Введение к работе
Актуальность темы исследования. Согласно действующим нормативным документам при проектировании гидротехнических сооружений исходные параметры, случайные по своей природе, заменяются некоторыми усредненными детерминированными значениями, а влияние их изменчивости на проектируемое сооружение учитывается с помощью системы соответствующих коэффициентов «запаса». Такой подход называют «полувероятностным методом». Накопление информации о статистической изменчивости характеристик грунтов, материалов конструкций, нагрузок и других факторов, а также перерасход материалов, связанный с излишними запасами прочности при использовании недостаточно обоснованных величин коэффициентов «запаса» позволяют перейти к расчетам с использованием вероятностных методов. Проблемы надежности имеют особую значимость для сооружений многофункционального назначения. Весьма актуальным является разработка методов оценки проектной и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений при вынужденном использовании территорий, ранее считавшихся малопригодными для строительства, например, в районах с высокой сейсмичностью.
Наиболее часто недопустимые деформации наблюдаются у сооружений на нескальных основаниях, грунты которых по тем или иным причинам проявляют значительную нелинейную деформируемость, не в полной мере учитываемую при применении традиционных методов расчета. Повышение достоверности расчетов таких оснований связано с применением моделей и методов нелинейной механики грунтов, получившей в конце XX века значительное развитие и широкое практическое применение.
В силу стохастической изменчивости большого числа характеристик, определение надежности, как вероятностной категории, для нелинейно-деформируемых оснований существенно усложняется. Имеющиеся методики в большинстве своем ориентированы на расчет только линейно-деформируемых оснований. В связи с этим, разработка методов оценки проектной и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений в сложных сейсмических
условиях, когда следует учитывать различного рода нелинейности в поведении системы «основание - сооружение» является своевременной и актуальной.
Цель и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях в сложных сейсмических условиях с учетом системного подхода.
Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
выполнение анализа используемых параметров и современных методов оценки надежности гидротехнических сооружений, применяемых математических моделей, описывающих процессы, происходящие в сложных системах, учитывающих статические и динамические воздействия, а также рассмотрение проблем учета сейсмических условий в расчетах надежности гидротехнических сооружений;
выполнение анализа статистических данных о происшедших в мире авариях и повреждениях конструктивных элементов гидротехнических сооружений, выявление важности учета сейсмических воздействий, а также необходимости учета вероятностных подходов в расчетах надежности;
разработка методики и алгоритма оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях как сложных систем, учитывающей статические и динамические воздействия и стохастический (случайный) характер свойств грунтов основания и внешних нагрузок, применительно к сложным сейсмическим условиям;
постановка вероятностных задач оценки надежности гидротехнических сооружений с учетом стохастического характера внешних нагрузок и, в соответствии с разработанной методикой, выполнение вероятностных расчетов оценки надежности в сложных сейсмических условиях конкретных гидротехнических сооружений на нескальных основаниях.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются гидротехнические сооружения на нескальных основаниях, в частности грунтовые
плотины, в том числе, предназначенные для эксплуатации в сложных сейсмических условиях, а также гидротехнические системы «основание - откос плотины - сооружение». Предмет исследования - методика оценки проектной и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений с применением вероятностных методов расчета.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой являются: анализ нормативно-технической документации по устойчивости гидротехнических сооружений и оценке их надежности, статистический метод - при анализе данных об авариях и нарушениях гидротехнических сооружений и их элементов, расчетно-аналитический -при проведении оценки устойчивости и расчете показателей надежности грунтовых плотин и систем, включающих основание и сооружение. Теоретической базой являются работы ученых и специалистов в области гидротехнического строительства, методы и модели вероятностных подходов к оценке надежности сложных систем. В качестве эмпирической базы исследования использованы описание и анализ эмпирических данных о наблюдениях за сооружениями, параметры нагрузок и воздействий на гидротехнические грунтовые сооружения.
Научная новизна результатов работы заключается в разработке методики оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях как сложных систем в сложных сейсмических условиях, учитывающей неоднородность и нелинейность физико-механических свойств грунтов основания, прочностных характеристик материалов конструкций, а также различные нагрузки и воздействия, в том числе, сейсмические.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования заключается в развитии методов расчета надежности гидротехнических сооружений, предназначенных для эксплуатации в сложных, в том числе, сейсмических условиях, совершенствовании подходов и расчетных моделей оценки устойчивости откосов грунтовых плотин.
Использование разработанных методики и алгоритма позволит более точно определять показатели надежности гидротехнических сооружений, воз-
водимых на нескальных основаниях, в том числе, в сейсмических районах, выявлять сооружения, имеющие недостаточный или чрезмерный запас надежности, и своевременно вносить корректировки проекта. Это позволит обеспечить соответственно либо требуемую надежную работу объекта, а следовательно, сокращение расходов на восстановительные ремонты из-за возможного выхода гидротехнического сооружения из состояния нормальной эксплуатации, либо экономию расходов на его возведение.
Личный вклад соискателя заключается в проведенном анализе научных работ по применяемым методам оценки надежности гидротехнических сооружений, выявлении направлений совершенствования методов оценки надежности, выполнении анализа статистических данных об авариях и повреждениях гидротехнических сооружений, представлении необходимости использования вероятностных подходов в расчетах надежности, разработке методики и алгоритма оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях в сложных сейсмических условиях на основе системного подхода с учетом вероятностных подходов.
На защиту выносятся:
- методика оценки надежности гидротехнических сооружений на не
скальных основаниях, учитывающая статические и динамические воздействия,
случайный характер свойств грунтов основания и внешних нагрузок, а также
сейсмические условия;
постановка вероятностных задач расчета надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях при динамических воздействиях, в которых учитывается стохастический характер внешних нагрузок;
результаты решения частных детерминистических и вероятностных задач по оценке надежности в сложных сейсмических условиях гидротехнических сооружений на нескальных основаниях: откоса грунтовой плотины и системы: основание - грунтовый откос - водозаборная башня гидроузла Тилездит.
Достоверность научных результатов обусловлена тем, что исследования основываются на научно обоснованных и апробированных методах теории
надежности, метода математического анализа, использованием обоснованного выбора показателей физико-механических свойств грунтов и нагрузок, используемых в расчетах надежности гидротехнических сооружений, применением общепринятых статистических методов обработки и подтверждается соответствием полученных результатов исследования существующим современным научным представлениям.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на Научно-технической конференции СПбГПУ (Неделя науки СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2004), Региональной конференции по проблемам экологии Санкт-Петербурга и Ленинградской области (Русское Географическое Общество, Санкт-Петербург, 2005), на заседании ученого совета инженерно-строительного факультета СПбГПУ (СПбГПУ Санкт-Петербург, 2007), на научном семинаре по теме: «Устойчивость и долговечность железобетонных конструкций» (СПБГПУ, Санкт-Петербург, 2009), на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (МГУП, Москва, 2011) и 69-й Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (СГАСУ, Самара, 2011).
Реализация работы. Результаты исследовательской работы внедрены в ООО «АРМ-проект» (г. Санкт-Петербург) при проверке надежности проектируемых гидротехнических плотин, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» и ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» при осуществлении учебных занятий, дипломного и курсового проектирования студентов специальности «Гидротехническое строительство».
Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в пяти печатных работах, в том числе, три - в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 124 наименований, в том чис-
ле 16 - на иностранном языке, и приложений. Работа содержит 129 с. машинописного текста, 15 рисунков и 21 таблицу. Общий объем работы - 158 с.
