Safety problems of Boguchansk rockfill & HPP concrete dams (in Russian) are presented for HydroVision-Russia 2011

1. General schemed lay-out of the Boruchansk HPP (3000 MW)

2. Slide 1: General schemed lay-out of the Boruchansk HPP (3000 MW)
Slide 2: HPP and spillway dams view (August 2003)

4. Типовые разрезы Богучанской КНП и объемы выполненных и
предстоящих работ
Сопряжение литой диафрагмы с контрольно-цементационной
галереей в основании:
1 - литая диафрагма; 2 - галерея; 3 - переходные зоны из щебня (до 200 мм); 4
- контрольная дренажная трубка; 5 - гравелистая морена;6 - понур из супеси; 7
- гравий; 8 - переходная зона из горной массы; 9 - каменная наброска

6. ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ ПРОЕКТА ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ
(не связанные с диафрагмой из литого АФБ):
• 1. Отсутствует контроль состояния нижней части диафрагмы
ниже отм. 145.0 вследствие ее опирания не на седловидное
перекрытие контрольно-цементационной галереи, как это
принято в таких плотинах, а на отдельную бетонную плиту.
• 2. В связи с тем, что цемзавеса устраивается в основании
галереи, а не в опорной плите диафрагмы давление ВБ будет
подведено к ее основанию, что при отсутствии уплотнений
шва между блоком галереи и бетонной плитой диафрагмы
может привести к опасной фильтрации через этот шов.
• 3. Вместо глинистого низового понура в зоне Усть-Кута надо
было устроить короткую (немного выше УНБ) низовую
диафрагму или стенку-завесу для отсечения давления НБ и
контроля состояния нижней части диафрагмы. Такое решение
принимают в крупных плотинах при высоком уровне НБ.
• 4. Арочность этой плотины в плане лишь увеличивает ее
стоимость и не приводит к появлению заметного продольного
сжатия диафрагмы, что подтверждает современный опыт
проектирования и строительства подобных крупных плотин.
• 5. Примыкание диафрагмы к вертикальной стенке бетонной
плотины (уклон 20:1) без устройства в ней опорного
углубления и отсутствия контроля контакта АФБ-бетон через
контрольную шахту в бетонной стенке, как и в случае нижнего
опирания диафрагмы (п. 1), является местом раскрытия
контакта (уже произошло) и последующей бесконтрольной
контактной фильтрации диафрагмы.

7. Slide 7: Сравнение натурных и расчетных перемещений и деформаций в
укатанной диафрагме плотины 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 (т/м2
) в конце строительства
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения по высоте диафрагмы к концу
строительства: 1, 2 – расчетные (dx) and (dy) (см); 3 - натурные (dy) (см)
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%) по высоте диафрагмы к
концу строительства:1, 2 - расчетные (eps-y) и (eps-x); 3 - натурные (eps-x)
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения по высоте диафрагмы после наполнения ВБ:
1, 2 – расчетные (dx) и (dy) (cм); 3 - натурные (dy) (cм)

8. Slide 8: Сравнение натурных и расчетных перемещений и деформаций в
укатанной диафрагме плотины Сторватн (Норвегия)
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) расчетные перемещения (см) по
высоте ядра: 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 (%) по высоте ядра:
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 плотине после наполнения ВБ
Натурные перемещения (масштаб в м) плотины к октябрю 1986

9. Slide 9: Расчетные перемещения и деформации в литой диафрагме
Богучанской КНП (Россия)
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения (cм) по высоте
диафрагмы:
1, 2 - (dx), (dy) при хорошо уплотненных переходных зонах к концу
строительства;
3, 4 - (dx), (dy) при плохо уплотненных переходных зонах к концу
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 к концу строительства;
3, 4 - (eps-x), (eps-y) при плохо уплотненных переходных зонах к концу строительства;
5, 6 - (eps-x), (eps-y) при плохо уплотненных переходных зонах после наполнения ВБ

10. Slide 10: Расчетные перемещения и деформации в укатанной диафрагме
Богучанской КНП
Горизонтальные (dx) и вертикальные (dy) перемещения (см по высоте диафрагмы:
1, 2 - (dx), (dy) к концу строительства; 3, 4 - (dx), (dy) после наполнения ВБ
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%) по высоте ядра:
1, 2 - (eps-x), (eps-y) - в конце строительства; 3, 4 - (eps-x), (eps-y) - после наполнения ВБ

11. Slide 11: Расчетные деформации в укатанной диафрагме, возведенной
поверх существующей литой диафрагмы Богучанской КНП
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%) по высоте диафрагмы
в конце строительства без цементации переходных зон вокруг литой диафрагмы
Горизонтальные (eps-x) и вертикальные (eps-y) деформации (%)по высоте диафрагмы
в конце строительства после цементации переходных зон

12. Полные горизонтальные деформации по Y в диафрагме
(укатанная АБД на литой).
Полные горизонтальные деформации в диафрагме по Y
(укатанная АБД на литой с цементированными
переходными зонами).

13. Модель поведения АФБ как 2-х фазной среды (заполнитель
+ битум).
q - девиатор напряжений; - главные деформации по осям i=1,2,3;
- скорость главных деформаций; - объемная деформация; e -
коэффициент начальной пористости; 1, 2, 3 - № опытов
iεiεiε
iε
1ε vε
Модель точно описывает поведение АФБ:
можно определить не только полные напряжения и деформации,
но и напряжения и деформации каждой фазы, что позволяет
понять особенности поведения АФБ.
Чем больше насыщенность АФБ битумом, тем ниже
сжимаемость битума, выше в нем напряжения и
ниже эффективные напряжения в заполнителе.

14. Новая 2-х фазная вязко-упруго-пластическая
модель асфальтобетона (АФБ)
• АФБ является 3-хфазным материалом, который состоит из твердой и
жидкой фаз, соответственно, заполнителя и битума (6-10%) и
небольшого количества воздушных пор (до 2-2,5%).
• Для описания поведения твердой фазы (заполнителя) была
использована упругопластическая модель Кэм-Клей с изотропным
упрочнением, эллиптической поверхностью нагружения и
ассоциированным законом течения. Она адекватно прогнозирует
дилатанцию несвязного грунта, учитывает траекторию его нагружения.
• В качестве модели жидкой фазы (битума) принята вязко-упругая
модель Максвелла-Нортона, выражающая изменения вязкости битума
в зависимости от скорости деформации. Новая модель битума была
проверена на опытных данных и получено соответствие между
данными расчетов и опытов.
• Битум является термопластичным и вязким материалом, поведение
которого зависит от его температуры, продолжительности и скорости
нагружения, что объясняется его коллоидной структурой. Битум
характеризуется упругим поведением при низкой температуре и (или)
кратковременном нагружении и вязким поведением при высоких
температурах и (или) длительном нагружении. В качестве модели
битума принята вязко-упругая модель Максвелла-Нортона,
выражающая изменения вязкости в зависимости от скорости
деформации. Модель в одномерной задаче представлена пружиной,
характеризующей упругое поведение с нелинейным амортизатором,
описывающим вязкое поведение, что соответствует уравнению:
•
где Е – модуль упругости, η – коэффициент динамической вязкости, n –
параметр, характеризующий влияние скорости нагружения на вязкость.
Параметры Е и η получаются из опытных данных. Модель может быть
обобщена на трехмерную задачу в следующем виде:
•
где εv и εD – соответственно, тензоры скоростей объемной
деформации и девиатора деформаций, р – скорость изотропного
напряжения, q/pa – нормализованный девиатор, σD – тензор девиатора
напряжений. Параметры вязкости 1/ηD и n можно получить в опытах
при разных скоростях деформации. Объемную вязкость можно
учитывать при необходимости. Упругие модули K (объемной
деформации) и G (сдвига) получают из опытов на релаксацию
напряжений или по кривой напряжения-деформации при постоянной
скорости деформации.
•
ησσε // n
E +=
;)p/q(/1G2/ D1n
a
DDD
σησε −
+=

15. Slide 12: Расчетные напряжения и деформации в битуме и заполнителе
литой и укатанной диафрагм Богучанской КНП
Горизонтальные (sigm-x) и вертикальные (sigm-y) напряжения (МПa) по высоте укатанной (A) и
литой (B) диафрагм в конце строительства: 1 - напряжения в битуме; 2 - напряжения в заполнителе
Вертикальные (eps-y) и горизонтальные (eps-x) деформации (%) по высоте укатанной (A) и литой (В)
диафрагм в конце строительства (крайние правые кривые) и наполнения ВБ (крайние правые)
Вертикальные (sigm-y) и горизонтальные (sigm-x) напряжения (т/кв.м) по высоте диафрагмы
укатанной (A) и литой (B) после наполнения ВБ:
1 – напряжения в битуме; 2 – напряжения в заполнителе; q – девиатор напряжений;
W – линия гидростатического давления

16. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
- по характеристикам АФБ:
• 1. Лабораторные испытания АФБ с одинаковым содержанием
битума и разными грансоставами заполнителей, показывают
на необходимость выполнения критериев кривой Фуллера
для грансостава заполнителей с допустимыми отклонениями.
• 2. Для получения достоверных данных трехосные испытания
образцов АФБ следует проводить с контролируемой
скоростью осевой деформации (1% /час) при температуре
(4С).
• 3. Согласно современному опыту оптимальное содержание
битума марки 70/80 (высокой вязкости) в АФБ должно быть 6-
6,5% (по весу) для того, чтобы водонепроницаемость АФБ
была обеспечена при всех возможных нагрузках.
• 4. Полевые испытания показали, что даже с маловязким
мягким битумом (марки B180) и его высоким содержанием в
АФБ (7-7,5%), современные укладчики и виброкатки могут
успешно применяться. Однако когда содержание битума
превышает 9%, получается перенасыщенный битумом (литой)
АФБ, который невозможно уплотнить.
• 5. Деформируемость и прочность АФБ сильно зависят от его
состава и физических свойств компонентов, а также, что мало
известно, от методов уплотнения образцов.
• 6. При объемном расширении образцов АФБ (дилатанcии) в 1-
2% коэффициент их фильтрации возрастает в 1000 раз, что
вызвано образованием системы пересекающихся трещин.
Водопроницаемость возрастает, когда трещины открываются
при деформациях сдвига, близких к разрушающим (80%).

17. СРАВНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И НАТУРНЫХ ДАННЫХ НДС
ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН С УКАТАННЫМИ ДИАФРАГМАМИ:
• 1. Анализ натурных данных показывает - диафрагма из
АФБ почти не влияет на деформации соседних зон
грунта и, наоборот, деформации этих зон сильно
влияют на деформации диафрагмы, которая
упирается в соседние зоны и поэтому ее деформации
сдвига меньше зависят от расхода битума и
наполнителя, а больше от деформируемости этих зон.
• 2. Данные расчета НДС 3 крупных зарубежных плотин
с диафрагмами из укатанного АФБ, вполне соответст-
вуют их натурным данным, что указывает на
достоверность расчетов их НДС по программам NL-
STRESS и PL-STRESS c гиперболической и упруго-
пластической моделями всех материалов плотины.
• 3. Результаты расчетов НДС Богучанской грунтовой
плотины с диафрагмой из укатанного АФБ с
применением указанных моделей материалов, в
целом, соответствуют натурным данным по НДС
подобных плотин в Австрии, Германии и Норвегии.

18. ВЫВОДЫ ПО ЧИСЛЕННЫМ РАСЧЕТАМ НДС БОГУЧАНСКОЙ
ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ С ЛИТОЙ И УКАТАННОЙ ДИАФРАГМАМИ:
• 1. Литая диафрагма, в отличие от укатанной, к концу
строительства нестабильна, она сильно расширяется в обе
стороны даже при уплотненных переходных зонах,
коэффициент бокового давления АФБ достигает 0,95, в ней
возникают высокие растягивающие горизонтальные
деформации, что создает опасность нарушения ее
герметичности перед наполнением водохранилища (ВБ).
• 2. Разгрузка вертикальных напряжений в конце строительства
в основании литой диафрагмы более значительная, чем в
укатанной, что еще увеличивает опасность выдавливания
литой диафрагмы при наполнении ВБ.
• 3. Картина вертикальных и горизонтальных перемещений в
плотине и диафрагме при наполнении ВБ сильно зависит от
деформируемости (плотности) соседних переходных зон.
Недоуплотнение этих зон после наполнения ВБ приводит к
росту вдвое максимальной осадки посредине литой
диафрагмы и горизонтального перемещения ее гребня.
• 4. В диафрагме из литого АФБ возникают высокие
растягивающие горизонтальные деформации в конце
строительства и после наполнения ВБ, что может нарушить ее
сплошность. В диафрагме из укатанного АФБ горизонтальные
деформации всегда сжимающие, что гарантирует ее
герметичность после наполнения ВБ и при сейсмических
воздействиях.
• 5. Сильно опережающее возведение боковых призм может
привести к подъему верхней части диафрагмы и переходных
зон, т. е. к их возможному разуплотнению, что недопустимо.
Этот вопрос требует особого изучения после получения
данных геодезических замеров отметки гребня диафрагмы.
• 6. При достройке плотины по технологии укатанной
диафрагмы и переходных зон нижняя литая часть диафрагмы
в конце строительства остается подвижной и растянутой, что
создает опасность нарушения ее сплошности и, особенно, ее
стыка с укатанной диафрагмой перед наполнением ВБ.

19. Slide 13: Результаты расчетов устойчивости откосов КНП
при статических и сейсмических воздействиях
при постоянном расчетном угле внутреннего трения камня φ = 400

22. УСТОЙЧИВОСТЬ ОТКОСОВ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ:
• 1. При фактических геотехнических характеристиках камня
боковых призм устойчивость откосов не обеспечена при
статических и сейсмических нагрузках (7 баллов). Необходимо
увеличить относительную плотность камня при укатке до 0,9.
• 2. При проектных геотехнических характеристиках камня
боковых призм статическая и сейсмическая устойчивость
обоих откосов плотины может быть обеспечена только
условии антисейсмической пригрузки обеих откосов плотины
крупным камнем толщиной 5-10 м.
• 3. В расчетах статической и сейсмической устойчивости
откосов плотины по инженерным и численным методам
следует учитывать снижение прочности на сдвиг камня с
ростом давления, что позволяет обосновать оптимальный и
экономичный профиль плотины используя
антисейсмическую пригрузку обоих откосов крупным камнем
сохранных пород и менее сохранный камень внутри боковых
призм.
• 4. При учете этого фактора минимальные коэффициенты
запаса статической и сейсмической устойчивости откосов,
соответствующие пологим поверхностям скольжения,
возрастают в среднем на 5-10% по сравнению со случаем не
учета этого фактора, а средние коэффициенты устойчивости,
соответствующие глубоким поверхностям скольжения,
наоборот, снижаются примерно настолько же, т.е. происходит
благоприятное выравнивание коэффициентов устойчивости.

23. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЕ:
• 1. Нынешний проект грунтовой плотины с диафрагмой из
литого АФБ является недопустимым с точки зрения
безопасности плотины и несостоятельным по
технологичности и срокам ее строительства. Необходимо
отказаться от порочной концепции литой диафрагмы и
принять надежную и технологичную укатанную диафрагму и
фильтров, что обеспечит высокое качество работ.
• 2. При разработке проекта достройки плотины с укатанной
диафрагмой следует рассмотреть вариант состава АФБ с
повышенным содержанием битума (до 7-7,5%) при меньшей
его вязкости (B180), при котором еще можно использовать
технологию виброукатки АФБ. Это позволит повысить
пластичность и самозалечиваемость укатанного АФБ и даст
также дополнительный технико-экономический эффект.
• 3. При достройке плотины по технологии укатанной
диафрагмы и фильтров оставшаяся часть литой диафрагмы
высотой до 14 м останется растянутой и подвижной, что
создаст при наполнении ВБ опасность ее выдавливания в
крупные поры недоуплотненной горной массы соседних
переходных зон.
• 4. Необходимо не повредив диафрагму плотно
зацементировать переходные зоны камня по контакту с
диафрагмой, создав вокруг нее плотную обойму, что приведет
к значительному улучшению НДС нижней литой части
диафрагмы. Учитывая отсутствие опыта цементации горной
массы необходимо провести опытные работы и отработать
технологию и, главное, контроль качества этих работ.
• 5. Необходимо разработать проект обеспечения контроля
состояния нижней (опорной) части и примыкания диафрагмы
к бетонной плотине (см. пп. 1, 2 и 5 предыдущего раздела).

24. БОГУЧАНСКАЯ ГРУНТОВАЯ ПЛОТИНА ПУСКОВОГО ПРОФИЛЯ
(Типовые профили)
(1) АСФАЛЬТОБЕТОННАЯ ДИАФРАГМА, УПЛОТНЯЕМАЯ СЛОЯМИ ПО 20 см.
• (2) ПЕРЕХОДНЫЙ СЛОЙ 0-100 мм. ПРОДУКТ ДРОБЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА (3) НА ПДСУ-200.
ТОЛЩИНА УПЛОТНЕННОГО СЛОЯ 20 см, ШИРИНА 3,0 м.
• (3) ПЕРЕХОДНЫЙ СЛОЙ 0-300 мм. ПРОДУКТ ПЕРВИЧНОГО ДРОБЛЕНИЯ ГОРНОЙ МАССЫ
ДОЛЕРИТОВ 30Н "Б" И "В" НА ЩЕКОВОЙ ДРОБИЛКЕ СМД-118. ТОЛЩИНА УПЛОТНЕН НОГО
СЛОЯ 40 см.
• (4a) ГОРНАЯ МАССА ДОЛЕРИТОВ ЗОН "Б" И "В" КРУПНОСТЬЮ ДО 600 мм, УПЛОТНЯЕМАЯ
СЛОЯМИ ТОЛЩИНОЙ 1,0 м.
• (4b) ГОРНАЯ МАССА ДОЛЕРИТОВ ЗОН "Б" И "В"', УПЛОТНЯЕМАЯ СЛОЯМИ ТОЛЩИНОЙ
2,0 м.
• (4c) СУЩЕСТВУЮЩАЯ НАСЫПЬ ГОРНОЙ МАССЫ ДОЛЕРИТОВ, ЗАЦЕМЕНТИРОВАННАЯ В
ПРЕДЕЛАХ ЗОНЫ 4a ДО ОТМ. 146,О м.
• (5) КРЕПЛЕНИЕ ВЕРХОВОГО ОТКОСА НАБРОСКОЙ КАМНЯ ДОЛЕРИТОВ ЗОН "Б" И "В , D50
=600 мм.
• (6) ПЕРЕХОДНЫЙ СЛОЙ ИЗ ГОРНОЙ МАССЫ ДОЛЕРИТОВ ЗОНЫ "А".
• (7) УПЛОТНЯЕМАЯ ГОРНАЯ МАССА СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ УСТЬ-КУТСКОЙ СВИТЫ.
• (8) ПОНУР ИЗ УПЛОТНЯЕМОЙ СУПЕСИ. (9) ПЕСЧАНО-ГРАВИЙНЫЙ ОБРАТНЫЙ ФИЛЬТР.
• (10) ПРИГРУЗОЧНАЯ НАСЫПЬ ГРУНТОВ ИЗ ПОЛЕЗНЫХ ВЫЕМ0К, БЕЗ УПЛОТНЕНИЯ.

25. Результаты расчетов НДС секции ГЭС №16 с использованием модели
бетона для плотины и модели Мора-Кулона для основания
Рис. 6. Изолинии нормальных вертикальных напряжений σy
(в
Па).
Рис. 7. Изолинии вертикальных перемещений Z (в м)

26. Рис. 8. Изолинии нормальных горизонтальных напряжений σx (в Па)
Рис. 9. Изолинии горизонтальных перемещений Y (в м)

27. Изолинии максимальных сдвигающих напряжений τmax (в Па)
Изолинии горизонтальных перемещений Y (в м)

28. Изолинии поля температур в секции 16 ГЭС
Изолинии вертикальных напряжений σy (в Па)
с учетом зимних температурных воздействий

29. • Основные выводы
• В целом, НДС секции №16 с использованием различных моделей
материалов плотины и основания (включая модель нелинейного
хрупкого разрушения) благоприятное, растяжение в основании
напорной грани небольшие или отсутствуют, что обеспечивает
отсутствие раскрытия контактного шва.
• Однако следует иметь ввиду, что с учетом зимних температурных
воздействия НДС секций №16 и №23 существенно ухудшается до
опасного, как это было установлено выше в расчетах этих секций,
защемленных в скальное основание.
• Основные рекомендации
• 1. Следует тщательно проверить безопасность бетонной плотины
в результате пространственных расчетов НДС системы «плотина-
основание-водохранилище» с учетом следующих факторов:
• а) отрицательного влияния не зацементированных
межстолбчатых швов на состояние контакта «бетон-скала» у
напорной грани;
• б) наличия вертикальных растягивающих напряжений в контакте
«бетон-скала» напорной грани ряда секций и его раскрытия на
глубину 5 м, что может привести к нарушению работы цемзавесы и
росту противодавления;
• в) возникновения вертикальных растягивающих напряжений
зимой на открытых низовых и верховых гранях плотины,
приводящего к раскрытию горизонтальных строительных швов
(характерно для подобных плотин в Сибири).
• 2. Для глубокой и достоверной оценки безопасности бетонной
плотины с учетом ее нынешнего состояния необходима
разработка пространственной конечно-элементной модели
системы «плотина-основание-водохранилище» или отдельных
типовых секций плотины, включая геомеханическую модель
основания, основанную на геологических исследованиях.