top of page

Пиковая котельная ТЭЦ-1. Восстановление фундамента крупного энергетического объекта. 1994

Обновлено: 1 окт. 2023 г.



Серьезную опасность для устойчивости зданий и сооружений представляют протаивание и повышение (в мерзлом контуре) температуры многолетнемерзлых пород в пределах заложения фундаментов, даже если они устроены в виде свай-стоек. По мере протаивания многолетне-мерзлого горизонта, смерзшегося с боковыми поверхностями свай-стоек, несущая способность фундаментов может снижаться, могут наблюдаться их неравномерные перемещения.

Примером в данном вопросе является один из важнейших звеньев в энергетическом обеспечении Норильского промышленного района - "Пиковая котельная ТЭЦ-1 г. Норильска".

Сооружение эксплуатируется с начала 70-х годов по принципу II, т.е. без сохранения многолетнемерзлого состояния грунтов основания. Однако проектом в расчетных схемах свайных фундаментов и ростверка было предусмотрено защемление свай-стоек в вечномерзлые грунты. Кроме того, явным противоречием с расчетной схемой служили следующие указания в проекте: "конструкции здания не предусматривают сохранение грунтов в мерзлом состоянии". В качестве фундаментов были использованы буроопускные сваи-стойки, заводского изготовления сечением 40х40 см, защемленные в скальный стакан.

Размеры здания в плане 24x90 м. Шаг свай фундамента 6x6 м. Здание каркасное двухуровневое. В главном пролета здания расположен мостовой кран пролетом 24 м. Перекрытие выполнено из сборного железобетона с отдельными монолитными участками.

В основание Пиковой котельной ТЭЦ-1 в течение 20 лет происходили неорганизованные сбросы горячей воды, ее миграция по отдельным горизонтам от основного здания ТЭЦ-1. Сбросы воды, разрушая мерзлоту, вызвали просадки грунтов под зданием с образованием не предусмотренного проектом холодного подполья (наблюдались провалы грунтов более 1 м).

Инженерно-геологические условия площадки пиковой котельной ТЭЦ-1 (1957, 1970 гг.) определены отделом комплексных изысканий института "Норильскпроект", которые можно характеризовать, в целом, как сложные: верхний немерзлый горизонт мощностью до 4-8 м подстилается протаивающими грунтами, слоем мощностью 2-3 м, ниже которых располагается толща многолетнемерзлых пород.

В верхнем талом горизонте в пределах насыпных грунтов (мощность которых колеблется от 2-3 м до 4-6 м к оси А) отмечается техногенное обводнение.

Натурные термометрические наблюдения, проведенные в середине 90-х г.г. показали, что за 20 лет эксплуатации происходила деградация мерзлоты: температура грунтов на уровне нулевых годовых амплитуд (10-12 м) повысилась от минус 2,8 - 3 °С до минус 0,1 - 0,2 °С. Судя по более глубоким гидрогеологическим скважинам (до 25 - 27 м), обводненный горизонт приурочен к техногенной подсыпке сверху, водоприток на поверхности скальных пород (под суглинистой толщей) не наблюдается, что свидетельствует о сохранении морозного состояния габбро-долеритов.

Решением нестационарной задачи теплопроводности было установлено, что при сохранении в подполье здания положительной температуры (принято среднегодовое ее значение от 10 до 15 °С) и его обводнении теплыми водами, сбрасываемыми с ТЭЦ, мерзлый контур в основании насосного отделения разрушится в течение 2 - 3 лет. При этом сваи могут потерять возможность сопротивляться горизонтальным нагрузкам и изгибающим моментам.

Характер имеющихся трещин свидетельствовал об увеличении напряжений от средней части здания к ряду 1, т. е. в северо-восточном направлении. Было выявлено, что наиболее разрушенными являются оголовки свай (прочность по ультразвуку 70-80 кгс/см2), установленных по контурной оси В. Было установлено, что прочность бетона свай, эксплуатировавшихся под защитой обсадных труб, имеет максимальные значения (до 450-500 кгс/см2), эти сваи находились в удовлетворительном состоянии. Фактически все балки ростверка подверглись существенным деформациям и деструкции, местами вплоть до полного разрушения защитного слоя бетона и интенсивной коррозии обнажившейся арматуры.

Для оценки состояния фундаментных конструкций и определения условий безаварийной дальнейшей эксплуатации было выполнено численное моделирование.

В основу расчетов было положено фактическое состояние материалов конструкций. Для выбора расчетной схемы проведен анализ принятых в начальном проекте решений. Анализ показал, что приняты рамные расчетные схемы. Расчетная схема рамного ростверка вдоль цифровых осей представляет собой трехпролетную раму с консольными ригелями с двух сторон шарнирно опертыми, на однопролетные рамы. Длина стоек рамы была принята из условия защемления свай-стоек в многолетнемерзлом грунте, на глубине 8d сваи от поверхности земли, таким образом, видимо, предполагалось сохранение грунтов в мерзлом состоянии.

Учитывая изменившиеся мерзлотно-грунтовые условия основания (оттаивание мерзлых грунтов), в расчетную схему были введены фактические длины свай, взятые из журнала свайных работ.

При составлении пространственной модели "свая-ростверк" были приняты следующие допущения:

  • размеры здания в плане ограничены по длине 14-м рядом и по ширине осью Б (принят деформационный блок здания);

  • не учтены (исключены) горизонтальные силы, передающиеся от оси А;

  • в связи с деструкцией бетона балок ростверка и разрушением опорных узлов плит перекрытия их влияние не учитывается.

В целях обоснования технического решения по усилению конструкций и учета совместной пространственной работы всех элементов нулевого цикла первая расчетная модель предусматривал лишь фактическое состояние конструкций до начала работ по их усилению.

Расчет был выполнен методом конечных элементов с помощью пакета вычислительной программы "Лира". Результатами расчета явились деформационная схема здания, построенная исходя из перемещений узлов расчетной схемы и внутренних усилий, возникающих в сечениях элементов пространственной системы.

Анализ результатов расчета первой модели показал, что пространственная жесткость системы с учетом изменившихся мсрзлотно-грунтовых условий недостаточна. Максимальные величины деформаций выше допустимых ее значений. Следовательно, при изменившихся грунтовых условиях и реальных прочностных характеристиках несущих конструкций фундамента надежность здания не обеспечивается. Возможна потеря устойчивости здания.

В целях уточнения оптимальных параметров цикла была составлена новая пространственная модель с учетом приведенной длины свай-стоек. Основные параметры расчетной схемы зависят от приведенной длины свай-стоек. В данном случае для определения деформаций и внутренних усилий рассматривается заделка свай в скалу и учитывается ее полная длина. При выполнении расчетов свай по прочности была уточнена ее приведенная длина. Приведенная глубина погружения свай определена в соответствии с рекомендациями приложения 6.

Максимальная длина сваи по исполнительной документации составляла 24 м, а минимальная длина 14 м, следовательно, приведенная длина находилась в пределах от 7 до 12 метров. В дальнейшем, в целях упрощения прочностных расчетов и увеличения запаса прочности приведенная длина свай в основании здания осредненно принята равной 12 метрам.

Серия расчетов по второму основному варианту предусматривала учет принятого при реконструкции способа восстановления конструкций, в т.ч. создание системы дополнительных балок вдоль рядов по усиленным обоймам реконструируемых фундаментов на уровне поверхности грунтов.

Предварительные выводы об оптимальности, выбранной расчетной схемы были сделаны на основе анализа деформационных схем пространственной системы в зависимости от величины максимальных перемещений узлов элементов.

Анализ деформационных схем, построенных по результатам статического расчета по основным плоскостям, показал, что значения деформаций находятся выше допустимых. Перемещения узлов направлены в сторону ряда 1 и оси Б.

Далее было задано защемление свай в многолетнемерзлые грунты на глубине 12 метров от поверхности подполья. Результаты статического расчета такой схемы свидетельствовали об относительном уменьшении значений деформаций, но, тем не менее, величины перемещений оставались выше допустимых значений.

Следующая расчетная схема предполагала возможное защемление свай па глубине 5 метров от поверхности подполья. Максимальные перемещения по результатам расчета находились в пределах допустимого. Прочностной расчет элементов данной схемы показал, что прочность элементов обеспечена. Более того, элементы перекрытия размеры, которых были приняты из конструктивных условий, имеют большой запас по прочности.

Защемление свай в оттаивающих грунтах на глубине 5 метров практически невозможно обеспечить, кроме случаев принятия специальных мероприятий. Одним из таких мероприятий мог бы быть закрепление оттаявших грунтов основания путем их цементации. С другой стороны часть массива грунтов по прежнему находилась в мерзлом состоянии. Процесс закрепления мог привести к их оттаиванию, неравномерным деформациям и дополнительному пригрузу свай за счет негативного трения. Кроме того, цементирование суглинистых грунтов фактически невозможно. Следовательно, такая схема не могла быть принята для дальнейших расчетов.

Результаты расчета показывают, что необходимо увеличение сечения свай. Примечательно, что при сборе исходных данных был обнаружен вариант проекта производства работ, предусматривающий установку буронабивных свай при возведении данного объекта. В этом случае вопрос об устойчивости свай в условиях оттаивания многолетнемерзлых грунтов не возникал бы, так как параметры поперечного сечения (800 мм) позволили бы обеспечить их прочность.

Увеличение сечения свай до необходимых размеров достаточно проблематично, что связано с выполнением котлована вокруг каждой (или наиболее нагруженных) сваи практически вручную и устройством железобетонной "рубашки". При этом вскрытие свай на значительную глубину может привести к их излому за счет изгибающих моментов.

Учитывая основную тенденцию развития направлений деформаций, были просчитаны различные варианты усиления конструкций, без изменения сечения свай.

В дальнейшем, для обеспечения устойчивости пространственной системы "свая-ростверк" было выбрано направление, учитывающее увеличение жесткости конструкций нулевого цикла, введением дополнительных связей, ограничивающих главные перемещения по направлению координатной оси X (горизонтальное направление).

Другая расчетная схема предполагала введение крестовых вертикальных связей и диафрагм жесткости в виде сплошных железобетонных панелей-стенок параллельно осям между рядами. Связи были введены между парными рядами на уровне перекрытия и отм. -3,500. Такая схема позволила уменьшить деформации, но большая часть свай по-прежнему теряла устойчивость.

Далее был рассмотрен вариант устройства дополнительной рамы, выполненной из двух рядов буронабивных свай большого диаметра установленной вдоль ряда 1 (крайний ряд). Такая система позволила обеспечить общую устойчивость здания при возможном интенсивном оттаивании грунтов основания (аварийные сбросы воды и т.п.).

Анализ напряженно-деформированного состояния элементов данной пространственной системы показал, что их прочность (с фактическими параметрами и учетом их усиления) обеспечивается.

Результаты пространственного численного моделирования позволили выявить слабые зоны в конструктивном решении нулевого цикла, с учетом реального состояния основания, определить пути ликвидации аварийности объекта, установить оптимальные схемы восстановления фундаментов и перекрытий Пиковой котельной ТЭЦ-1.

Основными причинами, приведшими к неудовлетворительному состоянию одного из важнейших энергетических объектов региона, явились: особенности климатических и геокриологических условий района, невысокий уровень проектно-технических решений нулевого цикла, низкое качество выполнения работ, неудовлетворительная эксплуатация объекта.

Из природно-техногенных характеристик, оказавших негативное наибольшее воздействие на снижение надежности эксплуатации Пиковой котельной ТЭЦ-1 г. Норильска, следует отметить:

факторы, вызывающие деструкцию бетона фундаментов и других подземных конструкций:

  • а) расклинивающее действие тончайших (в 2-3 молекулы) пленок воды в естественных микропорах и микротрещинах бетона при температуре ниже минус 30 - 35 0С;

  • б) последующее попеременное промерзание-протаивание влаги в трещинах и расширившихся микротрещинах в бетоне, особенно, в весенний и осенний период, когда в течение одних суток отмечаются многократные переходы через 0 0С;

  • в) большие суточные и сезонные колебания температуры, вызывающие трещинообразование;

  • г) внедрение воды под давлением в тело свай в пределах непромерзшей части сезонно-талого слоя при его промерзании в начале зимы, когда влага оказывается "зажатой" между нижней вечномерзлой толщей-водоупором и верхним уже промерзшим слоем грунта;

  • д) интенсивные процессы криопелитизации (превращения в пыль грунтовых частиц), характерные для сезонно-талого слоя в криолитозоне;

  • е) кавитационные воздействия грунтовой влаги;

  • ж) агрессивность грунтовой влаги по отношению к бетону свай;

  • з) влияние нагрузок на фундаменты и длительность эксплуатации объекта;

Факторы, способствующие изменению мерзлотных условий в основании объекта:

  • а) негативные изменения мерзлотных комплексов, характерные для хозяйственно освоенных территорий;

  • б) тенденция к деградации мерзлоты на застроенных территориях в Норильском промрайоне;

  • в) техногенное засоление подземных вод, особенно, грунтовой влаги сезонно-талого слоя;

  • г) выветривание (в т.ч. криогенное, техногенное) поверхностных слоев скальных пород, на которые оперты сваи-стойки Пиковой котельной;

  • д) несовершенство устраиваемых техногенных подсыпок, превращающихся в процессе эксплуатации объекта в коллектора по сбору техногенно засоленных вод, благоприятствующих усилению протаивания нижележащих мерзлых толщ и снижению (за счет капиллярного подсоса растворимых солей в мерзлоту) несущей способности грунтов.

Из проектно-технических решений, повлиявших на снижение надежности объекта, следует отметить:

  • несовершенный метод устройства свайного основания - буроопускные сваи-стойки сечением 40х40 см (несомненно, что буронабивные сваи-стойки, занимающие весь объем скважины и имеющие большее сечение, были бы надежнее);

  • указание (без предложения технического решения, например, устройства проветриваемого подполья) на сохранение вечномерзлого состояния грунтов для нейтрализации горизонтальных усилий и моментов;

  • достаточно большой шаг между сваями (6 м);

  • устройство под нагруженными колоннами здания одиночных свай вместо кустов свай;

  • несовершенство в решении по устройству перекрытия (частично -монолитное, частично - из сборных плит) и др.

Численное моделирование и анализ взаимодействия в системе "грунт - свайные фундаменты - ростверк - перекрытия - нагрузки" показали, что при превышении глубины оттаивания грунтов более 12 м наступает отказ свайного основания, излом фундаментов и возможно обрушение здания в направлении крайнего ряда.


Разработанные предложения по укреплению оснований и ремонту конструкций нулевого цикла нашли применение в проекте ремонтно-восстановительных работ конструкций пулевого цикла Пиковой котельной ТЭЦ-1 г. Норильска.




115 просмотров0 комментариев

Недавние посты

Смотреть все

コメント

5つ星のうち0と評価されています。
まだ評価がありません

評価を追加
bottom of page