Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
Гидромеханические переходные процессы в напорных системах при сейсмических воздействиях
Специальность 05.23.16
Гидравлика и инженерная гидрология
кандидата технических наук
Подвысоцкий Алексей Анатольевич
Москва - 2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете
Научный руководитель- доктор технических наук, доцент Муравьев Олег Алексеевич
Официальные оппоненты- доктор технических наук Беликов Виталий Васильевич
- кандидат технических наук Грошев Михаил Егорович
Ведущая организация- Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - «Институт Гидропроект»
Защита состоится «21» октября 2008 года в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.138.03 при ГОУВПО Московском государственном строительном университете по адресу: Москва, Спартаковская ул., д. 2/1, ауд. 212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета по адресу 129337, г. Москва, Ярославское ш., д.26.
Автореферат разослан «___» сентября 2008 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Орехов Г.В.
водовод сейсмический напорный давление
Общая характеристика работы
В настоящее время в России разрабатываются проекты ряда ГЭС, расположенных в сейсмически активных районах Северного Кавказа, Восточной Сибири, Дальнего Востока. Также проектируются гидроузлы энергетического назначения, насосные станции ирригации и систем технического водоснабжения АЭС в горных и сейсмически активных районах Таджикистана, Индии, Вьетнама, Болгарии, Лаоса, Анголы и других стран.
Актуальность выбранной темы определяется необходимостью повышения надежности эксплуатации туннелей, трубопроводов, уравнительных резервуаров ГЭС, напорных систем насосных станций за счет более обоснованного назначения расчетных значений внутреннего давления воды с учетом сейсмической компоненты давления.
Применяемая ныне методика определения дополнительного давления от сейсмических воздействий базируется на статической теории. При этом значения сейсмической компоненты давления получаются намного ниже гидроудара при переходных процессах. Эта методика отвечает упрощенной модели, ограничивающей время сейсмического воздействия полупериодом сейсмических колебаний. Не учитывается ряд факторов, существенно влияющих на результаты расчетов - таких, как конструкция напорных водоводов, граничные условия в концевом и других сечениях водовода, величина открытия турбины, соотношение частот вынужденных и собственных колебаний, длительность приложения сейсмического воздействия, возможность резонансных проявлений.
Развитие методов математического моделирования позволяет создать эффективные алгоритмы, базирующиеся на динамической теории позволяющие более полно и обосновано учесть особенности воздействия сейсмики и ответной реакции напорного трубопровода.
Динамическая модель дает возможность выявить особенности более сложных систем, включающих длинную деривацию и уравнительные резервуары различных типов, определить условия снижения динамической нагрузки от внутреннего давления воды при сейсмическом воздействии.
Цель работы: совершенствование методов учета сейсмических воздействий при определении максимумов внутреннего давления в напорных энергетических водоводах и напорных водосбросах гидроэлектростанций.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
- выполнить критический анализ положений, лежащих в основе аналитических расчетных зависимостей, заложенных в СНиП по строительству в сейсмических районах, и анализ функций, используемых для описания сейсмических воздействий на напорные системы;
- разработать алгоритм численного решения уравнений одномерного неустановившегося движения в напорных водоводах с учетом сейсмических воздействий, задаваемых велосиграммой землетрясения, с учетом граничных условий, характерных для напорных систем ГЭС (тупики, развилки, бьефы, уравнительные резервуары, регулирующие органы турбины);
- выявить основные факторы, влияющие на максимумы давления при сейсмическом воздействии;
- получить аналитические выражения передаточной функции и амплитудно-фазовой частотной характеристики системы водовод-турбина; выполнить частотный анализ для выявления динамических характеристик системы при вынужденных колебаниях расхода;
- разработать методику определения максимумов давления от сейсмического воздействия как при установившихся режимах, так и при переходных процессах.
Научная новизна представленной работы состоит в следующем:
- показано основное влияние на максимумы давления при сейсмических воздействиях таких факторов, как величина открытия турбины, соотношение частот вынужденных и собственных колебаний, длительность приложения сейсмического воздействия, длина и расположение участка водовода, для которого направление сейсмической волны совпадает с направлением его оси;
- на основе анализа резонансных характеристик обоснована необходимость модифицирования расчетных велосиграмм землетрясений по частоте, определяемой периодом собственных колебаний давления в водоводе;
- выявлены условия стабилизации и затухания колебаний давления при вынужденных сейсмических колебаниях расхода;
- показано влияние типа уравнительного резервуара и конструкции узла дополнительного сопротивления на максимумы давления при сейсмических воздействиях;
- получены соотношения, позволяющие определить максимально возможные значения повышения давления от сейсмического воздействия и длительность сейсмических колебаний, приводящих к этому максимуму в зависимости от действующего расхода и балльности.
Достоверность полученных результатов подтверждается сопоставлением и хорошей сходимостью результатов математического моделирования с аналитическими решениями, полученными при частотном анализе и решениями тестовых задач с различными способами задания сейсмического изменения скорости (расхода).
Практический выход и внедрение. Результаты исследований использованы в проектах отечественных и зарубежных ГЭС Зеленчукской, Советской (Кашхатау), Сангтудинской, Шонла, Донг Най-3 и -4 и ряда других.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались
на конференции молодых специалистов ОАО «Инженерный центр ЕЭС» в 2007 году, на заседании кафедры использования водной энергии Московского государственного строительного университета в 2008 году.
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 2-х опубликованных статьях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, общих выводов, списка литературы 109-ти наименований. Объем работы - 152 стр. машинописного текста.
Положения, которые выносятся на защиту:
- результаты расчетов процессов в напорных водоводах с учетом реальных велосиграмм, показывающие необоснованность применения понижающего коэффициента в формуле СНиП применительно к условиям возникновения гидроудара при сейсмических колебаниях расхода;
- результаты расчетов процессов в напорных водоводах при гармоническом возмущающем воздействии, показывающие влияние степени открытия регулирующих органов на предельное значение амплитуды колебаний давления при резонансе и необходимое для этого количество циклов сейсмического воздействия.
- результаты анализа соотношения между собственными частотами напорных систем и частотных спектров ряда реальных зафиксированных землетрясений;
- результаты частотного анализа системы напорный водовод - турбина при гармонических возмущающих воздействиях, показывающие зависимости для коэффициента передачи между амплитудами изменения расхода (скорости) и колебаний давления в сечениях по трассе водовода;
- результаты исследований, отражающих влияние конструкций и параметров уравнительных резервуаров, параметров деривационных водоводов на максимумы давления.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.т.н. О.А.Муравьеву, заведующему кафедрой использования водной энергии МГСУ проф. Г.В.Орехову, руководителю НИЛ динамики напорных систем и гидроагрегатов проф. В.В.Берлину, всему коллективу кафедры за постоянную поддержку и помощь в работе над диссертацией.
Содержание работы
В первой главе дается анализ этапов формирования теории сейсмостойкости сооружений, начиная с работ Омори по статической теории сейсмостойкости, Мононобе, принявшим в качестве закономерности сейсмического движения грунта синусоиду и решившим поставленную задачу методами динамики сооружений, К.С.Завриева, обосновавшим в качестве закономерности сейсмического ускорения при движении грунта косинусоиду, отвечающую эффекту сейсмического толчка на жесткое сооружение.
Методика определения нагрузок от внутреннего давления воды при сейсмическом воздействии нашла развитие в работах Ш.Г.Напетваридзе, И.Никагава. Формула Напетваридзе для максимального повышения давления вошла во все издания СНИПов по строительству в сейсмических районах. В работах Дж.Н.Киласония и Ш.Окамото предложена линейная модель распределения максимумов давления по трассе водовода от сейсмического повышения давления на водоприемнике. Основы динамической теории применительно к напорным водопроводящим системам заложены в докторской диссертации Н.Ф.Манджавидзе.
Формула СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» для определения максимального гидродинамического давления в напорном водоводе в имеет вид:
(1)
где А - коэффициент сейсмичности, K1 - понижающий коэффициент, учитывающий допускаемые повреждения зданий и сооружений (для гидротехнических сооружений равный 0,25); Св - скорость звука в воде, равная 1300 м/с; То - преобладающий период сейсмических колебаний грунта, величина которого принимается 0,5 с.
В основе лежит формула Ш. Г. Напетваридзе где в качестве упрощения было принято считать акселерограмму землетрясения гармоническим колебанием с периодом, равным преобладающему периоду сейсмических колебаний. Формула (1) выводилась из общих предпосылок для расчета сейсмического воздействия на сооружения как таковые, среди которых основное значение имеет характер изменения во времени сейсмических ускорений грунта.
В основе расчетов гидроудара в напорных водоводах лежит формула Н.Е.Жуковского, в которой значение гидравлического удара зависит от изменения скорости ДV. Поэтому при определении дополнительного давления в водоводе от сейсмического воздействия следует исходить именно из значения ДV.
При выводе формулы (1) в качестве эффективного времени действия землетрясения рассматривался отрезок, составляющий половину периода сейсмических колебаний после первичного толчка, в течение которого максимально изменяется ускорение. Однако при этом исключается та часть процесса в интервале времени от Т/4 до 3Т/4, в которой происходит максимальное изменение скорости. Следствием данного ограничения явилось занижение вдвое диапазона изменения скорости и, как следствие, возникающего при этом гидроудара.
Для выявления связи между максимальным ускорением, характеризующим балльность землетрясения, и соответствующим ему максимальным значением ДV, были обработаны записи 32-х землетрясений. Результаты сопоставления натурных данных с различными линейными зависимостями изменения скорости ДV от ускорения показаны на рис. 1, из которого следует, что описание изменения во времени сейсмических ускорений по закону косинуса и полученные по шкале MSK-64 скорости наиболее близки к данным, полученным с записей велосиграмм реальных землетрясений.
Рис. 1. Сопоставление записей землетрясений с аналитическими моделями
Выполненный анализ зависимости из СНиП для расчета максимумов давления при сейсмическом воздействии показал, что они не учитывают такие важные факторы, как возможность резонансного увеличения давления при совпадении преобладающей частоты сейсмических колебаний с собственной частотой колебаний давления в водоводе, возможность наложения сейсмического воздействия на аварийные и плановые переходные процессы. Также не учитывается влияние режима работы турбин на максимумы давления и особенности сложных систем с уравнительными резервуарами и длинными деривационными водоводами, распределение максимумов давления по трассе водовода.
Указанные факторы могут быть учтены в рамках динамической модели, в которой гидроудар от регулирования турбины и сейсмического воздействия рассчитываются совместно с использованием упругой модели гидроудара во всех элементах напорной системы и с учетом граничных условий, определяемых оборудованием и сооружениями по трассе.
Во второй главе дается описание математической модели расчетов гидромеханических переходных процессов в напорных водоводах с учетом сейсмического воздействия. В основе лежит предложенная Н.Ф. Манджавидзе модель, в которой рассматривается наиболее опасный случай распространения сейсмических волн вдоль оси водовода. При этом принимается, что стенки водовода перемещаются вместе с грунтом со скоростью Vсей = f(t). В таком случае скорость воды относительно стенок водовода составит V+Vсей и исходные уравнения одномерного неустановившегося движения запишутся в виде