The operation capacity of the construction of a rockfill dam with a concrete screen accommodated to the conditions of Pskemskaya HPP

Abstract

Introduction. A rockfill dam with a concrete screen is considered as an alternative to a traditional earth-faced rockfill dam in the process of designing a high-pressure Pskemsky hydraulic facility in Uzbekistan. A rockfill dam with a concrete screen has several strengths. However the geological structure of the dam site complexifies the application of a rockfill dam with a concrete screen, because dam boards have a deep layer of gritstone. There arose a need to study the stress-strain state of a 190 m dam in 2D and 3D settings. Materials and methods. The finite element method (FEM) and numerical modeling were employed to study the stress-strain state of the dam. The modulus of linear deformation of the rockfill top reaches 480 MPa, the one of the rockfill bottom — 240 MPa. The concrete deformation module was taken as equal to 29 and 12 hPa. The analysis took account of the isolation joint that separated the central part of the screen from its bank parts, while the contact surface of the screen and the dam body had a layer of friction-reduction emulsion. А.А. Подвысоцкий, М.П. Саинов, Д.В. Волков 2 То м 10 . В ы пу ск 1 ( 35 ) Ст ро ит ел ьс тв о: на ук а и об ра зо ва ни е ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в Республике Узбекистан строится высоконапорный Пскемский гидроузел энергетического назначения. По аналогии с Чарвакской плотиной [1], расположенной ниже по течению на р. Чирчик, в качестве водоподпорного сооружения предполагается использовать каменно-земляную плотину с центральным ядром. Упорные призмы высотой 190 м будут выполнены из горной массы, а ядро — из суглинка. Из-за высокой сейсмичности профиль каменно-земляной плотины запроектирован распластанным. Это существенно увеличивает стоимость строительства и снижает его экономическую эффективность. Поэтому в качестве альтернативной конструкции плотины рассматривается каменно-набросная плотина с бетонным экраном (КНБЭ), профиль которой может быть более обжатым. У КНБЭ большое количество преимуществ [2–5], они получили широкое распространение за рубежом [4–6]. В России эти плотины называют каменно-набросными плотинами с железобетонным экраном. За рубежом накоплен большой опыт строительства и эксплуатации высоких КНБЭ. Однако этот опыт показывает, что надежность противофильтрационного бетонного экрана (БЭ) в сверхвысоких плотинах не гарантирована. Имеются случаи нарушения целостности экрана в виде образования крупных сквозных трещин [7–16]. Примерами могут служить плотины Itapebi (высота 100 м) [7], Ita (125 м) [7], Buxi (135,8 м) [8], Mohale (145 м) [9], Xingo (150 м) [7], Tianshengqiao-1 (178 м) [10], Barra Grande (185 м) [11], Aguamilpa (187 м) [13], Campos Novos (202 м) [14]. Исследования, проведенные авторами с помощью численного моделирования, показали, что образование в нижней части экрана высоких растягивающих напряжений является практически неизбежным [17]. Это вызывает сомнения в целесообразности и требует расчетного обоснования применения КНБЭ для строительства Пскемского гидроузла. Кроме того, есть еще одно осложняющее обстоятельство. Дело в том, что створ Пскемского гидроузла — довольно протяженный и имеет сложное геологическое строение. Расчетная длина плотины по гребню составляет 882 м, она располагается в несимметричном створе. Русловой участок плотины узкий, его ширина составляет около 50–100 м. Правый берег речной долины более крутой, чем левый. На левом берегу — протяженный участок, на котором высота плотины составляет 140–150 м. В широком центральном участке основанием плотины служат полускальные грунты, а наиболее отдаленные от русла береговые участки плотины располагаются на сжимаемом слое гравелитов. Плотина на данных участках достаточно высокая — она превышает 70 м. Совершенно очевидно, что плотина будет работать в сложных пространственных условиях. Существует опасность формирования неблагоприятного напряженно-деформированного состояния (НДС) противофильтрационного бетонного экрана. Это вызывает сомнения в целесообразности применения КНБЭ в створе Пскемского гидроузла из-за недостаточного уровня надежности. Для оценки работоспособности КНБЭ в данных условиях и было выполнено данное исследование.