Численные исследования напряженно>деформированного состояния, прочности и устойчивости склона основных сооружений Днестровской ГАЭС
Збережено в:
Дата: | 2012 |
---|---|
Автор: | |
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 Ukraineid |
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.
|