Analiza porównawcza pracy najwyższych sekcji zapory w Zatoniu w świetle wyników obserwacji i modelowania komputerowego.pdf

XIV Konferencja Naukowa - Korbielów' 2002

"Metody Komputerowe w Projektowaniu i Analizie Konstrukcji Hydrotechnicznych"

Analiza porównawcza pracy najwyższych sekcji zapory

w Zatoniu w świetle wyników obserwacji

i modelowania komputerowego

Włodzisław Hrabowski 1

Aleksander Urbański 2

Joanna Konwerska-Hrabowska 1

1. WSTĘP

Streszczenie

W roku 1998,podczas wizji lokalnej, zauważono rysy i spękania pojawiające się na

skosach i filarach najwyższych sekcji zapory w Zatoniu, zbudowanej w latach 1963-66 [1].

Należało stwierdzić przyczynę powstałych spękań celem określenia stopnia zagrożenia kon-

strukcji i podjęcia odpowiednich kroków zabezpieczających. Zamodelowano [2] najwyższe

sekcje zapory w przestrzeni 2D i przeprowadzono obliczenia - przy użyciu programu

Z_SOILv.5.70 [3]. Podstawowym wynikiem przeprowadzonej analizy numerycznej jest wy-

kazanie, że obserwowane spękania szwów roboczych w skosach głowicy sekcji są wynikiem

naprężeń rozciągających pochodzenia termicznego. Wynikający stąd wniosek praktyczny to

zalecenie podjęcia prac remontowych uwzględniających fakt wytworzenia się dylatacji ter-

micznych i konieczność zabezpieczenia betonów przed dalszą degradacją.

2. WPROWADZENIE

Zapora ZATONIE znajduje się w na pograniczu Polski, Czech i Niemiec, na przedpolu

gór Izerskich. Zbiornik w Zatoniu, powstał w roku 1966 jako zbiornik retencyjny

w głównym systemie zasilania w wodę elektrowni cieplnych Turów, Hirschwelde

i Berzdorf. Powierzchnia zbiornika wynosi ca. 32 ha, a pojemność ponad 2 mln m 3 .

Zapora zlokalizowana jest w głębokim jarze, w podłożu występują granito-gnejsy zawidow-

skie i rumburskie. Zapora jest typu betonowego, oszczędnościowa, filarowa, z nachyloną

ścianą odwodną i posiada następujące parametry: rzędna piętrzenia 303,00 npm,

_________________________________________

Dr inż. Aleksander Urbański - Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Krakowska - ul. Warszawska 24,

31-155 Kraków (POLSKA); tel/fax: (48-1033)-12-632 60 36; e-mail: aurbansk@usk.pk.edu.pl

121

Doc dr inż. Włodzislaw Hrabowski i dr inż Joanna Konwerska-Hrabowska - f-ma "HRABOWSKI" – Projekto

wanie, Ekspertyzy - ul. Wilanowska 10 m 13, 00-422 Warszawa (POLSKA); tel/fax: (48-1033)-22-629 91 08;

e-mail: hrabowskiekspert@poczta.onet.pl ;

max. wysokość piętrzenia 34,5m; nachylenie ściany odwodnej i filara: 1:0,45 (p.rys.2);

całkowita długość zapory: 306,0m. Konstrukcję zapory podzielono na 12 zasadniczych sek-

cji po 12m każda; 6 sekcji przejściowych o łącznej długości – 75m i 5 sekcji ekranu

uszczelniającego.

Rys. 1 - Widok zapory Zatonie od strony dolnej wody.

Ścianę piętrzącą zapory na całej jej wysokości zazbrojono gęstą siatką z prętów

zbrojeniowych, przeciwdziałającą skurczom termicznym, a szew fundamentowy każdej sek-

cji zazbrojono rusztem z prętów zbrojeniowych, chroniącym fundament przed pęknięciami

wywołanymi dopasowaniem się podłoża do obciążeń i ścięciem odpowietrznej krawędzi że-

bra podpierającego ścianę piętrzącą przez siły wywołane odporem gruntu.

Sekcja 7 (jedna z dwóch najwyższych) pokazana jest w aksonometrii na rys.2

Rys. 2 - Rzut aksonometryczny sekcji 7.

122

W ubiegłym roku (po 34 latach eksploatacji) zaobserwowano rysy i pęknięcia betonu

i szwów roboczych w skosach głowic najwyższych sekcji zapory (rys.3). Sygnałem

pojawienia się rys były ślady tlenków wapnia występujące wzdłuż pionowych szwów

roboczych i w rysach stanowiących ich przedłużenie w betonach niżej położonych bloków.

Po zauważeniu pierwszej rysy późną jesienią 1998 roku zarządzono inwentaryzację rys i ba-

danie betonów. Przeprowadzona w 2000 r. inwentaryzacja rys wykazała ich występowanie

we wszystkich wyższych sekcjach zapory, głównie w rejonie skosów, łączących żebro ze

ścianą piętrzącą sekcji. Powstałe w blokach betonowych rysy były inicjowane głównie w

miejscach połączeń pionowych i poziomych szwów roboczych. Odwierty próbek betonu z

pionowych szwów roboczych wykazały rozwartość szwów. Powierzchnie rozdzielonych

rdzeni próbek były stosunkowo gładkie i nie stwierdzono większych śladów wzajemnego

powiązania bloków. Odwierty wykonane w miejscach występowania rys w żebrach, wy-

kazały że betony do głębokości 10 – 15cm uległy rozdzieleniu .Próbki wyjęte z głębokości

od 15 do 50cm – zachowywały swą całość, choć widać było ślad rysy. Na przełomach

rdzeni wewnątrz korpusu żebra widać było ślady rys, ale nie stwierdzono zmian w barwie

betonu. Inwentaryzacja rys na obu bocznych płaszczyznach żebra, poza rejonem pionowych

rys roboczych, nie wskazywała na równoległość ich występowania. We wrześniu 2000 roku

- na pionowych i poziomych szwach roboczych i towarzyszących im rysach założono 16

szklanych płytek kontrolnych. W grudniu 2001 roku stwierdzono pęknięcia 4 płytek na

pionowych szwach roboczych, nie stwierdzono wzajemnych przemieszczeń pękniętych pły-

tek. Istotnym dla dalszego postępowania było zdiagnozowanie przyczyny zaobserwowa-

nych, niepokojących zjawisk. Należało stwierdzić przyczynę powstałych spękań celem

określenia stopnia zagrożenia konstrukcji i podjęcia odpowiednich kroków zabezpiecza-

jących.

3. MODEL NUMERYCZNY NAJWYŻSZYCH SEKCJI ZAPORY

Zamodelowano najwyższe sekcje zapory (sekcja 6 i 7) w przestrzeni 2D

i przeprowadzono obliczenia - przy użyciu programu Z_SOILv.5.70 [3] - w dwóch

wariantach:

 Powtórzono obliczenia tak jak przeprowadzano je w fazie projektowania zapory -

w latach 60-tych, tj. bez uwzględniania naprężeń termicznych, zgodnie z

przyjętymi wówczas zasadami obliczeń (p. rys.7a).

 Wykonano obliczenia przy uwzględnieniu nieustalonego pola termicznego, otrzy-

manego na podstawie wieloletnich pomiarów temperaturowych, przeprowadzanych

w wielu miejscach zapory (p. rys. 7b)

123

Rys. 3 - Przykład zaobserwowanych rys.

Dane geometryczne badanych przekrojów wprowadzono w oparciu o rysunki konstruk-

cyjne, a podział przekroju na elementy sieci przeprowadzono w oparciu o system obli-

czeniowy programu Z-SOIL.

Obliczenia poprzedzono przeprowadzeniem dokładnej analizy pracy zapory pod

względem obciążeń, danych materiałowych, danych dotyczących filtracji oraz danych tem-

peraturowych wynikających z wieloletnich obserwacji.

Rys. 4 - Podział na strefy materiałowe i siatka MES.

124

Wydzielono 12 stref materiałowych i dla każdej z tych stref wyspecyfikowano

wszystkie niezbędne dane dla przeprowadzenia obliczeń. Podział na strefy materiałowe dla

sekcji 6 (z widocznym wstępnym podziałem na elementy sieci MES) pokazano na rys.4

Do obliczeń przyjęto liniowo-sprężysty model materiału z ustalonymi danymi mate-

riałowymi. W analizie uwzględniono wstępny stan mechaniczny układu jako pochodzący

od oddziaływania: - sił ciężkości i pola ciśnień porowych. Zgodnie z zaobserwowanym ter-

micznym reżimem pracy zapory latem – korpus zapory przechyla się w stronę zbiornika, a

zimą w kierunku wody dolnej.

Analizę wpływu odkształceń termicznych wykonano jako analizę przyrostową dzieląc

okres obliczeniowy (1 rok) na skończoną liczbę kroków (36), po 10 dni każdy.

Naprężenia panujące w korpusie i podłożu poszczególnych sekcji są zatem wynikiem

działania obciążenia grawitacyjnego, parcia wody, obciążenia filtracyjnego i termicznego.

W kolejnych trzech etapach analizy rozwiązywane były następujące problemy:

 Problem termiczny;

 Problem filtracji;

 Problem mechaniczny.

3.1. Problem termiczny

Rozwiązywano zagadnienie nieustalonego rozkładu temperatury w dwuwymiarowym

obszarze żebra (równanie Fouriera) przy uwzględnieniu pomierzonych na obiekcie tempera-

tur, zadawanych jako zmienny w czasie warunek brzegowy postawiony w punktach po-

miarowych. Temperatury betonu były mierzone na poziomie 2,5 m nad szwem fundamen-

towym zapory, na całej powierzchni począwszy od ściany piętrzącej, (1 m od wody w zbior-

niku) do odpowietrznej krawędzi żebra. Pomiary wykonywano tensometrami oporowymi

firmy HUGGENBERGER . temperatury wody mierzono pod powierzchnią zwierciadła

wody w zbiorniku, a jako temperaturę panującą na dnie zbiornika przyjmowano temperaturę

betonu fundamentu od strony zbiornika. W zbiorniku nie występuje termoklina, więc

przyjęto liniowy rozkład zmian temperatury pomiędzy punktem położonym pod powierzch-

nią wody w zbiorniku a dnem zbiornika. Temperatury powietrza na zewnątrz sekcji zapory

mierzono w sposób ciągły, w trakcie pomiarów przemieszczeń.

Zmienność w czasie zadanych temperatur w każdym z punktów i opisana jest zależnością,

sformułowaną w oparciu o wieloletnie obserwacje sinusoidalnego (1) przebiegu rocznych

zmian temperatur:

i  



)



 







cos













;

[

dni

]

(1)

365

125



(





Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: