжений падающих продольных волн в плоскости Оу2

Рис.7. Эпюр распределения интенсивности геодеформационных рисков действия компоненты нормальных динамических напряжений падающих продольных волн в плоскости Ох2

В зонах вибросейсмического уплотнения повысится уровень капиллярной каймы с последующим нарушением естественного режима увлажнения грунтов и неравномерным вспучиванием глинистых включений.

Выявленные зоны повышенных геодеформационных рисков и интерпретация потенциальной возможности их реализации с достаточной степенью точности подтверждается характером и топологией реальных внешних проявлений (трещин и нарушение стабилизации осадок) ускоренного сверхпроектного износа строительной конструкции турбинного корпуса.

Использование вибродозиметрической теории рисков геодеформационных проявлений в результате многоциклового воздействия вибросейсмических процессов позволяет построить наглядные и удобные для интерпретации рисков эпюры распределения интенсивности вибросейсмических напряжений в расчетном объеме основания.

Литература

1. Ковалевич О.М., Могилюк Ж.Г. и др. Исследования локальных геотехнических рисков при неравномерном вибросейсмическом возбуждении оснований АС. Межотраслевая научная конференция, -М.: МИФИ, 2004.

2. Могилюк Ж.Г. и др. «Теория геоэкологической эффективности геодинамических резо-нансов АС» Межотраслевая научная конференция, -М.: МИФИ, 2003

3. Могилюк Ж.Г. Исследование и расчёт интенсивности микросейсмических проявлений в неоднородных основаниях зданий и сооружений. Научно-техническая конференция по итогам НИРС МГСУ, март 2003

4. Могилюк Ж.Г., Карева О.В., Тыщенко A.A., Исаев Р.З. Компьютерное моделирование зон повышенных геоэкологических рисков в основании турбинного корпуса. Студенческая конференция МГСУ, март 2004

5. Могилюк Ж.Г., Денисов A.B. и др. Компьютерное эмулирование геоэкологических рисков в неоднородных основаниях АС. Межотраслевая научная конференция, -М.: МИФИ, 2004

6. Могилюк Ж.Г. и др. Геоэкологическая эффективность микросейсмических процессов в неоднородных основаниях. -М.: «Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений», №3, 2003

ВЕСТНИК 2/2011

7. Хлыстунов М.С. Геодинамическая устойчивость геологических оснований. -М.: «Сейсмостойкое строительство», №4, 2001

8. Хлыстунов М.С., Могилюк Ж.Г. Теория геоэкологической эффективности геодинамических резонансов АС. II-ая Научно-техническая конференция «Научно-инновационное сотрудничество». Сб. научных трудов. В 3 частях. 4.1. -М.: МИФИ, 2003

Literatura

1. Kovalevich O.M., Mogilyuk J.G. i dr. Issledovaniya lokal'nyh geotehnicheskih riskov pri ne-ravnomernom vibroseismicheskom vozbujdenii osnovanii AS. Mejotraslevaya nauchnaya konferenciya, -M.: MIFI, 2004.

2. Mogilyuk J.G. i dr. «Teoriya geoekologicheskoi effektivnosti geodinamicheskih rezo-nansov AS» Mejotraslevayanauchnayakonferenciya, -M.: MIFI, 2003

3. Mogilyuk J.G. Issledovanie i raschet intensivnosti mikroseismicheskih proyavlenii v neodno-rodnyh osnovaniyah zdanii i soorujenii. Nauchno-tehnicheskaya konferenciya po itogam NIRS MGSU, mart 2003

4. Mogilyuk J.G., Kareva O.V., Tyschenko A.A., Isaev R.Z. Komp'yuternoe modelirovanie zon povyshennyh geoekologicheskih riskov v osnovanii turbinnogo korpusa. Studencheskaya kon-ferenciya MGSU, mart 2004

5. Mogilyuk J.G., Denisov A.V. i dr. Komp'yuternoe emulirovanie geoekologicheskih ris-kov v neodnorodnyh osnovaniyah AS. Mejotraslevaya nauchnaya konferenciya, -M.: MIFI, 2004

6. Mogilyuk J.G. i dr. Geoekologicheskaya effektivnost' mikroseismicheskih processov v neodnorodnyh osnovaniyah. -M.: «Seismostoikoe stroitel'stvo. Bezopasnost' soorujenii», №3, 2003

7. Hlystunov M.S. Geodinamicheskaya ustoichivost' geologicheskih osnovanii. -M.: «Seismostoikoe stroitel'stvo», №4, 2001

8. Hlystunov M.S., Mogilyuk J.G. Teoriya geoekologicheskoi effektivnosti geodinamiche-skih rezonansov AS. II-aya Nauchno-tehuicheskaya konferenciya «Nauchno-innovacionnoe sotrudni-chestvo». Sb. nauchnyh trudov. V 3 chastyah. Ch.1. -M.: MIFI, 2003

Ключевые слова: атомная станция, здания, сооружения, основания, геодеформации, надежность, грунт, механические напряжения, деформации, циклическая усталость, осадки, эпюры, остаточныйресурс надежности, метод оценки, алгоритмы оценки, прогноз

Keywords: nuclear station, buildings, constructions, bases, geodeformations, reliability, ground, mechanical pressure, deformations, cyclic weariness, deposits, residual reliability resource, estimation method, estimation algorithms, forecast

129337, Москва, Ярославское ш.26, тел.769-73-87, mcxmgsu@mail.ru

Рецензент: д.т.н., проф. НиколаевВ.П., зам. научногоруководителя ОАО «НИИЭнергетиче-ских сооружений Росгидро», зам. директора НТЦ Сооружений, конструкций и материалов