Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автор: Вайнберг, А.И.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут електродинаміки НАН України 2012
Назва видання:Гідроенергетика України
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57980
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС / А.И. Вайнберг // Гідроенергетика України. — 2012. — № 1. — С. 48-53. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-57980
record_format dspace
spelling irk-123456789-579802014-03-17T03:01:43Z Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС Вайнберг, А.И. 85 років ПАТ “Укргідропроект” 2012 Article Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС / А.И. Вайнберг // Гідроенергетика України. — 2012. — № 1. — С. 48-53. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1812-9277 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57980 621.311.214:627.8 ru Гідроенергетика України Інститут електродинаміки НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic 85 років ПАТ “Укргідропроект”
85 років ПАТ “Укргідропроект”
spellingShingle 85 років ПАТ “Укргідропроект”
85 років ПАТ “Укргідропроект”
Вайнберг, А.И.
Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС
Гідроенергетика України
format Article
author Вайнберг, А.И.
author_facet Вайнберг, А.И.
author_sort Вайнберг, А.И.
title Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС
title_short Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС
title_full Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС
title_fullStr Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС
title_full_unstemmed Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС
title_sort численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений днестровской гаэс
publisher Інститут електродинаміки НАН України
publishDate 2012
topic_facet 85 років ПАТ “Укргідропроект”
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/57980
citation_txt Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС / А.И. Вайнберг // Гідроенергетика України. — 2012. — № 1. — С. 48-53. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Гідроенергетика України
work_keys_str_mv AT vajnbergai čislennyeissledovaniânaprâžennodeformirovannogosostoâniâpročnostiiustojčivostisklonaosnovnyhsooruženijdnestrovskojgaés
first_indexed 2025-07-05T09:15:24Z
last_indexed 2025-07-05T09:15:24Z
_version_ 1836797840040394752
fulltext 85 РОКіВ ПАТ “УКРГіДРОПРОЕКТ” Гідроенергетика України, 1/2012, ISSN 1812�92774848 ВВ ведение. Одним из важнейших факто� ров, определяющих надежность и безо� пасность высоконапорных ГАЭС, явля� ется устойчивость склона, в пределах которого размещаются основные сооружения. В состав этих сооружений обычно входят водоприемник, напор� ные водоводы, здание ГАЭС, водовыпуск. В соответствии с действующими в настоящее время в Украине нормами проектирования [1—3] склон следует рассматривать как сооружение, класс ответственности которого должен соответ� ствовать классу ответственности основных со� оружений ГАЭС. При этом проектная оценка ус� тойчивости склона должна выполняться на осно� ве анализа его напряженно�деформированного состояния с учетом всей совокупности факторов, которые могут оказать влияние на устойчивость склона. В число этих факторов входят особеннос� ти инженерно�геологического строения, естест� венный и прогнозный гидрогеологический ре� жим, физические и прочностные характеристики слагающих склон грунтов в условиях естествен� ной влажности и при водонасыщении, сейсмич� ность района строительства и др. Для оценки состояния склона в эксплуатаци� онный период в пределах склона размещается не� обходимая контрольно�измерительная аппарату� ра, в состав которой входят пьезометры, марки и др. приборы. При анализе службой эксплуатации данных натурных наблюдений за состоянием склона используются критерии безопасности, не превышение которых обеспечивает прочность и устойчивость склона. Эти критерии назначаются при проектировании на основе анализа напря� женно�деформированного состояния склона и впоследствии корректируются с учетом данных наблюдений. Решение указанных выше задач является чрез� вычайно актуальным для оценки надежности и бе� зопасности строящейся в настоящее время Днест� ровской ГАЭС. Поэтому в отделе расчетного обос� нования сооружений ПАО "Укргидропроект" бы� ли выполнены систематические расчетные иссле� дования напряженно�деформированного состоя� ния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС*. Целями расчетных исследований являлись: 1. Определение напряженно�деформирован� ного состояния сложенного нескальными грунта� ми участка склона основных сооружений Днест� ровской ГАЭС в различных условиях периода эксплуатации. 2. Определение значений коэффициента за� паса прочности и устойчивости этого участка склона для различных расчетных случаев эксплу� атационного периода. 3. Определение критериев безопасности склона, которые необходимы службе эксплуата� ции для оценки состояния склона по данным на� турных наблюдений. В число этих критериев входят: � предельные значения приращений переме� щений поверхности склона в период эксплуата� ции, при которых обеспечивается прочность и ус� тойчивость склона с нормативными коэффициен� тами запаса устойчивости; � предельное положение депрессионной пове� рхности (поверхности грунтовых вод), при кото� ром прочность и устойчивость рассматриваемого участка склона обеспечивается с нормативными коэффициентами запаса. При выполнении расчетных исследований использовался программный комплекс Midas GTS 2011 (версия 1.1). Краткое описание склона основных соору� жений Днестровской ГАЭС. Склоны в районе расположения Днестровской ГАЭС согласно дан� ным инженерно�геологических изысканий, вы� полненных ПАО "Укргидропроект", а также ре� зультатам ряда исследований (см., например, [4]) являются потенциально опасными с точки зрения их устойчивости. Поэтому на всех этапах проек� тирования Днестровской ГАЭС этому вопросу ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО�ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО� ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ,ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ СКЛОНАПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ СКЛОНА ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ ДНЕСТРОВСКОЙ ГОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ ДНЕСТРОВСКОЙ ГАЭСАЭС УДК 621.311.214:627.8 ВАЙНБЕРГ А.И., доктор технических наук, начальник отдела расчетного обоснования, ПАО "Укргидропроект", г. Харьков *В расчетных исследованиях участвовали сотрудники отдела расчетного обоснования сооружений ПАО "Укргидропро� ект" Рыжиков К.О., Скоробогатько К.В., Матвиенко А.А. под руководством д.т.н. Вайнберга А.И. Гідроенергетика України, 1/2012, ISSN 1812�9277 4949 85 РОКіВ ПАТ “УКРГіДРОПРОЕКТ” уделялось особое внимание. Выполненные в про� цессе проектирования расчеты показали, что ус� тойчивость склонов, прилегающих к основным сооружениям этого объекта, обеспечена с коэф� фициентами запаса, большими, чем норматив� ные. При выполнении этих расчетов использова� лись регламентированные нормами проектиро� вания методы, основанные на рассмотрении пре� дельного равновесия потенциального массива обрушения при наперед заданной поверхности скольжения. В последние годы появились новые методы расчетов прочности и устойчивости грунтовых со� оружений и склонов, основанные на рассмотрении напряженно�деформированного состояния в рам� ках решения упруго�пластических задач. Эти но� вые методы, являющиеся по сути численными ис� следованиями, позволяют получить более объек� тивную оценку прочности и устойчивости скло� нов. Поэтому было принято решение о выполне� нии численных исследований напряженно�дефор� мированного состояния, прочности и устойчивос� ти склона основных сооружений Днестровской ГАЭС, который рассматривается как наиболее от� ветственное сооружение объекта. Склон основных сооружений Днестровской ГАЭС высотой 123 м характеризуется средним уклоном 1 : 3. Склон сложен преимущественно полускальными породами (известняками, аргил� литами, алевролитами, песчаниками), обладаю� щими сравнительно высокими деформационны� ми и прочностными характеристиками. В нижней части склона высотой около 34 м имеется массив нескальных грунтов, деформационные и прочно� стные характеристики которых ниже, чем соотве� тствующие характеристики полускальных пород. Поэтому в настоящей работе рассматривается по� тенциально опасный участок склона, сложенный нескальными грунтами и подстилаемый масси� вом полускальных пород. Инженерно�геологи� ческий разрез этого участка показан на Рис. 1. Этот рисунок является фрагментом инженерно� геологической модели грунтового массива основ� ных сооружений Днестровской ГАЭС. Как видно из этого рисунка рассматриваемый участок ха� рактеризуется значительной неоднородностью. В его пределах залегают суглинки, супеси, пески, дресвяные грунты. Основные физико�механичес� кие характеристики этих грунтов представлены на Рис. 1. В пределах рассматриваемого участка склона в естественных условиях отсутствуют грунтовые воды. Однако после завершения строительства и наполнения верхнего и нижнего водоемов в скло� не сформируется фильтрационный поток таким образом, что в пределах этого участка могут поя� виться грунтовые воды. Выполненные фильтра� ционные исследования с учетом данных наблюде� ний за гидрогеологическим режимом позволили получить прогнозные положения депрессионной поверхности в склоне для различных условий эксплуатации. Прогнозные кривые депрессии в склоне показаны на Рис. 1. Эти кривые исполь� зовались в качестве исходных данных для опре� деления напряженно�деформированного состоя� ния участка склона, сложенного нескальными грунтами. Рассматриваемый участок склона, как и все сооружения Днестровской ГАЭС, расположен в сейсмически опасном районе. Согласно данным выполненных сейсмологических исследований расчетная сейсмичность этого участка составляет 7 баллов по шкале MSK�64. Такая сейсмичность учитывалась при выполнении расчетов. Класс последствий (ответственности) склона, рассматриваемого как основное сооружение гид� роузла, — СС3, категория ответственности — А принят в соответствии с нормами проектирова� ния [1]. Методика исследований. Расчеты напряжен� но�деформированного состояния участка склона выполнялись в рамках решения плоской задачи (плоская деформация) теории пластичности ме� тодом конечных элементов с использованием программного комплекса Midas GTS 2011. Для моделирования нелинейных свойств грунтов была использована модель упругоплас� тической среды Мора�Кулона, которая обычно применяется при исследовании напряженно�де� формированного состояния грунтовых сооруже� ний. Ползучесть грунтов не учитывалась. Расчеты прочности и устойчивости участка склона, в результате которых были получены зна� чения коэффициентов запаса прочности и устой� чивости, выполнены методом редукции. При этом использовался программный комплекс Midas GTS 2010. Суть метода редукции заключается в следующем. Выполняются расчеты напряженно� деформированного состояния участка склона для ряда последовательно снижаемых сдвиговых ха� рактеристик нескальных грунтов модели (удель� ное сцепление и тангенс угла внутреннего тре� ния). Такие расчеты выполняются до тех пор, по� ка не будет достигнуто состояние предельного равновесия, при котором вычислительный про� цесс расходится (прогрессирующее нарастание пластических деформаций). Значение коэффици� ента запаса устойчивости kr определялось как от� ношение значений расчетных сдвиговых характе� 85 РОКіВ ПАТ “УКРГіДРОПРОЕКТ” Гідроенергетика України, 1/2012, ISSN 1812�92775050 Рис. 1. Инженерно�геологический разрез рассматриваемого участка склона Гідроенергетика України, 1/2012, ISSN 1812�9277 5151 85 РОКіВ ПАТ “УКРГіДРОПРОЕКТ” ристик грунтов (удельное сцепление cI и тан� генс угла внутреннего трения tg ϕI) к снижен� ным значениям сдвиговых характеристик, соот� ветствующим состоянию предельного равнове� сия (clim, tg ϕlim) . Такая операция выполняется автоматически при работе программного комплекса Midas GTS 2011. При определении критериев безопасности склона, которые необходимы службе эксплуата� ции для оценки состояния склона по данным на� турных наблюдений, использовались следующие подходы. Рассмотрим сначала методику определения предельных значений приращений перемещений поверхности склона в период эксплуатации, при которых обеспечивается прочность и устойчи� вость склона с нормативными коэффициентами запаса устойчивости. Такие приращения переме� щений должны быть найдены в наиболее харак� терных точках поверхности склона для основного и особого сочетаний нагрузок и воздействий. Оп� ределение значений этих приращений перемеще� ний выполнялось методом последовательных приближений. При этом сдвиговые характерис� тики грунтов склона снижались до тех пор, пока найденные методом редукции значения коэффи� циента запаса прочности и устойчивости не ста� нут равными нормативным значениям. Рассмотрим теперь методику определения предельного положения депрессионной поверх� ности (поверхности грунтовых вод), при котором прочность и устойчивость рассматриваемого участка склона обеспечивается с нормативными коэффициентами запаса. Определение предель� ного положения депрессионной поверхности так� же выполнялось методом последовательных приближений. При этом положение депрессион� ной поверхности повышалось до тех пор, пока найденные методом редукции значения коэффи� циента запаса прочности и устойчивости не ста� нут равными нормативным значениям. Расчетная модель. Расчетная область вклю� чает в себя сложенный нескальными грунтами участок склона, подстилаемый массивом полус� кальных пород. Размеры этой области приняты на основе численного эксперимента из условия отсутствия влияния граничных условий на нап� ряженно�деформированное состояние участка склона, сложенного нескальными грунтами. Задача решается методом конечных элемен� тов. Расчетная область аппроксимируется четы� рехугольными конечными элементами квадратич� ного типа. Для моделирования нелинейных свойств грунтов использована модель Мора�Ку� лона. Конечно�элементная модель расчетной об� ласти приведена на Рис. 2. Модель включает 17410 элементов. Элементы, моделирующие нес� кальный грунт, имеют характерный размер 0.5 м. Учитывались следующие граничные условия: � вертикальные перемещения нижней грани� цы расчетной области принимаются равными ну� лю; � горизонтальные перемещения боковых гра� ниц расчетной области принимаются равными нулю. Результаты исследований. Были выполнены расчеты напряженно�деформированного состоя� ния склона основных сооружений Днестровской ГАЭС с использованием программного комплек� са "Midas GTS". Рассматривались следующие расчетные случаи. Расчетный случай 1. Основное сочетание наг� рузок и воздействий. Нескальные грунты всего рассматриваемого участка склона находятся в состоянии естественной влажности (кривая деп� рессии УГВ 0 проходит ниже подошвы массива нескальных грунтов). Расчетный случай 2. Основное сочетание наг� рузок и воздействий. В нескальных грунтах имеет место кривая депрессии УГВ 1, соответствующая нормальным подпорным уровням воды в верхнем и нижнем водоемах. Расчетный случай 3. Особое сочетание нагру� зок и воздействий. В нескальных грунтах имеет место кривая депрессии УГВ 2, соответствующая нормальному подпорному уровню воды в верх� нем водоеме и форсированному подпорному уровню воды в нижнем водоеме. Расчетный случай 4. Особое сочетание нагру� зок и воздействий. Нескальные грунты всего рас� сматриваемого участка склона находятся в состо� янии естественной влажности (кривая депрессии УГВ 0 проходит ниже подошвы массива нескаль� ных грунтов). Дополнительно учитываются сейс� мические воздействия. Расчетный случай 5. Особое сочетание нагру� зок и воздействий. В нескальных грунтах имеет место кривая депрессии УГВ 1, соответствующая нормальным подпорным уровням воды в верхнем и нижнем водоемах. Дополнительно учитывают� ся сейсмические воздействия. Для всех расчетных случаев определялись напряжения, перемещения и деформации как для расчетных значений сдвиговых характеристик 85 РОКіВ ПАТ “УКРГіДРОПРОЕКТ” Гідроенергетика України, 1/2012, ISSN 1812�92775252 Рис. 3. Изополя напряжений σσx, кПа, в склоне для расчетного случая 1. Рис. 4. Изополя напряжений σσy, кПа, в склоне для расчетного случая 1. Рис. 2. Конечно�элементная модель расчетной области. Гідроенергетика України, 1/2012, ISSN 1812�9277 5353 85 РОКіВ ПАТ “УКРГіДРОПРОЕКТ” грунтов cI и tg ϕI, так и для сниженных значений сдви� говых характеристик грун� тов clim и tg ϕlim соответству� ющих состоянию предель� ного равновесия. Полученное напряжен� ное состояние является ха� рактерным для таких скло� нов. Необходимо отметить, что в расчетной области во всех расчетных случаях от� сутствуют сколько�нибудь значительные пласти� ческие деформации. Это позволяет сделать вы� вод, что склон не находится в состоянии предель� ного равновесия. На Рис. 3—5 для примера приведены изопо� ля напряжений σx, σy, τxy для первого расчетного случая. Были выполнены расчеты прочности и устой� чивости склона основных сооружений Днестровс� кой ГАЭС методом редукции. Результаты этих расчетов приведены в следующей таблице. Анализ данных, приведенных в этой таблице, позволяет сделать вывод, что коэффициенты за� паса прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС превышают нормативные значения во всех расчетных случа� ях на 15—20 %. В соответствии с изложенной выше методи� кой были найдены предельные значения прира� щений перемещений, которые соответствуют нормативным коэффициентам запаса прочности и устойчивости склона. Было также найдено пре� дельное положение кривой депрессии, которое соответствует нормативным коэффициентам за� паса прочности и устойчивости склона. Эти дан� ные могут быть использованы службой эксплуа� тации в качестве критериев безопасности при оценке состояния склона. ЛИТЕРАТУРА 1. ДБН В.2.4�3:2010. Гідротехнічні споруди. Основні по� ложення / Мінрегіонбуд України. — К. : ДП Украрх� будінформ, 2010. — 37 с. 2. ДБН В.1.1�12:2006. Захист від небезпечних геологічних процесів, шкідливих експлуатаційних впливів, від пожежі. Будівництво в сейсмічних районах України. /Мінбуд України. — К. : ДП Укрархбудінформ, 2006. — 84 с. 3. СНиП 2.02.02�85. Основания гидротехнических со� оружений/Госстрой СССР. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1988. — 48 с. 4. Проблемы инженерной геологии ГАЭС и водохрани� лищ с нестационарным режимом./Под ред. Г.С. Золотарева. — М. : Изд�во МГУ, 1983. — 266 с. Таблица. Результаты расчетов прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС © Вайнберг А.И., 2012 Рис. 3. Изополя напряжений ττxy, кПа, в склоне для расчетного случая 1.