Введение. Конструктивные исполнения грунтовых плотин IV класса опасности требуют тщательного проектирования и анализа при их эксплуатации, так как они подвержены различным внешним воздействиям, включая меняющийся уровень грунтовых вод, сейсмическую активность, атмосферные осадки и иные динамические нагрузки (от автомобильного или иного транспорта) [1]. Поддержание таких объектов гидротехнического назначения в рабочем состоянии является важнейшей задачей водной стратегии России на период до 2035 года [2]. В последние десятилетия численное моделирование стало основным инструментом для анализа поведения гидротехнических сооружений (ГТС) подобного рода с большим сроком эксплуатации (25 лет и более). Численные модели объектов гидротехнического назначения в мелиорации позволяет инженерам прогнозировать их работоспособность во времени, тем самым обеспечивать их дальнейшую безопасность на всём жизненном цикле [3].Применение метода конечных элементов (МКЭ) [4] позволяет проводить детализированный анализ различных показателей устойчивости и прочности грунтовой плотины, что является критически важным для предотвращения аварий и разрушений гидротехнических сооружений [5].В составе государственных и частных мелиоративных систем находятся различные по конструкции и назначению грунтовые плотины. Они обеспечивают безопасное использование водных ресурсов в водохранилищах для мелиорации и рыборазведения [6]. Актуальность настоящего исследования заключается в проверке адекватности результатов численного моделирования фильтрации эксплуатируемой более 25 лет грунтовой плотины с ядром на наклонном водопроницаемом основании для выявления возможных в дальнейшем прогрессирующих обрушений ее откосов, а также получения информации об их реальном состоянии на момент проведения работ по реконструкции или капитальному ремонту.Цель исследования заключается в проведении сравнительного анализа результатов численного моделирования и аналитических расчетов фильтрации зонированной грунтовой плотины с ядром, расположенной на водопроницаемом (водонасыщенном) наклонном основании. Основные задачи исследования включают:- оценку фильтрационной способности конструкции (по положению кривой депрессии) при различных уровнях воды в водохранилище, как численно, так и аналитически;- численное определение сатурации в теле плотины при различном уровне воды в водохранилище.Методы и объект исследования. Объектом исследования является грунтовая плотина с непроницаемым (железобетонным) ядром на водонасыщенном (водопроницаемом) основании, входящая в состав мелиоративной системы, расположенной в Куменском районе Кировской области. Расчетная модель гидротехнического сооружения в конечных элементах представлена на рис. 1. Для достижения поставленных целей использовались методы численного моделирования с применением программного обеспечения Midas GTS NX, которые в последующем верифицировались с аналитическими решениями задачи фильтрации по известным методиками ее расчета.  Рис. 1 -  Расчетная модель гидротехнического сооружения без подтопления нижнего бьефа в конечных элементах  Для создания модели плотины были использованы данные о геометрии, свойствах грунта и условиях эксплуатации. Модель состоит из различных слоев грунта с различными физико-механическими свойствами (табл. 1), которые были взяты из геолого-геодезических изысканий перед началом реконструкции объекта исследования.Табл. 1  - Физико-механические свойства грунтов исследуемой плотины ПараметрыВеличинаНаклонное основаниеОткосыЯдроФильтр12345Удельный вес грунта при естественной влажности, кН/м317162218Удельный вес грунта в водонасыщенном состоянии, кН/м321202522Начальный коэффициент пористости0,50,50,50,5Эффективный модуль Юнга, кН/м250·10320·1031,5·10350·103Коэффициент Пуассона0,30,330,350,3Модуль сдвига, кН/м219,23·1037519555.60019,23·103Касательный одометрический модуль деформации, кН/м26,73·10329,63·10324076,73·103Параметр референсного давления, кН/м21551Угол внутреннего трения, рад3531035Угол дилатансии, рад5105Скорость прохождения поперечных волн, м/с105,367,918,46106,2Скорость прохождения продольных волн, м/с197,1134,838,42198,2Коэффициент фильтрации по оси Х0,0110,1·10–30,01Коэффициент фильтрации по оси Y0,0110,1·10–30,01Глубинный параметр неравномерности распределения дилатансии, м10·10310·10310·10310·103Удельный параметр неравномерности распределения дилатансии, 1/м5,33·10–60,13·10–30,18·10–35,72·10–5Реологический модуль1000·10121000·10121000·10121000·1012 В модели были заданы граничные условия, такие как уровень грунтовых вод, нагрузки от воды без учета сейсмичности района моделирования [7]. Эти параметры были выбраны на основе данных из аналитических расчетов по этому объекту и практики анализа аналогичных сооружений. Моделирование проводилось для нескольких сценариев при динамических нагрузках, возникающих в результате изменения уровня воды в водохранилище: при полном водохранилище; при уровне воды в водохранилище на отметке мертвого уровня и устоявшемся уровне воды на отм. 2,5 м (такая отметка водного уровня берется с учетом максимально возможных атмосферных осадков в период проведения работ по капитальному  ремонту или реконструкции для данной местности). Временной промежуток изменения уровня воды в водохранилище относится к измерениям через 0 ч,  24 ч, 48 ч, 72 ч, 96 ч и 120 ч. При реконструкции необходимо спускать водохранилище до уровня мертвого объема (УМО, показано на рис. 1), соответственно, нормальный подпорный уровень воды (НПУ, показано на рис. 1) является началом отсчета и отметка 2,5 м – устоявшийся уровень воды (УМО).После проведения расчетов было проанализировано положение кривой депрессии в теле плотины и сатурация её тела. Особое внимание уделялось зонам перехода между различными слоями грунта, так как именно здесь могут возникать в дальнейших численных и аналитических расчетах в реальном объекте потенциальные зоны неустойчивости.Верификация положения кривой депрессии, полученной в результате численного моделирования, в исследуемой плотине проводилась в соответствии с методикой, изложенной в работе [8, C.376] при наклонном водоупоре по приближенной формуле Г. H. Каменского [9, С.265] и методу Н.Н. Павловского [9, C.266].Основная часть. На рис. 2 показаны изополя степени насыщения «degree of saturation» для начальной стадии при установившемся режиме фильтрации и последующем снижении уровня воды. Максимальное значение, равное 1, наблюдается в «красной» зоне. Следовательно, в этой зоне устанавливается стационарная фильтрация для всех материалов, из которых выполнена плотина.    Рис. 2 - Изополя сатурации (водонасыщения) в зонированной грунтовой плотине:а) – полное водохранилище (0 ч); б) – снижение уровня воды (24 ч); в) – снижение уровня воды (48 ч); г) – снижение уровня воды (72 ч); д) – снижение уровня воды (96 ч - УМО); е) – снижение уровня воды (120 ч - устоявшийся уровень воды на отм. 2,5 м) Обратим внимание на ядро плотины. Часть ядра плотины находится в зоне сатурации с показателем равным 1. Это говорит о том, что конструкция ядра недостаточно изолирует нижний откос от избыточного влагонасыщения, следовательно, такая ситуация может привести к обрушению нижнего откоса, о чем свидетельствует «синяя» зона, расположенная на всей площади нижнего откоса. Помимо прочего граница сатурации между максимально водонасыщенным наклонным основанием и нижним откосом устанавливает возможную зону обрушения откоса. Аналогичная ситуация может вызвать обрушение откоса в верхней части верхнего откоса при устоявшемся уровне воды на отм. 2,5 м (рис. 2 д, е), так как здесь образуются круглоцилиндрические поверхности, определяющие переход водонасыщенной зоны плотины (участок «красного» цвета) к неводонасыщенной (участок «сине-зеленого» цвета).Кривые депрессии по телу плотины для различных стадий наполнения водохранилища показаны на рис. 3.   Рис. 3 - Кривая депрессии в исследуемой грунтовой плотине:а) – полное водохранилище (0ч); б) – снижение уровня воды (24ч); в) – снижение уровня воды (48ч); г) – снижение уровня воды (72ч); д) – снижение уровня воды (96ч - УМО); е) – снижение уровня воды (120ч - устоявшийся уровень воды на отм. 2,5 м) Характерной особенностью всех полученных линий кривых депрессий для различных уровней воды в водохранилище является то, что ниспадающая часть всех кривых находится в правой зоне ядра плотины (ближе к нижнему откосу), что также говорит о том, конструкция ядра (в том числе и материал ядра) плотины при капитальном ремонте или реконструкции объекта должна быть усовершенстована и больше гидроизолирована, в том числе за счет шпунтования основания ядра. Характер кривой депрессии, располагаемой под границей наклонного основания и нижнего откоса, совпадает с границей водонасыщения (сатурации), что говорит о необходимости изменения конструкции нижнего откоса и переустройства всего нижнего бьефа объекта. В нижней части нижнего откоса для данного исследуемого объекта необходимо предусмотреть дренажную призму, чтобы окончание кривой депрессии под нижним бьефом плотины находилось под границей наклонного основания и нижнего откоса [10].Анализ численных данных с обязательной верификацией полученных результатов по параметрам фильтрации и сатурации объектов гидротехнического назначения в настоящее время является неотъемлемой частью реализации внедрения технологий BIM на всех треках строительной отрасли [11].Результаты и их обсуждение. Проведем верификацию положения кривой депрессии по исследуемой плотине при максимальном уровне воды в водохранилище согласно методике изложенной в работах [8, C.376, 9, С.265, 9, C.266]. Получим графический результат в следующем виде – на рис. 5 показано сравнение положения кривой депрессии в исследуемой плотине при полном водохранилище с положением кривой депрессии, полученной в результате аналитического расчета. Максимальное расхождение положения кривой депрессии наблюдается в нижнем бьефе плотины и составляет по вертикальной оси 0,17 м (результаты аналитического расчета показывают, что кривая депрессии на этом участке находится в зоне наклонного основания, а не в зоне низового откоса, как это показано на результатах численного моделирования - рис. 5). На остальных участках сравнения кривых депрессии расхождение между ними по вертикальной оси не превышает 0,06 м. Кривые депрессии, полученные численными методами и аналитическим расчетом практически совпадают (расхождение их по вертикальной координате не превышает 0,01 м) на участке верхового откоса, ядра и нисходящего наклонного основания плотины. Считаем данные результаты по верификации положения кривой депрессии весьма удовлетворительными и достаточно точными (рис. 4).Рис. 4 – Верификация положения кривой депрессии в теле исследуемой плотины:   – (синяя линия) численный расчет положения кривой депрессии;                      2 – (красная линия) аналитический расчет положения кривой депрессии Подтвержденное положение кривой депрессии также говорит о том, что необходимо укреплять нижний бьеф плотины в месте ее сопряжения с наклонным основанием, как было об этом сказано при анализе рис. 3.Таким образом, в процессе численного моделирования объекта гидротехнического назначения получены не только числовые значения рассматриваемых в исследовании параметров, но и сделаны выводы о необходимых проектно-изыскательских работах по совершенствованию конструкции плотины с целью повышения ее надежности и безопасности при дальнейшей эксплуатации.Выводы.  Проведена оценка фильтрационной способности конструкции грунтовой плотины с ядром на наклонном водопроницаемом основании при различных уровнях воды в водохранилище по полученным кривым депрессии в ходе численного моделирования объекта. Установлено, что ядро плотины защищает нижний откос от избыточного водонасыщения и обрушения, однако положение кривой депрессии целесообразно сместить в сторону верхового откоса для повышения коэффициента прочности и устойчивости низового откоса плотины.Результаты верификации параметров фильтрации и сатурации исследуемой плотины считаем удовлетворительными. Полученные данные при численном моделировании объекта могут быть использованы при проектных работах в рамках реконструкции или капитального ремонта объекта. Полученные в результате численного моделирования параметры плотины позволяют сделать вывод о необходимых проектных решениях, повышающих надежность и безопасность гидротехнического сооружения с большим сроком эксплуатации.