Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность 05.23.07 - “Гидротехническое строительство”

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тема:

Научное обоснование критериев безопасности, используемых в составе систем мониторинга гидротехнических объектов

Дикинов Мурат Муаедович

Москва - 2012



Работа выполнена в ОАО «Институт Гидропроект» - филиал «Центр геодинамических наблюдений в энергетической отрасли» и ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Бронштейн Вадим Израйлович

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Румянцев Игорь Семенович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ зам. директора по науке ФГБНУ «РосНИИПМ» Косиченко Юрий Михайлович

кандидат технических наук, заместитель генерального директора ЗАО «Инженерный Центр сооружений, конструкций и технологий в энергетике» Ильин Юрий Алексеевич

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Евдокимова И.М.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Высокий уровень ответственности гидротехнических сооружений (ГТС) речных гидроузлов обусловливает необходимость обеспечения технической, экономической, экологической и социальной безопасности на всех стадиях их жизненного цикла, включая проектирование, строительство и эксплуатацию последних. Нахождение новых путей повышения уровня безопасности и надежности рассматриваемых сооружений в периоды их строительства и эксплуатации является актуальной задачей отечественной гидротехники.

Мониторинг - один из инструментов, позволяющих снизить риск возникновения аварийных ситуаций на ГТС, своевременно выполнять противоаварийные и ремонтные работы, заблаговременно оповещать и принимать меры по эвакуации близлежащих населенных пунктов. Система мониторинга включает в себя натурные наблюдения, определение значений критериев безопасности и правила действия эксплуатационного персонала в случае их превышения. Развитие в направлении разработки автоматизированных систем наблюдений на объектах гидротехнических комплексов, а также нахождение новых подходов к определению и назначению критериев безопасности сооружений, определение несущей способности систем «сооружение-основание», путем доведения их до разрушения различными способами представляет значительный интерес для научно-технических исследований.

Цели и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы - является нахождение путей совершенствования методов определения критериев безопасности и их последующая интеграция в системы мониторинга гидротехнических объектов.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести комплексный анализ состояния вопроса и определить пути совершенствования определения критериальных величин контролируемых параметров;

- предложить и обосновать детерминистическую прогнозную модель для определения критериев безопасности второго уровня;

- оценить эффективность системы безопасности и действующие критериальные значения диагностируемых показателей сооружений каскада Нижне-Черекских гидроузлов, а также арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузла;

- разработать рекомендации по модернизации системы контроля безопасности ГТС обозначенных выше гидроузлов;

- провести научно-исследовательские работы по определению численных значений критериев безопасности путем математического моделирования напряженно-деформированного и предельного состояний каменно-земляной (КЗП) гидроузла Кашхатау, а также для арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузла;

- определить пути интеграции разработанных прогнозных моделей и критериев безопасности в системы мониторинга, которые должны обеспечить возможность оперативного отслеживания изменений их контролируемых параметров и принятия адекватных управляющих решений.

Научная новизна заключается в следующем:

- в сформулированном подходе, используемом для проведения расчётных исследований напряжённо-деформированного состояния и несущей способности системы «сооружение - основание - водохранилище»;

- в разработанных математических моделях, которые должны составлять основное ядро развитых информационно-диагностических компьютерных систем мониторинга и оценки безопасности эксплуатируемых ГТС;

- в решении задачи определения критериев безопасности второго уровня ГТС на основе расчётов напряжённо-деформированного состояния с доведением расчетных моделей до разрушения;

- в полученных результатах численных исследований несущей способности систем «каменно-земляная плотина гидроузла Кашхатау - основание» и «арочно-гравитационная бетонная плотина Саяно-Шушенского гидроузла - основание», в том числе и в разработке критериев безопасности для данных сооружений;

- в обосновании и предложении путей интеграции разработанных прогнозных моделей в системы мониторинга гидротехнических объектов.

Достоверность результатов исследований обусловлена:

- проведением комплекса натурных наблюдений и исследований;

- использованием в натурных исследованиях проверенных практикой измерительных приборов и методов исследований, а также их разнообразием и полнотой;

- оценкой показателей неоднородности исследованных параметров на основе вероятностно-статистической обработки натурных данных;

- применением апробированных методов математического моделирования напряжённо-деформированного состояния гидротехнических сооружений и конструкций;

- хорошей согласуемостью результатов натурных наблюдений, исследований и расчётов.

Практическая значимость результатов диссертационных исследований. Диссертация является научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований представлены научные основы определения значений критериев безопасности гидротехнических сооружений, базирующихся на математических исследованиях несущей способности системы «сооружение-основание».

Практическую ценность имеет предложенная прогнозная модель, которую необходимо применять при определении критериев безопасности второго уровня для гидротехнических сооружений, а также в использовании разработанных автором предложений по совершенствованию системы мониторинга на гидроузлах Нижне-Черекского гидроузла и актуализации системы критериев безопасности для основных ГТС данного каскада и арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузла.

Внедрение результатов исследований. Натурные и расчетные исследования автора были выполнены применительно к сооружениям гидроузлов Нижне-Черекского каскада и Саяно-Шушенского гидроузла. На основании результатов математических исследований несущей способности системы «сооружение-основание» были разработаны и предложены критерии безопасности для арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузла и каменно-земляной плотины гидроузла Кашхатау. Проведенный сравнительный анализ систем натурных наблюдений и выполненных расчетных исследований дал возможность оценить современное их состояние на вышеуказанных гидроузлах, а также разработать рекомендации и предложения, направленные на повышение эффективности их работы. Была предложена и обоснована система сейсмометрического мониторинга для основных сооружений гидроузла Кашхатау, которая в скором времени должна быть реализована.

Апробация работы

Основные положения и результаты исследований докладывались на: конференции молодых специалистов ОАО « Инженерный центр ЕЭС» (г. Хотьково 2008 г.); «Конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики» (Москва 2009 г.); XVI Конференции изыскателей ОАО «Институт Гидропроект» (г. Звенигород 2009 г.); Ежегодной конференции молодых специалистов (г. Харьков 2009г.); XXIV Международной молодежной научно-технической конференции (г. Звенигород 2011 г.), а также на отраслевых совещаниях.

Публикации по теме диссертации. Две работы автора диссертации опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ (журналы «Гидротехническое строительство» и «Бетон и железобетон»), а также три работы опубликованы в других научно-технических изданиях.



Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 85 наименований. Основное содержание диссертационной работы изложено на 171 странице, включая таблицы и рисунки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, из которых следует методологическая концепция проведенного комплекса работ; представлены научная новизна и практическая значимость, достоверность полученных результатов исследований; приводятся сведения о внедрении результатов и апробации, о публикациях, о структуре и объеме диссертационной работы.

Первая глава «Состояние изученности проблемы мониторинга основных сооружений каскадов речных гидроузлов» содержит обзор литературы, основные понятия и общую справку о состоянии вопроса исследований на сегодняшний день. Обоснована необходимость создания адекватных систем безопасности, способных оперативно отслеживать изменения состояния подконтрольных сооружений и помогать в принятии решений эксплуатационным персоналом, что в свою очередь позволит избежать возникновения чрезвычайных ситуаций на гидроузлах.

Мировая практика эксплуатации каскадов речных гидроузлов показала, что при авариях их основных сооружений могут возникнуть чрезвычайные ситуации, соизмеримые с последствиями природных катаклизмов. Последнее обстоятельство в первую очередь связано с последствиями разрушения основных гидротехнических сооружений, участвующих в создании напорного фронта гидроузла.

Создание систем контроля, способных обеспечить регламентированный уровень безопасности и надежности гидротехнических сооружений, бесспорно, является сложной и многоуровневой задачей. На сегодняшний день системы мониторинга являются одним из лучших средств, используемых для решения задач, связанных с минимизацией риска возникновения чрезвычайных ситуаций на находящихся в эксплуатации ответственных зданиях и сооружениях. От разработанной системы мониторинга во многом будет зависеть дальнейшая возможность обеспечения безопасности на объекте. Разработка адекватной системы мониторинга, включающей в себя: эффективный контрольно-измерительный комплекс; двухуровневую систему критериев безопасности; регламентированные указания по выполнению эксплуатационным персоналом действий, направленных на предотвращение возникновения аварии, а также систему оповещения населения является практически важным и актуальным направлением обеспечения безопасности гидротехнических объектов.

Наиболее обстоятельные исследования в данном направлении были осуществлены такими учеными, как - Блинов И.Ф., Бронштейн В.И., Василевский А.Г., Векслер А.Б., Волков В.И., Волосухин В.А., Газиев Э.Г., Гордон Л.А., Дурчева В.Н., Епифанов А.П., Золотов Л.А., Ивашинцов Д.А., Иващенко И.Н., Каганов Г.М., Косиченко Ю.М., Малаханов В.В., Марчук А.Н., Мгалобелов Ю.Б., Носова О.Н., Орехов В.В., Радкевич Д.Б., Рассказов Л.Н., Розанов Н.Н., Рубин О.Д., Савич А.И., Серков В.С., Стефанишин Д.В., Хейфиц В.З., Шульман С.Г., Щербина В.И. и др. В своей совокупности работы названных специалистов представляют солидную теоретико-методологическую базу для разработки и решения проблем, связанных с обеспечением надежной и безопасной работы ГТС.

Согласно действующей «Методике определения критериев безопасности гидротехнических сооружений»:

критерии безопасности гидротехнического сооружения - это предельные значения количественных и качественных показателей состояния ГТС и условий их эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии ГТС и утвержденные в установленном порядке федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный надзор за безопасностью гидротехнического сооружения;

критерии состояния ГТС первого уровня (К1) - первый (предупреждающий) уровень значений диагностических показателей, при достижении которого устойчивость, механическая и фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений еще соответствуют условиям нормальной эксплуатации;

критерии состояния ГТС второго уровня (К2) - второй (предельный) уровень значений диагностических показателей, при превышении которых эксплуатация ГТС в проектных режимах недопустима.

Методика контроля безопасности эксплуатируемых ГТС основана на сопоставлении отдельных показателей их состояния, определяемых по результатам натурных наблюдений, с критериальными значениями контролируемых показателей (критериями безопасности). На основании данного сопоставления упомянутой «Методикой» устанавливается 3 основных состояния контролируемого сооружения:

нормальное - состояние сооружения, при котором сооружение соответствует требованиям действующих нормативных документов и проекта, при этом значения диагностических показателей состояния сооружений не превышают своих критериальных значений К1

F_изм ? К1 (1);

потенциально опасное - состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) своего первого (предупреждающего) уровня критериальных значений (значений К1) или вышло за пределы прогнозируемого при данном сочетании нагрузок интервала значений. Потенциально опасное состояние сооружения не отвечает нормативным требованиям, но эксплуатация ГТС не приводит к угрозе немедленного прорыва напорного фронта, и сооружение может некоторое ограниченное время эксплуатироваться в соответствии с указаниями п. 7.2 "Методики"

К1 < F_изм ? К2 (2);

предаварийное - состояние, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) второго (предельно допустимого) уровня критериальных значений (значений К2); в этом случае эксплуатация сооружения в проектных режимах недопустима без оперативного проведения мероприятий по восстановлению требуемого уровня безопасности и без специального разрешения органа надзора (п. 7.3 "Методики")"

F_изм > К2 (3),

где F_изм - измеренное (вычисленное по измеренным) значение диагностического показателя;

K1, K2 - числа (критерии), достижение которых хотя бы одним диагностическим показателем будет означать переход из одного состояния в другое.

В ходе выполнения настоящей исследовательской работы были проанализированы основные прогнозные модели (табл. 1), используемые на сегодняшний день для назначения критериев безопасности. Отмечено, что ныне используемые прогнозные модели не позволяют в необходимой мере оценить реальную значимость отдельных факторов и затрудняют принятие верных решений при обнаружении повреждений. В «Методику определения критериев безопасности гидротехнических сооружений» и «Пособие» к ней, которые являются сегодня основополагающими документами по определению критериев безопасности, следует внести некоторые изменения, а также дополнить их более конкретизированными алгоритмами назначения критериев безопасности, которые будут более адекватно и реально отражать состояние объекта при тех или иных сочетаниях нагрузок.

Таблица 1

Основные недостатки существующих прогнозных моделей

1	Статистическая прогнозная модель • в проектный, строительный и периоды начальной эксплуатации данная модель не может быть использована. Для разработки статистических моделей необходим достаточно представительный ряд данных натурных наблюдений, на основании которых и будет делаться прогноз на будущее поведение сооружения, также необходимо, чтобы этот ряд содержал данные о работе сооружения в экстремальных условиях. Хотелось бы также отметить, что согласно результатам проведенного анализа большинство аварий произошли именно в обозначенные периоды; • во многих случаях превышение уровня К1 в период эксплуатации может быть вызвано действием нагрузок, ранее не испытанных сооружением. При этом реакция на действие указанных нагрузок недостаточно точно может быть отражена статистической моделью, т.е. в подавляющем большинстве случаев, такая модель описывает, лишь работу исправного сооружения;
2	Детерминистическая прогнозная модель • утверждение, что условие (3) достижимо только при восприятии сооружением особого сочетания нагрузок является неверным и такой подход к назначению К2 является не всегда верным; • величины К1 и К2 обусловлены не фактической прочностью и устойчивостью сооружений, а системой расчлененных коэффициентов запаса (по материалам, условию работы, классу сооружения и т.д.), на основе которых и устанавливаются вышеуказанные величины. При таком подходе, достижение величины К2 в контролируемой точке совсем не означает фактического перехода сооружения в предаварийное состояние; • также, можно сказать, что не существует четко регламентированных путей по адекватному назначению К2 с использованием детерминистических моделей, каждый специалист устанавливает по своему усмотрению
3	Смешанная прогнозная модель • Смешанная прогнозная модель снимает часть недостатков каждой из моделей, но не решает все вопросы

Для повышения достоверности и степени адекватности прогноза поведения сооружений диссертантом была предложена альтернативная прогнозная модель. Основным ядром таких моделей должны быть 2-D и 3-D математические расчетные модели. Назначать критерии безопасности необходимо на основе численных исследований несущей способности сооружений. Современные численные модели систем «сооружение-основание» должны применяться не только на стадии проектирования, но и составлять интеллектуальное ядро развитых информационно-диагностических компьютерных систем мониторинга и оценки безопасности эксплуатируемых ГТС.

Во второй главе «Основные объекты исследований. Методика проведения натурных исследований», посвященной анализу эффективности функционирования систем безопасности на каскаде Нижне-Черекских гидроузлов, а также на арочно-гравитационной плотине Саяно-Шушенского гидроузла. В ходе этих исследований были освещены следующие вопросы: работоспособность и актуальность контрольно-измерительного комплекса, сбор и обработка данных натурных наблюдений, анализ используемых критериев безопасности. Подобного рода анализ, проведенный автором работы, для ГТС каскада Нижне-Черекских гидроузлов до этого не проводился. В тексте главы обозначены основные неблагоприятные моменты, имеющие место на вышеуказанных гидроузлах, определены наиболее важные недостатки в структурах существующих систем безопасности на них. Одним из наиболее важных среди таковых является то, что имелись в зафиксированные натуре превышения критериальных значений второго уровня (до 2.3 раза на некоторых сооружениях). Наряду с отмеченным, фиксируется несоблюдение сроков снятия показаний КИА, что наблюдается на всей совокупности ГТС Нижне-Черекского каскада, в некоторых случаях снятия показаний не производилось на протяжении нескольких лет, полностью отсутствовали подобные наблюдения в строительный период. Система критериев безопасности Аушигерского гидроузла, являющаяся одной из составных частей все системы натурных наблюдений, представляется неприемлемой и не совсем адекватной для реального отражения безопасной работы основных сооружений гидроузла в силу вышеперечисленных причин. В ней не учтены критерии безопасности для фильтрационных режимов, а также для визуальных наблюдений. Она нуждается в безотлагательной корректировке и актуализации. В тоже время на гидроузле Кашхатау таковая система вообще отсутствовала.

Бронштейном В.И., Газиевым Э.Г., Дикиновым М.М. и Учеваткиным А.А. был проведен анализ системы мониторинга и действующих критериев безопасности на арочно-гравитационной плотине Саяно-Шушенского гидроузла, из которого следует, что последний является на сегодняшний день самым материально-технически оснащенным необходимой КИА гидроузлом, но при этом, данная система автоматизированного контроля за гидротехническими сооружениями (САК ГТС) является уже морально и физически устаревшей. Ни состав, ни, особенно, количество диагностических показателей, в частности оценки НДС плотины, не могут быть признаны достаточными для столь ответственного и, в значительной мере, проблемного сооружения как плотина Саяно-Шушенского гидроузла. Вызывает сомнения правомочность использования регрессионных моделей для определения критериальных значений показателей НДС в условиях отсутствия стабилизации в поведении плотины.

В третьей главе «Назначение критериев безопасности на основе численных исследований несущей способности сооружений» рассмотрены вопросы, связанные с особенностями создания математических моделей для проведения прогнозных исследований напряженно-деформированного состояния и определением несущей способности систем «сооружение-основание-водохранилище».

Для повышения достоверности и адекватности прогноза, а также лучшего понимания сложных процессов предложено было использовать альтернативные прогнозные модели, разрабатывать 2-D и 3-D математические модели, которые должны составлять основное ядро развитых информационно-диагностических компьютерных систем мониторинга эксплуатируемых гидроузлов.

В главе обозначены основные принципы, систематизированные автором, руководствуясь которыми, проводились расчетные исследования на математических моделях и в дальнейшем были разработаны и предложены критерии безопасности второго уровня для объектов исследования:

- критериальные значения диагностических показателей ГТС на стадиях проектирования и строительства, а также в первые годы эксплуатации должны устанавливаться на основании результатов численных исследований несущей способности системы «сооружение-основание-водохранилище»;

- для доведения до разрушения вышеуказанных систем следует применять различные схемы загружения; в частности те, которые использовались при лабораторных исследованиях на уменьшенных моделях-копиях. Также, представляется необходимой увязка виртуальных схем нагружения с реально возможными сценариями развития аварий;

- равным образом не следует навязывать модели априорно задаваемые схемы разрушения, она должна быть способна сама определить в процессе счета слабые места, схему разрушения и запас несущей способности системы «плотина-основание»;

- для достоверного определения реального запаса несущей способности сооружения, необходимо закладывать нормативные значения физико-механических свойств материалов, величин нагрузок и других параметров, учитываемых в расчетах, для исключения вклада расчлененных коэффициентов;

- на модели должна быть воспроизведена реальная этапность возведения и нагружения сооружения;

- исследования должны проводиться на апробированных программных продуктах, которые зарекомендовали себя в данной области. В работе автора использовались программные продукты MSC.MARK (США) и Z_Soil (Швейцария), получившие широкое распространение в сфере решения основных расчетных задач в строительной отрасли, как во всем мире, так и в России.

Важным является то, что разработанные математические модели должны представлять возможность их долговременного использования при решении ряда последующих задач, в частности, связанных с анализом динамических процессов, исследованием прочности отдельных элементов ГТС и проч.

В настоящей работе доведение до разрушения системы «плотина-основание» проводилось путем:

- увеличения гидростатической нагрузки;

- одновременного увеличения гидростатической нагрузки и собственного веса сооружения;

- изменения объемного веса жидкости заполняющей верхний бьеф;

- редукции свойств материалов слагающих тело сооружения (такой тип исследований практически неосуществим в лабораторном моделировании).

Основным является то, что эти принципы используются инженерами для решения отдельных задач и не использовались ранее в виде комплекса для определения критериев.

Конечно же, это - не весь спектр возможных схем загружения. В каждом конкретном случае может иметься множество других, которые зависят от большого количества факторов: типа конструкций, формы сооружения, материалов, слагающих тело сооружения, условия его эксплуатации, назначения и т.д.

Данная глава разделена на две основные части, посвященных результатам расчетных исследований несущей способности систем: «каменно-земляная плотина гидроузла Кашхатау - основание» и «арочно-гравитационная бетонная плотина Саяно-Шушенского гидроузла - вмещающий блок основания».

Для получения максимально достоверного описания поведения расчетных моделей под нагрузкой в данной работе при их построении учитывались следующие факторы:

- проведена детальная аппроксимация конечными элементами, для того чтобы свести к минимуму погрешность, зависящую от размеров КЭ.

- расчеты проведены с использованием специальных моделей, дающих возможность описывать нелинейные свойства различного рода материалов,

- учтены последовательности возведения сооружений и заполнения водохранилища;

- учтена многофазность материалов расчетной области;

- учтены фильтрационные, температурные и иные процессы в теле и основании сооружений.

1. Расчетные исследования несущей способности системы «каменно-земляная плотина гидроузла Кашхатау - основание»

Моделирование, численные исследования НДС и несущей способности системы «грунтовая плотина гидроузла Кашхатау-основание» автором работы проводились в двухмерной упруго-пластической постановке. В качестве расчетного сечения плотины было выбрано русловое сечение максимальной высоты.

Разработанная численная модель плотины и учитываемого слоя основания, включающая зоны с различными свойствами грунтов, показана на рис. 1. Для аппроксимации данной модели использовались двумерные четырехузловые конечные элементы (КЭ), общее количество КЭ равнялось 22 358, а узлов - 22 716. В данном исследовании для описания связи напряжений с деформациями во всех грунтах основания были использованы соотношения теории идеальной пластичности с линейным критерием прочности Мора-Кулона в сочетании с ассоциированным законом пластического течения.

При выполнении расчетов учитывалось послойное возведение сооружения, каждый принятый слой равнялся примерно 1 м. Начальной точкой отсчета для проведения исследований несущей способности системы «КЗ плотина гидроузла Кашхатау-основание» являлся расчет, выполненный для случая действия нормативных величин нагрузок и прочностных свойств материалов слагающих как тело плотины, так и основание.

Было выбрано несколько характерных точек на гребне плотины (узел 243), и на бермах низового откоса (863,1066, 602). Эти точки (рис. 2) соответствовали положению реперов, установленных для проведения натурных наблюдений за перемещениями плотины.

Начальной точкой отсчета для проведения исследований несущей способности системы «КЗ плотина гидроузла Кашхатау-основание» являлся расчет, выполненный для случая действия нормативных величин нагрузок и прочностных свойств материалов слагающих как тело плотины, так и основание (УВБ =738,00 м).

а) Определение коэффициентов запаса несущей способности путем редукции прочностных параметров (tgц и С)

Редуцирование прочностных свойств (сцепления и тангенса угла внутреннего трения tgц) производилось одновременно во всех материалах, слагающих тело плотины и ее основание. Снижение производилось путем введения понижающих коэффициентов, шаг редуцирования прочностных свойств на каждом этапе равнялся 5%. Для построения графиков (рис. 3 и рис. 4), иллюстрирующих характер изменения горизонтальных смещений использовались данные, полученные в контрольных точках. Опираясь на вышеотмеченные графики, в дальнейшем производилась назначение критериев безопасности. На рис. 5 можно выделить предполагаемую сдвиговую поверхность, по которой будет происходить потеря устойчивости системы «КЗ плотина-основание» гидроузла Кашхатау. Очевидно, что отношение нормативных прочностных параметров, слагающих рассматриваемую область материалов, к их минимальным значениям, при которых в вариативных расчетах было получено устойчивое решение краевой задачи, можно рассматривать, как коэффициент запаса по прочностным параметрам. Такой подход на сегодняшний день достаточно часто встречается в инженерной практике и реализован в некоторых вычислительных программах (например, в программах Z_Soil, Plaxis и др.), т.е.:

(4)

где tg ц_норм и С_норм - нормативные величины тангенса угла внутреннего трения и сцепления, соответственно;

tg ц_мин и С_мин - минимальные величины тангенса угла внутреннего трения и сцепления, соответственно, при которых не удалось получить сходимости итерационного процесса.

Анализ приведенных рисунков свидетельствует о том, что одновременное снижение прочностных параметров материалов тела плотины и основания сопровождается увеличением смещений при постоянных нагрузках. Эти смещения нарастают сначала медленно, а затем все быстрее и после снижения прочностных характеристик в 2,05 раза устойчивое решение краевой задачи получить не удается. Анализируя график приращения горизонтальных перемещений (рис. 4), можно выделить несколько характерных точек, с соответствующим понижающим коэффициентом: 1,25 и 1,8. На этих шагах наблюдается изменение кривизны приведенных графиков, особенно ярко выраженное на этапе 1,8. После снижения характеристик в 2 раза горизонтальные смещения (в сторону нижнего бьефа) начинают резко возрастать, а при снижении в 2,05 раз устойчивого решения краевой задачи получено не было, что свидетельствовало о полном исчерпании несущей способности системы.

Согласно итогам проведенного расчета коэффициент запаса несущей способности системы «плотина гидроузла Кашхатау - основание» по прочностным параметрам принят равным:

(5)



б) Определение коэффициентов запаса несущей способности путем увеличения гидростатической нагрузки со стороны верхнего бьефа

Следующим этапом проведения исследовательской работы было доведение до разрушения данной системы путем увеличения гидростатической нагрузки путем поднятия уровня воды в верхнем бьефе. В реальности такое возможно при увеличении УВБ за счет паводка, дождей и оползня в верхнем бьефе. Данное увеличение проводилось так же, как и в предыдущем варианте - пошагово, до полного исчерпания ее несущей способности. Отношение максимальной величины гидростатической нагрузки к ее проектным величинам, предположительно, следует трактовать, как коэффициент запаса системы.

(6)

где G_НПУ и G_макс - проектная и максимальная величина гидростатическая нагрузки, соответственно.

Также отправной точкой являлись результаты, полученные при основном сочетании нагрузок (НПУ=738.00 м). Доведение до разрушения производилось путем введения повышающих коэффициентов, шаг изменения гидростатической нагрузки на каждом этапе равнялся 5%. Ниже приведена табл. 2, в которой указаны величины повышающих коэффициентов и соответствующих им уровней верхнего бьефа.

Таблица 2

Величины повышающих коэффициентов и соответствующих им уровней верхнего бьефа

Кпов.	1.00	1.05	1.10	1.15	1.19	1.22	1.27	1.30	1.35
УВБ, м	32.00	32.79	33.56	34.32	35.06	35.06	35.8	35.8	36.54

В результате проведенных численных исследований были построены графики (рис. 6) изменения горизонтальных смещений. На рис. 7 приведены основные результаты расчета. Анализ данных рисунков свидетельствует о том, что пошаговое увеличение гидростатической нагрузки сопровождается наращиванием величин смещений. Эти смещения нарастают сначала медленно, а затем все быстрее и после увеличения гидростатической нагрузки (F) в 1,35 раза устойчивого решения краевой задачи получить не удается. Анализируя график горизонтальных перемещений (рис. 8), можно выделить несколько характерных точек, с соответствующим повышающим коэффициентом: 1,15 и 1,27. На этих шагах наблюдается изменение кривизны приведенных графиков, особенно ярко выраженное на этапе 1,27. После увеличения F в 1,27 раза горизонтальные смещения (в сторону нижнего бьефа) начинают резко возрастать, а при повышении в 1,35 раз устойчивого решения краевой задачи получено не было, что свидетельствовало о полном исчерпании несущей способности системы. На рис. 9 видно, что потеря устойчивости системы «КЗ плотина-основание» гидроузла Кашхатау при таком виде загружения будет происходить путем сдвига плотины в нижний бьеф, с захватом части основания.

Согласно итогам проведенного расчета коэффициент запаса несущей способности системы «плотина гидроузла Кашхатау - основание» при увеличении величины гидростатической нагрузки принят равным:

(7)

в) Определение коэффициентов запаса несущей способности путем увеличения объемного веса жидкости наполняющей водохранилище

Данный тип исследования призван сымитировать исчерпание несущей способности системы «плотина-основание» путем пошагового увеличения объемного веса жидкости, наполняющей чашу водохранилища. В лабораторном моделировании для получения такого рода результатов вместо воды, как правило, используется ртуть, плотность которой в среднем в 13,5 раз больше, чем у воды. В реальной жизни такого рода разрушение возможно при сильном заилении верхнего бьефа или же при селевом потоке (поток с очень большой концентрацией минеральных частиц, камней и обломков горных пород (до 50--60% объёма потока), внезапно возникающий в бассейнах небольших горных рек и сухих логов и вызванный, как правило, ливневыми осадками или бурным таянием снегов).

В результате проведенных численных исследований нами были построены графики (рис. 8) изменения горизонтальных смещений в случае увеличения объемного веса жидкости, наполняющей водохранилище, также на рис. 9 представлены изохромы горизонтальных смещений при увеличении объемного веса жидкости наполняющей водохранилище в 1,48 раза. Из рис. 8 видно, что пошаговое увеличение объемного веса жидкости сопровождается наращиванием величин смещений. В отличие от предыдущих результатов полученные данные не имеют ярко выраженных точек, в которых происходят изменения интенсивности приращения определяемых величин перемещений. Это осложняет четкое определение на основе полученных результатов критериальных величин контролируемых параметров. После увеличения объемного веса (г_ж) в 1,48 раз устойчивого решения краевой задачи получить не удалось. Потеря устойчивости при такого рода загружении произойдёт путем смещения гребня плотины в сторону нижнего бьефа. После увеличения г_ж в 1,5 раза, горизонтальные смещения (в сторону нижнего бьефа) начали резко возрастать и устойчивого решения краевой задачи получить не удается, что свидетельствовало о полном исчерпании несущей способности системы. Можно сделать вывод о том, что полученный коэффициент запаса несущей способности системы «КЗ плотина гидроузла Кашхатау - основание» при увеличении величины объемного веса будет равняться:

(8)



г) Определение коэффициентов запаса несущей способности путем увеличения гидростатической нагрузки со стороны верхнего бьефа и собственного веса сооружения

Четвертым возможным случаем доведения плотины до разрушения был принят вариант, также аналогичный тем приемам, которые используются в модельных лабораторных исследованиях. Для доведения сооружения до момента исчерпания несущей способности предполагалось производить пошаговое увеличение гидростатической нагрузки и собственного веса плотины. Доведение исследуемой плотины до разрушения производилось путем введения повышающих коэффициентов по гидростатической нагрузке и собственному весу сооружения, шаг изменения на каждом этапе равнялся 5%. Ниже приведена табл. 3, в которой указаны величины повышающих коэффициентов и соответствующих им уровней верхнего бьефа.

Таблица 3

Величины повышающих коэффициентов и соответствующих им уровней верхнего бьефа

Кпов	1.00	1.05	1.10	1.15	1.19	1.22	1.27	1.29	1.38
УВБ, м	32.00	32.79	33.56	34.32	35.06	35.06	35.8	35.06	38.02

В результате проведенных численных исследований были построены графики (рис. 10) изменения горизонтальных смещений в контрольных точках.

Анализ данных, представленных на рис. 10 и рис.11 позволил нам установить, что результаты, полученные при данной схеме загружения, весьма ожидаемы. Видно, что величины горизонтальных перемещений в контрольных точках несколько меньше в случае одновременного увеличения F и веса сооружения. Повышение общей несущей способности сооружения в данном случае достигается дополнительной пригрузкой, создаваемой путем наращивания величины веса сооружения. На рис. 11 видно, что потеря устойчивости системы «КЗ плотина-основание» гидроузла Кашхатау при таком виде загружения будет происходить путем сдвига плотины в нижний бьеф, с захватом части основания.

(9)

Результатами проведенных математических исследований стали критерии безопасности второго уровня для рассмотренного нами сооружения. В силу того, что данных по натурным наблюдениям за поведением этого сооружения не имеется, нами предлагается принимать величины контролируемых параметров, а именно - горизонтальных перемещений, принимать за Х, и назначать критерии безопасности, как сумму Х с величинами приращения данной величины.

В ходе исследовательской работы были получены весьма отличающиеся величины коэффициентов запаса несущей способности системы «плотина-основание». Данное обстоятельство можно объяснить тем, что достижение исчерпания несущей способности системы достигалось путями, в корне отличающимися по своей природе. Поэтому более логичным представилось создать несколько таблиц, содержащих наборы критериальных значений для различных видов доведения до разрушения (табл. 4 и табл. 5).

Результаты, полученные в ходе всех четырех расчетных исследований, должны быть переданы в службу эксплуатации гидроузла. Данные натурных наблюдений должны сопоставляться со всеми результатами численных исследований несущей способности (с графиками, критериальными величинами и т.д.) и, при необходимости принимать регламентированные меры по обеспечению безопасной эксплуатации сооружения.

модель безопасность гидротехнический плотина



Таблица 4

Критериальные значения вариант - а

Контрольная точка	К2, мм
12 394	Х+80,00
12 469	Х+48,50
12 369	Х+47,15
14 249	Х+9,50

Таблица 5

Критериальные значения вариант - б

Контрольная точка	К2, мм
12 394	Х+80,90
12 469	Х+85,86
12 369	Х+76,13
14 249	Х+37,00

2. Расчетные исследования несущей способности системы «арочно-гравитационной бетонной плотины Саяно-Шушенского гидроузла-основание»

Сотрудниками филиала «Института Гидропроект» - «ЦСГНЭО» (Центр службы геодинамических наблюдений в энергетической отрасли), под общим руководством его директора - Савича А.И., при участии автора были проведены расчётные исследования несущей способности системы «арочно-гравитационной бетонной плотины Саяно-Шушенского гидроузла - вмещающий блок основания». Автором работы был проведен расчет общей устойчивости арочно-гравитационной плотины СШГЭС по схеме вращения и определен коэффициент запаса, была разработана объемная твердотельная модель «сооружение-основание» и аппроксимирована шестиугольными конечными элементами - тетраэдрами (рис. 12), проведены первичные расчеты НДС.

Общее количество КЭ использованных для описания системы «сооружение-основание» равно 390 635: плотина-20 676; основание -369 959, а суммарное количество узлов в модели - 90 654. При выполнении расчетов принята использованная ранее в выполненных в расчетах ЦСГНЭО последовательность возведения сооружения (этапность) и заполнения водохранилища.

В рассматриваемом исследовании для описания связи напряжений с деформациями во всех грунтах основания и в бетоне были использованы соотношения теории идеальной пластичности с линейным критерием прочности Мора-Кулона в сочетании с ассоциированным законом пластического течения. Линейная огибающая кругов Мора, дает прекрасный критерий разрушения для многих хрупких материалов, к которым с определенной степенью достоверности, несомненно, можно отнести бетон и скальные породы.

Для определения распределения температур внутри тела плотины в различные моменты времени Грошевым М.Е. и автором работы был проведен расчеты температурного режима и термонапряженного состояния плотины. Была решена трехмерная задача нестационарной теплопроводности с температурными воздействиями на гранях плотины, заданными гармониками с годовым периодом колебаний. Таким образом, полученный температурный перепад использовался для оценки влияния сезонных колебаний температуры на напряженно-деформированное состояние сооружения.

Расчеты по определению несущей способности системы «плотина - скальный массив» были проведены при наполнении водохранилища верхнего бьефа до отметки УВБ. Редуцирование прочностных свойств (сцепления и тангенса угла внутреннего трения) производилось одновременно во всех зонах основания и в плотины. Снижение производилось путем введения понижающих коэффициентов, а после снижения характеристик в 1.3 раза устойчивого решения краевой задачи получено не было, что свидетельствовало о полном исчерпании несущей способности системы.

Графики изменения различных перемещений в нескольких точках на гребне плотины на шагах 21-41, на основании которых были определены значения коэффициентов запаса несущей способности системы «плотина - скальный массив», показаны на рис. 13. Анализ графиков, приведенных на этом рисунке свидетельствует о том, что одновременное снижение прочностных параметров тела плотины и основания сопровождается увеличением смещений при постоянных нагрузках. Эти смещения сначала нарастали медленно, а затем все быстрее и после снижения прочностных характеристик в 1.3 устойчивое решение краевой задачи получить не удалось. На анализируемых графиках были выделены несколько характерных точек, соответствующих шагам 26, 31, 37. На этих шагах наблюдалось изменение кривизны приведенных графиков, особенно ярко выраженное на шаге 37. Указанным точкам соответствовало снижение прочностных характеристик плотины и основания соответственно в 1.16, 1.2 и 1.25 раза.

Изохромы полученных в выполненных расчетах приращений смещений плотины вдоль координатных осей приведены на рис. 14. Анализ этих рисунков свидетельствует о значительном нарастании на шагах 22-41 горизонтальных смещений вдоль потока, максимальное значение которых увеличилось с 0.241 м до 0.472 м. Характер распределения вертикальных перемещений в теле плотины на шагах 22-41 изменяется незначительно. При этом максимальное значение вертикальных смещений возрастает с 0.079 м до 0.18 м (на шаге 41).

Пластические деформации на верховой грани плотины на шаге 21 практически отсутствовали, а на шаге 41 они наблюдались на верхних отметках и достигали значения 0.002. Пластические деформации в плотине на контакте с основанием на шаге 21 имели место лишь в зоне примыкания низовой грани к основанию, а на шаге 41 область их распространения возрастала, в левобережном примыкании сооружения к основанию. Вертикальные напряжения под верховой гранью плотины на ее контакте с основанием практически отсутствовали как на шаге 21, так и на шаге 41, что свидетельствовало о раскрытии этого контакта на глубину порядка 32-38 м, а под низовой гранью они в небольшой локальной зоне достигали величины равной - 19 МПа. Согласно проведенной исследовательской работе, можно сделать следующий вывод о том, что полученный коэффициент запаса несущей способности системы «плотина Саяно-Шушенского гидроузла - основание» методом редукции прочностных параметров будет равняться:

=1.25 (10)

Нами было предложено заменить используемые в настоящее время значения критериев К2 для радиальных смещений плотины на значения прогибов в момент, предшествующий наступлению предельного состояния, в соответствии с результатами математических исследований, полученными в данной работе для УВБ=539 м (рис. 13). Как следует из графиков, представленных на указанном рисунке, после снижения на 37 шаге расчета параметров сдвиговой прочности (тангенса и сцепления) в 1,25 раза начинался безграничный рост горизонтальных смещений вдоль потока, приводящий на шаге 41 к полному исчерпанию несущей способности системы «плотина-основание». Вероятно, что величина К2 должна будет приниматься равной значениям полученным на шаге 37. Приращения горизонтальных радиальных смещений (прогибов) при этом достигали на гребне секций 18, 33 и 45 соответственно значений 51, 84 и 63 мм. Суммируя эти приращения с максимальными значениями прогибов, измеренных в натуре (соответственно 107, 142 и 98 мм) мы получили значения К2 для радиальных смещений гребня плотины (табл. 5):

Таблица 5

Критериальные значения

Секция	Значения, измеренные в натуре, мм	К2, мм
18	107	158
33	142	226
45	98	161



В четвертой главе решалась задача, связанная с разработкой рекомендаций по модернизации систем контроля безопасности ГТС гидроузлов, и в частности, гидроузлов Нижне-Черекского каскада и Саяно-Шушенского гидроузла. Эта задача была решена на основе выполненного анализа эффективности контрольно-измерительного комплекса, данных натурных наблюдений и действующих критериев безопасности сооружений каскада Нижне-Черекских гидроузлов и Саяно-Шушенского гидроузла, а также на основе проведенных научно-исследовательских работ по определению численных значений критериев безопасности путем математического моделирования напряженно-деформированного состояния и изучения несущей способности основных ГТС гидроузлов, а именно - каменно-земляной плотины гидроузла Кашхатау, а также для арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузла.

Были разработаны предложения по модернизации системы безопасности гидроузлов Нижне-Черекского каскада. В ЦСГНЭО при участи автора были проведены работы, связанные с разработкой проекта сейсмического мониторинга основных сооружений каскада Нижне-Черекских гидроузлов. В результате этих работ были определены зоны возникновения максимальных напряжений и ускорений, что позволило выбрать наиболее оптимальные места в теле плотин для размещения датчиков инженерно-сейсмометрической сети. Была разработана автоматизированная система инженерно-сейсмометрической сети, призванной обеспечивать оперативное получение информации об общей картине распределения динамической реакции сооружений на сейсмические воздействия. Данная сеть основана на современных аппаратурных средствах, отвечающих эффективной и надежной работе по проведению сейсмологического мониторинга.

Также, в четвертой главе были разработаны рекомендации по модернизации системы мониторинга на Саяно-Шушенском гидроузле. Ввиду того, что система автоматизированного контроля за гидротехническими сооружениями (САК ГТС) является уже морально и физически устаревшей и, очевидно, что острота проблемы достоверности показаний струнной КИА будет возрастать с каждым годом, предложено было разработать и реализовать в ближайшие годы программу по замене выработавшей свой ресурс КИА альтернативными методами контроля. Отмечено, что система критериев безопасности нуждается в дополнении и актуализации.

В заключительной части главы были сформулированы основные предложения по совершенствованию методов определения критериев безопасности второго уровня.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы, автором была достигнута основная цель, поставленная в данном исследовании, а именно - нахождение путей совершенствования методов определения критериев безопасности и их последующая интеграция в системы мониторинга гидротехнических объектов.

Основные выводы диссертационного исследования могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполненный статистический анализ и проведенный литературный обзор мировой практики эксплуатации гидротехнических сооружений показал, что: большинство чрезвычайных ситуаций возникло на уже эксплуатируемых сооружениях; средняя продолжительность их эксплуатации до возникновения аварийной ситуации составляла примерно 14 лет; около 60% аварий приходится на грунтовые плотины. Это говорит о том, что именно им необходимо уделять о пристальное внимание.

Прогнозные модели, используемые для оценки безопасной работы ГТС имеют недостатки, описанные в табл. 1, они не позволяют в необходимой мере оценить реальную значимость отдельных факторов и затрудняют принятие верных решений при обнаружении повреждений. Целесообразно внести предложенные изменения в ныне используемую нормативную документацию, а также дополнить ее более конкретизированными алгоритмами назначения критериев безопасности, которые будут помогать более реальному отражению состояния объекта при тех или иных сочетаниях нагрузок.

2. Рекомендована детерминистическая прогнозная модель по определению критериев безопасности второго уровня. Впервые были предложены такого рода подходы, направленные на определение критериальных величин диагностируемых показателей для ГТС. Выполненные автором исследования показали, что целесообразно назначать критерии безопасности на основе результатов численных исследований несущей способности систем «сооружение-основание», в рамках которых данные системы доводились до разрушения различными способами.

Автором описана концепция, связанная с особенностями создания математических моделей для проведения прогнозных исследований напряженно-деформированного состояния и определением несущей способности систем «сооружение-основание-водохранилище». Представлены принципы проведения расчетных исследований на математических моделях, а также основные позиции, руководствуясь которыми, должна производиться разработка критериев безопасности.

...