Problems of safety of Boguchansk rockfill dam (under final construction) with liquid type asphalt concrete core are considered

1. Safety problem of rockfill dam of Boguchansk HPP
Проблема безопасности каменнонабросной
плотины Богучанской ГЭС
Lyapichev Yu., Prof., (PFUR), Dc.(Sc.), member of ICOLD,
international consultant on dams
Ляпичев Ю.П., проф. (РУДН), д.т.н., член СИГБ,
международный консультант по плотинам

2. 1. Схематичный генлан Богучанской ГЭС (3000MW)
2. Вид с НБ на станционную и водосливную плотину (09.2009)

3. 3. Вид с ВБ левого берега на станционную, водосливную и
каменно-набросную плотины Богучанской ГЭС (09. 2009)
4. Вид с ВБ правого берега на станционную, водосливную и
каменно-набросную плотины Богучанской ГЭС (09. 2009)

4. 5. 1-я очередь строительства Богучанской КНП с диафрагмой из
укатанного АФБ (был принят до 2007 г.)
1 – укатанная диафрагма (t=20 cм); 2 – переходная зона b=1,5 м из щебня
d=0,5-100 мм, уплотненного слоями по 20 cм; 3 - переходная зона b=2 м из
щебня d=5-300 мм, уплотненного слоями по 40 см; 4a – камень долеритов d=5-
600 мм, уплотненного слоями по 100 cм; 4b - камень долеритов d=5-1000 мм,
уплотненного слоями по 200 см; 4c – существующая каменная наброска,
уплотненная в зоне 4a; 5 – крепление крупным камнем (Dср=600 мм); 6 –
переходная зона каменной наброски; 7 – уплотненная гравелистая морена; 8 –
понур из уплотненной супеси; 9 – песчано-гравелистый фильтр; 10 –
дополнительная каменная наброска
6. Профиль 2-й очереди строительства Богучанской КНП с
диафрагмой опыта из литого АФБ (был принят после 2007)

5. 7. Типовые сечения 1-й и 2-й очередей строительства
Богучанской КНП (готовность профиля на начало 2007 г.)
8. Сопряжение диафрагмы с контрольно-цементационной галереей:
1 - литая диафрагма; 2 - галерея; 3 - переходные зоны из крупного щебня (до
200 мм); 4 - контрольная дренажная трубка; 5 - гравелистая морена (Усть-
Кут); 6 - понур из супеси; 7 - гравий; 8 - переходная зона из горной массы; 9 -
каменная наброска

6. 9. Вид на КНП с правого берега (09.2009)
10. Монтаж стальной опалубки для заливки литого АФБ (09.2009)

7. 11. Опережающая отсыпка каменной наброски и переходных зон
• Slide 7. Advanced filling of rockfill zones and coarse transition zones
12. Отсыпка камня вместо мелкой щебенки в низовой фильтр (09.2008)

8. 13. Выемка в раскрытом контакте диафрагма-бетонная секция
14. Колодец (D=1 м) с битумной мастикой в раскрытом контакте
диафрагма-бетон (08.2008), позднее колодец был залит водой

9. 15. Сравнение натурных и расчетных перемещений и деформаций в
укатанной диафрагме КНП Гросс Дюн (Германия)
0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 180.00 200.00 220.00
0.00
20.00
40.00
Вертикальные нормальные напряжения (t/м2
) в плотине в конце строительства
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения в диафрагме в конце строительства:
1, 2 – расчетные перемещения (dx) и (dy) в cм; 3 – натурные перемещения (dy) в cм
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%) по высоте
диафрагмы после наполнения ВБ:
1, 2 - расчетные деформации (eps-y) и (eps-x); 3 - натурные деформации (eps-x)
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения в диафрагме после наполнения ВБ:
1, 2 - calculated displacements (dx) and (dy) (cm); 3 - observed displacements (dy) (cm)

10. 16. Сравнение натурных и расчетных перемещений и деформаций
в укатанной диафрагме КНП Сторватн (Норвегия)
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения в диафрагме:
1, 2 - (dx) и (dy) в конце строительства; 3, 4 - (dx) и (dy) после наполнения ВБ
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) расчетные деформации (%) в диафрагме:
1, 2 – (eps-x) и (eps-y) в конце строительства; 3, 4 - (eps-x) и (eps-y) после наполнения ВБ
Горизонтальные расчетные перемещения (м) в КНП после наполнения ВБ
Натурные перемещения (масштаб в м) КНП к октябрю 1986

11. 17. Расчетные перемещения и деформации в литой диафрагме
Богучанской КНП
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения (cм) по высоте диафрагмы:
1, 2 - (dx), (dy) при хорошо уплотненных переходных зонах в конце строительства;
3, 4 - (dx), (dy) при плохо уплотненных переходных зонах в конце строительства;
5, 6 - (dx), (dy) при плохо уплотненных переходных зонах после наполнения ВБ
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%) по высоте диафрагмы:
1, 2 - (eps-x), (eps-y) при хорошо уплотненных переходных зонах в конце строительства;
3, 4 - (eps-x), (eps-y) при плохо уплотненных переходных зонах в конце строительства;
5, 6 - (eps-x), (eps-y) при плохо уплотненных переходных зонах после наполнения ВБ

12. 18. Расчетные перемещения и деформации в укатанной
диафрагме Богучанской КНП
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения (cм) по высоте диафрагмы:
: 1, 2 - (dx), (dy) в конце строительства; 3, 4 - (dx), (dy) после наполнения ВБ
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации в укатанной диафрагме:
1, 2 - (eps-x), (eps-y) в конце строительства; 3, 4 - (eps-x), (eps-y) после наполнения ВБ

13. 19. Перемещения и деформации в укатанной диафрагме,
возведенной поверх существующей литой диафрагмы
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%) по высоте диафрагмы
в конце строительства без цементации соседних переходных зон
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%) по высоте диафрагмы
в конце строительства при цементации соседних переходных зон

14. 20. Результаты расчетов НДС КНП с литой и укатанной диафрагмами
(программа ADINA, модель материалов Мора-Кулона)
Вертикальные напряжения σ(z) (Па) в КНП с литой АБД в конце строительства
Вертикальные напряжения σ(z) (Па) в КНП с укатанной АБД в конце строительства
Вертикальные перемещения (м) в КНП с литой АБД в конце строительства
Вертикальные перемещения в КНП с укатанной АБД в конце строительства

15. Вертикальные напряжения σ(z) (Па) в КНП с литой АБД после наполнения ВБ
Вертикальные напряжения σ(y) (Па) в КНП с укатанной АБД после наполнения ВБ
Горизонтальные перемещения (м) в КНП с литой АБД после наполнения ВБ
Горизонтальные перемещения (м) в КНП с укатанной АБД после наполнения ВБ

16. 21. Расчет НДС КНП с укатанной диафрагмой поверх старой
литой после цементации вокруг нее переходных зон (ADINA)
Вертикальные напряжения σ(z) (Па) в КНП и диафрагме в конце строительства
Горизонтальные деформации (м) в КНП и диафрагме в конце строительства
Горизонтальные напряжения σ(y) (Па) в КНП и диафрагме после наполнения ВБ
Горизонтальные деформации (м) в КНП и диафрагме после наполнения ВБ

17. 22. Расчеты НДС КНП с литой и укатанной диафрагмами с
применением новой двухфазной модели АФБ
;)p/q(/1G2/ D1n
a
DDD
σησε −
+=
Модель поведения АФБ как двухфазной среды (заполнитель + битум):
iεq – девиатор
напряжений;
– главные деформации по осям i =1,2,3
Модель заполнителя - упругопластическая модель Кэм-Клей с изотропным упрочнением и
ассоциированным законом течения, основанная на теории критического состояния грунта,
адекватно прогнозирующая поведение грунта и учитывающая историю его нагружения.
Битум – вязкий материал, поведение которого зависит от температуры и длительности
Действия напряжений, что объясняется его коллоидной структурой. Битум характеризуется
упругим поведением при низкой температуре и кратковременном нагружении и вязким
поведением при высоких температурах и долговременном нагружении.
В качестве модели битума принята вязко-упругая модель Максвелла-Нортона, выражающая
изменения вязкости в зависимости от скорости деформации.
Модель битума может быть обобщена на трехмерную задачу в следующем виде:
Kpv /=ε
vε
D
ε
где
– тензоры скоростей объемной деформации и девиатора, p - скорость изотропного напряжен
vεvε
vε
apq / – нормализованный девиатор,D – тензор девиатора напряжений; E – модуль упругости; .
η – коэффициент динамической вязкости; n – параметр, учитывающий влияние скорости
нагружения на вязкость. Параметры E и получают из опытных данных.
Параметры вязкости , получают из опытов с разными скоростями деформации. Модули
объемной деформации и сдвига получают из трехосных опытов на релаксацию напряжений
или из тех же опытов с постоянной скоростью деформации.

18. 23. Напряжения и деформации в битуме и заполнителе литой и
укатанной диафрагм в расчетах с двухфазной моделью АФБ
Горизонтальные (sigm-x) и вертикальные (sigm-y) напряжения (МПа) по высоте диафрагмы
из укатанного (А) и литого АФБ (B) Богучанской плотины в конце ее строительства:
1 – напряжения в битуме; 2 – напряжения в заполнителе
Вертикальные (eps-y) и горизонтальные (eps-x) деформации (%) в укатанной (A) и литой (B)
диафрагмы в конце строительства (крайние правые линии) и наполнения ВБ (крайние левые)
Вертикальные (sigm-y) и горизонтальные (sigm-x) напряжения (т/кв.м) по высоте
диафрагмы из укатанного (A) и литого (B) АФБ после наполнения ВБ:
1 – напряжения в битуме; 2 - напряжения в заполнителе; q - девиатор
напряжений; W - давление ВБ

19. 24. Результаты расчетов статической и сейсмической
устойчивости откосов Богучанской КНП с учетом переменности
прочности на сдвиг камня по зависимости: τ =1.1σ 0.87

20. 25. Сравнение поведения диафрагмы из укатанного
и литого АБ в Богучанской КНП
1. Литая диафрагма, в отличие от укатанной, к концу
строительства становится подвижной (коэффициент
бокового давлений в ней достигает 0,9). Высокие
растягивающие деформации в литой диафрагме
(диафрагма сильно расширяется в обе стороны)
создают опасность образования в ней трещин перед
наполнением ВБ и выдавливания битума в крупные
поры низовой переходной зоны.
2. В литой диафрагме горизонтальные деформации в
конце строительства и наполнения ВБ всегда
высокие растягивающие, что приводит к потере ее
герметичности. В укатанной диафрагме эти
деформации всегда сжимающие, что гарантирует ее
герметичность к концу наполнения ВБ. К концу
строительства укатанной диафрагмы поверх литой
литая диафрагма остается растянутой, что создает
опасность потери ее герметичности и раскрытия шва
между плитой и укатанной диафрагмой.
3. Плотная цементация крупнозернистой переходной
зоны приведет к заметному улучшению НДС литой
части диафрагмы. Зацементированные переходные
зоны работают как жесткая обойма, препятствующая
боковому расширению литой части диафрагмы.
4. Горизонтальные деформации в обеих диафрагмах
различные вследствие их разной объемной
сжимаемости. В литой диафрагме эти деформации
всегда растягивающие вследствие чего эта
диафрагма оказывает большой горизонтальный
распор на переходные зоны. В укатанной диафрагме
горизонтальные деформации незначительны, что
соответствует ее стабильному состоянию.
5. Расчеты показали намного более благоприятное НДС
укатанной диафрагмы по сравнению с литой,
доказывая необходимость изменения проекта КНП и
перехода с литой диафрагмы на укатанную.

21. 25. Основные замечания по проекту КНП
1. В нижней (14 м) части литой диафрагмы отсутствует
контроль ее состояния и герметичности вследствие
опирания диафрагмы на отдельную бетонную
плиту, а не на седловидное углубление в
перекрытии контрольно-цементационной галереи,
как это принято проектах подобных крупных плотин.
2. Вследствие отсутствия цементационной завесы под
опорной плитой диафрагмы на нее будет
действовать фильтрационное давление ВБ (сама
цемзавеса устроена под цементационной галереей).
Отсутствие уплотнения в шве между опорной
плитой диафрагмы и этой галереей может привести
к фильтрации через этот шов.
3. Вместо устройства глинистого понура на
поверхности морены (Усть-Кут) с низовой стороны
нижней части литой диафрагмы необходимо было
устроить короткую (высотой 15 м) противо-
фильтрационную траншейную стенку для контроля
фильтрации в нижней части диафрагмы.
4. Арочное очертание диафрагмы и плотины в плане
не создаст продольного сжатия диафрагмы, а лишь
приводит к удорожанию плотины, как показывает
последний опыт строительства подобных плотин.
5. Сопряжение (контакт) диафрагмы с вертикальной
гладкой бетонной стенкой плотины запроектирован
без устройства в этой стенке широкого углубления
для опирания диафрагмы и контрольной шахты
внутри стенки с короткими подходными штольнями
к контактной поверхности диафрагмы.
6. Без этих мероприятий плоский вертикальный контакт
диафрагмы с бетонной стенкой станет местом
неконтролируемой опасной фильтрации, как это уже
произошло в июле 2008 при минимальном напоре и
может повториться в угрожающих масштабах при
наполнении ВБ с возможным размывом КНП.

22. 27. Основные рекомендации по проекту КНП
1. Для обеспечения безопасности Богучанской КНП ее
проект должен быть изменен и ее строительство
продолжено на основе использования технологии
укатанной диафрагмы и соседних переходных зон.
2. Для предотвращений бокового расширения нижней
части литой диафрагмы ее соседние переходные
зоны должны быть плотно зацементированы
(забетонированы). Это должно обеспечить плотный
контакт между литой частью диафрагмы и
соседними переходными зонами из крупного щебня
и предотвратит раскрытие контакта. Важно
предотвратить боковое растекание цементацион-
ного раствора в переходные зоны. Эти меры также
обеспечат водонепроницаемость нижней части
литой диафрагмы при отсутствии ее контроля.
3. Для предотвращения раскрытия контакта
(примыкания) литой и укатанной частей диафрагмы
к вертикальной бетонной секции плотины с низовой
стороны диафрагмы следует выполнить бетонную
шахту для контроля состояния контакта и
возможного его ремонта.
4. Учитывая очень суровый климат на стройплощадке
(-500
C зимой) и короткий строительный сезон (до 6
месяцев) предпочтительно повысить содержание в
укатанном АБ битума до (7-7.5 %) с низкой
вязкостью B180. Это увеличит самозалечи-
ваемость микротрещин в АБ и понизит температуру
разогрева АБ при его укладке в диафрагму.
5. Сильное опережение отсыпки боковых зон камня по
сравнению с поверхностью диафрагмы и
переходных зон может привести к подъему
поверхности диафрагмы или ее разуплотнению.
Поэтому это опережение не должно превышать 3 м.
6. Сейсмическая устойчивость крутых откосов КНП с
заложением 1.4 может быть обеспечена при
условии интенсивной виброукатки верховой и
низовой зон камня и отсыпки на оба откоса слоя
антисейсмической пригрузки из крупного отборного
камня толщиной до 10 м.

23. КНП Romaine (109 м, Канада), строящаяся за полярным кругом
Lйgende
Matйriaux granulaire Enrochement compactй
Matйriaux granulaire Enrochement sйlectionnй, compactй
Enrochement dйversй Coussin de perrй
Enrochement traitй ou pierre concassйe, compactй Enrochement traitй, placй
Enrochement sйlectionnй, compactй Pierre concassйe, compactйe
Enrochement traitй ou pierre concassйe, dйversй Bйton bitumineux, compactй
Pierre concassйe, compactйe Mort-terrain
Enrochement traitй ou pierre concassйe, compactй Roc
Enrochement compactй
e-type
Hauteur maximale
(m)
Longueur
en crкte (m)
Largeur
en crкte (m) Volume (m
hement avec noyau asphaltique 109 496 9 4 436 693
hement avec gйomembrane partiellement intйgrй au barrage 34 230 15,5 365 000
sifs d'enrochement avec coupure par injection а haute
ie
10 129 9 56 000
hement avec noyau asphaltique 31 144 7,5 83 283
hement avec noyau asphaltique 26 115 7,5 69 935
de bйton 4 30 n/a 600
hement avec noyau asphaltique 45 728 7,5 709 475
hement avec noyau asphaltique 38 407 7,5 208 820

24. Технология строительства уплотняемых диафрагм
. Схема АФБ-укладчика фирмы Коло Вейдекке (Норвегия)
Механизированный комплекс по укладке диафрагмы:
1 – бункер битума; 2 – бункер фильтров; 3 – предварительное уплотнение АФБ; 4 – начальное
уплотнение фильтров; 5 – контейнер для перевозки битума; 6 – машина-пылесос; 7 – инфракрасный
нагреватель; 8 – экскаватор для подачи фильтра

26. Керны (длиной по 0.5 м) из диафрагмы КНП
(без следов швов между слоями укатки АФБ)
Образцы для контроля пористости АФБ в диафрагме КНП

27. Испытания образцов укатанного АФБ на
самозалечиваемость трещин
0.01
0.1
1
10
100
1000
0 20 40 60 80 100
Time (Hour)
Seepage(mL/min)
0.4 MPa(1)
0.4 MPa(2)
0.4 MPa(3)
0.7 MPa