Белгородская область, Россия
Россия
ГРНТИ 70.17 Водохозяйственное строительство. Гидротехнические и гидромелиоративные сооружения
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5640 Общие вопросы
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Актуальность исследования обусловлена необходимостью обеспечения надежной эксплуатации грунтовых плотин IV класса опасности в условиях меняющегося уровня грунтовых вод, сейсмических и климатических нагрузок, а также выполнения требований Водной стратегии России до 2035 г. Объектом исследования является зонированная грунтовая плотина с железобетонным ядром, расположенная на водонасыщенном наклонном основании в Куменском районе Кировской области. В модель включены физико-механические свойства грунтов, полученные из полевых изысканий. Для анализа использованы численное моделирование методом конечных элементов в программном комплексе Midas GTS NX и аналитические расчеты, выполненные по методикам Г.Н. Каменского и Н.Н. Павловского. Результаты показали удовлетворительное согласование численных и аналитических кривых депрессии (разница ≤ 0,06 м), при этом в нижнем бъефе наблюдается смещение кривой депрессии в зону наклонного основания, указывающее на недостаточную гидроизоляцию ядра и необходимость его усиления. Анализ изополей сатурации выявил зоны потенциальной неустойчивости на переходах слоев грунта. Ядро гидротехнического сооружения защищает низовой откос от избыточного водонасыщения, но его конструкцию следует усовершенствовать (шпунтование, дренажная призма) для повышения коэффициента прочности и устойчивости откоса. Полученные результаты исследования могут быть применены при проектировании, реконструкции или капитальном ремонте грунтовых плотин
наклонное основание, фильтрация, сатурация, кривая депрессии, грунтовая плотина, водонасыщение, гидротехническое сооружение
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
|
Параметры |
Величина |
|||
|
Наклонное основание |
Откосы |
Ядро |
Фильтр |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Удельный вес грунта при естественной влажности, кН/м3 |
17 |
16 |
22 |
18 |
|
Удельный вес грунта в водонасыщенном состоянии, кН/м3 |
21 |
20 |
25 |
22 |
|
Начальный коэффициент пористости |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
|
Эффективный модуль Юнга, кН/м2 |
50·103 |
20·103 |
1,5·103 |
50·103 |
|
Коэффициент Пуассона |
0,3 |
0,33 |
0,35 |
0,3 |
|
Модуль сдвига, кН/м2 |
19,23·103 |
7519 |
555.600 |
19,23·103 |
|
Касательный одометрический модуль деформации, кН/м2 |
6,73·103 |
29,63·103 |
2407 |
6,73·103 |
|
Параметр референсного давления, кН/м2 |
1 |
5 |
5 |
1 |
|
Угол внутреннего трения, рад |
35 |
31 |
0 |
35 |
|
Угол дилатансии, рад |
5 |
1 |
0 |
5 |
|
Скорость прохождения поперечных волн, м/с |
105,3 |
67,9 |
18,46 |
106,2 |
|
Скорость прохождения продольных волн, м/с |
197,1 |
134,8 |
38,42 |
198,2 |
|
Коэффициент фильтрации по оси Х |
0,01 |
1 |
0,1·10–3 |
0,01 |
|
Коэффициент фильтрации по оси Y |
0,01 |
1 |
0,1·10–3 |
0,01 |
|
Глубинный параметр неравномерности распределения дилатансии, м |
10·103 |
10·103 |
10·103 |
10·103 |
|
Удельный параметр неравномерности распределения дилатансии, 1/м |
5,33·10–6 |
0,13·10–3 |
0,18·10–3 |
5,72·10–5 |
|
Реологический модуль |
1000·1012 |
1000·1012 |
1000·1012 |
1000·1012 |
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.
1. Симонович О. С., Снежко В. Л., Козлов Д. В. Периодичность ремонта низконапорных грунтовых плотин для сохранения их уровня безопасности // Природообустройство. 2020. № 1. С. 59-64.
2. Водная стратегия Российской Федерации на период до 2035 года [Электронный ресурс]. М., 2025. URL: https://raww.ru/assets/modckeditor/default/0/novaya-vodnaya-strategiya-do-2035.pdf
3. Качаев А. Е., Турапин С. С. Обоснование необходимости разработки комплексных расчетных моделей грунтовых плотин мелиоративных систем // Наука и мир. 2024. № 3. С. 1-5.
4. Гайджуров П. П., Аль-Хадж М. А., Аль-Джабоби С. Ф. Метод конечных элементов в строительстве // Colloquium-Journal. 2019. № 27-1(51). С. 23-27.
5. Качаев А. Е., Турапин С. С. Особенности реконструкции земляных плотин мелиоративных систем // Наука и мир. 2024. № 3. С. 6-10.
6. Шкура В. Н., Шевченко А. В. Комплекс рыбоводных гидротехнических сооружений для рыбохозяйственной мелиорации эвтрофных водохранилищ // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2022. № 5. С. 95-106.
7. Ольгаренко Г. В., Турапин С. С., Каштанов В. В., Савушкин В.В., Гжибовский С.А., Абрамов В.В. Безопасная эксплуатация гидротехнических сооружений мелиоративного комплекса. Коломна: ИП Лавренов А.В., 2018. 228 с.
8. Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Анискин Н.А., Малаханов В.В., Бестужева А.С., Саинов М.П., Солдатов П.В., Толстиков В.В. Гидротехнические сооружения (речные): Учебник для высших учебных заведений. Часть 1. 2-е издание, исправленное и дополненное. – Москва: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2011. – 584 с.
9. Нестеров М. В. Гидротехнические сооружения: учебник. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва: ИНФРА-М, 2022. — 601 с.
10. Основания и фундаменты зданий и сооружений. Фундаменты при вибродинамических воздействиях. Правила проектирования: ТКП 45-5.01-264-2012. Введ. 28.05.12. – Минск: РУП «Стройтехнорм», 2012. – 114 с.
11. Сидоренко Д. А., Качаев А. Е. BIM-технологии в строительстве: что будет дальше? // Новые технологии в учебном процессе и производстве : Материалы XXI Международной научно-технической конференции, посвящённой 35-летию полета орбитального корабля-ракетоплана многоразовой транспортной космической системы "Буран", Рязань, 12–14 апреля 2023 года / Под редакцией А.Н. Паршина. – Рязань: Рязанский институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Московский политехнический университет" , 2023. – С. 490-492.
