Введение к работе
Актуальность проблемы. Социальный и технический прогресс немыслим сегодня без интенсивного освоения подземного пространства. Необходимость этого диктуется потребностями решения таких взаимосвязанных проблем, как энергетическая, экологическая, продовольственная, проблем развитии подземной инфраструктуры крупных городов и сооружения емких и надежных хранилищ. Строительство в подземной среде предъявляет специфические требования к научно-техническому обеспечению этого процесса и, в частности, к методам и средствам математического моделирования сооружении. Обусловлено это прежде всего своеобразием самого характера строительной деятельности, большим разнообразием влияющих на сооружение естественных п техногенных факторов, относительно высокой степенью неопределенности в их оценке. Данное обстоятельство определяет необходимость разработки широкого диапазона адекватных моделей, описывающих свойства различных грунтов, универсальных и эффективных методов их реализации.
Значительно более существенной, нежели для наземных объектов, является зависимость конструктивных параметров подземных сооружений от строительной технологии, обусловленная сложным характером взаимодействия крепи выработок с вмещающим грунтовым массивом. Это обстоятельство приводит к необходимости рассмотрения при моделировании всех характерных этапов строительства сооружения. Так как начальное состояние сооружения на каждом этапе определяется предшествующей историей его развития (генезисом), соответствующие задачи механики необходимо формулировать в классе расчетных схем с изменяющимися структурными параметрами. Поскольку напряженно-деформированное состояние (НДС) расчетной области при этом, в общем случае, оказывается нелинейной функцией ее структурных параметров, такие схемы уместно определить как структурно нелинейные, в отличие от традиционных схем мгновенного загружения.
Наиболее широкие возможности для исследования подземных сооружений представляет численное их моделирование на ЭВМ на базе расчетных схем механики сплошных и дискретных сред. Связанная с этим проблема разработки прикладного математического обеспечения ЭВЛ! значительно шире и сложнее, чем просто формализация в программах алгоритмов решения соответстнующего круга задач строительной механики, ибо включает наиболее трудные для алгоритмизации пред- и постпроцессорные этапы расчета — ввод данных в ЭВМ и графическое оформление результатов. Последние в значительной степени определяют возможности реализации многовариантного подхода при исследовании и надежность получаемых результатов. Эффективное решение указанной пробле-
мы сегодня достигается на основе системного подхода и широкого использования современных технических и математических средств машинной графики. В связи со все возрастающим объемом подземного строительства, сложностью и высокой ответственностью таких объектов, как подземные здания станций ГЭС и ГАЭС, важность этой проблемы имеет народнохозяйственное значение.
Решению данной проблемы была посвящена диссертационная работа, выполнявшаяся автором в НИСе Гпдропроекта им. С. Я. Жука с 1976 года в соответствии с плановыми научными темами, включенными ГКНТ СМ СССР в программы научно-технической проблемы 0.55.08: задание 06.01.Н7 (1975—1980 гг.), задание 06.01 (1981 — 1985 гг.), задание 01.03 (1986—1990 гг.), в которых автор принимал участие в качестве научного руководителя и ответственного исполнителя.
Целью работы являлось создание, на основе системного подхода, теоретических и методических основ численного моделирования статической работы сложных комплексов подземных гидротехнических сооружений в процессе их строительства и эксплуатации. Данная цель определила необходимость постановки и решения следующих основных задач:
-
Разработать универсальную методику моделирования подземных гидротехнических сооружений на базе расчетных схем с переменными структурными параметрами, позволяющую анализировать НДС сооружений при различных видах воздействий в строительный и эксплуатационный периоды, а также оценивать эффективность работы элементов дренажных и холодильных систем. Методика должна включать математические модели, 'адекватно описывающие механизм деформирования трещиноватых, анизотропных скальных и полускальных грунтов, условия контактного взаимодействия с грунтовым массивом конструкций крепей выработок при их проходке.
-
Разработать наиболее эффективные и универсальные для рассматриваемого класса расчетных схем алгоритмы решения физически нелинейных задач подземных гидротехнических сооружений.
-
Посредством численных экспериментов изучить закономерности деформирования скального массива в зоне расположения сооружении во взаимодействии с их конструкциями, а также разработать методику оценки общей устойчивости крупных подземных выработок и определения параметров их анкерной крепи.
-
Разработать гибкую и универсальную методику и математические средства автоматизации процедуры описания при вводе в ЭВМ расчетных схем сооружений и построения их цифровых моделей, а также алгоритмы графического отображения расчетных схем и результатов расчетов для плоских и пространственных стержневых систем и моделей механики сплошной среды с про-
изволыюй многосвязиоіі областью определения функции, эффективные при исследовании подземных сооружении.
5. Разработать теоретические и методические основы построения и развития автоматизированной системы научных исследовании (АСНИ) подземных гидротехнических сооружении па базе их численного моделирования.
Основная идея работы заключается в использовании системного подхода при решении комплекса проблем, связанных с разработкой автоматизированной технологии проведения численных экспериментов с математическими моделями подземных гидротехнических сооружений, охватывающей все этапы от формулирования задания ЭВМ до графического оформления результатов.
Методика исследований. В качестве базового для разработанной АСНИ принят метод конечных элементов (МКЭ). В основу численной схемы решения физически нелинейных задач положен метод начальных напряжений (МНН). Вычислительные алгоритмы строились универсальными как относительно моделей механики сплошных сред, так и стержневых систем, используемых при анализе НДС подземных гидротехнических сооружений.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Для получения корректного в общем случае решения задачи математического моделирования генезиса НДС подземных гидротехнических сооружений, рассматриваемых и виде системы массив—крепь, необходимо формулировать ее в классе структурно-нелинейных расчетных схем (СНРС), включающих строительный и эксплуатационный этапы. Наиболее специфическим из них является этап моделирования поля естественных напряжений в массиве. Использование традиционных расчетных схем, в которых данный этап совмещается со строительным, недопустимо.
-
При моделировании скальных грунтов, особенно в прикон-турной зоне выработок, необходимо учитывать возможность хрупкой формы разрушения пород. Использование для описания зоны контакта массива и крепи выработок идеально упруго-пластических моделей может привести к существенной погрешности в оценке НДС конструкций.
-
При моделировании разработки крупных выработок в средне- и сильнотрещиноватых скальных массивах основное внимание следует уделять учету возможности подвижек породных блоков по трещинам. Интенсивность таких подвижек в значительной степени зависит от морфологии трещин и структуры блочностн массива.
-
При решении физически нелинейных задач, связанных с исследованием подземных сооружений, достаточную для практики точность в большинстве случаев обеспечивает обычная мгновенная схема приложения нагрузки. Вместе с тем, в случаях выраженной структурной нелинейности задачи, например, при разры-
ве связей на контакте обделки с массивом в зоне «отлипания», отказ от шаговой схемы может привести к качественной ошибке.
Достоверность научных положений обоснована; результатами большого количества численных экспериментов с математическими моделями подземных сооружений, подтвержденными данными физических экспериментов, и совпадением полученных решений модельных задач с известными; удовлетворительным совпадением данных натурных наблюдений за состоянием строящихся подземных гидротехнических сооружений с прогнозными оценками, полученными на основе разработанных автором методик.
Научная новизна работы:
Обоснована необходимость введения в рассмотрение при решении задач расчета подземных гидротехнических сооружений принципиально нового типа расчетных схем — структурно-нелинейных, отражающих изменение структуры объекта в процессе воздействия на него. Показано, что в общем случае-корректная оценка состояния сооружения может быть получена только па базе таких схем.
Разработана универсальная методика численного моделирования подземных гидротехнических сооружений на базе СНРС механики сплошных сред, стержневых и комбинированных систем, позволяющая учитывать структурные изменения объекта исследования, обусловленные как строительным процессом, так и односторонним характером работы внутренних связей его элементов.
Разработаны математические модели скальных грунтов, позволяющие учитывать анизотропию массива, обусловленную как ослаблением его разпоориентированнымн системами трещин (дискретная анизотропия), так и непрерывным изменением прочностных свойств в различных направлениях (континуальная анизотропия).
Разработана методика оценки устойчивости и определения параметров анкерной крепи подземных гидротехнических сооружений, основанная па решении задачи контактного взаимодействия потенциально неустойчивых грунтовых образований с устойчивой частью массива.
Установлены характерные закономерности в статической работе подземных гидротехнических сооружений, обусловленные особенностями инженерно-геологической ситуации и конструкции крепления выработок.
Сформулированы основные концепции и методологические принципы построения крупных прикладных компьютерных систем, эффективных для проведения численных экспериментов с математическими моделями подземных гидротехнических сооружений.
Личный вклад автора заключается в:
разработке теоретических и методических основ конечно-эле-
мептной методики моделирования подземных гидротехнических сооружений в классе СНРС механики сплошных сред, стержневых и комбинированных систем, которая, в частности, включает математические модели скальных и полускальных трещиноватых сред и конструкций различных типов, піагово-нтерациоііпую схему МНН для решения физически нелинейных задач;
разработке методики оценки устойчивости крупных подземных выработок и определения параметров их анкерной крепи, основанной на решении задачи контактного взаимодействия потенциальных грунтовых призм обрушения с устойчивой частью вмещающего массива;
разработке концепций и основных информационных и функциональных компонент архитектуры АСНИ подземных гидротехнических сооружений от методик и языка формулирования пользователем различных заданий ЭВМ с уровня эскизного^представ-ления расчетных схем и макетов чертежей до алгоритмов решения характерных задач машинной графики сеточных методов исследования сооружений.
Практическая ценность работы определяется, прежде всего, созданной на основе выполненных научных исследований и разработок автора прикладном компьютерной системой — АСНИ-ПС, позволяющей решать широкий комплекс научных и инженер-пых задач в области проектирования и строительства подземных гидротехнических сооружении. Благодаря высокой степени автоматизации, обеспечиваемой средствами АСНИ-ПС, значительно увеличивается возможность проведения более углубленных И MIIO-говариантных исследований, надежность и наглядность получаемых результатов. Самостоятельную практическую ценность представляют также установленные закономерности в статической работе подземных гидротехнических сооружений; универсальный программный комплекс для решения широкого круга задач машинной графики сеточных методов; новые конструктивные решения крепей выработок на уровне изобретений.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использовались при проектировании и строительстве подземных сооружений многих крупных отечественных и зарубежных гидротехнических объектов. В частности, они нашли внедрение в проектах, разрабатываемых следующими организациями: Гидропроект— ГЭС Хоабинь (СРВ )и Тери (Индия); Ленгидропроект— Ирганайская ГЭС; Средазгпдропроект—Рогунская, Камбаратин-ская, Санктудипская ГЭС; Укргидропроект — Ташлыкская и Днестровская ГАЭС. Кроме того, в рамках договоров о международном сотрудничестве были выполнены также исследования для проектов: ГЭС Стратос (Греция), ГАЭС Чаира (Болгария) и ГАЭС Гольдисталь (ГДР). Полученные результаты нашли отражение в ведомственных строительных нормах Минэнерго СССР «Про-
ектирование обделок подземных машинных залов ГЭС, ГАЭС и других камерных выработок в гидротехническом строительстве» (ВСН 34-72-019-89).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладывались на различных научно-технических конференциях: Всесоюзная школа-семинар «МК.Э в механике деформируемых тел» (Кишинев, 1977; Рига, 1981; Киев, 1983), Всесоюзный семинар Минэнерго «Совершенствование проектирования и строительства подземных гидротехнических сооружений» (Ереван, 1977), Всесоюзная конференция «Современные методы и алгоритмы расчета и проектирования строительных конструкций с использованием ЭВМ» (Таллинн, 1979), Всесоюзное совещание Минэнерго «Совершенствование работ но технологии и механизации строительства подземных гидротехнических сооружений» (Москва, ВДНХ СССР, 1981), Всесоюзные тематические конференции «Практическая реализация численных методов расчета инженерных конструкций» (Ленинград, 1981, 1983), Всесоюзная научная конференция «Проблемы механики подземных сооружений» (Тула, 1982), Всесоюзный симпозиум «Численные и аналитические методы определения НДС горных массивов в задачах геофизики и геомеханики» (Тбилиси, 1982), Всесоюзная конференция «Методы и средства обработки сложно структурированных, семантически насыщенных графических документов» (Горький, 1983), Всесоюзная научная конференция «Автоматизация проектирования гидротехнических и водохозяйственных объектов» (Ленинград, 1983), Всесоюзные конференции по механике горных пород (Тбилиси, 1985, Фрунзе, 1989), «Проектирование и строительство подземных выработок» (Кембридж, 1984), «Численные методы в геомеханике» (Япония, Нагойя, 1985).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 45 опубликованных работах, в том числе — двух зарубежных.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 8 глав и заключения, включает 323 стр. машинописного текста, 166 рисунков, 16 таблиц и список использованной литературы из 207 наименовании работ отечественных и зарубежных авторов.
Настоящая работа не могла быть успешно завершена без творческого участия коллектива бывшего отдела (ныне лаборатории) подземных сооружений НИСа Гидропроекта, созданного и длительное время руководимого проф. Мостковым В. М. Автор считает своим долгом выразить здесь ему, а также всем сотрудникам лаборатории свою глубокую признательность за помощь в работе. По той же причине чувство глубокой благодарности побуждает автора отдать здесь дань уважения светлой памяти д. т. н. Р. А. Резникова.
