Моделирование глубокого воздействия фильтрации на массив основания

Проникание фильтрационного потока вглубь основания вызывает его медленное и непрерывное охлаждение. Охлаждение скального осно­вания фильтрационным потоком приводит к уменьшению размеров отдельных блоков и ослаблению связей между ними, С точки зрения деформационных процессов уменьшение температуры массива гор­ных пород на ДТ эквивалентно уменьшению эффективного модуля упругости массива на некоторую величину ΔЕ.

Расчеты показывают, что за первые 20 лет эксплуатации СШГЭС фильтрационный поток неравномерно охладил основание плотины примерно до глубины 400 м: от 0 до 200 м — на 6 °С; от 200 до 400 м — на 2 °С. Можно считать, что к настоящему времени процессы тепло­обмена в основании плотины стабилизировались до глубины пример­но 300 м. На более глубоких отметках скальный массив продолжает охлаждаться фильтрационным потоком, вызывая дополнительные перемещения основания плотины и берегов.

На специально разработанной расчетной модели геологической среды в створе плотины выполнен расчет плоской задачи теории уп­ругости (плоская деформация) методом конечных элементов. Оп­ределялись напряжения в элементах и перемещения в узлах от дей­ствия веса водохранилища и воздействия охлаждения массива осно­вания на глубину до 600 м ниже контакта «бетон—скала».

Длина модели по горизонтали 10 км, высота — 5 км. На ложе во­дохранилища действует распределенная нагрузка, соответствующая отметке УВБ 500 м. Модель плотины разбита на конечные элементы размером 50 х 50 м, вмещающий массив до глубины 800 м разбит на элементы 100 х 100 м, остальная часть модели состоит из элементов 200 х 200 м. Плотность сланцев 2900 кг/м3, коэффициент теплового расширения сланцев 0,9 · 10 5 град-1. Модуль упругости по мере уве­личения глубины увеличивается с 18 до 35 ГПа.

На модели 1 определялось НДС системы «плотина—основание— берега» от гравитационной нагрузки, создаваемой водохранилищем. На моделях 2,3 и 4 определялось изменение напряженно-деформиро­ванного состояния (НДС) системы, вызванное последовательным ох­лаждением фрагментов массива основания фильтрационным потоком в течение первых 50 лет эксплуатации СШГЭС. Охлаждение массива основания воспроизводилось на 3 момента времени (три состояния):

  • 1990 г. (модель 2) — массив основания охладился на 2 °С на глу­бину 200 м ниже подошвы плотины;
  • 2010 г. (модель 3) — первые 200 м массива охладились в среднем на 4 °С, вторые 200 м — на 2 °С;
  • 2040 г. (модель 4) — первые 200 м охладились в среднем на 6 °С, вторые 200 м — на 4 °С, третьи 200 м на 2 °С.

Изополя и эпюра температурных вертикальных перемещений массива основания на уровне подошвы плотины СШГЭС (модель 3)

185

Основные результаты моделирования приводятся в таблице ниже. Видим, что глубинные геодинамические процессы вызывают непре­рывный рост сжимающих напряжений в верхнем арочном поясе пло­тины, сближение берегов и рост осадки ключевой секции плотины.

Влияние глубинных геодинамических процессов в основании плотины СШГЭС на показатели ее НДС

№ модели и вид воздействия на массив основания

Год, соответ­ствующий состоянию основания

Рост напряже­ния сжатия на гребне плотины, кПа

Общее сближе­ние берегов в створе плотины, мм

Рост осадки центральной секции плотины, мм

1 — вес водохранилища

1990

790

36

150

2 — охлаждение

1990

70

7

5

3 — охлаждение

2010

210

16

15

4 — охлаждение

2040

410

30

29

5 — напор фильтрационный

2040

118

12

9

Таким образом, глубинная фильтрация и обусловленное ею глубо­кое охлаждение основания высоких плотин и плотины СШГЭС, в ча­стности, являются основными техногенными причинами аномалий их поведения, наблюдаемых в процессе эксплуатации гидроузлов.