Введение к работе
Актуальность. Грунтовые плотины в настоящее время являются одним из основных типов подпорных сооружений, проектируемых и возводимых в районах высокой сейсмичности. Во Вьетнаме грунтовые плотины являются самым распространенным типом плотин. Значительная часть Вьетнама располагается в горных и сейсмически активных районах, почти все построенные и строящиеся плотины во Вьетнаме находятся в зоне 8-9-балльной сейсмичности (по шкале MSK-64). В настоящее время на этих территориях в больших масштабах ведется строительство. Гидроэнергетическое и водохозяйственное освоение горных рек предъявляет повышенные требования к обеспечению надежности и безопасности плотин. От сохранности плотин, особенно грунтовых, зависит сохранность всего гидроузла в целом, а аварии на таких плотинах вообще недопустимы, поскольку могут привести к тяжелейшим катастрофическим последствиям. В подобных условиях изучение влияния сейсмических воздействий на гидротехнические сооружения приобретает исключительно актуальное значение, особенно после тяжелых материальных и человеческих потерь, вызванных цунами и землетрясениями, которые произошли в Юго-восточной Азии в последнее время.
Во Вьетнаме построено много каменно-земляных плотин из местных материалов, в том числе высоконапорных, много плотин находятся на стадии строительства и проектирования (Хоа Бинь, Яли, Буон Туа Срах, Ан Выонг и др.). Почти все построенные плотины за время своей эксплуатации перенесли то или иное по силе землетрясение. Систематический мониторинг состояния и поведения грунтовых сооружений во время и после землетрясения позволяет заключить, что основными видами деформаций грунтовых плотин при землетрясениях являются: осадки и смещения гребня плотины, искривление его профиля в плане, разуплотнение поверхнokостных зон тела плотины, трещинообразование на гребне в виде продольных и поперечных трещин, оползание откосов, разжижение материала тела плотины, явления суффозии и контактного выпора, связанные с гидравлическим разрывом ядра и прочее.
Некоторые из перечисленных видов деформаций на плотинах, перенесших землетрясение, встречаются чаще, например, осадки, разуплотнения и трещины почти во всех случаях, некоторые – реже, например, оползания массивов верховой призмы вскоре после землетрясения, разжижения материала плотины или основания, гидравлический разрыв ядра и др. Преобладание тех или иных видов зависит от свойств материалов, конструктивных особенностей сооружения, формы и размера створа, а также от характера сейсмического воздействия.
Сложность математического описания поведения сооружения при землетрясении связана с большой неопределенностью в задании исходных данных для динамических расчетов плотин, начиная с неопределенности в задании расчетной акселерограммы, направлении и скорости подхода сейсмической волны к створу плотины, кончая неопределенностью в задании динамических свойств материалов, слагающих тело плотины и изменяющихся в зависимости от действующих в грунте напряжений. Это заставляет исследователей вносить в решение допущения и предположения. Тип этих допущений существенно влияет на работу сооружения, поэтому темой данной работы стало возможное уменьшение количества допущений, вводимых в решение динамической задачи и исследование их роли в работе плотины.
В качестве основных факторов, влияющих на поведение сооружения при землетрясении были выделены:
- пространственный характер работы плотины, включая массив основания;
- наличие трехкомпонентной акселерограммы в записи расчетного сейсмического воздействия;
- скорость распространения сейсмической волны в основании плотины, зависящая от свойств основания и учет эффекта «бегущей волны» не только в направлении вдоль русла, но и для широких створов – в направлении вдоль гребня плотины;
- изменение динамических свойств грунтов тела плотины в зависимости от уровня действующих в плотине напряжений (на момент начала землетрясения);
- направление подхода сейсмической волны к оси плотины;
- избыточное поровое давление при сейсмических толчках, появляющееся не только в ядре плотины, но и в верховой призме.
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование сейсмостойкости грунтовых плотин в пространственной постановке с учетом возможно большего числа факторов, влияющих на их работоспособность. Для этого необходимо было решить следующие задачи.
-
Разработать применительно к МКЭ расчетную схему каменно-земляной плотины, учитывающей пространственность сейсмических колебаний конструкций.
-
Разработать алгоритм работы программного комплекса автоматизированного расчета на ЭВМ каменно-земляной плотины с основанием в пространственной постановке с учетом сейсмических воздействий.
-
Провести тестовые решения по программному комплексу в целях его апробации и сравнения полученных решений с существующими ранее.
-
Исследование влияния пространственных условий на характер собственных колебаний каменно-земляных плотин при разных формах створа, их протяженности, свойствах основания.
-
Исследование влияния эффекта «бегущей волны» и изменений скорости распространения сейсмической волны в основании плотины на величину динамических ускорений узлов плотины.
-
Исследование зависимости максимальных ускорений каменно-земляной плотины от направления сейсмических волн.
-
Исследование величины и времени существования избыточного порового давления в грунтовых плотинах при сейсмических воздействиях как в ядре плотины, так и в верховой призме.
-
Исследования напряженно-деформированного состояния каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях, задаваемых харак-терной трехкомпонентной акселерограммой.
Достоверность работы определяется многочисленными тестовыми задачами и их сопоставлением с теоретическими решениями, с решениями, приведенными в справочной и научно-технической литературе. На основе работы программного комплекса были получены частоты собственных колебаний ряда плотин, по которым имеются данные натурных наблюдений (к примеру плотина Яли), а также величины остаточных смещений в плотинах, перенесших землетрясения. Полученные решения дают хорошую сходимость с натурными данными.
Научная новизна данной диссертационной работы заключается в комплексном исследовании НДС каменно-земляной плотины при сейсмическом воздействии в условиях, максимально приближенных к действительности. Впервые в расчетах пространственного напряженно-деформированного состояния плотины были учтены и оценены следующие особенности работы плотины:
В качестве расчетной модели рассматривалась модель совместной работы «плотина-основание».
Число учитываемых форм собственных колебаний, влияющих на точность расчетов было доведено до 25-ти.
Скорость распространения сейсмической волны в основании плотины варьировалась в диапазоне от бесконечно большой до значений, определяемых свойствами материалов в основании.
Среди всех возможных направлений подхода сейсмической волны к створу плотины можно выделить наихудшее, связанное с максимальными ускорениями в плотине и наибольшими остаточными деформациями.
Появление порового давления в верховой призме плотины может стать главной причиной явлений разжижения и проседания гравелистых и песчаных грунтов при сейсмических воздействиях. Время рассеивания избыточного порового давления может измеряться сутками, что делает необходимым учет этой величины в расчетах устойчивости откосов плотин после землетрясений.
Основными критериями, оценивающими работоспособность плотины должны быть величины максимальных ускорений в плотине во время землетрясений, величины сейсмических сил и динамических напряжений, величины остаточных смещений в плотине после землетрясения, изменение прочностного состояния плотины после землетрясения должно оцениваться величиной коэффициента надежности и в противофильтрационном элементе – величиной коэффициента надежности на трещинообразование.
Практическая значимость Комплексные исследования сейсмостойкости каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях дают возможность ответить на ряд вопросов, до сих пор, не нашедших математического описания в известных программных комплексах, такие как:
Какие антисейсмические мероприятия следует проводить в плотине для снижения величины сейсмических ускорений в ней;
Какую конструкцию дренажных лент и переходных зон следует предусматривать в плотине в целях снижения величин избыточного порового давления;
Какие мероприятия следует проводить в целях повышения устойчивости откосов плотины при землетрясениях.
Внедрение результатов исследований:
В процессе работы над диссертацией было проведено исследование НДС глухой секции каменно-земляной плотины ГЭС Яли в СРВ при действии статических и сейсмических нагрузок с определением собственных форм и собственных значений.
Апробация работы:
Основные результаты работы были изложены в 3-х статьях:
1. Бестужева А.С., Нгуен Фыонг Лам. Динамический и спектральный методы определения сейсмической нагрузки, действующей на сооружение при землетрясении. // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ» №1/2010. – С. 155-168.
2. Рассказов Л. Н., Бестужева А.С., Нгуен Фыонг Лам. Учет «бегущей волны» в пространственных задачах сейсмоустойчивости грунтовых плотин. // Ежемесячный научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» № 11/2010. – С. 47-53.
3. Рассказов Л. Н., Бестужева А.С., Нгуен Фыонг Лам. Поровое давление в грунтовых плотинах при сейсмических воздействиях. // Ежемесячный научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» № 11/2010. C. 54-59.
На защиту выносятся:
Задачи комплексных исследований пространственного НДС каменно-земляных плотин в зонах высокой сейсмичности.
Методика расчетов остаточных перемещений в плотине и изменения ее прочностного состояния после прохождения сейсмической волны.
Основные критерии оценки прочностного и деформированного состояния плотины во время и после землетрясения.
Анализ численных исследований собственных периодов и форм колебаний каменно-земляных плотин в пространственной постановке;
Влияние пространственного характера колебания плотины на ее НДС при землетрясении.
Необходимость учета скорости распространения сейсмической волны в основании (эффекта "бегущей волны") при исследованиях пространственного характера работы плотины в зоне высокой сейсмичности.
Влияние направления подхода сейсмической волны к створу плотины на величину максимальных ускорений в ней.
Необходимость оценки величины избыточного порового давления в плотине и в частности в верховой призме плотины для обеспечения устойчивости откосов после прохождения сейсмической волны.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 100 наименований. Полный объем диссертации –183 страниц, включая 116 страниц текста, 43 страниц рисунков и 24стр таблиц.
