Совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин

Андреев, Евгений Владимирович

Гидротехническое строительство

автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин

кандидата технических наук: Андреев, Евгений Владимирович
город: Москва
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.23.07
цена: 450 рублей

Диссертация по строительству на тему «Совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин»

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин"

На правах рукописи

АНДРЕЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ НИЗКОНАПОРНЫХ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 МАЙ 2013

005059354

Москва 2013

005059354

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП) на кафедре «Основания и фундаменты, строительство и экспертиза объектов недвижимости».

Научный руководитель: Жарницкий Валерий Яковлевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Шайтанов Владимир Яковлевич

доктор технических наук, профессор, Президент Ассоциации «Гидропроект»

Букреев Вениамин Петрович

кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений» (ОАО НИИЭС)

Защита диссертации состоится «20» мая 2013 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д220.045.02 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, корп. 1, ауд. 1/201 (тел./факс +7 499 9761046, website: www.msuee.nj; e-mail: mailbox@msuee.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО МГУП. Автореферат размещен на официальном сайте Министерства образования и науки РФ vak2.ed.gov.ru и выслан на адрес электронной почты referat_vak@obrnadzor.gov.ru

Автореферат разослан г.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Из общего числа гидротехнических сооружений, поднадзорных Росприроднадзору и Ростехнадзору, продекларированы и включены в Российский регистр гидротехнических сооружений (ГТС) около 8 тыс. сооружений. Срок эксплуатации большинства ГТС составляет от 20 до 50 лет, а сооружений мелиоративного назначения - 40 лет; средний процент износа водоподпорных ГТС составляет 50 %, а их аварийность превысила среднемировой показатель в 2,5 раза, ущерб от которых достигает миллиарды рублей.

Низконапорные грунтовые плотины (НГП) представляют собой наиболее распространенный класс сооружений, однако в силу разных причин этим плотинам не уделяется достаточного внимания в плане обеспечения и поддержания эксплуатационной безопасности. Вероятность их разрушения выросла в период перестройки экономики, ликвидации некоторых органов управления водным хозяйством и, как следствие, с отсутствием «собственника» у некоторых объектов. Кроме того безопасность НГП снизилась в связи с отсутствием у большинства из них проектной и исполнительной документации, а также данных за период эксплуатации, что затрудняет устанавливать категорию технического состояния и оценивать безопасность грунтового сооружения.

Обеспечение и повышение надежности гидротехнических сооружений невозможны без изучения конкретных причин, приводящих к их повреждению или разрушению. В этой связи разработка или совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности (безопасности) низконапорных грунтовых плотин является задачей объективно необходимой, т.к. существующие методы для средне- и высоконапорных плотин являются весьма дорогостоящими, трудоёмкими и требующими учёта большого перечня критериев оценки их состояния, которые не все могут быть предпочтительными и даже определимы для низконапорных грунтовых сооружений. Поэтому тема диссертационной работы может быть признана актуальной.

Цель и задачи исследований. Целью данной работы является совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин и методов оперативного определения строительных показателей грунтов в теле сооружения на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих

задач:

• оптимизировать критерии технического состояния низконапорных грунтовых плотин на основе результатов инструментального обследования эксплуатируемых сооружений;

• разработать метод оценки показателя эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин на основе результатов анализа существующих методов оценки надежности и математических моделей, описывающих процессы разрушения в сложных системах;

• разработать программный комплекс по расчету показателя

эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин и рекомендации по проведению наблюдений за плотинами, попадающих в группу риска на основании экспертного заключения;

• разработать оперативные методы определения строительных геотехнических показателей глинистых грунтов (показателей стандартного уплотнения грунтов, прочности, водопроницаемости) на основе корреляционно-регрессивного анализа экспериментальных данных, позволяющего учитывать межфакторные связи в грунтах;

• выполнить тестирование разработанных методов оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин и оперативного определения строительных показателей грунтов на основе сравнения результатов расчетов и экспериментального обследования.

Научная новизна результатов исследований заключается в разработке:

- метода оценки показателя эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин по ряду критериев, учитывающих как неоднородность и нелинейность физико-механических свойств грунтов плотины, так и различные скрытые факторы оказывающие влияние на геометрическую целостность и устойчивость сооружения;

- методов оперативного определения строительных геотехнических показателей глинистых фунтов на основе установленных квалификационных показателей, представляющих собой совокупность известных, периодически контролируемых и достаточно легко определяемых показателей физических свойств, объединенных в один модуль и являющихся многофакторными критериями состояния грунтов в уплотненном состоянии;

программно-алгоритмического обеспечения по расчету показателя эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин и для решения задачи по многокритериальной оптимизации методов оценки строительных геотехнических показателей грунтов в теле сооружения, в частности, оперативных и стандартных.

Практическая значимость работы. Разработанные в рамках настоящей работы методы, расчетные зависимости и программно-алгоритмическое обеспечение ориентированы на их использовании в практике эксплуатации низконапорных грунтовых плотин. Внедрение полученных результатов в гидротехническую практику позволит не только повысить обоснованность и оперативность в оценке технического состояния и эксплуатационной безопасности низконапорных грунтовых плотин, но и сократит стоимость и сроки проведения таких работ.

Апробация_работы. Основные результаты работы докладывались: на

Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения», г. Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 2011г.; на Международной (8-ой Всероссийской) научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Новые инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации», г. Коломна, 2011г.; на Международной научно-технической конференции «Управление рисками в условиях глобализации - 2010», г. Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 2010г.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5-ти научных статьях, в том числе в 4-х журналах, рекомендованных ВАК РФ, общим объёмом 3,4 п.л.

Структура н объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Материалы диссертации изложены на 211 страницах машинописного текста, содержат 27 рисунков и 18 таблиц. Список использованной литературы включает 167 наименований, в том числе 22 - иностранных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, отмечена её научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведена информация о структуре диссертации и апробации ряда её результатов.

В первой главе выполнен анализ состояния низконапорных грунтовых плотин (НГП) на основе отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и существующих методов оценки надежности напорных грунтовых сооружений.

Для того чтобы оценить проблему состояния низконапорных грунтовых плотин, проанализированы работы таких ученых, исследователей и практиков как Каганова Г.М., Волкова В.И., Малаханова В.В., Волынова М.А., Голубковой В.А., Финогенова О.М., Алтунина В.И., Черных О.Н., Жарницкого В.Я. и многих других ученых, а также ведущих организаций ВНИИГ им. Веденеева, Гидропроекта, региональных служб технического надзора. Указывается, что в отличие от плотин более высокого класса, где на всех этапах их жизни (изыскания, проектирования, строительства и эксплуатации) ведётся многократный, периодический и надлежащий контроль, аварии и повреждения низконапорных грунтовых плотин происходят гораздо чаще из-за снижения требований и качества на этапах их строительства и эксплуатации. Кроме того, тенденция роста аварий на плотинах IV класса объясняется и тем, что требования к безопасности 30-60 лет назад не учитывали экстремальные природные и техногенные факторы, возникающие в настоящее время всё чаще. Наряду с указанными причинами, существует ряд факторов, характерных в большей степени в настоящее время только для России и стран СНГ и относящихся к разряду социально-политических и экономических: превышение нормативных сроков эксплуатации; запаздывание или отсутствие профилактических ремонтов в связи с финансовыми трудностями; эксплуатация гидротехнических сооружений в нерасчетных режимах;

ликвидация некоторых органов управления водным хозяйством и в связи с отсутствием «собственника» у некоторых сооружений и многое другое. Приводится анализ состояния сооружений IV класса по уровню безопасности в соответствии с Российским регистром ГТС, по степени опасности для территорий нижнего бьефа, по виду требуемого ремонта и неудовлетворительному состоянию в зависимости от года строительства и срока службы.

В июле и августе 2010 г. нами были проведены инструментальные обследования 2-х низконапорных грунтовых плотин в Ярославской области: плотина № 1 - Н= 5,7м; пос. Ефимьево (рис. 1); плотина № 2 - Н= 7,1м; пос. Берендеево (рис. 2). По данным сооружениям не имелось никакой исходной информации, т.е. проектная, исполнительная документация, как и информация, связанная с эксплуатацией грунтовых плотин отсутствовали. По результатам выполненных обмерных работ были установлены геометрия профиля, заложение откосов и высота плотин, а также конструктивные решения по устройству дренажа в нижнем бьефе. Для установления типа и вида грунтового материала, использованного для возведения плотин, а также его уплотненности в теле сооружений и, как следствие, строительных геотехнических показателей грунтов (деформационно-прочностных и водопроницаемости) по трём створам в каждом сооружении разбуривались скважины (три скважины в каждом створе - по оси гребня; в верховом и низовом откосах) с отбором образцов фунта нарушенной и ненарушенной структуры через 0,5 м. Результаты обследований выявили зоны недоуплотнения грунтов в теле сооружений: для плотины №1 ¿com=80...85% - зона 1, £сога=85...90% - зона 2. Для плотины №2 ¿сшп=82...86% -зона 1, fcconi=86...90% - зона 2, icom=90...94% - зона 3. Показатели прочности грунта по высоте плотины изменялись: для плотины №1 С=18,5кПа - зона 1, С=28,7кПа - зона 2. <p,(tg<p) = 11,6 град. (0,205) - зона 1, <p,(tg<p) -16,0 град. (0,290) - зона 2. Для плотины №2 С=18,5кПа - зона 1, С=31,1кПа -зона 2, С=ЗЗкПа - зона 3.(p,(tgcp) = 14,5 град. (0,254) - зона 1, (p,(tg<P) = 17,2град. (0,309) - зона 2, <p,(tg<p) = 18,Оград. (0,325) - зона 3, показатель водопроницаемости варьировал: для плотины №1 кф = 12-10"7см/сек - зона 1, кф = 8,7-10" см/сек - зона 2; для плотины №2 кф = 16,8- 10"7см/сек - зона 1, кф = 9,4-10"7см/сек - зона 2, кф = 8,1-10"7см/сек - зона 3. В итоге категория технического состояния плотины №1 была оценена как неудовлетворительное, а плотины №2 - как опасное.

Для оценки теории и практики существующих методов и расчетов надежности и безопасности гидротехнических сооружений рассмотрены работы таких ученых как В.В. Болотина, К. Капура, П.Л. Клемяционка, С.А. Корпела, А. П. Кудзиса, J1. Лаберсона, М. Майера, В.В. Михеева, В. Д. Райзера, А. Р. Ржаницина, А. П. Синицына, Н.С. Стрелецкого, Н.Ф. Хоциалова, А. М. Фройденталя, Д. Аугусти, А.Б. Барата, Б. И. Беляева, А.Н. Бирбраева, И.И. Кандаурова, Ф. Кашиати, В.Д. Костюкова, Б.Е. Кочеткова, Б.П. Макарова, Н.Р. Моргенштерна, H.H. Складнева, Б.И. Снарскиса, Ю.Д. Сухова, С.А. Тимашева, П. И. Яковлева и других. Непосредственное использование вероятностных методов в расчетах надежности гидротехнических сооружений и их оснований

освещено в трудах Ц. Е. Мирцхулавы, Т.С. Астраховой, Т. А. Бохуа, В. Н. Бухарцева, Г. А. Воробьева, Г. К. Габричидзе, Т.В. Гавриленко, Э.Г. Газиева, H.H. Гераськина, М. И. Гогоберидзе, И. Н. Иващенко, Н. А. Исханяна, В.Н. Кирьянова, С.М. Левиной, А. В. Львова, В.М. Лятхера, B.C. Пепояна, В.М. Придорогина, Л.Н. Рассказова, В.И. Речицкого, Л. А. Уварова, О. М. Финагенова, О. И. Флориной, Г. И. Чоговадзе, В.И. Шейнина, A.B. Школы, В.Б. Штильмана, С.Г. Шульмана, К. Бари, П. Боккотги, Е. Ванмарке, С. Вика, Т. By, Г. Кройцера, Л. Лакаса, Ж. Маринье, Р. Приша, Ж. Серафима, А. Сильвейра, Р. Стюарта, К. Стюарта, К. Уитта, М. Харра, К. Хойега и других.

На основе достоинств, недостатков и условий применения проанализированы методы оценки эксплуатационной надежности гидросооружений, в том числе: метод, основанный на построении имитационных моделей; метод, основанный на решении задачи идентификации параметров модели; метод оценки риска аварии МЧС РФ; метод оценки риска аварии Государственного комитета РФ по строительству и жилищно-коммунальному комплексу; метод сценарного подхода к оценке вероятности аварий на плотинах (метод деревьев событий и деревьев отказов).

Анализ состояния низконапорных грунтовых плотин и существующих методов оценки надежности сооружений, результаты экспериментального обследования аналогичных сооружений в Ярославской области показали, что низконапорные грунтовые плотины требуют особого подхода к оценке эксплуатационной надежное™ на основе инструментальной диагностики, изучения конкретных причин, приводящих к их повреждению или разрушению, установлению факторов, оценивающих риск аварий и повреждений, а главное имели преимущество перед существующими методами, в таких аспектах как достоверность, быстродействие, экономическая выгода и простота использования. Это позволило сформулировать цель исследований и определить задачи для её достижения.

Во второй главе приведены подходы к математическому обоснованию оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин, на основе анализа которых, в рамках задач данного исследования, выделяются как наиболее перспективные вероятностные методы, однако их преимущества не вполне очевидны без понимания особой природы грунтов, в том числе как строительного материала. Чем выше дисперсия свойств грунтов основания и грунтовых сооружений, тем ниже их надежность, которая в количественном измерении определяется как вероятность безотказной работы системы в течение заданного интервала времени. Таким образом, система характеристик грунтов (СХГ) становится значимым надежностным системным параметром (рис. 3) для аттестации данных грунтовых сооружений.

Модель эксплуатационной надёжности плотины построена на допущении, что разрушение плотины происходит по стохастическому механизму, для описания которого применены подходы:

• возникновение очагов опасных дефектов имеет непредсказуемый

характер в плане локализации по телу плотины;

• с точки зрения теоретического обоснования модели может быть использован принцип динамической неустойчивости грунтов по Вознесенскому, согласно которому вероятность неустойчивости грунтов зависит от свойств грунтов, характера воздействия на грунт (амплитуда, частота и др.) и влажности;

• идея Жарницкого В.Я. о возможности решения задачи вероятностной оценки деформации тела грунтовой плотины с помощью метода статистического исследования грунта (эмпирического распределения коэффициента уплотнения грунта). Эта идея и принята для оценки эксплуатационной надёжности плотин.

В предлагаемом нами подходе к оценке эксплуатационной надежности в качестве контрольного параметра принимается коэффициент уплотнения грунта, характеризующий процесс консолидации фунта - основной технологический предел. Внешние воздействия приводят к достижению грунтами определенного уровня консолидации, и характеристики уплотненного грунта могут служить интегральным параметром по совокупности воздействий.

В основе расчетного метода лежит рабочая гипотеза - чем выше доля недоуплотненных грунтов в составе НГП, тем ниже эксплуатационная надежность плотины. К недоуплотненным грунтам относятся те, для которых значение kconi ниже проектных требований. Для определения доли неуплотненных грунтов в НГП применяется вероятностный анализ, где ксот, определяется из соотношения

If . — Pdi п\

n-comi —' „ VU

Pdmaxi

здесь pdi - ПЛОТНОСТЬ сухого грунта уложенного В тело плотины; Pd,max~ максимальная плотность сухого грунта, которая может быть достигнута при уплотнении.

При строительстве плотины требуется соблюдение условия

kcom.i — ксот.проектл (2)

где kcomi - коэффициент (степень) уплотнения грунта в теле плотины (определяется по вышеуказанной формуле); ксот щтскт - значение, устанавливаемое проектом в зависимости от класса сооружения, действующих нагрузок, вида и состава грунтов и т.п.

Поскольку проверку состояния плотины рекомендуется проводить периодически, то результаты наблюдений можно использовать для построения регрессионных моделей изменения параметров, характеризующих надежность плотины. Причем эти регрессионные модели предлагается использовать для построения прогнозов состояния плотины на некотором интервале времени, что позволяет оценивать время безотказной работы и заблаговременно планировать мероприятия по ремонту плотины.

Алгоритм прогнозирования состояния низконапорной грунтовой плотины, при наличии данных наблюдений по объекту, представляется следующим:

1. пусть имеется ряд наблюдений параметров состояния плотины за несколько лет;

2. вычисляются значения критериев Кобщ и их стандартные отклонения, соответствующие указанным моментам времени;

3. вычисляются коэффициенты линейной регрессии и оценивается её качество по критерию Фишера;

4. строятся интервальные оценки прогнозируемых значений и определяется момент времени, при котором значение критерия Ко(т окажется внутри доверительного интервала.

Реализация вышеприведенного алгоритма выполняется с помощью разработанного программного модуля, написанного на языке ФОРТРАН-90.

При отсутствии данных наблюдений по объекту, представляется необходимым введение следующих критериальных оценок (показателей):

• кип - безразмерный показатель, характеризующий степень исполнения проектных требований

кг т ксит.1 / ксит проект. (3)

В случае кип < 1 можно говорить о неполном исполнении проектных требований.

• кб„агР - коэффициент безопасности (надёжности) по нагрузке фунтовой плотины (уточняется по имеющимся результатам обследования низконапорных ¡рунтовых плотин и лежит в интервале кйиагр > 1... 1,2 в зависимости от условий эксплуатации). В нашей работе предлагается использовать нормированный коэффициент безопасности

Г _ ^б.нагр.

"•б.нагр. — 12 • (4)

• ку, - коэффициент, учитывающий неполный перечень показателей и точность их определения для оценки эксплуатационной надёжности низконапорных грунтовых плотин. Предполагается, что ку будет меняться от 0,6 до 0,9, причем последнее его значение будет отвечать максимальной надежности.

На основании обработки экспериментальных данных по деформационному изменению тела и основания плотины вводятся следующие показатели:

• кдт т - коэффициент деформации тела плотины

—

Д.Т.ПЛ. ^

1, при 5д.тпл.е[0 < 0,25]; 0,96, при 5лт.пл.с[0,25 < 0,5]; 0,81, при 5дт пл.е[0,5 < 0,75]; (5)

к 0,75, при 5д.тл]л.б[> 0,75].

где 5дт1Ш i - фактическая величина осадки тела плотины, м;

кд.осн.пл. - коэффициент деформации (осадки) основания плотины:

^д.осн.пл. — / ч (6)

|>1

где - фактическая величина осадки основания тела плотины, м; пр -проектная величина осадки основания тела плотины, м;

• коб.уст.отк — коэффициент (степень) обеспеченности устойчивости откоса:

коб.уст.отк. ~ куст.откл / куст.отк.пр.> (7)

где куст. отк. г фактическое значение устойчивости откоса; куСт откпр. — проектное значение устойчивости откоса. Значение к0&уст 0тк принимается равным

(1, при к > 1,2; 0,96, при ке[ 1,15; 1,2];

0,81, при ке[ 1,05; 1,15]; (8)

0,75, прике[ 1; 1,05].

Как результат обобщения вводится интегральный показатель

Кэм — ^кцл, кб.Нагр., ку, т пл _ к() 0Сп т ! к0& уСт отк),

меняющийся от 0,75 до 1 и характеризующий категорию технического состояния плотины

~ д/^ип ' ^б.нагр. ' ^у ' ^д.т.пл. ' ^-д.осн.пл. ' ^об.уст.отк,- (9)

В расчётах каждому коэффициенту присваивается индивидуальный индекс:

Кэм *К0бщ , кКП >к/; к§ НЗГр ку *кз; кД Т ПЛ ; кД ОСн пл- &0б.уст.отк

Для определения итогового показателя надежности НГП разработана методика оценки уровня безопасности (надёжности) НГП в безразмерной (бальной) шкале. Экспертной комиссией первоначально рассматриваются и уточняются отдельные элементы НГП, и выделенные критерии по которым будет определяться обобщённый коэффициент характеризующий надёжность работы рассматриваемой НГП.

Для каждого критерия, из «к» принятых отдельных элементов или функциональных особенностей НГП, членами экспертной комиссии устанавливается оценка, характеризующая надёжность данного критерия, после

чего выполняется поэтапное уточнение полученной системы экспертных оценок. Мера согласованности мнений экспертов и установление причины несовпадения суждений оценивается коэффициентом согласованности мнений экспертов (коэффициентом конкордации), который определяется из соотношения

и/ — 125

где 5 = £ 82 — сумма квадратов отклонений; п - число членов экспертной комиссии; т - число рассматриваемых элементов (критериев) по которым определяется значение надёжности её функционирования.

Считается, что согласованность мнений вполне достаточна, если коэффициент конкордации IV > 0,5; При значении И/ = 0,2... 0,45 целесообразно проводить уточнение экспертных оценок и повторить экспертизу.

Затем выполняется ранжирование рассматриваемых элементов (критериев) по их значимости, т.е. введение коэффициентов весомости по их вкладу в обеспечение надёжности функционирования Н1Т1. В результате по всем элементам имеется система коэффициентов весомости Вф, /?ф2....#фп (по сто бальной шкале).

Итоговый показатель надёжности НГП в соответствии с предложенной моделью рассчитывается с помощью интегрального коэффициента КоГж„, который вычисляется как сумма произведений отдельных средних экспертных оценок (по критериям) на коэффициенты их весомости

к _ к1Вф1+к2Вф2+к3Вфз+,'<4Вф4+к5Вф5+;с6Вф6

0бЩ' Вф1+Яф2+Вфз+Вф4+Вф6 ■ ( '

Алгоритмы вычисления качественных характеристик уровня безопасности НГП реализованы нами в разработанной программе «ОПЭН-4», составленной на алгоритмическом языке «Фортран 90».

Далее в главе приводятся рекомендации по проведению наблюдений за плотинами, попадающих в группу риска на основании экспертного заключения. В качестве математической модели, позволяющей прогнозировать эксплуатационную надёжность НГ П, предлагается рассматривать совокупность элементов НГП как стохастическую систему, состоящую из N отдельных элементов, в которых возникают аварийные события под действием внешних факторов и вследствие изменения характеристик свойств отдельных элементов плотины во время эксплуатации. В этом случае надёжность в данной системе определяется Л и /- характеристиками, где А- характеристика - интенсивность возникновения аварийных событий в НГП и /- характеристика - частота возникновения аварийных событий в системе НГП. В соответствии с предложенной расчётной моделью представим, что на промежутках времени имеют место аварийные события Дп1 ... Дпт (рис. 4). Тогда в соответствии с принимаемой моделью расчёта можно рассчитать интенсивность и частоту аварийных событий в системе НГП на каждом временном интервале ( Дт;). Предложенная стохастическая модель может быть

использована для прогнозирования интенсивности и частоты аварийных событий путём расчёта вероятности нахождения значений Ли f в определённом задаваемом интервале значений:

Р(А < Л < В) = / Р(АМЛ = \ [Ф1 (Ь^) - Ф2 (12)

р(с < / < о) = / р(/)й/ = I [Ф1 _ ф2 (13)

где А и С - нижняя задаваемая граница интервала, а В и £> - верхняя граница интервала значений прогнозируемой интенсивности и частоты развития аварийных событий в системе низконапорных грунтовых плотин; и Ф2 -функции Лапласа, определяющие значения интеграла вероятности.

В рамках 2-й главы разработаны мероприятия по оповещению населённых пунктов и хозяйств, расположенных в зоне затопления и планирование заблаговременных мероприятий по предотвращению чрезвычайных ситуаций.

Третья глава посвящена разработке методов оперативного определения строительных показателей фунтов, уложенных в тело плотины.

В практике геотехнических опробований грунтов, как и для инженерно-геологических прогнозов, расчетов и обоснований особенно важным при определении строительных параметров грунтов является принцип косвенной их оценки по основным физическим показателям с помощью несложных математических уравнений, позволяющих быстро оценивать влияние на результат изменения характеристик грунтов, входящих в эти формулы.

Грунты относятся к природным образованиям, где взаимное влияние компонентов велико. Поэтому задача возможности разработки тех или иных связей для описания важнейшего свойства грунтов, как их изменчивость может осуществляться по двум направлениям:

1. теоретическое обоснование типа распределения с позиции физической сущности модели грунта, в описании которой используется рассматриваемый показатель;

2. перебор статистических моделей и оценка каждой из них с точки зрения соответствия опытным данным по рассматриваемому гэказателю.

Безусловно, предпочтителен первый подход. Но из-за отсутствия на сегодняшний день удовлетворительного теоретического обоснования распределения показателей свойств грунтов, его реализация затруднена. Поэтому разработка оперативных методов определения показателей свойств грунтов можно выполнять в рамках второго подхода, где статистический аспект надежности является определяющим.

Важнейшим условием выполнения данного этапа является правильная оценка свойств грунтов, которые предназначаются в качестве индикационных и в значительной степени достоверно характеризующих интересующие нас строительные параметры. Можно установить ряд квалификационных показателей (модулей) грунтов, представляющих собой совокупность

индикационных показателей и имеющих корреляционную связь с устанавливаемыми строительными параметрами.

Изучение и установление корреляционных связей для оперативного определения интересующих нас строительных показателей грунтов сводится:

1. к изучению однородности представленных данных к решению вопроса о применении предлагаемого метода (проверка условия однородности, условий применения используемых в математическом обеспечении теорем);

2. к определению наиболее точной модели зависимости строительных параметров грунтов от принятых вариантов их комплексных (квалификационных) показателей, зависящих от значений выборок;

3. к установлению тесноты связи между значениями, полученными предлагаемым методом оперативного определения геотехнического показателя грунта и результатами стандартного инструментального метода.

Поскольку корреляционная связь является статистической, первым условием её изучения является общее условие всякого статистического исследования: наличие данных по достаточно большой совокупности явлений. Если число наблюдений значительно больше числа факторов, то с увеличением объема выборки вероятность появления больших ошибок, уменьшаются, т.е. чем больше обследуется единиц, тем меньше будет величина расхождений выборочных и генеральных характеристик. Таким образом, получение более точных оценок параметров будет тем надежнее, чем больше элементов выборки мы будем рассматривать. Математическое обоснование процедуры построения функциональной зависимости строительных параметров от комплексных показателей, являющихся результатами алгебраических преобразований производимых над статистическим данными исследования грунтов, представляется следующим: пусть П,, х,), х^, Хп) - зафиксированные

значения пары (значення комплексного показателя, значение строительного параметра), при этом значения комплексного показателя вычислены по статистическим данным, значение параметра наблюдаемы при этих статистических данных. Функция х = х(1) - искомая зависимость параметра х от комплексного показателя /. Вид этих функций выбирается из некоторого класса функций, содержащих линейные, логарифмические, степенные, экспоненциальные и полиномиальные функции. Выбор наиболее адекватной (лучшей) модели квалификационного показателя (модуля) производится сравнением значений коэффициента детерминации (Л2). Чем ближе к 1 коэффициент детерминации, тем точнее моделирование признака (квалификационного показателя) и, следовательно, данная зависимость может быть рекомендована для практического использования.

Для иллюстрации качества оценивания параметров используется графическое представление корреляционной связи в виде линии эмпирической регрессии, которая составляется из точек, где абсциссами являются значения признака-фактора, полученные стандартным инструментальным методом, а ординатами - значения признака-результата, полученные предложенным методом оперативного определения геотехнического показателя фунта. Эмпирическая линия регрессии будет отражать основную тенденцию

рассматриваемой зависимости. При подтверждении гипотезы линейности считают, что разработанный метод не имеет иных ошибок, кроме случайных. Следует заметить, относительные погрешности в практических сравнениях характеризуются значениями порядка 5...15%, в зависимости от характера величины.

Оперативное определение параметров стандартного уплотнения ip,i„„ru Wnpt). Глинистые грунты при уплотнении ведут себя не как скопление мельчайших минеральных частиц, а как скопление комочков-агрегатов, покрытых оболочками связанной воды. Количество связанной воды зависит от дисперсности и минералогического состава. В зависимости от минералогического состава изменяется интенсивность адсорбционной способности, что обусловливает соответствующую толщину молекулярных оболочек, а в зависимости от толщины оболочек и величины удельной поверхности грунт имеет соответствующее количество молекулярной воды в единице объема фунта. Этим и объясняется основное различие в уплотнении глин, суглинков и супесей.

При уплотнении грунта происходит изменение соотношения между объемами частиц и поровой воды в единице объема грунта. Оптимально уплотненный грунт представляет собой плотную массу, в которой поры заполнены физически связанной водой.

Из двух пределов пластичности (WL и WР) методически более объективным, точным и правильным есть верхний предел пластичности (Wl), так как является весьма чувствительным свойством глинистых грунтов, что представляется важным в решении задачи, по ускоренному определению показателей стандартного уплотнения глинистых грунтов.

При постоянной энергии уплотнения, как показывают экспериментальные данные по ГОСТ 22733-77 (А = 9 кг см/см3), чем больше верхний предел пластичности (Wi), тем больше величина оптимальной влажности и меньше максимальная плотность скелета. Очевидно, что чем больше влажность на границе текучести грунта, тем больше его дисперсность и влаги в виде связанной воды, соответственно, тем значительная часть энергии уплотнения затрачивается на деформирование адсорбированных слоев при переупаковке частиц грунта.

Исследование корреляции pdmax = Цр^О для глинистых фунтов четвертичного возраста показало наличие тесной связи между указанными показателями (рис. 5), которая аппроксимируется уравнением

Pdmax = 2,19- 0,93 -ln[ps x/J г/см3 (14)

где ps — плотность частиц глинистого фунта; /£ = (Wop(-Wp )/1р — показатель текучести глинистого фунта: здесь /¡> = WL-Wp — число пластичности глинистого фунта : здесь Wi и WP - соответственно влажность на фанице текучести и раскатывания глинистого фунта.

Исследование корреляции Wopt = f(eL) для глинистых фунтов четвертичного возраста также показало наличие тесной связи (рис. 6) между указанными показателями, аппроксимирующейся уравнением

1Уор1 = 18,96 - 20,53 ■ 1п(ео, %

(15)

где е£ — (Ра-\У])/рм - - коэффициент пористости грунта,

соответствующий влажности на границе текучести; - плотность воды; IV, - влажность на границе текучести.

Логарифмический характер полученных эмпирических зависимостей (14) и (15) объясняется не только результатом обработки широкого диапазона показателя (от 32 до 60%) глинистого грунта четвертичного возраста, но и многофакторностью установленных квалификационных показателей.

Корректность полученных решений подтверждается данными сравнения (рис.7 и 8) расчетных значений показателей стандартного уплотнения фунта с экспериментальными (по ГОСТ 22733-77): относительная пофешность в результатах сравнения не превысила 6%.

Таким образом, по известным или уточненным показателям глинистого фунта рц и ¡¥ь, используя уравнения (14) и (15) с достаточной для практических целей точностью можно оперативно установить показатели стандартного уплотнения глинистого грунта (/>„.,„,„ и IV,,,,,), соответствующие лабораторному испытанию по ГОСТ 22733-77 (при А = 9 кг-см/см3).

Оперативное определение показателей прочности ((гФ и С). Сопротивление сдвигу глинистых фунтов - более сложное явление, чем несвязных фунтов, обусловленное самой их природой. Частицы глинистых минералов обладают способностью притягиваться друг к другу под влиянием молекулярных сил. Сближению частиц препятствуют окружающие их водно-коллоидные пленки. Водно-коллоидные пленки, находясь под влиянием сил притяжения к поверхности частиц и сливаясь между собой, создают своеобразную вязкую среду, в которую пофужены более крупные частицы. Эта вязкая среда обладает сопротивлением сдвигу. Сопротивление глинистых фунтов повышается по мере уменьшения толщины водно-коллоидных пленок или снижения дисперсности фунта. Переводя в практическую плоскость - сопротивление глинистых фунтов сдвигу зависит от минерального и гранулометрического состава, сложения (нарушенного или ненарушенного), плотности, влажности и условий проведения экспериментов.

Условия предельного сопротивления сдвигу при прямом (плоском) срезе распространяются на общий случай оценки прочности фунтов. Поэтому в практике геотехнического опробования при обследовании напорных фунтовых сооружений показатели прочности «<р» и «С» глинистых фунтов устанавливаются методом консолидированно-дренированного среза предварительно уплотненных (не менее, чем при трех вертикальных давлениях) водонасыщенных образцов в одноплоскостных срезных приборах.

Поведение глинистых фунтов в естественных условиях зависит от ряда факторов, таких, как структура материала, присутствия микротрещин, анизотропия, слоистость и консолидация и т.п. Все это является причиной большого разброса данных и затрудняет установление общих законов прочности глинистых фунтов. Образцы фунтов нарушенной структуры

обладают большим постоянством свойств, так как при разрушении природной структуры в процессе его уплотнения в теле сооружения глинистый материал становится достаточно однородным, что предполагает установление общих закономерностей, в частности, параметров прочности от физических показателей грунтов или их комбинаций (модулей).

Глинистый грунт, уложенный в тело плотины, представляет собой плотную массу, в которой поры заполнены связанной водой. Количество связанной воды в единице объема грунта зависит от величины удельной поверхности и минералогического состава. Если параметр уплотнения глинистого материала в слое можно представить через коэффициент пористости [е = (pJpL¡) - /], то его физико-химическая особенность, пусть даже косвенно, может быть представлена через плотность частиц фунта (д) и верхний предел пластичности (W¿) в виде коэффициента пористости грунта, соответствующего влажности WL, т.е. eL = (ps-W,)/pw.

Исследование корреляции между параметрами прочности фунта (tgtp и Q и конструкциями квалификационных показателей (e¿/e), ipje,) и (pd-w¡) для глинистых фунтов четвертичного возраста в диапазоне WL от 32 до 60% при степени уплотнения kc„m > 96%, модуль «e¿/e» показал лучшие результаты по связи с показателями прочности, которая выражается соответствующими уравнениями (рис. 9 и 10):

tg<p = 0,23 + 0,33 ■ln(eL/e); (16)

С= 12,18-е0,507(е'-/е),кПа. (17)

Установленный квалификационный показатель «eL/e» является многофакторным критерием состояния глинистого фунта, объективно отражающим физическую сущность его прочности после уплотнения. Лучшими показателями прочности, что соответствует увеличению отношения «e¿/е», обладают те, которые имеют большую степень уплотнения. Это делает его удобным для использования при текущем геотехническом освидетельствовании напорных фунтовых сооружений.

Учитывая возможную разницу между фактическим уплотнением фунта в теле сооружения и уплотнением образцов фунта при лабораторно-экспериментальных исследованиях, в уравнения 16 и 17 вводится поправочный коэффициент (кс = ксот/0,9б, где kcom¡ - фактическая степень уплотнения фунта в теле плотины), устраняющий это несоответствие, т.е.

tg<p = [0,23 + 0,33-ln(eL/e)]-k.c; (18)

С = [12,18-е°'5,(е'/е>]-кс, кПа. (19)

Полученные решения по оперативному определению показателей tg<p и С для уплотненного глинистого материала находят подтверждение в результатах сравнения (рис. 11 и 12) с данными стандартных (по ГОСТ 12248-96) лабораторных экспериментов: максимальная относительная пофешность в результатах сравнения не превысила 12,5%.

Таким образом, имея параметры укладки грунта в сооружении (р; IV; рй) и уточняя (при необходимости) значения А и 1¥ь используя уравнения (18 и 19) можно с достаточной для практических задач геотехнического освидетельствования точностью определять прочностные характеристики уплотненного глинистого грунта, соответствующие лабораторному консолидированно-дренированному сдвигу предварительно водонасыщенных и уплотненных образцов по ГОСТ 12248-96.

Оперативное определение показателя водопроницаемости (Ц. В практике геотехнического освидетельствования при обследовании грунтовых напорных сооружений, где глинистые грунты используются как строительный материал, приходится иметь дело с движением воды под влиянием силы тяжести, обуславливающей разность напоров, т.е. с фильтрацией воды и её количественным показателем. Благодаря простоте феноменологической модели Дарси фильтрация количественно описывается одним показателем -коэффициентом фильтрации (кг), который в геотехническом опробовании является важным параметром, определяющим качество устроенного сооружения по водопроницаемости.

В глинистых фунтах в гравитационном движении воды не участвует не только площадь, занятая частицами, но и площадь, приходящаяся на оболочки связанной воды. При одних и тех же значениях градиента напора и вязкости воды водопроницаемость зависит от размера и характера пор, через которые движется вода. Глинистые фунты, несмотря на свою высокую пористость в естественном сложении, с точки зрения гравитационного движения воды, являются слабопроницаемыми, т. к. значительная часть воды присутствует в них в виде связанной или иммобилизованной. Поры (узкие проходы между частицами) глинистого грунта заполнены связанной водой, защемляющей в более крупных порах свободную воду, образуя как бы пробки, которые препятствуют возникновению фильтрации. И только при достижении некоторой разности напора преодолевается внутреннее сопротивление глинистого фунта движению воды и начинается фильтрация.

В производственных условиях для конкретного уложенного в насыпь слоя глинистого фунта испытания водопроницаемости монолитных образцов наиболее просто, надежно и с достаточной для практических целей точностью осуществлять по известной схеме испытания на фильтрационной установке., позволяющей определять коэффициент фильтрации без учета влияния нагрузки при неизменном в процессе испытания объеме образца и при постоянном напорном фадиенге.

Глинистый грунт, уложенный с уплотнением в тело плотины, представляет собой плотную массу, в которой поры заполнены физически связанной водой. Чем больше связанной воды в фунте, тем меньше их водопроницаемость. Количество связанной воды зависит от величины удельной поверхности и минерального состава глинистого грунта или, по-другому, от интенсивности адсорбционной способности фунта. Следовательно, коэффициент фильтрации уложенного в насыпь фунта будет определяться степенью его уплотненности, фансоставом и глинистостью.

Для установления метода оперативного определения коэффициента фильтрации уплотненного глинистого грунта четвертичного возраста в диапазоне от 32 до 60% использовались результаты определения водопроницаемости образцов уплотненного глинистого грунта с фиксированным содержанием частиц менее 5мм (ш<5мм), которые вырезались из кернов, доставляемых с объектов обследования, или приготавливались при оптимальной плотности-влажности.

Исследование корреляции между коэффициентом фильтрации (ку) и принятыми к изучению квалификационными показателями глинистого грунта, конструкция квалификационного модуля «е/(т<5-е1.)» показала лучшие результаты по связи с показателем водопроницаемости (к/), которая аппроксимируется уравнением вида (рис. 13)

кг = 13,49-[е/(т<уе[) ]1,7хЮ'\ см/с (20)

где е - коэффициент пористости уплотненного в сооружении грунта [е = (р5/рй) - 1 ]; бл = (д Иу/р* — коэффициент пористости грунта соответствующий влажности на границе текучести (И^); т<5 - содержание в пробе грунта частиц размером менее 5мм, отн.ед.

Установленный квалификационный показатель «е/(т<5-е[)» является многофакторным критерием состояния глинистого грунта, объективно отражающим физическую сущность его водопроницаемости в плотине: при одной и той же степени уплотнения и одинаковом гранулометрическом составе глинистых фунтов меньшей водопроницаемостью, что соответствует уменьшению показателя «е/(т<_уе^)», обладают те, которые имеют большую глинистость. Это делает его удобным для использования при геотехническом освидетельствовании напорных фунтовых сооружений.

Учитывая возможную разницу между фактическим уплотнением фунта в теле сооружения и уплотнением образцов фунта при лабораторно-экспериментальных исследованиях, в уравнение 20 вводится поправочный коэффициент (к'с =0,96/ксот„ где ксот, - фактическая степень уплотнения фунта в теле плотины), устраняющий это несоответствие, т.е.

кг = [13,49 -[е/(т<5 -в])]11?х1(Г7]-к'с, ™/с (21)

Полученная зависимость по оперативному определению показателя водопроницаемости уплотненного глинистого материала находит подтверждение в данных сравнения с результатами лабораторных экспериментов (рис. 14): максимальная относительная пофешность в результатах сравнения не превышает 12,7%.

Четвертая глава посвящена обоснованию экономической эффективности внедрения научно-технической разработки. В решении задачи по выбору наилучшего метода определения геотехнических показателей при исследовании надежности фунтовых плотин были сформированы критерии (с1-точность определения параметров; Т- время, необходимое для проведения исследований; С- финансовые затраты; Ы- потребность в оборудовании),

вычислены значения этих критериев для каждого метода, выполнено ранжирование по Парето и для мажорирующего класса решена задача методом взаимных уступок при ограничении на значение с1 (таблица 1).

№ . п/п Показатель Стандартная методика Разработанная методика ,

1 <1 0,0001 0,0005

2 С, руб. 680283 159390

3 Т, дни 15 1

4 N. ед. 6 2

предложенная методика по оперативному установлению строительных геотехнических показателей грунтов предпочтительнее стандартной по второму, третьему и четвертому критериям, а по первому не уступает стандартной методике.

Разработанная методика обеспечивает экономию финансовых затрат приблизительно в 4 раза, сокращает время проведения исследований более, чем в 10 раз, требует использования меньшего количества оборудования и численности участвующих в исследовании сотрудников. При этом точность полученных результатов не уступает данным по стандартной методике.

При решении задачи по многокритериальной оптимизации создана расчётная программа с использованием алгоритмического языка «Фортран 90».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ состояния низконапорных грунтовых плотин, вследствие нарушений в процессе эксплуатации или его отсутствия, износа отдельных элементов сооружений, отсутствия проектной документации, ненадлежащего контроля за безопасностью и отсутствия собственников у некоторых из них, показывает, что они также представляют собой объекты повышенной опасности - в случае аварий ущерб может иметь комплексный характер: экономический; социальный и экологический.

2. Экспериментальные исследования низконапорных грунтовых плотин в силу своих особенностей и специфики подтвердили необходимость особого подхода при сборе и обработке информации обследования: вариативность физико-механических свойств грунта в теле сооружения; накапливание эксплуатационных дефектов; возможные изменения эксплуатационных нагрузок и воздействий на подпорное сооружение, которые могут стать критическими для ослабленного тела плотины. Это свидетельствует о необходимости специального подхода к оценке эксплуатационной надежности на основе инструментальной диагностики, изучения конкретных причин, приводящих к их повреждению или разрушению, установлению факторов, оценивающих риск аварий и повреждений, а главное имели преимущество перед существующими методами, созданными для больших и уникальных объектов, в таких аспектах как объективность, достоверность, быстродействие, экономическая выгода и простота использования.

3. Установлено, что при традиционном подходе к моделированию надежности грунтовых плотин принципиальные трудности возникают уже на стадии физического моделирования, предшествующего расчетным процедурам и математическому моделированию. Сформулированы принципы описания эксплуатационной надежности низконапорных плотин и методы её оценки, базирующиеся на исследовании статистических и вероятностных закономерностей грунтовых сред в составе грунтового сооружения по установленным показателям (критериям). Разработаны математическая модель и метод оценки эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин, где вероятностный статистический подход является эффективным инструментом в решении поставленной задачи.

4. Разработаны рекомендации по проведению мониторинга за низконапорными грунтовыми плотинами (НГП), попадающие в группу риска на основании экспертного заключения, позволяющего рассматривать совокупность элементов НГП как стохастическую систему, состоящую из отдельных элементов, в которых возникают аварийные события под действием внешних факторов и вследствие изменения характеристик свойств отдельных элементов плотины во время эксплуатации.

5. На основании корреляционно-регрессивного анализа экспериментальных данных глинистых грунтов, позволяющего учитывать межфакторные связи в грунтах, разработаны квалификационные показатели глинистых грунтов, представляющие собой совокупность известных, периодически контролируемых и достаточно легко определяемых показателей физических свойств, объединенных в один модуль и являющиеся многофакторными критериями состояния грунтов в уплотненном состоянии, что делает их удобными для оперативного определения таких геотехнических показателей, как параметры стандартного уплотнения (д; тах и 1Уор1), прочности и С) и водопроницаемости (¿у).

6. Экономическая целесообразность разработанной методики оперативного установления строительных геотехнических показателей грунтов подтверждена результатами решения многокритериальной задачи оптимизации, использующей метод ранжирования по Паретто и метод взаимных уступок.

7. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение по расчету показателя эксплуатационной надежности низконапорных гоунтовых плотин и многокритериальной оптимизации методов оценки строительных геотехнических показателей грунтов в теле сооружения, которые нашли своё практическое применение, что подтверждается соответствующим Актом о внедрении.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК РФ 1. Андреев Е.В. Особенности влияния неэксплуатационных динамических нагрузок на гидротехнические сооружения [Текст] / В.Я., Жарницкий, Е.В.

Андреев // Научная статья. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - М., 2012-. - Двухмес,- ISSN 0536-101Х. 2012, № 5. - с.25-29.

2. Андреев Е.В. Принципы формализации в построении математической модели оценки надежности низконапорных грунтовых плотин [Текст] / В.Я., Жарницкий, Е.В. Андреев // Научная статья. Природообустройство: научно-практич. журн. - М., 2012-. - Двухмес,- ISSN 1997-6011. 2012, № 4. - с.39-44.

3. Андреев Е.В. Проблемы эксплуатационной надежности и безопасности грунтовых плотин [Текст] / В .Я., Жарницкий, Е.В. Андреев // Научная статья. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - М., 2013-. - Двухмес,- ISSN 0536-101Х. 2013, № 1. - с.42-47.

4. Андреев Е.В. Принципы мониторинга технического состояния низкоиапорных грунтовых плотин, попадающих в группу риска на основании экспертного заключения [Текст] / В.Я., Жарницкий, Е.В. Андреев // Научная статья. Природообустройство: научно-практич. журн. - М., 2013-. - Двухмес - ISSN 1997-6011. 2013, № 1. - с.38-42.

Научные работы, опубликованные в других изданиях: 1. Андреев Е.В. Методический подход к оценке надежности объектов оперативного оборудования театра военных действий [Текст] / Е.В. Андреев // Научная статья. Научный сборник №40 «Вопросы прогностики». - М., 2012,5стр. {для служебного пользования).

Зоны

К сот ,[%}

СДкПА]

Кф, [см/сек] пхЮ-7

Зоно 1

80 .85

11.6 (0,205!

Зона 2

85 90

16 (0,290)

Таблица* Значения ¡ризико-меканичегкик йойшЬ групщоб по зонап

йота обследования Н07 20Юг. ЯпослаЬгкг.я пілость пЕйимьрЛп. Материал плотины суглинок 1р=Ю-12%

Пропечание

і Масштаб Ьертикальнай шкалы эпяры осадок принят м 1 ю

Рис. 1. Плотина № 1: Н- 5,7м; Ярославская область, ГІереславский район, пос. Ефимьево

Зоны

Ксош,|%|

ф.^дф)!"!

С.ІкПА]

КФ,1о</гек1 пхЮ-7

Зона 1,

14.5 (0,254)

Зона 2

86....90

17,2 (0,309)

Зона 3

90 94

18,0 (0,325!

Т-г.ооо

Зпюм осаЭок осноЬания плотины

М 1:200

Примечание

і Масштаб вертикальной шкалы эпюры осадок принят М 1.10

Таблица 1 Значения физико-механических сбоисшЬ груншоЬпо зонан

Дата обследования Ю,08.20Юг Ярославская область п Ьеоендеебо На тєриа л плотины суглинок 1р= ¡4 -15%

Рис. 2. Плотина № 2: II - 7,1м; Ярославская область, Переславский район, пос. Берендеев

'¡ядвжвост гр;.нта

■ Си^ішїадрактерисіїжНіГГІ

Статистнчесвй анализ харзстериякк '' • НГП' ' . :

Рис. 3. Структурная схема формирования системы характеристик НГП

Г(время) - ►

Дтг Дт2 Дт3 Дт4 Дт5 Рис.4. Количество возникающих аварийных событий ... Апт на соответствующих временных интервалах времени Дт1...Дтт

Рс! тах,

г7смг К! = 3,8-958-

(Р5ХІі ), г/см3

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 Рис. 5. Зависимость рдтах = Цр5-1))

35 ЗО 25 20 15 10

Wopt>°/

R2 = 0 821 * J

♦ > «яг ♦ ♦ ;

(е,)

0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Рис. 6. Зависимость Wopt = {(eL)

Pdmax по формуле 14, г/см3

1,76 1,74 /

R" = 0 ,98 5

/ /

Образцы фунта, отобранные из обследуемых фунтовых плотин ■X

1,68 1,66 1.64 1,62 1.6 1.58

Обра зцы карь ернс го грунта

/ *

1.58 1,6 1.62 1.61 1.6f

1.7 1.72 1.74 1,76 1,78

Рлпах по ГОСТ 22733-77, г/см3 Рис.7. Сравнение результатов максимальной плотности сухого грунта по результатам лабораторного и оперативного определения

\У„р1 по формуле 15, %

Образцы карьерного фунта

R = 0,964

Образцы грунта, отобранные из обследуемых грунтовых плотин

14 1Б 18 20 22 24 То

Wopt по ГОСТ 22733-77, % Рис. 8. Сравнение результатов оптимальной влажности глинистого грунта по результатам лабораторного и оперативного определения

0,49 0,47 0,45 0,43 0,41 0,39 0,37

Я2 = 0 882 ^

Ф -.....-

-і- —— -

.....-А

♦ (сі_/с)

1,4 1,6 1,8 2

Рис. 9. Зависимость =/(ві/е)

2,2

1,6 1,8 2 Рис. 10. Зависимость С = 1(еі/е)

tg(p по формуле 18

/ / /

Образцы карьерного грунта

0,4 -0,3 ♦ —* /

Л2=0,9 19 / / / \

Образцы грунта, отобранные из обследуемых грунтовых плотин

0,5 [16

tg(pm ГОСТ 12248-96 Рис. 11. Сравнение значений 1%<р для уплотненных глинистых грунтов по результатам лабораторного и оперативного определения

¿и ЗО 40 45 50 56

С, кПа по ГОСТ 12248-96

Рис. 12. Сравнение значений удельного сцепления уплотненного глинистого грунта по результатам лабораторного и оперативного определения

8 6 4 2 0

кр пхЮ"7 см/сек

Я2 = 0,967

1 і І- [е/(т 5-еО]

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Рис. 13. Зависимость к/ =/[е/(т<і • в/)]

кй пх 10"7см/сек (по формуле 21)

Образцы карьерного фунта

»,939

Образцы фунта, отобранные из обследуемых фунтовых плотин

1 15 2 25 3 35

кь пх10"7см/сек (эксперимент) Рис. 14. Сопоставление значений коэффициента фильтрации уплотненного глинистого грунта по результатам экспериментов и оперативного определения

Московский государственный университет природообустройства (МГУП) Подписано в печать: 25 марта 2013г. Зак№ 202 Тираж 100

Текст работы Андреев, Евгений Владимирович, диссертация по теме Гидротехническое строительство

ФГБОУ ВПО

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА»

04201356218 На ПраВаХ РУкописи

АНДРЕЕВ Евгений Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ НИЗКОНАПОРНЫХ

ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН

Специальность 05.23.07 - Гидротехническое строительство

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Жарницкий Валерий Яковлевич

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение........................................................................................................................................................................4

Глава 1. Состояние исследуемого вопроса 8

1.1. Анализ состояния низконапорных грунтовых плотин..................................................8

1.2. Анализ существующих методов оценки надежности сооружений..............23

1.2.1. Основные понятия и развитие теории надежности................................................23

1.2.2.Методы оценки надёжности сооружений........................................................................31

Выводы по главе..................................................................................................................................................62

Глава 2. Разработка математической модели и метода оценки 64 эксплуатационной надёжности низконапорных грунтовых плотин

2.1. Подходы к математическому обоснованию оценки эксплуатационной надежности......................................................................................................................................................................64

2.2. Система характеристик и свойств грунтов..........................................................................72

2.3. Разработка математической модели и метода расчёта эксплуатационной надёжности низконапорных грунтовых плотин (НГП) 77 2.3.1. Расчетный алгоритм оценки надежности на основе регрессионной модели...................................................................................... 79

2.4. Рекомендации по проведению наблюдений за плотинами,

попадающих в группу риска на основании экспертного заключения....... 96

2.4.1. Разработка мероприятий по оповещению населённых пунктов и хозяйств, расположенных в зоне затопления и планирование заблаговременных мероприятий по предотвращению ЧС....................

Выводы по главе.......................................................................... 108

Глава 3. Разработка методов оперативного определения строительных показателей грунтов, уложенных в тело плотины 111

3.1. Методологическое обоснование оперативного определения строительных показателей грунтов................................................... 112

3.2. Метод оперативного определения показателей стандартного уплотнения глинистого грунта....................................................... 115

3.3. Метод оперативного определения показателей прочности глинистого

122

грунта....................................................................................... ^

3.4. Метод оперативного определения показателя водопроницаемости

129

уплотненного глинистого грунта...................................................... 7

Выводы по главе........................................................................... I37

Глава 4. Экономическая эффективность внедрения научно-

технической разработки

4.1. Выбор метода с назначением качественных критериев................... 138

4.2. Точность определения параметров................................................ 139

4.3. Финансовые затраты................................................................. 143

4.4. Время, необходимое для проведения исследований................................................144

4.5. Потребность в оборудовании......................................................................................................146

4.6. Многокритериальная задача оптимизации......................................................................147

Выводы по главе....................................................................................................................................................150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151

ЛИТЕРАТУРА 154

ПРИЛОЖЕНИЯ 170

Приложение 1..........................................................................................................................................................171

Приложение 2..........................................................................................................................................................189

Приложение 3..........................................................................................................................................................192

Приложение 4..........................................................................................................................................................207

Приложение 5..........................................................................................................................................................211

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Конец прошлого и начало нынешнего столетий охарактеризовались опасным ростом количества и масштабов различных аварий и катастроф, неблагоприятным проявлением стихийных природных процессов, увеличением риска повреждений и разрушений экологически опасных сооружений. Все эти события провоцируют возникновение чрезвычайных ситуаций, приводят к постоянному увеличению пострадавших и росту прямых и косвенных ущербов [79].

В настоящее время в России по данным Министерства природных ресурсов зарегистрировано около 30 тыс. водоподпорных гидротехнических сооружений (ГТС). Из них более 80 % составляют грунтовые плотины. В государственной собственности находится 7500 сооружений, из которых более 800 сооружений - плотины водохранилищных гидроузлов, 1875 -накопители жидких отходов. Из общего числа гидротехнических сооружений, поднадзорных Росприроднадзору и Ростехнадзору, продекларированы и включены в Российский регистр ГТС около 8 тыс. сооружений. Срок эксплуатации большинства ГТС составляет от 20 до 50 лет, а сооружений мелиоративного назначения - 40 лет; средний процент износа водоподпорных ГТС составляет 50 %, а их аварийность превысила среднемировой показатель в 2,5 раза; ежегодно на них происходит до 60 аварий, ущерб от которых доходит до 10 млрд. руб. [64;79].

затрудняет устанавливать категорию технического состояния и оценивать безопасность грунтового сооружения.

Обеспечение и повышение надежности гидротехнических сооружений невозможны без изучения конкретных причин, приводящих к их повреждению или разрушению. В этой связи разработка или совершенствование методов оценки эксплуатационной надежности (безопасности) низконапорных грунтовых плотин является задачей объективно необходимой, т.к. существующие методы для средне- и высоконапорных плотин являются весьма дорогостоящими, трудоёмкими и требующими учёта большого перечня критериев оценки их состояния, которые не все могут быть предпочтительными для низконапорных грунтовых сооружений. Поэтому тема диссертационной работы может быть признана актуальной.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

• разработать программный комплекс по расчету показателя эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин и рекомендации по проведению наблюдений за плотинами, попадающих в

группу риска на основании экспертного заключения;

Научная новизна результатов исследований заключается в разработке: - метода оценки показателя эксплуатационной надежности низконапорных грунтовых плотин по ряду критериев, учитывающих как неоднородность и нелинейность физико-механических свойств грунтов плотины, так и различные скрытые факторы оказывающие влияние на геометрическую целостность и устойчивость сооружения;

методов оперативного определения строительных геотехнических показателей глинистых грунтов на основе установленных квалификационных показателей, представляющих собой совокупность известных, периодически контролируемых и достаточно легко определяемых показателей физических свойств, объединенных в один модуль и являющихся многофакторными критериями состояния грунтов в уплотненном состоянии;

низконапорных грунтовых плотин. Внедрение полученных результатов в гидротехническую практику позволит не только повысить обоснованность и оперативность в оценке технического состояния и эксплуатационной безопасности низконапорных грунтовых плотин, но и сократит стоимость и сроки проведения таких работ.

Достоверность результатов, полученных в работе. Подтверждена значительным объёмом полевых (натурных), лабораторных и теоретических материалов, полученных и проанализированных автором в ходе выполнения диссертационной работы, апробированными положениями, принятыми в теоретических исследованиях, удовлетворительной сходимостью полученных результатов с лабораторными и данными натурных наблюдений, установленных в ходе инструментального обследования низконапорных грунтовых плотин, актами о внедрении результатов исследования. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения», г. Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 2011г.; на Международной (8-ой Всероссийской) научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Новые инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации», г. Коломна, 2011г.; на Международной научно-технической конференции «Управление рисками в условиях глобализации - 2010», г. Москва, ФГБОУ ВПО МГУП, 2010г.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Материалы диссертации изложены на 211 страницах машинописного текста, содержат 27 рисунков и 18 таблиц. Список использованной литературы включает 167 наименований, в том числе 22 - иностранных авторов.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА 1.1. Анализ состояния низконапорных грунтовых плотин

На территории России эксплуатируется несколько десятков тысяч грунтовых плотин и других гидротехнических сооружений III и IV классов, у которых за последние десятилетия риск аварий существенно возрос из-за нарушений в процессе эксплуатации или его отсутствия, износа отдельных элементов (узлов) сооружений и оборудования, отсутствия проектной документации, надлежащего контроля за безопасностью и, что особенно вызывает тревогу, отсутствия собственников у некоторых из них. Это происходит из-за сокращения объемов финансирования, нарушения периодичности текущих, профилактических и капитальных ремонтно-восстановительных работ, сокращения штатов эксплуатационных служб и ряда других причин [1].

Плотины из грунтовых материалов, представляющие собой основной элемент напорного фронта гидроузлов, являются основным источником потенциальной опасности. При их возможном нарушении территории нижнего бьефа с населенными пунктами, объектами народного хозяйства, историческими памятниками и т.п. попадают в зону возможного затопления и могут быть повреждены или разрушены.

В отличие от плотин более высокого класса, где на всех этапах их эксплуатации (изыскания, проектирования, строительства и эксплуатации) ведётся многократный, периодический и надлежащий контроль, аварии и повреждения низконапорных грунтовых плотин происходят гораздо чаще из-за снижения требований и качества на этапах их строительства и эксплуатации. Кроме того, тенденция роста аварий на плотинах IV класса объясняется и тем, что требования к безопасности 30-60 лет назад не учитывали экстремальные природные и техногенные факторы, возникающие в настоящее время всё чаще и дополнительные нагрузки на те же элементы сооружений.

Существует много классификаций причин аварий, повреждений и разрушений грунтовых плотин. Так, по данным [143]: 40...50 % аварий вызваны ошибками при проектировании; 20 % - ошибками при производстве; 30 % - нарушениями условий эксплуатации; 5...7 % - износом несущих конструкций.

Анализ мирового опыта эксплуатации грунтовых плотин (/77) [99; 103; 143; 166; 153; 167] показывает, что 29 % всех аварий произошли за счёт сосредоточенной фильтрации в теле плотины, через основание и вдоль сопрягающих устройств; 15 % - из-за перелива воды через гребень и недостаточной пропускной способности водосбросных сооружений.

Большинство факторов проявляют себя наиболее интенсивно в первые 5...10 лет эксплуатации. Через 40...60 лет эксплуатации доминируют такие факторы, как химическая суффозия, коррозия, выветривание и др. [143].

Распределение аварий в зависимости от типа плотин и их класса (для 77 = 5ч-15м; 15ч-30м; 30ч-50м и 50ч-100м) показывает, что основная их доля приходится на грунтовые плотины IV-класса (Н= 5-И 5м) [18; 164].

Анализ распределения аварий (повреждения и разрушения) в зависимости от типа плотин и локализации повреждений в сооружении, бесспорно, свидетельствует о том, что преобладающая часть аварий произошла на /77 - 77% от общего числа рассмотренных случаев. Из них 25% - приходится на основание, 38% - на тело плотины, 9% - на водосбросные или водосливные сооружения и 5% - на разные другие части плотин [143].

В 2002 году (рис. 1.1 и 1.2) проводилось обследование для установления причин появления продольной трещины расположенной практически по оси гребня плотины «Эль Apoye» (Сирия, 7/=14м) [52; 55]. Выполненные дополнительные наблюдения, расчёты и анализ режима работы водохранилища показали, что появление трещины является следствием быстрой сработай водохранилища. После сработай воды в верхнем бьефе некоторый объём воды, в силу свойств глинистого материала плотины, все

По мнению ряда специалистов, основными ошибками, приводящими к трещинообразованию, нарушению фильтрационной прочности в теле плотин, к некачественному сопряжению системы «плотина-основание» можно считать:

- недостаточную глубину геологических и гидрогеологических изысканий и расчётов плотин при их проектировании [38; 157];

- неправильный выбор створа и конструкции плотины;

- неудачный выбор вида грунтового материала, отсутствие исчерпывающих исследований их свойств и некорректное обоснование требований по их укладке в тело плотины;

- переуплотнение грунтов при укладке тела плотины;

- отступление от проектных решений, нарушение требований к укладке грунтовых материалов, низкое качество работ [38; 69];

- ошибки в эксплуатации напорных грунтовых сооружений [143].

В гидротехнической практике есть немало примеров разрушения плотин под влиянием паводков крайне редкой обеспеченности [79]. Так на плотине Зербино в Италии высотой 16,5 м (построенной в 1924 г.) максимальный расход водосброса составлял 700 м3/с, а наибольший измеренный расход - не более 400 м3/с. В августе 1935 г. был зафиксирован приток воды к водохранилищу в количестве 2200 м3/с (повторяемость - 1 раз в 200000 лет), слой переливающейся через гребень плотины воды достигал 2,2 м. На гидроузле Ринкон-дель-Боннет (Уругвай) в 1959 г. был отмечен паводок повторяемостью 1 раз в 5000 лет. В 1889 г. была размыта земляная плотина Соу-Фокс в США в результате перелива через гребень паводочной волны с максимальным расходом в 2 раза превышаю�

Похожие работы

Строительство
05.23.00