Россия
Россия
студент с 01.01.2021 по настоящее время
Нижегородская область, Россия
Астрахань, Россия
С целью анализа эксплуатации комплекса гидротехнических сооружений (ГТС) водозабора с точки зрения безопасности и надежности проводится оценка технического состояния с применением численных методов моделирования. Оценка технического состояния ГТС, ее состав, применяемые методы регламентируются требованиями ФЗ-117 «О безопасности гидротехнических сооружений» и нормативными документами в области безопасности ГТС. Поставлена задача обеспечить комплексный подход к обследованию ГТС, включающий сбор исходной информации, в том числе проведение инженерных изысканий, последовательное проведение визуальных и инструментальных осмотров и наблюдений, выполнение поверочных расчетов с применением современных инженерных программных комплексов. С целью решения одной из поставленных задач был получен и проанализирован опыт использования программы GTS NX, продукт фирмы Midas, в которой заложен метод конечных элементов. В программе GTS NX реализовано моделирование взаимодействий между сооружениями и их основаниями на основе метода конечных элементов. Для контроля и определения сходимости полученных результатов расчетов дополнительно проводятся расчеты в соответствии с рекомен-дациями нормативной литературы. Разница между результатами расчетов не превышает 9 %. Окончательно результаты комплексного обследования сравниваются с ранее разработанными и утвержденными в органах Ростехнадзора России критериями безопасности, проводится оценка соответствия нормативным документам в области безопасности ГТС. Применение комплексного подхода к обследованию в сочетании с численными методами моделирования позволяет не только оценить текущее состояние ГТС, но и разработать эффективные меры по обеспечению их долговечности и безопасности. Это особенно важно для сооружений, выполняющих ключевую роль в системе водоснабжения, срок эксплуатации которых составляет более 50 лет, т. к. их надежность напрямую влияет на бесперебойную работу всей инфраструктуры.
гидротехнические сооружения, уровень безопасности, эксплуатационная надежность, фильтрационная прочность, статическая устойчивость, метод конечных элементов
Введение
Анализ безопасности – это ключевой момент при эксплуатации гидротехнических сооружений (ГТС). Он позволяет оценить техническое состояние сооружений, своевременно выявлять возможные риски и разрабатывать стратегии по их устранению, разработать меры для обеспечения эксплуатационной надежности, что способствует безо-пасной эксплуатации ГТС, оптимизации затрат на ремонты ГТС, сохранению водных ресурсов и поддержанию экологического баланса.
Методы и состав наблюдений и исследований при оценке безопасности сооружений зависят от типа, класса и назначения ГТС [1] и традиционно включают следующие этапы [2]:
– визуальный осмотр: проводится для выявления видимых дефектов и повреждений;
– инструментальные наблюдения: используются для определения геометрических параметров сооружения, прочности материалов и других характеристик;
– поверочные расчеты: применяются для оценки фильтрационной прочности грунта тела и основания земляной плотины и статической устойчивости земляной плотины;
– анализ результатов: полученные данные обрабатываются и анализируются для определения технического состояния ГТС, сравниваются с критериями безопасности. Проводится оценка соответствия полученных результатов нормативным документам в области безопасности ГТС [3]. Разрабатываются рекомендации по дальнейшей эксплуатации исследуемых ГТС.
Вероятность отказов в работе ГТС с большим сроком эксплуатации увеличивается, поэтому Ростехнадзор для всех ГТС со сроком эксплуатации свыше 50 лет предписывает проведение многофакторного обследования [4]. Обследование состояния ГТС является актуальной и важной частью контроля при их эксплуатации.
Вопросами прогнозирования уровня безопасности ГТС, оценки их эксплуатационного состояния, оценки риска аварий занимаются ведущие вузы и НИИ страны [1, 5–7]. Решение этих важных вопросов нацелено на повышение эксплуатационной надежности ГТС путем их приведения к безопасному техническому состоянию.
Объект исследования
В качестве примера рассматривается комплекс ГТС, предназначенный для водоснабжения небольшого населенного пункта (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения комплекса ГТС
Fig. 1. The layout of the HS complex
Исследуемый комплекс ГТС относится ко II классу и состоит из грунтовой плотины, водосброса, отводящего канала, донного водоспуска, оголовка, самотечной линии, береговой насосной станции. Комплекс ГТС водозабора эксплуатируется порядка 60 лет [8].
Согласно ранее проведенным исследованиям и имеющейся публикации [9], комплекс ГТС имеет высокие показатели коэффициента риска аварий и вероятности возникновения аварии из расчета на год [10], что может свидетельствовать о низком качестве проектирования, строительства и эксплуатации рассматриваемых ГТС и требует разработки мероприятий по снижению риска.
С целью всестороннего обследования комплекса ГТС и сбора исходных данных для анализа его состояния были выполнены следующие работы:
1. Инженерно-геодезические работы, включающие топографическую сьемку комплекса ГТС и обмерные работы в целях выявления отклонения существующих параметров от проектных.
2. Разбивка и закрепление опорно-наблюда-тельной сети с целью организации мониторинга технического состояния комплекса ГТС.
Разбивка опорно-наблюдательной сети и инженерно-геодезические работы выполнялись электронным тахеометром Leica FlexLine TS-06 (точность измерений углов – 5", линий – 3 мм + 2 мм/км) и спутниковым геодезическим приемником EFT M2 GNSS (точность измерений в плане – 8 мм + 1 мм/км, по высоте – 15 мм + 1 мм/км).
Результаты выполненных работ:
– разбита опорно-наблюдательная сеть, состоящая из трех грунтовых реперов (рис. 2), шести стеновых марок, двенадцати наблюдательных марок, представляющих собой анкера;
– составлена схема размещения контрольно-измерительной аппаратуры и пунктов наблюдения на ГТС;
– составлен инженерно-топографический план комплекса ГТС.
а б в
Рис. 2. Грунтовый репер: а – закладка; б – вид сверху; в – конструкция
Fig. 2. Ground reference point: а – bookmark; б – top view; в – construction
3. Инженерно-геологические изыскания с целью определения фактических физико-механических характеристик инженерно-геологических элементов грунтов, слагающих тело и основание плотины для дальнейших фильтрационных и статических расчетов. Бурение произведено механическим способом, рейсами по 0,5÷1,5 м, диаметром 135 мм, буровой установкой УБШМ 1-20. В результате выполненных работ составлены литологические колонки (рис. 3) и определены физико-механические характеристики грунтов тела и основания грунтовой плотины.
Выделенные инженерно-геологические элементы показаны на разрезе ниже. Разрез по грунтовой плотине на ПК0 + 24 представлен на рис. 4.
а б
Рис. 3. Инженерно-геологические изыскания: а – буровая установка УБШМ 1-20;
б – литологическая колонка по скважине 1
Fig. 3. Engineering and geological surveys: а – drilling rig UBSM 1-20; б – lithological column for well 1
Слои сверху вниз:
1 – суглинок легкий пылеватый, полутвердый;
2 – суглинок легкий пылеватый, тугопластичный;
1 – суглинок легкий пылеватый, полутвердый с прослоями супеси;
3 – глина тяжелая, полутвердая
Рис. 4. Разрез по грунтовой плотине согласно результатам проведенных изысканий
Fig. 4. The section along the soil dam according to the results of the conducted surveys
4. Визуальное и инструментальные обследования с целью подготовки материалов (профиль плотины, заложение откосов, дефекты сооружений, очаги фильтрации и др.) для дальнейших расчетов.
В результате визуального и инструментального обследования выявлены следующие основные дефекты, такие как:
– высачивание воды и намокание откосов, вынос грунта из тела сооружения, обширные ходы фильтрации грунтовой плотины;
– дефекты защитных покрытий, трещины на гранях сооружений в зонах сопряжения элементов сооружений и оснований с различными механическими и фильтрационными свойствами, следы выщелачивания, коррозии бетона;
– дефекты и повреждения в виде сколов, раковин, каверн, выбоин, полос или зон истирания, сквозных отверстий с обнажением или оголением арматуры, с коррозией арматуры и т. п.;
– локальные несоответствия заложения верхового откоса.
5. Водолазное обследование с целью определения состояния подводных элементов сооружений. Для выполнения водолазного обследования использовалось водолазное снаряжение СВУ-5-1 (рис. 5).
В результате водолазного обследования выявлены следующие основные отклонения от нормального эксплуатационного состояния:
– разрушение бетона на глубину до 30 см с оголением арматуры в зоне переменного уровня;
– наличие посторонних предметов (мусор, бревна), незначительное заиление дна.
6. Поверочные расчеты. На основании полученных в ходе изыскательских работ материалов с учетом выявленных дефектов были проведены поверочные расчеты.
Рис. 5. Водолазные работы
Fig. 5. Diving operations
С целью решения поставленной задачи был проанализирован опыт использования различных программ, в которых реализован метод конечных элементов, таких как SiO 2D, Geo5, GTS NX. Практика их применения широко использована в подобных расчетах [11]. Для рассматриваемого случая применена программа GTS NX, продукт фирмы Midas. В программе GTS NX реализовано моделирование взаимодействий между сооружениями и их основаниями на основе метода конечных элементов [12].
Для контроля и определения сходимости полученных результатов дополнительно фильтрационный расчет был проведен в соответствии с рекомендациями [13–15], а расчет устойчивости выполнен по круглоцилиндрическим поверхностям [13] в программе Slope.
Метод конечных элементов, использованный в расчетах, имеет ряд преимуществ [16]:
– криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных элементов, что позволяет рассчитывать объекты, имеющие сложную геометрическую форму;
– размеры элементов могут быть переменными, именно это позволяет укрупнять или уменьшать сетку разбиения области на элементы;
– универсальность метода позволяет задать граничные условия с разрывной поверхностной нагрузкой или смешанными граничными условиями.
Граничные условия, описывающие условия истечения – гидравлические граничные условия:
где Н – пьезометрический напор; K – коэффициент проницаемости грунта; Q – расход; θ – влагосодержание; t – время.
Фильтрационный расчет проводился с целью определения положения свободной поверхности фильтрационного потока (кривой депрессии). Фильтрационная прочность тела и основания сооружения оценивалась по условию [13]
где Iest.m – действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации; Icr.m – критический средний градиент напора; γn – коэффициент надежности по ответственности плотины.
Статический расчет проводился с целью проверки устойчивости низового откоса земляной плотины. Критерием устойчивости откосов плотины являлось соблюдение для наиболее опасной призмы обрушения неравенства [13]
где Kуст – коэффициент устойчивости откоса; γn, γfc, γc – коэффициенты ответственности сооружения, сочетания нагрузок, условий работы, определяемые по [13]. В расчетах для основного сочетания нагрузок и воздействий в период нормальной эксплуатации коэффициенты γfc и γc принимаются равными 1, а коэффициент ответственности сооружения γn принят равным 1,2, что соответствует II классу сооружения.
На первом этапе, согласно результатам проведенных инженерных изысканий, была построена твердотельная модель (рис. 6), представляющая собой триангуляционную сеть. Модель твердого тела представляется в виде множества треугольников, что позволяет точно описать поверхность объекта, сохраняя его геометрические особенности и детали.
Расчетная двухмерная сеть с промежуточным переразбиением поверхностной сети учитывает качественный характер залегающих слоев грунта тела и основания.
Рис. 6. Схема для расчета устойчивости: 1–3 (см. рис. 4)
Fig. 6. The scheme for calculating stability: 1-3 (see fig. 4)
На втором этапе проведен расчет фильтрационной прочности сооружения. Учитывалось влияние различных факторов на процесс фильтрации: пористость, неоднородность среды и т. д.
В процессе расчета программа GTS NX выдает промежуточные результаты и графики, которые позволяют оценить ход расчета и при необходимости внести коррективы. Результаты фильтрационного расчета с помощью программы GTS NX представлены на рис. 7. Получившееся положение кривой депрессии сравнивалось с фактическими отметками кривой депрессии по буровым скважинам. Результаты расчета сверялись с допустимыми градиентами [14], представленными в табл. 1.
Расчет устойчивости был выполнен методом анализа напряжений (SAM) на основе метода конечных элементов. В основе метода лежит анализ предварительно заданных поверхностей скольжений (круглоцилиндрических поверхностей). Результаты проведенного расчета приведены на рис. 8.
Рис. 7. Результаты фильтрационного расчета: 1–3 (см. рис. 4)
Fig. 7. Results of filtration calculation: 1-3 (see fig. 4)
Таблица 1
Table 1
Сводная таблица градиентов напора и сравнение с фактическими значениями показателей
Summary table of pressure gradients and comparison with actual values of indicators
|
№ слоя |
Вид грунта |
Допускаемый |
Фактический |
Соответствие |
|
1 слой (тело) |
Суглинок |
1,15 |
0,492 |
Не превышает |
|
2 слой (тело) |
Суглинок |
1,15 |
0,478 |
Не превышает |
|
3 слой (основание) |
Суглинок |
0,50 |
0,364 |
Не превышает |
|
4 слой (основание) |
Глина |
1,00 |
0,358 |
Не превышает |
Рис. 8. Результат устойчивости откоса: 1–3 (см. рис. 4)
Fig. 8. The result of slope stability: 1-3 (see fig. 4)
В результате расчета условие устойчивости откоса грунтовой плотины выполняется:
что удовлетворяет требованиям для сооружений II класса [10, 13].
Коэффициент устойчивости и опасная кривая скольжения для проверки были определены методами Г. Крея, К. Терцаги и «весового давления» Р. Р. Чугаева. Расчет устойчивости с применением данных методов реализован в программе Slope, предназначенной для расчета устойчивости земляных откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения (рис. 9).
Рис. 9. Результаты расчета в программе Slope
Fig. 9. Calculation results in the Slope program
Минимальные коэффициенты устойчивости составили:
– по методу Г. Крея – Kmin = 1,45;
– по методу К. Терцаги – Kmin = 1,41;
– по методу «весового давления» – Kmin = 1,38.
Условие устойчивости откоса грунтовой плотины также выполняется.
Результаты, полученные в программах:
– GTS NX: Kуст = 1,26;
– Slope: Kmin = 1,38.
Разница в результатах составила 9 %, она связана и с тем, что в программе Slope расчет ведется на ограниченном количестве заданных прямых скольжения, в то время как программа GTS NX ведет расчет с использованием всех возможных областей обрушения.
7. На заключительном этапе всестороннего обследования комплекса ГТС во исполнение требований статьи 9 Федерального закона от 21.07.1997 № 117–ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» [3] собственник (или эксплуатирующая организация) обязан обеспечивать разработку и свое-временное уточнение критериев безопасности ГТС.
При определении критериев безопасности с целью обоснования прочности и устойчивости комплекса ГТС и их оснований должно быть выполнено условие недопущения наступления предельных состояний в соответствии со строительными нормами и правилами. Контроль за безопасностью ГТС (комплекса ГТС), в том числе оперативная оценка их состояния, осуществляется путем сравнения измеренных (или вычисленных на основе измерений) количественных и качественных показателей с их критериальными значениями.
Результаты обследования были сведены и сопоставлены с критериями безопасности комплекса ГТС. В табл. 2, 3 приведено сравнение полученных результатов с качественными (определяемыми визуально) и количественными (определяемыми инструментально) критериями безопасности.
Таблица 2
Table 2
Сводная таблица качественных критериев безопасности и сравнение с фактическими значениями показателей
Summary table of qualitative safety criteria and comparison with actual values of indicators
|
Объект |
Критерии безопасности |
Соответствие |
|
|
К1 (появление) |
К2 (развитие во времени) |
||
|
Грунтовая |
Высачивания воды и намокания откосов |
Превышает К1 |
|
|
Выноса грунта из тела сооружения, обширных ходов фильтрации |
Превышает К1 |
||
|
Процесса фильтрации воды в виде зон влаголюбивой растительности, |
Превышает К1 |
||
|
Водосброс |
Трещин на гранях сооружений, в зонах сопряжения элементов сооружений и оснований с различными механическими и фильтрационными свойствами |
Превышает К1 |
|
|
Следов выщелачивания, коррозии бетона |
Превышает К1 |
||
|
Дефектов антикоррозионного покрытия |
Превышает К1 |
||
|
Дефектов и повреждений в виде сколов, раковин, каверн, выбоин, полос или зон истирания, сквозных отверстий; с обнажением или оголением |
Превышает К1 |
||
|
Фильтрации (появление мокрых пятен или высолов; капельной, |
Превышает К1 |
||
|
Отводящий |
Деформаций и размыва откосов (берегов) |
Превышает К1 |
|
|
Зарастания мелководий и откосов |
Превышает К1 |
||
|
Отложения наносов, мусора |
Превышает К1 |
||
Таблица 3
Table 3
Сводная таблица количественных критериев безопасности и сравнение
с фактическими значениями показателей
Summary table of quantitative safety criteria and comparison with actual values of indicators
|
Контролируемый |
Критериальные значения диагностических показателей |
Фактические |
Соответствие критериям безопасности |
|
|
К1. Первый |
К2. Второй |
|||
|
Грунтовая плотина |
||||
|
Среднее заложение верхового откоса |
1:1,5 |
Менее 1:1,5 |
1:1,5 (переработан) |
Соответствует |
Заключение
Результаты проведенной оценки технического состояния комплекса ГТС водозабора с применением численных методов моделирования показали, что фильтрационная прочность и устойчивость обеспечивается (условия выполняются). Согласно результатам сопоставления полученных данных с критериями безопасности, по терминологии СП 13–102–2003 [17], эксплуатационное состояние ГТС характеризуется как ограниченно работоспособное. Следует отметить, что часть выявленных дефектов при неблагоприятном стечении обстоятельств могут привести к возникновению аварийной ситуации. Делается вывод: сооружение требует ремонта, который необходимо выполнить в кратчайшие сроки.
Расчеты устойчивости определили сходимость результатов (отклонение составляет 9 %), что свидетельствует о возможности применения метода конечных элементов в дальнейшем, более детальном исследовании данного сооружения. Численные методы позволили рассчитать с большой вероятностью точности устойчивость низового откоса земляной плотины для самого опасного сечения плотины. В перспективе с целью изучения процессов, влияющих на снижение прочности сооружения, планируется построить трехмерную модель всего сооружения (грунтовой плотины и водосброса) и оценить его прочность на контакте разных материалов (т. к. визуально наблюдаются очаги фильтрации).
1. Линкевич Н. Н. Оценка уровня безопасности и риска аварий гидротехнических сооружений. Минск: Изд-во БНТУ, 2021. С. 28–42.
2. Рекомендации по обследованию гидротехнических сооружений с целью оценки их безопасности. СПб.: Изд-во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 2001. С. 11–20.
3. О безопасности гидротехнических сооружений: Федеральный закон РФ от 21.07.1997 № 117-ФЗ (с изменениями на 11.06.2021). URL: http://cntr.gosnadzor.ru/activity/control/Gidro_nadz/doc/5.%20%D0%9E%20%D0%B1%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BF%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D0%93%D0%A2%D0%A1.pdf (дата обраще-ния: 24.10.2024).
4. Об утверждении федеральных норм и правил в области безопасности гидротехнических сооружений. Требования к обеспечению безопасности гидротехнических сооружений (за исключением судоходных и портовых гидротехнических сооружений): Приказ Ростехнадзора от 08.05.2024 № 151. URL: https://legalacts.ru/doc/prikaz-rostekhnadzora-ot-08052024-n-151-ob-utverzhdenii-federalnykh/?ysclid=m9tu7rycyu678739566 (дата обращения: 24.10.2024).
5. Козлов Д. В., Снежко В. Л., Симонович О. С. Прогноз уровня безопасности грунтовых плотин низкой опасности за пределами нормативного срока эксплуатации. М.: Изд-во МГСУ, 2022. С. 2–9.
6. Панкова Т. А., Орлова С. С. Оценка эксплуатационного состояния водосбросного сооружения на Балке Курдюм Саратовского района у села Клещевка Саратовской области. Саратов: Изд-во СГАУ им. Н. И. Вавилова, 2015. С. 132–135.
7. Шестова М. В., Добрынина А. В. Исследование современного состояния нижнего бьефа Нижегородской ГЭС с учетом русловых деформаций и влияния дноуглубительных работ // Науч. проблемы вод. трансп. 2022. № 73. С. 255–265.
8. Гидротехнические сооружения водозабора в г. Лысково: техн. паспорт. Лысково, 2000. 19 с.
9. Агеева В. В., Февралев А. В. Опыт оценки риска аварий низконапорных гидротехнических сооружений // Приволж. науч. журн. 2023. № 2 (66). С. 142–145.
10. СП 58.13330.2019. Гидротехнические сооружения. Основные положения. СНиП 33-01-2003 (утв. и введен в дей-ствие Приказом Минстроя России от 16.12.2019 № 811/пр). М.: Стандартинформ, 2020. 35 с.
11. Лапушкин А. С. Применение автоматизированной программы «GEO5 2022 – устойчивость откоса» для расчета железнодорожных насыпей. Беларусь, Гомель: Изд-во БГУТ, 2022. С. 355–358.
12. Ким М. С., Селезнева В. Н., Волков С. Н. Базовые модели расчета песчаных и глинистых грунтов в программ-ном комплексе MIDAS GTS NX. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2023. С. 24–29.
13. СП 39.13330.2012. Плотины из грунтовых материалов. СНиП 2.06.05-84 (утв. и введен в действие Приказом Минрегиона России от 29.12.2011 № 635/18). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200095521?ysclid=m9tvhjjerj249073348 (дата обращения: 24.10.2024).
14. Приложение к СП 39.13330.2012. Плотны земляные (намывные и насыпные). URL: http://ural.gosnadzor.ru/activity/control/gidrotech/norm_prav_akt/СП%2039.13330.2012%20Плотины%20из%20грунтовых%20материалов.%20Актуализированная%20редакция%20СНиП%202.06.05-84.pdf (дата обращения: 24.10.2024).
15. П 55-76. Руководство по расчетам фильтрационной прочности плотины из грунтовых материалов. Л.: Изд-во ВНИИГ, 1976. 80 с.
16. Пайшанбиев С. А., Калинин Э. В. Основные преимущества и недостатки метода конечных элементов при ре-шении задач инженерной геодинамики. М.: Изд-во МГУ им. Ломоносова, 2018. С. 199–205.
17. СП 13-102-2003. Свод правил по проектированию и строительству. Правила обследования несущих строи-тельных конструкций зданий и сооружений (принят постановлением Госстроя России от 21.08.2003). URL: https://www.gupcti.ru/upload/iblock/87b/q1dy195u4xmnnpuesrf613u377i98oq1.pdf?ysclid=m9tvzca4cj755035484 (дата обращения: 24.10.2024).
