Введение к работе
Актуальность.
В современном плотиностроении наблюдаются следующие тенденции: рост числа гравитационных плотин из укатанного бетона с пониженным расходом цемента, увеличение их высоты и обжатие профиля.
Практически доказано, что невозможно достигнуть абсолютную монолитность бетонной кладки, сопряжения её с основанием и избежать появления контактной трещины при допущении растягивающих напряжений под напорной гранью.
Развитие численных методов анализа (совершенствование МКЭ) позволяет разработать методику более достоверного определения напряженно-деформированного состояния (НДС) трещиноватых скальных массивов и взаимодействующих с ними элементов сооружений. Оценивать влияние отдельных крупных трещин, прогнозировать изменение фильтрационных свойств массивов в зависимости от изменения их напряженного состояния.
По существующим нормам проектирования в России, Вьетнаме и других странах оценка несущей способности плотин выполняется по линейной зависимости Кулона - Мора, связывающей средние значения нормальных и предельных касательных напряжений в контактном сечении или в субгоризонтальных трещинах вблизи контакта, что не учитывает сложный характер статической работы системы бетонная гравитационная плотина - основание.
В связи с этим, актуальным является изучение возможных схем потери несущей способности бетонной плотины на скальном основании, их математическое моделирование, прогнозирование и оценка несущей способности системы плотина основание.
Цель и задачи работы: исследование несущей способности бетонных гравитационных плотин на скальных основаниях на основе анализа фактических предельных состояний комплекса плотина - основание с учетом возможного раскрытия контактного шва, разуплотнения основания, сдвиговых нарушений в сжатой зоне основания и бетона плотины, изменения фильтрационного режима в скальном основании при учете пропускной способности дренажа.
В соответствии с поставленной целью и на основе анализа результатов предыдущих исследований в задачи диссертационной работы входило:
1. Выполнить анализ имеющихся аварий в бетонных плотинах, приводящих к изменению статических условий работы системы плотина - основание по сравнению с заложенными в проекте; выполнить обзор существующих аналитических и численных исследований статической работы бетонных плотин в предельном состоянии. Проанализировать критерии оценки несущей способности бетонной плотины на скальном основании.
2. Усовершенствовать программный комплекс CRACK с учётом следующих дополнений: а) за критерий сдвиговой прочности контакта и трещин при высоком уровне сжимающих напряжений принять критерий Фэйрхерста (параболическая огибающая кругов Мора); б) для повышения точности решения физически нелинейных задач алгоритм метода начальных напряжений МКЭ дополнить пошаговой схемой решения при приложении сдвигающих нагрузок; в) при решении задачи в статико-фильтрационной постановке учесть с помощью итерационной процедуры реальную пропускную способность дренажа основания.
3. Проанализировать методы достижения предельного состояния системы бетонная плотина - скальное основание. Провести серию численных экспериментов по возможности математического моделирования различных схем разрушения плотины на скальных основаниях. Выбрать методику доведения системы плотина – основание до разрушения и оценки несущей способности бетонной плотины на скальном основании.
4. Исследовать механизм разрушения системы бетонная плотина – блочное скальное основание, сравнить результаты исследований на физической модели с результатами математической модели.
5. Исследовать изменение фильтрационного режима основания по мере увеличения сдвигающей нагрузки за счет увеличения раскрытия контакта, образования трещин в основании и пропускной способности дренажа.
6. Исследовать на основе методики научного планирования эксперимента статическую работу при расчётной нагрузке и несущую способность системы плотина - основание при доведении её до разрушения. Получить факторные зависимости, графики и номограммы для определения различных параметров, характеризующих статическую работу плотины и её несущую способность от изменения различных факторов (заложения низовой грани плотины, деформационных и прочностных свойств основания и контакта, параметров подземного контура).
7. Выполнить расчёты несущей способности плотины ШонЛа (СРВ).
Научная новизна работы данной диссертационной работы характеризуется следующим:
1. Показана возможность математического моделирования в рамках решения нелинейных задач МКЭ поведения системы «бетонная гравитационная плотина - скальное основание» вплоть до разрушения с учётом: снижения сдвиговой прочности контакта и трещин при высоком уровне нормальных напряжений; образования зон разуплотнения и дробления в скальном основании; изменения фильтрационного режима по мере процесса разрушения с учётом изменения проницаемости скального массива и пропускной способности дренажа.
2. Получены эпюры фильтрационного противодавления на подошву плотины на различных стадиях продвижения контактной трещины и разуплотнения основания при учете пропускной способности дренажа. Предложены характерные эпюры в зависимости от раскрытия контакта и положения инъекционной и дренажной завес в основании.
3. Получены факторные зависимости, графики и номограммы для определения различных параметров, характеризующих статическую работу плотины и её несущую способность от изменения различных факторов (заложения низовой грани плотины, деформационных и прочностных свойств основания и контакта, параметров подземного контура).
4. В анализе напряженно-деформированного состояния и несущей способности высокой бетонной плотины Шонла (СРВ) с учетом реального фильтрационного режима и его изменения, с явным моделированием основных крупных трещин и их прочностных и деформационных свойств. В сопоставлении полученных коэффициентов запаса несущей способности с полученными при проектировании по нормам России и США.
Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается результатами натурных исследований на ряде бетонных плотин в России, во Вьетнаме и в других странах. Математическая модель также подтверждается сопоставлением полученных результатов с выполненными ранее на кафедре гидросооружений МГСУ исследованиями на физической модели плотины на блочном основании.
Практическая значимость работы состоит в возможности использования разработанной методики и программы для определения прочности и устойчивости системы «бетонная гравитационная плотина - скальное основание» при наиболее полном учёте факторов, влияющих на несущую способность. Полученные номограммы и графики позволяют при проектировании бетонных плотин оперативно оценивать прочность и устойчивость сооружений на предварительной стадии проектирования.
Внедрение результатов исследований: Оценка несущей способности бетонной гравитационной плотины ШонЛа (СРВ) с использованием предложенной методики и сопоставление результатов с принятыми в проекте.
Апробация работы: Результаты диссертационной работы были доложены: на юбилейной конференции « 80 лет факультету ГСС», Москва, 2010; на Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва, 2011; на заседании кафедры Гидротехнических сооружений МГСУ, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работ, в том числе 2 в научных журналах, входящих в список ВАК для публикации результатов по кандидатским диссертациям.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка используемой литературы из 149 наименований. Полный объём диссертации - 204 страницы, включая 129 страниц текста, 95 рисунков и 36 таблиц.
