автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Влияние водопроницаемости грунтов тела и основания плотины на параметры фильтрационного потока (плоская и пространственная задачи)

ПРЕДИСЛОВИЕ.

ГЛАВА I ВЕДЕНИЕ.

1.1. Некоторые задачи фильтрации.

1.2. Фильтрация воды (теория) в области гидротехники и гидромелиорации.

1.3. Численные методы решения фильтрационных задач.

1.4. Цели, задачи и методы исследований.

ГЛАВА И. ЧИСЛЕННЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ЗАДАЧ.

2.1. Методика решения плоской и пространственной нелинейной неустановившейся фильтрации в неоднородной среде численным., методом.

2.2. Решение тестовой задачи фильтрации.

Выводы к главе II.

ГЛАВА III. ПЛОСКАЯ ЗАДАЧА ФИЛЬТРАЦИИ НА ПРИМЕРЕ ЮМАГУЗИНСКОГО ГИДРОУЗЛА НА РЕКЕ БЕЛОЙ РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН.

3.1. Плотина Юмагузинского гидроузла.

3.2. Расчетные сечения для решения плоской фильтрационной задачи.

3.3. Анализ фильтрационного режима плотины Юмагузинского гидроузла в плоской постановке.

3.3.1. Постановка исследования с использованием теории планирования эксперимента.

3.3.2. Результаты решения фильтрационных задач в плоской постановке.

3.3.3. Обобщение результатов решения плоских задач.

3.3.3.1. Определение суммарного расхода с учетом сжатия факторного пространства.

3.3.3.2. Определение суммарного расхода при полном факторном пространстве.

3.4. Номография.

Выводы и рекомендация к главе III.

ГЛАВА IV. УЧЕТ ПРОСТРАНСТВЕННОСТИ НА ОСНОВЕ ПЛОСКОЙ И ПЛАНОВОЙ ЗАДАЧ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Плановая задача.

4.2.1. Расчетная область.

4.2.2. Результат плановой задачи.

4.3 Плоская задача с учетом пространственности.

4.3.1. Постановка задачи.

4.3.2. Результаты решений.

Выводы к главе IV.

ГЛАВА V. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗАДАЧА ФИЛЬТРАЦИИ В ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЕ И ЕЕ ОСНОВАНИИ НА ПРИМЕРЕ ЮМАГУЗИНСКОГО ГИДРОУЗЛА.

5.1. Расчетная область и ее аппроксимация конечными элементами.

5.2. Решение пространственной задачи с использованием факторного анализа.

5.2.1. Постановка задачи.

5.2.2. Граничные условия.

5.3. Метод расчета.

5.4. Анализ результатов решения пространственной задачи.

5.5. Сопоставление результатов плоской и пространственной задач фильтрации.

Выводы и рекомендация к главе V.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию влияния водопроницаемости фунтов тела и основания плотины на параметры фильтрационного потока (плоская и пространственная задачи).

Диссертационная работа проводилась в период 2000 - 2004 годов на кафедре Гидротехнических сооружений Московского государственного строительного университета. Она была выполнена под научным руководством профессора, доктора технических наук Леонида Николаевича Расска-зова и в консультациях по вопросам численных расчетов доцента, кандидата технических наук Николая Алексеевича Анискина.

Автор выражает сердечную благодарность своему руководителю Л.Н. Рассказову за постоянное внимание и значительную помощь, оказанную в работе над диссертацией.

Свою благодарность автор выражает также H.A. Анискину за серьезную помощь при выполнении данной работы.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность также кандидатам технических наук В.В. Толстикову, М.П. Саинову и всем сотрудникам кафедры Гидротехнических сооружений за постоянную поддержку во время работы над диссертацией.

Общие выводы

Л. Для исследования фильтрации в теле плотины и ее основании удобно использовать факторный анализ.

Полученные функции откликов позволяют оценить величины параметров фильтрационного потока при любых значениях коэффициентов фильтрации грунтов основании (в принятом интервале между минимальными и максимальными значениями). Это может быть использовано при мониторинге за работой гидросооружения и даст возможность оценить действительные средние значения коэффициентов фильтрации по слоям в массиве основания на основе натурных наблюдений за фильтрационным режимом.

2. При большом диапазоне изменения коэффициентов фильтрации адекватность полученных функций откликов часто неудовлетворяется. Для достижения адекватности вместо добавления квадратичных членов в уравнения откликов, следует стремиться уменьшить факторное пространство. Это свидетельствует о необходимости ограничения диапазона изменения коэффициентов фильтрации при их определении.

Видимо, при определении коэффициентов фильтрации грунтов основании в случае очень большого разброса значений надо увеличивать рассматриваемое количество грунтов или давать количество определений достаточных для статистической обработки.

Ъ. Получена довольно большая разница между минимальной и максимальной величинами суммарного расхода в диапазоне изменения значения коэффициентов фильтрации грунтов в основании плотины. Это подтверждает, что влияние фильтрационных характеристик на фильтрационные параметры является существенным.

4. При оценке фильтрационного режима по натурным данным следует иметь в виду, что дренаж перехватывает чаще всего малую часть фильтрационного расхода (чаще всего не более 20 %), поэтому отождествлять перехваченный фильтрационный поток с полным действительным потоком нельзя.

5 . Для того чтобы решения отдельных плоских задач наиболее полно отражали действительную картину фильтрации, сечение плотины следует сделать по линиям тока плановой фильтрационной задачи.

6 . На основе сопоставления результатов расчетов, полученных при решении фильтрационных задач в плоской и пространственной постановках показано, что пространственность фильтрационного потока оказывает большое влияние на фильтрационные параметры. Это говорит о целесообразности решения фильтрационных задач в пространственной постановке

7. Дальнейшее совершенствование исследование фильтрации в основании плотин сопряжено с исследованиями коэффициентов фильтрации в основании в количестве необходимом для статистической обработки

Видимо для каждой геологической разновидности необходимо иметь не менее 30-5-40 определений. Тогда возможно построение кривой распределения Кф для каждого грунта основания и решение задачи фильтрации поиска математического ожидания расхода и градиента с помощью метода Монте-Карло. в . Для удобства анализа результатов натурных наблюдений за фильтрацией удобно функции расхода и градиентов номографировать, что позволяет в каждом плоском сечении при наличии для этого сечения выделенного расхода, выявить значение (среднее) коэффициентов фильтрации для каждого из грунтов основания (методом "проб и ошибок")

1. Адлер Ю. П., Маркова Е. В. И Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Издат-во "наука" 1976, 280 с.

2. Аравин В. И., Нумеров С. Н. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде. Гостехиздат, 1953, 616 с.

3. Аравин В. И., Носова О.Н. Натурные исследования фильтрации. Энергия, Ленинградское отделение, 1969,256 с.

4. Белаш П.М., Чен-Син Э., Сенюков Р.В. Метод направленного статического поиска при решении задач разработки нефтяных и газовых пластов (метод Монте-Карло). Тез. докл. научн-техн. конф. МИНХ и ГП, 1964, с. 1- 6.

5. Блох Л. С. Практическая номография. Издат-во "высшая школа", Москва, 1971,328 с.

6. Вайнер М.И. Статические критерии подобия при фильтрации жидкости в однородной пористой среде. Изв. АН СССР. ОТН, Механ. И машиностр. 1963, № 5, с. 144 148.

7. Ведерников В. В. Методы решения некоторых задач по фильтрации со свободной поверхностью. Гидротехническое строительство, 1935, № 3, с. 20-27.

8. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. Энергоатомиздат, 1987, глава 2, с. 72 73.

9. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. Энергоатомиздат, 2001, с. 345.

10. Девисон Б. Б. Об установившемся движении грунтовых вод через земляные плотины (гидромеханический метод решения задачи). Уч. Зап. ГТИ,Л., 1932, с. 11-19.

11. Девисон Б. Б. 1. Движение грунтовых вод в книге : Христианович С. А., Михлин С. Г., Девисон Б. Б. Некоторые новые вопросы механики сплошной среды, ч. 3. М. Л., Изд-во АН СССР, 1938, с. 217 - 356.

12. Жуковский H. Е. Просачивание воды через плотины. Опытно-мелиоративн. Часть. M., НКЗ, 1923, ч. 3. Поли. собр. соч., т. 7. М., Гостоптехиздат, 1956.

13. Зедгинидзе И. Г. Планирование эксперимента для многокомпонентных систем. Издат-во "наука" 1976,390 с.

14. Зенкевич О. "Метод конечных элементов в технике". Перевод с анг. М., Мир, 1975 г., 541 с.

15. Истомина B.C. Фильтрационная устойчивость грунтов. Госиздат, М., 1957,296 с.

16. Исякаев В.А. Решение одной задачи пространственной фильтрации методом статических испытаний. ПМТФ, 1967, № 2, с. 155 160.

17. Колмогоров А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении. Докл. АН СССР, 1941, т. 31, №2, с. 99-101.

18. Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. M Л., Гостехиздат, 1947,244 с.

19. Мелещенко Н. Т. Движение грунтовых вод под гидротехническими сооружениями (методы расчета). Л. М., ОНТИ, ГИДЭП, 1937,91 с.

20. Минский Е. М. Элементы статического исследования фильтрационных движений. Тр. ВНИИГАЗ, 1958, вып. 2, с.З -25

21. Михайлов Г. К. К классификации задач теории установившегося движения грунтовых вод в вертикальной плоскости. Изд. Ясского политехнического института, 1959, т. 5 (9), вып. 1 2, с. 125 - 134.

22. Нельсон-Скорняков Ф. Б. О движении грунтовой воды через дренированные земляные плотины. Гидротехн. стр-во, 1937, № 2, с. 32 37.

23. Нумеров С. Н. Приближенные способы расчета фильтрации через земляные плотины на проницаемых основаниях. Тр. ЛПИ, 1947, № 4, с. 141 -146.

24. Нумеров С. Н. Об одном способе расчета фильтрационных задач. Изв. АН СССР, ОТН, 1954, № 4, с. 133 -139.

25. Нумеров С. Н., Барсегян Р. М. Об оценке основных допущений методики расчета фильтрации жидкости в горизонтальных гидравлически связанных пластах. Изв. ВНИИГ, 1965, т. 78, с. 242 254.

26. Павловский Н. Н. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные приложения. Петроград, 1922, наун-мелиорац. Институт; Собр. соч.,т. 2, М Л., Издательство АН СССР, 1956,352 с.

27. Павловский Н. Н. Основы метода гидромеханического решения задачи о свободной фильтрации из открытых русел. Изв. НИИГ, 1936, т. 19, с. 5 24. Собр. М - Л., Издательство АН СССР, 1956, т. 2, с. 437 - 471.

28. Полубаринова-кочина П. Я. Теория движения грунтовых вод. М., Гостехтеоретиздат. 1952, 673с.

29. Полубаринова-кочина П. Я., Нумеров С.Н., Чарный И.А., Ентов В.М. и др. Развитие исследования по теории фильтрации в СССР. Издательство "наука", М., 1969,546 с.

30. Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Правдивец Ю.П. и др. "Гидротехнические сооружения". Часть 1, стройиздат, М., 1996.

31. Рассказов Л.Н., Анискин H.A. и др. Фильтрация в грунтовых плотинах в плоской и пространственной постановке. Гидротехническое строительство 1989, № 11, с. 26 - 32.

32. Рассказов Л.Н., Анискин H.A. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений и оснований.

33. Гидротехническое строительство 2000, № 11, с. 2 - 7.

34. Ризенкампф Б. К. Гидравлика грунтовых вод. Ч. 1. Уч. Зап. Саратовского университета, сер. Физ.-мат., 1938.

35. Тейлор Д. В. Основы механики грунтов. Госстройиздат, Москва, 1960, 566 с.

36. Фильчаков П.Ф. Теория фильтрации под гидротехническими сооружениями. 2 т., издательство Академии наук УССР, Киев, 1960 г.

37. Хованский Г. С. Основы номографии. Издат-во "наука" 1976,348 с.

38. Христианович С. А., Михлин С. Г., Девисон Б. Б. Некоторые новые вопросы механики сплошной среды, ч. 3. М. JL, Изд-во АН СССР, 1938.

39. Чарный И. А. Подземная гидрогазодинамика. М., Гостоптех издат, 1963,396 с.

40. Чарный И. А. Строгое доказательство формулы Дюпюи для безнапорной фильтрации с промежутком высачивания. Докл. АН СССР , 1951, т.79, № 6, с. 937-940.

41. Чу гаев Р.Р. "Гидротехнические сооружения". Водосливные плотины. М. Высшая школа, 1978 г., глава V, с. 96 112.

42. Шейдеггер А. Э. Физика течения жидкостей через пористые среды (Перевод с английского языка). Гостоптехиздат, 1960,249 с.

43. Щелкачев В. Н., Лапук Б. Б. Подземная гидравлика. М. Л. Гостоптехиздат, 1949, 524 с.

44. Darcy Н. Les fontaines publiques de la ville de Dijon. Общественные колодцы в городе Дижон. París, 1856.

45. Muskat М. The flow of homogenous fluides though porous media. Течение однородных жидкостей в пористой среде. N. Y. London, Me Graw Hill book Со, 1937,763 р. (Русский перевод Гостоптехиздат, 1949, 628 с.)

46. Scheidegger А. Е. The physics of flow though porous media. Физика течения жидкостей через пористые среды. N. Y. Macmilan 1957, 236 р.; 2-ое изд., 1961. (Русский перевод Физика течения жидкостей через пористые среды. Гостоптехиздат, 1960,249 с.)