Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Научное обоснование конструкций подземных машинных залов ГЭС

ВАК РФ 25.00.20, Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Жуков, Владимир Николаевич

Введение

1. Анализ состояния вопроса.

1.1. Анализ конструкций машинных залов ГЭС.

1.2. Методы расчета конструкций подземных камер машинных залов 16 ГЭС и ГАЭС.

1.2.1. Методы расчета, регламентированные нормативно-техническими документами.

1.2.2. Модельные исследования.

1.2.3. Численное моделирование.

1.2.4. Методы механики подземных сооружений.

1.3. Мировой опыт строительства камер машинных залов ГЭС и 29 ГАЭС. Случаи разрушения конструкций камер машинных залов . Краткое заключение по главе 1. Цель и задачи исследований.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния пород, 44 окружающих камеры машинных залов, в процессе раскрытия сечения

2.1. Постановка задачи.

2.2. Исследование напряженного состояния пород в окрестности 44 свода камер.

2.2.1.Напряженное состояние пород в своде камеры «грибовидной» 44 формы.

2.2.2. Напряженное состояние пород в своде камеры овальной формы

2.3. Смещения (оседание) пород свода камер.

2.4. Горизонтальные смещения (конвергенция) стен машинных залов 56 в пятах свода.

2.5. Сравнение результатов расчетов с данными натурных наблюде- 59 ний и модельных исследований.

2.5.1. ГЭС Зиаоланги в Китае.

2.5.2. ГЭС Киамбре в Кении.

2.5.3. ГЭС Чаира в Болгарии.

2.5.4. Рогунская ГЭС в Таджикистане.

2.5.5. Подземный спортивный комплекс Гьовик в Норвегии.

2.5.6. Колымская ГЭС.

2.5.7. Метро в Мадриде.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Научное обоснование конструкций подземных машинных залов ГЭС"

Актуальность работы. Большепролетные подземные камеры машинных залов ГЭС, предназначенные для размещения гидроагрегатов (турбин и генераторов), устанавливаемых в ряд вдоль продольной оси камеры, являются наиболее сложными в инженерном отношении и ответственными объектами подземного строительства.

Для транспортировки в пределах машинного зала, монтажа и демонтажа элементов гидроагрегатов используются мостовые краны грузоподъемностью до 200 - 300 т. Подземные камеры машинных залов крупных ГЭС имеют большую высоту — до 70 м и более, ширину — до 30 м и более, и длину до 250 - 280 м.

Большие размеры камер машинных залов ГЭС и ГАЭС требуют серьезного подхода к решению задачи обеспечения устойчивости свода и стен камеры. На фактор большого пролета и большой высоты накладываются такие индивидуальные для каждой подземной камеры факторы, как естественное напряженное состояние и трещиноватость массива пород.

Проблема выбора, проектирования и расчета рациональной конструкции подземных камер машинных залов ГЭС и ГАЭС не решена в полной мере до настоящего времени, о чем свидетельствуют имевшие место аварии при строительстве подземных камер. Отметим, в частности, обрушения и разрушения железобетонной обделки в машинном зале ГЭС Эртан в Китае, разрушение железобетонного свода в машинных залах ГЭС Пикоте в Португалии и Колымской ГЭС в России, разрушение глубоких анкеров крепления стен и нарушения в железобетонном своде недостроенного машинного зала Рогунской ГЭС в Таджикистане.

Таким образом, тема представленной диссертационной работы является актуальной.

Целью работы является научное обоснование рациональных конструкций подземных камер машинных залов ГЭС и ГАЭС, и в первую очередь - конструкций сводов камер и области их применения, что позволит обеспечить прочность и требуемую несущую способность конструкций и безопасность эксплуатации машинных залов в целом.

Идея работы заключается в установлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния массива и смещений пород, окружающих подземные камеры машинных залов ГЭС и ГАЭС в процессе их разработки и раскрытия проектных сечений, и механизма работы подкрепляющих камеры конструкций.

Методы исследования включают систематизацию, обобщение и анализ предшествующих исследований и опыта строительства подземных камер машинных залов ГЭС и ГАЭС, математическое и численное моделирование напряженно-деформированного состояния пород, корреляционный анализ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

• В результате математического моделирования установлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния пород и распределение нормальных тангенциальных напряжений на контуре сечения сводовой части двух основных форм камер машинных залов: «грибовидной» и овальной в процессе их строительства и раскрытия поперечного сечения в гравитационном и тектоническом полях начальных напряжений в массиве.

• Установлены корреляционные зависимости смещений (опускания) центральной части поверхности свода и сближения (конвергенции) точек в пятах свода от пролета камеры, модуля деформации пород, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве и отношения высоты камеры к пролету в процессе поэтапного раскрытия сечения.

• Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений на контуре сечения центральной части свода от величины и отношения главных начальных напряжений в массиве (при гравитационном и тектоническом полях напряжений) и отношения высоты камеры к пролету в процессе строительства.

• Научно обоснованы новые конструкции железобетонных сводов с косвенным армированием и области их применения, а также - конструкции сводов с анкерно-набрызгбетонной крепью камер машинных залов. Обоснованы необходимость и величина предварительного натяжения анкеров.

Достоверность научных положений и выводов диссертационных исследований обеспечивается представительным объемом анализируемой информации о фактическом состоянии сводов камер, полнотой учета комплекса влияющих факторов, сходимостью расчетных зависимостей с данными натурных наблюдений и модельных испытаний, полученными другими авторами.

Научное значение диссертационной работы заключается в установлении закономерностей формирования полей напряжений в массиве пород, окружающем камеры машинного зала ГЭС - ГАЭС, в процессе их строительства и закономерностей деформирования и перемещениий контура поперечного сечения камеры и, в особенности, ее присводовой части.

Практическое значение работы состоит в научном обосновании рациональных железобетонных и анкерно-набрызгбетонных конструкций сводов камер машинных залов ГЭС-ГАЭС и областей их применения.

Реализация работы. Результаты диссертационных исследований используются в процессе проектирования и инженерного сопровождения строительства машинных залов ГЭС, выполняемых Институтом «Гидроспецпроект».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (1999, 2000), Международной конференции "Проблемы освоения подземного пространства" (Тула, 2000), Юбилейной научно-практической конференции «Подземное строительство России на рубеже XXI века» (Москва, 2000), Международной конференции "Ground Improvement Geosystems" (Хельсинки, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Булычев Н.С., Жуков В.Н. Напряженно-деформированное состояние и выбор конструкции свода подземной камеры машинного зала ГЭС // Подземное пространство мира. - 2001. - № 3. - С. 34-36.

2. Жуков В.Н. О конструкции подземных камер машинных залов ГЭС // Подземное пространство мира. - 2000. - № 5-6. - С. 46-48.

3. Жуков В.Н. Строительство комплекса подземных сооружений машинного зала ГЭС Деринер в Турции // Проблемы освоения подземного пространства. Труды международной конференции, 5-7 апреля 2000. - Тула: ТулГУ, 2000. С. 38-43.

4. Жуков В.Н. О выборе рациональной формы и конструкции свода подземных камер ГЭС и ГАЭС // Научно-технический альманах. - ТИМР, № 1, - 2001.

5. Жуков В.Н. Строительство комплекса подземных сооружений ГЭС Деринер в Турции // Подземное строительство России на рубеже XXI века. Труды юбилейной научно-практической конференции, 15-16 марта 2000. - Москва: Тоннельная Ассоциация России, 2000. С. 365-371.

6. Оценка устойчивости стен камеры подземного машинного зала ГЭС / В.Н. Жуков, Д.В. Камушкин, В.К. Ксенофонтов, А.В. Количко // Подземное строительство России на рубеже XXI века. Труды юбилейной научно-практической конференции, 15-16 марта 2000. - Москва: Тоннельная Ассоциация России, 2000. С. 112-122.

7. Zhukov V.N., Bulychev N.S. Phenomenon of sign change of stress and bending moment in arch of electro-station cavern // Proc. of the 4th Intrnational Conference on Ground Improvement Geosystems, Helsinki, June 7-9, 2000. - Finnish Geo-technical Society, 2000.

Заключение Диссертация по теме "Геомеханика, разрушение пород взрывом, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика", Жуков, Владимир Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных исследований напряженно-деформированного состояния пород в процессе строительства крупномасштабных камер подземных машинных залов ГЭС разработаны положения, совокупность которых можно квалифицировать как научное обоснование технических решений рациональных конструкций свода камер, обеспечивающих решение важных прикладных задач подземного строительства.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации работы заключаются в следующем:

1. Установлены закономерности формирования полей напряжений в массиве пород и распределения нормальных тангенциальных напряжений на контуре сечения сводовой части камер машинных залов двух основных форм - «грибовидной», характеризующейся наличием железобетонного свода, и овальной, в процессе их строительства и раскрытия поперечного сечения при гравитационном и тектоническом поле начальных напряжений.

2. Установлены зависимости смещений (опускания) центральной части поверхности свода камеры в процессе строительства от ее пролета, модуля деформации пород, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве и отношения высоты камеры к пролету. Установлено, что опускание оъ осадка) свода происходит только в процессе раскрытия подсводового пространства, при этом установлена линейная (обратная) зависимость опускания центральной части свода от коэффициента бокового давления пород в массиве. При дальнейшем раскрытии сечения камеры вертикальные смещения поверхности свода либо практически отсутствуют (в гравитационном поле начальных напряжений), либо наблюдается обратное перемещение свода (вверх), - в тектоническом поле напряжений.

3. Установлены зависимости горизонтальных смещений и сближения (конвергенции) стен камеры на уровне пят свода от отношения высоты камеры к пролету, модуля деформации пород, величины и отношения главных начальных напряжений в массиве.

4. Установлена корреляционная зависимость нормальных тангенциальных напряжений на контуре сечения центральной части свода в процессе строительства от величины и отношения главных начальных напряжений в массиве (при гравитационном и тектоническом полях напряжений) и отношения высоты камеры к пролету. Напряжения линейно зависят от высоты раскрываемого сечения камеры.

5. Установлено, что железобетонные своды камер машинных залов испытывают, как правило, сжимающие напряжения, вызываемые конвергенцией стен камеры (и пят свода) по мере увеличения их высоты в процессе строительства, что подтверждено анализом натурных измерений, выполненных при строительстве машинного зала ГЭС Шимого (Япония).

6. Научно обоснованы новые конструктивные решения железобетонных сводов с косвенным армированием (по принципам армирования сжатых элементов) и область их применения. Обоснованы конструкции сводов камер машинных залов овальной формы поперечного, сечения с анкерно-набрызгбетонной крепью. Обоснована необходимость и величина предварительного натяжения анкеров.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (1999, 2000), Международной конференции "Проблемы освоения подземного пространства" (Тула, 2000), Юбилейной научно-практической конференции «Подземное строительство России на рубеже XXI века» (Москва, 2000), Международной конференции "Ground Improvement Geosystems" (Хельсинки, 2000).

По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Жуков, Владимир Николаевич, Тула

1. Амусин Б.З. Прогнозирование устойчивости капитальных выработок с учетом постепенного разрушения пород в зоне неупругих деформаций. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1977, №5.

2. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. 2-е изд. Москва. Недра, 1992.

3. Барбакадзе В.Ш., Мураками С. Расчет и проектирование строительных конструкций и сооружений в деформируемых средах. Москва, Стройиздат, 1989.

4. Булычев И.Н. Методика расчета незамкнутых и сборных конструкций крепи капитальных горных выработок на основе схемы контактного взаимодействия с массивом. Механика подземных сооружений. Тула. ТулПИ, 1982.

5. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. Москва. Недра, 1989.

6. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Москва. Недра, 1994.

7. Булычев Н.С., Жуков В.Н. Напряженно-деформированное состояние и выбор конструкции свода подземной камеры машинного зала ГЭС. Подземное пространство мира, 2001, №3, с. 34-36.

8. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. Москва. Недра, 1986.

9. ВСН 34-72-019-89/Минэнерго СССР. Проектирование обделок подземных машинных залов ГЭС, ГАЭС и других камерных выработок в гидротехническом строительстве. М.: Гидропроект Минэнерго СССР, 1989.

10. Гидротехнические сооружения комплексных гидроузлов. Под ред. проф. П.С. Непорожнего. Энергия, 1973, с. 288.

11. Гроссман И.И., Чесноков С.А., Бондарев Ю.Н., Вишнева М.И., Кокорев В.И. Модельные исследования устойчивости и крепления подземного машинного здания ГАЭС. Энергетическое строительство, 1973, №10, с. 47-52.

12. Губин М.Ф. Гидроаккумулирующие электростанции. В сб. «Итоги науки и техники. Гидроэнергетика». Т. 2, М., ВИНИТИ, 1975, с. 164.

13. М.Ержанов Ж.С., Айталиев Ш.М., Масанов Ж.К. Сейсмонапряженное состояние подземных сооружений в анизотропном слоистом массиве. Алма-Ата. Наука, 1980.

14. Ерофеев JI.M., Мирошникова JLA. Повышение надежности крепи горных выработок. Москва. Недра, 1988.

15. Жуков В.Н. О выборе рациональной формы и конструкции свода подземных камер ГЭС и ГАЭС. ТИМР. Научно-технический альманах, 2001, №1.

16. Жуков В.Н. О конструкции подземных камер машинных залов ГЭС. Подземное пространство мира. 2000, №5-6, с.46-48.

17. Жуков В.Н. Строительство комплекса подземных сооружений машинного зала ГЭС Деринер в Турции. Проблемы освоения подземного пространства. Труды международной конференции, 5-7 апреля 2000. Тула. ТулГУ, 2000, с.38-43.

18. Жуков В.Н. Строительство комплекса подземных сооружений ГЭС Деринер в Турции. Подземное строительство России на рубеже XXI века. Труды юбилейной научно-практической конференции, 15-16 марта 2000. Москва. Тоннельная Ассоциация России, 2000, с. 365-371.

19. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений. Москва. Недра, 1979.22.3олотов О. Н., Илюшин В. Ф., Количко А.В. Новые конструктивные решения крепей крупных камерных выработок. Гидротехническое строительство. 1990, №4.

20. Каверин И.М. Обоснование параметров железобетонной крепи стволов повышенной несущей способности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тула, 1995.

21. Калустян Э.С. Обобщение опыта строительства подземных ГЭС и ГАЭС. Ассоциация геомехаников России. Москва, 1995.

22. Каспарьян Э.В. Устойчивость горных выработок в скальных породах. Л. Наука, 1985.

23. Качанов JI.M. Основы теории пластичности. Москва, 1962, с. 420.

24. Количко А.В. Современное состояние подземного машзала Рогунской ГЭС. Гидротехническое строительство. 2000, № 4.

25. Количко А.В., Разумов В.К. Инженерно-геологическое обоснование проектов подземных гидротехнических сооружений. Гидротехническое строительство. 1987, №2.

26. Косков И.Г. Новые материалы и конструкции крепи горных выработок. Изд. 2-е. Москва. Недра, 1987.

27. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специализированных ВУЗов. В 2-х частях. 4.1. материалы, конструирование, теория и расчет. М.: Высшая школа, 1988.

28. Куперман В.Л., Мостков В.М., Илюшин В.Ф., Гевирц Г.Я. Подземные сооружения гидроэлектростанций. Москва. Энергоатомиздат. 1996.

29. Лехницкий С.Г. Теоретическое исследование напряжений в упругом анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения. Труды института. Всес. научно-иссл. ин-т горной геомеханики и маркшейдерского дела. 1982, сб. 45, с. 155-193.

30. Либерман Ю.М. Давление на крепь капитальных выработок. Москва. Наука, 1969.

31. Мостков В.М., Дмитриев Н.В., Рахманинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений большого сечения. Москва. Недра, 1993.

32. Насонов И.Д., Федюкин В.А., Шуплик М.Н. Технология строительства подземных сооружений. Москва. Недра, 1983, ч. 3.

33. Подземные гидротехнические сооружения. В.М. Мостков, В.А. Орлов, П.Д. Степанов, Ю.Е. Хечинов, С.А. Юфин. Под ред. В.М. Мосткова. Москва. Высшая школа, 1986.

34. Претро Г.А. Специальные типы зданий гидроэлектрических установок. Москва. Энергия, 1975, с. 240.

35. Прочность и деформируемость горных пород. Ю.М. Карташов, Б.В. Матвеев, Г.В. Михеев, А.Б. Фадеев. Москва. Недра, 1979.

36. Ревуженко А.Ф., Стажевский С.Б., Шемякин Е.И. Новые методы расчета нагрузок на крепи. Физико-техн. пробл. разработки полезн. ископ. 1976, №3, с. 21-40.

37. Саввин Ю.А. Конструктивные особенности машинных зданий современных ГАЭС. Гидротехническое строительство, 1974, №1, с. 4047.

38. Современные проблемы механики скальных пород в энергетическом строительстве. И.Т. Айтматов, Э.Г. Газиев, В.Г. Лебедев, Ю.Б. Мгалобелов, В.И. Речицкий, P.P. Тиздель, Л.Б. Шейнман. Под ред. Н.М. Иванцова. Москва. Энергоатомиздат, 1986.

39. Справочник инженера-шахтостроителя. В 2 т. под общей редакцией В.В. Белого. Москва, «Недра», 1983, т. 1.

40. Тоннели и метрополитены. В.Г. Храпов, Е.А. Демешко, С.Н. Наумов, А.Н. Пирожков, Н.Г. Туренский. Под ред. В.Г. Храпова. Москва, Транспорт, 1989.

41. Филатов Н.А., Беляков В.Д., Иевлев Г.А. Фотоупругость в горной геомеханике. Москва. Недра, 1975.

42. Фотиева Н.Н. Расчет обделок тоннелей некругового поперечного сечения. Москва. Стройиздат, 1974.

43. Фотиева Н.Н., Казакевич Э.С., Саммаль А.А. Определение области применения облегченной крепи с использованием набрызгбетона. Шахтное строительство. 1986., №4.

44. Хесин Г.Л. Метод фотоупругости. Том 1. М. Стройиздат. 1975.

45. Чесноков С.А. Изучение напряженного состояния горных пород приисследовании выработок шахтных ГАЭС. Энергетическое строительство за рубежом. 1974, №4, с. 28-32.

46. Чесноков С. А., Бондарев Ю.Н. Определение зоны неупругих деформаций вокруг подземных выработок, расположенных на больших глубинах. Энергетическое строительство. 1975, №4, с. 51-53.

47. Шейнман Л.Б., Чесноков С.А. Подземные гидроаккумулирующие электростанции. Информэнерго. 1976.

48. Юфин С.А. Механические процессы в породных массивах и взаимодействие их с подземными сооружениями. Диссертация на соискание ученой степени д.т.н. М.1991.

49. Юфин С.А. Расчет напряжений и перемещений в своде подземного машинного зала ГЭС и в окружающем скальном массиве с учетом поэтапности разработки. Гидротехническое строительство. 1974, №9.

50. Barton N. Predicted and Measured Performance of the 62 m Span Norwegian Olympic Ice Hockey Cavern at Gjovik. Abstr. Vol. 31, No 6, pp. 617-641, 1994.

51. Blind H. Excavating the Sackingen Cavern. Water Power. 1968, 20, №6, 219-226.

52. Георгиев JI. Подземно хидротехническо строителство. София, Техника, 1974.

53. Gunwaldsen R.W., Ferreira A. Northfield Mountain pumped storage project. Civil Engineering-ASCE. 1971, 41, №5, 53-57.л и

54. Escario V., Sagaseta С. "Lateral forces on experimental section of the Madrid subway". Proceedings of the 5-th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Madrid. 1972.

55. Hoek E., Brown E. Underground excavations in rock. The Institution of mining. London. 1980.

56. Kaluchev K., Slavov P. Control and Readout System of Underground Hydroelectric Power Station A Review. Internation simposium "Large rock cavern", Helsinki. 1976. Pp. 139-142.

57. Kamemura K., Homma N., Shibata K., Harada Т., Soetomo S.W. Observational Method on Large Rock Cavern Excavation. Internation simposium "Large rock cavern", Helsinki. 1976.

58. Legge T.F.H., Richards L.R., Pound J.B. Kiambere Hydro Electric Project Cavern: Rock Mechanies Aspects. Pp. 159-170.

59. Proceedings of seventh International congress on Rock Mechanics. Aahen. Balkema. Rotterdam. 1991.

60. Proceedings of the international conference on pumped storage development and its environments effects. Proc. Series №15. Held at the Univ. Wisconsin. September 19-24, 1971, 233-235.

61. Reik G., Soetomo S. Influence of Geological on Design and Construction.

62. The Waldeck II station. Water Power, 1971, 23, №8,275-285.

63. Warnock J.G., Willett D.C. Underground reservoirs for high-head pumped-storage stations. Water Power, 1973, 25, №3, 81-87.

64. Weicheng Jin. Einar Broch. Ming Lu. «Influence of in-situ stresses on the stability of powerhouse caverns." Proceedings of the World Tunnel Congress-99. A.A.Balkema / Rotterdam / Brookfield / 1999.

65. Wilhelm R., Neuhauzer C. «Flexibility: the answer to stress." International Water and Dam Construction. February 1999.

66. Расстояние между радиально расположенными (рабочими) стержнями, в соответствии с рекомендациями 30. при расчетном сопротивлении одноосному сжатию менее 450 МПа, не должно превышать 500 мм.

67. Определение оптимального коэффициента косвенного армирования и оптимального расстояния между радиальными арматурными стержнями в сводах подземных камер требует дополнительных исследований.

68. Свод с анкерно набрызгбетонной крепью

69. Параметры анкеров по своду определяются в значительной степени условием обеспечения устойчивости свода в период его разработки, поскольку в дальнейшем, при раскрытии сечения камеры, сжимающие

70. Диаграмма напряжений в радиально армированной бетонной крепи вертикального ствола круглого сечения1. Ц=2,6