Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Гидротехнические сооружения arrow Пособие к РД 153-34.2-21.342-00 Пособие к Методике определения критериев безопасности гидротехническ  
11.12.2018
    
Пособие к РД 153-34.2-21.342-00 Пособие к Методике определения критериев безопасности гидротехническ

РОССИЙСКОЕ ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «ЕДИНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РОССИИ»

Департамент научно-технической политики и развития

ПОСОБИЕ К «МЕТОДИКЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

РД 153-34.2-21.342-00”

Москва

ЦПТИиТО ОРГРЭС

2006

Разработано д.т.н. И.И. ИВАЩЕНКО, инж. И.Ф. БЛИНОВ, к.т.н. М.Я. ДИДОВИЧ, инж. Л.В. КОМЕЛЬКОВ, инж. ЕЛ СУРИКОВ, инж. В.Ф. ФИСЕНКО (ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»)

к.т.н. Е.Н. БЕЛЛЕНДИР, д.т.н. А.А. ГОРДОН, А.Л. ХРАПКОВ, к.т.н. B.C. КУЗНЕЦОВ, Е.А. ФИЛИППОВА инж. А.В. КАРАВАЕВ (ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»).

Утверждено Департаментом научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России»

Первый заместитель начальника А.В. БОБЫЛЕВ

Содержание

 TOC o "1-3" p " " h z u ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

4. РАЗРАБОТКА ПРОГНОЗНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А ОСАДКИ БЕТОННЫХ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

Приложение Б ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРЕБНЯ ВЫСОКИХ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

Приложение В НАПРЯЖЕНИЯ В БЕТОНЕ

Приложение Г НАПРЯЖЕНИЯ В АРМАТУРЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СООРУЖЕНИЙ

Приложение Д ПОЛОЖЕНИЕ ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ В ОСНОВАНИИ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

Приложение Е ОСАДКИ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

Приложение Ж ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ СМЕЩЕНИЯ ГРЕБНЯ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ

Приложение З ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ В ГРУНТОВЫХ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПЛОТИНЫ (ЯДРО, ЭКРАН, ДИАФРАГМА)

Приложение И ПОЛОЖЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ДЕПРЕССИИ

Приложение К ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ ТЕЛА ПЛОТИНЫ И ОСНОВАНИЯ

Приложение Л ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ РАСХОДЫ

Приложение М МУТНОСТЬ ВОДЫ, ПРОФИЛЬТРОВАВШЕЙСЯ ЧЕРЕЗ ТЕЛО ПЛОТИНЫ И ОСНОВАНИЕ

ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Приложение Н ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОСЛИВНОЙ ПЛОТИНЫ ВОТКИНСКОЙ ГЭС

1. Контролируемые показатели и технические средства контроля

2. Выбор диагностических показателей для водосливной плотины Воткинской ГЭС

3. Поверочные расчёты водосливной плотины и корректировка расчётной модели

4. Построение прогнозных моделей

5. Определение критериев безопасности водосливной плотины

Приложение О ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ ВОТКИНСКОЙ ГЭС

1. Контролируемые показатели и технические средства контроля

2. Выбор диагностических показателей для грунтовой плотины

3. Поверочные расчеты и корректировка расчётной модели

4. Построение прогнозных моделей

5. Определение критериев безопасности грунтовой плотины

Приложение П ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ БЕТОННОЙ ПЛОТИНЫ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС

1. Технические средства контроля и контролируемые показатели плотины Саяно-Шушенской ГЭС

2. Выбор диагностических показателей

3. Поверочные расчеты (идентификация и калибровка расчетных моделей)

4. Построение прогнозных моделей

Приложение Р НАЗНАЧЕНИЕ ДИАГНОСТИРУЕМЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ И ИХ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДЛЯ ГТС, ГРЭС И ТЭС (НА ПРИМЕРЕ ЗОЛОШЛАКООТЗАЛА КИРОВСКОЙ ТЭЦ-3)

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

 

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее "Пособие" составлено в форме комментариев к тексту "Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений РД 153-34.2-21.342-00" [1]. Комментируемые позиции РД 153-34.2-21.342-00 выделены в тексте "Пособия" жирным курсивом.

Комментарии даны по тем позициям "Методики", формулировки которых либо чрезмерно лаконичны, либо, в некоторых случаях, допускают неоднозначное толкование.

"2.1. "Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений" (далее по тексту - "Методика") обязательна для применения при проектировании, строительстве, вводе в эксплуатацию и эксплуатации объектов энергетического комплекса Российской Федерации организациями, осуществляющими разработку, утверждение и применение критериев безопасности ГТС всех классов".

Действие "Методики" распространяется на все типы гидротехнических сооружений: плотины, здания ГЭС, водосбросные, водоспускные, водовыпускные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники; сооружения, предназначенные для защиты от наводнений и разрушений берегов водохранилищ, берегов и дна русел рек; сооружения (дамбы), ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, а также другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения вредного воздействия вод и жидких отходов [2], повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайной ситуации.

"2.2. "Методика" определяет основные понятия, регламентирует процедуру и последовательность действий при выборе контролируемых и диагностических показателей состояния ГТС в составе проекта и на стадии эксплуатации, определении их критериальных значений, разработке прогнозных математических моделей, применении качественных характеристик, а также определяет "Порядок разработки и утверждения критериальных значений диагностических показателей состояния ГТС" и общие правила оценки риска аварии эксплуатируемых ГТС в детерминированной и вероятностной формах".

Отличительной особенностью комментируемого руководящего документа является введение двух уровней критериальных значений диагностических показателей состояния сооружений. Превышение первого уровня сигнализирует о наступлении потенциально опасного состояния и требует от собственника (эксплуатирующей организации) оповещения об этом органе надзора и принятия оперативных мер по переводу сооружения в нормальное состояние. В отличие от первого, превышение второго уровня критериальных значений влечет за собой также и ввод ограничений на режим эксплуатации гидротехнического сооружения (вплоть до снижения действующих нагрузок).

Контроль за сооружением в период эксплуатации может выявить факторы, влияющие на безопасность сооружения, но неучтенные в проекте и при производстве строительных работ. Необходимая оперативность и объективность эксплуатационного контроля достигается решением ряда методологических и организационно-технических задач, первоочередной из которых является определение критериев безопасности.

Методика контроля безопасности эксплуатируемых сооружений, основанная на сопоставлении отдельных показателей их состояния (диагностических показателей), определяемых по результатам натурных наблюдений, с критериальными значениями контролируемых показателей (критериями безопасности), получила наибольшее распространение.

Наиболее опасные зоны гидротехнического сооружения, состав количественных и качественных показателей, контролируемых в периоды строительства и эксплуатации, а также состав количественных диагностических показателей и их критериальные значения должны быть определены при разработке проекта в соответствии с требованиями нормативных документов по проектированию и должны быть уточнены перед вводом в эксплуатацию и в процессе эксплуатации сооружений. При этом назначаемые в составе проекта критериальные значения диагностических показателей должны быть увязаны со сценариями возможных аварий, опасными зонами сооружения и основными возможными формами разрушения сооружений.

Перечень диагностических показателей должен обеспечивать возможность оперативной оценки эксплуатационного состояния на конкретном сооружении и оперативного принятия мер по обеспечению безопасности с учетом организационно-технических возможностей эксплуатирующей организации. На основе анализа работы гидротехнического сооружения на начальной стадии эксплуатации состав диагностических показателей дополняется рядом новых, неучтенных на стадии проекта, эксплуатационных диагностических показателей состояния, существенных для данного конкретного сооружения и условий его эксплуатации.

Определение критериальных значений диагностических показателей для эксплуатируемых сооружений следует осуществлять на основе многофакторного анализа следующей информации:

результатов сопоставления критериальных значений, разработанных в составе проекта, с контролируемыми на эксплуатируемом сооружении показателями при максимальных фактических силовых воздействиях основного и особого сочетания нагрузок;

результатов поверочных расчетов наиболее ответственных элементов сооружения с использованием данных о фактических физико-механических характеристиках материалов сооружения и пород основания;

результатов анализа статистических моделей (и расчетов по ним), построенных с ис­пользованием данных натурных наблюдений и фактических нагрузок.

Для определения критериальных значений диагностических показателей следует использовать расчеты:

напряженно-деформированного состояния системы "сооружение-основание"; в зависимости от типа и конструкции могут решаться задачи теории упругости, ползучести, пластичности, механики хрупкого и пластического разрушения и других разделов механики твердых и сыпучих тел;

устойчивости бетонных сооружений и их оснований на сдвиг;

температурного режима и термонапряженного состояния сооружения и основания;

устойчивости откосов плотин из грунтовых материалов;

по определению пьезометрических уровней и расходов фильтрационного потока;

по определению пропускной способности водосбросных сооружений;

запаса отметки гребня сооружения и т.д.,

а также необходимые расчеты, учитывающие специфику ГТС различного назначения, в том числе сооружений ГРЭС и ТЭС.

Для повышения эффективности детерминистических расчетов следует осуществлять идентификацию ("калибровку") параметров математической модели, т.е. сопоставление результатов расчетов и контрольных наблюдений на предшествующих стадиях эксплуатации и корректировку параметров модели.

Осуществление контроля безопасности сооружений только на основе анализа контролируемых показателей в ряде случаев затруднительно (в особенности когда ни один из контролируемых параметров не достиг предельно допустимого уровня, а процесс накопления повреждений тем не менее развивается). Принципиально более правильной является оценка состояния сооружения на основе применения обобщенных показателей, использующих всю доступную количественную и качественную информацию о состоянии как отдельных элементов сооружений, так и ГТС в целом. Наиболее развитой и безупречной (с точки зрения теоретической разработки и обоснования) формой обобщенного показателя состояния сооружения (его надежности) является вероятность его безотказной работы в течение срока эксплуатации. Принципиальным преимуществом этой формы является возможность контроля состояния сооружений с учетом его потенциальной сопротивляемости наступлению различных возможных видов предельного состояния, а также возможных, но еще нереализованных экстремальных воздействий (сейсм, паводок, ветер и т.п.).

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

"Чрезвычайная ситуация - обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии гидротехнического сооружения, которая может повлечь или повлекла за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или ущерб окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение жизнедеятельности людей". Таким образом, согласно определению, принятому в Федеральном законе [2] и "Методике" [1], чрезвычайная ситуация (ЧС) есть следствие аварии.

"Безопасность гидротехнических сооружений - свойство гидротехнических сооружений, позволяющее обеспечить защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов".

Определение безопасности ГТС именно как "свойства ГТС" подразумевает возможность количественных оценок безопасности так же, как это делается в отношении таких, например, свойств, как "надежность ГТС".

Оценка безопасности эксплуатируемого ГТС включает:

оценку технической исправности путем сравнения значений диагностических показателей (параметров) с их прогнозируемыми и критериальными значениями (п. 2.5 "Методики");

оценку уровня риска аварии (п. 2.13 "Методики").

"Безопасность ГТС", в отличие от "надежности ГТС", является более общим свойством, так как учитывает последствия возможных аварий ГТС, подразумевает не только исправность, техническую и экологическую надежность ГТС, но и социальную приемлемость для общества определенных человеческих и материальных потерь в результате аварий. Любое гидротехническое сооружение вносит изменения в окружающую среду и может нарушить интересы какой-то группы людей.

"Критерии безопасности гидротехнического сооружения - предельные значения количественных и качественных показателей состояния гидротехнического сооружения и условий его эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии гидротехнического сооружения и утвержденные в установленном порядке федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный надзор за безопасностью гидротехнических сооружений".

В "Методике" критерии безопасности определяются как "значения", выраженные в количественной (или словесной) форме. Учитывая погрешности, неизбежные как при расчетных, так и экспериментальных методах оценки состояния ГТС, при определении безопасности назначается интервал критериальных значений.

"Авария гидротехнического сооружения - разрушение или повреждение ГТС, вызванные непредвиденными (не предусмотренными проектом и правилами безопасности) ситуациями и сопровождаемые неконтролируемым сбросом воды или жидких стоков из хранилища"

Согласно "Методике" [1], под аварией на гидротехническом сооружении ГЭС понимается событие, приводящее к прорыву напорного фронта, а на гидротехническом сооружении ТЭС - к сбросу жидких стоков из хранилища. В рамках принятого в [1] определения аварии повреждение гидротехнического сооружения или его отказ, не приводящие к прорыву напорного фронта, не квалифицируются как авария, Прорыв напорного фронта возможен при нарушении устойчивости, фильтрационной или механической прочности ГТС, входящих в состав напорного фронта. Таким образом, согласно "Методике" [1], под аварией ГТС понимается ситуация, при которой нарушается устойчивость, механическая или фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также не обеспечивается пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений. Именно в этих случаях возможен неконтролируемый сброс воды или жидких отходов.

"Допустимый уровень риска аварии гидротехнического сооружения - значение риска аварии гидротехнического сооружения, установленное нормативными документами".

Современные нормативные документы не устанавливают конкретное значение допустимого уровня риска аварии ГТС. Однако определенная доля риска аварии ГТС остается даже при выполнении всех требований нормативных документов. Указанный уровень риска присущ ГТС, запроектированным в соответствии с требованиями норм.

"Уровень риска аварии ГТС - характеристика безопасности ГТС, которая может быть представлена в вероятностной форме, либо в форме детерминистического показателя (уровня безопасности ГТС), характеризующего степень отклонения состояния ГТС и условий его эксплуатации от требований нормативных документов".

Уровень риска является обобщенным, интегральным показателем безопасности ГТС в целом, Этот показатель позволяет также сравнивать между собой уровень безопасности различных сооружений.

Вероятностная форма оценки безопасности ГТС в большей мере применима для стадии разработки проекта. На стадии эксплуатации большое значение имеют оценки состояния ГТС, выполняемые на основании данных инструментальных и визуальных натурных наблюдений, данных об условиях эксплуатации и т.п., которые трудно (если не невозможно} представить в вероятностной форме.

"Контролируемые показатели - измеренные на данном сооружении с помощью технических средств или вычисленные на основе измерений количественные характеристики, а также качественные характеристики состояния ГТС".

Контроль безопасности (технической исправности) ГТС осуществляется путем организации натурных измерений и наблюдений. Техническое обеспечение натурных измерений составляют: контрольно-измерительная аппаратура (КИА), устанавливаемая на сооружениях, а также средства автоматизированного сбора показаний КИА. Наряду с техническим обеспечением на ГТС имеется информационное и программное обеспечение контроля - базы данных для хранения результатов наблюдений, измерений и программные средства для обработки и анализа данных измерений. Требования к техническому, информационному и программному обеспечению натурных наблюдений приведены в разделе 6 "Методики" [1].

Установленная на сооружении контрольно-измерительная аппаратура (КИА) в циклическом режиме (или в режиме реального времени) измеряет текущие значения ряда показателей (перемещений, деформаций, напряжений, температур, фильтрационных расходов, пьезометрических напоров и т.д.).

По измеренным показателям вычисляются градиенты температур и пьезометрических напоров, интенсивность изменения фильтрационных расходов, величина противодавления, напряжения и т.п.

"Контролируемые показатели - совокупность всех наблюденных, а также измеренных с помощью технических средств и вычисленных по ним количественных показателей состояния ГТС, а также качественных показателей, полученных наблюдениями на сооружениях".

"Диагностические показатели - наиболее значимые для диагностики и оценки безопасности состояния ГТС контролируемые показатели, позволяющие дать оценку безопасности и состояния системы "сооружение - основание - водохранилище" в целом или отдельных ее элементов".

Диагностические показатели назначаются из числа контролируемых (как количественных, так и качественных) показателей состояния. Для крупных сооружений, имеющих несколько сотен, а то и тысяч измерительных устройств и пунктов наблюдений, доля диагностических показателей составляет обычно не более 10 - 20% от общего числа контролируемых показателей. Диагностические показатели назначаются в наиболее ответственных (или "опасных") зонах сооружений. Перечень диагностических показателей может изменяться в процессе эксплуатации.

Диагностические показатели выбираются из совокупности контролируемых показателей в соответствии с рекомендациями п. 2.11 "Методики" [1]. Для диагностических показателей определяются критериальные значения. Анализ остальных контролируемых показателей производится при обнаружении отклонений от нормальной работы, зафиксированных с помощью диагностических показателей.

Критерии состояния ГТС:

К1 - первый (предупреждающий) уровень значений диагностических показателей, при достижении которого устойчивость, механическая и фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений еще соответствуют условиям нормальной эксплуатации.

В условиях нормальной эксплуатации выполняются все основные требования нормативных документов и правил технической эксплуатации в течение длительного времени, сопоставимого со сроком службы сооружения.

К2 - второй (предельный) уровень значений диагностических показателей, при превышении которых эксплуатация ГТС в проектных режимах недопустима.

Проектные режимы определяют, прежде всего, сочетания (основное и особое) воздействий и нагрузок, предусмотренные проектом. При превышении измеренными значениями диагностических показателей состояния ГТС их критериальных значений К2 недопустима эксплуатация при любом из предусмотренных проектом сочетаний воздействий.

Величины К1 и К2 должны контролироваться в соответствии с условиями эксплуатации сооружения и действующими нагрузками, при которых они были назначены.

Эксплуатационные состояния сооружений:

нормальное - состояние сооружения, при котором сооружение соответствует требованиям действующих нормативных документов и проекта, при этом значения диагностических показателей состояния сооружений не превышают своих критериальных значений К1

потенциально опасное - состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) своего первого (предупреждающего) уровня критериальных значений (значений К1) или вышло за пределы прогнозируемого при данном сочетании нагрузок интервала значений. Потенциально опасное состояние сооружения не отвечает нормативным требованиям, но эксплуатация ГТС не приводит к угрозе немедленного прорыва напорного фронта, и сооружение может некоторое ограниченное время эксплуатироваться в соответствии с указаниями п. 7.2 "Методики";

предаворийное - состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) второго (предельно допустимого) уровня критериальных значений (значений К2); в этом случае эксплуатация сооружения в проектных режимах недопустима без оперативного проведения мероприятий по восстановлению требуемого уровня безопасности и без специального разрешения органа надзора (п. 7.3 "Методики")".

Таким образом, согласно "Методике", допустимых групп возможных состояний ГТС три - нормальное, потенциально опасное, предаварийное. Возможной (но недопустимой) группой состояний ГТС является аварийное состояние.

До введения в действие "Методики" [1] оценка состояния ГТС гидроэлектростанций регламентировалась "Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей" [4]. В ПТЭ [4] предусматривалась одна проверка состояния ГТС - сравнение измеренных показателей с их предельно допустимыми значениями (ПДЗ). То есть возможных групп состояний было два - состояние сооружения отвечало требованиям норм, если критериальные соотношения выполнялись, и состояние сооружения не отвечало требованиям норм, если критериальные соотношения нарушались, Такой подход, во-первых, не оставлял возможности принятия заблаговременных мер по предотвращению аварий, что не соответствует требованиям ст. 9 Федерального закона, и во-вторых - не в полной мере соответствовал реальной практике эксплуатации ГТС. Наличие двух возможных состояний (исправного и неисправного) естественно для изделий с "мгновенным" отказом (электрическая лампа, реле, транзистор и т.п.). Эти изделия или работают, или не работают. Отказ гидротехнического сооружения - не мгновенный, сооружение оснащено контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей зафиксировать отклонения от нормальной работы и предотвратить повреждение или отказ. "Идеальных" гидротехнических сооружений не существует. Практика эксплуатации ГТС такова, что, несмотря на наличие неисправностей, эти сооружения продолжают эксплуатироваться, при этом обнаруженные неисправности устраняются. Поэтому для гидротехнического сооружения более естественными являются принятые в "Методике" [1] три группы возможных состояний.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

«2.3. В соответствии со ст. 9 Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» собственник гидротехнического сооружения и эксплуатирующая организация обязаны: «систематически анализировать причины снижения уровня безопасности гидротехнического сооружения и своевременно осуществлять разработку и реализацию мер по обеспечению технически исправного состояния гидротехнического сооружения него безопасности, а также по предотвращению аварии гидротехнического сооружения».

Введение не одного, а двух уровней критериальных значений диагностических показателей состояния ГТС обеспечивает возможность своевременного принятия мер по ликвидации потенциально опасного и предотвращению предаварийного (и аварийного) состояний сооружения.

«2.5. Оперативную оценку эксплуатационного состояния сооружения и его безопасности следует осуществлять путем сравнения измеренных (или вычисленных на основе измерений) количественных и качественных диагностических показателей с их критериальными значениями К1 и К2, а также с прогнозируемым интервалом изменения диагностических показателей».

Таким образом, согласно [1], критериальные соотношения имеют вид:

а) состояние сооружения нормальное (исправное), если

Fизм ≤ К1                                                                               (2.1)

б) состояние сооружения потенциально опасное, если

К1 < Fизм ≤ К2;                                                                      (2,2)

в) состояние сооружения предаварийное, если

Fизм > К2,                                                                              (2.3)

где Fизм - измеренное (вычисленное по измеренным) значение диагностического показателя;

Kl, K2 - числа (критерии), достижение которых хотя бы одним диагностическим показателем будет означать переход из одного состояния в другое,

Кроме процедуры сравнения измеренных (вычисленных) показателей с их критериальными значениями, диагностический контроль включает сравнение измеренного диагностического показателя с прогнозируемым его значением. То есть кроме проверки выполнения (или не выполнения) условий (2.1) - (2.3), следует контролировать попадание диагностического показателя в доверительный интервал, прогнозируемый для реально действующих на момент проверки нагрузок:

Fпрог - δ ≤ FизмFпрог + δ,                                                    (2.4)

где Fизм - измеренное (вычисленное по измеренному) значение диагностического показателя;

Fпрог - значение диагностического показателя, прогнозируемого для реальных нагрузок и воздействий детерминистической или статистической прогнозной моделью;

δ - допускаемая погрешность прогнозной модели.

Примечание - Обе проверки - сравнение с критериями (2.1) - (2.3) и критерием (2.4), меняющимся в зависимости от реальных нагрузок и воздействий, - должны быть обязательными. Они являются необходимыми и достаточными условиями безопасности. Действительно, при использовании лишь критерия (2.4), как это иногда предлагается, возможна ситуация, когда построена весьма точная прогнозная модель для диагностического показателя (например, для необратимого наклона плотины в нижний бьеф). Благодаря точности модели измеряемый показатель (наклон) будет попадать в прогнозируемый интервал. Однако может наступить момент, когда при «сбывающемся» прогнозе плотина наклонится настолько, что потеряет устойчивость и опрокинется. От этого могут гарантировать только условия типа (2.1) - (2.3). Использование только критериев (2.1) - (2.3) также не может гарантировать безопасности. В этом случае возможна такая ситуация. Предположим, что угол наклона верховой грани плотины ограничен из условия устойчивости на опрокидывание: К2 = φ = 1º (примем, что при УМО φ = 0). Такой угол поворота можно допустить только при экстремальных воздействиях (например, при нагрузках и воздействиях особого сочетания при УВБ, равном ФПУ). Предположим, что при диагностическом контроле измеренный угол составил φизм - 0,9°, т.е. условие (2.2) соблюдено: 0,9° < 1º, и формально состояние плотины будет оценено как нормальное. Однако не исключено, что φизм = 0,9º было замерено при УВБ более низком, чем ФПУ, например при половинном гидростатическом давлении верхнего бьефа. Очевидно, что при дальнейшем росте УВБ условие (2.2) может быть нарушено. При половинной нагрузке и линейно упругой работе сооружения ожидаемый угол должен быть не более половины градуса. Только наличие проверки (2.4) может гарантировать от ошибочной диагностики при использовании только критериев (2.1) - (2.3). Проверка (2.4) позволяет обнаружить отклонения от нормальной (прогнозируемой) работы до достижения нагрузками и воздействиями максимальных значений и заблаговременно принять меры по устранению возможных неисправностей,

«.2.6. Для сооружений четвертого класса, а также при специальном обосновании для сооружений третьего класса допускается устанавливать один уровень критериальных значений К2».

Наличие первого (предупреждающего) уровня критериальных значений диагностических показателей обеспечивает повышение уровня безопасности сооружений, т.к. дает возможность своевременного осуществления мероприятий по предотвращению аварий. Однако реализация двухуровневой системы критериев безопасности требует более высокой квалификации эксплуатационного персонала, что, как правило, не обеспечивается на сооружениях.

«2.7. Количественные значения К1 и К2 диагностических показателей следует устанавливать на основе расчетов и оценок реакции сооружения при основном и особом сочетании нагрузок, соответственно. Состав нагрузок в сочетаниях и способ их определения должны быть установлены для конкретного сооружения нормативными докумен­тами и проектом и уточнены на стадии эксплуатации с учетом изменений в требованиях нормативных документов».

Данным пунктом определен лишь способ назначения критериальных значений К1 и К2. События, соответствующие особому сочетанию воздействий, более редки и применительно к ним нормами допускаются некоторые нарушения условий нормальной эксплуатации сооружений. Как правило, реакция сооружения на действие нагрузок особого сочетания более значительна и, соответственно, значения К2 являются определяющими по сравнению с К1. Однако применительно к конкретному сооружению возможны ситуации (в том числе из-за различных сочетаний нормативных коэффициентов надежности, используемых в расчетах на основное и особое сочетание воздействий), когда К1 оказывается определяющим по сравнению К2. В этих случаях следует в качестве К2 принимать более опасное для сооружения значение диагностического показателя.

«2.9. В период эксплуатации для корректировки состава и критериальных значений К1 и К2 диагностических показателей следует использовать, кроме результатов расчетов, данные натурных наблюдений за весь период строительства и эксплуатации, а также результаты анализа опыта эксплуатации данного ГТС и аналогичных по конструкции и условиям эксплуатации сооружений. В целях прогноза изменения показателей и возможно более точной их корректировки статистическими и детерминистическими методами должна быть разработана математическая модель сооружения».

Основным способом назначения критериальных значений К1 и К2, в соответствии с данной «Методикой», является расчетное определение реакции сооружения в заданных для контроля точках сооружения. При наличии достаточно представительного ряда натурных наблюдений эти данные используются как для корректировки результатов расчета, так и для построения статистических моделей. В случае ограниченного объема данных натурных наблюдений на конкретном сооружении, для построения статистических моделей могут при соответствующем обосновании дополнительно привлекаться результаты наблюдений на сооружениях-аналогах.

«2.11. Измеряемый (вычисляемый по результатам измерений) контролируемый показатель, выбранный в качестве диагностического показателя, должен отвечать следующим условиям;

диапазон изменения значений показа теля при нормальном эксплуатационном состоянии должен в несколько раз превосходить погрешность измерительной системы;

диагностический показатель должен поддаваться прогнозу с помощью детерминистических или статистических прогнозных моделей».

При выборе диагностических показателей из всей имеющейся совокупности контролируемых показателей рекомендуется, чтобы диагностические показатели обладали следующими свойствами:

диагностический показатель должен быть достаточно «чутким» к изменению внешних воздействий на сооружение (например, если контролируемый показатель «не реагирует» на изменение УВБ и температур окружающей среды, то вряд ли он пригоден в качестве диагностического);

в диапазоне изменения внешних воздействий при нормальной эксплуатации сооружения (например, при изменении УВБ от УМО до НПУ} амплитуда (размах) изменения показателя, выбранного в качестве диагностического, должен в несколько раз превосходить погрешность измерения (вычисления) этого показателя; в противном случае замер будет соизмерим с погрешностью, и диагностика будет недостоверной;

состав диагностических показателей должен быть, по возможности, полным, таким, чтобы контролировать все возможные сценарии повреждений и отказов;

во избежание ложной тревоги желательно, чтобы один и тот же диагностический показатель измерялся не одним, а двумя независимыми измерительными преобразователями.

«2.13. Наряду с оценкой безопасности на основе сравнения измеренных значений диагностических показателей с их критериальными и прогнозируемыми значениями, оценка безопасности ГТС включает оценку уровня риска аварии. Для этой цели должна быть построена иерархическая система факторов безопасности и выполнена оценка уровня риска аварии в детерминистической и (или) вероятностной форме (приложение З). Как правило, оценка уровня риска аварии должна выполняться при составлении дек­ларации безопасности ГТС».

Диагностика состояния эксплуатируемого ГТС на основе сопоставления диагностических показателей состояния с их критериальными значениями - это наиболее распространенный в нашей стране метод диагностики. Однако более обоснованное суждение о состоянии ГТС может быть составлено на основе привлечения всего комплекса имеющейся информации. Комплексная оценка состояния ГТС может быть выполнена в форме оценки уровня риска аварии в детерминистической и (или) вероятностной постановке. Выбор количественного показателя, определяющего уровень риска аварии ГТС, а также вычисление выбранного показателя для конкретного сооружения являются сложными зада­чами, не получившими общепринятого однозначного решения. Имеется ряд предложений по вычислению уровня риска аварии ГТС, два из которых рекомендованы в приложение З «Методики» [1].

Первый из рекомендованных способов дает экспертную оценку уровня безопасности ГТС в безразмерной (балльной) шкале. Для каждого сценария возможной аварии определяется перечень действующих факторов безопасности, эти факторы ранжируются по значимости, экспертным путем определяется значение каждого фактора и по определенному правилу (формуле) строится общая балльная оценка уровня безопасности ГТС.

Детальный комплексный анализ всей доступной информации о состоянии ГТС практически всегда возможен (и должен быть выполнен) при диагностике «нормального» и «потенциально опасного» состояния, т.е. в тех случаях, когда еще имеется (в отличие от случая диагностики «предаварийного состояния») запас времени для такого анализа, принятия и реализации технических и организационных мероприятий по предотвращению аварии,

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СОСТОЯНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

«3.1. Проектное обоснование прочности и устойчивости ГТС и их оснований должно быть выполнено из условия недопущения предельных состояний» [5]:

                                                                           (3.1)

В (3.1) обозначено:

γn - коэффициент надежности по ответственности (назначению) сооружения;

γ1c - коэффициент сочетаний нагрузок;

F - расчетное значение обобщенного силового воздействия;

R - расчетное значение обобщенной несущей способности.

«3.2. На стадии проекта состав и критериальные значения диагностических показателей К1 и К2 следует определять на основе анализа результатов расчетов и экспериментальных исследований фильтрационного, гидравлического и температурного режимов, напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости ГТС на основное и особое сочетания нагрузок (приложение 4), а также анализа прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик материала».

Основными причинами аварий на ГТС являются:

нарушение механической прочности сооружений напорного фронта или их оснований;

превышение допустимых величин деформаций;

нарушение фильтрационной прочности;

потеря устойчивости;

недостаточная пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений.

В соответствии с действующими нормами при проектировании рассматриваются две группы сочетаний нагрузок и воздействий: основные, особые отдельно для строительного и эксплуатационного периодов. Рекомендуемый перечень нагрузок и воздействий и образуемых ими сочетаний приведен в соответствующих нормах для расчетного и ремонтного случаев, «Основные сочетания включают постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки и воздействия. Особые сочетания включают постоянные, временные длительные и кратковременные нагрузки и воздействия и одну (одно) из особых нагрузок и воздействий» (п. 5.2 СНиПа [5]). К особым относятся нагрузки и воздействия более редкой повторяемости.

Возможным, но недопустимым состоянием ГТС является аварийное состояние. Недопустимость аварийного состояния при проектировании обеспечивается системой расчлененных коэффициентов надежности. Система этих коэффициентов осуществляет переход от нормативных нагрузок и физико-механических свойств материалов к расчетным нагрузкам и свойствам материалов. Таким образом, в проектных расчетах фигурируют не нормативные, а несколько завышенные (расчетные) нагрузки и несколько заниженные (расчетные) значения несущей способности. Под нормативными здесь понимаются нагрузки и физико-механические параметры материалов, полученные путем статистической обработки данных лабораторных или натурных испытаний.

Левая часть неравенства 3.1, представляющая значение обобщенной несущей способности, представляет собой систему критериальных значений К1 и К2 воздействий на сооружение в виде гидростатической нагрузки, температуры, противодавления, пьезометрических уровней и т.д. Правая часть этого неравенства представляет собой реакцию сооружения на эти воздействия (напряжения в бетоне, контактные напряжения, вертикальные (осадки) и горизонтальные перемещения, фильтрационные расходы и др.). Критериальные значения К1 и К2 одного и того же показателя могут быть неодинаковыми для разных зон сооружения. При этом максимальные значения их не должны превышать расчетных значений сопротивления материала сооружения с учетом коэффициентов условий работы и надежности. Так, например, максимальные критериальные значения сжимающих напряжений в бетоне определяются по формуле

 и т.д.,

где Rв - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию;

γn - коэффициент надежности.

«3.5. Для сооружений, измеренные значения диагностических показателей которых оказались значительно ниже расчетных значений, определенных на стадии проекта, и в случае отсутствия результатов уточненных расчетов эксплуатируемого сооружения критериальные значения показателей следует принимать по прогнозным статистическим моделям. При этом указанные статистические модели следует применять, как правило, в пределах диапазона нагрузок и воздействий, испытанных сооружением в процессе эксплуатации».

Указания данного пункта «Методики» особенно актуальны для сооружений, построенных со значительными запасами по отношению к тем воздействиям, которые реально действуют в период эксплуатации (сооружения, возведенные не на полную высоту и эксплуатируемые в таком состоянии; сооружения, запроектированные применительно к особым условиям, в т.ч. применительно к специальным воздействиям и др.).

В этих случаях прогнозные статистические модели следует применять, прежде всего, для назначения критериальных значений К1. Для назначения К2 следует, как правило, применять детерминистические расчетные модели.

«3.6. В случае превышения одним или несколькими диагностическими показателями критериального значения К1, определенного на стадии проекта и уточненного расчетом на стадии эксплуатации (а также в случае отсутствия указанных уточненных расчетных данных), допускается на период проведения мероприятий, которые предусмотрены п. 7.2 «Методики», осуществлять прогноз поведения ГТС на основе статистических моделей».

Формулировка «допускается на период проведения мероприятий ... осуществлять прогноз поведения ГТС на основе статистических моделей» связана с тем, что во многих случаях превышение уровня К1 может быть вызвано действием нагрузок, ранее не испытанных сооружением. При этом реакция на действие указанных нагрузок недостаточно точно может быть отражена статистической моделью.

С другой стороны, превышение уровня К1 в ряде случаев (в том числе применительно к «смелым» проектным решениям) сопровождается необратимыми процессами в теле сооружения и его основании, которые не всегда точно могут быть описаны современными методами расчета ГТС (детерминистические методы расчета). В этом случае также могут быть полезны статистические модели.

«3.7. Диагностику «потенциально опасного» и тем более «предаварийного» эксплуатационного состояния ГТС следует осуществлять на комплексной основе, с привлечением измерений всех диагностических показателей, в особенности таких, как параметры фильтрационного режима (расходы, величины противодавления, положение поверхности депрессии, градиенты напора) и характеристики трещинообразования в бетонных плотинах, а также с привлечением статистических прогнозных моделей и качественных диагностических показателей)).

В данном случае речь идет об уточнении диагностики состояния сооружения, осуществляемом после принятия решений по предотвращению возможной аварии.

4. РАЗРАБОТКА ПРОГНОЗНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

«4.1. Для целей диагностики, прогноза состояния и определения эксплуатационных ситуаций следует использовать три типа математических моделей:

статистические;

детерминистические;

смешанные».

«4.4. Модель следует передать эксплуатирующей организации в виде формулы для вычисления Fпрог, либо в виде таблиц, графиков или компьютерных программ, с помощью которых по текущим значениям аргументов вычисляется величина Fпрог и ее погрешность».

В период нормальной эксплуатации нагрузки и воздействия на ГТС меняются во времени (изменяется УВБ, температура окружающей среды и т.д.). При использовании (3.1) диагностические показатели определяются из детерминистических расчетов не на реальные переменные во времени нагрузки, а на условные, гипотетические сочетания нагрузок, при которых к сооружению приложены постоянные нагрузки, увеличенные за счет умножения на коэффициенты перегрузки. Сравнение измеренных в процессе натурных наблюдений диагностических показателей с критериальными значениями не может дать информации о близости измеренных и ожидаемых (прогнозируемых) значений диагностических показателей в силу различия нагрузок и воздействий, при которых измерялись и вычислялись соответствующие диагностические показатели. Эта информация дает сравнение измеренных значений диагностических показателей с их прогнозируемыми значениями,

«4.6. Детерминистическая (расчетная) модель, разработанная на стадии проекта, может использоваться на стадии начальной эксплуатации для прогноза при текущих, реальных на момент проверки нагрузках и воздействиях на сооружение. С этой целью следует выполнить расчеты не только на экстремальные, но и на промежуточные нагрузки и воздействия при реальных (определенных на стадии возведения сооружения) характеристиках материалов сооружения и основания».

В целях раннего обнаружения отклонений от проектной работы оценка эксплуатационного состояния ГТС, наряду со сравнением диагностических показателей с критериальными значениями, предусматривает сравнение измеренных диагностических показателей с прогнозируемым интервалом их изменения (см. п. 2.5 «Методики»). Проверяется выполнение неравенства (2.4). На стадии проектирования прогнозируемые значения диагностических показателей определяются из расчетов в рамках проектных расчетных моделей на текущие («реальные») нагрузки и воздействия.

В целях повышения достоверности диагностического контроля и раннего обнаружения отклонений работы сооружений от проектных предположений рекомендуется:

наряду с проектными расчетами на основные и особые сочетания нагрузок, выполнить несколько расчетов на действие «промежуточных» нагрузок и воздействий и представить результаты в табличной форме или в виде графиков; под промежуточными понимаются некоторые характерные нагрузки, интенсивность которых лежит в интервале изменения нагрузок в период нормальной эксплуатации сооружений;

таблицы (графики) с данными расчетов на «промежуточные» нагрузки включать в «Декларацию безопасности» в качестве прогнозной модели; прогнозируемые значения диагностических показателей для текущих (имеющих место на момент контроля) нагрузок следует определять с помощью интерполяции данных таблиц.

Для сооружений I и II классов рекомендуется иметь постоянно действующую детерминистическую расчетную модель, позволяющую в день проверки состояния сооружения выполнить расчет на нагрузки и воздействия, действовавшие на момент проведения измерений. Постоянно действующая математическая модель подготавливается генеральным проектировщиком и передается службе эксплуатации для использования при оперативном контроле состояния сооружений.

При постоянных нагрузках на ГТС естественным прогнозом будет стабильность (неизменность) значений диагностических показателей во времени. Поэтому для ГТС, которые эксплуатируются под действием нагрузок, мало меняющихся во времени (например, при постоянном УВБ), прогнозная модель очевидна и не требует построения: неизменность показаний КИА во времени с точностью до погрешности измерений.

«4.9. Для оценки погрешности детерминистической модели следует выполнить серию (или несколько серий) расчетов при одинаковых воздействиях, варьируя параметры модели в диапазоне их возможного изменения (а также густоту и конфигурацию сетки в случае применения метода конечных элементов)»,

В двустороннее неравенство (2.4) входят не только измеренные и прогнозируемые значения диагностических показателей, но и погрешность прогнозной модели δ (а также в неявной форме погрешности измерения и вычисления диагностического показателя). Строгое вычисление погрешности δ не представляется возможным. Возможна лишь приближенная оценка точности прогнозной модели путем внесения в нее разумных вариаций (возмущений). Например, расчет напряжений и перемещений производился при некотором фиксированном модуле деформации основания Ео; пусть погрешность определения Ео известна и составляет величину ∆Е; выполнив расчеты при модулях Е0 ± ∆Е, можно оценить погрешность прогнозной модели по модулю деформации основания, При использовании современных конечно-элементных моделей расчет выполняется на сетке элементов фиксированной густоты и конфигурации. Известно, что приближенное конечно-элементное решение стремится к точному решению задачи при стремлении шага сетки элементов к нулю. Поэтому оценить точность численного конечно-элементного решения можно, изменив конфигурацию или сгустив сетку конечных элементов.

Процедура назначения и уточнения критериев безопасности включает следующие этапы:

На стадии разработки проекта:

1. Разработка конструктивных решений ГТС и их обоснование расчетами по первому и второму предельным состояниям. Определение в проекте состава диагностических показателей состояния ГТС. Определение для принятых диагностических показателей значений К1 и К2 [1, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].

2. Выполнение поверочных детерминистических расчетов ГТС при основном и особом сочетаниях нагрузок и воздействий. Выбор расчетной модели, методик расчетов, а также назначение расчетных случаев должны осуществляться с учетом сценариев возможных аварий на ГТС. По результатам расчетов определяется реакция сооружения в контролируемых точках и на этой основе уточняются значения К1 и К2 для диагностических показателей состояния ГТС.

На стадии эксплуатации:

3 Корректировка детерминистических расчетных моделей сооружения на основе данных натурных наблюдений в период эксплуатации (уточнение сценариев аварий и соответствующих им сочетаний воздействий и нагрузок, «калибровка» математических моделей, проведение поверенных расчетов, уточнение К1 и К2 по результатам расчетов на основное и особое сочетание воздействий, также уточненных в процессе эксплуатации).

4. Обработка данных натурных инструментальных наблюдений и построение статистических моделей. Определение на основе применения статистических моделей значений К1 и, в случае необходимости (при отсутствии или несовершенстве соответствующих выбранным сценариям детерминированных методов расчета) значений К2. Определение доверительного интервала, в котором должны находиться значения диагностических показателей при нагрузках, меньших нагрузок основного сочетания.

5. Назначение состава и определение значений качественных диагностических показателей состояния ГТС.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

(Приложения А - М)

Приложение А
ОСАДКИ БЕТОННЫХ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

1. За критериальные значения осадок (К1) сооружений на нескальных основаниях при среднем давлении под подошвой сооружений, меньше расчетного сопротивления грунта основания, на стадии проекта принимаются значения осадок, полученные расчетом (например, методом послойного суммирования в пределах сжимаемого слоя в соответствии со СНиП 2.02.02-85). При среднем давлении под подошвой сооружения, большем расчетного сопротивления грунта основания, критериальные значения осадок (К1) на стадии проекта принимают равными расчетным значениям, определенным численными методами, учитывающими упругопластический характер деформирования грунтов, пространственное напряженное состояние, последовательность возведения сооружения в соответствии со СНиП 2.02.02-85.

2. Изменение осадок сооружений во время строительства зависит от ряда производственных факторов и трудно поддается прогнозу. В условиях нормальной эксплуатации изменение осадок во времени определяются по прогнозным моделям, основанным на статической обработке данных натурных наблюдений. Прогноз изменения осадок в период эксплуатации на любой момент времени выполняется в соответствии с рекомендациями [12].

3. Критериальные значения (К1) осадок определяются для секций сооружения, отличающихся величинами нагрузок на основание или инженерно-геологическими свойствами основания и оснащенных средствами измерения осадок.

4. В случаях, когда осадка сооружения, особенно равномерная по длине сооружения, не вызывает каких-либо опасений за безопасность сооружений, основное внимание уделяется контролю изменений интенсивности осадок во времени с целью обнаружения возможного развития непредвиденных неблагоприятных процессов в основании (изменение физико-механических характеристик грунта, химическая или механическая суффозия и т.п.).

5. Прогнозные модели, основанные на данных натурных наблюдений, позволяют оценить состояние сооружения как потенциально опасное состояние, когда в течение длительного периода наблюдений интенсивность осадок не уменьшается, и как предаварийное, когда наблюдается увеличение интенсивности осадок во времени.

Приложение Б
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРЕБНЯ ВЫСОКИХ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

1. Горизонтальные перемещения гребня бетонных гравитационных, контрфорсных и арочных плотин на скальном основании, а также железобетонных плотин на нескальном основании являются одним из важнейших показателей прочности и устойчивости плотин, поскольку они характеризуют статическую работу сооружений и оснований в целом.

2. Горизонтальные перемещения гребня бетонной плотины на скальном и нескальном основаниях в эксплуатационный период обусловлены:

воздействием гидростатического давления на плотину;

температурными изменениями в теле плотины, зависящими от изменения температуры внешней среды (воздух, вода);

неупругими деформациями скального или нескального основания и материала плотины.

3. В качестве первого приближения за критериальные значения (К1) горизонтального перемещения гребня плотины принимается величина, полученная расчетом на основное сочетание нагрузок методами строительной механики, теории упругости, пластичности при принятых в проекте физико-механических характеристиках плотины и основания.

За критериальное значение (К2) горизонтального перемещения гребня плотины принимается величина, полученная расчетом на особое сочетание нагрузок методами строительной механики, теории упругости, пластичности при принятых в проекте физико-механических характеристиках плотины и основания.

Критериальные значения (К1, К2) горизонтальных перемещений гребня плотины должны быть уточнены в процессе эксплуатации плотины на основе контрольных расчетов с учетом фактических физико-механических характеристик бетона плотины и основания, а также выявленных закономерностей работы реального сооружения.

5 Для уточнения критериальных значений [К1, К2) горизонтальных перемещений гребня бетонных плотин используют статистический метод с целью установления эмпирической зависимости горизонтальных перемещений от уровня воды в водохранилище (НПУ для К1 и ФПУ для К2), температуры внешней среды (t) и времени (T) в соответствии с [13].

u = f [H (t), t (T); Т],                                                             (Б.1)

где u - горизонтальные перемещения гребня плотины;

H - уровень верхнего бьефа;

t - температура;

Т - время.

6. За уточненные критериальные значения (Kl, K2) горизонтальных перемещений принимаются величины их прогнозируемых экстремальных значений, вычисленные по методике [13], в предположении, что максимальные и минимальные перемещения от действия воды водохранилища совпадают по фазе с максимальными и минимальными перемещениями от температурных воздействий.

7. Измеренные перемещения гребня плотины во всех случаях не должны превышать критериальных значений (К1, К2). Превышение измеренных над прогнозируемыми перемещениями будет свидетельствовать о появлении аномалии в работе сооружения, и сеятояние сооружения при этом оценивается как потенциально опасное (если превышено значение К1) и как предаварийное (если превышено значение К2).

Приложение В
НАПРЯЖЕНИЯ В БЕТОНЕ

1. За критериальные значения (К1 и К2) напряжений в бетоне в контролируемых точках плотины на стадии проекта принимаются величины напряжений, полученные расчетом на основное (К1) или особое сочетание нагрузок (К2) или испытанием моделей. Величины напряжений в бетоне плотин III и IV классов определяются методами строительной механики, плотин I и II классов методами теории упругости по схемам плоской или объемной задачи в соответствии со СНиПами 2.06.06-85, 2.06.08-87 [6, 9].

2. В эксплуатационный период критериальные значения (К1) напряжений в бетоне должны быть уточнены по результатам поверочных расчетов с учетом фактических физико-механических характеристик бетона плотины. Для уточнения критериальных значений напряжений в бетоне рекомендуется использовать прогнозные математические модели.

3. Для максимально нагруженных зон бетонных плотин, прочность сечений которых определяется сопротивлением бетона сжатию, за критериальное значение К1 напряжения в бетоне принимается расчетное сопротивление бетона сжатию для предельных состояний первой группы с учетом коэффициентов условий работы и коэффициента надежности; а за критериальное значение К2 напряжений бетона в этих зонах плотины принимается равным 0,9 Rи, где 0,9 Rи - расчетное сопротивление бетона сжатию для предельных состояний первой группы.

4. Для бетонных плотин, прочность сечений которых определяется сопротивлением бетона растяжению и по условиям эксплуатации в бетоне не допускаются трещины, за критериальные значения К1 напряжения в бетоне принимаются расчетные сопротивления бетона на растяжение для предельных состояний первой группы с учетом коэффициентов условий работы и коэффициента надежности по ответственности (назначению) сооружения [6], а за критериальные значения К1 напряжения в бетоне принимаются равным 0,9 Rbt, где Rbt - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению для предельных состояний первой группы [6].

Приложение Г
НАПРЯЖЕНИЯ В АРМАТУРЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СООРУЖЕНИЙ

1. Для максимально нагруженных зон железобетонных конструкций, прочность сечения которых определяется сопротивлением арматуры растяжению и не вводится требование ограничения раскрытия трещин, за критериальное значение К1 напряжения в арматуре принимается расчетное сопротивление арматуры растяжению для предельных состояний первой группы с учетом коэффициентов условий работы и коэффициента надежности, а за критериальные значения К2 напряжений в арматуре в этих зонах железобетонных конструкций принимается равным 0,9 Rs, где 0,9 Rs - расчетное сопротивление растяжению для предельных состояний первой и второй групп.

2. Для железобетонных конструкций, прочность сечения которых определяется по растянутой арматуре, а ширина раскрытия трещин ограничена, за критериальные значения К1 напряжений в арматуре принимаются напряжения в арматуре, вычисленные по СНиП 2.06.08-87 [9]], исходя из предельно допустимой ширины раскрытия трещин.

3. В эксплуатационный период критериальные значения (К1) напряжений в арматуре должны быть уточнены по результатам поверочных расчетов с учетом фактических физико-механических характеристик бетона, арматуры, процента армирования и действующих нагрузок. При нормальной работе железобетонной конструкции напряжения в арматуре должны быть стабильны. Интенсивность и характер изменения напряжений в годовом цикле измерений (выполняемых в определенное время года и одинаковых нагрузках) должны быть одинаковыми.

Приложение Д
ПОЛОЖЕНИЕ ПЬЕЗОМЕТРИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ В ОСНОВАНИИ БЕТОННЫХ ПЛОТИН

1. Для определения значений противодавления на подошву бетонных плотин для оценки их устойчивости методом ЭГДА или расчетами определяется положение пьезометрических уровней при основном (УВБ - НПУ) и особом сочетании нагрузок (УВБ = ФПУ) и при нарушении одного из противофильтрационных или дренажных устройств в соответствии со СНиП 33-01-2003. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования [5].

2. За критериальные значения К и К2 положения пьезометрических уровней в основании бетонных плотин на стадии проекта принимаются значения пьезометрических уровней, полученные расчетом или методом ЭГДА на основное (К1 или особое сочетание нагрузок (К2) (рис. Д.1).

К1 - при основном сочетании нагрузок;

К2 - при особом сочетании нагрузок при нарушении монолитности понура

Рис. Д.1. Положение пьезометрических уровней в основании водосливной бетонной плотины

3. Для периода нормальной эксплуатации изменения положения пьезометрических уровней во времени, отражающие их критериальные значения, определяются по прогнозным регрессионным моделям, основанным на статистической обработке данных натурных наблюдений.

Критериальные значения положения пьезометрических уровней (К1) принимаются равными прогнозируемым по регрессионной модели при доверительном интервале, равным (2σ), а критериальные значения положения пьезометрических уровней (К2) - равным прогнозируемым по регрессионной модели при доверительном интервале, равным (3σ).

4. В качестве диагностических показателей положения пьезометрических уровней в основании бетонной плотины с понуром рекомендуется принимать значения пьезометрических уровней в конце понура, для контроля работоспособности верхового зуба и дренажа - пьезометрических уровней перед низовым зубом бетонной плотины.

Приложение Е
ОСАДКИ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

При назначении критериев осадки плотины используется основная закономерность геомеханики по уплотнению грунтов под действием нагрузки.

При нормальной работе грунтовой плотины ход ее осадки должен носить плавный затухающий характер. При этом интенсивность приращения осадки с каждым годом или циклом измерений (выполняемым в определенное время года и при одинаковых условиях) должна уменьшаться, стремясь к нулю. Фактическая (измеренная) осадка в любой момент времени t не должна превышать расчетных значений для основного и особого сочетания нагрузок (если расчетная модель близка к реальной) и выходить за пределы доверительного интервала:

Sрасч(t) - ∆S Sнат (t) ≤ Sрасч (t) + ∆S,                             (E.1)

где Sнат(t) и Sрасч(t) - значения измеренной и расчетной осадок плотины за равный промежуток времени t

S - погрешность определения осадки.

Исходя из этого, за критерий К1 осадки плотины в общем случае рекомендуется принимать ее расчетное значение на верхней границе доверительного интервала (при нисходящем графике хода осадки)

К1 (t) = Sрасч (t) - ∆S,                                                            (E.2)

Как показывает практика, получение достоверных значений расчетных осадок плотин, учитывающих множество факторов строительного и пускового периодов и отвечающих данным натурных наблюдений, является сложной задачей. В этой связи более рациональным следует считать использование для назначения критериев осадки прогнозные модели, основанные на статистической обработке данных натурных наблюдений

Sпрог (t) - ∆S Sнат (t) ≤ Sпрог (t) + ∆S                                  (E.3)

где Sпрог(t) - прогнозируемая осадка на момент времени t.

Прогнозируемые значения осадок определяются аппроксимацией и экстраполяцией натурных графиков хода осадки геодезических марок, установленных на плотине. Простейшая аппроксимирующая функция имеет вид

S(t) - t/(at + b),

где t - время;

a, b - эмпирические коэффициенты, определяемые, например, в результате статистической обработки данных предыдущих натурных измерений методом наименьших квадратов (рис. Е.1)

В этих случаях за К1 принимается

К1 (t) = Sпрог (t) - ∆S                                                             (Е-4)

По мере получения новых данных натурных наблюдений рекомендуется выполнять корректировку прогнозных графиков хода осадок плотины и аппроксимирующих их функций.

Другим качественным критериальным признаком нормального состояния плотины по осадкам может служить неравенство вида

нормальное состояние Us (t) > Us (t2) > Us(t3) > Us(t4) > ... > Us tn)) → 0.(E.5)

Us(t1), ... Us(tn) - натурные значения интенсивности приращения осадок плотины в первый, второй и последующие годы наблюдений (или циклы измерений).

Критериальными признаками потенциально опасного и предаварийного состояний сооружений можно считать условия, когда имеет место, соответственно, отсутствие затуха­ния осадок во времени и нарастание осадок во времени:

потенциально опасное состояние Us (t1)  Us (t2) = Us (t3) = ... = Us (tn)    (E.6)

предаварийное состояние Us (t1) < Us (t2) < Us (t3) < ... < Us (tn)                  (E.7)

При удовлетворении натурных значений интенсивности осадки плотины условиям (Е.6) проводится оперативный комплексный анализ поведения сооружения с привлечением других данных натурных наблюдений и принимаются меры по приведению сооружения в нормальное эксплуатационное состояние. При выполнении (Е.7) - принимаются оперативные меры по понижению УВБ.

Графики хода осадок на берме грунтовой плотины по натурным и прогнозируемым данным (пример)

Условные обозначения: - натурные данные;-  расчетные данные

Рис. E.1. Si = t/(at+b) - вид аппроксимирующих функций

Приложение Ж
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ СМЕЩЕНИЯ ГРЕБНЯ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ

Назначение критериев базируется на данных систематических натурных наблюдений и на общих закономерностях изменения горизонтальных смещений гребня плотины в период эксплуатации под действием изменяющейся гидростатической нагрузки.

Установлено, что после 3-5 циклов повторяющейся годичной сработки и наполнения водохранилища (от НПУ до УМО и обратно) горизонтальные смещения гребня начинают изменяться квазиупруго. Для различных плотин число указанных циклов может отличаться. При этом к концу этого периода необратимые (остаточные) перемещения гребня плотины практически достигают своего максимума и их дальнейшие приращения близки к нулю.

Исходя из этой закономерности, состояние плотины считается нормальным, если выполняется неравенство вида

      (Ж.1)

где , и т.д. - натурные значения приращений необратимой (остаточной) составляющей горизонтальных смещений в контролируемых точках гребня плотины в первый и последующие циклы эксплуатации под напором;

t1, t2, ... tn - циклы измерений в первый и последующий годы (n = 3 - 5 лет).

После перехода горизонтальных смещений гребня в квазиупругую стадию (после 3 -5 лет нормальной эксплуатации) условию нормальной работы может быть придан вид

           (Ж.2)

где  и т д. - натурные значения горизонтальных квазиупругих (обратимых) перемещений в контролируемых точках гребня в первый и последующий годы после затухания необратимых перемещений.

При незатухающем процессе изменения приращений необратимых (остаточных) горизонтальных смещений гребня плотины ее состояние следует оценивать как потенциально опасное, а при нарастающем во времени - как предаварийное.

Критерий К1, задающий границу между нормальным и потенциально опасным состояниями в i - ом году рекомендуется в виде условия:

К1:

(Ж.3)

где δ - погрешности измерения смещений.

В качестве критерия К2, задающего границу между потенциально опасным и предаварийным состояниями в i-ом году, может быть рекомендовано условие вида:

К2:

(Ж.4)

Таким образом, возможные состояния плотины по осадкам характеризуются соотношениями:

нормальное;

потенциально опасное

предаварийное

Приложение З
ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЕ В ГРУНТОВЫХ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ПЛОТИНЫ (ЯДРО, ЭКРАН, ДИАФРАГМА)

Образование вертикальных поперечных и горизонтальных трещин в грунтовых противофильтрационных элементах плотин в зонах действия напора воды представляет реальную угрозу целостности сооружений. Трещины появляются вследствие возникновения чрезмерных для грунтов этих элементов растягивающих деформаций, проявляющихся как в период строительства, так и при эксплуатации плотины. В этой связи в качестве диагностического показателя трещинообразования рекомендуется использовать показатель относительной (вертикальной или горизонтальной) деформации растяжения εp грунтов противофильтрационных элементов, которая вычисляется по данным геодезических или телеметрических натурных измерений линейных взаимных перемещений точек ∆Lp, отстоящих друг от друга на расстоянии Lp:

'>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: