Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса исследований 15
1.1. Обзор современных методов расчета напряженно- деформированного состояния грунтовых плотин и массивов 15
1.2. Основные уравнения теории консолидации многофазных грунтов 25
1.3. Основные соотношения теории пластического течения в математических моделях грунта 30
1.4. Основные соотношения метода конечных элементов 44
1.5. Методика построения объемных геометрических моделей гидротехнических сооружений и грунтовых массивов 51
1.6. Выводы к главе 1 55
Разработка метода расчета многофазных, нелинейно деформируемых грунтовых сред при статических и сейсмических воздействиях 57
2.1. Вывод основных уравнений вычислительного алгоритма решения статических задач теории консолидации,... 57
2.2. Вывод основных уравнений вычислительного алгоритма решения динамических задач теории консолидации.., 64
2.3. Алгоритм решения задач пластического течения грунтов 73
2.4. Алгоритмы учета технологии сгроительства сооружений 79
2.5. Особенности формирования и решения разрешающей системы уравнений 84
2.6. Комплекс вычислительных программ "Земля" 87
2.7. Результаты и выводы к главе 2 90
Верификация расчетной методики 92
ЗА. Сравнение с аналитическими решениями 92
3.1.1. Консолидация слоя грунта в условиях компрессионного сжатия 92
3.1.2. Одномерная задача динамической консолидации грунта под действием гармонической наїрузки 96
3.1.3. Контактные задачи взаимодействия жесткого штампа с грунтовым основанием 98
ЗЛА Устойчивость грунтового откоса 102
3.2. Сравнение с данными экспериментальных исследований и
натурных наблюдений 104
3.2Л. Испытания грунта в приборе трехосного сжатия 104
3.2.2. Лотковый эксперимент взаимодействия жесткого штампа
с песчаным основанием 107
3.2.3. Осадка реакторного отделения Балаковской АЭС 111
3.2.4. Напряженно-деформированное состояние плотины НурекскойГЭС 115
3.3, Результаты и выводы к главе 3 121
Разработка моделей и расчетные исследования напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений и массивов, работающих в пространственных условиях 123
4Л. Математическая модель мониторинга состояния системы
«камегато- земляная плотина - основание» гидроузла Хоабинь... 123
4.1.1. Конструкция и режим работы плотины 123
4.1.2. Объемная геологическая модель системы «каменно-земляная плотина - основание» 126
4.1.2.1. Объемная геологическая модель основания 126
4.1.2.2. Объемная модельтсаметю-землянойплотины,... 128
4,1.3. Геотехнические свойства грунтов 134
4 J .4, Расчетная модель 141
4.1.5. Верификация расчетной модели по данным натурных
наблюдений 143
4.L5.1, Анализ предварительных результатов расчета и данных натурных наблюдений за поведением каменно-земляной плотины
4.1 5.2. Корректировка математической модели грунта для горной массы 148
4.1.5.3. Сравнительный анализ смещений гребня и ІЇИЗОВОЙ упорной призмы в сравноши с данными натурных наблюдений
4.L6, Анализ напряженного состояния плотины и прогноз ее работы в последующие годы эксплуатации 155
Математические модели скального массива, вмещающего подземные выработки ГЭС Тери '"5
4.2Л, Условия строительства 165
4.2.2. Модель геотехнических свойств скального массива 167
4.2.3. Построение математической модели участка скального массива, вмещающего подземные выработки машинного и трансформаторного залов
4.2.3.1. О&ьемная геологическая модель участка скального массива 173
4.2.3.2. Объемная модель подземных выработок 175
4.2.3.3. Расчетная модель участка скального массива, вмещающего подземные выработки 175
4.2.4. Анализ напряженно-деформированного состояния скального массива 181
4.2.5. Верификация математической модели по данным натурных наблюдений 191
4 2.6. Анализ результатов расчета НДС скального массива в плоской постановке 200
4.2.7. Построение математической модели участка скального массива, вмещающего подземные выработки дисковых 204
затворов и монтажа облицовки
4.2.8. Анализ напряженно-деформированного состояния скального массива на момент раскрытия выработок дисковых затворов и монтажа облицовки
4.2.9. Прогноз изменения напряженно-деформированнош
состояния скального массива при проходке выработок
219
турбинных водоводов
4,3. Результаты и выводы к главе 4 223
Оценка предельных состояний грунтовых сооружений 228
5.1, Основные подходы к оценке предельных состояний 228
5.2, Оценка устойчивости скального склона при строительстве здания пункта перехода гидроузла Тери 232
5,3- Оценка устойчивости каменно-земляной плотины Юмагузинского гидроузла в зависимости от прочностных свойств 242
материала упорных призм
5.3.1. Описание расчетной модели и исходные данные для численного моделирования 242
5.3,2. Напряженно-деформированное состояние и оценка устойчивости плотины 251
5.4. Оценка напряженно-деформированного состояния и устойчивости каменно-земляной плотины гидроузла Мерове при сейсмических воздействиях
5.4.1. Описание расчетной модели и исходные данные для численного моделирования 255
5.4.2. Напряженно-деформированное состояние плотины при статических воздействиях 262
5.4.3- Напряженно-деформированное состояние плотины при
сейсмических воздействиях 267
5.4 А Исследование влияния параметров сейсмического
воздействия на устойчивость плотины 275
5.4.5, Оценка влияния учета водонасыщенноши грунтовой среды на напряженно-деформированное состояние и
устойчивость плотины при сейсмических воздействиях ^77
5-6. Результаты и выводы к главе 5 281
Основные результаты и выводы 285
Список использованных источников
- Основные соотношения теории пластического течения в математических моделях грунта
- Алгоритмы учета технологии сгроительства сооружений
- Одномерная задача динамической консолидации грунта под действием гармонической наїрузки
- Объемная геологическая модель системы «каменно-земляная плотина - основание»
Введение к работе
Гидротехнические сооружения вследствие возможности катастрофических последствий при их разрушении предъявляют повышенные требования к их надежности, которые учитываются соотвегсгвующими нормами при проектировании.
Однако, сложность процессов, определяющих характер работы гидросооружений совместно с природными основаниями, и пока еще недостаточно изученных, естественное старение гидросооружений в течение длительного периода их эксплуатации и возможное развитие неблагоприятных процессов во времени требует постоянного контроля за работой сооружений и оценки их безопасности.
В соответствии со ст.9 Федерального закона "О безопасности гидротехнических сооружений 5 [129] собственник гидротехнического сооружения и эксплуатирующие организации обязаны: «систематически анализировать причины снижения безопасности гидротехнического сооружения и своевременно осуществлять разработку и реализацию мер по обеспечению технически исправного состояния гидротехнического сооружения и его безопасности, а также по предотвращению аварии гидротехнического сооружения».
При этом согласно методике определения критериев безопасности гидротехнических сооружений [91], оценку эксплуатационного состояния сооружения и его безопасности следует осуществлять путем сравнения измеренных количественных и качественных диагностических показателей с их критериальными значениями, установленными на стадии проектирования сооружения и откорректированными на стадии эксплуатации сооружения.
Проектное обоснование прочности и устойчивости гидротехнических сооружений и их оснований должно быть выполнено из условий недопущения предельных состояний [117]. При этом состав и критериальные значения диагностических показателей следует определять на основе анализа ряда параметров, в том числе и результатов расчетов напряжешю-деформированного состояния единой системы "сооружение-основание",
В целях оценки изменения диагностических показателей и более точной их корректировки должны быть разработаны и откалиброваны по данным натурных наблюдений прогнозные маїемагические модели поведения сооружений.
Таким образом, для всех стадии "жизни" гидротехнического сооружения (проектирование, строительство и эксплуатация) должіш быть разработаны прогнозные математические модели, отражающие реальное поведение сооружения.
Гидротехнические сооружения, в том числе и из местных строительных материалов, взаимодействующие с грунтовым основанием или вмещающим скальным массивом, являются уникальными и требуют для создания их адекватных математических моделей привлечения всей мощи современной вычислительной техники и научных знаний при жесткой увязке результатов численного моделирования и данных натурных наблюдений.
Гидроузлы с высокими грунтовыми плотинами (Хоабинь, Тери, Рогун и т.д.) часто компонуются с подземными ГЭС, расположенными в скальных массивах. При этом с достаточной степенью точности работа грунтовых плотик и скальных массивов может быть описана в рамках единого подхода, основанного на положениях механики сплошной среды.
В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы явилась разработка метода создания прогнозных математических моделей напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин и вмещающих подземные станции ГЭС скальных массивов.
Идея работы заключается в использовании при разработке прогнозных моделей грунтовых плотин и скальных массивов современных положений механики грунтов, численных методов расчета и технологии твердотельного моделирования.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- разработать методику, алгоритм и вычислительную программу расчета на ЭВМ напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов при статических и сейсмических воздействиях;
- верифицировать разработанную методику на основе сравнения результатов расчетов с результатами имеющихся анаяигических решений, с данными экспериментальных исследований и натурных наблюдений;
- разработать методику создания объемных математических моделей грунтовых сооружений и скальных массивов;
- создать прогнозные модели напряженно-деформированного состояния 1рунтовых плотин, оснований и скальных массивов, вмещающих подземные сооружения, как для обоснования проеісгньїх решений, так и для проведения мониторинга объектов гидротехнического строительства в периоды строительства и эксплуатации;
- на основе созданных математических моделей исследовать основные подходы к оценке предельных состояний грунтовых массивов.
Научной новганой обладают;
- методика численного прогноза пространственного напряженно- деформированного состояния грут-овых массивов, рабопающих в сложных инженерно-геологических условиях, разработанная на основе решения уравнений теории консолидации грунтов и соотношений теории пластического течения с упрочнением;
апробация используемой математической модели грунта Ю.К.Зарецкого м ее дальнейшее развитие для описания поведения скальных пород и круннообломочных грунтов;
- внедрение в практику создания объемных математических моделей напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов технологии твердотельного моделирования;
- результаты исследований напряженно-деформированного состояния и предельных состояний грунтовых массивов, являющихся телом сооружений, основаниями сооружеїіий и вмещающей породой
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждена верификацией разработанной методики на основе:
- решения тестовых задач динамической и статической консолидации слоя грунта, взаимодействия жесткого штампа с грунтовым основанием и устойчивости грунтовых откосов в сравнении с имеющимися аналитическими решениями;
- сравнения решений модельных задач испытания грунтов в приборе трехосного сжатия и взаимодействия жесткого штампа с грунтовым основанием в лотке с данными экспериментальных исследований;
- исследований напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин Нурскской ГЭС и гидроузла Хоабинь, грунтового основания реакторного отделения Балаковской АЭС, скального массива, вмещающего подземные выработки ГЭС Тери, и сравнении результатов расчета с данными натурных наблюдений.
Практическое значение и реализация результатов работы заключается:
- в разработке и внедрении метода создания объемных прогнозных математических моделей грунтовых сооружений и грунтовых массивов, взаимодействующих с гидротехническими сооружениями;
- в разработке комплекса вычислительных программ "Земля" для решения широкого круга задач геомеханики на основе использования метода конечных элементов;
- в создании объемной постоянно-действующей прогнозной модели системы "каменно-земляная плотина гидроузла Хоабинь — грунтовое основание", проведению расчетных исследований изменения ее напряженно-деформированного состояния за 10 лет ее эксплуатации и последующий период и внедрении этой модели на ГЭС Хоабинь (СРВ) для проведения моїшгоринга;
- в создании объемных прогнозных математических моделей скального массива, вмещающего подземные вырабогки ГЭС Тери (Индия), и проведении расчетных исследований напряженно-деформированного состояния и устойчивости скального массива вокруг выработок для обоснования проектных решений, в том числе и поэтапной схемы проходки выработок;
- в оценке предельных состояний участка скального склона при устройстве пункта перехода (гидроузел Тери) и каменно-земляных плотин Юмагузинской 1 "ЭС (Россия) и ГЭС Мерове (Судан).
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 25 работ. Отдельные разделы работы докладывались на:
- IGS Conference on Geotechnical Engineering, New Delhi, 1978;
- Всесоюзном научно-техническом совещании "Проектирование и исследование оснований гидротехнических сооружений", Ленишрад, 1979;
- ШТАМ Symposium on Deformation and Failure of Granular Materials, Delft, 1982;
- VII Дунайско-европейская конференция по механике ірунтов и фундамешхкггроению, Кишинев, 1983;
- Всесоюзной конференции "Современные проблемы нелинейной механики грунтов", Челябинск, 1985;
- II Балтийской конференции по механике грунтов и фундаментостроению, Таллин, 1988;
- II Всесоюзной конференции "Использование достижений нелинейной механики грунтов в проектировании оснований и фундаментов", Йошкар-Ола, 1989;
- Международной конференции "Геотехника. Оценка состояния оснований и сооружений", C-LL, 2001;
- XIV Всесоюзной научно-практической конференции изыскателей Гидропроекта, Солнечногорск, 2003
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов списка литературы. Объем диссертаїдии состоит из 306 страниц. Список литературы содержит 174 наименования.
Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации сформулированы основные цели исследований и полученные в работе результаты, описывается краткое содержание работы и приводятся положения, выносимые на защиту.
В первой главе дается обзор современного уровня расчетных исследований (в рамках механики сплошной среды) напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин и скальных массивов, вмещающих объекты гидротехнического строительства.
Приводятся основные уравнения теории консолидации грунтов МБио, математической модели грунта, сформулировагшой Ю.КЗарецким в рамках теории пластического течения с упрочнением, и метода конечных элементов.
Рассматриваются методики построения объемных геометрических моделей гидротехнических сооружений и грунтовых массивов.
Во второй главе излагается методика и алгоритмы расчета пространственного напряженно-деформированного состояния неоднородных нелинейно деформируемых грунтовых массивов, построенные на основе численного решения полных систем дифференциальных уравнений динамической и статической консолидации грунтов. При этом грунт рассматривается как квазидвухфазная система, состоящая из минерального скелета и сжимаемой смеси норовой жидкости и газа.
Приводится структура комплекса вычислительных проірамм "Земля4, реализующих разработанные алгоритмы и ориентированных на решение практических задач взаимодействия гидротехнических сооружений с грунтовыми основаниями или вмещающими скальными массивами.
В третьей главе с целью верификации разработанного метода расчета нелинейно деформируемых водонасыщенных грунтовых сред при статических и динамических нагрузках рассмотрены результаты решения широкого круга задач механики грунтов в сравнении с результатами аналитических решений, данными экспериментов и натурных наблюдений.
В четвертой главе рассмотрены вопросы создания объемных прогнозных моделей (при использовании технологии твердотельного моделирования и разработанного метода расчета грунтовых массивов) и полученные но ним результаты исследований напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов.
Весь путь от создания до использования прогнозных математических моделей объектов гидротехнического строительства при максимально возможном учете природных и технологических факторов рассмотрен на примере каменно-земляной плотины гидроузла Хоабинь (СРВ) и подземных выработок ГЭС Тери (Индая),
В пятой главе исследованы основные подходы к оценке предельных состояний грунтовых массивов при статических и сейсмических воздействиях на основе использования созданных математических моделей участка склона, являющегося основанием пункта перехода гидроузла Тсри, каменно-земдяных плотин Юмагузинского гидроузла и гидроузла Мерове.
Рассмотрены вопросы устойчивости сооружений при возможном варьировании прочностных параметров грунтов и пїфаметров сейсмического воздействия.
Основные результаты и выводы, полученные в работе, изложены в заключительном разделе диссертации.
На защиту выносятся следующие вопросы:
- методика построения объемных моделей фунтовых и скальных массивов, имеющих сложное инженерно-геологическое строение;
- метод (методика и алгоритм, реализованные в комплексе вычислительных программ) численного прогноза пространственного напряженно-деформированного состояния нелинейно деформируемых грунтовых массивов, в том числе и водонасыщенных;
- математические модели деформирования скальной породы и крупнообломочных грунтов, являющиеся вариантами математической модели грунтов Ю.КЗарецкого;
- расчетные математические модели каменно-земляной плотины ГЭС Хоабинь и участка скального массива, вмещающего подземные выработки ГЭС Тсри;
- результаты исследований напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов, являющихся телом сооружений, основанием сооружений и вмещающей породой, при учете конструктивных особенностей сооружений и технологии их строительства;
- результаты исследовании по оценке предельных состоянии грунтовых сооружений.
Работа выполнена в Центре научного обоснования проектов ОАО "Институт Гидропроект" и обобщает результаты исследований автора с 1975 по 2002 год.
Автор выражает благодарность заместителю исполнительного директора по науке ОАО "Институт Гидропроект", доктору технических наук, профессору Ю.КЗарецкому за внимание к работе, консультации и постоянную поддержку.
Основные соотношения теории пластического течения в математических моделях грунта
Для квазидвухфазного грунта разрешающую систему дифференциальных уравнении динамической теории консолидации запишем в следующем виде [135,146]; uf ,н - компоненты ускорений скелета грунта и жидкости; кф - коэффициент фильтрации; g - ускорение свободного падения; аі } + $чКҐ= 2— - - в декартовой системе координат ( Xj ) компоненты вектора равнодействующей всех внутренних сил, действующих на единицу объема грукга.
При рассмотрении квазистатических движений грунтовых систем ускорениями частиц грунта пренебрегают и система дифференциальных уравнений статической теории консолидации записывается в виде:
Системы уравнений 1.12 и 1.13 (с учетом уравнений состояния всех фаз грунта, начальных и граничных условий) полностью характеризует работу квазидвухфазных грунтов при динамических и статических воздействиях соответственно. При этом одновременно учитывается фактор фильтрационного движения сжимаемой жидкости в порах грунта и деформационные свойства скелета грунта.
Основные соотношения теории пластического течения в математических моделях грунта
Определяющие уравнения связи для скелета грунта (физические уравнения) представляют собой связь между компонентами тензора эффективных напряжений и компонентами тензора деформаций. В зависимости от вида фунта, уровня напряжений, вида напряженного состояния, траектории нагружения, скорости нагружения и пр, эти связи могут быть различными. При разгрузке или в узком диапазоне малых напряжений в условиях активного нагружения скелет фунта ведет себя как линейно-деформируемая среда В этом случае в качестве определяющих уравнений используется закон Гука [124]; of = 2// + , (1.14) где / ,Л - постоянные Ляме, Компоненты тензора деформаций, в случае малых деформаций, выражаются через i-радиенты перемещений скелета груша соотношениями Коши: где us - компоненты вектора перемещений
При использовании в качестве констант, характеризующих упругую модель грунта, модуля всестороннего сжатия К и модуля сдвига G определяющие связи записываются в виде; Между постоянными Ляме, модулем Юнга Е, коэффициентом Пуассона v, модулем сдвига и модулем всестороннего сжатия в общем случае имеют место следующие связи: nF F F Л= -— ;« = G =—-—;ДГ = А + 2/Зя = (1.17) (Ї + v)(\ -2v) 2(1 ±и) XI-2v)
Зкспсримеїгтальиьіе исследования деформируемости и прочности грунтов, проведенные в условиях трехосного сжатия, указываю! на существенную нелинейность связи между эффективными напряжениями и деформациями. В этом случае, в рамках деформациоішой теории пластичности [61], модули объемной деформации К и сдвига G являются функциями инвариантов тензора эффективных напряжений и деформаций [39,40]: т(?л = (CT, F/) + a3ief} + a3tvf) )/3- среднее эффективное напряжение; - интенсивность касательных напряжений; ЕУ — , 4- є2 + єз - о&ьемная деформация; і . . еі = і! ї(єі іУ +іє\ f ( 2 siY интенсивность деформаций сдвига, где 0- ,0- ,0- - главные эффективные напряжения; еиє2,є3 - главные деформации. В условиях простого нагружения расчеты напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов на основе уравнений состояния деформационного типа приводят к результатам, сопоставимым наблюдаемым в натурных условиях. Однако, когда нагруженис не отвечает условиям простого нагружения, соотношения деформационной теории пластичности нарушаются. Кроме того, в условиях сложного нагружения в рамках деформационной теории пластичности довольно сложно сформулировать условия нагрузки и разгрузки.
В связи с этим для описания поведения грунта под нагрузкой необходимо привлечь теоретические построения более общего типа, которые учитывают историю нагружения материала. Это может быть сделано в рамках неголономных (неиытегрируемых) связей принятых в теории пластического течения, где наряду с полными деформациями рассматриваются пластические р) деформации, т.е, те, когорые остались бы в грунтовом массиве если его из данного напряженного состояния полностью разгрузить. 11ри этом: ,= Г+4" с-1 ) где ejp- компоненты тензора упругих деформаций,
В основе теории пластического течения лежат представления о критерии текучести, поверхности нагружения, ассоциированном законе течения, определении процессов нагружения и разгрузки материала и т.д. [66,116]. Обычно постулируется и подтверждается экспериментально, что пластическое течение начинается только тогда, когда напряжения удовлетворяют критерию текучести: где ад - параметр упрочнения. Условие текучести можно наглядно представить в віще поверхности в пространстве инвариантов тензора эффективных напряжений.
Формулировка условия текучести (поверхности нагружения) определяет форму физических уравнений и конкретизирует модель среды. Соотношения теории пластического течения в общем случае устанавливают связь между тешором приращений пластических деформаций и эффективных напряжений,
Мизесом [171] в качестве закона пластического течения был предложен ассоциированный закон: где: Я - бесконечно малый скалярный множитель; П - пластический потенциал. При ассоциированном законе течения пластическим потенциалом является функция нагружения f (условие пластичности или граница упругой области), т.е. П = /. При таком законе вектор приращения пластических деформаций de имеет направление, ортогональное поверхности нагружения, а его величина зависит от направления вектора догружения da
Если приращение напряжений сопровождается приращениями пластических деформаций, то подобный процесс называется нагружением. Процесс нагружения упрочняющейся среды связан с изменением поверхности нагружения.
Алгоритмы учета технологии сгроительства сооружений
Следует отметить, что первый путь построения объемных расчетных моделей достаточно трудоемок и при сложных инженерно-геологических условиях не всегда может гарантировать получение приемлемого результата но адекватной дискретизации расчетной области.
Второй путь заключается в использовании технологии твердотельного моделирования. При этом для построения объемной расчетной модели используются булевы операции для сложения, вычитания, разделения и склеивания объемов. Так, например, для грунтового массива, имеющего сложное инженерно-геологическое строение, объемная расчетная модель создается путем разделения некоторого произвольного объема системой поверхностей кровли выделенных слоев, текгонических нарушений и подземных вод. Основная сложность при таком подходе заключается в построении (в электронном виде) адекватных моделей рассматриваемых поверхностей и возможность выполнения с ними булевых операций.
Технология твердотельного моделирования позволяет легко объединить созданные раздельно твердотельные модели сооружений и і-еологнчеекой среды и разбить расчешую область на конечные элементы при помощи сеточных генераторов.
Второй подход при использовании ірафическою пакета программ MicroStation был использован в работах Т.Е.Барановой, В.О.Источникова при построении пространственной инженерно-геологической модели скального массива участка подземных сооружений ГЭС Яли [2] и Ю.Б, Мгалобелова, Ю.В.Ильина при построении твердотельной модели бетонных сооружений гидроузла Мерове совместно со скальным основанием [90].
В качестве дополнительного преимущества использования технологии твердотельного моделирования необходимо отметить возможность сквозного" проектирования, т.е. использование твердотельной модели сооружения для выпуска рабочих чертежей (разрезы по любым сечениям в программах Autocad, SolidWorks [169], MicroStation и т.д. строятся автоматически) и выполнения расчетных исследований его напряженно-деформированного состояния по вычислительным программам реализующим метод конечных элементов.
На современном этапе развития науки и вычислительной техники расчетное обоснование конструктивных и технологических решений на стадии проектирования объектов гидротехнического строительства и их оперативную корректировку в процессе строительства осуществляют с использованием численных методов. Среди которых метод конечных элементов является наиболее эффективным для решения широкого круга задач геомеханики.
Реализуя в дифференциальной форме основные зависимости механики грунтов, МКЭ позволяет построить на основе проекта сооружения его математическую модельа отражающую всю совокупность факторов, влияющих на работу сооружения; совместную работу сооружения и грунтового основания или вмещающего скального массива; инженерно-геологические условия строительства; водонасыщенность и нелинеиньти характер деформирования грунтов; конструктивные особенности сооружения и последовательность его строительства; пространственную работу сооружения и взаимовлияние расположенных рядом сооружений и т.д.
Из числа известных многочисленных математических моделей грунтов следует отдать предпочтение модели Ю.КЗарецкого, построенной в рамках теории пластического течения с упрочнением на основе анализа и обобщения большого числа экспериментальных исследовании. В большинстве практических случаев невозможно описать реальное поведение фунтовых или взаимодействующих с грунтовыми (скальными) массивами гидротехнических сооружений (каменно-земляные плотины, подземные выработок ГЭС и т.д.) в рамках решения плоских задач.
В тоже время, создание адекватных объемных математических моделей является достаточно трудоемкой задачей. В связи с чем, перспективным путем создания сложных объемных моделей гидротехнических сооружений является использование технологии твердотельного моделирования и се ючных генераторов для автоматической аппроксимации расчетной области сеткой конечных элементов.
Однако, как показал обзор современных методов расчета грунтовых плотин и скальных массивов, в настоящее время нет единого проіраммного обеспечения, совмещающего всю мощь МКЭ, технологии твердотельного моделирования и современных положений механики грунтов, для создания математических моделей поведения грунтовых сооружений и массивов в области гидротехнического строительства.
Одномерная задача динамической консолидации грунта под действием гармонической наїрузки
Поэтапность возведения сооружения - один из основных факторов, учет которого в расчете позволяет получить более полную информацию о формировании его напряженно-деформированного состояния в процессе строительства.
Основная идея принятой в данной работе методики расчета сооружений с учетом поэтапности их возведения состоит в том, что при численном расчете по существу моделируется процесс возведения сооружения во времени. Рассматриваемая область, в соответствии с принятым графиком строительства, разбивается на определенное количество расчетных этапов. При этом, как показано в работе [33], на линии контакта двух этапов к VL к+1 в процессе расчета должны выполняться следующие условия; u;-u;=uf, (2.56) где и - перемещения гребня сооружения после возведения к - го этапа,
Индекс "+" означает, что функция определена по подошве (к+1) - го этапа, "-" на гребне к - го этапа. Таким образом, на границе двух этапов к и +/ функция перемещений испытывает конечный разрыв, который определяется перемещениями верхней поверхности сооружения на к - ом этапе, что позволяет при расчете, с одной стороны численно моделировать "досыпку 1 к - то этапа до расчетной отметки, а с другой стороны, нейтрализовать влияние нагрузок, которые привели к деформированию сооружения на к — ом этапе, на последующие этапы.
Исходя из основных соотношений МКЭ, для того, чтобы учесть конечный разрыв функции перемещений на границе двух этапов строительства к области верхнего этапа необходимо приложить систему уравновешенных сил: {ГШ}= -ЙММ№ПК,Ь (2.57) где i$i+i) - вектор перемещений узловых точек (к+1) - го этапа, значения которого отличны от нуля только в узлах, расположенных по контакту между к и Л+ I этапом и равны перемещениям поверхности к — го этапа, ЛґА+І - число конечных элементов в (k+1) - ом этапе.
Система сил (2.57) вызывает в (+ /) — ом этапе перемещения равные по величине и обратные по знаку перемещениям верхней поверхности к - го этапа, что при совместном расчете области, состоящей из (к+1) этапов и при действии нагрузок только на нижние к этапов приведет к отсутствию перемещений (и, следовательно, деформаций и напряжений) в (+/) - ом этапе. В тоже время при нагружении (4+/) - го этапа расчетными наїрузками их действие передается на нижележащие этапы,
Для моделирования процесса возведения каждого этапа нагрузка от собственного веса материала па каждом возводимом этапе прикладывается постепенно, достигая расчетной величины к моменту окончания возведения этапа.
Данная методика, в отличие от метода послойного суммирования, основанного на принципе суперпозиций, применима к расчету сооружений, материал которых подчиняется законам пластического течения с упрочнением и его деформируемость зависит от траектории нагружения.
При численном моделировании отрывки котлована под сооружение или поэтапной проходки выработок в скальном массиве конечные элементы, принадлежащие удаляемой области, просто исключаются из расчетггой схемы.
Изложенная выше методика, применима и для численного моделирования установки анкеров в скальных массивах. В этом случае, при установке анкеров, моделируемых пространственными одномерными конечными элементами, в деформированный (в результате проходки выработок) скальный массив, функция перемещений также должна прегерпеть разрыв в местах крепления анкеров. Т,е, в момент установки анкера в нем не должно возникнуть усилий от произошедших ранее деформаций скального массива.
При моделировании предварительного натяжения анкеров к расчетной области в местах крепления анкеров первоначально прикладывается наїрузка, передаваемая анкерами, а зшем в расчетную область добавляются одномерные конечные элементы с учетом зависимости (2.57).
Единственной сложностью при моделировании установки большого числа анкеров была необходимость заранее знать места установки анкеров, их длину и направление, для того чтобы, при аппроксимации расчетной области скального массива конечными элементами, предусмотреть возможность их установки в узлах сетки конечных элементов.
Объемная геологическая модель системы «каменно-земляная плотина - основание»
В зоне ядра рыхлые отложения в переуглублении через есть специальных скважин на глубину до 80м обработаны глиноцементными и глиносиликатными растворами для создания противофильтрационноіо фронта. Скальные породы основания и бортов укреплены цементацией.
Возведение насыпи каменно-земляной плотины было начато в 1981г и закончено в 1990г. Наполнеіше водохранилища до отметки НПУ проводилось в несколько этапов в течении 1988-1991 г.
Проектный режим работы плотины гидроузла Хоабинь был разработан исходя из задач комплексного использования водных ресурсов его водохранилища и необходимости выполнения противопаводковых защитных функций, возложенных на гидроузел в период работы в изолированных условиях.
Для реализации основного требования вьетнамской стороны -обеспечения безопасносш столицы страны г. Ханой и защиты долины реки Хонгха от разрушительных наводнений, на условия работы плагины были наложены тяжелые специфические условия: ежегодно должна проводиться предпаводковая сработка водохранилища на 30м от НПУ J 15,00м до отметки 85,00м. и его последующее наполнеіше.
Обеспечение устойчивости плотины имеет чрезвычайное значение для всей северной части территории страны. Поэтому в период проектирования и строительства был выполнен уникально большой объем научно-исследовательских работ, А в течение более 10 лет эксплуатации ведется непрерывный мониторинг системы Ькаменно-земляная плотина - основание - береговые примыкания",
В соответствии с проектом ннпурных наблюдений плотина в период строительства была оснащена комплексом коїггрольно-измеригельной аппаратуры, который позволил выявить сложный характер деформирования плотины в эксплуатационный период 114,18].
Так, по данным натурных ісаблюдений? после возведения гребень плотины смещался в сторону нижнего бьефа, а после первого заполнения водохранилища до проектной отметки гребень плотины стал смещаться в сторону верхнего бьефа К 2001г максимальное горизонтальное смещение гребня плотины в сторону верхнего бьефа составило 16см, Осадка гребня плотины к 2001 г составила более 50см. При этом развитие осадки гребня плотины не связано с процессом консолидации ядра, т.к. он практически завершился к моменту окончания строительства плотины.
Приведенные результаты наблюдений вызвали необходимость разработки математической модели поведения каменно-земляной плотины для оценки на ее основе изменения показателей состояния плотины.
Построение математической модели мониторинга состояния каменно-земляной плотины г/у Хоабинь было выполнено в ОАО "Институт Гидропроект" [17] на основе использования метода конечных элементов, объемной геологической модели основания, объемной модели каменно-земляной плотины и модели геотехнических свойств грунтов. Объемная геологическая модель системы "каменно- земляная плотина - основание" Объемная геологическая модель основания Объемная математическая модель основания плотины г/у Хоабинь составлялась на базе инженерно-геологических моделей кровли и подошвы аллювиальной толщи, заполняющей коренное днище долины р. Да (которое в рамках решаемой задачи рассматривается как недеформируемое).
В состав аллювиальной толщи в основном входят крупнообломочные ірунтьг мощностью до 60 м, классифицируемые по обобщенным гранулометрическим данным, в соответствии с ГОСТ 25100-82 (Грунты, классификаїщя) как гравий, а ло преобладающим фракциям представлены преимущественно галечниками с песчаным заполнителем (40-50%). В толще и на поверхности гравийных грунтов развиты лигоьг песков (преимущественно средних) мощностью от 2 до 16 м. Однако ввиду относительно небольшой мощности песков и несущественного отличия их деформативных свойств от крупнообломочных грунтов, математическая модель сжимаемой части основания была принята однородной.
При составлении исходных инженерно-геологических карт-моделей масштаба 1:1000, отражающих рельеф кровли и подошвы всей аллювиальной толщи, а также подошвы песков, были использованы следующие материалы: 4, Сводная батиметрическая карта дна реки Да на участке плотины. 4. Карта кровли коренных пород под руслом р. Да и 30 геологических поперечников через русло., составленных параллельно оси плотины, на расстоянии 25-50 м друг от друга, на протяжении 375 м в сторону нижнего бьефа и 350 м — в сторону верхнего бьефа. 4. 28 продольных геологических разрезов, нормальных к оси плотины, проходящих через точку «0», составленных геодезической и геологической службами исполнительной документации комитета «А». 4. Описания и колонки отдельных геологических скважин, а также графики динамического зондирования, выполненные в различные годы изысканий и строительства, в том числе за пределами основания плотины. 5. Отдельные геофизические профили, выполненные за пределами основания плотины, 4. Батиметрические карты нижнего бьефа плотины за 1992-І996 г.г.
