Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Развитие теории и методов решения задач фильтрации и теплопроводности в гидротехнике
1.1. Развитие теории фильтрации 14
1.2. Решение фильтрационных задач в области гидротехники и гидромелиорации 21
1.3. Методы решения температурных задач 39
1.4. Выводы по главе 1 46
Глава 2. Численное решение фильтрационных и температурных задач на основе метода конечных элементов 48
2.1. Математические основы фильтрационно-температурных задач 48
2.2. Основные теоретические положения решения фильтрационных задач 50
2.3. Теоретические основы решения задач теории теплопроводности 58
2.4. Совместная температурно-фильтрационная задача 61
2.5. Метод конечных элементов в локально-вариационной постановке 63
2.6. Выводы по главе 2 73
Глава 3. Фильтрационный режим плотин и оснований 75
3.1. Фильтрационный режим системы «плотина-основание»... 75
3.1.1. Плоская и пространственная фильтрационные задачи на примере плотины Юмагузинского гидроузла 76
3.1.2. Математическая модель фильтрационного режима системы «плотина-основание» на примере Сангтудинского гидроузла 121
3.1.3. Фильтрация склона напорных водоводов и ограждающей дамбы Загорской ГАЭС-2 172
3.2. Фильтрационные задачи в нелинейной постановке (на примере взрывонабросной плотины Камбаратинского гидроузла) 217
3.3. Фильтрация в трещиноватых скальных основаниях на примере плотины Бурейской ГЭС 229
3.4. Неустановившаяся фильтрация в грунтовых плотинах и основаниях 254
3.4.1. Постановка задачи и обзор развития методов решения нестационарных фильтрационных задач 254
3.4.2. Фильтрационный режим земляной плотины 260
3.4.3. Решение нестационарной фильтрационной задачи
на примере отсечной дамбы Северной ПЭС 266
3.5. Выводы по главе 3 291
Глава 4. Температурный режим гидросооружений 293
4.1. Температурный режим бетонных плотин 293
4.1.1. Влияние технологических факторов на формирование температурного режима в строительный период 293
4.1.2. Температурный режим гравитационных плотин из укатанного бетона 309
4.2. Температурный режим каменнонабросной плотины с асфальтобетонной диафрагмой (на примере плотины Богучанского гидроузла).
4.3. Выводы по главе 4 336
Глава 5. Фильтрационно-температурный режим плотин и их оснований . 339
5.1. Исследования фильтрационно-температурного режима грунтовых плотин и оснований 339
5.2. Температурно-фильтрационный режим грунтовой плотины и ее основания на примере плотины Курейской ГЭС 343
5.3. Выводы по главе 5 393
Общие выводы 396
Литература 399
- Решение фильтрационных задач в области гидротехники и гидромелиорации
- Теоретические основы решения задач теории теплопроводности
- Фильтрационные задачи в нелинейной постановке (на примере взрывонабросной плотины Камбаратинского гидроузла)
- Температурный режим гравитационных плотин из укатанного бетона
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время планами развития гидроэнергетики и других отраслей водного хозяйства России предусматривается строительство ряда гидроузлов, включающих в свой состав водоподпорные сооружения или плотины различных конструкций. Такие конструкции практически всегда являются весьма ответственными с экономической, социальной и экологической точек зрения. Методы оценки надежности и безопасности гидротехнических сооружений во многом зависят от правильного определения действующих нагрузок и воздействий.
Как правило, каждая плотина является по-своему уникальным сооружением, включающим в свой состав различные конструктивные элементы (например противофильтрационные экраны, ядра из глинистых грунтов, противофильтрационные элементы из негрунтовых материалов –экраны и диафрагмы из бетона, железобетона, асфальтобетона, дренажи, переходные зоны и т.д.). Часто плотина возводится в сложных инженерно-геологических условиях, и ее основания и борта представляют собой весьма разнородную по фильтрационным свойствам структуру, часто с явно выраженной анизотропией свойств, с присутствием в ней трещин, разломов, зон повышенной проницаемости и т.д.. Топография створа строительства, посадка в нем сооружения, система противофильтрационных мероприятий в основании и бортах сооружения часто вызывают сложный пространственный характер фильтрационного потока.
Помимо воздействия фильтрационного потока, гидротехническое сооружение и его основание подвержены температурным воздействиям. В строительный период основным фактором, влияющим на формирование температурного режима бетонных сооружений является экзотермия цемента. Формирование температурного режима бетонного сооружения представляет собой очень сложный, постоянно изменяющийся во времени процесс. Он начинается с момента укладки первого блока или слоя, на которые разбита массивная конструкция и продолжается в эксплуатационный период. Непрерывное изменение температуры бетонного сооружения вызывает изменение его напряженного и деформированного состояния. Трещинообразование в бетоне является наиболее опасным последствием температурных воздействий, которое может вызвать аварийную ситуацию. Даже для плотин из укатанного бетона, несмотря на существенное снижение расхода цемента, проблема температурного трещинообразования стоит достаточно остро. Все это говорит о необходимости расчетного прогноза поведения конструкции на температурное воздействие.
Весьма важной является задача прогнозирования фильтрационно-температурного режима системы «грунтовая плотина – основание» применительно к сооружениям, возводимым в условиях вечной мерзлоты. Вопросы обеспечения устойчивости и надежности таких сооружений невозможно решать без четкого представления о фильтрационном и температурном режимах плотин и их оснований. Отепляющее воздействие фильтрационного потока может вызвать нежелательное чрезмерное оттаивание грунтов, что в свою очередь вызовет увеличение проницаемости плотины и основания и утечкам воды из водохранилища, появление зон локальной усиленной фильтрации, увеличение пористости и осадок сооружения. Примером такого проявления может служить ситуация на плотине Курейской ГЭС, хотя ее первопричиной являются скорее всего технологические факторы. Очевидно, что прогноз фильтрационно-температурного режима должен постоянно вписываться в процесс проектирования, так как при принятии проектных решений необходимо учитывать результаты таких расчетов и при необходимости вносить коррективы в проект.
Все вышесказанное говорит о необходимости проведения тщательных исследований фильтрационного, температурного и, в необходимых случаях, совместного фильтрационно-температурного режимов плотин с основанием.
Целью диссертационной работы явились:
разработка методики решения фильтрационных, температурных и температурно-фильтрационных задач применительно к системе «плотина-основание» с учетом пространственности, неоднородности и нелинейности свойств материалов плотины и основания, возможной анизотропии и нестационарности процесса;
создание численных фильтрационных и температурно-фильтрационных моделей гидротехнических сооружений и их оснований;
анализ влияния отдельных факторов на формирование фильтрационного и температурного режимов плотин и их оснований.
Основные задачи исследований:
разработка методики, алгоритмов и вычислительных программ расчета на ПЭВМ фильтрационного, температурного и температурно-фильтрационного состояния плотин и оснований с учетом факторов пространственности, нелинейности свойств и нестационарности процесса;
тестирование разработанной методики и программ расчета на основе сравнения результатов расчета с результатами имеющихся аналитических решений, решений по уже апробированным методикам, результатами экспериментальных исследований и натурных наблюдений;
создание численных моделей фильтрационного, температурного и температурно-фильтрационного состояний плотин совместно с их основаниями с целью прогноза и дальнейшего анализа влияния отдельных факторов на формирование и изменения состояний сооружений.
Научная новизна работы состоит:
в разработке методики численного решения пространственных фильтрационных, температурных и совместных фильтрационно-температурных задач для сложных расчетных областей, включающих плотину с основанием и бортовыми примыканиями с учетом нелинейности свойств и нестационарности процесса;
в полученных результатах численных исследований систем «плотина-основание» применительно к реальным гидротехническим объектам с выводами о работе сооружения и рекомендациями по его конструктивным элементам.
Достоверность научных результатов подтверждена:
результатами решения ряда тестовых задач, имеющих точное аналитическое решение;
сравнением результатов, полученных по разработанной методике с результатами других ранее апробированных методов;
сравнением результатов численных исследований Юмагузинского, Сангтудинского, Курейского гидроузлов с данными натурных наблюдений.
Практическое значение работы и полученных результатов заключается:
в разработке и внедрении метода расчета фильтрационных, температурных и совместных температурно-фильтрационных задач и на его основе создание пространственных математических моделей системы «плотина-основание», учитывающих природные и инженерно-геологические условия, конструктивные особенности сооружений и технологию их возведения;
в разработке комплексов вычислительных программ «FILTR» и «TERMIC» на базе метода конечных элементов для решения фильтрационных, температурных и совместных задач;
в создании численных моделей фильтрационных режимов плотин совместно с основаниями применительно к следующим гидроузлам: Бурейскому, Камбаратинскому, Юмагузинскому, Сангтудинскому, Загорской ГАЭС-2, температурно-фильтрационной модели и прогнозу работы для плотины Курейской ГЭС, в решении задач по прогнозу нестационарных фильтрационных режимов ограждающих дамб Северной и Мезенской ПЭС;
в использовании результатов численных исследований фильтрационных и температурных режимов гидроузлов в практике проектирования и строительства.
Апробация работы Основные положения методики и результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях:
- на научно-технических конференциях МИСИ-МГСУ;
- на Всесоюзном координационном совещании «Прочность и температурная трещиностойкость бетонных гидротехнических сооружений при температурных воздействиях, г. Нарва, 1989;
- на второй, третьей и четвертой научно-технических конференциях «Гидроэнергетика, новые разработки и технологии» в 2006, 2007 и 2008 годах в г. Санкт-Петербурге.
Личный вклад автора Диссертантом непосредственно разработана методика решения фильтрационных, температурных и совместных задач в плоской и пространственной постановках, методика реализована в программных вычислительных комплексах. Проведены численные исследования по Бурейскому, Камбаратинскому, Юмагузинскому, Сангтудинскому, Загорской ГАЭС-2, Курейской ГЭС, решены задачи по прогнозу нестационарных фильтрационных режимов ограждающих дамб Северной и Мезенской ПЭС. Сделан анализ влияния технологических факторов на температурный разогрев бетонного массива при его возведении. Проведены численные расчеты температурных режимов гравитационных плотин из укатанного бетона плотин Хлонг Та Дат (Тайвань) и Шон Ла (Вьетнам) в строительный и эксплуатационный периоды, позволившие дать оценку эффективности принятых параметров возведения.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 16 научных работах, в том числе 9 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК: в журнале «Гидротехническое строительство» -6, сборнике «Вестник МГСУ» -2, в журнале «Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века» -1. Основные положения методики и некоторые результаты исследований помещены в учебник «Гидротехнические сооружения» (издательство АСВ, 2008 год).
На защиту выносятся:
методика численного решения пространственных фильтрационных, температурных и температурно-фильтрационных задач с учетом множества действующих факторов;
разработанные алгоритм и комплекс вычислительных программ по решению фильтрационных, температурных и совместных температурно-фильтрационных задач с учетом неоднородности, анизотропии и нелинейности свойств, пространственного характера и нестационарности процессов;
численные математические модели фильтрации и на их основе анализ работы сооружений и противофильтрационных элементов, выполненные для Бурейского, Камбаратинского, Юмагузинского, Сангтудинского гидроулов, Загорской ГАЭС-2, температурно-фильтрационная модель и прогноз работы на перспективу плотины Курейской ГЭС, результаты решения задач по прогнозу нестационарных фильтрационных режимов ограждающих дамб Северной и Мезенской ПЭС.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 415 страниц, из них 244 страницы текста, список литературы состоит из 272 наименований.
Решение фильтрационных задач в области гидротехники и гидромелиорации
Это предположение породило много споров и многие исследователи считают, что начальный градиент отсутствует и при J J0 имеет место нелинейный закон фильтрации.
Как уже отмечалось, закон Дарси стал основой -исследований в области фильтрации. Впервые теоретические исследования фильтрации на основе данного закона были начаты Ж.Дюпюи. Более сложные задачи позднее рассмотрел Ф.Форхгеймер.
Однако общей целостной теории фильтрации не было до 1889 года. Первая работа в этом направлении, носившая название «Теоретические исследования о движении подпочвенных вод» была написана выдающимся русским аэродинамиком Н.Е. Жуковским /98/. До сих пор при рассмотрении фильтрации жидкости не учитывались внешние массовые силы (в том числе и силы инерции). Уравнение движения жидкости по выдвинутой Н.Е. Жуковским гипотезе получается добавлением к действующим на нее массовым , силам и градиенту давления распределенную по объему силу сопротивления, которая определяется местной скоростью фильтрации. Так, для фильтрации в поле силы тяжести получим:
В 1922 году теория фильтрации получила новый толчок в своем развитии благодаря работе Н.Н. Павловского «Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные приложения»/154/. Этот труд послужил фундаментом для дальнейшего интенсивного развития гидротехнического направления фильтрационной теории.
В последующие годы развитие теории фильтрации и методов фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений проходило весьма интенсивно в связи с масштабным гидроэнергетическим и гидромелиоративным строительством как в СССР, так и в других странах мира.
В 30-е годы прошлого столетия стала быстро развиваться и получила широкое практическое применение гидравлическая теория фильтрации, которая базируется на работах XIX века - Дюпюи, Форхгеймера и Буссинеска. Эта теория основывается на осреднении гидродинамических параметров фильтрационных потоков (напора, скорости фильтрации) по вертикальным сечениям потоков или по вертикалям (нормалям) к поверхностям пластов. Развитие этой теории двигалось по нескольким направлениям, связанным с решением определенного класса фильтрационных задач, например: 1) одномерная неравномерная установившаяся фильтрация; 2) плановая задача теории установившейся фильтрации; 3) плановая задача установившейся фильтрации в неоднородных пластах и в пластах переменной мощности, в искривленных и слоистых пластах и т.д.
Одномерной задачей фильтрации можно считать случай, когда гидродинамические характеристики фильтрационного потока (напор или скорость) являются функциями одной координаты, в общем случае криволинейной. Решение задач этого класса основаны на использовании понятия «плавно изменяющейся фильтрации», при которой линии тока имеют весьма малую кривизну и весьма малое расхождение. При этих условиях живые сечения потока близки к плоским и будут почти параллельными. При таких условиях градиенты напора, а, следовательно, и скорости при постоянстве коэффициентов фильтрации, будут почти одинаковы для всех линий тока. Это положение лежит в основе известного уравнения Дюпюи, используя которое некоторыми исследователями и Форхгеймером Ф. были решены некоторые частные задачи фильтрации. В 1881 году Форхгеймером Ф., с именем которого связаны первые исследования плановой задачи теории установившейся фильтрации в однородных пластах, был введен постулат о постоянстве пьезометрического напора по вертикалям при безнапорном режиме фильтрации. Этот постулат и сегодня используется при определении пьезометрического напора или глубины фильтрационного потока в случае плановой задачи теории установившейся фильтрации.
Использование гидравлической теории установившейся фильтрации нашло развитие в работах Павловского Н.Н. /155/ (1930), Каменского Г.Н./109/ (1938), Саваренского Е.Ф./183/ (1936), Веригина Н.Н. /67/ (1950), Полубариновой-Кочиной П.Я./167/ (1952), Биндемана Н.Н. /47/ (1951), Недриги В.П. /140/(1947), Бочевера Ф.М. /60/ (1959) и др.
Необходимо отметить, что теория фильтрации рассматривает весьма разнообразные задачи: например, фильтрацию многофазных жидкостей (смеси нефти, воды и газа или воды и воздуха), фильтрацию в деформируемых пористых средах, но подобные задачи в данной работе не рассматриваются.
С середины прошлого века в гидродинамической теории фильтрации и ее приложениях используются методы теории вероятностей и математической статистики. Следует отметить тот факт, что основные понятия теории фильтрации (скорость фильтрации, пористость и проницаемость среды и т.д.) по существу имеют статистический характер.
Теоретические основы решения задач теории теплопроводности
В том случае, если условие (2.50) не выполняется, данный элемент находится выше кривой депрессии и его коэффициенты фильтрации Кх, Ку, Kz принимаются равными нулю, то есть элемент исключается из расчетной области. Проверка условия (2.50) в элементах расчетной области производится многократно при уменьшении текущего шага приращения напоров, в результате чего область выше депрессионной поверхности исключается из расчета. В процессе последовательного приближения депрессионной поверхности к ее истинному положению в узлах, расположенных на низовом откосе плотины между точкой высачивания и уровнем нижнего бьефа, задаются дополнительные граничные условия:
Результаты решения фильтрационной задачи. В результате решения фильтрационной задачи получаем следующую информацию: значения относительных напоров Ht в узлах расчетной сетки; значения коэффициентов фильтрации К", К", К" (в случае нелинейной фильтрации);
значения составляющих скорости фильтрации в центрах тяжести элементов, определенных по зависимостям (2.23).
По полученным результатам строится гидродинамическая сетка фильтрации. В случае нелинейной фильтрации с переменными значениями коэффициентов фильтрации К",К",К" гидродинамическая сетка перестает быть ортогональной и квадратной, как это имеет место при решении задач ламинарного режима с постоянными значениями коэффициентов фильтрации.
Эквипотенциали для установившейся фильтрации строятся по значениям относительных напоров в узлах сетки.
Для построения линий тока используется следующий прием: в центре тяжести элемента по известным компонентам скорости фильтрации Vx, Vy, Vz графически определяется направление равнодействующей вектора скорости. В результате построения получается поле векторов скоростей. По их направлениям строятся линии тока, так как вектор скорости направлен по касательной к линии тока.
Для гидротехнических сооружений исключительно важное значе ние имеет величина фильтрационного расхода. Фильтрационный расход подсчитывается по поверхности, близкой по своему положению к экви потенциали и проходящей от депрессионной поверхности (верхняя гра ница потока) до водонепроницаемого основания (нижняя граница пото ка). В качестве такой поверхности принимались поверхности, проходя щие по центрам тяжести элементов одного слоя, проходящего вдоль оси плотины. При этом суммарный фильтрационный расход складывается из фильтрационных расходов в каждом элементе по данной поверхности. Расход в і-ом элементе сетки рассчитывается по зависимости: Ot =Vj W{ / (cos a cos/3), где Vi = -w(Vx)j + (V )j + (V2)j - результирующая скорости фильтрации в центре рассматриваемого элемента; (Vx);, (Vy)j, (Vz)j - составляющие скорости потока в центре элемента; Wj - площадь поперечного сечения элемента, полученная при пересечении вертикальной плоскости, проходящей через центр элемента с гранями элемента; cosa = (Vz); / (Vyz)j - косинус угла между проекцией результирующей скорости V; и плоскостью YOZ; cosp = (Vyz); / V; - косинус угла между результирующей скоростью V; и плоскостью XOZ.
Алгоритм минимизации при решении совместной темпера турно-филыпрационной задачи. В случае решения температурной задачи без учета тепломассопе реноса за счет фильтрационного потока алгоритм решения задачи аналогичен описанному выше (искомой функцией является температурная t =fi(x,y,z,x), а не напорная Н = f2(x,y,e,x)).
При решении совместной температурно-фильтрационной задачи, теоретические основы которой описаны в п.2.4., использовался следующий алгоритм решения задачи: 1. Для момента времени г = 0 при принятых граничных и начальных условиях решается температурная задача без учета фильтрационного потока. 2. Полученное в результате решения температурной задачи поле распределения температурной функции используется в дальнейшем при решении фильтрационной задачи. Решается нестационарная фильтрационная задача на момент времени т = т + Лт. Область фильтрации ограничена областями с положительной температурой. В результате решения фильтрационной задачи получаем величины фильтрационных напоров и скоростей Vx, Vy, Vz в узлах апроксимационной сетки. 3. Для момента времени т = т + zl г решается температурная задача с учетом составляющей, учитывающей тепломассоперенос.
Компоненты скоростей фильтрационного потока принимаются из предыдущего фильтрационного решения. В процессе минимизации функционала (2.18), (2.19) (алгоритм минимизации описан в п.2.4.1) подсчет скалярного произведения (V,gradt) производится в цикле приращения температурной функции. Также производится выбор характеристик материалов. В зависимости от температуры в элементе характеристики материала принимаются для мерзлого или талого состояний грунтов.
Решается фильтрационная задача с учетом решения температур ной задачи в предыдущем пункте для момента времени т = т + Ах. Далее цикл, описанный в пунктах 3-4 повторяется для каждого шага по времени. При этом учитывается изменение границ расчетной области (при возведении плотины), изменение граничных условий, темпе ратур воздуха и воды, изменение уровня водохранилища в процессе его наполнения и сработки.
Результаты решения температурной задачи В результате решения на каждом шаге по времени получаем значения температурной функции t = f (x,y,z, Vx, Vy, V т), в узлах сетки МКЭ. По полученным результатам с помощью специальной программы строятся изотермы температурного поля в расчетной области.
Реализация па ПЭВМ На основе изложенной методики были составлены программные комплексы для ЭВМ расчета фильтрации "FILTR" и расчета температурного режима «TERMIC». В состав программных комплексов входят несколько подпрограмм: подпрограмма подготовки исходной информации; подпрограмма проверки исходной информации; подпрограмма минимизации функционала в расчетной области; подпрограмма обработки к печати полученных результатов; подпрограмма визуализации полученных результатов. Сетки разбивки на конечные элементы могут включать до 800000 узлов для объемных задач и до 100000 узлов для плоских задач (при необходимости количество узлов может быть существенно увеличено).
Фильтрационные задачи в нелинейной постановке (на примере взрывонабросной плотины Камбаратинского гидроузла)
Выводы по результатам исследований Юмагузинского гидроузла. Учет пространственности фильтрационного потока оказывает большое влияние на обшую картину фильтрации и величины ее параметров даже в таких относительно широких створах, как Юмагузинский.
Математическая модель выявила некоторые особенности фильтрационного режима, подтвержденные позднее натурой. Так, на правом берегу была получена зона разгрузки фильтрационного потока в проницаемом слое галечника. Модель достаточно адекватно отражает реальную ситуацию: величины напоров, полученные в результате пьезометрических измерений достаточно близки (за небольшими исключениями) к расчетным в большинстве пьезометров: в 10 из 15 относительная разница не превышает 6,8%, в 6 пьезометрах относительная разница находится в пределах 5%.
Использование методики факторного анализа позволило связать математическую модель с возможными комбинациями коэффициентов фильтрации грунтов, входящих в расчетную область. Эта методика должна быть рекомендована для исследований при проектировании и мониторинге гидроузлов. Математическая модель фильтрационного режима системы «плотина-основание» на примере Сангтудинского гидроузла.
Сангтудинский гидроузел возведен в очень сложных топографических и инженерно-геологических условиях, краткое описание которых будет приведено ниже. Фильтрационные исследования этого объекта проводились в несколько этапов. На первом этапе (2006 год) велось активное проектирование и начало строительства гидроузла. Необходимо было дать прогноз возможного фильтрационного режима и оценку принятым на этом этапе проектирования противофильтрационным мероприятиям. Сведения о инженерно-геологической ситуации и фильтрационных свойствах пород основания на этом этапе были неполными и часто ориентировочными.
Второй этап (2008-2009 годы) исследований проходил в период завершения строительных работ. На этот момент была уточнена инженерно-геологическая обстановка и фильтрационные свойства грунтов плотины и основания. По сравнению с первым этапом некоторые изменения были внесены в конструкции противофильтрационных элементов сооружения. Имелся ряд натурных наблюдений за показаниями установленных пьезометров и величиной фильтрационного расхода. Все это дало возможность для создания более точной математической геофильтрационной модели системы «плотина-основание».
Фильтрационные исследования на первом этапе проводились в плоской и пространственной постановках. Расчетная фильтрационная область включала в себя центральное ядро плотины, выполненное из супесчано-дресвяного грунта, и прилегающую область основания. Боковые призмы плотины в фильтрационных расчетах не рассматривались в виду их большой проницаемости (коэффициент фильтрации грунтов, слагающих боковые призмы более 1000 м/сут). Согласно рассмотренному варианту проекта в русловой части створа и на левом берегу в месте расположения современных аллювиальных пород (галечник с включением валунов с гравййно-песчаным заполнителем) с большим коэффициентом фильтрации (Кф=85 м/с) предусмотрено устройство «стены в грунте». Помимо этого по всему створу устраивается площадная цементация под ядром и глубинная проти-вофильтрационная завеса. Значения использованных в расчетах коэффициентов фильтрации грунтов основания, ядра и противофильтрационных элементов в основании и бортовых примыканиях («стены в грунте», площадной и глубинной цементационных завес) приведены в таблице 3.9. Задачи решались для случая полностью наполненного водохранилища при уровне верхнего бьефа НПУ 571,50 и уровне нижнего бьефа 508,00 (таким образом, величина фильтрационного напора составляет 63,50 м).
Фильтрационная задача в плоской постановке решалась для 6-й сечений, соответствующим поперечным профилям плотины: ПК 0+85.0, ПК 1+65.0, ПК 2+40.0, ПК 3+10.0, ПК 3+72.0 и ПК 4+62.0. Положения данных сечений в створе показаны на рис. 3.31.
Были составлены сетки разбивки расчетных фильтрационных областей на конечные элементы. Количество узлов сетки МКЭ в каждом сечении равно 2889; количество элементов - 2757. Конечно-элементные сетки исследуемых областей основания в рассмотренных сечениях представлены на рис. 3.23 - 3.25. Исследуемые области во всех сечениях ограничены вертикальными сечениями, отстоящими от оси плотины на 250,0 м в сторону верхнего бьефа и 350,0 в сторону нижнего бьефа. Нижнее ограничивающее сечение проходит на отметке V 320,0 м, т.е. глубина рассматриваемой области основания, например, в сечении ПК 3+10.0 составляет 183,0 м. Сетка МКЭ отражает все выявленные на тот момент особенности инженерно-геологического строения основания и конструкций противофильтрационных элементов. В расчеты были заложены верхние пределы изменения коэффициентов фильтрации по слоям (таб.3.9).
Температурный режим гравитационных плотин из укатанного бетона
Следует отметить, что рассматривался наихудший с точки зрения фильтрации случай: уровень воды верхнего бассейна ГАЭС рассматривался постоянным на отметке НПУ. На самом деле уровень воды будет колебаться в интервале от НПУ 266,5 до УМО 257,5. Сработка и наполнение бассейна происходит за достаточно короткий интервал времени, за который колебания уровня воды практически не будут проникать за экран дамбы, так как его коэффициент фильтрации незначителен (Кф=0,005 м/сут). Можно считать, что за экраном установится положение депрессионной поверхности, соответствующее среднему значению уровня воды в бассейне, то есть примерно отметке 262,0. Это скажется на величинах параметров фильтрационного потока: уменьшится фильтрационный напор, а, следовательно, уменьшаться величины фильтрационных градиентов и удельного расхода. Положение депрессионной поверхности понизится по сравнению с рассмотренным расчетным случаем.
Для оценки фильтрации в случае нестационарной задачи был рассмотрен вариант №9, конструкция дамбы в котором принималась аналогичной конструкции варианта №8. Уровень воды в верховом бассейне принят на отметке 262,0. Результаты фильтрационного расчета для варианта №9 при
уровне воды в верхнем бассейне на отметке 262,0 представлены на рис.3.67 и в таблице 3.21. Как видно, положение депрессионнои поверхности гораздо ниже, чем при отметке воды на отметке НПУ 266,5 (показано пунктиром). Минимальное расстояние от депрессионнои поверхности до низового откоса увеличилось до 6,0 метров. Как видно, в пределах экрана происходит падение напора на величину 0,3 Нф (при величине фильтрационного напора равного 22,5 м это падение составляет -6,8 м). В экране дамбы получен максимальный фильтрационный градиент равный -1,36. Максимальный градиент на входе фильтрационного потока в трубчатый дренаж составляет величину -0,75. Удельный фильтрационный расход, проходящий через дамбу и часть рассмотренного основания, незначителен и составляет величину -0,53 м /сут (0,61 10" м /с). Таким образом, в низовой призме дамбы установится уровень депрессионнои поверхности, полученный в последнем расчете. Это говорит о благоприятном фильтрационном режиме конструкции при нормальной работе противофильтрационных устройств.
Также рассматривался фильтрационный режим дамбы верхового бассейна в сечении ПК 11+00. Расчетная область фильтрационной модели дамбы моделировалась согласно поперечному разрезу по данному сечению. Были приняты следующие размеры примыкающего основания, входящей в расчетную схему. Плоскость, ограничивающая глубину области, проведена на отметке 130,00. Таким образом, глубина выделенного основания составляет -100 метров при высоте дамбы в данном сечении -40,0 м. Удаление вертикальных ограничивающих плоскостей в сторону верхнего бассейна от оси дамбы принято 230,0 мив сторону низового откоса — 600,0 м.
Моделировалась следующая конструкция дамбы верхнего аккумулирующего бассейна (расчетная схема представлена на рис.3.68). Вдоль верхового откоса дамбы выполнен экран из суглинистого грунта толщиной 5,0 метров с коэффициентом фильтрации Кф=0,005 м/сут. Крепление откоса в расчетной схеме рассматривалось. Вдоль низового откоса моделировался пятиметровый слой насыпи из смешанных грунтов согласно 1843-56-5 ВТУ с коэффициентом фильтрации Кф=0,01 м/сут. По оси дамбы устроен вертикальный дренаж толщиной 5,0 м из грунта с коэффициентом фильтрации Кф=1,0 м/сут. Вдоль основания под низовой призмой и частично под верховой уложен горизонтальный дренаж толщиной 2,0 м из грунта с коэффициентом фильтрации Кф=1,0 м/сут. Горизонтальный дренаж сопрягается с вертикальным и заканчивается водосборным коллектором. В проведенных расчетах рассматривалось два положения коллектора: на расстоянии 138,0 м от оси дамбы (исходный вариант) и на расстоянии 110,0 м от оси дамбы. Верховая и низовая призмы дамбы представляют собой слоистую конструкцию, уложенную чередующимися слоями одинаковой толщины, выполненными из грунтов с различной проницаемостью: с коэффициентами фильтрации Кф=0,5 м/сут и Кф=0,01 м/сут.
Расчеты в плоской постановке проводились для нескольких вариантов: Вариант 1. толщина слоев, укладываемых в центральной части дамбы составляет 2,0 м; водосборный коллектор отстоит от оси дамбы на расстоянии 138,0 м (исходный вариант Заказчика). Вариант 2. толщина слоев, укладываемых в центральной части дамбы, составляет 2,0 м; водосборный коллектор отстоит от оси дамбы на расстоянии 110,0 м (перемещен вглубь низового откоса по сравнению с исходным вариантом Заказчика). Фильтрационные расчеты проводились для двух вариантов наполнения верхнего бассейна: До отметки НПУ 266,5, и при среднем уровне воды УВБср 262,0.
