Комплексные решения для расчетов и проектирования в гидротехническом строительстве

Аннотация

Цифровизация является важнейшим направлением Стратегии развития строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства, реализуемое Минстроем.

Основным направлением в цифровизации строительной отрасли являются разработка и развитие отечественных IT-разработок, формирующих экосистему, как составляющую для взаимодействия различных ИТ-процессов проектирования.

В модели процесса «изыскания — проектирование — строительство» существует узкое место — переход от результатов инженерно-геологических изысканий к проектированию.

Инженерно-геологические условия строительства гидротехнических сооружений в совокупности со сложными условиями их работы (фильтрационные, сейсмические силы и др.), а также повышенным уровнем ответственности, предопределяют необходимость расчетного обоснования проектных решений и конструкций.

Комплексное решение проблемы с использованием возможностей программы для автоматизации проектно-изыскательских работ nanoCAD GeoniCS и программного комплекса для геотехнических расчетов SiO 2D обеспечивают надежное решение задачи расчетного обоснования проекта.

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

Введение

Гидротехнические сооружения требуют высокой ответственности при проектировании, строительстве и эксплуатации.

Сложные инженерно-геологические условия строительства, часто в сейсмически активных областях, предопределяют наличие высокой квалификации у проектировщика. При этом условия эксплуатации, связанные с движением воды через дамбу, накладывают дополнительные требования, повышающие трудоемкость проектирования и оценку надежности проектируемого объекта.

Основные положения проектирования отражены в нескольких нормативных документах и следование изложенным в них нормам должны, казалось бы, обеспечивать надежность работы объекта. Однако, это не всегда так.

Не рассматривая мировой опыт, кратко осветим 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 Раздольное. Уровень воды превысил максимум 80-летней давности, и произошел прорыв дамбы.

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

Список далеко не полный, но наглядно демонстрирующий, что проблема обеспечения надежности до конца не решена, и разрушения повторяются из года в год. Одним из способов решения проблемы является моделирование различных сценариев развития событий с возможностью оценки надежности принятого проектного решения. Безусловно, физическое моделирование таких процессов весьма затруднительно и трудоемко, чего нельзя сказать о численном моделировании.

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, использующийся при разработке программного обеспечения для инженерных расчетов, что прослеживается по большому числу публикаций и актуальным изменениям в нормативных документах. Применительно к гидротехническому строительству это важно, поскольку проектирование часто ведется в инженерно-геологических условиях, требующих технически обоснованного 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 повышает трудоемкость проектирования.

Решение такого перечня задач, доступным для инженера способом, 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 экосистему для всестороннего описания строительного объекта. Создание цифрового двойника необходимо 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». На основе геомеханической модели проектировщик сможет, во-первых, выполнить расчеты, определяющие конструкцию сооружения, а во-вторых, принять обоснованные решения при реконструкции или аварийной ситуации.

Корректность 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 программный и/или информационный интерфейс с другими программами, обеспечивающими формирование необходимых данных для геомеханической модели. К последним 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 с использованием программ проектирования и геотехнических расчетов.

Проектирование защитной дамбы

Конструкции дамб и плотин могут быть неоднородными по своему составу и расположены в различных географических и геологических условиях. Эти условия могут требовать от процесса проектирования решения дополнительных задач, в том числе при использовании графического редактора без возможности моделирования. Применение программы GeoniCS на базе платформы nanoCAD 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

Затем 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 важно учитывать геологическое строение в основании дамбы. Программа GeoniCS позволяет 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

Необходимо также задать конструкцию поперечного сечения дамбы, которая будет использована для создания 3D модели дамбы. Программа позволяет создавать пользовательские конструкции с использованием точек, звеньев и фигур. Этим элементам могут быть заданы определенные правила поведения и взаимодействия с поверхностями, трассами и другими объектами GeoniCS.

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 данные по геологии на сечения. 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, 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

Расчет фильтрации — это одна из основных и наиболее значимых задач в гидротехническом строительстве. Распределение порового давления в грунтовых плотинах будет определять изменение напряженного состояния, а гидродинамическая сила может приводить к разрушениям сооружений. На рис. 15 показан результат фильтрационного расчета дамбы без глиняного экрана.

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)

Возможность задания стадийности расчетов в SiO 2D позволяет проектировщику формировать несколько параллельных сценариев из разного количества стадий. Таким образом инженер может оценить влияние различных факторов на надежность сооружения. В каждой ветке сценария может находиться любое количество стадий расчета, например, для последовательного возведения дамбы или для нескольких этапов ее наращивания. Такой подход обеспечивает выполнение оценки устойчивости для каждого из блоков-сценариев, на основании чего проектные организации могут принимать решение о том, достаточно ли надежна конструкция или требуются дополнительные противодеформационные мероприятия. Кроме того, на основании прогнозных расчетов на стадии проектирования, исходя из анализа развития смещений и сдвиговых деформаций, можно предусмотреть превентивные мероприятия для аварийных ситуаций, когда времени на принятие решения будет мало.

Заключение

Проектирование, строительство и эксплуатация таких сложных объектов, как гидротехнические дамбы, сопряжено с необходимостью полноценного учета разнообразных факторов.

Для обеспечения надежности на время всего жизненного цикла объекта необходим цифровой двойник — единая система различных математических и компьютерных моделей. Рассматривая часть системы в виде связки двух программ — для автоматизации проектно-изыскательских работ nanoCAD GeoniCS и программного комплекса для геотехнических расчетов на основании МКЭ SiO 2D — показана возможность проектирования гидротехнической дамбы и моделирование прогнозных сценариев. Наличие командной строки и консольной версии SiO 2D обеспечивает автоматизацию выполнения расчета и перерасчета при изменении входных параметров из программы nanoCAD GeoniCS (например, изменение плана или профиля и пр.), что можно рассматривать как часть сложного процесса обеспечения жизненного цикла сооружения.

Для грунтовых сооружений на грунтовом основании основной является геомеханическая модель сооружения, отражающая напряженно-деформированное состояние с учетом фильтрационных сил. Оценка надежности и эксплуатационной пригодности наиболее полноценно осуществляется с применением разработки компании ООО «НИП-Информатика» — геотехнического программного комплекса SiO 2D. Благодаря возможностям метода конечных элементов, решение сложных геотехнических задач с учетом фильтрации грунтов становится доступным для инженеров-проектировщиков. При обоснованном 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 позволит эксплуатационным организациям оперативно принимать 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.

Реклама. ООО «НИП-Информатика». erid: 2SDnjd2RAZp