Введение
Проблема фильтрации через земляные плотины является одной из наиболее сложных проблем гидротехники. Цель работы - анализ работы грунтовой плотины на фильтрационные воздействия с учетом устойчивости откосов грунтовых плотин при фильтрационном воздействии с применением MIDAS GTS NX. Важно отметить, что безопасность плотины является первостепенным требованием и оценка технического состояния грунтовой плотины играет ключевую роль в обеспечении этой безопасности. При проведении оценки состояния грунтовой плотины и её основания важно учитывать фактические значения контролируемых параметров, такие как характеристики грунта, деформации, несущая способность и другие. Эти параметры помогают определить дальнейшие меры по обследованию, реконструкции или ремонту плотины. Комплекс оценки состояния грунтовой плотины включает в себя обследование не только самой плотины, но и грунтов её основания, а также других строительных конструкций. При этом проводятся инструментальные и визуальные наблюдения для определения изменений свойств и величин деформаций. Для оценки состояния грунтовой плотины используются количественные и качественные диагностические показатели, которые сравниваются с критериальными значениями или критериями безопасности. Этот подход позволяет определить степень безопасности объекта и принять соответствующие решения по его обслуживанию и укреплению.
Методология
По результатам данных натурных исследований в теле плотине, в её основании и в береговых примыканиях должны быть установлены: высотное положение депрессионной поверхности и её очертание; распределение пьезометрических напоров, градиентов и порового давления воды; фильтрационные расходы воды и скорости её фильтрации; при наличии суффозии – весовое содержание, гранулометрический и минералогический состав грунтов выноса. Наблюдения за положением депрессионной поверхности и распределением пьезометрических напоров в теле плотины, её основании и берегах ведут с помощью пьезометров или телеметрических датчиков давления, которые устанавливают в характерных поперечных створах (рис.1). Рисунок 1 – Схемы размещения пьезометров в измерительных створах однородных грунтовых плотин(а), каменно-земляных(б) и с грунтовым экраном(в). 1-открытый пьезометр,2-датчик давления воды Из приведённых показателей к контролируемым диагностическим количественным показателям состояния грунтовых гидротехнических сооружений относятся определяемые инструментально: положение депрессионной поверхности в теле плотины; распределение пьезометрических напоров; расходы фильтрующей воды через плотину; содержание твердых частиц грунта в выходах фильтрата; коэффициенты устойчивости откосов (вычисляются).
Результаты
Земляная насыпная плотина перекрывает русло р. Верхняя и правобережную пойму (рис. 2). Отметка гребня земляной плотины – 218,00 м определилась отметкой ФПУ (215,50 м), высотой наката волны на откос и нормативным запасом над максимальным уровнем воды в водохранилище (0,5 м). Ширина гребня, из условия устройства по нему автодороги, принята 10 м. Длина плотины по гребню – 1073 м, максимальная высота 27 м, ширина основания по подошве максимальная 150 м. Заложение откосов плотины принято симметрично для верхового и низового откосов от гребня до бермы на отметке 208,00 м m=1:2.5, ниже бермы m=1:3. На верховом откосе в пределах отметок 218 – 200 м предусмотрено крепление сборными железобетонными плитами толщиной 0,20 м на двухслойном фильтре толщиной 0,5 м. Низовой откос крепится посевом трав по слою растительного грунта. Грунты основания. Основание плотины Верхнего гидроузла и водосбросных сооружений состоит в основном из коренных пород каменноугольного возраста. Коренные породы каменноугольного возраста, залегающие в основании, отличаются наиболее пестрым литологическим составом. Среди них присутствуют скальные, полускальные и рыхлые разновидности. Скальные породы представлены преимущественно доломитами, известняками и крепкими мергелями. Слабые разности перечисленных пород относятся к полускальному типу. Среди рыхлых коренных отложений преобладают глины, реже встречаются пески. Скальные породы обладают достаточной прочностью и сами по себе являются устойчивыми в откосах и надежными в основаниях сооружений. Для скальных пород характерна высокая водопроницаемость, поэтому на участках их распространения первостепенным вопросом являются оценка водоудерживающей способности массива в примыканиях и в основании сооружения.
Результаты
Расчёт фильтрации и устойчивости с применением MIDAS GTS NX. Расчет фильтрации используется для моделирования течения грунтовых вод. Два типа расчета: Установившаяся фильтрация (Steady State) – моделирование потока в равновесном состоянии (граничные условия не изменяются с течением времени). Неустановившаяся фильтрация (Transient State) – моделирование потока при изменении гидравлических граничных условий. Расчеты могут выполняться в двухмерной и трехмерной постановках. На гидроузле силами эксплуатационного персонала регулярно должен осуществляться визуальный и инструментальный контроль за состоянием его гидротехнических сооружений. Контроль должен вестись за фильтрационным и геодезическим режимами, параметрами внешних нагрузок и воздействий. Номенклатура, количество и месторасположение контрольно-измерительной аппаратуры на гидротехнических сооружениях гидроузла должны соответствовать проекту.
Обсуждение
Рисунок 3 – Кривые депрессии в теле грунтовой плотины по материалам натурных обследований грунтовой плотины Рисунок 4 – Кривые депрессии: а- кривая депрессии в программе Excel, б-кривая депрессии по программе MIDAS GTS NX, в-кривая депрессии по натурным данным Результаты расчёта сопоставлялись с данными натурных исследований по рассматриваемой грунтовой плотине и представлены на рис. 5. Рисунок 5 – Графики колебаний уровней в пьезометрах На рисунке 6 а-г представлены результаты расчётов по программе MIDAS GTS NX. Рисунок 6 – Результаты фильтрационных расчётов по программе MIDAS GTS NX: а - линии равных напоров; б - пьезометрический напор и пьезометрическая высота (высота давления); в - гидравлический градиент с линиями вектора по направлению XY. Основные результаты, которые могут быть получены для расчета фильтрации: • Flow rate - скорость истечения; • total & pore pressure head – пьезометрический напор и пьезометрическая высота (высота давления) – рис. 7; • pore pressure – гидростатическое давление; • velocity – скорость потока; • hydraulic gradients – гидравлический градиент; • hydraulic conductivity – гидравлическая проводимость; • water content – содержание воды. Контуры пьезометрического напора позволяют получить эквипотенциальные линии. Линии тока могут быть сгенерированы для любого узла на любой стадии. Основные результаты, которые могут быть получены для расчета устойчивости: • safety factor – коэффициент устойчивости; • max shear strains – максимальные сдвиговые пластические деформации (SRM- наиболее вероятная поверхность обрушения); • все компоненты НДС, соответствующие моменту обрушения (SRM); • положение центра радиуса и круглоцилиндрическая поверхность обрушения со своим коэффициентом (SAM). На рисунке 8 представлена расчётная схема плотины с основанием и линии сравнения для определения влияния изменение высотного положения кривой депрессии по центральной оси, осям А и В в зависимости от изменения коэффициента фильтрации тела плотины и основания Рисунок 7. – Эквипотенциальные линии (представлены полем пьезометрического напора) с линиями тока Рисунок 8. – Расчётная схема плотины с основанием и линии сравнения Результаты расчётов в виде графиков представлены на рис. 9. Рисунок 9 – Изменение высотного положения кривой депрессии по центральной оси в зависимости от изменения коэффициента фильтрации а – от 0 до 1000 м/сут.; б - от 0 до 100 м/сут. Результаты расчётов устойчивости по методу SRM - наиболее вероятной поверхности обрушения и по методу задания положения центра радиуса и круглоцилиндрической поверхности обрушения со своим коэффициентом (SAM) представлены на рис. 10 а и б. Рисунок 10 – Потенциальные линии сдвига в зависимости от коэффициента фильтрации (от 10 до 1000 м/сутки) для метода SRM – а и SAM – б. По результатам расчётов устойчивости откосов получены зависимости изменения для коэффициентов запаса устойчивости в зоне потенциального смещения – рис. 11а и б. Рисунок 11 – Коэффициент запаса в зоне потенциального смещения а - Кф от 0 до 1000, м/сут; б - Кф от 0 до 100, м/сут.
Обсуждение
Выводы: Полученные в результате расчетов МКЭ по программе MIDAS GTS NX зависимости позволяют на предварительной стадии проектирования уточнить реальное движение фильтрационного потока с учётом совместной работы плотины и основания при различных коэффициентах фильтрации. При расчётах фильтрации и устойчивости откоса грунтовой плотины необходимо учитывать взаимодействие грунтовой плотины с основанием. В данных расчётах, при изменении коэффициента фильтрации основания от 10 до 1000 м/сут, были получены графики изменения положения кривой депрессии с зонами активного влияния коэффициента фильтрации основания и зоны, где это влияние не существенно.
Выводы
При этом коэффициент запаса устойчивости низового откоса для потенциальных поверхностей сдвига также зависит от коэффициента фильтрации основания, уменьшаясь при его увеличении. На графиках также можно выделить зоны активного влияния и зоны с несущественным изменением как уровня кривой депрессии, так и коэффициента запаса устойчивости. Сравнение результатов, полученных данными методами с данными натурных наблюдений показало, что при расчёте фильтрации через земляные сооружения необходимо учитывать совместную работу грунтового сооружения и его основания. Проведённые исследования показали, что в дальнейшем было бы интересно оценить влияние фильтрации в обход сооружения.