Влияние сосредоточенной фильтрации на долговечность напорного фронта бетонных плотин: на примере Ангарского каскада ГЭС

Важнейшей составной частью экономического потенциала Иркутской области являются гидроэлектростанции Ангарского каскада, стабильное функционирование которых создает предпосылки к долговременному экономическому росту в регионе.

Плотины гидроэлектростанций являются не только уникальными промышленными и архитектурными сооружениями, но также объектами повышенной опасности. Очевидно, что интерес к надёжности бетонных плотин будет неуклонно расти по мере их старения и изменения условий эксплуатации, формирование которых происходит под воздействием меняющейся окружающей среды.

Стойкость напорного фронта бетонных плотин в водной среде является одной из важнейших проблем долговечности и, как следствие, безопасной работы плотин. Вместе с тем, при строительстве бетонных плотин в Сибири и Северо-восточных районах нашей страны в них неизбежно появление швов и трещин, по которым фильтрует вода из водохранилища и непосредственно воздействует на бетон напорного фронта. Как известно, поверхностные температурные трещины постепенно закрываются по мере остывания блоков и уменьшения амплитуды колебаний температуры на их краях. Однако, часть вертикальных и горизонтальных трещины на напорной грани плотин, а также горизонтальные и вертикальные швы являются основными путями фильтрации, очагами коррозии бетона, что в результате может снизить долговечность напорного фронта.

За последние годы проблеме долговечности конструкций и сооружений из бетона и железобетона уделяется все большее внимание. Влияние различных факторов на долговечность бетона и, в частности, напорного фронта бетонных плотин изучалось в работах Алексеева К. В., Белова В. В., Белякова М. П., Вербецкого Г. П., Гинзбурга Ц. Г., Гришина М. М., Затвор-ницкой Т.А., Кудякова А. И., Марчука А. Н., Поповой В. Я., Садовича.

М.А., Стефанишина Д. В., Стольникова В. В., Судакова В. Б., Шаркунова С. В., Шульмана С. Г., Элбакидзе М.Г.

Стабильное функционирование гидротехнических сооружений предполагает организацию систематического мониторинга, позволяющего анализировать текущее состояние объекта, в том числе наиболее ответственной его части — напорного фронта, и прогнозировать возможные изменения и степень их опасности.

Долговечность напорного фронта определяется конструктивными особенностями плотин, сплошностью бетонного массива, стойкостью материала — бетона в конкретных условиях эксплуатации, особенностями водной среды и другими факторами.

Натурные наблюдения, посвященные проблемам трещинообразования и последующей фильтрации в процессе эксплуатации описаны в работах Гаркуна JI.M., Гинзбург С. М., Дурчевой В. Н., Епифанова А. П., Логуновой В. А., Садовича М. А., Соколова И. Б., Судакова В. Б., Трапезникова Л. П., Толкачева Л. А., Эйдельмана С.Я.

Водная среда в сочетании с климатическими особенностями района оказывают существенное влияние на возникновение и характер коррозионных процессов и, как следствие, на эксплуатационную надежность бетонных плотин.

В работах Алекина O.A., Бабушкина В. И., Баженова Ю. М., Бруссера М. И., Иванова Ф. М., Любарской Г. В., Москвина В. М., Розенталя Н. К., Шейкина А. Е., Чеховского Ю. В., Яковлева В. В. рассматриваются основные аспекты влияния водной среды на долговечность бетонных сооружений.

В качестве объектов исследований выбраны плотины Ангарского каскада ГЭС: Братская и Усть-Илимская, эксплуатирующиеся более 30 лет в условиях северной климатической зоны. При участии автора была сформирована база данных многолетних натурных наблюдений за динамикой фильтрационных расходов и изменением химического состава воды ангарских водохранилищ и воды, профильтровавшей через бетон напорного фронта плотин (фильтрата). Сформированная база данных позволила оценить влияние сосредоточенной фильтрации на долговечность напорного фронта бетонных плотин, эксплуатирующихся в условиях Севера.

Целью диссертационной работы является исследование влияния сосредоточенной фильтрации на состояние напорного фронта плотин и разработка критериев долговечности бетона по прочности и ширине раскрытия трещин, применение которых возможно для бетонных плотин Северных регионов.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Изучить особенности процесса сосредоточенной фильтрации на примере Братской и Усть-Илимской плотин. Провести классификацию фильтрующих трещин в зависимости от динамики фильтрационных расходов. •.

2. По результатам натурных наблюдений рассмотреть особенности коррозионных процессов в местах сосредоточенной фильтрации в напорном фронте Братской и Усть-Илимской плотин.

3. Провести экспериментальную проверку особенностей коррозии бетона, протекающей в напорном фронте плотин.

4. Предложить критерии долговечности напорного фронта по плотности (прочности) бетона и ширине раскрытия трещин.

5. Основываясь на данных многолетних систематических наблюдений за химическим составом воды водохранилищ дать характеристику водной среды ангарских водохранилищ и степень ее агрессивности по отношению к бетону напорного фронта.

Методы исследований. Контрольное бурение бетона с отбором кернов для определения прочностных свойств бетона напорного фронта на контакте с трещиной и в глубине массива.

Экспериментальные исследования влияния щелочных оксидов, присутствующих в фильтрате, на концентрацию кальциевых соединений с целью установления причины осаждения кальцита при самозалечивании трещин.

Многолетние натурные наблюдения за химическим составом воды ангарских водохранилищ и анализ ее агрессивности по отношению к бетону напорного фронта плотин.

Многолетние наблюдения за составом и расходом воды, профильтровавшей через бетон напорного фронта и оценка их влияния на контактный бетон с трещиной и на бетон в глубине массива плотин.

Научная новизна работы заключается:

1. В классификации мест сосредоточенной фильтрации по напорному фронту бетонных плотин в зависимости от динамики фильтрационных расходов.

2. В установлении по результатам многолетних наблюдений за состоянием напорного фронта Ангарских плотин особенностей самозалечивания и размыва бетона на контакте с фильтрующим потоком.

3. В экспериментальном моделировании химических процессов, протекающих на контактной границе «бетон — фильтрат».

4. В установлении границ ширины раскрытия трещин и градиентов напора, при которых происходит самозалечивание, переходное состояние и размыв бетона напорного фронта плотин.

5. В разработке критериев долговечности напорного фронта по плотности (прочности) бетона в виде Ктш (Р=о.95) > 25 МПа и ширине раскрытия трещин, применение которых возможно в периоды строительства и эксплуатации бетонных плотин Северных регионов.

6. В изучении особенностей водной среды Братского и Усть-Илимского водохранилищ, с целью оценки степени ее агрессивности по отношению к бетону напорного фронта.

Практическая значимость работы заключается:

1. В установлении зависимости характера коррозионных процессов в напорном фронте плотины от величины фильтрационных расходов, что позволило установить причины самозалечивания фильтрующих трещин.

2. В установлении последствий сильной фильтрации в течение 30 лет трещины секции 30 Усть-Илимской ГЭС на состояние контактных с ней бетонных поверхностей напорного фронта и использовании результатов исследований при отработке технологии ремонта (акт о внедрении научно — исследовательских результатов).

3. В установлении влияния ширины раскрытия трещины и градиента напора на состояние бетона на контакте с фильтрующей трещиной.

4. В использовании критериев водонепроницаемости напорного фронта при планировании ремонтных работ, которые, в частности, были использованы при принятии решения о необходимости ремонта напорной грани Усть-Илимской плотины (договор № 532 «Исследование бетона образцов-кернов, выбуренных из плотины Усть — Илимской ГЭС» — 2005 г.- договор № 590 «Исследование бетона образцов — кернов, выбуренных на контакте с фильтрующей трещиной» 2006 г.).

5.В организации систематического мониторинга за динамикой фильтрационных расходов и изменением химического состава воды водохранилища и фильтрата, позволяющего анализировать текущее состояние напорного фронта бетонных плотин Северных регионов.

На защиту выносятся:

1. Классификация мест сосредоточенной фильтрации через напорный фронт плотин по динамике фильтрационных расходов.

2. Результаты многолетних наблюдений за химическим составом фильтрата с установлением влияния легкорастворимых щелочей на самозалечивание фильтрующих трещин.

3. Экспериментальная модель процессов, протекающих на контактной границе «бетон — фильтрат».

4. Критерии стойкости бетона напорного фронта плотин, выполнение которых повышает их долговечность в период эксплуатации.

5. Особенности водной среды Братского и Усть-Илимского водохранилищ и степень ее агрессивности по отношению к бетону плотин, эксплуатирующихся в северной климатической зоне.

Достоверность результатов работы обеспечена использованием статистических методов обработки результатов, сравнением расчетных и экспериментальных данных, сопоставлением с результатами других исследований.

Апробация работы. Содержание и результаты исследований докладывались и обсуждались на Межрегиональных научно-технических конференциях «Строительство: материалы, конструкции, технологии» (Братск, БрГТУ 2003;2005 г. г.), Межрегиональных научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки — развитию регионов» (Братск, БрГТУ 2003;2004 г. г., БрГУ 2005;2006 г. г.), Всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки — развитию регионов Сибири» (Братск, БрГУ 2007;2008 г. г.), молодежной научно-технической конференции «Будущее Братска» (Братск, БрГТУ 2003 г.), XXV научно — технической конференции аспирантов и студентов «Изучение и решение региональных проблем строительного комплекса» (Братск, БрГУ 2004 г.), на расширенном заседании кафедры «Технологии и организация строительного производства» ГОУ ВПО «БрГУ» от 24 сентября 2008 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 работ, в том числе статей- 11, тезисов — 4, статьи в изданиях, рекомендованных ВАК — 2.

Диссертационная работа выполнялась с 2002 по 2008 г. г.

Автор выражает благодарность д.т.н. В. Б. Судакову (ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»), к.т.н., доценту Т. Ф. Шляхтиной (ГОУ ВПО «БрГУ») за оказанную помощь, ценные советы и консультации при выполнении работы, а также О. Г. Бронниковой (Братская ГЭС), оказавшей помощь при проведении экспериментальных исследований.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 121 страницу текста, включая 50 рисунков, 12 таблиц, 3 приложения и список литературы из 78 наименований.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Проведен анализ многолетних натурных наблюдений за динамикой фильтрационных расходов и предложена классификация сосредоточенно фильтрующих трещин через бетонное тело напорного фронта.

2. Установлено, что водная среда ангарских водохранилищ по содержанию гидрокарбонатов и агрессивной углекислоты в отдельные периоды может быть агрессивна по отношению к бетону.

3. Установлены последствия фильтрации на состояние контактной бетонной поверхности сильно фильтрующих трещин, проявившееся в виде увеличения размеров и объема капиллярных пор. Это влияние убывает по мере удаления от трещины в глубину массива и становится незначимым на расстоянии около 16 см. Полученные результаты нашли практическое применение при планировании ремонтных работ сильно фильтрующей трещины секции 30 на Усть-Илимской ГЭС.

4. Установлено влияние щелочных оксидов на характер коррозионных процессов в местах сосредоточенной фильтрации. В результате появления в фильтрате ионов натрия и калия отмечается осаждение ионов кальция по путям фильтрации в виде кальцита, которое возможно при достаточном насыщении фильтрата карбонатами натрия и калия при фильтрационных расходах примерно до 0,005 л/мин. Повышение фильтрационных расходов и соответствующее снижение концентрации растворяемых компонентов цементного камня меняет характер коррозионного процесса таким образом, что растворение и вынос как щелочных оксидов, так и гидроксида кальция лимитируется в конечном счёте диффузией указанных соединений из бетона.

5. Проведены экспериментальные исследования, полностью подтвер дившие гипотезу о влиянии натриевых соединений фильтрата на процессы коррозии, которые имеют место в бетоне напорного фронта при малых расходах.

6. Построена экспериментальная модель коррозии бетона в местах сосредоточенной фильтрации, отражающая количественное снижение концентрации ионов кальция в фильтрате в зависимости от его насыщения щелочными оксидами.

7. Сформулирован критерий плотности (прочности) бетона напорного столба в виде Ятт (Р-о.95) > 25 МПа (в проектном возрасте), являющейся той величиной, на которую может быть ориентирован оперативный контроль качества и откорректирован проектный состав бетона напорной грани плотин Северных регионов.

8. Установлены границы ширины раскрытия трещины и градиентов напора, позволяющие характеризовать фильтрующие трещины по степени их опасности и тем самым осуществлять контроль и прогнозировать состояние бетона плотин, эксплуатирующихся в северной климатической зоне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.