Пособие к методике определения критериев безопасности гидротехнических сооружений рд 153-34. 2-21. 342-00” (стр. 18 из 23)

3. Поверочные расчеты (идентификация и калибровка расчетных моделей)

При сравнении измеренных диагностических показателей с результатами проектных расчетов различие между расчетными и измеренными параметрами зачастую столь значительно, что сравнение данных расчетов и натурных измерений не позволяет корректно судить о состоянии сооружения. Причинами существенных различий между расчетом и натурой могут быть:

1) недостаточное соответствие проектной расчетной модели реальной работе сооружения;

2) несоответствие физико-механических характеристик материалов, заложенных в расчетную модель сооружения и его основания, их реальным свойствам.

После нескольких лет эксплуатации и натурных наблюдений за работой ГТС производится корректировка расчетных моделей и выполнение новой серии поверочных расчетов, позволяющих уточнить прогноз и критериальные значения К1, К2. Согласно разделу 4 [1] корректировка включает:

идентификацию (отождествление) расчетной модели и натуры путем проверки гипотез модели на основе натурных наблюдений;

калибровку расчетной модели - уточнение физико-механических характеристик материалов сооружения и основания (уточнение значений коэффициентов разрешающих уравнений модели),

3.1. Идентификация расчетной модели

Технический проект. На стадии технического проекта (1970 г.) статический расчет плотины выполнялся традиционным для того времени методом пробных нагрузок (арок-консолей), разработанным в Бюро Мелиорации США, Основные гипотезы метода:

гипотеза среды - тело плотины сплошное, без трещин и швов;

гипотеза материала - упругий, линейно деформируемый;

гипотеза формы - справедлива гипотеза прямых нормалей (оболочка типа Э. Рейсснера); основание - упругая линейно деформируемая опора (схема учета податливости основания, разработанная Ф. Фогтом).

Плотина схематизировалась как симметричная относительно ключевого сечения. Число расчетных арок - пять, число расчетных консолей на половине развертки плотины - шесть. Дальнейшие расчеты, а также натурные наблюдения за работой плотины показали, что расчетные модели, принятые на стадии технического проекта столь напряженной конструкции, как плотина Саяно-Шушенской ГЭС, не учитывают многих особенностей работы плотины и ее основания.

Рабочие чертежи. На стадии рабочих чертежей были использованы более совершенные модели, реализованные на ЭВМ в виде программных комплексов:

программа ТОРМАК (теория оболочек, метод арочно-консольных направлений), разработанная в Ленгидропроекте;

программа ПРОЗА (пространственная задача), разработанная в НИС Гидропроекта; программа СИПРАМАК (система программ расчета массивных конструкций), разработанная в Ленгидропроекте.

Методика расчета, реализованная в программе ТОРМАК, по своим гипотезам мало отличалась от метода пробных нагрузок. Основное различие заключалось в том, что применение ЭВМ позволило существенно уточнить расчет за счет сгущения сетки расчетных арок и консолей. В проектных расчетах плотины по программе ТОРМАК на полной развертке плотины принималось 15 арок и 23 консоли.

В программах ПРОЗА и СИПРАМАК была реализована модель трехмерной задачи линейной теории упругости. Обе программы базировались на использовании метода конечных элементов. В ПРОЗЕ использовались барицентрические призматические элементы, в СИПРАМАК - криволинейные изопараметрические элементы высокого порядка точности.

Переход на расчетную модель трехмерной задачи линейной теории упругости позволил существенно приблизить расчетную модель к реальной работе сооружения за счет:

отказа от гипотезы прямых нормалей, справедливой лишь для тонких плотин (а плотина Саяно-Шушенской ГЭС арочно-гравитационная);

включения в расчетную область активной зоны основания плотины, что позволило оценить напряженное состояние основания и уточнить напряженно-деформированное состояние зоны контакта плотины с основанием;

учета последовательности возведения и нагружения плотины,

Ниже, в таблице П.П.4, дано сравнение напряжений в четырех характерных точках плотины, определенных в рамках расчетных моделей, использованных на стадиях технического проекта и рабочих чертежей. В таблице приведены главные напряжения от основного сочетания нагрузок в следующих точках (рис. П.1 а, б):

А_низ - точка пересечения низовой грани ключевой консоли с основанием; А_верх - точка пересечения верховой грани ключевой консоли с основанием, где в линейно упругих моделях имеют место максимальные консольные напряжения (рис, П4.1 а); точки В_верх , В_низ, где возникают максимальные сжимающие напряжения арочного направления (рис. П.1 б)

Таблица П.П.4 - Главные напряжения в плотине (основное сочетание нагрузок), МПа

Метод расчета	Аниз	Aверх	Bверх	Вниз
Пробных нагрузок	-10,4	1,09	-8,8	-8,9
Тормак	-8,83	3,97	-8,49	-8,91
Проза	-10,8	5,6	-8,6	-9,06

Приводимые здесь и ниже данные взяты из отчета «Сводная расчетная записка арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС», 2-я редакция, инв. № 1047-10-157т. - СПб.: Ленгидропроект, 2000 г.

Из таблицы П.П.4 видно, что с уточнением расчетной схемы максимальные главные сжимающие напряжения в точках А_низ, В_низ, В_верх изменились незначительно, а растягивающие главные напряжения в точке А_верх изменились существенно (выросли с 1,09 МПа до 5,6 МПа). Растягивающие напряжения вблизи точки А_верх существенно превысили прочность бетона на растяжение (2 - 3 МПа). Поэтому гипотеза сплошности, принятая в предыдущих расчетных моделях, не соответствует реальности, и трещинообразования вблизи контакта бетон-скала со стороны верховой грани плотины избежать невозможно.

Таким образом, сравнение результатов статических расчетов, выполненных на стадии технического проекта и рабочих чертежей, показало, что расчетная модель плотины нуждается в дальнейшем уточнении, в первую очередь, за счет возможности учета образования и продвижения трещин. Опыт начальной эксплуатации подтвердил это.

Примечание - На стадии проекта глубина возможного проникновения трещин под верховой столб плотины прогнозировалась (по величине зоны растяжения в линейно упругом расчете) не более чем на 10 м. На практике горизонтальные трещины на контакте бетон-скала распространились на треть сечения, и глубина их достигла 30 - 35 м.

Корректировка расчетной модели на стадии начальной эксплуатации. Натурные наблюдения за плотиной в первые годы эксплуатации показали, что нарушения сплошности под верховой гранью плотины существенно превосходят проектные предположения. С целью более достоверной оценки реального состояния плотины генеральным проектировщиком (Ленгидропроектом) в 1994 г. была начата серия статических и динамических расчетов плотины по программе СИПРАМАК. Учитывая особую ответственность сооружения и наличие в нем крупных трещин, в 1996 г. было принято решение провести независимо серию расчетов в рамках альтернативной расчетной модели по другим программам (программный комплекс COSMOS-M) и другими специалистами (ЦСГНЭО). Главные задачи, которые ставились в этих расчетах:

учесть возможное возникновение несплошностей в плотине и основании (образование трещин, раскрытие швов);

учесть реальную последовательность возведения и нагружения на формирование напряженно-деформированного состояния плотины (реальная последовательность возведения существенно отличалась от проектной);

выявить возможную погрешность расчетных моделей путем сопоставления данных расчетов по двум моделям с данными натурных наблюдений.

Примечание - Реальная последовательность возведения плотины существенно отличалась от проектной. Главное отличие заключалось в том, что в период строительства и постепенного наполнения водохранилища реальная плотина длительное время работала неполным сечением. Низовой (четвертый) столб плотины был возведен значительно позже, чем это предусматривалось проектом, и включился в работу, когда значительная часть напора была воспринята первыми тремя столбами.

Учет продвижения трещин и последовательности возведения плотины принципиально менял расчетную модель и означал переход на неупругие расчетные модели. Неупругие задачи не имеют единственного решения, изменение последовательности возведения существенно влияет на результаты расчетов. В поверочных расчетах сценарий возведения и нагружения был представлен в виде нескольких дискретных этапов. Для учета образования и продвижения трещин в трехмерную конечно-элементную модель системы плотина-основание были введены специальные двумерные стыковочные элементы (типа Гудмена-Тэйлора-Брекке).

Вычисленные после уточнения расчетной модели величины глубины распространения трещин при росте УВБ от отм. 500 м (УМО) до отм. 540 м (НПУ) приведены в таблице П.П.5:

Таблица П.П.5 - Глубина раскрытия швов (м)

Вид шва	УВБ (м)
	510	517	524	531	536	540
Контактный	2	9	13	17	33	27
Строительный на отм. 355 м	-	-	-		6	22

Выполненная корректировка расчетной модели позволила существенно сблизить результаты расчетов и данные натурных измерений. В частности, расчеты показали, что в системе плотина-основание со стороны верховой грани на отм. 308 (контакт плотины с основанием) и на отм. 350 м образуются две магистральные трещины. Характер трещинообразования в расчетах и в натуре оказался весьма схожим.