Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с современными строительными нормами и правилами в процессе проектирования требуется определять параметры фильтрационных потоков в грунтовых сооружениях и основаниях. Определение этих параметров необходимо для проведения статических расчетов и оценки прочности и запаса несущей способности системы "сооружение — основание".
К наиболее сложным для расчетного моделирования относятся задачи безнапорной фильтрации, когда имеет место свободная поверхность фильтрационного потока. Аналитические решения задач безнапорной фильтрации получены для небольшого числа простых расчетных схем и установившихся режимов. Расчетное моделирование безнапорной фильтрации для сложных случаев неоднородных областей и неустановившихся режимов требует развития методик, основанных на использовании современных численных методов, наиболее распространенным из которых является метод конечных элементов (МКЭ). В рамках данной работы предложены нелинейные математические модели фильтрации, разработка которых представляется весьма актуальной. Прогнозирование фильтрационного режима является также важной составляющей оценки изменения экологического состояния геологической среды, вызванного техногенными воздействиями.
Энергетическое строительство приводит во многих случаях к формированию зон подтопления и заболачиванию, образованию засоленных почв, карстообразованию и другим неблагоприятным явлениям. Серьезную потенциальную опасность для окружающей геологической среды представляют хранилища отработанных продуктов промышленного производства, золошлакоотвалы электростанций, хвостохранилища.
В свете сказанного особое значение в настоящее время приобретает оценка экологической безопасности техногенного влияния на окружающую среду и разработка эффективных методов ее защиты от загрязнений.
Прогнозирование качественного состояния подземных вод возможно путем математического моделирования распространения загрязняющих веществ при учете гидрогеологического режима рассматриваемой территории.
Как известно, миграция химических компонентов в водоносных пластах осуществляется в рамках конвективных, дисперсионных и диффузионных процессов, на которые накладываются процессы физико-химических превращений в подземных водах и взаимодействий с вмещающим грунтом. Основной формой миграции является конвекция компонентов в водоносных пластах. Скорость чисто молекулярного диффузионного переноса мала. Поэтому ее учет имеет значение при малых скоростях фильтрации, в первую очередь при оценке массопереноса через слабопроницаемые слои.
Для прогнозирования водно-солевого режима грунтов желательно использование математических моделей, учитывающих все вышеназванные процессы. Кроме того, при осуществлении прогнозных расчетов реальных объектов следует учитывать неоднородность расчетной области, а также граничные условия для областей сложной конфигурации. В таком случае использование аналитических методов решения краевых задач к данным моделям не дает удовлетворительных результатов. Для решения подобных задач необходимо развитие численных методов, программная реализация которых позволит производить расчеты, дающие достаточно точное представление об экологической ситуации в рассматриваемой области.
Разработка эффективных методов прогнозирования геофильтрационного и геохимического режимов оснований крупных энергети-
ческих объектов является актуальной задачей, так как позволит существенно повысить уровень их надежности и экологической безопасности. Тема диссертационной работы входила в отраслевую программу ОНТП 0.05 "Экологически чистая гидроэнергетика".
Целью данной работы является разработка методики и соответствующих программных средств для решения задач фильтрации и распространения загрязняющих веществ (ЗВ) в водонасыщенных грунтовых массивах, а также применение разработанной методики доя исследоваїгая фильтрационного и геохимического режимов реальных энергетических объектов и их оснований. Научная новизна. 1. Разработана методика решения нестационарных нелинейных плановых и профильных задач фильтрации на основе метода конечных элементов с применением итерационной схемы Пикара и метода дополнительных потоков.
-
Разработана методика решения нестационарных плановых и профильных задач массопереноса на основе метода конечных элементов с применением метода взвешивания "вверх по потоку".
-
Разработанные методики реализованы в едином вычислительном комплексе.
-
На основе расчетных исследований проведен анализ фильтрационных режимов на территории промзоны Нововоронежской АЭС и в земляной плотине Боткинской ГЭС, а также получены прогнозные оценки распространения загрязнений из золошла-коотвала Омской ТЭЦ-4 и с территорий сельскохозяйственных комплексов деревни Юшкозеро. Выявлено влияние изменения состояния объектов на их фильтрационный режим и характер распространения ЗВ.
Практическая ценность. Разработанные методы и программные средства могут применяться для прогноза фильтрационного и геохимического режимов реальных энергетических объектов и их оснований, а также для оценки их экологической безопасности. Разработанные методики и программы позволяют повысить достоверность прогнозирования геофильтрационного и геохимического режимов для крупных энергетических объектов.
Методика решения задач фильтрации и распространения ЗВ могут быть рекомендованы в качестве средства для оценки последствий техногенных воздействий на геологическую среду, что способствует реализации положений Федерального закона "О безопасности гидротехнических сооружений".
Практическая реализация работы. Методика и результаты исследований были использованы автором при проведении следующих работ:
прогноз изменений фильтрационного режима основания Нововоронежской АЭС вследствие ввода ее второй очереди;
сопоставительный анализ расчетных и натурных параметров фильтрационного режима земляной плотины Боткинской ГЭС;
прогноз распространения загрязняющих веществ из золошлакооот-вала Омской ТЭЦ-4;
оценка влияния подтопления территории, прилегающей к Ялгоньпо-рожскому гидроузлу, на загрязнение подземных вод.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на международной конференции "Средства математического моделирования" (С.-Петербург, 1997 г.)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 3 печатные работы.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (105 наименований) и приложения; содержит 112 страниц текста, 43 рисунка, 5 таблиц.
На защиту выносятся:
методика решения плановых и профильных задач фильтрации в грунтовых сооружениях и основаниях, основанная на МКЭ и ее программная реализация, результаты решения тестовых задач;
методика решения плановых и профильных задач переноса ЗВ подземными водами, основанная на МКЭ и ее программная реализация, результаты решения тестовых задач;
результаты численного моделирования фильтрационного режима и распространения ЗВ для проектируемых и действующих сооружений ГЭС, ТЭЦ и АЭС.