Комплексные решения для расчетов и проектирования в гидротехническом строительстве

Аннотация

Одно из основных направлений Стратегии развития строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства, которое реализуется Минстроем, заключается в цифровизации отрасли. Приоритетом в развитии являются отечественные IT-разработки, которые должны создать соответствующую экосистему. Однако в общей схеме «изыскания – проектирование – строительство» существует слабое место — переход от результатов инженерно-геологических изысканий к проектированию. Сложные инженерно-геологические условия строительства гидротехнических сооружений в совокупности со сложными условиями их работы (фильтрационные, сейсмические силы и др.), а также повышенный уровень ответственности предопределяют необходимость расчетного обоснования проектных решений и конструкций. Комплексное решение проблемы с использованием возможностей программы для автоматизации проектно-изыскательских работ nanoCAD GeoniCS и нового отечественного программного комплекса для геотехнических расчетов на основании МКЭ SiO 2D обеспечивает быстрое и надежное решение поставленных задач, в том числе обеспечение автоматизации.

Ключевые слова: проектирование защитных дамб, геотехнические расчеты, оценка устойчивости, фильтрационные расчеты, прогноз деформаций, информационная модель, цифровизация, BIM.

Введение

Не рассматривая мировой опыт, кратко напомним катастрофические события, которые произошли в нашей стране за последние несколько лет.

2018 год, с. Московское, Хакасия. Нарушения при ремонте дамбы привели к ее прорыву и затоплению села в сухую погоду. Жертв удалось избежать.

2019 год, г. Тулун, Иркутская область. Подъем реки на 3 м выше ожидаемого паводкового уровня привел к разрушению дамбы. Человеческие жертвы и ущерб на общую сумму около 35 миллиардов рублей. Одной из причин названо неожиданное и редкое природное явление, возникшее при столкновении трех воздушных масс.

Пострадать могут даже те регионы, которым несвойственны подобные проблемы с подтоплением и климатом.

2020 год, г. Руза, Московская область. После прорыва дамбы произошло затопление улиц, смыло дома и размыло дороги и мосты. Причиной стала повышенная норма атмосферных осадков.

2023 год, г. Уссурийск, Приморский край. Два последовательно прошедших тайфуна переполнили реку Раздольную. Уровень воды превысил максимум 80-летней давности, и произошел прорыв дамбы.

Рис. 1. Размыв дамбы в Хакасии (фото из открытых источников)

Нормативные документы гидротехнической отрасли, регламентирующие проектирование и расчеты, такие как СП 39.13330, СП 23.13330 и СП 58.13330, в части, касающейся расчетов, содержат указание на применение численного моделирования на основании метода конечных элементов. Метод конечных элементов является сегодня основным методом численного анализа в геомеханике, что прослеживается по большому числу публикаций и актуальным изменениям в нормативных документах. Применительно к гидротехническому строительству это весьма обоснованно, поскольку проектирование часто ведется в сложных инженерно-геологических условиях, требующих правильного учета свойств грунтов. Кроме того, особенностью гидротехнических сооружений является необходимость решения дополнительных специфических задач по фильтрации и учету гидродинамических сил. При этом обычно высота сооружений достаточно большая, что часто вносит дополнительные усложнения в проектирование. Решение такого перечня задач доступным для инженера образом возможно путем численного моделирования.

Цифровой двойник — новый этап развития информационных технологий в строительной отрасли. Для его реализации необходимо объединить различные математические и компьютерные модели в единую систему для всестороннего описания строительного объекта. Учитывая сложность цифрового двойника, его создание следует производить поэтапно.

Гидротехнические объекты в виде дамб и плотин возводятся из грунтовых материалов и всегда контактируют с грунтовым основанием. Основой цифрового двойника является геомеханическая модель, определяющая напряженно-деформированное состояние и фильтрационные свойства системы «сооружение — геосреда». Имея геомеханическую модель, проектировщик сможет, во-первых, запроектировать сооружение; во-вторых, принять обоснованные решения при реконструкции или аварийной ситуации. Адекватность модели должна быть определена на основании мониторинга сооружения, результаты которого могут потребовать внесения корректировок в модель.

Для создания математической модели сооружения, которая является частью цифрового двойника, требуется связка с другими программами, обеспечивающими наполнение геомеханической модели необходимыми данными. К таким программам относятся специальные программы для сбора и обработки инженерно-геологической информации и результатов испытаний грунтов, а также программы, позволяющие проектировать план и профиль на основании созданной цифровой модели местности. Далее подробно будет рассмотрен пример проектирования для связки программ проектирования и геотехнических расчетов.

Проектирование защитной дамбы

Конструкции дамб и плотин могут быть неоднородными по своему составу и располагаться в различных условиях местности. Эти условия создают сложности при проектировании в «плоском» графическом редакторе без применения моделирования. Решить эти задачи можно с применением программного комплекса GeoniCS на базе платформы nanoCAD. Программа позволяет:

• обрабатывать данные изысканий;
• создавать цифровую модель рельефа и местности;
• создавать конструкции линейных сооружений;
• рассчитывать объемы земляных работ и материалов;
• создавать поперечные сечения.

Рассмотрим пример проектирования защитной дамбы, которая должна защищать населенный пункт от негативного воздействия паводковых вод. Исходные данные для проектирования были представлены в виде топографической съемки в формате dwg (рис. 2).

Рис. 2. Топосъемка

По примитивам точек съемки была построена модель существующей поверхности земли (рис. 3).

Рис. 3. Трехмерная модель поверхности земли

Отметим, что исходными данными для построения поверхности в GeoniCS могут быть различные объекты: примитивы чертежа, текстовые файлы, 3D-грани и файлы LandXML.

Дамба ограждает существующую дорогу и примыкает к ней. Дамба — это линейный объект, поэтому для ее проектирования необходимо задать осевую линию — трассу. GeoniCS имеет набор инструментов, который позволяет создать трассу как вручную, так и по примитивам чертежа (рис. 4).

Рис. 4. Ось ограждающей дамбы

Далее по оси дамбы (трассе) строится продольный профиль по поверхности земли. Благодаря использованию цифровой модели построение профиля занимает буквально несколько секунд. При этом профиль динамически связан с поверхностью (рис. 5).

Рис. 5. Продольный профиль по оси дамбы

Для проектирования очень важно учитывать геологическое строение в основании дамбы. В GeoniCS есть возможность добавить на продольный профиль по трассе геологический разрез или колонки. Трассе не обязательно проходить через скважины — они будут спроецированы на разрез.

Рис. 6. Геологический разрез по оси дамбы

Примеры различных вариантов конструкций представлены на рис. 7, 8 и 9: однородное, с ядром и с экраном.

Рис. 7. Дамба с экраном и укреплением горной массой

Рис. 8. Дамба с ядром

Рис. 9. Однородная дамба с укреплением горной массой

С помощью звеньев с определенным уклоном был отрисован гребень дамбы. Внешний и внутренний откосы созданы специальными звеньями с выходом на поверхность. Аналогичным образом созданы контуры песка и глины.

Модель дамбы представляет собой 3D-объект, протянутый вдоль профиля дамбы, на который с определенным шагом наложены сечения — коридор. Поперечное сечение будет изменяться в зависимости от заданных параметров конструкции: откосы будут «падать» с уклоном на поверхность рельефа (рис. 10).

Рис. 10. Коридор

Благодаря коридору можно получить поперечные сечения на любых пикетах. Так, например, для геотехнических расчетов требуется сечение в месте, где высота дамбы максимальна. Пикет максимума можно определить с профиля, например, используя рабочие отметки. В итоге получаем окно сечения (рис. 11).

Для расчета объема материалов дамбы используется метод сечений. Сначала задаются материалы. В проекте это глина, песок и щебень. Далее указываются сечения, которыми ограничен данный материал. После расчета сечения закрашиваются в соответствии с заданными материалами, а данные по объемам записываются.

Рис. 11. Окно сечения с штриховкой по материалам

Рис. 12. Расчет объемов по материалам

По полученной конструкции дамбы можно создать поверхности и структурные линии. Их можно использовать для дальнейших построений или расчета объемов по методу призм. Например, можно достаточно точно посчитать объем срезки грунта.

Рис. 13. Модель дамбы из поверхностей

Для оформления проектной документации, а также для геотехнических расчетов необходимо добавить на сечения данные по геологии. Всю информацию о скважинах, которая отображена на профиле, можно добавить и на сечения. Таким образом получается сечение, полностью готовое для экспорта в расчетные программы.

Преимущества цифровой модели очевидны: во-первых, это наглядно, так как можно визуально оценить получившийся проект. Во-вторых, динамические зависимости и обновления по новым исходным данным позволяют не перерабатывать полностью весь проект после внесения изменений. В-третьих, это точность расчетов и построений. Программа достаточно точно определяет отметки, расстояния, объемы между поверхностями.

Полученные сечения передаются в формате dxf в SiO 2D, новый отечественный программный комплекс для геотехнических расчетов на основании метода конечных элементов. Таким образом, геотехнические расчеты могут быть встроены в общую экосистему цифрового двойника для обеспечения бесшовной технологии передачи данных в расчет и получения результатов с возможностью автоматического перерасчета любых изменений.

Гидротехнический расчет

Прежде всего, это расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) сложной системы «сооружение — геосреда». Возведение гидротехнических сооружений часто требует учета стадийности при моделировании. Режим «Стадии» в SiO 2D обеспечивает возможность задать любое количество стадий строительства, а также создать отдельные сценарии развития событий для сравнения, анализа и оценки надежности принятых решений. Принятое к расчету поперечное сечение включает дамбу высотой 8 м с шириной гребня 4,5 м с заложением откосов 1:3 для низового и 1:2 для верхового, а также геологическое строение (рис. 14).

Рис. 14. Расчетная схема геомеханической модели: 1 — глиняное ядро; 2 — дамба из песка средней крупности;
3 — крепление откоса из несортированной горной массы; 4 — насыпные грунты; 5 — суглинок пылеватый полутвердый;
6 — суглинок тяжелый тугопластичный; 7 — песок пылеватый водонасыщенный

Рис. 15. Результаты расчета напоров и поверхности кривой депрессии при фильтрации через дамбу из песка

Расчеты устойчивости являются главным инструментом проектировщика для оценки надежности проектируемого сооружения и его поведения при изменениях в работе. Советский гидротехник и гидравлик Р.Р. Чугаев, один из создателей теоретических основ расчета земляных гидротехнических сооружений, говорил, что для грунтовых сооружений наиболее предпочтительна схема предельного состояния, в которой определены критические значения угла внутреннего трения и сцепления, то есть параметры прочности, определяющие устойчивость. В SiO 2D для этого реализован метод расчета «Снижение прочности», в ходе которого достигается предельное состояние расчетной схемы, причем именно в том месте, которое потенциально опасно и имеет минимальное значение коэффициента устойчивости. Для варианта дамбы из песка устойчивость недостаточная, Куст = 1,07 (рис. 16). В этом расчете учтено фильтрационное давление (гидродинамическая сила).

Рис. 16. Результаты расчетов устойчивости нижнего бьефа для дамбы из песка

Решение о применении глиняного экрана в теле дамбы позволяет решить две задачи: во-первых, изменить положение кривой депрессии и снизить гидродинамическую силу; во-вторых, повысить коэффициент запаса устойчивости. На рис. 17 показан результат расчета устойчивости дамбы с глиняным экраном. Видно изменение положения кривой депрессии и область потенциального смещения, контур которой проходит глубже в основании, что предопределяет повышение надежности — коэффициент устойчивости Куст = 1,6.

Рис. 17. Результаты расчетов устойчивости нижнего бьефа для дамбы с глиняным экраном (изополя перемещений)

Для расчетов сооружений в сейсмических районах предусмотрен специальный вариант расчета для особого сочетания нагрузок. Сейсмическое событие моделируется с помощью добавления инерционных (сейсмических) сил в расчетной схеме в зависимости от балльности землетрясения. Расчет производится в статической постановке с наиболее неблагоприятным направлением сейсмических сил. Это проверенный способ оценки, который обеспечивает надежность при проектировании сооружений в сейсмически опасных зонах.

Рис. 18. Результаты расчетов устойчивости для особого сочетания нагрузок (сейсмика) нижнего
бьефа для дамбы с глиняным экраном (области сдвиговых деформаций)

Заключение

Для грунтовых сооружений на грунтовом основании основной является геомеханическая модель сооружения, отражающая напряженно-деформированное состояние с учетом фильтрационных сил. Выполнение оценки надежности и эксплуатационной пригодности наиболее полноценно осуществляется с применением нового геотехнического программного комплекса SiO 2D. Благодаря возможностям метода конечных элементов, решение сложных геотехнических задач с учетом фильтрации грунтов становится доступным для инженеров-проектировщиков. При правильном подходе к анализу и интерпретации исходных данных возможности SiO 2D позволяют моделировать не только процесс строительства и штатной эксплуатации, но и рассматривать аварийные сценарии для оценки неблагоприятного развития событий. Это позволяет эксплуатационным организациям оперативно принять решение при создании чрезвычайной ситуации на основании модельного прогноза и установленного характера разрушений. Также при необходимости могут быть просчитаны варианты аварийного восстановления, для чего на территории следует предусмотреть хранение материалов, которые могут потребоваться при аварийном восстановлении.

Такой подход позволяет обеспечить оперативную разработку проектной и рабочей документации, улучшить качество проектирования, обеспечить надежность строительства, снизить вероятность аварий, а в случае их непредвиденного возникновения — быстро принять решение о противодеформационном мероприятии.