¬аше окно в мир —јѕ–
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ –екламодател€м
—татьи

19 июн€ 2024

 омплексные решени€ дл€ расчетов и проектировани€ в гидротехническом строительстве

≈вгений ‘едоренко, јнастаси€ ѕулина

јвторы Ч сотрудники ЂЌ»ѕ-»нформатикаї; ≈. ‘едоренко, к.г.-м.н., специалист технической поддержки, ј. ѕулина, ведущий инженер —јѕ– по направлению »нфраструктура, горное дело.


јннотаци€

÷ифровизаци€ €вл€етс€ важнейшим направлением —тратегии развити€ строительной отрасли и жилищно-коммунального хоз€йства, реализуемое ћинстроем.

ќсновным направлением в цифровизации строительной отрасли €вл€ютс€ разработка и развитие отечественных IT-разработок, формирующих экосистему, как составл€ющую дл€ взаимодействи€ различных »“-процессов проектировани€.

¬ модели процесса Ђизыскани€ Ч проектирование Ч строительствої существует узкое место Ч переход от результатов инженерно-геологических изысканий к проектированию.

»нженерно-геологические услови€ строительства гидротехнических сооружений в совокупности со сложными услови€ми их работы (фильтрационные, сейсмические силы и др.), а также повышенным уровнем ответственности, предопредел€ют необходимость расчетного обосновани€ проектных решений и конструкций.

 омплексное решение проблемы с использованием возможностей программы дл€ автоматизации проектно-изыскательских работ nanoCAD GeoniCS и программного комплекса дл€ геотехнических расчетов SiO 2D обеспечивают надежное решение задачи расчетного обосновани€ проекта.

 лючевые слова: проектирование защитных дамб, геотехнические расчеты, оценка устойчивости, фильтрационные расчеты, прогноз деформаций, информационна€ модель, цифровизаци€, BIM.

¬ведение

√идротехнические сооружени€ требуют высокой ответственности при проектировании, строительстве и эксплуатации.

—ложные инженерно-геологические услови€ строительства, часто в сейсмически активных област€х, предопредел€ют наличие высокой квалификации у проектировщика. ѕри этом услови€ эксплуатации, св€занные с движением воды через дамбу, накладывают дополнительные требовани€, повышающие трудоемкость проектировани€ и оценку надежности проектируемого объекта.

ќсновные положени€ проектировани€ отражены в нескольких нормативных документах и следование изложенным в них нормам должны, казалось бы, обеспечивать надежность работы объекта. ќднако, это не всегда так.

Ќе рассматрива€ мировой опыт, кратко осветим катастрофические событи€, которые произошли в нашей стране за последние несколько лет.

2018 год, с. ћосковское, ’акаси€. Ќарушени€ при ремонте дамбы привели к ее прорыву и затоплению села в сухую погоду. ∆ертв удалось избежать.

2019 год, г. “улун, »ркутска€ область. ѕодъем реки на 3 м выше ожидаемого паводкового уровн€ привел к разрушению дамбы. „еловеческие жертвы и ущерб на общую сумму около 35 миллиардов рублей. ќдной из причин названо неожиданное и редкое природное €вление, возникшее при столкновении трех воздушных масс. ѕострадать могут даже те регионы, которым несвойственны подобные проблемы с подтоплением и климатом.

2020 год, г. –уза, ћосковска€ область. ѕосле прорыва дамбы произошло затопление улиц, смыло дома и размыло дороги и мосты. ѕричиной стала повышенна€ норма атмосферных осадков.

2023 год, г. ”ссурийск, ѕриморский край. ƒва последовательно прошедших тайфуна переполнили реку –аздольное. ”ровень воды превысил максимум 80-летней давности, и произошел прорыв дамбы.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 1. –азмыв дамбы в ’акасии (фото из открытых источников)

—писок далеко не полный, но нагл€дно демонстрирующий, что проблема обеспечени€ надежности до конца не решена, и разрушени€ повтор€ютс€ из года в год. ќдним из способов решени€ проблемы €вл€етс€ моделирование различных сценариев развити€ событий с возможностью оценки надежности прин€того проектного решени€. Ѕезусловно, физическое моделирование таких процессов весьма затруднительно и трудоемко, чего нельз€ сказать о численном моделировании.

Ќормативные документы гидротехнической отрасли, регламентирующие проектирование и расчеты, такие как —ѕ 39.13330, —ѕ 23.13330 и —ѕ 58.13330, в части, касающейс€ расчетов, содержат указание на применение численного моделировани€ на основании метода конечных элементов. ћетод конечных элементов €вл€етс€ сегодн€ основным методом численного анализа, использующийс€ при разработке программного обеспечени€ дл€ инженерных расчетов, что прослеживаетс€ по большому числу публикаций и актуальным изменени€м в нормативных документах. ѕрименительно к гидротехническому строительству это важно, поскольку проектирование часто ведетс€ в инженерно-геологических услови€х, требующих технически обоснованного учета свойств грунтов.  роме того, особенностью гидротехнических сооружений €вл€етс€ необходимость решени€ дополнительных специфических задач по фильтрации и учету гидродинамических сил. ѕри этом обычно высота сооружений достаточно больша€, что повышает трудоемкость проектировани€.

–ешение такого перечн€ задач, доступным дл€ инженера способом, возможно путем численного моделировани€.

÷ифровой двойник Ч новый этап развити€ информационных технологий в строительной отрасли. ƒл€ его реализации необходимо объединить различные математические и компьютерные модели в единую экосистему дл€ всестороннего описани€ строительного объекта. —оздание цифрового двойника необходимо производить поэтапно.

√идротехнические объекты в виде дамб и плотин возвод€тс€ из грунтовых материалов и всегда контактируют с грунтовым основанием. ќсновой цифрового двойника €вл€етс€ геомеханическа€ модель, определ€юща€ напр€женно-деформированное состо€ние и фильтрационные свойства системы Ђсооружение Ч геосредаї. Ќа основе геомеханической модели проектировщик сможет, во-первых, выполнить расчеты, определ€ющие конструкцию сооружени€, а во-вторых, прин€ть обоснованные решени€ при реконструкции или аварийной ситуации.

 орректность модели должна быть определена на основании мониторинга сооружени€, результаты которого могут потребовать внесени€ корректировок в модель.

ƒл€ создани€ математической модели сооружени€, котора€ €вл€етс€ частью цифрового двойника, требуетс€ программный и/или информационный интерфейс с другими программами, обеспечивающими формирование необходимых данных дл€ геомеханической модели.   последним относ€тс€ специальные программы дл€ сбора и обработки инженерно-геологической информации и результатов испытаний грунтов, а также программы, позвол€ющие проектировать план и профиль на основании созданной цифровой модели местности.

ƒалее подробно будет рассмотрен пример проектировани€ с использованием программ проектировани€ и геотехнических расчетов.

ѕроектирование защитной дамбы

 онструкции дамб и плотин могут быть неоднородными по своему составу и расположены в различных географических и геологических услови€х. Ёти услови€ могут требовать от процесса проектировани€ решени€ дополнительных задач, в том числе при использовании графического редактора без возможности моделировани€. ѕрименение программы GeoniCS на базе платформы nanoCAD позвол€ет:

  • обрабатывать данные изысканий;
  • создавать цифровую модель рельефа и местности;
  • создавать конструкции линейных сооружений;
  • рассчитывать объемы земл€ных работ и материалов;
  • создавать поперечные сечени€.

–ассмотрим пример проектировани€ защитной дамбы, котора€ должна защищать населенный пункт от негативного воздействи€ паводковых вод. »сходные данные дл€ проектировани€ были представлены в виде топографической съемки в формате dwg (рис. 2).

Ќ»ѕ информатика

–ис. 2. “опосъемка

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

Ќ»ѕ информатика

–ис. 3. “рехмерна€ модель поверхности земли

ќтметим, что исходными данными дл€ построени€ поверхности в GeoniCS могут быть различные объекты: примитивы чертежа, текстовые файлы, 3D-грани и файлы LandXML.

ƒамба ограждает существующую дорогу и примыкает к ней. ƒамба Ч это линейный объект, поэтому дл€ ее проектировани€ необходимо задать осевую линию Ч трассу. GeoniCS имеет набор инструментов, который позвол€ет создать трассу как вручную, так и по примитивам чертежа (рис. 4).

Ќ»ѕ информатика

–ис. 4. ќсь ограждающей дамбы

«атем по оси дамбы (трассе) строитс€ продольный профиль по поверхности земли. Ѕлагодар€ использованию цифровой модели построение профил€ занимает буквально несколько секунд. ѕри этом профиль динамически св€зан с поверхностью (рис. 5).

Ќ»ѕ информатика

–ис. 5. ѕродольный профиль по оси дамбы

ƒл€ проектировани€ важно учитывать геологическое строение в основании дамбы. ѕрограмма GeoniCS позвол€ет добавить на продольный профиль по трассе геологический разрез или колонки. “рассе не об€зательно проходить через скважины Ч они будут спроецированы на разрез.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 6. √еологический разрез по оси дамбы

Ќеобходимо также задать конструкцию поперечного сечени€ дамбы, котора€ будет использована дл€ создани€ 3D модели дамбы. ѕрограмма позвол€ет создавать пользовательские конструкции с использованием точек, звеньев и фигур. Ётим элементам могут быть заданы определенные правила поведени€ и взаимодействи€ с поверхност€ми, трассами и другими объектами GeoniCS.

ѕримеры различных вариантов конструкций представлены на –ис. 7, 8 и 9: однородное, с €дром и с экраном.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 7. ƒамба с экраном и укреплением горной массой

Ќ»ѕ информатика

–ис. 8. ƒамба с €дром

Ќ»ѕ информатика

–ис. 9. ќднородна€ дамба с укреплением горной массой

— помощью звеньев с определенным уклоном был отрисован гребень дамбы. ¬нешний и внутренний откосы созданы специальными звень€ми с выходом на поверхность. јналогичным образом созданы контуры песка и глины.

ћодель дамбы представл€ет собой 3D-объект, прот€нутый вдоль профил€ дамбы, на который с определенным шагом наложены сечени€ Ч коридор. ѕоперечное сечение будет измен€тьс€ в зависимости от заданных параметров конструкции: откосы будут Ђпадатьї с уклоном на поверхность рельефа (рис. 10).

Ќ»ѕ информатика

–ис. 10.  оридор

Ѕлагодар€ коридору можно получить поперечные сечени€ на любых пикетах. “ак, например, дл€ геотехнических расчетов требуетс€ сечение в месте, где высота дамбы максимальна. ѕикет максимума можно определить с профил€, например, использу€ рабочие отметки. ¬ итоге получаем окно сечени€ (рис. 11).

ƒл€ расчета объема материалов дамбы используетс€ метод сечений. —начала задаютс€ материалы. ¬ проекте это глина, песок и щебень. ƒалее указываютс€ сечени€, которыми ограничен данный материал. ѕосле расчета сечени€ закрашиваютс€ в соответствии с заданными материалами, а данные по объемам записываютс€.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 11. ќкно сечени€ с штриховкой по материалам

Ќ»ѕ информатика

–ис. 12. –асчет объемов по материалам

ѕо полученной конструкции дамбы можно создать поверхности и структурные линии. »х можно использовать дл€ дальнейших построений или расчета объемов по методу призм. Ќапример, можно достаточно точно посчитать объем срезки грунта.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 13. ћодель дамбы из поверхностей

ƒл€ оформлени€ проектной документации, а также дл€ геотехнических расчетов необходимо добавить данные по геологии на сечени€. »нформацию о скважинах, котора€ отображена на профиле, можно добавить и на сечени€. “аким образом получаетс€ сечение, полностью готовое дл€ экспорта в расчетные программы.

ѕреимущества цифровой модели очевидны:

  • ¬о-первых, это нагл€дно, так как можно визуально оценить получившийс€ проект.
  • ¬о-вторых, динамические зависимости и обновлени€ по новым исходным данным позвол€ют не перерабатывать полностью весь проект после внесени€ изменений.
  • ¬-третьих, это точность расчетов и построений. ѕрограмма достаточно точно определ€ет отметки, рассто€ни€, объемы между поверхност€ми.

ѕолученные сечени€ передаютс€ в формате dxf в SiO 2D, программный комплекс дл€ геотехнических расчетов на основании метода конечных элементов. “аким образом, геотехнические расчеты могут быть встроены в общую экосистему цифрового двойника дл€ обеспечени€ бесшовной технологии передачи данных в расчет и получени€ результатов с возможностью автоматического перерасчета любых изменений.

√идротехнический расчет

ѕрежде всего, это расчет напр€женно-деформированного состо€ни€ (Ќƒ—) сложной системы Ђсооружение Ч геосредаї. ¬озведение гидротехнических сооружений часто требует учета стадийности при моделировании. –ежим Ђ—тадииї в SiO 2D обеспечивает возможность задать любое количество стадий строительства, а также создать отдельные сценарии развити€ событий дл€ сравнени€, анализа и оценки надежности прин€тых решений. ѕрин€тое к расчету поперечное сечение включает дамбу высотой 8 м с шириной гребн€ 4,5 м с заложением откосов 1:3 дл€ низового и 1:2 дл€ верхового, а также геологическое строение (рис. 14).

Ќ»ѕ информатика

–ис. 14. –асчетна€ схема геомеханической модели: 1 Ч глин€ное €дро; 2 Ч дамба из песка средней крупности;
3 Ч крепление откоса из несортированной горной массы; 4 Ч насыпные грунты; 5 Ч суглинок пылеватый полутвердый;
6 Ч суглинок т€желый тугопластичный; 7 Ч песок пылеватый водонасыщенный

–асчет фильтрации Ч это одна из основных и наиболее значимых задач в гидротехническом строительстве. –аспределение порового давлени€ в грунтовых плотинах будет определ€ть изменение напр€женного состо€ни€, а гидродинамическа€ сила может приводить к разрушени€м сооружений. Ќа рис. 15 показан результат фильтрационного расчета дамбы без глин€ного экрана.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 15. –езультаты расчета напоров и поверхности кривой депрессии при фильтрации через дамбу из песка

–асчеты устойчивости €вл€ютс€ главным инструментом проектировщика дл€ оценки надежности проектируемого сооружени€ и его поведени€ при изменени€х в работе. —оветский гидротехник и гидравлик –.–. „угаев, один из создателей теоретических основ расчета земл€ных гидротехнических сооружений, говорил, что дл€ грунтовых сооружений наиболее предпочтительна схема предельного состо€ни€, в которой определены критические значени€ угла внутреннего трени€ и сцеплени€, то есть параметры прочности, определ€ющие устойчивость. ¬ SiO 2D дл€ этого реализован метод расчета Ђ—нижение прочностиї, в ходе которого достигаетс€ предельное состо€ние расчетной схемы, причем именно в том месте, которое потенциально опасно и имеет минимальное значение коэффициента устойчивости. ƒл€ варианта дамбы из песка устойчивость недостаточна€,  уст = 1,07 (рис. 16). ¬ этом расчете учтено фильтрационное давление (гидродинамическа€ сила).

Ќ»ѕ информатика

–ис. 16. –езультаты расчетов устойчивости нижнего бьефа дл€ дамбы из песка

–ешение о применении глин€ного экрана в теле дамбы позвол€ет решить две задачи: во-первых, изменить положение кривой депрессии и снизить гидродинамическую силу; во-вторых, повысить коэффициент запаса устойчивости. Ќа рис. 17 показан результат расчета устойчивости дамбы с глин€ным экраном. ¬идно изменение положени€ кривой депрессии и область потенциального смещени€, контур которой проходит глубже в основании, что предопредел€ет повышение надежности Ч коэффициент устойчивости  уст = 1,6.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 17. –езультаты расчетов устойчивости нижнего бьефа дл€ дамбы с глин€ным экраном (изопол€ перемещений)

ƒл€ расчетов сооружений в сейсмических районах предусмотрен специальный вариант расчета дл€ особого сочетани€ нагрузок. —ейсмическое событие моделируетс€ с помощью добавлени€ инерционных (сейсмических) сил в расчетной схеме в зависимости от балльности землетр€сени€. –асчет производитс€ в статической постановке с наиболее неблагопри€тным направлением сейсмических сил. Ёто проверенный способ оценки, который обеспечивает надежность при проектировании сооружений в сейсмически опасных зонах.

Ќ»ѕ информатика

–ис. 18. –езультаты расчетов устойчивости дл€ особого сочетани€ нагрузок (сейсмика) нижнего бьефа дл€ дамбы с глин€ным экраном (области сдвиговых деформаций)

¬озможность задани€ стадийности расчетов в SiO 2D позвол€ет проектировщику формировать несколько параллельных сценариев из разного количества стадий. “аким образом инженер может оценить вли€ние различных факторов на надежность сооружени€. ¬ каждой ветке сценари€ может находитьс€ любое количество стадий расчета, например, дл€ последовательного возведени€ дамбы или дл€ нескольких этапов ее наращивани€. “акой подход обеспечивает выполнение оценки устойчивости дл€ каждого из блоков-сценариев, на основании чего проектные организации могут принимать решение о том, достаточно ли надежна конструкци€ или требуютс€ дополнительные противодеформационные меропри€ти€.  роме того, на основании прогнозных расчетов на стадии проектировани€, исход€ из анализа развити€ смещений и сдвиговых деформаций, можно предусмотреть превентивные меропри€ти€ дл€ аварийных ситуаций, когда времени на прин€тие решени€ будет мало.

«аключение

ѕроектирование, строительство и эксплуатаци€ таких сложных объектов, как гидротехнические дамбы, сопр€жено с необходимостью полноценного учета разнообразных факторов.

ƒл€ обеспечени€ надежности на врем€ всего жизненного цикла объекта необходим цифровой двойник Ч едина€ система различных математических и компьютерных моделей. –ассматрива€ часть системы в виде св€зки двух программ Ч дл€ автоматизации проектно-изыскательских работ nanoCAD GeoniCS и программного комплекса дл€ геотехнических расчетов на основании ћ Ё SiO 2D Ч показана возможность проектировани€ гидротехнической дамбы и моделирование прогнозных сценариев. Ќаличие командной строки и консольной версии SiO 2D обеспечивает автоматизацию выполнени€ расчета и перерасчета при изменении входных параметров из программы nanoCAD GeoniCS (например, изменение плана или профил€ и пр.), что можно рассматривать как часть сложного процесса обеспечени€ жизненного цикла сооружени€.

ƒл€ грунтовых сооружений на грунтовом основании основной €вл€етс€ геомеханическа€ модель сооружени€, отражающа€ напр€женно-деформированное состо€ние с учетом фильтрационных сил. ќценка надежности и эксплуатационной пригодности наиболее полноценно осуществл€етс€ с применением разработки компании ќќќ ЂЌ»ѕ-»нформатикаї Ч геотехнического программного комплекса SiO 2D. Ѕлагодар€ возможност€м метода конечных элементов, решение сложных геотехнических задач с учетом фильтрации грунтов становитс€ доступным дл€ инженеров-проектировщиков. ѕри обоснованном подходе к анализу и интерпретации исходных данных возможности SiO 2D позвол€ют моделировать не только процесс строительства и штатной эксплуатации, но и рассматривать аварийные сценарии дл€ оценки неблагопри€тного развити€ событий. Ёто позволит эксплуатационным организаци€м оперативно принимать решение при создании чрезвычайной ситуации на основании модельного прогноза и установленного характера разрушений. “акже при необходимости могут быть просчитаны варианты аварийного восстановлени€, дл€ чего на территории следует предусмотреть хранение материалов, которые могут потребоватьс€ при аварийном восстановлении.

“акой подход позвол€ет обеспечить оперативную разработку проектной и рабочей документации, улучшить качество проектировани€, обеспечить надежность строительства, снизить веро€тность аварий, а в случае их непредвиденного возникновени€ Ч быстро прин€ть решение о противодеформационном меропри€тии.


–еклама. ќќќ ЂЌ»ѕ-»нформатикаї. erid: 2SDnjd2RAZp



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: Ђ” нас сейчас есть реальна€ возможность их обогнатьї
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2024 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.