Прогнозное математическое моделирование напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин и массивов

1/2006

ПРОГНОЗНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН И МАССИВОВ

В.В. Орехов

идротехнические сооружения вследствие возможности катастрофических последствий при разрушении предъявляют повышенные требования к их надежности, которые учитываются соответствующими нормами при проектировании.

Однако, сложность процессов, определяющих характер работы гидросооружений совместно с природными основаниями и пока еще недостаточно изученных, естественное старение гидросооружений в течение длительного периода их эксплуатации и возможное развитие неблагоприятных процессов во времени требует постоянного контроля за работой сооружений и оценки их безопасности.

В соответствии со ст.9 Федерального закона "О безопасности гидротехнических сооружений" [1] и методики определения критериев безопасности гидротехнических сооружений [2] оценку эксплуатационного состояния сооружения и его безопасности следует осуществлять путем сравнения измеренных диагностических показателей с их критериальными значениями, установленными на стадии проектирования сооружения и откорректированными на стадии эксплуатации сооружения.

Проектное обоснование прочности и устойчивости гидротехнических сооружений и их оснований должно быть выполнено из условий

недопущения предельных состояний [3]. При этом состав и критериальные значения диагностических показателей следует определять на основе анализа ряда параметров, в том числе и результатов расчетов напряженно-деформированного состояния единой системы "сооружение-основание".

Таким образом, для всех стадий "жизни" гидротехнического сооружения (проектирование, строительство и эксплуатация) должны быть разработаны прогнозные математические модели, отражающие реальное поведение сооружения.

Гидротехнические сооружения, в том числе и из местных строительных материалов, взаимодействующие с грунтовым основанием или вмещающим массивом, являются уникальными и требуют для создания их адекватных математических моделей привлечения всей мощи современной вычислительной техники и научных знаний при жесткой увязке результатов численного моделирования и данных натурных наблюдений.

Прогнозная математическая модель любого сооружения включает в себя, как правило: объемную инженерно-геологическую модель грунтового массива, взаимодействующего с сооружением; объемную геометрическую модель сооружения (или группы сооружений); модель геотехнических свойств грун-

1/2006

В.В.Орехов

Ль

тов; расчетную модель системы "сооружение - грунтовый массив", конкретизирующую постановку рассматриваемой краевой задачи; вычислительную программу, реализующую метод конечных элементов и настроенную на решение поставленной краевой задачи.

После создания прогнозная модель сооружения проходит тестирование и корректировку по имеющимся данным натурных наблюдений и используется для оценки предельных состояний сооружения и мониторинга его работы.

Весь путь от создания до использования прогнозных математических моделей напряженно-деформированного состояния объектов гидротехнического строительства при максимально возможном учете природных и технологических факторов был рассмотрен нами на примере каменно-земляной плотины гидроузла Хоабинь (СРВ) [4] и подземных выработок ГЭС Тери (Индия) [5].

Созданные и верифицированные по данным натурных наблюдений объемные математические модели позволили: обосновать слож-

ный характер деформирования ка-менно-земляной плотины гидроузла Хоабинь в первые 10 лет эксплуатации, а также дать математический прогноз ее поведения в последующие годы эксплуатации; обосновать схему поэтапного укрепления выработок дисковых затворов и монтажа облицовки и проходки выработок водоводов ГЭС Тери для обеспечения устойчивости скального массива.

В этих работах при построении объемных моделей геологической среды и сооружений (рис.1 - рис.3) была использована технология твердотельного моделирования, позволяющая создавать сложные геометрические модели с наиболее полным учетом конструктивных особенностей сооружений и инженерно-геологического строения основания или вмещающего массива.

В качестве дополнительного преимущества использования технологии твердотельного моделирования необходимо отметить возможность "сквозного" проектирования, т.е. использование твердотельной модели сооружения для выпус-

Рис.1. Расчетная модель плотины Хоабинь. о - местоположение планово-высотных марок на гребне плотины

В.В.Орехов 1/2006

Рис. 2 Объемная геологическая модель участка скального массива, вмещающего выработки

машинного и трансформаторного залов ГЭС Тери. 1, 1а, 2а, 2б - зоны сохранности пород. 6,10, 37,40,41,49,60,113,124 - следы номерных трещин

ÏHVC

Рис. 3 Конечно-элементная модель выработок дисковых затворов (BVC) и монтажа облицовки (PAC) ГЭС Тери. 2а, 2б, 3а, 3б - зоны сохранности скальных пород. 40,58,60 - следы номерных

трещин на поверхности выработок

ка рабочих чертежей и выполнения расчетных исследований его напряженно-деформированного состояния по вычислительным программам реализующим метод конечных

элементов.

Для решения поставленных задач был использован комплекс вычислительных программ "Земля", разработанный на основе метода конечных элементов и современных положений механики грунтов и

предназначенный для решения широкого круга задач геомеханики [6].

В основу алгоритма расчета положено численное решение полной системы дифференциальных уравнений теории динамической консолидации грунтов М.Био. Для скелета грунта в качестве уравнений состояния используются неголоном-ные соотношения теории пластического течения с упрочнением (модель Ю.К.Зарецкого [7]).

1/2006

При решении статических задач используются методики позволяющие учитывать технологию строительства (отрыв котлована, поэтапность возведения сооружения или разработку выработки, замену или "улучшение" свойств грунта, установку предварительно напряженных анкеров и т.д.).

Так как используемая в расчетах математическая модель грунта позволяет устанавливать связь между напряжениями и деформациями в области предельного состояния грунта, то непосредственно при расчетах напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов можно перейти к оценке их предельных состояний. При этом разрушение массива (грунтовой плотины, вмещающего скального массив или грунтового основания) происходит только в том случае, когда в предельное состояние переходит область грунта, имеющая свободную поверхность. Признаком разрушения является прогрессирующий характер накопления пластических деформаций в зонах предельного состояния грунта.

Преимуществом используемого подхода является возможность в рамках единой расчетной схемы проводить оценку предельных состояний грунтовых массивов по двум группам предельных состояний, т.е. оценивать как общую его устойчивость, так и перемещения различных частей сооружения.

В.В.Орехов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральный закон " Обезо-пасности гидротехнических сооружений". - Собрание законодательства РФ. - 1997. - N30. - ст. 3589.

2. Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений. - РД 153-34.221.342-00. - М.: РАО "ЕЭС России". -2001. - 22с.

3. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. - М. -1987. - 32с.

4. Владимиров В.Б., Зарецкий Ю.К., Орехов В.В. Математическая модель мониторинга каменно-зем-ляной плотины гидроузла Хоабинь.

- Гидротехническое строительство.

- 2003. - N6. - с.47-52.

5. Орехов В.В., Зарецкий Ю.К., Финк А. К. Исследование напряженно-деформированного состояния скального массива, вмещающего камерные выработки ГЭС Тери, на основе прогнозного математического моделирования. - Гидротехническое строительство.- N8. -2003. -с.46-50.

6. Орехов В.В. Комплекс вычислительных программ "Земля-89". -Межвузовский сборник "Исследования и разработки по компьютерному проектированию фундаментов и оснований". - Новочеркасск. - 1990. -с.14-20.

7. Зарецкий Ю.К. Лекции по современной механике грунтов.: Издательство Ростовского университета.

- 1989. - 608с.