Введение к работе
Актуальность темы. Территория севера и северо-востока России, простирающаяся на 11 млн км2 и составляющая 64 % площади страны, подвержена влиянию сурового северного климата и занята вечной мерзлотой (криолитозона). На этой территории сосредоточены основные запасы гидроэнергоресурсов, освоение которых дает возможность обеспечить дешевой электроэнергией развивающиеся отрасли экономики. Здесь построены Мамаканская, Вилюйская-I, II, Усть-Хантайская, Курейская, Колымская ГЭС. Завершается строительство Светлинской ГЭС (Вилюйская ГЭС-III), строится Усть-Среднеканская ГЭС, в стадии проектирования находятся Тельмамская, Амгуэмская, Канкунская, Мокская, Эвенкийская (Туруханская) и другие гидроэлектростанции.
Опыт освоения гидроэнергоресурсов северо-востока показал, что наиболее экономичным типом подпорных сооружений гидроузлов являются плотины из местных материалов, в частности, каменно-земляные.
Расположение в зоне вечномерзлых пород является серьезным фактором риска повреждения плотин. Основная причина повреждений грунтовых плотин – недоучет криогенных процессов в теле, основании и в районах примыканий, связанных с изменениями условий теплообмена, температурного режима, физико-технических свойств мерзлых пород, приводящими к развитию термокарста, термоэрозии, наледеобразованиям и т.п.
Анализ работы гидроузлов промышленного водоснабжения в Якутии свидетельствует о том, что более 40% отказов (разрушений) случилось из-за нарушения температурного режима сооружений. Причем в первые три года эксплуатации произошло до 53% отказов, между тремя и пятью годами – 31%, остальные – в последующие годы.
Для безаварийной, надежной эксплуатации каменно-земляных плотин в суровых климатических условиях необходимо регулировать их температурный режим с учетом многообразия и взаимосвязи процессов тепло- и массопереноса, протекающих в элементах плотины, основании и зонах сопряжения с бортами долины. Разработка методов такого регулирования является актуальным направлением исследования для северного гидротехнического строительства.
Исследования велись в составе АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» по темам: «Изучение, прогнозирование и регулирование процессов взаимодействия гидроузлов и водохранилищ с окружающей средой в сложных природных условиях», 2007-2008 гг., № гос.рег. 01200703961; «Исследования процессов взаимодействия речных гидроузлов с основаниями и берегами в сложных природных условиях», 2009-2010 гг., № гос.рег. 01200902465; в составе ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по проблеме «Температурно-криогенный режим грунтовых плотин в северной строительно-климатической зоне», госконтракт № П534 на 2010-2012 гг., № гос.рег. 01201001756; а также в составе договорных НИР практической направленности «Выполнить расчеты по оценке и прогнозу фильтрационно-термического режима и статической устойчивости ограждающих дамб хвостохранилищ, дамб маневровых емкостей Мирнинского, Айхальского, Удачнинского, Нюрбинского ГОКов, плотин Иреляхского и Сытыканского гидроузлов» с Акционерной компанией «Алмазы России-Саха», 2005-2007 гг., «Регулирование температурного режима проектируемой каменно-земляной плотины Тельмамского гидроузла» с ОАО «Ленгидропроект», 2010 г. и др.
Цель работы. Диссертационная работа имеет целью разработку и теоретическое обоснование метода регулирования температурного режима каменно-земляной плотины, основанного на управлении конвекцией воздуха в низовой призме, для обеспечения нормальной, безаварийной эксплуатации сооружения в суровых природно-климатических условиях криолитозоны.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Изучить и проанализировать известные методы и предложения по регулированию температурного режима грунтовых плотин в криолитозоне.
-
Разработать метод регулирования температурного режима каменно-земляной плотины, основанный на управлении конвекцией воздуха в низовой упорной призме.
-
Сформулировать математическую модель, модернизировать программный комплекс Nord3D (разработанный на кафедре гидротехнических сооружений ННГАСУ) для применения к расчетному прогнозу температурного режима каменно-земляной плотины с учетом регулирования (управления) конвекцией воздуха в низовой упорной призме.
-
Выполнить расчетно-теоретические исследования температурного режима талых (фильтрующих) и мерзлых (нефильтрующих) каменно-земляных плотин с учетом регулирования их температурного режима путем управления конвекцией воздуха в низовой упорной призме разработанным методом для обоснования его технической эффективности.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
-
-
-
Предложен новый метод регулирования температурного режима каменно-земляных плотин, возводимых в криолитозоне. Метод основан на управлении конвекцией воздуха в низовой упорной призме плотины.
-
Впервые в температурных расчетах каменно-земляных плотин учтен процесс искусственного регулирования движения воздуха в порах каменной наброски низовой призмы.
-
Подвергнут модернизации программный комплекс Nord3D, разработанный на кафедре гидротехнических сооружений ННГАСУ для расчета температурного режима каменно-земляных плотин, а именно:
разработан редактор автоматизированной подготовки данных для расчета температурного режима каменно-земляных плотин по программе Nord3D из системы AutoCad;
перестроена (адаптирована) программа расчетов Nord3D применительно к прогнозу регулируемого температурного режима каменно-земляной плотины с учетом управления конвекцией воздуха в низовой упорной призме на основе заранее составленного сценария такого управления;
усовершенствован редактор визуализации расчетных температурных полей с учетом включения мероприятий по регулированию конвекции воздуха в низовой призме плотины.
-
Впервые получены результаты прогноза температурного режима талой (фильтрующей) и мерзлой (нефильтрующей) каменно-земляных плотин с учетом его регулирования путем управления конвекцией воздуха в низовой упорной призме. Доказано, что регулирование дает положительный эффект обеспечения бесперебойной работы противофильтрационного грунтового элемента в штатном проектном режиме эксплуатации как талой (фильтрующей), так и мерзлой (нефильтрующей) плотин.
Выполненные исследования имеют расчетно-теоретический характер. Достоверность научных результатов, полученных в работе, подтверждается соответствием их современным научным представлениям о поведении каменно-земляных плотин в криолитозоне, использованием апробированных методик расчетов, качественной и количественной сходимостью прогнозных температурных полей с натурными данными по конкретным объектам.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод регулирования температурного режима каменно-земляных плотин при его применении позволяет обеспечить штатный (проектный) режим эксплуатации плотин в суровых природно-климатических условиях криолитозоны, а модернизированный программный комплекс – провести расчетный прогноз и обосновать температурный режим каменно-земляных плотин в условиях его регулирования. Результаты работы предназначены для использования при проектировании, строительстве и эксплуатации гидроузлов различного назначения с каменно-земляными плотинами в северо-восточных районах страны.
Внедрение результатов исследований осуществлено в процессе их проведения. По заказу АК «Алмазы России-Саха» выполнены прогнозные расчеты на долгосрочный период температурного режима грунтовых (в том числе каменно-земляных) плотин и дамб хвостовых хозяйств Удачнинского, Мирнинского, Айхальского, Нюрбинского горнообогатительных комбинатов, плотин Иреляхского и Сытыканского гидроузлов, в том числе с регулированием температурного режима при участии автора; результаты переданы в компанию для использования в мониторинге безопасности сооружений. Разработанный метод регулирования температурного режима применен к талому и мерзлому вариантам каменно-земляной плотины Тельмамского гидроузла; результаты переданы в ОАО «Ленгидропроект» для использования при вариантном проектировании плотины. Модернизированный программный комплекс Nord3D задействован в прогнозе температурного режима грунтовых массивов вдоль нефтепровода «Восточная Сибирь – Тихий океан» по заданию ООО «Центр исследований экстремальных ситуаций». Элементы работы использованы также в учебном процессе ННГАСУ путем включения в спецкурсы и применения при выполнении выпускных квалификационных работ по специальности «Гидротехническое строительство».
Апробация работы проведена в виде докладов и обсуждений основных результатов на конференции «Сессия молодых ученых», Н.Новгород, 2008 г.; научном конгрессе Международного научно-промышленного форума «Великие реки», Н.Новгород, 2004, 2010 гг.; симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений», Н. Новгород, 2007 г.; всероссийской конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли», Новосибирск, НГАСУ, 2008 г.; в ОАО «Институт ЯкутНиПроалмаз», Мирный, 2006 г.; в ОАО «Ленгидропроект», С.-Петербург, 2010 г.; в ООО «Центр исследований экстремальных ситуаций» (ЦИЭКС), Москва, 2010 г.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе в трех изданиях, рекомендованных ВАК.
Оформлена заявка на патент с формулировкой изобретения: «Плотина из грунтовых материалов». Заявка подана от лица ННГАСУ. Приоритет установлен Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) от 06.07.2010 г., входящий номер 039662, регистрационный номер 2010127897.
Личный вклад соискателя заключается в постановке цели и формулировании задач диссертационного исследования, в разработке метода регулирования температурного режима, в подготовке (модернизации) программного комплекса для расчетов, в расчетно-теоретическом обосновании метода регулирования на конкретных объектах, в систематизации результатов теоретических исследований и подготовке выводов.
На защиту выносятся:
-
Положение о необходимости регулирования температурного режима каменно-земляных плотин в криолитозоне.
-
Метод регулирования температурного режима каменно-земляных плотин путем управления конвекцией воздуха в низовой упорной призме.
-
Методика и программа компьютерного прогноза температурного режима каменно-земляной плотины талого и мерзлого типов в условиях его регулирования по разработанным сценариям.
-
Результаты расчетно-теоретических исследований регулируемого температурного режима для проектируемых талой (фильтрующей) и мерзлой (нефильтрующей) каменно-земляных плотин Тельмамского гидроузла, показывающие техническую эффективность предлагаемого метода регулирования.
Структура и объем работы. Диссертация составлена из аннотации, введения, списка основных обозначений и единиц измерений, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 124 наименований и приложений. Работа содержит 190 страниц основного текста, в том числе 18 таблиц и 112 рисунков.
Похожие диссертации на Регулирование температурного режима каменно-земляных плотин путем управления конвекцией воздуха в низовой призме
-
-
-
