Белгородская область, Россия
Россия
УДК 626.31 Основные размеры живого сечения. Глубина канала. Ширина канала. Живое сечение. Средняя глубина воды. Подмостовые габариты
ГРНТИ 67.21 Инженерные изыскания в строительстве
ОКСО 08.00.00 Техника и технологии строительства
ББК 382 Изыскания и проектирование в строительстве
ТБК 5445 Гидротехническое строительство
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
В статье представлена методика численного моделирования для оценки устойчивости грунтовой плотины при различном заполнении водохранилища (в том числе при быстрой сработке водохранилища как случая, при котором плотина максимально нагружена различным динамическим воздействием водных масс). Методика численного моделирования напряженно-деформационно-фильтровального состояния грунтовой плотины в ПК PLAXIS 2D разработана с учетом различных условий нагружения объекта, в том числе при быстрой сработке водохранилища. По данной методике численные результаты порового давления Рactiv и коэффициента устойчивости kst при различных режимах работы грунтовой плотины (при различных фазовых состояниях плотины). Определены параметры коэффициента устойчивости для каждой из фаз, рассмотренных в исследовании
напряженно-деформационно-фильтрационное состояние, грунтовая плотина, поровое давление, кривая депрессии, грунт, гидротехническое сооружение
В настоящее время является актуальным вопрос о безопасном использовании и возможных методах реконструкции гидротехнических сооружений с большим сроком эксплуатации (более 25 лет). Однако необходимо отметить, что моделирование гидрологических процессов в таких сооружениях должным образом не проводится, а последующие работы в рамках проектов по их реконструкции малоэффективны и небезопасны [1]. В нашей стране большинство грунтовых плотин никогда не поддавались реальным наблюдениям, которые могли бы зафиксировать их состояние и проанализировать работоспособность сооружений. Отсутствуют надежные данные для сравнения с расчетами, такими как фильтрация, поровое давление в материале ядра и его откосах, осадки, смещения и др. [2]. Безопасностью эксплуатации, а также натурными наблюдениями за фильтрацией, поровым давлением, осадками и смещением плотины с ядром (высокими) стали заниматься в период строительства грунтовых плотин после 50‑х годов прошлого века. Среди ученых, занимающихся проблемами гидротехнических сооружений, можно отметить исследования: Н.А. Анискина [3], В.М. Никитина [4], М.Н. Леднева [5], С.С. Турапина [6–7]. Моделирование грунтовых плотин при их проектировании или обследовании на сегодняшний день невозможно без BIM-технологий в строительстве [8–10]. Подобные технологии помогают получить не только численные модели эксплуатируемых плотин, но и эффективно разработать методы по их реконструкции с учетом трехмерных особенностей грунтов. Целью исследования является разработка с помощью программного комплекса методики численного моделирования для оценки устойчивости грунтовой плотины при различном заполнении водохранилища (в том числе при быстрой сработке водохранилища). Исследование проблемы нестационарной фильтрации в условиях резкого падения уровня верхнего бьефа с акцентом на грунтовые плотины и дамбы было предметом анализа в работах как отечественных, так и зарубежных ученых [11–12]. Тематики исследований в этой области различны. Стоит отметить, что в этих работах обращается внимание на исследование состояний грунтовых плотин на различных грунтах, физико-механические характеристики которых моделируются в соответствии с определенными особенностями той или иной местности. В последние годы для анализа устойчивости откосов грунтовых плотин в различных ситуациях снижения уровня воды в водохранилище, включая задачи нестационарной фильтрации, активно используются численные методы. Среди них особенно выделяется метод конечных элементов (МКЭ) [13]. Методы и объект исследования. В работе представлены подходы и результаты численного анализа проблемы устойчивости откоса земляной плотины в условиях экстренной разрядки увеличенного объема водохранилища. Для расчетов использован программный комплекс PLAXIS 2D, применяющий мелкую расчетную сетку метода конечных элементов. Объектом моделирования является приведенная симметричная грунтовая плотина с ядром, показанная на рис. 1. Модель плотины, которая принята для исследования, имеет высоту 30 м, ширину в основании 172,5 м и ширину по гребню 5 м. Плотина для отработки методики принята состоящей из глинистого ядра и отсыпанных боковых призм (откосов). В основании гидротехнического сооружения залегает переуплотненный заиленный песок, условно названный подстилающим грунтом. Для нашей модели учтем его на глубине равной 30 м. Примем нормальную высоту уровня воды в водохранилище равной 25 м. 120 м 20 м 120 м 30 м 30 м 5 м 50 м 77,5 м 90 м 37,5 м Ядро Насыпная призма Подстилающий грунт
Рис. 1. Габаритно-расчетная схема решаемой задачи грунтовой плотины
Для подстилающего грунта используется модель Мора-Кулона и тип подстилающего грунта Drained – дренированный. Для этой модели важно учесть поведение неполностью водонасышенных грунтов выше уровня грунтовых вод. Поэтому выбирается для грунтов гидравлическая модель Ван Гинухтена [14]. Физико-механические свойства подстилающего грунта (легкий суглинок с плотностью 1700 кг/м3) представлены в табл. 1, 2‑я колонка. Для насыпных откосов также используется модель Мора-Кулона и тип поведения Drained – дренированный. Зададим механические, физические и фильтрационные параметры (табл. 1, 3‑я колонка). Материал условно относится к суглинкам со средней плотностью 1600 кг/м3 . Для ядра плотины используется модель Мора-Кулона и тип поведения Undrained (В) – недренированное. Модуль деформации и сопротивление не дренированному сдвигу ядра изменяется с глубиной. Для этого задается приращение этих параметров (табл. 1, 4‑я колонка). Условный грунт для расчета принимаем в виде переуплотненного суглинка со средней плотностью 2200 кг/м3 . Для получения достоверных результатов в разрабатываемой методике в соответствии с возможностями ПК PLAXIS 2D моделируется напряженно-деформационное состояние плотины с различными фильтрационными показателями. Точность результатов расчета при помощи МКЭ достигается правильной разбивкой объекта по расчетной сетке. Численное моделирование напряженно-деформационного и фильтрационного состояния производится по всей площади модели, однако произвольная точка необходима для построения в дальнейшем графика зависимости коэффициента запаса устойчивости плотины kst от полного перемещения в ядре дамбы. Так образуется последовательно построенная плоская модель в КЭ, которая учитывает различные физико-механические характеристики грунтов по модели Ван Генухтена [14].
Основная часть. Исследуемыми функциями, которые определяют устойчивость грунтовых плотин во времени, будем считать величины порового давления Рactiv для четырех случаев фильтрации воды через гидротехническое сооружение, а также состояние грунтов, характеризующееся кривой депрессии. Рассматриваемые случаи представлены фазами: ● фаза 1 – с установившимся состоянием при высоком уровне воды в водохранилище; ● фаза 2 – с быстрым понижением уровня воды при быстрой сработке водохранилища (нестационарный режим, продолжительность 5 сут); ● фаза 3 – с медленным понижением уровня воды (нестационарный режим, продолжительность 50 сут); ● фаза 4 – с установившимся состоянием при низком уровне воды в водохранилище.
Представлено распределение порового давления в фазе с установившимся состоянием при высоком (обычном) уровне воды в водохранилище. Здесь значение порового давления выше уровня грунтовых вод – положительно. При численном моделировании в ПК PLAXIS 2D для этой области произведен учет всасывания и построена кривая депрессии. По полученной кривой видим, насколько тело плотины находится в безопасных условиях в случае пучения грунтов от промерзания, а также для подсчета коэффициента запаса на устойчивость низового откоса. Максимальное поровое давление Рactiv определяется в нижних слоях подстилающего грунта со стороны водохранилища и составляет 589 кН/м2 . В фазе, показанной на рис. 2б и связанной с быстрым понижением уровня воды, после небольшого спада видно, что в объеме проницаемого тела в глинистом ядре образовалась локальная кривая депрессии из-за низких значений коэффициента фильтрации. Это связано с разностью скоростей сработки водохранилица и фильтрации в (нефильтруемом) ядре плотины. Результаты численного моделирования, полученные по данной фазе, соответствуют выводам исследований, опубликованным авторами в работах [3–5]. Для этой фазы максимальное поровое давление Рactiv определяется в нижних слоях подстилающего грунта под внутренним откосом плотины и равно 511 кН/м2 .
|
Наименование параметра |
Обозна- чение |
Величина |
|
Удельный вес грунта при естественной влажности, кН/м3 |
|
17.000 |
|
Удельный вес грунта в водонасыщенном состоянии, кН/м3 |
|
21.000 |
|
Начальный коэффициент пористости |
|
0,500 |
|
Эффективный модуль Юнга, кН/м2 |
|
50·103 |
|
Коэффициент относительной поперечной деформации (коэффициент Пуассона) |
|
0,300 |
|
Модуль сдвига, кН/м2 |
G |
19.230·103 |
|
Касательный одометрический модуль деформации, кН/м2 |
|
6.730 ·103 |
|
Параметр референсного давления, кН/м2 |
|
1.000 |
|
Угол внутреннего трения, рад |
|
35.000 |
|
Угол дилатансии, рад |
|
5.000 |
|
Скорость прохождения поперечных волн, м/с |
|
105.300 |
|
Скорость прохождения продольных волн, м/с |
|
197.100 |
|
Коэффициент фильтрации по оси Х |
|
0.010 |
|
Коэффициент фильтрации по оси Y |
|
0.010 |
|
Глубинный параметр неравномерности распределения дилатансии, м |
|
10.00 ·103 |
|
Удельный параметр неравномерности распределения дилатансии, 1/м |
|
5.33 ·10-6 |
|
Реологический модуль |
|
1000 ·1012 |
Рассмотрим изменение порового давления для фазы медленного понижения уровня воды. В этом случае из-за замедленного понижения уровня воды в левой части в ядре плотины образуются двухскатная кривая депрессии. Такая картина является характерной для такого поведения грунтов плотины и связана с непроницаемостью материала ее ядра (рис. 2в). Кривая депрессии в зоне ядра плотины будет иметь два функциональных разрыва – они соответствуют основным законам фильтрации за пределами применения закона Дарси [1]. Максимальное поровое давление Рactiv в нижних слоях подстилающего грунта равно 472 кН/м2 . На рис. 2г показано распределение порового давления Рactiv при низком уровне воды. Область синего цвета в ядре плотины связана с высоким значением давления всасывания. При этом необходимо заметить, что уровень воды может быть более плавным, если для расчета в ПК PLAXIS 2D измельчить сетку в ядре. Апроксимированная кривая депрессии имеет линейный характер, поровое давление Рactiv в грунтах распределяется пропорционально значениям кривой депрессии. Верхняя часть плотины обозначена в синей цветовой гамме, так как находится в разгруженном состоянии (здесь среднее поровое давление Рactiv составляет 47 кН/м2 ). Максимальные значения порового давления Рactiv в желто-красной зоне подстилающего грунта составляют 285…350 кН/м2 .
Особое внимание в исследовании уделяется тому, как меняется коэффициент устойчивости плотины при различных фазах. Для того чтобы посмотреть на это изменение построим график зависимости коэффициента устойчивости плотины от полного перемещения в водонепроницаемом ядре дамбы (рис. 3). Для этого определяем суммарный коэффициент устойчивости гидротехнического сооружения. Из графика видно, что для всех фаз коэффициент устойчивости плотины обеспечивается, что позволит плотине работать и находится в состоянии эксплуатационной надежности. Такие результаты в представленной методике по оценки устойчивости грунтовых плотин на основе формирования напряженно-деформационно-фильтрационной модели говорят о том, что цель настоящего исследования достигнута. Исследование проведено на основе полученных численных значений функций отклика, заявленных в работе для гидротехнического сооружения подобного типа в соответствии с представленным подходом моделирования различных схем нагружения ГТС. Выводы. Разработана методика численного моделирования напряженно-деформационно-фильтровального состояния грунтовой плотины в ПК PLAXIS 2D с учетом различных условий нагружения объекта, в том числе при экстренной сработке водохранилища. Получены численные результаты порового давления Рactiv и коэффициента устойчивости kst при различных режимах работы грунтовой плотины (при различных фазовых состояниях плотины).
Рис. 2. Активное поровое давление Рactiv и кривая депрессии: a – фаза 1; б – фаза 2; в – фаза 3; г – фаза 4
Рис. 3. График зависимости коэффициента устойчивости плотины от полного перемещения в ядре дамбы: 1 – фаза 1; 2 – фаза 2; 3 – фаза 3; 4 – фаза 4
Определены параметры коэффициента устойчивости для каждой из фаз, рассмотренных в исследовании: в статическом состоянии грунтовые плотины с величиной уровня в верхнем бьефе 20 м и более должны быть обеспечены высоким коэффициентом устойчивости (выше средних значений kst=1,25…1,65 [13], или проектироваться в сочетании с каменно-бетонными материалами). Результаты численного моделирования подтверждены ранее проведенными исследованиями, которые указаны в ссылках основного текста представленного исследования.
1. Гришин М., Слисский С., Антипов А., Воробьев Г., Иванищев В., Орехов В., Пашков Г., Поспелов В., Рассказов Л. Гидротехнические сооружения: Часть 1. Москва: Высшая школа. 1979. - 615 с.
2. Reinius E. The stability of the upstream slope of earth dams. Stockholm, 1948. 120 p.
3. Анискин Н.А., Сергеев С.А. Устойчивость откоса грунтовой плотины при сработке водохранилища // Строительство: наука и образование. 2022. Т. 12. Вып. 3. Ст. 1. – C. 6-17. DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2022.3.1
4. Никитин В.М. Долгосрочный прогноз осадок каменно-набросных плотин. Тр. Ташкент ин-та инж. ирригации и механиз. с. х. 1973. Вып. 55. - С. 118–121.
5. Леднев М.А., Шашкова Э.Г., Сатановский С.Г. Результаты натурных наблюдений за напряженно-деформируемым состоянием плотины Чарвакской ГЭС в строительный период // В сб. 3-е Науч.-техн. совещ. Гидропроекта по подведению итогов научн. исслед. работ в обл. энерг. и водохоз. Стр-ва за девятую пятилетку и рассмотрению задач десятой пятилетки. 1976. Тезисы докл. и сообщ.Ч.1. М. 1976. - С. 112 – 114.
6. Турапин С. С., Савушкин С. С., Каштанов В. В. Эксплуатация гидротехнических сооружений мелиоративного комплекса Минсельхоза России // Экология и строительство. – 2018. – № 2. – С. 19-26. – DOIhttps://doi.org/10.24411/2413-8452-2018-10003.
7. Турапин С. С., Ольгаренко Г. В. Методические рекомендации по правилам эксплуатации мелиоративных систем и отдельно расположенных гидротехнических сооружений. – Коломна: ИП Воробьев О.М., 2015. – 68 с.
8. 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.
9. Хитров Я. И., Качаев А. Е. Использование BIM-технологий для объекта промышленного назначения при реконструкции одного из его действующих производств // New Technologies. Science, Engineering, Pedagogics: Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Proceedings of the All-Russian scientific-practical conference». – Москва: Московский Политех, 2024. – С. 293-298.
10. Сорока В. В., Качаев А. Е. Информационное моделирование зданий и сооружений как инструмент снижения рисков инвестиционного строительства // Вестник Коломенского института (филиала) Московского политехнического университета: Сборник научных трудов. – Москва: Московский политехнический университет, 2024. – С. 341-346.
11. Muskat M. The Seepage of Water Through Dams with Vertical Faces // Physics. 1935. Vol. 6. Issue 12. Pp. 402–415. DOI:https://doi.org/10.1063/1.1745284
12. Шестаков В.М. Некоторые вопросы моделирования неустановившейся фильтрации // Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений. 1956. № 2. – C.78-82.
13. Aniskin N.A., Antonov A.S. Development geo-seepage models for solving seepage problems of large dam’s foundations, on an example of ANSYS Mechanical APDL // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 1079–1080. Pp. 198–201.
14. Шестаков В.М. Фильтрационный расчет земляных плотин и перемычек при колебании бьефов // Гидротехническое строительство. 1953. № 7. С. 36–39.
