автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкции гравитационных бетонных плотин на скальном основании

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРНДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ РГ6 ОД ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ _ 5 дпр И". В.В.ШБИЕВА

На правах рдкописи ЧЕРДАКОВ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРШЦИИ ГРАВИТАЦИОННЫХ БЕТОННЫХ ПЛОТИН НА. СКАЛЬНОМ ОСНОВАНИИ-. .'Специальность 05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное

строительство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание дченой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1993

Рабата выполнена в Кыргызском ордена "Знак Почета" сельскохозяйственна* институте ии. К.И.Скрябина.

- кандидат технических наук, доцент Б.А.Чукин

- доктор технических наук, профессор В.Г.Орехов

- кандидат технических наук, профессор Г.М.Каганов

- производственное об"единение по изысканиям. исследованиям, проектированию и строительства водохозяйственных и мелиоративных об"ектов в Российской федерации и за рубежом "СОВИНТЕРВОД"

Защита диссертации состоится "-1-- 1993 г. в -¿_^Гчасов на заседании специализированного совета Д.053.11.04 в Московском иняенерно-строителъном институте им.В.В Куйбыиева по адресу: . Иосква, Спартаковская улица, дом 2, аудитория 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Просим Вас принять участие в защите и направить Вам отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославское иоссе, 26, МИСЙ им. В.В.Куйбывева, Ученый совет..

автореферат разослан Ш5^!±£М993 г. N

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

Ученый секретарь специализированного совета

Н.Н.Араеневский.

- 3 -

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. К настоя*емд времени из богатеймего гидроэнергетического потенциала, которым обладает республика Кнргизстан, освоено около 3 2.

' Отсутствие в республике значимых месторождений нефти и природного газа, низкое качество и неблагоприятные экологические характеристики добываемых углей предопределяет в качестве приоритетного направленна развития ее энергетического потенциала освоение больжих запасов гидроэнергетических ресурсов.

В свази с этим для удовлетворения растущих потребностей государства, а также для подачи электроэнергии в другие регионы СНГ, на блиаайиую перспективу намечается строительство 18 ГЭС установленной хоцностьв 6.24 или. кВт ч со среднегодовой выработкой 16 млрд. Квт ч.

Бетонные гравитрционнне плотины вироко распространены во всем кире благодаря простоте конструкции л способов их возведения, надежности при любой их высоте, в любых природных условиях.

Опыт эксплуатации бетонных плотин на скальном основании показывает, что для них характерны аварии, связанные с нару-иением прочности на растяжение в зоне контакта плотины с основанием со стороны напорной грани.

Как показывавт натурные наблпдения, чаче и быстрее подвергается разрушении участки бетона, работающие на растяжение. Старение й разрушение бетона и скалы в зоне контакта обычно наблюдается при наличии контактной фильтрации, которая в свою очередь, обусловлена прекде всего раскрытием контакта плотина - основание.

Зчеными высказывается мнение, что проблема контакта бе-

тонных плотин 'с'жесткими скальными основаниями является сейчас одной из центральных тем в гидротехнической науке и что причины нарушений в этой зоне является фундаментальными и помимо проектных ошибок их следует искать в напрягенно-деформи-рованном состоянии системы плотина - основание - водохранилище.

Цель и задачи исследования. Цельв данной работы является разработка конструкции гравитационной бетонной плотины на скальном основании, позволяющей устранить зоны растягивающих напряяений на границе сопрякения плотины с основанием, что привело бы'к улучненив работоспособности системы плотина -основание - водохранилище.

Поставленная цель была реализована при помощи достияения следующих задач:

1). Обоснован и выбран наиболее приемлемый численный метод, позволявший быстро и эффективно решать дакнув задачу. При этом учитывалось «ирокое распространение в последнее время персональных ЭВМ и возможность их использования для речения задач этого типа.

2). На .основе выбранного численного метода разработаны программы расчета НДС гравитационной бетонной плотины на скальном основании в упругой постановке для плоской задачи,.

3). Исследована работоспособность предложенной конструкции гравитационной бетонной плотины на скальном основании.

4). С использованием математической теории планирования эксперимента получены математические модели площадей и величины растягивавщих напряжений в зоне контакта плотины с основанием под напорной граньо в зависимости от выбранных варьируемых переменных.

5). Проведен анализ и интерпретация полученных моделей и

выявлены оптимальные параметры разработанной конструкции.

Научная новизна работы заключается в том. что

1). Путем численных экспериментов доказана возможность и перспективность использования разработанной конструкции гравитационной бетонной плотины" на скальном основании для сниве- -ния растягивающих напряжений в зоне контакта напорной грани плотины с основанием.

2). Исследовано влияние вида основания, размеров и степени удаления полости от напорной грани плотины на эффективность работы предложенной конструкции.

Практическая значимость состоит во внедрении разработан-, ной конструкций в практику строительства и проектирования бетонных гравитационных плотин на скальном основании. Для этого разработаны вычислительные программы на языке "Fortran",

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложзны на IX Всесоюзной конференции по механике горных пород (Фрунзе, 1989), Мегвузовской научно-практической конференции (Фрунзе, 1990), III Меярегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Фрунзе, 1392). Юбилейной научной конференции, посвященной 60-летии образования Кыргызского сельскохозяйственного института им.К.И.Скрябина (Бишкек, 1992), научных конференциях профессорско-преподавательского состава Кыргызского СХИ (1989 - 1992).

Об"ем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка использованных источников. Общий об"ем работы 150 стр., в том числе 107 стр. машинописного текста, 35 стр. рисунков, 11 таблиц, 8 стр. литературы из 78 наименований.

На защиту выносится:

1. Новая конструкция гравитационной бетонной плотины на

- б -

скальной основании.

2. Исследования, на основании ксторнх были получены математические модели по определению площадей зон растяяения и величин растягивавших напряяений по горизонтальным и вертикальным плоцадкам в основании под напорной гранью плотины, их анализ и интерпретация.

3. Диаграммы для выбора глубины полости и ее удаления от напорной грани при фиксированных значениях отношений модулей деформации скального основания и тела плотины.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе дан краткий оозор основных типов гравитационных бетонных плотин на скальном основании. Рассмотрены пути их дальнейшего усовершенствования, которое в настоящее время развивается по двум направлениям:

1. упрощение технологии и использование индустриальных методов строительства, при которых максимально используются преимущества массовых работ; 2. упрощение, облегчение и разработка новых типов конструкций.

Как показывает анализ второго направления, большинство конструктивных решений, позволявших . снизить влияние отрицательного воздействия различных факторов на состояние области сопряяения плотины с основанием связано с усовершенствованием конструкции плотины. Основание при этом играет зачастую вспомогательную роль, например, для крепления анкеров и т.п.

В плане исключения сложных технических решений и упрощения технологии строительства целесообразным представляется направление» при котором перераспределение сил, воздействующих на систему плотина-основание-водохранилище, осуществляет-

ся путем внесения конструктивных изменений в основание, в результате которых создалось бы оптимальное распределение напряженно-деформированного состояния.

Обеспечение надежной безаварийней работы гидроузлов, особенно крупных, является одной из важнейших гадач гидротехнической науки и практики. В настоящее время по оценкам специалистов около 15 7. всех плотин в мире вызывает сомнение в отношении их надежности, а мелкие и серьезные аварии ежегодно происходят на 5 % существующих плотин.

Анализ данных о числе аварий плотин в зависимости от их конструкции и высоты говорит о том. что аЕарии на гравитационных плотинах в общем составляют около 14 У. и занимают второе место вслед за количеством аварий на земляных плотинах.

Аварии гравитационных бетонных плотин на скальных основаниях происходят примерно в 4 раза чаще, чем на нескальных.

Причины аварий, приводящих к ремонту современных плотин условно можно разбить на две группы: 1 - появление сквозных, сильно фильтрующих трещин от непроектных растягивающих напряжений температурного происхождения или напряжений от непредвиденных деформаций основания и береговых примыканий: 2 -трециннообразование в приконтактной зоне плотины и основания.

На сегодняшний день накоплены достаточно больиие материалы натурных наблюдений, проведены экспериментальные исследования по изучению влияния различных факторов на процесс разуплотнения основания в зоне его сопряжения с плотиной . Разуплотнение основания, сопровождающееся повышением фильтрации наблюдается как на территории СНГ ( Братская, Нсть-Ялимс-кэя. Саяно-Нушенская, Красноярская, Зейская, Курпсайскэя плотины ), так и в других странах. В результате возникает опасность аварии плотин, что влечет за собой эксплуатацию их

на пониненных напорах или проведение ремонтных работ.

И то и другое связано с огромными материальными потерями, как от недополучения электроэнергии, так и затрат на ре-монтно-восстановительные работы. Последние позволяет в настоящее время справиться с трещинами в пределах сооруаения. Задача же восстановления монолитности контакта плотины с основанием практически не реаена.

Во второй главе рассмотрен метод граничных элементов (МГЗ) и его использование для расчета НДС гравитационных плотин на скальном основании«..

В основе метода лехит зависимость мевду значениями искомых функций внутри рассматриваемой области и их значениями на границе, которая устанавливается переходом от дифференциальных уравнений к следующим из них интегральным соотношениям. Это приводит к замене дифференциальных уравнений, требующих нахондения неизвестных функций во всей области, на интегральные уравнения, в которых в виде неизвестных входят значения Функций только на границе области .

В настоящее время МГЗ получает все больнее применение и по степени использования встает в один ряд с методом конечных элементов с ЫКЭ1, который имеет наибольшее распространение в научно-исследовательской и инкенерной.практике. Это обусловлено рядом преимуществ МГЭ:

- уменьшение об"ема вычислений, связанное с тем. что дискретизируется не вся рассматриваемая область, а только ее граница:

- упрощение разбивки на элементы и сокращение времени на подготовку исходной информации;

- возмокность вычислять в линейных задачах значения искомых величин не только в узлах, но и любой внутренней точке

области;

- относительная простота и естественность контактных задач, в т,Ч; задач о трещинах, системах слоев и блоков.

В свои очередь. МКЭ в сравнении с МГЭ такке имеет преимущества:

- разревенность и симметричность матрицы:

- естественный охват задач с непрерывными или частыми изменениями свойств среды;

- больший набор средств для учета нелинейных эффектов в элементах об"ема среды.

Все это позволяет сделать вывод, что оптимальный путь дальнейшего развития МКЭ и МГЭ заключается в использовании достоинств каядого из них. Это мояно делать, применяя из имеющихся программ ККЗ и КГЗ те. которые болъие подходят к условиям конкретной задачи. Вторым способом об"единения их достоинств является создание специальных гибридных алгоритмов, совмещающих их идеи и комбинированные решения, когда в одной задаче используются МГЭ и МКЭ ( например, плотина дискретизи-руется элементами МГЗ, а основание - МКЭ ).

Лля расчета НДС гравитационных бетонных плотин на скальном основании нами были использованы две разновидности МГЗ -метод фиктивных нагрузок и метод разрывных смещений.

Была реиена тестовая задача, в которой НДС плотины высотой 94 м определялось МКЭ и МГЭ. Максимальные расховдения в определении напрякений не превышали 20 У..

Метод фиктивных нагрузок - это непрямой вариант, в котором роль неизвестных выполняет не реальные смещения или усилия в точках границы, а некоторые функции, не имеющие прямого физического смысла, называемые плотностями -потенциалов или Фиктивными нагрузками. Находя их из дискретного аналога гра-

ничных интегральных уравнений, подсчитывавтся величины, характеризующие напряженно-деформированное состояние внутри области. Относительно просто восстанавливаются и значения не заданных на границе физических величин.

На основе данного метода была составлена программа расчета НДС плотины и основания для разнородных материалов, находящихся в контакте и имеющих нарушения в виде трещин и разломов .

Программа написана на языке Fortran - IU и реализована для определения НДС в плоской постановке на ЭВМ ЕС-1045.

Численная модель задачи приведена на рис.1. Это гравитационная бетонная плотина высотой 110 метров на скальном основании, имеющем геологические нарушения в виде разлома и трещины, в которых находятся заполнители.

В основании гравитационной плотины устроены цементационная заЕеса и дренажная скваяина, которые также учитывались в расчетах НДС.

Система линейных уравнений для данной численной модели

выглядит следующим образом:

bl'-fasspi Ds +CsLi№

j«i j 'us

1&4 ' • 2Я5

v£ test's +Cnnpi)+f +cnnDii).

i-f(...,29J id

где Ь5- величина граничного значения касательной компоненты напряжений ¿5 или смещений 11$ С в зависимости от того, что именно задано ), Ьр- величина граничного, значения нормальной компоненты напрягений Оп или смещенийи.п. ^55 ■ ^п ; ^п! • ^пп ~ коэффициенты влияния, определяющие силу влияния на напряжения и перемещения в 1-м граничном элементе от действия фик-

тивных нагрузок Р^ и или разрывных смешений и в 1-и элементе.

Расчет проводился в вес.ть этапов. Первый этап заключался в расчете НДС от действия первой очереди возведения плотины ( Н = 40 м Разрезка плотины принята столбчатой. Второй этап - от наполнение водохранилища на высоту возведения первой очереди плотины. Третий этап - от возведения плотины яа всю высоту. Четвертый - от наполнения водохранилища до отметки 110 и . На пятом этапе в основании моделировался разлом, на вестом добавлялась тречина.

. Приведенная очередность расчета предусматривала выявление влияния перечисленных факторов на НДС плотины и' основания. На рис. 2,а показана картина распределения 6Х и 6у на четвертом этапе расчета, где явно выделяется зона растяжения. Она располагается под плотиной и распространяется в глубину основания. Ядро растянутой области концентрируется вокруг цементационной завесы.

Характер распределения пэремещений на четвертом этапе расчета показан на рис. 2,6.

Каких бы то ни было ярко выраженных аномалий в картине

Рис.3

перемещений нет. Наибольшие перемещения наблюдаются по сечению, проходящему по дну водохранилища, нижней грани плотины и дневной поверхности за плотиной. Максимальные значения и и и находятся на нижней грани плотины и составляют соответственно 0,095 м и 0.179 к.

На рис. З.а показана картина распределения ёх и 6у на жестом этапе расчета, из которой видно, что распределение напряжений<упримерно сохраняет характер четвертого этапа расчета, чего нельзя сказать о распределении При этом сохранилась и область растяжения, несколько изменив свою форму.

Перемещения на вестом этапе характеризуются явными разрывами смещений по геологическим разломам ( рис. З.б ).

Метод разрывных смещений трактуется по разному в зависимости от вида решаемых задач . Он близок к непрямому типу тем, что определяемы? здесь "разрывы смещений" сами по себе в плоских задачах, кроме задач о трещинах, не реализуатся и представляют собой некоторые фиктивные разрывы. Они могут рассматриваться как взаимные смещения границ двух изолированных друг от друга тел: данного тела и тела с теми же упругими свойствами, дополняющего его до бесконечной области без вырезов. При этом считается, что в соответствующих точках приложены равные по величине, но противополояшые- по направлению усилия. И наоборот, в задачах о трещинах в бесконечном пространстве метод разрывных смещений становится разновидностью прямого метода. Этому случаю отвечает полное сцепление двух рассмотренных выше тел. за исключением участков, соответству-бщих трещинам. Здесь разности смещений перестают быть фиктивными и приобретают смысл реальных взаимных смещений берегов трещин. В случае системы тел, которые взаимодействуют на гра-

ницах. разрывы смещений такке приобретавт физический смысл. Контакты рассматриваются как трещины, полностьв разделяющие тела, а условия взаимодействия связывают одинаковые усилия в общих точках границ с взаимными смещениями.

На основе непрямого метода разрывных смещений была составлена программа расчета НДС гравитационных бетонных плотин на скальном основании для разнородных материалов, находящихся в контакте, которая также учитывает поэтапность возведения плотины и наполнения водохранилища.

На рис. 4 показана численная модель гравитационной

бетонной плотины на скальном основании, где римскими цифрами за , в_ за

обозначены этапы расчета, система линейных уравнений для дан-

ной модели имеет следующий вт:

^ +СУУ„>

1=1..,155 (2)

"5 --¿<^5 +С$П°п)+1(С' -И >96

Ьп +СрпСп)

Обозначения здесь те ке^амые, что и в (1). Исходные данные для расчетов были приняты следующие. Рассматривалась плотина треугольного профиля с вертикальной напорной гранью высотой 110 метров, акриной подошвы 77 метров. Коэффициенты Пуассона для бетона и скального основания принимались соответственно 0,15 и 0,20. Модуль деформации бе-

тона тела плотины - 0.2-105НПа. скального основания -0,15-Ю5 МПа. средняя плотность бетона 2,4 т/м', глубина цементационной завесы 60 метров, толщина - 5 метров, модуль деформации тела завесы - 0,2-10 НПа, а расстояние ее от напорной грани плотины равнялось 10 метрам. Практически деформативные свойства основания равны свойствам йетока плотины.

Рассмотрено применение МГЗ к задачам наращивания ГТС на примере исследования напряженного состояния гравитационной бетонной плотины на скальном основании, возводимой двумя различными способами (столбчатая разрезка и послойная) .

В первом варианте плотина наращивалась в 3 слоя по высоте, во втором варианте принята столбчатая разрезка также з три этапа. В пределах каждого этапа в обоих вариантах возведение считалось мгновенный. После возведения каждой очереди плотины к ней прикладывалась дополнительное давление воды, заполнившей водохранилище на уровень, соответствующий возведению массива на предыдущем этапе ( в том числе и фильтрационное ). Собственный вес каждого вновь укладываемого слоя и столба действует на нижележащий массив как внешняя нагрузка.

Распределение напряжений по горизонтальным площадкам в различных"вариантах укладки бетона значительно отличается друг от друга.

В третьей глазе дается описание предложенного конструктивного элемента, выполненного в виде полости 1 в скальном основании 2, расположенной на некотором удалении от напорной грани плотины 3. В зависимости от состояния основания (наличие разломов, трещин и др.) стенки полости и поверхность основания от последней до напорной грани могут быть покрыты противофильтрационным материалом 4 (рис. 5).

М \£

Рис.5

В основе данной конструкции лежит задача такого перераспределения сил. воздействующих на систему плотина - основание, в результате которого снижаются растягивающие напряжения в зоне контакта плотины с основание*. Работает данная конструкция следующим образом. С началом наполнения водохранилища заполняется сообщающаяся с ним полость. При этом действие гидростатического давления заполнивией полость воды передается на основание плотины^ как бы "поднимая" последнее к подошве 'плотины. Величина давления определяется уровнем наполнения водохранилища и глубиной полости.

Для выявления характера работы предложенной конструкции, и определения оптимальных размеров глубины полости >1 ее удаления от напорной грани плотины был проведен численный эксперимент на основе рассмотренного выше КГЗ с использованием математической теории планирования экспериментов.

В проведенных экспериментах использовался ортогональный центральный композиционный план, получаемый путем добавления определенного количества звездных точек к ядру, образованному планом для линейной модели.

В системе бетонная плотина - скальное основание - водохранилище одной из основных проблем является проблема сопряжения плотины с основанием. В связи с тем, что бетон обладает свойствами,, во многом отличающимися от свойств скального мае-

- 17 -

сива, об"единить их в единое целое - очень слоаная задача.

Поведение любой системы оценивается по величине ее выходов 7 , образующих поле поведения системы.

Функции отклика данной системы могут быть построены по различным критериям оценки работоспособности плотины и основания. В качестве критериев могут выбираться площадь зоны расчетной области, подверженной растяжении, максимальные растягивающие напряжений в этой области, величина растягивающих напряжений в расчетной точке основания и т.д.

Площадь зоны растяжения, как показатель работоспособности основания и сооружения в общем дает достаточно об"ективную и полную информации. Но его практическое использование несколько затрудняется необходимостью тщательного построения зоны растяжения и определения ее площади. Поэтому для оценки работоспособности были рассмотрены и другие случаи. Применение в качестве функции отклика максимальных растягивающих напряжений имеет определенные неудобства, т.к. они в разных вариантах расчетов возникают в различных точках. Поэтому предпочтительнее оказалось выбрать для построения функции отклика напряжения в точке, где возникают в больиинстве вариантов максимальные растягивающие напряжения. Как показали проведенные расчеты, эта точка находится в основании. на расстоянии 5 м ниже места примыкания напорной грани к основанию. Окончательно сопоставлялись два критерия: площади растягивающих напряжений в расчетной области в зоне контакта плотины с основанием и возникающие растягивающие напряжения в выбранной точке.

Варьируемыми переменными были приняты отноиение модулей деформации основания и плотины Х1= Еос'н./Епл.. относительное удаление полости от напорной грани плотины Х2= !.уд./Нпл. и от-

- 1В -

носительная глцбина полости Ху= Нпол./Нпл.

После статистической обработки получены следующие урав- . нения регрессии:

= 3.335 + 0.162 X,- 0.323 Х2+ 0,332 Х3- 1,702 Х?+ 1,193 х|-- 0,391 Х3+ 0.438 ]ЦХ2- 0,321 Х,Х3- 0,208 Х2Х3 (3)

У/4) = 0.986 + 0,294 X,- 0,350 Х3- 0,450 0.467 х|-

- 0,510 Х3+ 0,125 Х,Х3+ 0,198 Х;,Х3 (4)

У3С8^ = 237,51 + 11,79 X,- 21,80 Х2+ 23.41 Х3- 121,22 84,23 Х*- 28,60 Х§+ 30.93 Х,Х2- 22,65 Х4Х3- 14.60 Х2Х3 (5)

У4(5х)- 306,66 + 87.14 Х<- 106.50 Х3- 137,61 Х?+ 144.87

- 156,10 38.71 Х(ХА+ 62,38 Х2Х3 Сб)

я

2,397 + 1.752 X,- 0,840 Х2- 0,400 Х3- 3.319 Х1 + + 1,194 х|- 2,227 Х^- 0.415 Х,Х2+ 0,298 Х^3 (7)

^>-4.929 - 0.257 Х,+ 0.378 Х2+ 0,808 Х3+ 1.929 xf+

+ 1,132 Х2+ 3.825 х|+ 0,104 Х^Х^- 0,829 Х2Х3 (8)

Ь^Ь 116,68 + 84.29 Хн- 40.31 Х2- 18,47 Х3- 163.57 Х?+

+ 59,12 109.41 ф 21.29 16.51 Х,Х3 . (9)

Ул(В>-596,71 - 30,08 Х,+ 46,74 Х2+ 98.77 Х5+ 236,41 Х,+

+ 135,97 х|* 462.83 Х3+ 17,58 Х,Х2- 97.02 Х2Х3 (10)

Полиномы (3...6) получены для случая устройства полости и основания от последней до плотины с противофильтрационным покрытием, а (7...10) - вез противофильтрационного покрытия. Используя ^зависимости (3...10), для каждого конкретного

случая, зная соотношение модулей упругости основания и платины, можно определить размеры-полости и ее удаления от напорной грани, при которых наблюдается.оптимальный режим работы сооружения с точки зрения возникновения наименьиих растягиая-щих напряжений в зоне контакта плотины с основанием.

Для более наглядного анализа напряженно-деформированного состояния полученные полиномы второй степени были приведены к каноническому виду, который позволяет упростить расчеты по оптимизации и систематизировать поверхности отклика.

Так, как расчеты по каноническому преобразованию уравнений очень трудоемки, была составлена программа "Kanon" для ПЭВМ IBM PS/AT .

По результатам расчетов для уравнений регрессии 13,4.7,8) получены соответствующие уравнения в каноническом виде.

Поверхности отклика (3,4,7) представляют собой двуполостные гиперболоида, а (8) - однополостный гиперболоид.

Более наглядное представление о закономерностях изменения функции отклика при варьировании факторов могут дать регулировочные диаграммы, построенные при двух переменных и одном фиксированном факторе.

Такие диаграммы в значительной степени облегчают интерпретацию результатов эксперимента, тем более, что в наием случае один из факторов - соотношение модулей упругости плотины и основания ) на практике всегда извествен и поэтому в расчетах может приниматься фиксированным, соответствующим данной конкретной ситуации.

Используя регулировочные диаграммы, можно оценить все возможные соотношения между факторами в зоне эксперимента для получения необходимого значения функции отклика.

- 20 -

В данном случае* при анализе трехфакторных моделей,, геометрически эта задача решается путем "сжатия" поверхности отклика по оси Xj i т.е. оси фиксированного фактора. В результате на плоскости с осями Х2 и Хз будут отображаться изолинии . функции отклика соответствующие пересечению поверхности отклика с плоскостями X, = const, проведенными через заданный *аг д X,.

Ввиду громоздкости и сложности вычислений расчеты выполнялись на ПЭВМ. По построенным диаграммам мовно выбрать любую комбинацию глубины полости ( ) и расстояние ее удаления от напорной грани ( Х2 ) при заданном соотноиении модулей деформации основания и плотины, которая обеспечивает требуемое значение функции отклика.

Поиск оптимальных условий сложных явлений, к которым относятся процессы возникновения и развития напряженно-деформированного состояния в теле и основании гравитационной бетонной плотины, осуществляется посредством локального изучения поверхности отклика по результатам небольшой серии опытов, поставленных в окрестностях исходной точки факторного пространства. 7

В нажем случае, когда осуществляется поиск оптимальных размеров полости, особенность заключается в том, что последние должны/обеспечить минимальные растягивающие напряжения в основании под напорной гранью плотины. Следовательно, задача поиска оптимума сводится здесь к нахождению минимума функций отклика, определяемых моделями (3,0,8).

Для режения данной задачи был использован диссоциативно - саговый метод, который заключается в разделении К - факторной модели на Н взаимосвязанных, квазиоднофакторных и ааговом анализе этда-моделей. После анализа модели первого вага най-

денная величина Xi opt , обеспечивающая оптимальное значение функции отклика, подставляетея в оставшиеся ( N - 1 ) модели и делается следующий ®аг.

Построены блок-схемы поиска оптимального решения для моделей (3,4.?,8).

На основе полиномиальных моделей, полученных в результате проведенного эксперимента, была оценена степень влияния каждого из переменных факторов, содержащихся в модели, на исследуемый процесс и проведено их ранжирование.

г

ОБЩ вывода.

1. В диссертации показано, что МГЭ позволяет при сохранении точности расчетов значительно снизить об"ем вычислений в связи с тем, что дискретизируется не вся рассматриваемая область, а только ее граница.

В результате время расчета НДС гравитационной бетонной плотины с учетом поэтапности возведения и наполнения водохранилища высотой 110 метров ( 8 этапов ) на ЭВМ IBM PS/AT 286 составляет порядка 30 минут.

2. Проанализированы две разновидности МГЭ; метод фиктивных нагрузок и метод разрывных смещений, С их использованием составлены программы расчета НДС гравитационной бетонной плотины на скальном основании в упругой постановке для плоской задачи. Данные программы учитывают разнородность материалов, находящихся в контакте; нарушения сплошности а плотине и основании; поэтапность возведения плотины и наполнения водохранилища.

Как показывают проведенные расчеты более приемлемым является метод разрывных смещений, т.к. при этом не требуется

дискретизации выделенного массива основания, что позволяет использовать для расчетов НДС с приемлемой точностью персональные ЭВМ типа IEM. Этот метод также более удобно применять там, где исследуются области с геологическими нарувениями и в случае системы тел, которые взаимодействуют на границах.

3. Рассмотрено применение НГЗ к задачам наращивания гидротехнических сооружений на примере исследования напряженного состояния гравитационной бетонной плотины на скальном основании. возводимой двумя различными способами (столбчатая разрезка и послойная).

Результаты проведенных расчетов показали значительное отличие распределения напряжений в различных вариантах укладки бетона.

Так, зона растягивающих напряжений ёу при послойной укладке примерно в два раза меные, чем при столбчатой, а пло-чадь проникновения этой зоны в плотину меньше почти в три раза. Правая граница зоны растяжения при послойной укладке не доходит до цементационной завесы, а при столбчатой распространяется за нее на 6 метров. Никняя граница этой зоны эо втором случае на 15 метров .ниже и достигает глубины 36 метров от подошвы плотины.

При этом максимальное растягивающее напряжение ¿у под напорной гцанью плотины в этом случае также имеет более высокое значение и достигает 0,67 ИПа против 0,43 МПа при послойной укладке.

4. Для повышения надежности гравитационной бетонной плотины на скальном основании предложен конструктивный элемент в виде полости в основании, располовенной на некотором удалении от напорной грани плотины (B.c. N 1751259). В зависимости от состояния основания (наличие разломов, трещин и др.) стенки

полости и поверхность основания.от последней до напорной грани ногут быть покрыты противофильграционныы материалам.

5. Применение предложенной конструкции позволяет в значительной мере снизить, а в некоторых случаях и полностью устранить область растяжения в зоне контакта плотины с основанием под напорной гранью. Это доказывают полученные аналитические зависимости, позволявшие определить относительные параметры плотины, основания, полости и ее удаления от напорной грани, при которых достигается снижение растягивающих напряжений в основании под напорной гранью плотины.

6. Анализ работа бетонной гравитационной плотины на скальном основании с предложенным конструктивным элементом показал, что более эффективно работает конструкция без проти-вофильтрационного покрытия.

В пределах принятого в данной работе факторного пространства наилучпее распределение напряженного состояния достигается в случае использования полости с покрытием при относительной глубине полости Н пол./ Н пл. = 0,137: относительном удалении полости от напорной грани Ь уд./ Н пл. = = 0,086; соотношении модулей деформации скального основания Е осн./ Е пл. = 0,25. Эти же величины для полости без проти-зофильтрационного покрытия равны: Н-пол./ Н пл. = 0,082 ; I уд./ Н пл. - 0,077,* Е осн./ Е пл. = 0,25.

7. Произведена оценка степени влияния факторов на функции откликов. Проведено их ранжирование при стабилизации в зонах максимума и минимуиа, которое показало, что наибольяее влияние на возникновение растягивающих напряжений ¿у оказывает соотношение модулей деформации основания и плотины (Х^). Ранжирование в случае покрытия полости противофильтрационннм материалом при стабилизации в зонах максимума и минимума дает

одинаковне рядн:дУ(Х<) >дУ(Хг) >ДУ(Х3). При использовании полости без покрытия ряды, полученные в итоге ранжирования при стабилизации в зоне максимума д Y(Xj) >дУ(Хг) >дУ(Хд) и минимума aYcX^ >дУ(Х3) >д\(Х2) имеют разный вид.

Максимальное влияние на напряжения ¿х оказывает относительная глубина полости (Х3). При зтом в результате ранжирования для обеих разновидностей конструкции (с покрытием и без него) в зонах максимума и минимума получается один и тот же рядд ¥сХ3Э >aYCXi) >дУ(Х2).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Чукин Б.А.. Тлеужанов М.Й., Чердаков H.A.. Гисс P.E. Использование методов граничных элементов при расчете напряженно-деформированного состояния оснований гидротехнических сооружений. 7 Механика горных склонов, откосов и подземных сооружений. Освоение подземного пространства ( Материалы IX Всесоюзной конференции по механике горных пород ). Фрунзе.: Илим. 1990. с. 126 - 134.

2. Чердаков П.А., Чукин Б.А. Гравитационная плотина.Ав-торское свидетельство N 1751259. Опубл. в Б.И.. 19S2, N 28.

3. Чукин Б.А.-, г Чердаков П.А. Применение метода граничных интегральных уравнений для ревения задач устойчивости гидротехнических сооружений. / Вклад молодых ученых и специалистов в научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве ( Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции ). Фрунзе. 1990. Часть 11!. с. 36 - 38.

4. Чердаков П.А., Чукин Б.й. Оптимизация конструкции гравитационной бетонной плотины на скальном основании. / Тезисы докладов юбилейной научной конференции, посвященной 60-летию образования Кыргызского сельскохозяйственного института им.К.К.Скрябина. Бишкек.1992. Часть III. с. 32 - 34.

- 25 -

5. Чукин Б.Й., Чердаков П.й. О пути снижения растягивающих напряжений в зоне контакта гравитационной бетонной плотина на скальном основании. / Проблемы научного обеспечения повышения эффективности сельскохозяйственного производства.

( Тезисы докладов III межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 60 -летига образования Кыргызского сельскохозяйственного института им. К.И. Скрябина ). Бишкек. 1992. Часть III. с. И - 12.

6. Чукин 5. А., Чердаков П.А.. Яунусоа A.A. Использование метода граничных элементов в задачах наращивания гидротехнических сооружений. / Тезисы докладов юбилейной научной конференции, посвященной 60-летив образования Кыргызского сельскохозяйственного института им.К.И.Скрябина. Бишкек.1992. Часть III. с. 28 - 30.