Причины трещинообразования в бетоне напорной грани плотины

К анализу процессов нарушения сплошности бетона следует подхо- j дить с позиций линейной механики разрушения. В практичес­ких задачах используется так называемая силовая формулировка критерия разрушения. Для этого используют понятие коэффициен­та интенсивности напряжений К, размерность которого Н/м^1,5 или МПа • м⁰'⁵. Для бетонов критические значения коэффициента К_1С из­меняются в пределах0,4—2,0 МН/м^1,5.

При твердении бетона его растворная составляющая дает усадку, при этом на контакте с более жестким заполнителем воз­никают усадочные трещины. Размер этих трещин близок к раз­меру наиболее крупных частиц заполнителя. При приложении к бетонному образцу растягивающей нагрузки длина и раскрытие усадочных трещин по контакту с заполнителем увеличиваются. При максимальной крупности заполнителя d_max = 10 мм длина этих трещин примерно равна 3d_max; при крупности заполнителя в пределах 20 < d_max <100 мм длина контактных трещин, которые могут стать началом разрушения бетона равна 1,32 d_max. На сле­дующей стадии нагружения бетонного образца отдельные контакт­ные трещины выходят в матрицу, после чего в бетоне образуются ма­гистральные трещины.

В процессе возникновения и распространения трещины в каком- либо материале область, примыкающая к стенкам трещины, разгру­жается (релаксирует). Появление и развитие трещины в бетоне на­порной грани существенно изменяет напряженно-деформированное состояние первого столба плотины. Состояние и развитие трещины в напорной грани плотины определяют два основных фактора: консольные напряжения, а в первом столбе плотины и гидростатический напор Я действующий на стенки трещины.

Образование новых трещин в горных породах под действием гид­ростатического напора известно как явление гидравлического раз­рыва. Если краевая трещина в бетоне напорной грани развивается под действием сосредоточенных сил, симметрично приложенных к стенкам трещины, то коэффициент К в вершине тре­щины длиной (определяется следующей зависимостью:

где H— гидростатический напор на глубине расположения трещины.

Краевая трещина в бетоне напорной грани

а—образовавшаяся под воздействием растягивающих консольных напряжений; б— образовавшаяся под воздействием гидростатического напора в трещинном пространстве

При выводе этой зависимости принято: сосредоточенная сила р = pgHl является равнодействующей гидростатических сил, действу­ющих по поверхности стенки трещины; вектор силы р приложен к се­редине длины трещины. Условие устойчивости трещины в бетоне напорной грани плотины:

На рисунке ниже приводятся построенные с помощью номограм­мы для определения критических соотношений консольных напря­жений, а в бетоне напорной грани и гидростатического напора Н в трещинном пространстве. При превышении критических соотноше­ний σ и Н начальная краевая трещина в бетоне начинает расти.

Зона устойчивости горизонтальных трещин в бетоне напорной грани плотины.

Зона устойчивости горизонтальных трещин в бетоне напорной грани плотины. Трещина испытывает расклинивающее воздействие воды верхнего бьефа при различных консольных напряжениях. Критический коэффициент интенсивности напряжений бетона К_IС = 2,0 МН/м^1,5

Из графиков, изображенных на рисунке ниже следует, что при увели­чении растягивающих или уменьшении сжимающих консольных на­пряжений в напорной грани плотины все большее количество малых трещин включается в процесс разрушения бетона. При подключении к этому процессу гидравлического фактора (гидравлического разры­ва) начинается рост трещин еще меньшей длины.

Наведенные названными внешними воздействиями растягиваю­щие напряжения в вершине трещины рвут межмолекулярные связи в цементирующем материале. В процессе эксплуатации бетонной плотины происходит химическая суффозия бетона, которая вместе с повторно-статическим нагружением плотины постепенно ослабляет структуру бетона, уменьшает значение коэффициента К_IС, что так­же способствует продвижению трещины.

Предположим, что в зоне напорной грани плотины СШГЭС на от­метке 340 м существует небольшая краевая трещина. Рассмотрим три возможных случая (условия) ее развития.

Первый случай

Гидростатический напор отсутствует (трещина сухая), а действуют только консольные растягивающие напряжения σ=1,0 МПа. Примем, что критический коэффициент интенсивности напряжений бетона К_IС = 2,0 МН/м^{1 5}. Из выражения находим, что при таких услови­ях все имеющиеся в этой зоне краевые трещины длиной до l_Kp = 1,0 м будут устойчивыми. Расти будут только трещины протяженностью более 1,0 м.

Второй случай

На стенки краевой трещины, находящейся на глубине Н = 200 м, дей­ствует только расклинивающее действие воды, а кон­сольные напряжения отсутствуют. При этих условиях придут в дви­жение трещины более короткие — длиною более 0,43 м. В данном конкретном случае силовое воздействие воды верхнего бьефа оказы­вается более сильным разрушающим фактором, чем растягивающее консольное напряжение σ= 1,0 МПа.

Третий случай

В зоне краевой трещины, расположенной в бетоне напорной грани плотины на отметке 340 м, одновременно действуют оба силовых фактора: σ = 1,0 МПа и Н = 200 м. Совместное действие этих факто­ров способно привести в движение еще более короткие трещины: кра­евые трещины длиной I_кр > 0,16 м будут расти.

Если трещина находится в критическом состоянии (имеет кри­тическую длину), то малейшее увеличение УВБ или уменьшение кон­сольного напряжения вызывает рост трещины. По этой причине уве­личение углов наклона плотины в сторону НБ вызывает рост и рас­крытие существующих в бетоне напорной грани трещин.

Краевая трещина способна расти и при сжимающих консольных напряжениях, при условии, что на ее стенки действует большой гид­ростатический напор. Нарушение сплошности первого столба мо­жет происходить даже в зоне небольшого консольного сжатия бето­на. Пусть, например, в бетоне напорной грани с характеристикой К_IС =1,0 МН/м¹⁵ имеется краевая трещина длиной 10 см. Бетон на­порной грани испытывает консольное сжатие σ = -0,2 МПа. Из усло­вия находим, что при напоре воды в трещинном пространстве Н = 230 м трещина начнет расти. Применительно к Саяно-Шушенс­кой плотине это отвечает состоянию трещины на отметке 307 м в рай­оне контакта «скала-бетон» при отметке УВБ 537 м. Трещина длиной 20 см начнет расти при напоре Н = 170 м, что отвечает состоянию краевой трещины на отм. 367 м при отметке УВБ 537 м.

Из нескольких соседних трещин различной длины первой начи­нает расти более длинная трещина. Своим продвижением вглубь мас­сива она снимает напряжения в окрестности и тем самым не позво­ляет включиться в процесс роста соседним трещинам меньшей про­тяженности. По этой причине трещины в одной и той же секции первого столба плотины располагаются очень редко.

Рост трещины при неизменной нагрузке могут остановить два обстоятельства: когда вершина трещины упирается в поверхность более прочного заполнителя: когда растущая трещина входит в об­ласть более высоких сжимающих напряжений или в область меньших растягивающих напряжений. Если не произойдет ни того, ни друго­го, то образуется магистральная трещина, которая пройдет через всю толщу первого столба плотины.

Может случиться так, что несколько циклов наполнения—сработ­ки водохранилища «раскачают» остановившуюся трещину, то есть снизят значение критического коэффициента К_IС бетона. В таком слу­чае трещина обогнет по контуру поверхность крупного заполнителя и пойдет дальше. Если прочность контакта «скала—бетон» или кон­тактного шва между смежными блоками бетонирования меньше прочности бетона, то трещина будет распространяться по поверхно­сти контакта.

Многое в динамике появления и развития трещин в первом столбе плотины определяет форма эпюры консольных напряжений. За годы эксплуатации плотина получила дополнительные необратимые пере­мещения в сторону нижнего бьефа, в результате консольные напряже­ния сжатия в области напорной грани уменьшились или перешли в область растягивающих напряжений. Вследствие этого в зацементи­рованных зонах бетона деформации растяжения превысили их доремонтные значения. В результате в большинстве русловых секций по­степенно увеличивается раскрытие заинъектированных и обжатых цементацией трещин. В настоящее время эффект обжатия бетона на­порной грани, достигнутый в процессе цементации, себя исчерпал, поэтому некоторые из сомкнутых трещин в непрерывно наклоняющей­ся плотине «ожили» и постепенно увеличивают свое раскрытие.

Чтобы остановить развитие трещин в бетоне напорной грани, необходимо или усилить цементацией береговые массивы, или сни­зить гидростатический напор на плотину. Исключить или остановить глубинные геодинамические процессы практически невозможно.