Головна Будівництво Будівельне виробництво B. И. Снисаренко, д. т. н., НИИ строительного. производства, г. Киев
joomla
B. И. Снисаренко, д. т. н., НИИ строительного. производства, г. Киев
Будівельне виробництво - Будівельне виробництво

О ПРОГНОЗИРОВАНИИ ДОЛГОВЕЧНО-СТИ ПЛОТИН ГЭС ПРИ ФИЛЬТРАЦИОН-НЫХ ПРОТЕЧКАХ

Аннотация

Разработана полуэмпирическая модель для оценки Во времени степени повреждаемости бетона плотины, Как в локальных точках, так и для всего сооружения. Ключевые слова: Полуэмпирическая модель, плотина, Повреждаемость, надежность.

Анотація

Розроблено напівемпіричну Модель для Оцінки У Часі Ступеня пошкодженості Бетону Греблі Як у Локальних Точках, так и для Всієї споруди.

Ключові Слова: Напівемпірична Модель, гребля, пошко-Дженість, надійність.

The summary

The semiempirical model for an estimation with flow of Time of a degree of perversity of concrete of the weir both in Local points and for all construction is designed. Keywords: Semiempirical Model, Weir, Perversity, Reliability.

Важность разработки инженерной методики прогнозирования долговечности плотин ГЭС в условиях Украины приобретает особую актуаль-ность, так как детальное обоснование и оценка их технического состояния не ведется несмотря на длительные сроки эксплуатации. Значитель-ная часть плотин возводилась с применением бе-тонов с использованием портландцементов, а в процессе их возведения допускались отступления от требований норм, например, в отношении во-донепроницаемости.

Так, на плотине Днестровской ГЭС, экс-плуатируемой около 30 лет, в потерне имеются многочисленные следы протечек. При обследо-вании было установлено, что в летних и зимних условиях на плотине происходит процесс угле-кислотной коррозии. Причем, марка бетона по водонепроницаемости составляла W4 при про-ектной W6, т. е. согласно СНиП 2.03.11-85 воз-действие водной среды является слабоагрессив-ным [5].

Результаты обследования показали, что зо-ны повреждения бетона, определяемые по вели-чине водопоглощения, прочности бетона и со-держанию СаО в высверленных образцах, распо-лагаются в плане в виде отдельных гнезд (кус-тов) различного размера. При этом было уста-новлено, что при низких скоростях фильтрации происходит кольматация фильтрационных пор, а при больших – процесс не стабилизируется.

Ранее была разработана математическая модель процессов коррозии бетона при фільтрации и получено соответветствующее аналитиче­ское решение, характеризующее процесс обыч­ного или кислотного выщелачивания [3]. Было показано качественное и количественное соот­ветствие полученного решения эксперименталь­ным данным Вместе с тем, для решения практи­ческих задач, связанных с оценкой технического состояния плотин и прогнозированием их долго­вечности, требуется разработка инженерных ме­тодов расчета.

В настоящее время в различных техниче­ских отраслях широкое распространение для по­добных целей нашли полуэмпирические (по оте­чественной терминологии) модели. Их особенно­стью является использование при построении методов физического и статистического модели­рования. Причем в качестве физической модели в данном случае была использована разработанная ранее математическая модель [3]. Достоинством полуэмпирических моделей является их относи­тельная простота и достаточно высокая точность в выполненной области экспериментов.

В качестве примера укажем модели, разра­ботанные Американским институтом бетона (ACI) и европейским комитетом бетона (ECB) применительно к случаю атмосферной коррозии [2, 4,7].

Полуэмпирическая модель прогнозирова­Ния величины функции повреждаемости

Математическая модель процессов корро­зии бетона при фильтрации построена на основе следующих исходных предпосылок [3]:

- структура порового пространства бето­на представлена в виде системы параллельных
сквозных фильтрационных пор с эффективным

Средним радиусом R0, Расположенных в шах­матном порядке. К ним примыкают произвольно расположенные капилляры с общей эффективной пористостью ε, По которым происходит массо-перенос в радиальном направлении. Выделяется

Структурный элемент радиуса R0 С непроницае­мыми стенками с фильтрационной порой в цен -

Тре; - нейтрализуемое вещество СаО Рас­пределено равномерно по объему;

- в соответствии с экспериментальными
данными принимается, что вокруг фильтрацион­
ной поры образуется расширяющаяся (подвиж­
ная) граница фронта коррозии [2, 3, 6].

Исходное уравнение массопереноса в структурном элементе записывается в виде [3]:

(1)

(Fо1 =

Краевые условия в данном случае имеют вид:

T = 0; C = C И; (2)

Х = 0; С = С1; (3)

Х = £; С = С2; (4)

Где С Концентрация раствора в поре; V-Скорость фильтрации; D - Коэффициент диффу­зии; Q(T) Функция стока; Є- Длина пути фильт­рации.

,

Q(

() 2DC0E 2DC0S

Rt+r 2;

М-M0

Где C0- Усредненное значение концентрации в точке с координатой X Для фиксированного зна­чения времени; M0- Концентрация нейтрализуе­мого компонента цементного камня; Ц - Сте-хиометрический коэффициент.

Функция стока характеризует скорость свя­зывания агрессивного вещества на подвижной границе фронта коррозии вокруг фильтрацион­ной поры. Решение задачи (1-4) приведено в [3]. Оно включает общее и частное решения. Общее характеризует концентрацию (количество) агрес­сивного вещества при массопереносе без учета его связывания в химической реакции, а частное - концентрацию (количество) связываемого ве­щества на подвижной границе фронта коррозии.

DS

В(x, t) = A(x)Ln

.

(5)

Использование полученного решения непо­средственно для практических расчетов связано с большими сложностями, главным образом, из-за отсутствия численных значений используемых в модели параметров. Поэтому на данной стадии целесообразно использовать полуэмпирическую модель, обобщенные параметры которой могут быть относительно просто получены экспери­ментальным путем. Так, для случая V = 0 и полностью водонасыщенного бетона получено [6]:

0

По определению

0<ф,T )<1,0.

Здесь A(x) - Обобщенный параметр, учиты­вающий длину элемента, граничные условия и т. д. Его значение устанавливается из сопоставле­ния (5) с точным решением [2, 3]. Методика оп -

Ределения значения M0 Известна [7]. Величина M(X,T) - концентрация гидроксида кальция в момент времени T В точке с координатой X .

Отметим, что зависимость (5) имеет огра­ничения по области применения. Она справедли­ва, когда соблюдается условие Fо2>>Fо1

DS

).

T

; fо2 =

0

Здесь Fо - число Фурье. Отметим, что Fо 1 ха­рактеризует процесс массопереноса в продоль­ном, а Fо2 - в радиальном направлениях. Приме­нительно к условиям Днестровской ГЭС-1 ука­занное требование соблюдается. В других случа­ях используется более общее решение в виде ин­тегральной показательной функции, что в прин­ципе не меняет существа излагаемой методики. Обобщим зависимость (5) на случай V Ф 0 . Для

Квазистационарного состояния

= Q(T)=0

Ы

Решение (1) имеет вид:

(6)

C = C1-(C1-C2)e

Pi

-1

V D

.

Где/? =

В этом случае поток диффундирующего вещества через поверхность X = £ Равен:

(7)

WM = -DS 0 Cdr

Или

St

,

(8)

W(I,T)=-(С 1-С2)V 1-E -Pi

Где S - Площадь поперечного сечения.

Следовательно, количество выносимого вещест­ва пропорционально скорости. Чтобы согласо­вать указанное с (5) для случая V = 0, Функцию, устанавливающую зависимость 0(X,T) От V С учетом экспериментальных данных [4], следует представить в виде:

F(V) = A (1 + KV N ), (9)

Где A, k И N - Эмпирические коэффициенты.

Причем, при полном выщелачивании (когда

С2=0) процесс кислотного выщелачивания

Прекращается. Справедливость (9) косвенно под­тверждается данными [1].


Таким образом, рекомендуемая зависимость для прогнозирования значений 0(X,T) Имеет вид:


(10)

E(x , T) = A(x)ln^2.—m t + 1Jx

4+KVn).

Отметим, что в рассматриваемом случае определяются значения в точках X = £, По­скольку им соответствует значение концентра­ций С 2 .

Методика определения параметров моде­Ли и прогнозирования значений функции по­вреждаемости

Рассмотрим последовательность определе­ния коэффициентов полуэмпирической зависи­мости (10) по результатам экспериментальных исследований. В качестве примера приводятся результаты обработки исследований, выполнен­ных на образцах из раствора [4]. В качестве рас­творителя использовалась дистиллированная во­да. В этом случае в функции Q(T) Вместо C0

Следует подставить значение (CХ-C0), Где C - Растворимость гидроксида кальция при фиксированной температуре эксперимента. Гид image042

Рис. 1 Зависимость количества выщелоченного гидроксида кальция от времени

.

Экспериментальные точки теоретические зависимости

На основе экспериментальных данных для значений Ti Вычисляются коэффициенты А И

F(V), Затем по значениям F(V) - Коэффици­енты ^), K И N.

В данном случае было получено:



Был принят Q=0,154-10-3(1 + 5,16-106V)ln(a; + L)

А3= 0,667; А5=3,4; n 1.

Из

80

=

£

Равлический градиент

Равным среднему для сечения напорная грань - потерна.

На рис. 1 приведены экспериментальные зависимости количества выщелоченного (Q)

Ca(OH )2 от продолжительности процесса для

Трех различных образцов. Состав раствора во всех случаях одинаков, однако из-за различной степени уплотнения коэффициенты фильтрации различны.

Зависимость (10) для точки X = £ Предста­вим в виде:

Q(Ј, T)=f(V)ln(at + 1), (11)

C2

DS

Ясно

Гдеа =

; значение F( V)

R0 /Т0

Сопоставления (11) и (10).

Q 1 =0,546-10 3ln(32,38T + 1) Q 3=8-10-3ln(0,667T + 1)

Q 5=0,24-10-3ln(3,42T + 1)

А1= 32,38;

Значения скоростей фильтрации в экспериментах были соответственно равны:

См

См

V 1 =16,8-10 7 См ; V3=336.10 -7 См ;

V5 = 5,6-10 -7 См.

При обработке экспериментальных данных принималось, что составы имеют различные зна­чения эквивалентных радиусов пор R0, А значе­ния капиллярной пористости Є Для них одина­ковы.

При обследовании поверхности бетона, че­рез которую происходит фильтрация (в потерне), выполняется определение координат точек об­следования, а также устанавливаются статисти­ческие характеристики, определяющие плотность распределения повреждений по размерам. Сте­пень поврежденности косвенно может опреде­ляться по толщине карбонатных отложений, а



Затем уточняется по результатам испытаний. Об­разцы для испытаний высверливаются в точках с различной степенью поврежденности и на непо­врежденном участке (в качестве эталона). Испы­таниями в лабораторных условиях устанавлива­ются значения Вi И соответствующие им значе­ния Rb, kф1. Значения С 1 и С 2 являются из­вестными по данным испытаний. Далее по зна­чениям коэффициентов фильтрации и величине гидростатического напора определяются соот­ветствующие скорости фильтрации. На основе указанных данных строятся парные корреляции

Вида В -Rb ив -V. Поскольку все экспери­ментальные значения характеристик имеют есте­ственный разброс данных, возможно построение указанных зависимостей в достаточно широком интервале значений.

Ях параметра C2

DМ

Определение параметров модели по резуль­татам материалов обследования плотины имеет принципиальное отличие от описанных выше лабораторных испытаний, т. к. выполняется при одном фиксированном значении времени. Впол­не очевидно, что одновременное определение значений F(V) И А Возможно только по экс­периментальным данным, как минимум, для двух значений времени, либо при известных значени -

R02

, поскольку значения парамет -

Ра 2 определяется достаточно просто.

Цm0

Рассмотрим возможность эксперименталь­ного определения параметра с?(T2Д где T2 -Значение времени, отстоящего достаточно далеко от точки T1, соответствующей времени натурного

Обследования плотины. Воспользуемся представ­лениями об индексе кислотного выщелачивания [6]. Многочисленными экспериментальными ис­следованиями доказано, что одинаковым значе­ниям индекса J = Ct Соответствуют одинако­вые значения В Независимо от соотношения значений C И T . Поэтому, если выполняются экспериментальные исследования на образце с известным значением с?(/,T 1 ) при заданной скорости фильтрации V, При концентрации рас­твора И продолжительности испытаний At,

At. Соответственно

Ч =

То указанное равноценно продолжительности протекания процесса в натурных условиях

CЭ

(12)

T2=T1+ C ЭAt.

C

Пусть значение C Э = 50, а продолжи­тельность испытаний АT = 3мес, то соответст­венно AtН =150 мес. Очевидно, что точка T2

Удалена достаточно далеко от T1 И при достаточ­но большом промежуточном числе измерений можно обеспечить приемлемую величину стати­стической погрешности.

Укажем, что для удобства проведения экс­перимента в качестве раствора может быть ис­пользована дистиллированная вода [4]. В этом случае зависимость (12) может быть представле­на в виде:

(13)

T2=T 1+°DC -C 2 D )

Где Dd, CE, C2D - Коэффициент диффузии дистиллированной воды, растворимость и кон­центрация гидроксида кальция в точке X = £.

В процессе экспериментов определяется значение 6i(Ц2). Дальнейшая обработка ре­зультатов экспериментов выполняется аналогич­но изложенному выше. Таким образом, показано, что на основе экспериментальных данных могут быть вычислены параметры, характеризующие протекание процессов коррозии в теле плотины во времени. Статистические аспекты вопроса здесь не рассматриваются. Полученные значения функции повреждаемости для заданной точки в потерне могут быть использованы для вычисле­ния в соответствующей точке со стороны напор­ной грани плотины. В этом случае A(0) = A(Є), Что следует из граничных условий (3,4). Поэтому для определения (9(0,T ) достаточно в зависимо­сти (10)


Аналогичным образом могут быть опреде-лены значения функций повреждаемости θ, на-пример, в сечениях ниже уровня потерны. В этом случае определяется по высотным отметкам гид-равлический градиент скорости фильтрации, а значения концентраций со стороны напорной грани и нижнего бьефа принимаются соответст -

Венно равными C1 и C2H (по опытным дан -

Ным). Здесь дополнительно учитывается, что распределение зон с дефектами аналогично дру-гим участкам плотины.

Вышеуказанные материалы могут быть также использованы для оценки надежности пло-тины в целом, для чего требуется дополнительно определить распределение кустов повреждений по размерам и степени снижения прочности. Оп-ределение осуществляется на достаточно пред-ставительной по размерам площади. Далее с ис-пользованием метода Монте-Карло определяют-ся различные варианты распределения кустов по сечению плотины. Для каждого варианта распре-деления кустов выполняются расчеты прочности и соответственно надежности плотины.

Из изложенных основных положений пред-ложенной методики следует ее перспективность и целесообразность проведения натурного обсле-дования плотины Днестровской ГЭС-1 в полном объеме. Указанное позволило бы существенно уточнить действующие ведомственные докумен-ты (РД 153 – 34.2 – 21.545 - 2003) в части оценки технического состояния плотины или отдельных ее элементов, прогнозирования долговечности и надежности, обеспечения своевременного прове-дения работ по ремонту или усилению.

Представляется, что на основании опыта натурных обследований плотин ГЭС в дальней-шем целесообразна разработка соответствующе-го ведомственного руководящего документа.

Выводы

1. Разработана полуэмпирическая мо-дель, позволяющая выполнять прогноз степени повреждаемости (прочности) во времени для оценки надежности плотины как в локальных точках, так и для всего сооружения.

2. Модель позволяет оценивать степень поврежденности бетона по данным испытанийобразцов, отобранных в потерне, как у напор-ной грани плотины, так и под потерной.

3. Модель может быть использована для оценки технического состояния плотин ГЭС при их обследовании и создания системы мониторин-га, для чего следует провести соответствующие натурные обследования в полном объеме на од-ной из плотин ГЭС Украины.

Литература

1. Садович_А._М., Шляхтина_Т._Ф., Соловьева_З._И. Особенности коррозионных процессов, протекающих в бетоне напорного фронта плотины Братской ГЭС// Долговечность и защита конструкций от коррозии: Материалы междун. конф. 25 – 27 мая 1999г. – М., 1999. – С. 264-271.

2. CTB (197): New Approach to Durability an example for carbonation induced corrosion (No. 2398), Comite Euro-International du Beton, Lausanne.

3. Файвусович_А._С., Левадная_С._И., Снисаренко_В._И. Особенности коррозионных процессов в бетоне плотин ГЭС// Нові технології в будівництві, №1 (9). 2005. Київ. – С. 3-9.

4. Tingchehg Jan, Chunhua Lu, Zhiren Wu, Ronggui Lin Durability of Pre-stressed concrete Structure Suffering from Chloride Ions.// Interna­tional Journal of Nonlinew Science. Vol. 5(2008). No2. pp. 184-192.

5. Беглецов_В._В., Левадная_С._И., Снисаренко_В._И., Файвусович_А._С. Коррози-онные повреждения плотины Днестровской ГЭС.// Сб. Строительное производство. – Киев, НИИСП, 2007. – Вып.48. – С. 66-71.

6. Гусев_Б._В., Файвусович_А._С. По-строение математической теории процессов кор-розии бетона.// Строительные материалы. – М., С. 38-41.

7. Lifecon Deliverable В 3.2. Service Life Models. Sascha Lay, Peter SchieЯl. Projekt funded by the European Commynity under the Competitive and Sustainable В..Г..Есипов; Ю..Е..Зубко; Е..И..Зубко, к. ф-м. н.; А. С. Гриценко, к. э.н.

Похожие статьи