Анизотропная фильтрация в плотинах и основаниях

Изложенные причины обуславливают актуальность выбранной темы и необходимость учета анизотропных свойств грунта при проектировании грунтовых плотин. При этом величина фильтрационной анизотропии грунта выражается коэффициентом анизотропии, А =К/КУ (в случае совпадения направления осей анизотропии и координатных осей). Здесь КХ>КУ (как правило) — значения горизонтальной и вертикальной составляющих коэффициента фильтрации заданного анизотропного грунта плотины.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию влияния анизотропности грунтов тела и основания плотины на параметры фильтрационного потока и влияния нестационарной фильтрации на устойчивости откосов грунтовой плотины. В работе для исследований используется метод конечных элементов. Этот метод основан на решении основного уравнения установившейся или неустановившейся фильтрации при заданных граничных условиях и может применяться для расчетов фильтрации в сложных фильтрационнонеоднородных областях.

Работа над диссертационной работой проводилась в период 2007;2010 годов на кафедре Гидротехнических сооружений ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет.

Целью диссертационной работы явились:

• анализ влияния отдельных факторов (в том числе коэффициента фильтрационной анизотропии) на формирование фильтрационного режима грунтовых плотин и основные параметры фильтрационного потока: положение депрессионной поверхности, величины фильтрационных градиентов и расходов;

• составление на основе факторного анализа численных моделей и номограмм по определению основных параметров фильтрационного потока с учетом возможной анизотропии;

• анализ влияния фильтрационной анизотропии на устойчивость откосов грунтовых плотин в том числе при сработке водохранилища;

• создание численной модели фильтрационного режима грунтовой плотины и основания гидроузла Кархе на реке Кархе (ИРИ) с учетом анизотропии и сработки водохранилища.

Основные задачи исследований: • усовершенствование и апробацию методики решения фильтрационных задач применительно к грунтовым плотинам и основаниям с учетом анизотропии и нестационарности процесса;

• создание численных моделей фильтрационного режима грунтовых плотин совместно с их основаниями с учетом анизотропии с целью прогноза и дальнейшего анализа влияния отдельных факторов на формирование и изменения состояний сооружений.

Научная новизна работы заключается:

В проведении численных экспериментов и получении математической прогнозной модели, позволяющей оценить влияние геометрических параметров грунтовых плотин и степени фильтрационной анизотропии на параметры фильтрационного потока.

В номографировании результатов исследований для удобства прогноза фильтрационного режима или решения обратной задачи — оценки возможных фильтрационных свойств грунтов плотины в зависимости от параметров фильтрационного расхода: положения депрессионной поверхности, величины фильтрационного расхода.

В анализе влияния отдельных факторов, в том числе степени фильтрационной анизотропии на параметры фильтрационного потока грунтовых плотин и основаниях.

В оценке устойчивости откосов грунтовых плотин с учетом анизотропной нестационарной фильтрации и воздействия фильтрационных гидродинамических сил.

Методы исследованийиспользован численный метод — метод конечных элементов в локально-вариационной постановке. Фильтрационные расчеты выполнены по вычислительной программе «РШТЫ», написанной и апробированной на кафедре гидросооружений ГОУ ВПО МГСУ. Для анализа воздействия факторов на параметры фильтрационного потока использовался математический аппарат теории планирования эксперимента. Для оценки устойчивости откосов грунтовых плотин с учетом воздействия фильтрационного потока и сработки водохранилища составлена программа «ОткосБ», апробированная на тестовых расчетах.

Достоверность научных результатов подтверждена:

• результатами решения ряда тестовых задач, имеющих точное аналитическое решение;

• сравнением результатов, полученных по использованной методике с результатами других ранее апробированных методов.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при проектировании, строительстве и эксплуатации гидросооружений.

Личный вклад автора в выполнении данной работы заключается в проведении численных исследований напорной и безнапорной фильтрациианализе влияния анизотропии и других факторов на параметры фильтрационного потокаполучении уравнений функций откликов и построении на их основе номограммисследовании влияния анизотропии на устойчивость откосов грунтовых плотин в статике и при сработке водохранилища.

Апробания работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседании кафедры Гидротехнических сооружений ГОУ ВПО МГСУ и на конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов Москвы и Томска в 2008;2010 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 2-х статьях. Обе работы опубликованы в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК (сборник «Вестник МГСУ»).

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Результаты численных решений фильтрационных задач с учетом анизотропии, позволившие проанализировать степень влияния отдельных факторов на основные параметры фильтрационного потока.

2. Полученные прогнозные математические модели и построенные на их основе номограммы для предварительного анализа возможных величин фильтрационных расходов, градиентов и высоты высачивания депрессионной поверхности на низовой откос.

3. Оценка влияния фильтрационной анизотропии и сработай водохранилища на устойчивость откосов грунтовых плотин.

4. Численная фильтрационная модель грунтовой плотины и основания гидроузла Кархе на реке Кархе (ИРИ).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и библиографического списка. Общий объём диссертации составляет 159 страниц, включая 79 рисунков и 22 таблицы, библиографический список состоит из 67 наименований.

Общие выводы.

1. Расширена область применения метода конечных элементов в локально-вариационной постановке для решения фильтрационных задач с анизотропными свойствами. Решен ряд тестовых задач, позволяющих говорить о достоверности получаемых при решении подобных задач результатов. Сравнение полученных по используемой методике результатов тестовых задач показало их хорошее совпадение с известными решениями.

2. На основе численных решений получена подробная картина фильтрационного режима для случая напорной анизотропной фильтрации под флютбетами различной конструкции. Выявлена закономерность изменения фильтрационного противодавления, расхода и максимального градиента фильтрации в зависимости от коэффициента анизотропии. Эпюра фильтрационного противодавления на подошву флютбета незначительно изменяется при выбранном интервале изменения коэффициента анизотропии (от 1 до 25).

3. Использование методики планирования эксперимента позволило проанализировать влияние ряда факторов в широком диапазоне их изменения на величины основных параметров фильтрационного потока однородной грунтовой плотины: положение депрессионной поверхности, величину фильтрационного расхода и максимального градиента фильтрации.

4. Увеличение коэффициента анизотропии приводит к повышению положения депрессионной кривой и росту фильтрационного расхода. Вместе с тем, анизотропия приводит к более равномерному распределению градиента фильтрации в расчетной области и уменьшению величин максимальных градиентов. Полученные уравнения откликов позволяют прогнозировать характеристики фильтрационного потока и могут быть использованы на стадии предварительного проектирования.

5. Построенные на основе факторного анализа номограммы позволяют прогнозировать параметры фильтрационного потока в грунтовых плотинах или решать обратную задачу: по положению депрессионной поверхности и фильтрационному расходу оценить фильтрационные свойства грунта.

6. Рассмотрено влияние анизотропии при возможной сработке водохранилища. Учет анизотропных свойств грунта приводит к более равномерному распределению градиентов фильтрации и уменьшению их величины по сравнению с изотропной задачей. При увеличении скорости сработки водохранилища возрастают градиенты фильтрации и, соответственно, фильтрационные гидродинамические силы.

7. Результаты фильтрационных расчетов использованы при анализе влияния фильтрационной анизотропии и сработки водохранилища на коэффициенты запаса устойчивости откосов, определяемые по методу круглоцилиндрических поверхностей обрушения. При сработке водохранилища учет анизотропии способствует увеличению коэффициента запаса устойчивости верхового откоса плотины примерно на 10−14% по сравнению с изотропной фильтрацией. Учет фильтрационной гидродинамической силы необходим, так как снижает коэффициент запаса на 5−10%. Устойчивость низового откоса наоборот, снижается в случае анизотропной фильтрации на величину 5−15% в зависимости от параметров плотины и коэффициента анизотропии.