WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ШАКАРНА Салех ОЦЕНКА

НАДЕЖНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА С УЧЕТОМ СЕЙСМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Специальность 05.23.07 Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

САМАРА 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» и ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» Научный руководитель доктор технических наук, профессор Бальзанников Михаил Иванович

Официальные оппоненты: Финагенов Олег Михайлович, доктор технических наук, профессор, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Центр «Морские нефтегазовые месторождения» (г. Москва), заместитель директора Иванов Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет», заведующий кафедрой Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 30 марта 2012 г. в 1400 на заседании диссертационного совета ДМ 212.213.02 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 443110, Самара, ул. Молодогвардейская, 194, ауд.0407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 28 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 212.213.канд. техн. наук А.А. Михасек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно действующим нормативным документам при проектировании гидротехнических сооружений исходные параметры, случайные по своей природе, заменяются некоторыми усредненными детерминированными значениями, а влияние их изменчивости на проектируемое сооружение учитывается с помощью системы соответствующих коэффициентов «запаса». Такой подход называют «полувероятностным методом».

Накопление информации о статистической изменчивости характеристик грунтов, материалов конструкций, нагрузок и других факторов, а также перерасход материалов, связанный с излишними запасами прочности при использовании недостаточно обоснованных величин коэффициентов «запаса» позволяют перейти к расчетам с использованием вероятностных методов. Проблемы надежности имеют особую значимость для сооружений многофункционального назначения. Весьма актуальным является разработка методов оценки проектной и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений при вынужденном использовании территорий, ранее считавшихся малопригодными для строительства, например, в районах с высокой сейсмичностью.

Наиболее часто недопустимые деформации наблюдаются у сооружений на нескальных основаниях, грунты которых по тем или иным причинам проявляют значительную нелинейную деформируемость, не в полной мере учитываемую при применении традиционных методов расчета. Повышение достоверности расчетов таких оснований связано с применением моделей и методов нелинейной механики грунтов, получившей в конце XX века значительное развитие и широкое практическое применение.

В силу стохастической изменчивости большого числа характеристик, определение надежности, как вероятностной категории, для нелинейнодеформируемых оснований существенно усложняется. Имеющиеся методики в большинстве своем ориентированы на расчет только линейно-деформируемых оснований. В связи с этим, разработка методов оценки проектной и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений в сложных сейсмических условиях, когда следует учитывать различного рода нелинейности в поведении системы «основание – сооружение» является своевременной и актуальной.

Цель и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях в сложных сейсмических условиях с учетом системного подхода.

Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

– выполнение анализа используемых параметров и современных методов оценки надежности гидротехнических сооружений, применяемых математических моделей, описывающих процессы, происходящие в сложных системах, учитывающих статические и динамические воздействия, а также рассмотрение проблем учета сейсмических условий в расчетах надежности гидротехнических сооружений;

– выполнение анализа статистических данных о происшедших в мире авариях и повреждениях конструктивных элементов гидротехнических сооружений, выявление важности учета сейсмических воздействий, а также необходимости учета вероятностных подходов в расчетах надежности;

– разработка методики и алгоритма оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях как сложных систем, учитывающей статические и динамические воздействия и стохастический (случайный) характер свойств грунтов основания и внешних нагрузок, применительно к сложным сейсмическим условиям;

– постановка вероятностных задач оценки надежности гидротехнических сооружений с учетом стохастического характера внешних нагрузок и, в соответствии с разработанной методикой, выполнение вероятностных расчетов оценки надежности в сложных сейсмических условиях конкретных гидротехнических сооружений на нескальных основаниях.

Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются гидротехнические сооружения на нескальных основаниях, в частности грунтовые плотины, в том числе, предназначенные для эксплуатации в сложных сейсмических условиях, а также гидротехнические системы «основание – откос плотины – сооружение». Предмет исследования – методика оценки проектной и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений с применением вероятностных методов расчета.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой являются: анализ нормативно-технической документации по устойчивости гидротехнических сооружений и оценке их надежности, статистический метод – при анализе данных об авариях и нарушениях гидротехнических сооружений и их элементов, расчетно-аналитический – при проведении оценки устойчивости и расчете показателей надежности грунтовых плотин и систем, включающих основание и сооружение. Теоретической базой являются работы ученых и специалистов в области гидротехнического строительства, методы и модели вероятностных подходов к оценке надежности сложных систем. В качестве эмпирической базы исследования использованы описание и анализ эмпирических данных о наблюдениях за сооружениями, параметры нагрузок и воздействий на гидротехнические грунтовые сооружения.

Научная новизна результатов работы заключается в разработке методики оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях как сложных систем в сложных сейсмических условиях, учитывающей неоднородность и нелинейность физико-механических свойств грунтов основания, прочностных характеристик материалов конструкций, а также различные нагрузки и воздействия, в том числе, сейсмические.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования заключается в развитии методов расчета надежности гидротехнических сооружений, предназначенных для эксплуатации в сложных, в том числе, сейсмических условиях, совершенствовании подходов и расчетных моделей оценки устойчивости откосов грунтовых плотин.

Использование разработанных методики и алгоритма позволит более точно определять показатели надежности гидротехнических сооружений, воз водимых на нескальных основаниях, в том числе, в сейсмических районах, выявлять сооружения, имеющие недостаточный или чрезмерный запас надежности, и своевременно вносить корректировки проекта. Это позволит обеспечить соответственно либо требуемую надежную работу объекта, а следовательно, сокращение расходов на восстановительные ремонты из-за возможного выхода гидротехнического сооружения из состояния нормальной эксплуатации, либо экономию расходов на его возведение.

Личный вклад соискателя заключается в проведенном анализе научных работ по применяемым методам оценки надежности гидротехнических сооружений, выявлении направлений совершенствования методов оценки надежности, выполнении анализа статистических данных об авариях и повреждениях гидротехнических сооружений, представлении необходимости использования вероятностных подходов в расчетах надежности, разработке методики и алгоритма оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях в сложных сейсмических условиях на основе системного подхода с учетом вероятностных подходов.

На защиту выносятся:

– методика оценки надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях, учитывающая статические и динамические воздействия, случайный характер свойств грунтов основания и внешних нагрузок, а также сейсмические условия;

– постановка вероятностных задач расчета надежности гидротехнических сооружений на нескальных основаниях при динамических воздействиях, в которых учитывается стохастический характер внешних нагрузок;

– результаты решения частных детерминистических и вероятностных задач по оценке надежности в сложных сейсмических условиях гидротехнических сооружений на нескальных основаниях: откоса грунтовой плотины и системы: основание – грунтовый откос – водозаборная башня гидроузла Тилездит.

Достоверность научных результатов обусловлена тем, что исследования основываются на научно обоснованных и апробированных методах теории надежности, метода математического анализа, использованием обоснованного выбора показателей физико-механических свойств грунтов и нагрузок, используемых в расчетах надежности гидротехнических сооружений, применением общепринятых статистических методов обработки и подтверждается соответствием полученных результатов исследования существующим современным научным представлениям.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на Научно-технической конференции СПбГПУ (Неделя науки СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2004), Региональной конференции по проблемам экологии Санкт-Петербурга и Ленинградской области (Русское Географическое Общество, Санкт-Петербург, 2005), на заседании ученого совета инженерно-строительного факультета СПбГПУ (СПбГПУ Санкт-Петербург, 2007), на научном семинаре по теме: «Устойчивость и долговечность железобетонных конструкций» (СПБГПУ, Санкт-Петербург, 2009), на Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (МГУП, Москва, 2011) и 69й Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (СГАСУ, Самара, 2011).

Реализация работы. Результаты исследовательской работы внедрены в ООО «АРМ-проект» (г. Санкт-Петербург) при проверке надежности проектируемых гидротехнических плотин, а также в учебный процесс ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» и ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» при осуществлении учебных занятий, дипломного и курсового проектирования студентов специальности «Гидротехническое строительство».

Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в пяти печатных работах, в том числе, три – в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 124 наименований, в том числе 16 – на иностранном языке, и приложений. Работа содержит 129 с. машинописного текста, 15 рисунков и 21 таблицу. Общий объем работы – 158 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна, сформулированы цель и основные задачи исследования, приведены сведения о практической значимости результатов работы и ее апробации.

В первой главе приведен обзор современных публикаций по используемым методам оценки надежности гидротехнических сооружений, проанализированы особенности методик расчета их проектной и эксплуатационной надежности, приведены сведения об используемых нормативных коэффициентах надежности, а также сформулированы задачи диссертационного исследования.

Обеспечению надежности и безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) уделяется значительное внимание, поскольку они являются весьма ответственными инженерными объектами как с экономической, так и с экологической и социальной точек зрения. Анализ надежности является одним из основных этапов проектирования ГТС и основывается на строго определенных понятиях современной теории надежности.

Первыми работами по теории надежности можно считать труды М. Майера (1926) и И.Ф. Хоциалова (1929). Существенным развитием их идей явились работы Н.С. Стрелецкого (1935), в которых случайными величинами представлены не только прочностные характеристики строительных материалов, но и нагрузки. Его работы сыграли важную роль в постановке задачи о надежности строительных конструкций и в отношении пропаганды статистических методов расчета. Большое значение в развитии теории надежности сыграли работы В.В.

Болотина, в которых к расчетам строительных конструкций была применена теория случайных процессов.

В области оптимизации нормативной меры надежности сооружений с чисто экономической ответственностью следует отметить работы А. Р. Ржаницына, Б.И. Снарскиса, С.А. Тимашева, А.Я. Дривинга А.С. Пономарева и др.

Важную роль в становлении вероятностного направления в теории надежности сооружений, конструкций и оснований сыграли работы В.В. Болотина, К. Капура. П.Л. Клемяционка, C.A. Корнела, А.П. Кудзиса, Л. Лаберсона, М. Майера, В.В. Михеева, В.Д. Райзера, А.Р. Ржаницина, А.П. Синицына, П.И. Яковлева и др. Непосредственное использование вероятностных методов при расчетах надежности гидротехнических сооружений и их оснований было начато трудами Ц.Е. Мирцхулавы и получило развитие в трудах Т.С. Астраховой, Т.А. Бохуа, В.Н. Бухарцева, Г.А. Воробъева, Г.К. Габричидзе, Т.В. Гавриленко, Э.Г. Газиева, Н.Н. Гераськина, М.И. Гогоберидзе, И.Н. Иващенко, О.М. Финагенова и др.

В настоящее время анализ надежности сложных систем достаточно подробно разработан как системный анализ применительно к сложным изделиям серийного производства. Основные принципы этого анализа могут быть применимы на рассматриваемые нами основания сооружений различного назначения и грунтовые плотины. В диссертации подчеркивается, что нескальные основания и грунтовые сооружения, учитывая неоднородность их строения, изменчивость состояния во времени, следует рассматривать как сложную систему.

Анализ публикаций показал, что при построении математических моделей надежности сложной системы необходимо определять: характер работы системы и принципы организации ее обслуживания в процессе эксплуатации;

конструктивно-технические решения системы; характер возможных отказов ее элементов; состояние отказа системы в заданных условиях ее эксплуатации и другие определяющие надежность факторы. При этом исходной информацией служат данные об элементах сооружения, грунтах и материалах, о нагрузках, условиях эксплуатации, а также о требованиях к показателям эффективности, безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Теория эксплуатации сложных технических систем как научноприкладная дисциплина начала формироваться примерно в 60-ые - 70-ые годы, однако применительно к оценке состояния оснований эксплуатируемых гидротехнических сооружений ее методы начали применяться лишь с конца 80-ых - начала 90-ых годов. Эксплуатационная надежность тесно связана с технической диагностикой, натурными и контрольными наблюдениями за состоянием сооружения.

В диссертации показано, что в самом общем случае нормативное значение надежности задается в виде детерминированной функции времени на ин* * тервале 0 t T, где T – заданный срок службы конструкции. Учитывая, что чаще всего функция надежности – убывающая монотонная, для практических целей обычно нормируют исходную надежность P (0) и конечную P(T*). Часто такой подход рассматривают для сооружений с чисто экономической ответственностью и без учета фактора времени. Однако такой путь встречает в настоящее время серьезные принципиальные возражения, что свидетельствует о необходимости совершенствования методов расчета.

На основании выполненного обзора сделаны выводы о целесообразности выполнения оценки надежности гидротехнических сооружений с применением математических моделей, описывающих процессы, происходящие в сложных системах, учитывающих статические и динамические воздействия, вероятностный характер физико-механических свойств грунтов основания, прочности материалов сооружений и нагрузок, а также фактор времени.

Во второй главе приведены основы оценки надежности гидротехнических сооружений как сложных систем, проанализированы статистические данные об авариях и разрушениях гидротехнических сооружений и их конструктивных элементов, приведены сведения об их причинах, рассмотрены условия для оценки надежности и степени устойчивости откосов грунтовых плотин, определены числовые характеристики показателей физико-механических свойств грунтов и нагрузок, используемых в расчетах надежности гидротехнических сооружений, рекомендованы методы расчета грунтовых плотин, позволяющие учитывать сейсмические условия.

В диссертации отмечено, что конец ХХ – начало ХХI века характеризуется в истории развития человеческого общества опасным ростом количества и масштабов различных катастроф, неблагоприятным проявлением стихийных природных процессов, увеличением риска повреждения экологически опасных сооружений. Эти события провоцируют возникновение чрезвычайных ситуаций, росту прямых и косвенных ущербов. Наиболее опасен риск аварий и катастроф на крупных экологически значимых объектах, к которым относятся подпорные гидротехнические сооружения, плотины, дамбы и др.

Проанализированы статистические данные об авариях и разрушениях гидротехнических сооружений и их конструктивных элементов. Расчетные выборки включали более 17 тыс. плотин. При анализе использовалась классификация аварий плотин по последствиям, принятая International Commission On Large Dams (ІCOLD): Р-1 – разрушение плотины катастрофического характера с прорывом напорного фронта, в результате которого пришлось отказаться от восстановления гидросооружения (84 случая); Р-2 – разрушение катастрофического характера, после которого плотина восстанавливалась (118 случаев);

П-1 – повреждение плотины, которая находилась в эксплуатации и не разрушилась благодаря опорожнению водохранилища (154 случая); П-2 – повреждение плотины при введении в эксплуатацию, которое не привело к ее разрушению благодаря своевременному опорожнению водохранилища (70 случаев); П-3 – повреждение плотины при строительстве, которое не помешало восстановить гидросооружение и заполнить водоем. Статистические данные нарушений на плотинах в соответствии с классификацией, а также статистические оценки вероятностей нарушений на интервале в 150 лет, приведены в таблице 1.

Анализ показал, что среди плотин из грунтовых материалов наибольшее количество различного рода нарушений наблюдалось на каменно-земляных плотинах (17%) и каменно-набросных плотинах (10,9%). Отмечено, что наибольшую опасность для плотин представляют землетрясения, т.к. в связи с сейсмическим фактором число аварий на плотинах достигает нескольких сотен.

Указано на важность учета сейсмических воздействий в расчетах надежности грунтовых плотин.

Для количественной оценки живучести плотин рекомендовано использование статистического коэффициента живучести плотины против прорыва напорного фронта. Выявлено, что этот коэффициент для грунтовых плотин составил 0,94, а для бетонных – 0,96. В связи с проявлением сейсмических воздействий важно совершенствовать методы расчета надежности грунтовых плотин.

Таблица Статистические вероятности возникновения аварий на плотинах (оценки получены на интервале 150 лет для выборки из 17100 плотин) Количество Полные Ежегодные Вид аварии аварий вероятности вероятности, год-Р-1 84 0,0049 3,28.10-Р-2 118 0,0069 4,62.10-П-1 154 0,0090 6,03.10-П-2 70 0,0041 2,74.10-П-3 40 0,0023 1,56.10-Все аварии 466 0,0273 1,84.10-Статистика свидетельствует, что достижение абсолютной безопасности гидротехнических сооружений невозможно, даже если они построены самыми современными методами. Важно обосновать и принять приемлемый уровень риска или безопасности объекта.

В соответствии с представлениями о значительной неоднородности свойств грунтов и содержанием инженерной теории надежности оснований сооружений в качестве показателей физико-механических свойства грунтов следует принимать те из них, которые используются в расчетах по предельным состояниям. К этой категории относятся следующие показатели: физические (объемный вес, влажность, коэффициент пористости, влажности на пределе раскатывания и текучести, индекс пластичности), деформативные (модуль об щих деформаций или коэффициент сжимаемости) и прочностные (угол внутреннего трения и удельное сцепление).

Прочностные и деформационные характеристики грунтов следует считать случайными величинами. В диссертации приводятся формулы определения числовых характеристик показателей свойств грунтов, необходимых для расчетов надежности оснований: статистического математического ожидания, дисперсии, среднеквадратического отклонения, коэффициента вариации и пр.

Показатели свойств природных и уложенных в сооружения грунтов предлагается рассматривать: при коэффициенте вариации Cv p 0,1 – детерминированными величинами; при Cv = 0,1- 0,3 – распределенными по нормальному закону; при Cv = 0,2 - 0,5 – по логнормальному закону; при Cv 0,5 – использовать равномерное распределение.

В настоящее время для расчета сейсмонапряженного состояния и деформаций грунтовых оснований широко используются различные модели грунтов, учитывающие их упругие и упруго-пластические деформации при статических и динамических нагрузках. При этом, методы расчета, основанные на использовании моделей грунтов как линейно-упругой или упруго-вязкой среды при динамических воздействиях, приводят к завышению сейсмических нагрузок и напряжений, возникающих в основаниях при землетрясениях.

В связи с переходом к методам расчета оснований с учетом упругопластических свойств грунтов при динамических нагрузках все более широкое применение получают модели грунтов, основанные на теории пластического течения при статических и динамических нагрузках. Одной из таких моделей является модель идеально-упруго-пластической среды Друккера-Прагера, построенная на основе общего ассоциированного закона течения. Для описания вязких свойств грунта используется модель Кельвина-Фойхта.

Уравнения состояния для используемой модели имеют вид:

&& & & 2eij + 2Geij = sij + sij, (1) && & & 3ii + 3Kii = ii, (2) где ij, ij – компоненты тензоров напряжений и деформаций; sij, eij – девиаторы этих тензоров; G – модуль сдвига; К – модуль объемного сжатия грунта; – сдвиговая и – объемная вязкости, связанные с временами релаксации продольных p и поперечных s волн, а также с модулями K и G соотношениями = Kp + 4/3 G(p - s), (3) = Gs; (4) – параметр, характеризующий пластические свойства.

Приведенный математический аппарат для характеристики показателей свойств грунтов и модель идеально-упруго-пластической среды рекомендуются для использования в расчетах напряженно-деформированного состояния гидротехнических грунтовых плотин, в том числе, при сейсмических воздействиях, а также в качестве основы методики оценки их надежности.

В третьей главе приведена методика вероятностной оценки устойчивости откосов плотин, рассмотрены общие подходы к решению задачи, выработаны рекомендации по вероятностному моделированию нагрузок и воздействий на откос, приведен алгоритм вероятностного анализа устойчивости откосов грунтовых плотин с использованием условных и безусловных вероятностей нарушения устойчивости, приведен пример оценки надежности плотины.

Нарушение устойчивости откосов является одной из ведущих причин аварий на грунтовых гидротехнических сооружениях. Кроме того, достаточно часто негрунтовые гидротехнические сооружения расположены на откосах естественных грунтовых массивов, нарушение устойчивости которых приводит к аварии сооружения. Поэтому следует выполнять расчет системы в целом.

Согласно действующим нормам проверка устойчивости откоса производится по методу предельных состояний, где изменчивость величин учитывается посредством задания их расчетных значений определенной обеспеченности и при помощи соответствующих нормативных коэффициентов. Условие недостижения предельного состояния записывается в виде:

kS,P nfc/c, (5) где kS,P - коэффициент устойчивости при расчетных значениях показателей свойств грунтов и параметров нагрузок; n, fc, c - нормативные коэффициенты: надежности по ответственности, сочетания нагрузок, условий работы.

Устойчивость грунтового откоса плотины может быть обеспечена при любом случайном значении kS, если kS 1. Если kS < 1, то возможно нарушение устойчивости откоса. При этом вероятность такого события зависит от частоты появления значений случайной величины kS < 1. Метод прямых статистических испытаний (метод Монте-Карло) может быть использован для получения параметров распределения коэффициента устойчивости (математических ожиданий, средних квадратичных отклонений и пр., установления плотности распределения вероятностей kS) для выбранной поверхности скольжения. Погрешность метода определяется, главным образом, погрешностью оценки математического ожидания коэффициента устойчивости M(kS) по выборочному среднему N M (kS ) = / N, (6) kS,i i=1 где kS, i - значение коэффициента устойчивости откоса при i - й реализации.

Соответственно, среднее квадратическое отклонение коэффициента устойчивости (kS) определится следующим образом:

N (kS ) = - M (kS )) /(N -1). (7) (kS,i i=1 Гипотеза о нормальном законе распределения как входных случайных величин (показателей свойств грунтов, параметров нагрузок), так и коэффициента устойчивости kS позволяет применить для оценки параметров распределения kS метод статистической линеаризации. Для выбранной поверхности скольжения достаточно одной численной реализации уравнения связи, по которому определяется коэффициент kS. Точность данного метода по сравнению с методом Монте-Карло при вероятностных расчетах устойчивости откосов достаточно высока (5 10%). Однако особым достоинством метода линеаризации является возможность учета «вклада» изменчивости различных входных характеристик на изменчивость kS и окончательные оценки вероятностей нарушения устойчивости.

Для оценки характеристик распределения kS уравнение связи линеаризуется посредством разложения в ряд (например, Тэйлора). Линеаризацию осуществляют в окрестности математического ожидания. Параметры распределения kS определяются зависимостями: математическое ожидание M(kS) kS {M(x1), M(x2),..., M(xn)}; (8) среднее квадратическое отклонение 1/ n n (kS ) / xi ]2 (xi ) - 2 ((kS / xi )(ks / x ) (xi ) (x )r(xi, x )), (9) [kS j j j i i, j где kS {M(x1), M(x2),..., M(xn)} - значение коэффициента устойчивости, полученное при математических ожиданиях входных величин x1, x2,..., xn; kS/xi, kS /xj - частные производные функции kS по характеристикам xi и xj в окрестности точки {M(x1), M(x2),..., M(xn)}; (xi) - среднее квадратическое отклонение (стандарт) величины xi; r(xi, xj) - коэффициент корреляции величин xi и xj.

Выбор вероятностной модели загружения откоса должен основываться на вероятностной интерпретации действующих воздействий, учитывать повторяемость численных характеристик, вероятность сочетаний различных нагрузок и увязываться с общим подходом к вероятностной оценке устойчивости откоса.

Для независящих от времени нагрузок решение сводится к выбору соответствующего распределения для нагрузки как случайной величины. Для изменяющихся во времени воздействий важнейшей статистической характеристикой является повторяемость его определенных значений в заданный промежуток времени. Подходящей вероятностной моделью может служить метод сечений случайного процесса. В соответствии с методом, j - й отметки депрессионной поверхности, j - го значения порового давления, фильтрационной нагрузки и т.

п. P(Fj) в течение расчетного цикла продолжительностью T0 определится как P(Fj) = T(Fj)/T0, (10) где T(Fj) - длительность реализации j - го значения соответствующей нагрузки в течение времени T0. Тогда, для полной группы событий (m сечений случайного процесса) полная вероятность нарушения устойчивости откоса P(kS < 1, F) с учетом учитываемых j - х реализаций нагрузки F составит m P(kS < 1, F) = < 1| Fj )P(Fj ), (11) P(kS j=где P(kS < 1|Fj) - условная вероятность нарушения устойчивости откоса при j - м значении нагрузки F.

Для аппроксимации вероятности появления редких воздействий, параметры которых принято характеризовать качественно-количественными категориями (например, интенсивностью в баллах), обычно используется закон Пуассона:

P(Im) = exp[- (T0/Tm)]T0/Tm, (12) где P(Im) - вероятность однократного появления воздействия интенсивностью Im баллов и периодом повторяемости Tm в течение времени T0.

В диссертации рассмотрены и рекомендованы для использования описания вероятностей сочетания для повторяющихся независимых нагрузок, а также вероятностей сочетания для зависимых нагрузок.

Предложена методика и алгоритм вероятностной оценки надежности грунтовых гидротехнических сооружений на нескальных основаниях как сложных систем. Методика учитывает статические и динамические воздействия, стохастический (случайный) характер свойств грунтов основания и внешних нагрузок, а также сейсмические условия. Предполагается использование условных и безусловных вероятностей нарушения устойчивости грунтовых гидротехнических сооружений, а также сопоставление соответствующих вероятностей нарушения грунтовых плотин по учитываемым факторам и их сочетаниям и выявление среди них наиболее важных, определяющих надежность плотины.

Выполнена постановка вероятностных задач расчета надежности гидротехнических сооружений при динамических воздействиях. В качестве примера проведена вероятностная оценка устойчивости откоса, нагруженного вертикальными силами. Расчеты выполнялись при одинаковых исходных данных с использованием методов: Крея, Терцаги, Како, горизонтальных сил и «a = 0».

Искомая вероятность обрушения откоса определялась как вероятность того, что коэффициент устойчивости откоса kS окажется меньше единицы:

1 1 M (kS ) - - erf P(kS < 1) =, (13) 2 2 (kS ) u erf (u) = exp(-z2 )dz где - функция ошибок.

Сопоставление результатов показало, что наименьшую вероятность нарушения устойчивости дают методы: Како и «a = 0». Погрешности в определении коэффициентов устойчивости по методу «a = 0» не превысили точности вычислений, поэтому этот метод рекомендован для практического применения с целью оценки надежности откосов грунтовых плотин.

Рассмотрена задача по оценке надежности грунтовой плотины в сейсмически активном районе. Отметка гребня плотины – 38,0 м, ширина пляжа 120 м с уклоном 0,04 (рисунок 1). При вероятностном расчете учитывались землетрясения различной интенсивности с соответствующими периодами повторяемости: семибалльных – 100 лет, восьмибалльных – 1000 лет, девятибалльных – 10000 лет. Расчетный срок эксплуатации плотины 0 = 100 лет.

Рисунок 1 – Расчетное поперечное сечение тела грунтовой плотины При расчетах устойчивости откоса плотины рассматривалась плоская задача. Сейсмический фактор учитывался в рамках линейно-спектральной теории. Использовались метод ВНИИГ-Терцаги и метод «a = 0».

В таблице 2 приводятся вероятности обрушения откоса плотины, а на рисунке 2 приведен пример расчета.

Таблица Результаты вероятностных расчетов устойчивости откосов Метод ВНИИГ-Терцаги Метод «a = 0» Расчетные случаи M(kS) D(kS) P(Qотк | Im) M(kS) D(kS) P(Qотк | Im) I6 6 бал. 2,41 0,120 0,00005 2,68 0,134 I7 = 7 бал. 1,57 0,135 0,060 1,72 0,149 0,0I8 = 8 бал. 1,31 0,210 0,250 1,40 0,220 0,1I9 = 9 бал. 1,17 0,219 0,358 1,26 0,235 0,3Использована формула полной вероятности. Получено следующее значение вероятности отказа сооружения при землетрясении: Qc = 4,8310-2 (метод ВНИИГ-Терцаги) и Qc = 3,2310-2 (метод «a = 0»). С учетом срока службы сооружения (100 лет), годовая вероятность отказа плотины соответственно составила: Qc = Qc / 0 = 4,8310-4 1/год и Qc = Qc / 0 = 3,2310-4 1/год.

Рисунок 2 – Пример расчета поверхности сдвига при круглоцилиндрической поверхности.

Коэффициент устойчивости kS = 1,17; радиус дуги – 386,5 м Получившееся значение вероятности отказа меньше допустимой для данного класса сооружений (Qдоп = 10-3 1/год). По результатам расчета сделан вывод об обеспечении надежности плотины при землетрясении.

В четвертой главе приведены примеры расчета надежности гидротехнических сооружений с учетом сейсмических условий на основе разработанной методики на примере гидроузла Тилездит (Алжир), представлены формулировка постановки задачи, обоснования уровня максимального расчетного землетрясения, определена устойчивость системы: «основание – грунтовый откос плотины – водозаборная башня» и оценена ее надежность.

В комплекс гидроузла Тилездит входят грунтовая плотина и основные гидротехнические сооружения первого класса. Водозаборная башня 7,0 х 8,0 м имеет высоту 70 м. Сейсмичность района – 9 баллов по шкале Меркали.

Уровень максимального расчетного землетрясения (МРЗ) для расчетов сейсмостойкости сооружений гидроузла Тилездит выбран с учетом влияния землетрясений с различным периодом повторяемости на сейсмические нагрузки, которое оценивается коэффициентом влияния W:

W = Pc P(It), (14) где Pc – сейсмические силы, действующие на сооружение; P(It) – вероятность возникновения землетрясения за срок службы сооружения t0 (t0 = 100 лет).

Для расчетов сейсмических нагрузок на сооружение по горизонтальному ускорению приняты значения максимальных ускорений грунта (PGA) при различных периодах повторяемости землетрясений согласно таблице 3. Сейсмическая нагрузка для расчетов устойчивости системы определялась в соответствии с указаниями СНиП II-7-81* по зависимости Sx = K1K2KАQii. (15) Коэффициент К1 принимался равным 0,25; коэффициент К2 – равным 1, коэффициент K – равным 1 для землетрясений с периодом повторяемости 1и 500 лет и 0,8 для землетрясений с периодом повторяемости 1000 и 10000 лет.

Таблица Максимальные ускорения грунта (PGA) Период повторяемости, лет PGA, м/с100 1,500 2,1000 4,10000 8,К сейсмической нагрузке от веса сооружения прибавлялась сила сейсмического давления воды Fx, определенная согласно требованиям СНиП II-7-81* Fx = AK1в gd2 h, (16) где коэффициент выбирался согласно СНиП II-7-81* ( = 0,92).

Результаты оценки влияния землетрясений с различным периодом повторяемости на сейсмические нагрузки, приведены в таблице 4.

Таблица Результаты оценки влияния землетрясений на сейсмические нагрузки, действующие на сооружения гидроузла Тилездит Период повторяемости землетрясений t, лет Расчетные значения амплитуд amax, см/сt = 100 t = 500 t = 1000 t = 100amax = 141 amax = 295 amax = 427 amax = 8P(It) 0,368 0,164 0,090 0,0Pc=Sx+Fx, МН 9,93 20,77 24,28 47,W, МН 3,65 3,41 2,19 0,Из приведенных результатов видно, что коэффициент влияния W, соответствующий землетрясению с периодом повторяемости t = 10000 лет, на порядок меньше остальных коэффициентов влияния. Таким образом, при определении надежности и устойчивости водозаборной башни при сейсмическом воздействии допускается за МРЗ принять землетрясение с периодом повторяемости t = 1000 лет и расчетным значением амплитуды amax = 427 см/с2.

Землетрясение с периодом повторяемости 100 лет является проектным землетрясением (ПЗ) для данного сооружения. Расчет устойчивости на это воздействие является обязательным для сооружений I класса. Землетрясение с периодом повторяемости 500 лет примерно также влияет на сейсмические нагрузки, что и ПЗ, поэтому расчет устойчивости и на это воздействие можно считать обязательным. Землетрясение с периодом повторяемости 1000 лет является максимальным расчетным землетрясением, его влияние на сейсмические нагрузки примерно в 1,7 раза меньше, чем влияние ПЗ. Поэтому расчет устойчивости на это землетрясение можно считать не обязательным, а поверочным.

Основание принималось однородным (аргиллито-подобная глина). Угол внутреннего трения принимался равным 240, сцепление – 53 кПа, плотность влажного грунта – 2,32 т/м3. Пример расчета приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Результаты расчета системы «основание – грунтовый откос – сооружение» с водозаборной башней гидроузла Тилездит (Алжир): – Минимальный коэффициент устойчивости ks = 1,874 (землетрясение с периодом повторяемости t = 100 лет); ks = 1,589 (землетрясение с периодом повторяемости t = 500 лет); ks = 1,414 (землетрясение с периодом повторяемости t = 1000 лет).

Расчеты показали, что минимальные коэффициенты устойчивости для случаев землетрясений с периодом повторяемости 100, 500 и 1000 лет превышают допустимый (kдоп = 1,125), т.е. сооружение при таких воздействиях является устойчивым.

За основу оценки надежности системы «основание – грунтовый откос – сооружение» с водозаборной башней приняты расчеты устойчивости, представленные выше. Вероятность нарушения устойчивости системы при землетрясении за весь срок службы будет следующей:

Q = [P100(kS < 1)P(I100) + P500(kS < 1)P(I500) + P1000(kS < 1)P(I1000)]/t0, (17) где Pt(kS < 1) – вероятность нарушения устойчивости системы при землетрясении с периодом повторяемости t = 100, 500 и 1000 лет; P(It) – вероятность возникновения землетрясения с периодом повторяемости ti.

Величины Pt(kS < 1) определяются согласно формуле (13), а величины P(It) – согласно формуле (12). В таблице 5 представлены полученные значения вероятностей Pt(kS < 1) и P(It).

Таблица Значения вероятностей Pt(kS < 1) и P(It) Период повторяемости землетрясения t=100 лет t=500 лет t=1000 лет Pt(kS < 1) 9,5·10-4 6,65·10-3 2,4·10-P(It) 0,368 0,164 0,0Таким образом, значение вероятности нарушения устойчивости системы «основание – грунтовый откос – водозаборная башня» при землетрясении за весь срок службы составит Q = 3,6·10-5 1/год.

Нормативная вероятность отказа для сооружений I класса составляет 5·10-5 1/год. Таким образом, надежность системы «основание – грунтовый откос – водозаборная башня» гидроузла Телездит можно считать обеспеченной.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Выполнен анализ используемых современных методов и параметров оценки надежности гидротехнических сооружений, применяемых математических моделей, описывающих процессы, происходящие в сложных системах, учитывающих статические и динамические воздействия, а также рассмотрены проблемы учета сейсмических условий в расчетах надежности гидротехнических сооружений. Показано, что при проектировании грунтовых гидротехнических сооружений, возводимых на нескальных основаниях, необходимо учитывать большое число неопределенных и случайных факторов, что определяет целесообразность развития вероятностных методов расчета их надежности.

2. Выполнено обобщение статистических данных о происшедших в мире авариях и повреждениях гидротехнических сооружений и их конструктивных элементов, который показал, что среди плотин из грунтовых материалов наибольшее количество различного рода нарушений наблюдалось на каменноземляных плотинах (17%) и каменно-набросных плотинах (10,9%). Показано, что наибольшую опасность для плотин представляют землетрясения. В связи с сейсмическим фактором число аварий на плотинах достигает нескольких сотен.

Указано на важность учета сейсмических воздействий в расчетах надежности грунтовых плотин, а для количественной оценки живучести плотин рекомендовано использование статистического коэффициента живучести плотины против прорыва напорного фронта.

3. Показана целесообразность проведения оценки надежности грунтовых гидротехнических сооружений как сложных систем. При оценке необходимо учитывать системный подход, статистическую оценку аварий и повреждений, вероятностные данные о прочности материалов сооружений, о прочностных и деформационных характеристиках грунтов оснований, о действующих нагрузках, в том числе, сейсмических, а также приемлемый уровень риска и надежности объекта.

4. Предложена схема построения математической модели оценки надежности грунтового гидротехнического сооружения на нескальном основании с учетом вероятностных подходов. Выявлены особенности вероятностного моделирования нагрузок и воздействий на откос грунтовой плотины. Показано, что выбор вероятностной модели загружения откоса должен основываться на вероятностной интерпретации действующих нагрузок и воздействий, а также учитывать повторяемость численных характеристик и вероятность сочетаний различных нагрузок. Рекомендованы для использования описания вероятностей сочетания для повторяющихся независимых нагрузок, а также вероятность сочетания для зависимых нагрузок.

5. Разработана методика и алгоритм вероятностной оценки надежности грунтовых гидротехнических сооружений на нескальных основаниях как сложных систем с учетом статических и динамических воздействий, стохастического характера свойств грунтов основания и внешних нагрузок, учитывающие сейсмические условия. Методика предполагает использование условных и безусловных вероятностей нарушения устойчивости грунтовых гидротехнических сооружений, а также сопоставление вероятностей нарушения устойчивости откоса грунтовых плотин по учитываемым факторам и их сочетаниям и выявление среди них наиболее важных, определяющих надежность сооружений.

6. На основе разработанной методики выполнена постановка вероятностных задач расчета надежности гидротехнических сооружений при динамических воздействиях, что позволяет выполнять вероятностные расчеты надежности гидротехнических сооружений в сложных сейсмических условиях. Рас смотрена надежность однородного грунтового откоса, нагруженного вертикальными активными силами. Надежность оценена по величине вероятности обрушения откоса, которая определена как вероятность явления, когда значение коэффициента устойчивости откоса окажется меньше единицы. Наименьшая вероятность нарушения устойчивости соответствовала методам – «Како» и «a = 0». Для практического применения рекомендован последний метод.

7. Приведены результаты и выполнен анализ практического применения разработанной методики и алгоритма. На основе разработок, выполнены вероятностные расчеты оценки надежности конкретных гидротехнических сооружений на нескальных основаниях, расположенных в сейсмических районах – откоса грунтовой плотины и системы «основание – грунтовый откос – сооружение» с водозаборной башней гидроузла Тилездит (Алжир). Получено, что:

– для грунтовой плотины при рассмотрении четырех расчетных режимов фильтрации при намыве тела плотины и двух режимов при консервации плотины годовая вероятность отказа составила 4,8310-4 1/год и 3,2310-4 1/год (соответственно для разных методов);

– для системы «основание – грунтовый откос – сооружение» с водозаборной башней при рассмотрении трех расчетных вариантов наибольшая вероятность нарушения устойчивости при землетрясении за весь срок службы составила 3,6·10-5 1/год.

Полученные значения оказались меньше нормативных допустимых значений объектов соответственного класса (10-3 1/год и 5·10-5 1/год), что подтвердило надежность рассмотренных гидротехнических сооружений.

СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шакарна, С.М. Обеспечение надежности зданий и сооружений в сложных природно-климатических условиях // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2006. – № 6, т. 1. – С. 175-179.

2. Шакарна, С.М. Оценка надежности оснований зданий и сооружений с учетом сейсмических воздействий // Вестник гражданских инженеров. – 2009. – № 3. – С. 160-164.

3. Шакарна, Салех. Учет влияния землетрясений с различным периодом повторяемости на сейсмические нагрузки // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. – 2011. – Т. 261. – С. 104-108.

б) публикации в других научных изданиях:

4. Шакарна, С.М. Обеспечение надежности зданий и сооружений в сложных природно-климатических условиях оснований // Материалы Международной научной конференции молодых ученых и студентов. – Павлодар, Респ. Казахстан. – 2009. – Т. 6. – С. 238-246.

5. Бальзанников, М.И., Шакарна, Салех. Вероятностная оценка устойчивости откосов грунтовых плотин // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. – 2011. – № 1. С. 129-133.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.