Напряженно-деформированное состояние плотины Юмагузинского гидроузла

Введение. Каменно-земляная плотина Юмагузинского гидроузла на р. Белая построена в сложных геологических условиях на неоднородном основании. Представлены результаты численного исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) плотины, выполненного для варианта грунтовой плотины с центральным ядром. При расчете НДС плотин должна учитываться реальная структура грунта, характеризующаяся своим соотношением упругих и пластических связей. Изменение этой структуры происходит вместе с изменением НДС и отражается на значениях коэффициента относительной прочности и коэффициентах надежности. По значениям коэффициентов надежности в плотине можно судить о ее прочностном состоянии.

Материалы и методы. Определение НДС плотины проведено на основании энергетической модели грунта, разработанной Л.Н. Рассказовым. Область выделенного фрагмента плотины была разбита на однотипные элементы; принята треугольная сетка метода конечных элементов, при помощи которой описана конструкция грунтовой плотины и основание.

Результаты. Численными расчетами установлено, что при повышении уровня воды в водохранилище до отметки форсированного подпорного уровня характер распределения напряжений σxx меняется. В основании верховой упорной призмы на границе с ядром появляется область с небольшими положительными значениями, наибольшие из которых получены в переходной зоне. Вся гидростатическая нагрузка передается на напорную грань ядра и, следовательно, вся работа внешних сил переходит в энергию внутреннего деформирования этого элемента, вызывая в нем концентрацию напряжений. Материал переходной зоны вынужден следовать за деформациями ядра, что обусловливает развитие в нем растягивающих напряжений. Поэтому увеличение жесткости ядра ведет к меньшим деформациям ядра и соответственно к меньшим значениям растягивающих напряжений в переходных зонах. Характер распределения напряжений σyy симметричный.

Выводы. Увеличение жесткости ядра влечет ликвидацию арочного эффекта, который особенно заметен при пониженных уровнях воды в водохранилище. По этой причине в ядре плотины желательно использование скелетного материала.

1. Юлаев К.Г. Юмагузинская ГЭС // Башкирская энциклопедия. Т. 7. Уфа : ГАУН «Башкирская энциклопедия», 2019. 663 с.

2. Баранов А.Е. Из опыта проектирования и строительства Юмагузинского гидроузла на р. Белой // Вестник МГСУ. 2006. № 2. С. 112–122.

3. Потапова Л.Б., Ярцев В.П. Механика материалов при сложном напряженном состоянии. Как прогнозируют предельные напряжения? М. : Машиностроение-1, 2005. 244 с.

4. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Изд-во АСВ, 2001. 375 с.

5. Анискин Н.А., То Ван Тхань. Прогноз фильтрационного режима грунтовой плотины Юмагузинского гидроузла и ее основания // Гидротехническое строительство. 2005. № 6. С. 19–25.

6. Саинов М.П. Пространственная работа противофильтрационной стены // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 5 (57). С. 20–33. DOI: 10.5862/MCE.57.2

7. Рассказов Л.Н., Джха Дж. Деформируемость и прочность грунта при расчете высоких грунтовых плотин // Гидротехническое строительство. 1997. № 7. С. 31–36.

8. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности : учебное пособие. М. : Высшая школа, 1982. 264 с.

9. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М. : Недра, 1987. 221 с.

10. Бате К., Вильсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М. : Стройиздат, 1982. 447 с.

11. Clough R., Penzien J. Dynamics of Structures. Second ed. McGrawHill, Inc., 1993.

12. Wilson E.L. Three-dimensional static and dynamic analysis of structures a physical approach with emphasis on earthquake engineering. Third ed. Computers and Structures, Inc., Berkeley, California, USA, 2002. 423 p.

13. Wolf J.P. Dynamic soil-structure interaction. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J., 1985. 466 p.

14. Шейнин И.С. Колебания конструкций гидросооружений в жидкости. Л. : Энергия, 1967.

15. Кобелова Н.Н. Методологические особенности построения прогнозных математических моделей для изучения деформаций высоких плотин // Вестник СГУГиТ. 2017. Т. 22. № 2. С. 55–66.

16. Мирсаидов М.М. Теория и методы расчета грунтовых сооружений на прочность и сейсмостойкость. Ташкент : Фан, 2010. 312 с.

17. Беллендир Е.Н., Липовецкая Т.Ф., Радченко В.Г., Сапегин Д.Д. Рекомендации российских нормативных документов по обеспечению надежности грунтовых плотин // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2000. Т. 238. С. 5–14.

18. Саинов М.П., Чечеткин И.П. Оценка трещиностойкости ядра каменно-земляной плотины с учетом порового давления // Вестник Евразийской науки. 2020. Т. 12. № 4. URL: https://esj.today/PDF/09SAVN420.pdf

19. Sharma R.P., Kumar A. Case histories of earthen dam failures // 7th Conference of the International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. 2013. URL: https://scholarsmine.mst.edu/icchge/7icchge/session03/8

20. Ji E., Chen S., Fu Z. Research on criterions of hydraulic fracturing in earth core rockfill dams // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 304. Issue 2. P. 022032. DOI: 10.1088/1755-1315/304/2/022032