Научный журнал

Современные наукоемкие технологии

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,279

• Авторы
• Вклад авторов
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Качаев А.Е. 1 Хитров Я.И. 2 Сорока В.В. 2

---

1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт систем орошения и сельхозводоснабжения «Радуга»

2 Коломенский институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Московский политехнический университет»

Качаев А.Е. - разработка концепции, работа с данными, методология исследования, административное руководство исследовательским проектом, научное руководство, валидация результатов, написание рукописи – рецензирование и редактирование

Хитров Я.И. - проведение исследования, предоставление ресурсов, визуализация результатов, написание черновика рукописи

Сорока В.В. - анализ данных, предоставление ресурсов, визуализация результатов, написание рукописи – рецензирование и редактирование

Численные методы исследования напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин помогают определять в процессе их эксплуатации на протяжении всего жизненного цикла реальное состояние и уровень безопасности. Результаты этих численных моделей необходимо анализировать и верифицировать с существующими аналитическими методами определения параметров напряженно-деформированного состояния. В исследовании верификация численной модели грунтовой плотины производится в соответствии со свойствами модели Мора – Кулона. Целью настоящего исследования является сравнительный анализ результатов численного моделирования с аналитическими расчетами напряженно-деформированного состояния зонированной грунтовой плотины, расположенной на водопроницаемом однородном наклонном основании. В процессе исследования используются численные методы расчета, которыми обладает программный комплекс GTS NX 2022 R1. В исследовании представлено сравнение результатов, полученных при моделировании объекта гидротехнического назначения численными методами по параметрам порового давления, суммарных перемещений и эквивалентных деформаций, с аналитическими расчетами этих параметров, обозначенными в нормативных документах. Установлено, что расхождения между исследуемыми показателями, полученными численными методами и аналитическим расчетами, существуют. Определено, что при этом их величины с учетом статистической погрешности можно считать удовлетворительными. Установлено, что, несмотря на то, что максимальное расхождение численных расчетов по поровому давлению, перемещениям и деформациям не превышает 8,51 %, данный комплекс можно применять в геотехнических расчетах.

Статья в формате PDF

1635 KB

наклонное основание

напряженно-деформированное состояние

поровое давление

деформация

перемещение

верификация

1. Симонович О.С., Снежко В.Л., Козлов Д.В. Периодичность ремонта низконапорных грунтовых плотин для сохранения их уровня безопасности // Природообустройство. 2020. № 1. С. 59–64. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/periodichnost-remonta-nizkonapornyh-gruntovyh-plotin-dlya-sohraneniya-ih-urovnya-bezopasnosti/viewer (дата обращения: 07.10.2025).DOI: 10.26897/1997-6011/2020-1-59-65.

2. Беллендир Е.Н., Липовецкая Т.Ф., Радченко В.Г., Сапегин Д.Д. Рекомендации российских нормативных документов по обеспечению надежности грунтовых плотин // Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2000. Т. 238. С. 5–14. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_9589909_20050790.pdf (дата обращения: 07.10.2025).

3. Титова Т.С., Лонгобарди А., Ахтямов Р.Г., Насырова Э.С. Срок эксплуатации грунтовых плотин // Инженерно-строительный журнал. 2017. № 1 (69). С. 34–43. URL: https://engstroy.spbstu.ru/userfiles/files/2017/1(69)/03.pdf (дата обращения: 07.10.2025). DOI: 10.18720/MCE.69.3.

4. Качаев А.Е., Турапин С.С. Особенности реконструкции земляных плотин мелиоративных систем // Наука и мир. 2024. № 3. С. 6–10. URL: https://w-science.com/ru/nauka/article/92073/view (дата обращения: 07.10.2025). DOI: 10.26526/2307-9401-2024-3-6-10.

5. Бурцев Р.В., Манухин А.В. Программный комплекс midas gts nx в расчете напряженно-деформированного состояния системы основание – сооружение // Оригинальные исследования. 2020. Т. 10. № 4. С. 10–16. URL: https://ores.su/media/filer_public/7e/77/7e7732cf-c786-43c7-bd33-5f009de1b75d/2_programmnyi_kompleks_midasgtsnx_v_raschete_napriazhenno_deformirovannogo_sostoianiia_sistemy_osnovanie-sooruzhenie.pdf (дата обращения: 07.10.2025).

6. Крутов Д.А. Гидротехнические сооружения: учебник для вузов. М.: Юрайт, 2025. 238 с. URL: https://urait.ru/bcode/567034 (дата обращения: 07.10.2025). ISBN 978-5-534-12898-7.

7. Ким М.С., Селезнева В.Н., Волков С.Н. Базовые модели расчета песчаных и глинистых грунтов в программном комплексе MIDAS GTS NX // Высокие технологии в строительном комплексе. 2023. № 1. С. 24–29. URL: https://cchgeu.ru/upload/science/nauchnye-izdaniya/vysokie-tekhnologii-ekologiya/2023%20(1)%20ВЫСОКИЕ%20ТЕХНОЛОГИИ%20В%20СТРОИТЕЛЬНОМ%20КОМПЛЕКСЕ.pdf (дата обращения: 07.10.2025).

8. Козловский Е.Я., Журавков М.А. Определение и верификация параметров расчетной модели соляных пород с учетом разупрочнения и ползучести // Записки Горного института. 2021. Т. 247. С. 33–38. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-i-verifikatsiya-parametrov-raschetnoy-modeli-solyanyh-porod-s-uchetom-razuprochneniya-i-polzuchesti/viewer (дата обращения: 08.10.2025). DOI: 10.31897/PMI.2021.1.4.

9. СП 39.13330.2012. Плотины из грунтовых материалов / Минстрой России. М.: Стандартинформ, 2012. 100 с.

10. СП 23.13330.2018. Основания гидротехнических сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.02-85: Свод правил. Утв. Приказом Минстроя России от 13.08.2018 № 513/пр.; введен в действие с 14.02.2019. М.: Стандартинформ, 2019. 85 с.

11. ГОСТ 22733-2016. Грунты. Методы определения максимальной плотности / Разработан ООО «ЦНИИЭПжилища»; введ. 01.01.2017. М.: Стандартинформ, 2017. 10 с.

12. Качаев А.Е. Учет деформаций грунтов насыпных плотин при консолидированных расчетах // Journal of Advanced Research in Technical Science. 2025. № 48. С. 71–74. URL: http://srcms.ru/jarits/48/text/14.pdf (дата обращения: 07.10.2025). DOI: 10.26160/2474-5901-2025-48-71-74.

13. Saikia R., Kanti Dey A. Slope stability analysis of slides at Sonapur using strength reduction method. In: Proceedings of Indian geotechnical conference IGC2016, P. 15–17. URL: https://www.researchgate.net/publication/312032142_Slope_stability_analysis_of_slides_at_Sonapur_using_strength_reduction_method (дата обращения: 08.10.2025).

14. Воронова Н.С., Бежанов С.Г., Воронов С.А., Хангулян Е.В., Цупко О.Ю., Романов А.И. Анализ и представление результатов эксперимента: Учебно-методическое пособие / Под общ. ред. Н.С. Вороновой. М.: НИЯУ МИФИ, 2015. 120 с. URL: http://library.mephi.ru/pdftunnel.php?Z21FAMILY=%D0%9F%D0%B0%D0%BA%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0&Z21ID=49730&PATH=book-mephi%2FVoronova_Analiz_i_predstavlenie_rezultatov_eksperimenta_2015.pdf (дата обращения: 08.10.2025). ISBN 978-5-7262-2141-0.

15. ГОСТ Р ИСО 16269-4-2017. Статистические методы. Статистическое представление данных. Ч. 4. Выявление и обработка выбросов: национальный стандарт Российской Федерации: дата введения 01.12.2018. М.: Стандартинформ, 2017. 54 с.

Введение

Использование численных методов моделирования (расчета) в инженерной практике строительства и мелиорации позволяет быстро определять устойчивость гидротехнических объектов во времени, эффективно и дискретно устанавливать их прочностные параметры в процессе эксплуатации и тем самым обеспечивать безопасность функционирования при их ремонте на протяжении всего жизненного цикла [1, с. 62].

Применение метода конечных элементов (МКЭ) в гидротехнике обеспечивает детальный анализ распределения напряжений и деформаций в теле грунтовой плотины, что является критически важным для предотвращения аварийных ситуаций и разрушений подобного рода сооружений [2, с. 6–7]. При различных гидравлических нагрузках в теле грунтовой плотины формируется напряженно-деформированное состояние, способное приводить к неправильной эксплуатации и потенциальному выходу из строя всей гидротехнической системы обустройства водохранилища [3; 4, с. 8].

В настоящее время для оценки устойчивости и деформаций грунтовых плотин применяются два основных подхода: аналитические методы и численные методы моделирования напряженно-деформированного состояния. Аналитические методы основаны на упрощенных теоретических моделях и позволяют получить быстрое приближенное решение. Однако такие методы могут не учитывать многих факторов, влияющих на реальное поведение сооружения. Численные методы, в свою очередь, предоставляют более детализированное описание процессов, благодаря возможности учитывать сложные геометрии, неоднородности грунтов и нелинейные свойства материалов. При этом численные методы требуют значительных вычислительных ресурсов и могут быть подвержены погрешностям за счет выбора модели и параметров [5]. Верификация численных моделей путем сравнения их результатов с аналитическими решениями или экспериментальными данными является необходимым этапом для подтверждения их достоверности и адекватности. Без такой проверки применение численных методов в инженерной практике может привести к ошибочным выводам и потенциальным рискам для безопасности сооружений.

Цель исследования заключается в проведении сравнительного анализа результатов численного моделирования с аналитическими расчетами напряженно-деформированного состояния (НДС) зонированной грунтовой плотины (по показателям порового давления, перемещений и деформаций в теле плотины), расположенной на водопроницаемом однородном наклонном основании.

Материалы и методы исследования

Для достижения поставленной цели использовались методы численного моделирования с применением программного обеспечения GTS NX от компании Midas (версия GTS NX 2022 R1). Данный комплекс в России считается сертифицированным и верифицированным. Однако по опыту производства расчетов [6] в данной программе имеются сведения о необходимости проведения дополнительных расчетов, подтверждающих результаты численных расчетов в этом программном комплексе. Результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта в последующем верифицировались с известными аналитическими методами расчета параметров напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин [7, с. 402]. Программный комплекс позволяет реализовать метод конечных элементов, который широко используется в геотехнической инженерии [6, с. 25–27].

Моделирование проводилось для случаев максимальных динамических (и статических) нагрузок, возникающих в результате удерживания максимального уровня воды в водохранилище. Рассмотрено для верификации напряженно-деформированное состояние плотины при максимальном уровне воды (НПУ).

Верификация результатов численного моделирования грунтовой плотины с ядром на наклонном водопроницаемом основании относительно порового давления проводилась в соответствии с нормативным документом [8, Приложение А]. Учитывались условия для консолидированного расчета фильтрации в исследуемом объекте.

Верификация перемещений и деформаций грунтов при нагружении для различных зон плотины относительно заданной при численном моделировании модели Мора – Кулона [8] осуществлялась путем сравнения результатов численного моделирования с данными лабораторных штамповых испытаний образцов, полученных при бурении скважин на исследуемой плотине в соответствии с нормативными документами [9–11].

Объектом исследования является грунтовая плотина с непроницаемым (железобетонным) ядром на водопроницаемом наклонном основании, входящая в состав мелиоративной системы, расположенной в Куменском районе Кировской области (срок эксплуатации плотины более 50 лет).

Рис. 1. Расчетная модель гидротехнического сооружения в конечных элементах Примечание: составлен авторами по чертежам исследуемого объекта

Таблица 1

Физико-механические свойства грунтов исследуемой плотины

Примечание: составлена авторами по результатам инженерно-геологических изысканий.

Результаты исследования и их обсуждение

Расчетная модель гидротехнического сооружения в конечных элементах представлена на рис. 1. Модель состоит из слоев грунта с различными физико-механическими характеристиками, показанными в табл. 1, которые были взяты из инженерно-геологических изысканий перед началом реконструкции гидротехнического объекта.

Рис. 2. Изополя порового давления в грунтовой плотине при НПУ Примечание: составлен авторами в программном комплексе GTS NX

Рис. 3. Суммарные перемещения в грунтовой плотине при полном водохранилище (НПУ) Примечание: составлен авторами в программном комплексе GTS NX

Величина порового давления может свидетельствовать о насыщенности водой участков или наличии потенциальных зон ослабления устройства плотины, что увеличивает риск деформаций или разрушений гидротехнического объекта.

На рис. 2 и 3 показаны стадии НДС плотины в зависимости от порового давления в различных ее зонах. Максимальные значения порового давления возникают в наклонном основании плотины – в левом нижнем углу для НПУ – 590,231 кН/м2. Минимальные значения полного порового давления возникают в верхней части нижнего откоса для НПУ – «минус» 207,31 кН/м2.

Изополя перемещений и деформаций в зонированной грунтовой плотине в момент ее максимально напряженного состояния показаны на рис. 3 и 4 (при полном водохранилище) и рис. 5 соответственно.

На рис. 3 по результатам численного моделирования в момент максимального нагружения грунтовой плотины наглядно видно, что максимальные суммарные перемещения по большей степени происходят в гребне (в верхней части тела) плотины (0,0321 м), а наклонное основание при этом испытывает минимальные перемещения (значения перемещений близки к значению нуля).

Рис. 4. Локальные перемещения в грунтовой плотине при понижении уровня воды (ось Z) Примечание: составлен авторами в программном комплексе GTS NX

Рис. 5. Эквивалентные относительные деформации в теле грунтовой плотины при НПУ Примечание: составлен авторами в программном комплексе GTS NX

На рис. 4 показаны перемещения в теле грунтовой плотины в процессе понижении уровня воды в водохранилище от НПУ до УМО. При этом следует обратить внимание на «красную» зону, показанную на рис. 4, в которой появляются признаки возможного обрушения низового откоса (выпирание низового откоса – перемещение вдоль глобальной оси Z положительно).

Анализ деформаций в объемных элементах, показанный на рис. 5, сопоставим с численными результатами полученных перемещений (рис. 3). Начало образования напряженной зоны на низовом откосе (рис. 4 – «красная зона») в величинах деформации в объемных элементах также свидетельствует о возможной зоне обрушения при нагрузках, образованных от переполненного водохранилища (тогда проводятся расчеты на устойчивость откосов гидротехнического сооружения [12, 13]).

Таблица 2

Верификация результатов численного и аналитического расчетов порового давления, перемещений и деформаций для исследуемого объекта

Примечание: составлена авторами по результатам аналитических расчетов параметров

Ввиду того, что решатель программы для всех случаев водопонижения воды в водохранилище использует одну модель грунтового напряженного состояния Мора – Кулона, верификация производилась для объекта с максимальным уровнем воды в водохранилище.

Результаты аналитических расчетов показателей в сравнении с результатами, полученными в численной модели плотины, будем считать за 100 %. Результаты аналитических расчетов верифицируемых параметров с численной моделью исследуемой плотины, полученной в программном комплексе GTS NX компании MIDAS, представлены в табл. 2.

Анализ результатов верификации по приведенным параметрам в табл. 2 говорит о том, что по всем анализируемым показателям в численной модели плотины в сравнении с аналитическим расчетом их величины «занижены». Так, например, для параметра порового давления это занижение варьируется в пределах 3,64–7,56 %, что можно считать удовлетворительным в рамках статистической погрешности в 3 % [14, 15]. При сравнении отклонения результатов расчета по параметрам перемещений и деформаций в плотине этот показатель находится в пределе от 3,14 до 8,51 %. Для расчетов показателей подобного типа считаем результаты по всем параметрам удовлетворительными.

Заключение

Численно выполнен расчет напряжено-деформированного состояния (поровое давление, перемещения и деформации) рассматриваемого гидротехнического объекта при максимальном уровне воды в водохранилище. Результаты верификации параметров напряженно-деформированного состояния исследуемой плотины считаем удовлетворительными. Максимальные показатели расхождения в верифицируемых данных численного и аналитического расчетов наблюдаются при анализе значений перемещений по гребню плотины – «минус» 8,51 %, что можно считать по численному моделированию таких параметров удовлетворительным с учетом статистической погрешности исследования равной 3 % (но требующим обязательной верификации по аналитическим методикам расчета осадки гребня плотины).

Практическая значимость исследования заключается в применении и проверке представленной методики верификации численных и аналитических расчетов параметров НДС грунтовых плотин инженерами-геотехниками.

Данные настоящего исследования, полученные в ходе численного моделирования объекта гидротехнического назначения, критически важны для проектирования при его реконструкции или капитальном ремонте. Параметры напряженно-деформированного состояния плотины, рассчитанные с помощью программных комплексов, верифицированных в нашей стране надзорными органами, позволяют принять обоснованные решения, направленные на повышение безопасности и надежности гидротехнического сооружения, особенно с учетом его длительной эксплуатации в любое время его жизненного цикла.

Конфликт интересов

Финансирование

Библиографическая ссылка