Сравнение расчетных и наблюденных сейсмических ускорений в каменно-земляной плотине Днестровской ГЭС-1 при проведении экспериментальных взрывов

УДК 627.82.550.34

Сравнение расчетных и наблюденных сейсмических ускорений в каменно-земляной плотине Днестровской ГЭС-1 при проведении экспериментальных взрывов

Инж. А. А. Матвиенко4

:)ООО «ГИДРОТЕХПРОЕКТ»

© Белорусский национальный технический университет, 2016 Бе1аги81ап National Technical University, 2016

Реферат. В рамках волновой теории сейсмостойкости разработана методика по определению сейсмических ускорений в плотинах из грунтовых материалов. При этом учитываются влияние основания и излучение в него сейсмических волн. Методика основана на численном решении динамической задачи методом конечных разностей. На основе разработанной методики составлена компьютерная программа SGD «Определение сейсмических ускорений в плотине из грунтовых материалов», которая позволяет найти значения ординат расчетных эпюр ускорений по высоте плотины для всех моментов времени. В результате можно получить наиболее опасные эпюры ускорений при прямом и обратном сейсмических воздействиях. Приведена верификация (проверка соответствия) расчетных и наблюденных сейсмических ускорений для каменно-земляной плотины Днестровской ГЭС-1. Наблюденные сейсмические ускорения получены при проведении экспериментальных взрывов, расчетные сейсмические ускорения - в соответствии с предложенной методикой определения сейсмических ускорений в плотинах из грунтовых материалов. Сравнительный анализ результатов расчетов с данными натурных наблюдений показал, что максимальное отличие экстремальных ускорений, полученных расчетным путем и при проведении натурных наблюдений, не превышает 10,11 % для гребня плотины и 6,56 % для ее подошвы. Результаты исследований позволяют рекомендовать разработанную программу для выполнения инженерных расчетов сейсмических ускорений в плотинах из грунтовых материалов. Применение программы даст возможность определять сейсмические ускорения в плотинах из грунтовых материалов с достаточной степенью достоверности.

Ключевые слова: плотины, грунтовые материалы, сейсмические ускорения, экспериментальные взрывы, волновая теория сейсмостойкости, акселерограмма

Для цитирования: Матвиенко, А. А. Сравнение расчетных и наблюденных сейсмических ускорений в каменно-земляной плотине Днестровской ГЭС-1 при проведении экспериментальных взрывов / А. А. Матвиенко // Наука и техника. 2016. T. 15, № 2. С. 139-143

Comparison of Calculated and Observed Seismic Accelerations in Composite-Type Rock-Fill Dam of the Dnestrovskaya Hydro-Electric Power Plant during Experimental Explosions

A. A. Matvienko1)

1)LLC " GIDROTEKHPROEKT"

Abstract. A methodology for determination of seismic accelerations in earth dams has been developed within the framework of seismic resistance wave theory. In this case we take into account an influence of the dam foundation and seismic wave emission into it. The methodology is based on numerical solution of the dynamic problem while using a finite difference method. A software program SGD "Determination of seismic acceleration in the earth dam" has been prepared on the basis of the developed methodology. The program allows to evaluate ordinates of calculation orthographic representations for acceleration throughout the dam height for all time moments. Thus, it is possible to obtain the most dangerous acceleration orthographic representations at direct and reverse seismic actions. The papers presents verification (compliance test) of calculated and observed seismic accelerations for the rock-fill dam of the Dnestrovskaya Hydro-Electric Power Plant No 1. The observed

Адрес для переписки Address for correspondence

Матвиенко А. А. Matvienko A. A.

ООО «ГИДРОТЕХПРОЕКТ»

ул. Ромена Роллана, 12,

61058, г. Харьков, Республика Украина

Тел.: +380 57 717-57-41

matvienko_nastya8 9 @mail.ru

LLC "GIDROTEKHPROEKT" 12 Romen Rollan str., 61058, Kharkov, Republic of Ukraine Tel.: +380 57 717-57-41 matvienko_nastya89@mail.ru

Наука

иТ ехника. Т. 15, № 2

seismic accelerations have been obtained during experimental explosions. The calculated seismic accelerations have been obtained in accordance with the proposed methodology for determination of seismic accelerations in the earth dams. A comparative analysis of calculation results with the data of field observations has demonstrated that a maximum difference between extreme accelerations obtained by calculation, and during field observations, do not exceed 10.11 % for the dam crest, and 6.56 % for its bottom. The obtained results permit to recommend the developed program for engineering calculations of seismic accelerations in the earth dams. The program application will make it possible to determine seismic acceleration in the earth dam with sufficient reliability.

Keywords: dams, earth materials, seismic accelerations, experimental explosions, wave theory of seismic resistance, accelerogram

Forcitation: Matvienko A. A.

Введение

К гидротехническим сооружениям, в том числе и к плотинам из грунтовых материалов, возводимым в сейсмически опасных районах, предъявляются требования, обеспечивающие их устойчивость и прочность при землетрясениях [1-3]. Для оценки сейсмостойкости плотины из грунтовых материалов выполняются расчеты устойчивости ее откосов с учетом инерционных сейсмических нагрузок. Такие нагрузки пропорциональны сейсмическим ускорениям, развивающимся в теле сооружения при землетрясении. Поэтому важнейшей задачей является определение распределения сейсмических ускорений по высоте плотины.

В [4, 5] предложена новая методика решения задач по определению сейсмических ускорений в плотинах из грунтовых материалов на основе наиболее достоверной волновой теории сейсмостойкости. В настоящей статье для ка-менно-земляной плотины Днестровской ГЭС-1 выполнена верификация (проверка соответствия) расчетных данных, полученных с помощью предложенной методики определения сейсмических ускорений в плотинах из грунтовых материалов, и данных натурных наблюдений при проведении экспериментальных взрывов.

Описание методики

Изложенная в [4, 5] методика основана на численном интегрировании полученных динамических уравнений равновесия для плотины в виде упругого сдвигового клина, расположенного на деформируемом основании. При выполнении численного интегрирования уравнений динамического равновесия применяется явная трехслойная по времени конечно-разностная схема. В качестве исходных данных используются осредненные динамические характеристики грунтов тела плотины (динамический модуль сдвига О и скорость распространения поперечных волн ) и грунтов основа-

ния (динамический модуль сдвига Оо и скорость распространения поперечных волн ужо). Сейсмическое воздействие задается в виде сейсмограммы в районе размещения плотины до ее возведения. Методика определения ординат расчетных сейсмограмм по обычно известным ординатам акселерограмм приведена в [6].

В результате решения указанной задачи во всех расчетных узлах 7 по высоте плотины в расчетные моменты времени 7 могут быть определены значения перемещений и. В каждом расчетном узле по высоте плотины 7 перемещение и может рассматриваться как функция времени 7, т. е. и = и(7). Тогда сейсмические ускорения а в узле 7 могут быть получены численным дифференцированием функции перемещений в центрированных разностях.

Отметим, что разработанная методика позволяет учесть трансформации исходной сейсмограммы землетрясения вследствие наличия плотины и излучение сейсмических волн в основание. На основе данной методики составлена компьютерная программа SGD «Определение сейсмических ускорений в плотине из грунтовых материалов», позволяющая получить значения ординат расчетных эпюр ускорений по высоте плотины для моментов времени, соответствующих наиболее опасным эпюрам ускорений при прямом и обратном сейсмических воздействиях. Эта программа широко используется в отделе расчетного обоснования сооружений ООО «Гидротехпроект» при выполнении расчетов по обоснованию сейсмостойкости проектируемых плотин из грунтовых материалов.

Конструкция каменно-земляной плотины

Днестровской ГЭС-1

В настоящей работе исследовали колебания каменно-земляной плотины, которая входит в состав Днестровской ГЭС-1. Наибольшую высоту (59 м) имеет левобережная плотина гидроузла в русловой части на ПК8+40 (рис. 1).

Наука

итехника. Т. 15, № 2

Рис. 1. Днестровская ГЭС-1.

Вид со стороны левобережной плотины

Fig. 1. Dnestrovskaya Hydro-Electric Power Plant No 1.

View from the side of left-bank dam

Левобережная плотина Днестровской ГЭС-1 имеет типичную для каменно-земляных плотин конструкцию. Она состоит из центрального ядра из суглинка и боковых призм из горной массы. Между ядром и боковыми призмами предусмотрены переходные зоны из песчано-гравийного грунта. В основании плотины залегают породы самого различного состава и генезиса - от рыхлых делювиальных отложений до крепких, очень трещиноватых, коренных, полускальных и скальных пород. Конструкция левобережной каменно-земляной плотины для самого высокого поперечного сечения показана на рис. 2.

Исследования колебаний плотины Днестровской ГЭС-1

Предприятием «Региональный центр геофизических исследований» в рамках темы «Оценка влияния буровзрывных работ на грунтовые и бетонные сооружения Днестровской ГЭС-1» выполнены сейсмологические исследования с использованием экспериментальных взрывов.

Эти взрывы проводились 18 октября 2013 г. в карьере, расположенном на расстоянии от основных сооружений ГЭС примерно 500 м ниже по течению на левом берегу р. Днестр.

Для регистрации колебаний сооружений использовали контрольно-измерительную аппаратуру (сейсмографы). На ПК8+40 левобережной каменно-земляной плотины расположены три пункта регистрации сейсмических наблюдений (ПР1, ПР2, ПР3). На гребне плотины (отметка +127.000 м) находится ПР1, на берме низового откоса (+99.000 м) расположен пункт регистрации ПР2 и в основании плотины в потерне (+68.000 м) - ПР3.

После проведения регистрации сейсмических воздействий от экспериментальных взрывов получены записи колебаний плотины. Определены ординаты измеренных акселерограмм для каждого пункта регистрации. При этом в каждом из этих пунктов определяли три составляющие колебаний: для вертикального направления Z; горизонтальных направлений север - юг № и восток - запад EW. Данные для указанных пунктов регистрации содержат 1024 ординаты измеренных акселерограмм по каждому из трех направлений (EW, Z). Временной интервал наблюдений 0,01 с.

Наибольшие по абсолютной величине ускорения (экстремальные) имеют место в период наблюдений от первой (начало прихода сейсмической волны) до третьей секунды. Далее происходит постепенное затухание колебаний в течение последующих двух секунд. Анализ полученных акселерограмм позволил сделать вывод, что характер колебаний плотины Днестровской ГЭС-1 при экспериментальных взрывах соответствует характеру колебаний плотин из грунтовых материалов при сейсмических воздействиях. Отметим еще одно обстоятельство. Наибольшую опасность для прочности и устойчивости откосов плотин из грунтовых материалов представляют горизонтальные сейсмические воздействия, перпендикулярные продольной оси плотины. Применительно именно к горизонтальному направлению сейсмических воздействий предложена приведенная выше методика расчетов. Поэтому для выполнения сравнения результатов расчетов с данными

121.00 127.00

Рис. 2. Конструкция левобережной каменно-земляной плотины Днестровской ГЭС-1: 1 - ядро плотины; 2 - переходные зоны; 3 - упорные призмы; 4 - защитный слой из горной массы; 5 - верховой банкет; 6 - низовой банкет; 7 - цементационная потерна; 8 - железобетонная плита; 9 - цементационная завеса

Fig. 2. Design of left-bank rock-fill dam - Dnestrovskaya Hydro-Electric Power Plant No 1: 1 - dam core; 2 - transitional zones; 3 - dam toes; 4 - rock protective layer; 5 - upper toe; 6 - downstream toe; 7 - cement postern; 8 - reinforced concrete plate; 9 - cement-grout curtain

Наука

итехника. Т. 15, № 2

наблюдений необходимо получить преобразованные экспериментальные акселерограммы для направления, перпендикулярного оси плотины.

Фрагменты преобразованных акселерограмм для рассматриваемых пунктов наблюдения показаны на рис. 3 штрихпунктирными линиями. Эти фрагменты соответствуют участкам акселерограмм с наибольшими амплитудами наблюденных ускорений.

Сравнение расчетных

и экспериментальных данных

Для оценки достоверности изложенной в [4, 5] методики расчетов по определению сейсмических ускорений в плотинах из грунтовых материалов выполнено сравнение результатов расчета с данными натурных наблюдений за колебаниями каменно-земляной плотины Днестровской ГЭС-1 при проведении экспери-

ментальных взрывов. Расчеты производились для исходной акселерограммы землетрясения для основания сооружения. Ординаты исходной акселерограммы выполнены таким образом, чтобы различие между получаемыми значения расчетных ускорений подошвы плотины минимально отличались от наблюденных значений этих ускорений. При этом использовалась программа SGD «Определение сейсмических ускорений в плотине из грунтовых материалов». В результате выполнения расчетов с использованием данной программы получены расчетные ускорения в местах размещения пунктов регистрации ПР1, ПР2, ПР3. Фрагменты акселерограмм, соответствующих этим ускорениям, показаны на рис. 3 сплошными линиями.

0,004 г 0,002 -0

В -0,002 о -0,004

h

A/1 ДА/ v A AA  rv Д V

vv /V V V

v

0,008 ^ 0,006 2 0,004 ,3s 0,002

I 0 & -0,002 § -0,004 ^ -0,006 -0,008

0,010 0,008 0,006 0,004 0,002 0

-0,002 § -0,004 ^ -0,006 -0,008 -0,010

1)

1,0 1,2 1,4 1,6

1,8 2,0 Время t, с b

2,2 2,4 2,6 2,8

3,0

1,2 1,4 1,6

1,8 2,0 Время t, с c

2,2 2,4 2,6 2,8

3,0

3,0

1,8 2,0 Время t, с

Рис. 3. Фрагменты расчетных и наблюденных акселерограмм каменно-земляной плотины Днестровской ГЭС-1 для пункта регистрации: а - ПР3

Fig. 3. Fragments of calculated and observed accelerograms of rock-fill dam - Dnestrovskaya Hydro-Electric Power Plant No 1 for registration point: a - ПР3

Наука

итехника. Т. 15, № 2

а

Как видно из рис. 3, полученные в результате расчетов и наблюденные наибольшие значения экстремальных ускорений имеют место в зоне гребня плотины, а наименьшие - в зоне подошвы сооружения. Наибольшие значения экстремальных ускорений в зоне бермы плотины находятся между соответствующими значениями на ее гребне и подошве. Такой характер распределения экстремальных ускорений является типичным для плотин из грунтовых материалов.

Из сравнения данных, представленных на рис. 3, видно, что характер колебаний плотины по результатам расчетов незначительно отличается от характера колебаний сооружения по данным натурных наблюдений.

Данные о значениях расчетных и наблюденных экстремальных ускорениях в пунктах регистрации ПР1, ПР2, ПР3 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Расчетные и наблюденные значения экстремальных ускорений в пунктах регистрации

Calculated and observed values of extreme accelerations in registration points

Как видно из табл. 1, максимальное отличие расчетных и наблюденных ускорений не превышает 10,11 % для гребня плотины и 6,56 % для ее подошвы.

ВЫВОДЫ

1. Выполнена верификация (проверка соответствия) расчетных данных, полученных с помощью предложенной методики, и данных натурных наблюдений при проведении экспериментальных взрывов.

2. Сравнение результатов расчетов с данными натурных наблюдений показало, что максимальное отличие экстремальных ускорений, полученных расчетным путем и при проведении натурных наблюдений, не превышает 10,11 % для гребня плотины и 6,56 % для ее подошвы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пдротехшчш споруди. Основш положения: ДБН В.2.4-3:2010. Киев: Мшрепонбуд Украши, 2010. 37 с.

2. Будiвництво у сейсмiчних районах Украши: ДБН В.1.1-12:2014. Киев: Мшбуд Украши, 2014. 118 с.

3. Греблi з Грунтових матерiалiв. Основш положення: ДБН В.2.4-20:2014. Киев: Мшбуд Украши, 2014. 124 с.

4. Матвиенко, А. А. Методика определения сейсмических ускорений в теле и нескальном основании плотин из грунтовых материалов на основе волновой теории сейсмостойкости / А. А. Матвиенко // Вестник Национального университета водного хозяйства и природопользования. Технические науки. 2013. Вып. 2 (62). С. 276-284.

5. Вайнберг, А. И. Инженерная методика расчета сейсмических ускорений в плотинах из грунтовых материалов / А. И. Вайнберг, А. А. Матвиенко // Известия ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева. 2014. Т. 272. С. 14-21.

6. Вайнберг, А. И. Методика определения ординат расчетных сейсмограмм при выполнении расчетов сейсмостойкости гидротехнических сооружений / А. И. Вайн-берг, А. А. Матвиенко // Научный вестник строительства. 2011. Вып. 65. С. 197-202.

Поступила 03.09.2015 Подписана в печать 11.11.2015 Опубликована онлайн 30.03.2016

REFERENCES

1. DBN V.2.4-3: 2010. (2010) Hydraulic Structures. Fundamental Principles. Kiev, Minregionbud Ukrainy. 37 (in Ukrainian).

2. DBN V.1.1-12: 2014. (2014) Building in Seismic Regions of Ukraine. Kiev, Minbud Ukrainy. 118 (in Ukrainian).

3. DBN V.2.4-20: 2014. (2014) Earth Dams. Fundamental Principles. Kiev, Minbud Ukrainy. 124 (in Ukrainian).

4. Matvienko A. A. (2013) Methodology for Determination of Seismic Accelerations in the Body and Non-Rock Foundation of Earth Dam on the Basis of Wave Theory of Seismic Resistance Vestnik Natsionalnogo Universiteta Vodnogo Khozyaystva i Prirodopolzovaniya. Sbornik Nauchnykh Trudov. Tekhnicheskie Nauki [Bulletin of National University for Water and Nature Management. Technical Sciences], 62 (2), 276-284 (in Russian).

5. Vaynberg A. I., Matvienko A. A. (2014) Engineering Calculation Methodology for Seismic Accelerations in Earth Dams. Vserossijskij Nauchno-Issledovatelskij Institut Gidrotehniki imeni B. E. Vedeneeva [Proceedings of All-Russian Scientific Research Hydrotechnical Institute named after B. E. Vedeneev (VNIIG)], 272, 14-21 (in Russian).

6. Vaynberg A. I., Matvienko A. A. (2011) Methodology for Determination of Calculated Seismogram Ordinates While Calculating Seismic Stability of Hydraulic Structures. Nau-kovyj Visnyk Budivnyctva [Scientific Bulletin of Construction], (65), 197-202 (in Russian).

Received: 03.09.2015 Accepted: 11.11.2015 Published online: 30.03.2016

Пункт регистрации Расчетное значение, мкм/с2 Наблюденное значение, мкм/с2 Отклонение, %

ПР3 3150 3372 6,56

ПР2 5931 6141 3,42

ПР1 7885 8772 10,11

Наука

иТ ехника. Т. 15, № 2