Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные проблемы оценки надежности и безопасности грунтовых ГТС в сложных природно-климатических условиях 11
1.1. Причины аварий и нарушений на грунтовых гидротехнических сооружениях 11
1.2. Особенности строительства и эксплуатации грунтовых ГТС в сложных природно-климатических условиях 20
1.3. Анализ мирового опыта количественных оценок риска аварий гидротехнических сооружений 27
1.4. Основные подходы к оценке надежности грунтовых гидросооружений 32
1.5. Основные задачи исследования 44
Глава 2. Методология исследований 49
2.1. Основные понятия 49
2.2. Системный анализ сложных объектов 55
2.3. Проектная надежность грунтовых гидросооружений 61
2.4. Диагностика и эксплуатационная надежность грунтовых гидросооружений 64
Глава 3. Учет природно-климатических и сейсмических условий при оценке надежности грунтовых ГТС 78
3.1. Некоторые математические модели фильтрационных и тепловых процессов 78
3.2. Влияние температуры на физико-механические свойства грунтов 88
3.3. Методы расчета напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин при сейсмических воздействиях 95
3.4. Использование гиперболической модели грунта для корректировки модуля сдвига при сейсмических воздействиях на сооружения 101
3.5. Оценка возможности разжижения водонасыщенных несвязных грунтов плотин и их оснований при сейсмических воздействиях 108
Глава 4. Методика оценки проектной надежности грунтовых ГТС 114
4.1. Учет нагрузок и воздействий, действующих на сооружения 114
4.2. Вероятностная оценка температурно-влажностного состояния грунтовых сооружений и оснований 118
4.3. Исследование влияния изменения прочности оттаивающего грунта на величину коэффициента устойчивости низового откоса плотины 125
4.4. Оценка надежности грунтовой плотины при землетрясении с использованием нелинейной модели грунта 137
4.5. Оценка эффективности лъдогрунтового динамического гасителя сейсмических колебаний 149
Глава 5. Методика оценки надежности и безопасности грунтовых ГТС на этапе эксплуатации 156
5.1. Оценка состояния сооружений с использованием диагностических параметров 156
5.2. Анализ ценности диагностических параметров при оценке эксплуатационной надежности грунтовых гидросооружений 169
5.3. Интервальная оценка надежности 178
5.4. Изменение надежности сооружений в процессе эксплуатации 191
Глава 6. Примеры оценки надежности эксплуатируемых сооруже ний с учетом проектных и натурных данных 198
6.1. Оценка надежности дамбы хвостохранилища при землетрясении 198
6.2. Исследование влияния природно-климатических факторов на надежность плотины Колымской ГЭС 212
Заключение 222
Литература 224
- Особенности строительства и эксплуатации грунтовых ГТС в сложных природно-климатических условиях
- Проектная надежность грунтовых гидросооружений
- Методы расчета напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин при сейсмических воздействиях
- Вероятностная оценка температурно-влажностного состояния грунтовых сооружений и оснований
Введение к работе
Актуальность темы. Грунтовые гидротехнические сооружения (ГТС) яшіяются одним из наиболее распространенных типов сооружений и весьма ответственными с экономической, экологической и социальной точек зрения объектами, обеспечению надежности и безопасности которых следует уделять значительное внимание.
Анализ надежности является одним из основных этапов проектирования ГТС, а принятие Государственной Думой России Федерального закона "О безопасности гидротехнических сооружений" делает этот анализ обязательным и для уже эксплуатируемых сооружений. При этом следует иметь в виду, что в гидротехнической литературе, в том числе и в нормативных документах, расчеты ГТС на надежность все еще не имеют единого общепринятого содержания и часто понимаются как традиционные (детерминистические) расчеты прочности и устойчивости сооружений, оснований, их элементов в рамках методологии предельных состояний.
Важными факторами, влияющими на надежность фунтовых ГТС в сложных природно-климатических условиях, являются температурные и сейсмические воздействия на сооружения. С одной стороны, интенсивность н частота землетрясений в районах распространения многолетнемерзлых грунтов зависят от многих факторов, учесть которые в полной мере весьма сложно, а, с другой стороны, недоучет ряда физико-механических особенностей мерзлых грунтов основания и тела плотины, находящихся в условиях постепенного оттаивания (или замерзания), может привести к серьезным дополнительным деформациям и повреждениям сооружений при землетрясении. В настоящее время существуют различные методы определения температурно-влажностного состояния тела и основания грунтовых сооружений и подходы к оценке сейсмостойкости ГТС, предусматривающие расчеты как по линейно-спектральной теории, так и динамические расчеты. Но совместное влияние температурных и сейсмических воздействий на надежность грунтовых гидросооружении в районах с суровым климатом до настоящего времени систематически не изучалось.
С позиций современной теории надежности сложных технических систем основой анализа надежности грунтовых ГТС является система соответствующих прогностических моделей: детерминистических, вероятностных и неопределенных.
Детерминистические модели - это наиболее распространенные расчетные модели самых разнообразных объектов и процессов: статики и динамики сооружений, тепломассопереноса в различных средах и т.н. Такие
модели составляют основу традиционных методов расчета и большинства нормативно-методических документов (строительных норм и правил, рекомендаций, кодов и т.п.) различных стран, дающих оценки надежности и безопасности в рамках различных "полувероятностных" концепций (допускаемых напряжений, предельных состояний и т.п.), когда случайные и неопределенные факторы учитываются при помощи системы нормативных коэффициентов (запаса, надежности, безопасности, условий работы и т.п.).
В вероятностных моделях ограничение разнообразия выражается в указании некоторого распределения в множестве возможных решений. Вероятностные модели являются основой современной теории надежности сооружений, конструкций, сложных систем и т.п. и строятся обычно путем надлежащей рандомизации достаточно апробированных детермшшетнческих моделей. Рандомизация может выполняться с использованием различного уровня описания (случайные события, величины, процессы, поля). Такие модели в значительно большей степени соответствуют характеру исходной информации, более адекватному учету многих случайных факторов. Важным инструментом анализа надежности сложных инженерных объектов является синтез представлений и методов параметрической и структурной теорий надежности.
Неопределенным моделям соответствуют различные качественные методы, в частности, известные методы экспертных оценок. Экспертные оценки допускают формализацию в рамках различных подходов (детерминистического, вероятностно-статистического и т.п.). При использовании качественных (неопределенных) моделей количественные оценки разнообразия выполняются на основе различных информационных мер.
Практически при анализе надежности уникальных инженерных объектов на этапах их жизненного цикла в той или иной степени используются прогностические модели всех типов и их различные сочетания, т.е. выполняются как количественные, так и качественные оценки.
Очерченный круг вопросов исследования надежности грунтовых ГТС стал предметом рассмотрения автора. Основные научно-практические результаты получены автором при выполнении исследований по научной тематике проблем ГКНТ СССР, Минтопэнерго России и РАО "ЕЭС" России, в частности при выполнении договоров 182Ф/Ф858 ОНТП 0.05,37 ИІ75Ф/Ф481 ОНТП 0.11.
Целью диссертации являлось решение важной народно-хозяйственной проблемы повышения безопасности грунтовых гидротехнических сооружений в сложных природно-климатических условиях на этапах
проектирования и эксплуатации, включающее в себя разработку методолопш оценки надежности таких гидросооружений с использованием методов современной теории надежности.
Таким образом, в число основных задач исследований были включены:
анализ причин аварий и нарушений на грунтовых гидротехнических сооружениях, а также особенности их строительства и эксплуатации в сложных природно-климатических условиях;
разработка методологии исследований надежности грунтовых ГТС, включающей оценку надежности сооружений на этапах проектирования и эксплуатации;
анализ влияния различных природно-климатических (в первую очередь температурных и сейсмических) условий на надежность грунтовых ГТС, включая вопросы влияния температуры на физико-механические свойства грунтов и изменения состояния грунтов при сейсмических воздействиях;
разработка методики оценки проектной надежности грунтовых ГТС на основе вероятностного моделирования основных природных и строительно-технологических факторов, определяющих параметрическую надежность гидросооружений;
разработка методики оценки надежности грунтовых ГТС на этапе эксплуатации с применением методов теории эксплуатации сложных технических систем;
анализ ценности диагностических параметров при оценке эксплуатационной надежности грунтовых ГТС;
разработка методов интервальной оценки расчета надежности и методов оценки изменения надежности гидросооружеіпш в процессе эксплуатации;
проведение численных расчетов оценки надежности реальных грунтовых гидротехнических сооружений.
Методическую базу исследований составили математические модели тепловых процессов и деформирования грунтов при динамических нагрузках, численные методы решения уравнений, основные положешія методики физического моделирования грунтовых ГТС, методы анализа случайных явлений, оценки надежности инженерных объектов и технической диагностики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием известных физических законов и применением апробированных методов математического моделирования, подтверждается результатами решения тестовых примеров и сопоставлением
результатов численного моделирования с данными натурных исследований реальных объектов.
Научную новизну работы определяют следующие элементы выполненных исследований:
реализованы методы оценки проектной надежности грунтовых ГТС в сложных природно-климатических условиях на основе вероятностного моделирования основных природных и строительно-технологических факторов, определяющих параметрическую надежность гидросооружений;
разработаны и реализованы методы оценки надежности грунтовых ГТС на этапе эксплуатации с применением методов теории эксплуатации сложных технических систем;
проведен анализ ценности диагностических параметров при оценке эксплуатационной надежности грунтовых ГТС на основе методов теории информации;
разработаны и реализованы метод интервальной оценки надежности и метод оценки изменения надежности гидросооружений в процессе эксплуатации;
на основе численных расчетов проведены оценки надежности реальных грунтовых гидротехнических сооружений.
Личный вклад автора состоит в формулировке целей и постановке задач исследований; реализации методов оценки проектной надежности грунтовых ГТС применительно к сооружениям в сложных природно-климатических условиях; разработке и реализации методов оценки надежности грунтовых ГТС на этапе эксплуатации с применением методов теории эксплуатации сложных технических систем, метода интервальной оценки надежности и метода оценки изменения надежности гидросооружений в процессе эксплуатации; проведении численных расчетов оценки надежности реальных грунтовых гидротехнических сооружений.
Практическая и научная значимость диссертации заключается в формулировке методологии исследований надежности грунтовых ГТС; рассмотрению влияния температурных и сейсмических условий на надежность грунтовых ГТС; разработке методики оценки проектной надежности грунтовых ГТС на основе вероятностного моделирования основных природных и строительно-технологических факторов и методики оценки надежности и безопасности грунтовых ГТС на этапе эксплуатации с применением методов теории эксплуатации сложных технических систем. Все это должно привести к существенному повышению качества оценки надежности грунтовых ГТС в сложных природно-климатических условиях, что, в свою очередь, повысит эффективность инженерных решений при их проектировании и эксплуатации.
Результаты работы внедрены при проектировании Амгуэмской, Тель-мамской, Усть-Среднеканской, а также при проектировании и эксплуатации грунтовой плотины Колымской ГЭС и дамбы хвостохранилища горнорудного комбината в Ставропольском крае. Материалы диссертации использованы при разработке Рекомендаций по оценке сейсмостойкости грунтовых плотин, расположенных в северной строительно-климатической зоне (ССКЗ) и Рекомендаций по оценке устойчивости гидротехнических сооружений с учетом изменения состояния грунтов при сейсмических воздействиях.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 35 работ. Основные положения выполненных исследований были представлены:
на Всесоюзном научно-техническом совещании "Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый и термический режим рек и окружающую среду" — Лед-89 (Дивногорск, 1989);
на Всесоюзной конференции "Методы математического моделирования в задачах охраны природной среды и экологии" (Новосибирск, 1991);
на Всесоюзном научно-техшгческом совещании "Будущее гидроэнергетики. Основные направления создания гидроэлектростанций нового поколения" (Дивногорск, 1991);
на III, IV и V научно-технических семинарах "Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах (С.-Петербург, 1996, 1997 и 1998 т);
на Вторых Савиновских чтениях (С- Петербург, 1997);
на Международной конференции "Средства математического моделирования" (С.-Петербург, 1997);
на 55-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета (С.Петербург, 1998);
на 3-й Российской конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (Сочи, 1999);
at "99 International Conference on Dam Safety and Monitoring" (China, 1999);
на Третьих Савиновских чтениях (С.-Петербург, 2000);
на заседаниях Ученого совета ОАО "ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева".
На защиту выносятся:
- методология исследований надежности грунтовых ГТС, включающая
оценку надежности сооружений на этапах проектирования и эксплуатации;
методика оценки проектной надежности грунтовых ГТС на основе вероятностного моделирования основных природных и строительно-технологических факторов, определяющих параметрическую надежность гидросооружений;
методика оценки надежности грунтовых ГТС на этапе эксплуатации с применением методов теории эксплуатации сложных технических систем;
методика анализа ценности диагностических параметров при оценке эксплуатационной надежности грунтовых ГТС на основе теории информации;
методы интервальной оценки расчета надежности и оценки изменения надежности гидросооружений в процессе эксплуатации;
результаты анализа причин аварий и нарушений, а также особенностей строительства и эксплуатации грунтовых гидротехнических сооружениях в сложных природно-климатических условиях;
результаты анализа влияния температурных и сейсмических условий на надежность грунтовых ГТС;
результаты численных расчетов оценки надежности реальных грунтовых гидротехнических сооружений.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 203 наименований. Диссертация изложена на 236 страницах, содержит 37 иллюстраций, 19 таблиц.
Особенности строительства и эксплуатации грунтовых ГТС в сложных природно-климатических условиях
Районы со сложными природно-климатическими условиями (районы Крайнего Севера и примыкающие к ним территории Сибири и Дальнего Востока) занимают площадь 11 млн. км , или 64% от земель Российской Федерации. Они характеризуется суровым климатом с низкими зимними температурами. Средние зимние температуры колеблются от -15 -ь -20С на Европейском Севере до -40 -г -50С в северных районах Восточной Сибири. Период устойчивых морозов длится с начала октября до первой половины мая. Поэтому за зиму накапливается большой запас холода, что не позволяет сильно промерзшим грунтам оттаять за лето даже на несколько десятков сантиметров. Главным образом из-за низких зимних температур годовые амплитуды чрезвычайно велики, а в верховьях Индигирки и Колымы отмечаются наибольшие в мире амплитуды - более 100С. Летом средняя температура наиболее теплого месяца находится в пределах от 4С (в прибрежных районах Чукотки) до 16С (в наиболее "теплых" долинах бассейна Колымы). Хотя максимальные температуры в отдельные дни в континентальных районах могут подниматься до 30С и выше [32, 67, 72]. Территория Крайнего Севера и Северо-Востока богата различными полезными ископаемыми, которые послужили основой для создания крупного горно-промышленного района. Здесь широко представлены золото, олово, вольфрам, серебро, ртуть, молибден, платина, кобальт, медь, сурьма, мышьяк, сера, никель , железо, марганец, хром, обширная группа редких и рассеянных металлов. Кроме того именно в районах с суровым климатом расположены основные месторождения нефти и природного газа. Поэтому получение дешевой электроэнергии является важнейшей задачей для данного региона. Такая электроэнергия наиболее реальным способом может быть выработана только на гидроэлектростанциях. Гидроэнергетические ресурсы - один из старейших, вечно возобновляемых источников энергии - играют существенную роль в экономике отдельных стран и регионов.
При этом, как правило, высокий уровень освоения гидроэнергетических ресурсов характерен для стран с высоким уровнем промышленного развития (табл. 1.2.1 [67]). В современной науке гидроэнергетические ресурсы делятся на потенциальные (теоретические), технические и экономические [94, 154]. Потенциальные гидроэнергетические ресурсы - это теоретические запасы энергии водного потока, имеющего средний расход, равный среднему годовому расходу реки, и напор, равный падению реки от истока до устья. Технические гидроэнергетические ресурсы - это технически возможные к использованию ресурсы. Их величина получается путем вычитания из потенциальных ресурсов неизбежных потерь при производстве электроэнергии (суммарные потери при освоении гидроэнергетических ресурсов в целом по Российской Федерации составляют 30%). Экономические гидроэнергетические ресурсы - это та часть потенциальных ресурсов, использование которой является экономически оправданным на данном этапе развития экономики и энергетических технологий. Соотношение между тремя видами гидроэнергетических ресурсов различно для разных рек.
Для рек бассейна Колымы оно характеризуется следующими цифрами [67]: Крайний Север и примыкающие к нему территории Сибири и Дальнего Востока - это районы повсеместного (за редким исключением) распространения мощной многолетнемерзлой толщи горных пород. Данный факт необходимо непременно учитывать при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений. В настоящее время определились два метода строительства плотин на вечномерзлых основаниях: с сохранением грунтов основания и тела плотины в мерзлом состоянии и с допущением их оттаивания, т.е. соответственно мерзлый и талый тип плотин. При выборе типа плотины решающим является температурный режим противофильтрационного устройства в период эксплуатации. Плотина называется мерзлой, если ее водонепроницаемость обеспечивается мерзлым состоянием грунтов ядра и основания под ним, что достигается применением мерзлотной противофильтрационной завесы. При этом оттаивание грунтов в пределах завесы не допускается, и гидравлическая связь бьефов отсутствует. Плотина называется талой, если ее противофильтрационное устройство имеет положительную температуру и допускает фильтрацию в расчетных пределах. Выбор плотины по температурному режиму обусловливается совокупностью инженерно-геологических и геокриологических условий створа, особенно деформируемостью и прочностью грунтов основания при их оттаивании. Следует также отметить, что многие территории с суровыми климатическими условиями (Магаданская область, Чукотский автономный округ, Республика Саха (Якутия), север Амурской области и др.) принадлежат к сейсмически опасным районам, в которых возможны землетрясения интенсивностью от 7 до 9 баллов и выше. Это обстоятельство накладывает дополнительные условия на обеспечение надежности грунтовых ГТС, строящихся и эксплуатируемых в таких условиях.
Поэтому при выборе типа плотины необходимо учитывать, что ее напряженно-деформированное состояние при землетрясении во многом зависит от свойств грунтов (талых и мерзлых), слагающих тело плотины и ее основание. Поэтому оценка сейсмостойкости, наряду с учетом инженерно геологических условий створа, является основным фактором, определяющим прочность, устойчивость, надежность, а также конструктивное решение плотин из грунтовых материалов в северных климатических районах. Землетрясения происходят вследствие быстрого выделения в глубине Земли большого количества энергии, приводящего к распространению в земной коре сейсмических волн, которые и проявляются в виде сейсмических движений (колебаний) грунта. Колебания грунта вызывают инерционные сейсмические нагрузки на сооружения, определение которых является одним из основных этапов оценки надежности сооружения. Однако землетрясение может сопровождаться и целым рядом побочных явлений (влияющих на надежность), которые также необходимо принимать во внимание при проектировании, строительстве и эксплуатации ГТС. Так при сильных землетрясениях движение по глубинным тектоническим разломам может привести к доходящему до поверхности разрыву грунтовой толщи. В результате образуется трещина, "берега" которой взаимно смещаются по горизонтали и вертикали. Известны случаи, когда такие смещения достигали 4-6 м. Поскольку обеспечить целостность сооружения, под которым прошла подобная трещина, практически невозможно, строить ответственные объекты (к которым следует отнести и грунтовые ГТС I, II, III класса) непосредственно над сейсмически активными тектоническими разломами нельзя. В замкнутых водоемах (водохранилищах) иногда возникают сейши - колебания воды с большими амплитудами. Их причиной являются сейсмические колебания, вызванные ими обрушения в воду больших масс грунта. Так, 9 июля 1958 г. в бухте Литуя на Аляске произошел вызванный сейсмическим толчком сход лавины в воду. Поднявшаяся волна выплеснулась более чем на 50 м в высоту [6]. Следует обратить вни
Проектная надежность грунтовых гидросооружений
Исходной информацией при проектировании служат данные об элементах сооружения, грунтах и материалах, о нагрузках, условиях окружающей среды и других условиях эксплуатации, а также требования к показателям эффективности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Цель оценки проектной надежности -предсказать значения показателей надежности, установить зависимость этих показателей от исходных данных и указать наиболее рациональные пути для согласования ожидаемых значений показателей надежности с нормативными. Таким образом, оценка проектной надежности включает также исследование способов управления надежностью. Большая часть исходной информации на этой стадии носит статистический или неполный характер. В дальнейшем придерживаемся вероятностно-статистической концепции, имея в виду, что неполноту информации можно описать в рамках вероятностных моделей. Каждое уточнение исходной информации приводит к уточнению этих моделей. Если область допустимых состояний сооружения представить в виде то надежность где Р[-] - вероятность соблюдения условия (2.3.1). С другой стороны где Q - вероятность несоблюдения условия (2.3.1) или вероятность отказа сооружения Сооружение (конструктивный элемент сооружения) считается надежным, если удовлетворяется требование или где [Р], [Q] - некоторые допустимые уровни надежности и вероятности отказа сооружения соответственно. Входящие в условие (2.3.1) параметры хь х2, ..., хп часто условно разделяют на две группы, где первая группа описывает главным образом свойства самого сооружения, а вторая - нагрузки и воздействия. Условие не превышения границы области допустимых состояний сооружения при этом определяется выражением: где V(-), F(-) - обобщенные несущая способность и силовое воздействие соответственно. Пусть в первом приближении V и F являются случайными величинами с заданными (известными) законами распределения. Тогда где S = V - F - резерв прочности [104, 111]. Характеристики распределений величин V и F (плотности, математические ожидания, средние квадратические отклонения и пр.) получают различными методами, среди которых наиболее часто используются методы прямой статистической обработки данных соответствующих экспериментальных исследований, метод линеаризации, метод статистических испытаний (метод Монте-Карло).
Основными этапами вероятностных расчетов проектной надежности грунтовых гидросооружений являются: ? составление детерминистических уравнений связи между входными и выходными параметрами; ? подготовка исходных данных для расчетов в соответствии с детерминистическими уравнениями связи и разделение всех входных величин на случайные и неслучайные (детерминированные); для случайных величин устанавливаются законы распределения и определяются соответствующие характеристики распределений; ? определение законов и характеристик распределений выходных случайных величин на основе использования детерминистических уравнений связи; ? определение вероятностей отказа (либо безотказной работы) и сопоставление с допустимыми значениями. Теория эксплуатации сложных технических систем, каковыми являются грунтовые гидросооружения, как научно-прикладная дисциплина начала формироваться примерно в 60"ые - 70"ые годы [8, 16, 18, 152], однако применительно к оценке состояния эксплуатируемых гидросооружений ее методы начали применяться лишь с конца 80"Ь1Х - начала 90"Ь1Х годов [58, 78]. Причем применение методов теории эксплуатации сложных технических систем к гидротехническим сооружениям до сих пор носит весьма ограниченный характер. Эксплуатационная надежность тесно связана с технической диагностикой, натурными и контрольными наблюдениями за состоянием сооружения. Наиболее важным показателем надежности является малая вероятность отказов во время функционирования (работы) технической системы. На гидросооружение в процессе эксплуатации действуют разнообразные природные и эксплуатационные нагрузки и воздействия, что может привести к возникновению отказов сооружений. Техническая диагностика благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей позволяет своевременно устранить подобные отказы, что повышает надежность и эффективность эксплуатации сооружений.
Основной задачей технической диагностики является распознавание технической системы в условиях ограниченной информации. Анализ состояния проводится в условиях эксплуатации, при которых получение информации крайне затруднено. Часто не представляется возможным по имеющейся информации сделать однозначное заключение и приходится использовать статистические методы. Оценка состояния грунтового гидросооружения как технической системы, состоящей из множества элементов и находящейся под воз
Методы расчета напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин при сейсмических воздействиях
В настоящее время для расчета сейсмонапряженного состояния и деформаций гидросооружений из грунтовых материалов широко используются различные модели грунтов, учитывающие их упругие и упруго-пластические [4, 43, 73, 93, 177, 184] деформации при статических и динамических нагрузках. При этом, методы расчета, основанные на использовании моделей грунтов как линейно-упругой или упруго-вязкой среды при динамических воздействиях, приводят к завышению сейсмических нагрузок и напряжений, возникающих в гидросооружениях при землетрясениях. В связи с переходом к методам расчета гидросооружений с учетом упруго-пластических свойств грунтов при динамических нагрузках все более широкое применение получают модели грунтов, основанные на теории пластического течения при статических и динамических нагрузках. Одной из таких моделей является модель идеально-упруго-пластической среды Друккера-Прагера [43, 73, 75, 76], построенная на основе общего ассоциированного закона течения. Основным недостатком этой модели является то, что она приводит к неограниченному увеличению объемных деформаций в стадии пластического течения. Это несоответствие модели Друккера-Прагера реальным свойствам грунтов может быть устранено при использовании поверхностей нагружения с угловыми точками. В работе [163] предлагались эллипсооб-разные поверхности нагружения, образующие угловые точки при пересечении с поверхностью текучести.
Указанная модель удовлетворительно отражает экспериментальные данные о поведении грунтов в допредельном и предельном состоянии при статических и однократных динамических нагрузках, но как и все другие модели, основанные на результатах статических испытаний, оказывается мало пригодной для случаев знакопеременных, в частности сейсмических, нагрузок. В этих случаях даже в допредельной стадии может наблюдаться накопление необратимых деформаций изменения объема и формы грунта, в результате чего возникает впечатление о более значительном снижении прочностных характеристик, чем это может быть предсказано на основе работы [9]. Хотя учет пластических деформаций и дилатансии грунта в допредельной стадии во многих случаях имеет важное значение, применение его влечет за собой значительное усложнение математической модели процесса и необходимость получения дополнительных экспериментальных данных. Поэтому при решении задач сейсмостойкости гидросооружений из грунтовых материалов часто ограничиваются учетом только идеально-пластических свойств грунтов.
Использование ассоциированного закона течения с угловыми точками и условия пластичности Мизеса-Шлейхера приводит к двум разновидностям модели Григоряна [40], одна из которых (с плоской поверхностью нагружения) допускает возможность учета в допредельной стадии необратимых деформаций изменения объема, а другая (с цилиндрической поверхностью нагружения) - учет необратимых деформаций сдвига. В общем случае обе эти модели не отражают реальный механизм развития объемных деформаций. Однако в тех случаях, когда допустимо пренебрежение объемными пластическими деформациями, вторая модификация модели Григоряна оказывается более полезной, так как она позволяет учесть пластические деформации сдвига не только в предельном, но и допредельном состоянии грунта. На основе использования второй модели разработана методика расчета сейсмонапряженного состояния и деформаций гидросооружений из грунтовых материалов [48]. Для описания вязких свойств грунта используется модель Кельвина-Фойхта. Таким образом, уравнения состояния для используемой модели имеют вид: где Gy, Sjj -компоненты тензоров напряжений и деформаций соответственно; Sy, ЄЦ - девиаторы этих тензоров; G -модуль сдвига; К - модуль объемного сжатия грунта; г\ - сдвиговая и v - объемная вязкости, связанные с временами релаксации продольных тр и поперечных xs волн, а также с модулями К и G соотношениями X - параметр, характеризующий пластические свойства и определяемый в соответствии с моделью Григоряна из соотношения Связь параметров а и b со сцеплением с и углом внутреннего трения ф имеет вид в остальных случаях следует принимать X = 0. Ввиду зависимости деформационных характеристик грунта от напряженного состояния, расчету плотины на сейсмическое воздействие должен предшествовать расчет статического напряженного состояния. При этом статические модули К и G выбираются следующим образом
Вероятностная оценка температурно-влажностного состояния грунтовых сооружений и оснований
Прогноз температурного режима грунтовых сред, содержащих по-ровый лед, представляет собой комплексную проблему, состоящую из рассмотрения температурной и фильтрационной задач. Наиболее разработанной в настоящее время задачей теплообмена в грунте с фазовыми переходами насыщающей влаги является так называемая задача Стефана. При такой постановке полагают, что фазовые переходы поровой влаги происходят при 0С, в грунте существуют талая и мерзлая области с постоянными теплофизическими характеристиками в их пределах, на границе раздела указанных областей имеет место разрыв тепловых потоков, пропорциональный скорости перемещения границы. Задача Стефана является классической моделью процесса теплообмена с фазовым переходом и по своему физическому содержанию значительно идеализирует сложный процесс льдообразования или таяния влагонасыщенных дисперсных материалов. Реальный процесс теплообмена во влажных грунтах отличается от постановки Стефана тем, что поровая влага замерзает в широком спектре отрицательных температур. Количество воды, перешедшей в лед в единице объема грунта, зависит от температуры, дисперсности грунта, химического состава скелета грунта и степени минерализации поровой влаги.
При понижении температуры грунта происходит выделение теплоты при фазовом переходе воды в лед и ее замерзание не при одной фиксированной температуре, а в значительном интервале отрицательной температуры и с интенсивностью, зависящей от величины и скорости изменения температуры. Соответствующая математическая постановка задачи промерзания или про таивания влажного грунта включает выражение для аппроксимации весовой льдистости монотонной функцией температуры следующего вида где Т - температура, А - эмпирический параметр [147]. Эта функция отражает увеличение содержания льда в порах при понижении температуры и отсутствие льда при положительных температурах. По определению W = Рл / Рв, где Рл и Рв - массы льда и воды в единице объема грунта. В постановке Стефана уравнение теплопроводности приходится решать отдельно для талой и мерзлой зон с нелинейным условием стыковки на неизвестной границе раздела. Введя понятие эффективной теплоемкости Сэ и используя представление о процессе замерзания поровой влаги в диапазоне отрицательной температуры, получаем для всей области одно квазилинейное уравнение теплопроводности: где t - время; X - коэффициент теплопроводности; Св - теплоемкость воды; Vx, Vy - горизонтальная и вертикальная составляющие скорости фильтрации. Эффективная теплоемкость выражается через введенную ранее относительную весовую льдистость в виде Рекомендуется различать значение коэффициентов теплопроводности и теплоемкости для талой и мерзлой зон. Входящие в выражения (4.2.2) и (4.2.3) коэффициенты теплопроводности и теплоемкости зависят от льдосодержания и могут быть представлены в виде Такое представление, помимо учета зависимости теплофизических характеристик от температуры, играет роль функционального сглаживания при численном решении уравнения (4.2.2). Фильтрационный режим системы плотина-основание описывается нелинейным уравнением где к - коэффициент фильтрации, зависящий от температуры Т и пьезометрического напора Н. Особенностью фильтрационного расчета является зависимость коэффициентов фильтрации от температурного и фильтрационного полей в расчетный момент времени.
Такая постановка позволяет учитывать изменение положения талых зон в сооружении и основании, а также в случае необходимости определить положение кривой депрессии. Расчетную модель замыкают начальные и граничные условия. В задаче теплопроводности ставятся следующие условия: на линии дна водохранилища температура равна температуре воды в водохранилище; на линии дна нижнего бьефа температура равна температуре воды в нижнем бьефе; на откосах и гребне плотины задается температура воздуха или условие конвективного теплообмена с заданным коэффициентом теплообмена; на боковых границах выделенной зоны основания задается условие отсутствия теплового потока; на нижней границе основания температура постоянна и равна температуре в бытовых условиях; замораживающие системы в теле плотины и основания фиксируются заданными температурами; наличие теплоизолирующих покрытий на части поверхности сооружения приводит к условиям заданного теплового потока или адиабатической изоляции в зависимости от эффективности покрытия. Уравнение фильтрации (4.2.7) решается при следующих граничных условиях: на линии контакта плотины и основания с верхним и нижним бьефами пьезометрический напор равен уровню воды соответственно в верхнем и нижнем бьефах; на боковой и нижней границах выделенной зоны основания ставится условие отсутствия фильтрационного потока. Теплофизические характеристики грунтов и температурные воздействия носят случайный характер, поэтому необходимо поставленную температурно-влажностную задачу решать в вероятностной постановке. Методика решения такой задачи представлена в п.3.1. Для определения
