Гранично-элементный подход к расчету напорных гидротехнических туннелей без обделки

Актуальность проблемы. Подземные гидротехнические сооружения широко распространены и являются одними из самых сложных и трудоемких типов сооружений, входящих в состав гидроузлов, мелиоративных систем и систем водоснабжения.

Высокая ответственность конструкций гидротехнических сооружений предъявляет к ним повышенные требования в части достоверности расчетов прочности и безопасности согласно требованиям Закона РФ «О безопасности гидротехнических сооружений».

Конструктивно гидротехнические туннели могут возводиться с обделкой * или без нее, при проходке в слаботрещиноватых скальных неразмываемых грунтах. Применение туннелей без обделки позволяет на 20 — 30% снизить стоимость и на 10−15% сократить сроки их строительства.

В существующих нормах отсутствуют конкретные указания по глубине заложения и расчету напорных гидротехнических туннелей без обделки, а также по выбору рациональной формы поперечного сечения в зависимости от коэффициента крепости грунта, как это сделано для безнапорных туннелей.

Среди наиболее употребительных численных методов, применяемых при расчете гидротехнических туннелей, следует отметить метод конечных элементов (МКЭ). Не менее перспективным является метод граничных элементов (МГЭ), который не нашел пока широкого применения в расчетах гидротехнических туннелей.

Важными достоинствами МГЭ является значительное ускорение времени решения задач, а также упрощение подготовки исходных данных по сравнению с МКЭ, что особенно актуально для расчета туннелей со сложной формой поперечного сечения и значительной глубиной заложения.

В настоящее время отсутствуют исследования напряженного состояния напорных гидротехнических туннелей методом граничных элементов.

Целью работы является разработка практических рекомендаций по выбору наиболее рациональной формы поперечного сечения напорных гидротехнических туннелей без обделки и определению предельной глубины их заложения.

Из поставленной цели вытекают следующие задачи исследований:

1. Разработка и научное обоснование методики граничноэлементного расчета и программы на ЭВМ, учитывающих различные факторы, встречающиеся при проектировании напорных гидротехнических туннелей без обдел.

4 ки: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, глубину заложения, вид нагрузок и воздействий (собственный вес грунта, внутреннее давление воды в туннеле, сейсмическое воздействие).

2. Проведение параметрического анализа зависимости напряженного состояния вблизи напорных гидротехнических туннелей без обделки от вышеперечисленных факторов.

3. Разработка практических рекомендаций по выбору рациональных форм поперечных сечений напорных гидротехнических туннелей без обделки и предельных глубин их заложения в зависимости от нагрузок и воздействий, а также — типа грунта.

Научная новизна:

— разработана методика расчета, основанная на методе граничных элементов в форме фиктивных нагрузок по определению статического и квазистатического напряженного состояния вблизи напорных гидротехнических туннелей без обделки, учитывающая различные факторы, встречающиеся при проектировании: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, Ш глубину заложения, вид нагрузок и воздействий;

— проведен параметрический анализ зависимости напряженного состояния вблизи напорных гидротехнических туннелей без обделки от вышеперечисленных факторовразработаны практические рекомендации по выбору рациональных форм поперечных сечений напорных гидротехнических туннелей без обделки и предельных глубин их заложения в зависимости от типа грунта, нагрузок и воздействий.

Практическая ценность работы. Разработанная методика расчета дает возможность достаточно надежно и научно-обоснованно определять статическое и квазистатическое напряженное состояние вблизи напорных гидро-% технических туннелей без обделки.

Составленная на ее основе программа для ЭВМ проста в эксплуатации и учитывает разнообразные факторы, встречающиеся при проектировании напорных гидротехнических туннелей без обделки: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, глубину заложения, вид нагрузок и воздействий для сейсмически неактивных и активных районов.

Определены предельные глубины заложения напорных гидротехнических туннелей без обделки. * Реализация работы. Разработанная методика, программа и таблицы могут быть внедрены в практику проектирования и эксплуатации подземных ГТС, а результаты диссертации — в учебный курс «Гидротехнические сооружения».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях МГУП и кафедре теории сооружений и строительной механики.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы четыре печат-4' ные работы.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии (83 наименования, 13 на.

Заключение

.

1. Напорные туннели допускается проектировать без обделки при проходке в слаботрещиноватых скальных неразмываемых грунтах, что позволяет на 20 — 30% снизить стоимость и на 10 — 15% сократить сроки их строительства.

2. В существующих нормах отсутствуют конкретные указания по глубине заложения и расчету напорных гидротехнических туннелей без обделки, а также по выбору формы поперечного сечения в зависимости от коэффициента крепости грунта, как это сделано для безнапорных туннелей.

3. В настоящее время отсутствуют исследования напряженного состояния напорных гидротехнических туннелей методом граничных элементов, хотя его использование, например в форме фиктивных нагрузок, хорошо приспособлено для решения задач такого рода. Метод фиктивных нагрузок позволяет решать задачи на больших областях, что особенно актуально для расчета туннелей со сложной формой поперечного сечения и значительной глубиной заложения с большим числом элементов разбивки окружающего грунта. Кроме того, он основан на аналитических решениях и потому точнее метода конечных элементов, а также значительно упрощает подготовку исходных данных.

4. На основе метода фиктивных нагрузок нами разработана и научно обоснована методика численного расчета напряженного состояния вблизи выработок напорных гидротехнических туннелей без обделки. Эта методика легла в основу удобной для применения вычислительной программы для расчета на персональных ЭВМ напряженного состояния напорных гидротехнических туннелей без обделки (решена первая задача исследований). Программа учитывает различные факторы, встречающиеся при проектировании напорных гидротехнических туннелей без обделки: форму и размеры поперечного сечения, тип грунта, глубину заложения, а также различный вид нагрузок и воздействий (собственный вес грунта и воды в туннеле, внутренний напор воды, сейсмическое воздействие продольной и поперечной волн, сейсмическое давление воды в туннеле).

5. С помощью разработанной нами программы метода граничных элементов в форме фиктивных нагрузок был произведен расчет напорного гидротехнического туннеля без обделки на следующие единичные и реальные нагрузки и воздействия, а также их сочетания для сейсмически неактивного и активного районов: собственный вес грунта и воды в туннеле, внутренний напор воды, сейсмическое воздействие продольной и поперечной волн, сейсмическое давление воды в туннеле с учетом формы и размеров поперечного сечения, типа скального грунта, а также балльности.

6. Проведенный нами параметрический анализ результатов расчета на отдельные виды нагрузок и воздействий (решена вторая задача исследований) впервые показал, что наиболее рациональными формами поперечного сечения напорного гидротехнического туннеля без обделки являются (решена третья задача исследований):

— при нагрузке от собственного веса грунта — коробовая, при соотношении размеров сечения h/b =1,5 (величина максимального растягивающего тангенциального напряжения <�т+тах — 1,463 МПа), а наименее рациональным — прямоугольная при h/b =1,0 (<�т+тах = 1,785 МПа);

— от собственного веса воды в туннеле — круговая (о-+тах = 0,015 — 0,045 МПа), а наименее рациональным — прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (а тах = 0,044 — 0,132 МПа);

— при внутреннем напоре воды — круговая (о+тах = 1,0 — 2,0 МПа), а наименее рациональными — прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (о" +ОТЛХ = 2,864 — 5,740 МПа);

— при сейсмическом воздействии продольной волны — коробовая при h/b = 1,5 (а+тах = 0,164 — 0,656 МПа), а наименее рациональными — прямоугольная и корытообразная при h/b =1,0 (cr+, nai = 0,198 — 0,800 МПа);

— при сейсмическом воздействии поперечной волны — круговая (a+max = 0,368 — 1,470 МПа), а наименее рациональными — прямоугольная при h/b = 1,0 и корытообразная при h/b =1,5 (а+тах = 0,662 — 2,647 МПа);

— при сейсмическом давлении воды — круговая (<�т+тах = 0,025 — 0,100 МПа), а наименее рациональными — прямоугольная и корытообразная при h/b = 1,5 (a max = 0,072 — 0,287 МПа).

7. Проведенный нами параметрический анализ на сочетание нагрузок и воздействий (решена вторая задача исследований) показал, что наиболее рациональными формами поперечного сечения напорного гидротехнического туннеля без обделки является (решена третья задача исследований);

— для сейсмически неактивного района при сочетании нагрузок от собственного веса грунта и воды в туннеле, а также внутреннего напора — коробовая при h/b = 1,0 (jj+max = 1,900 — 2,204 МПа), а наименее рациональнымипрямоугольная и корытообразная при h/b =1,5 (er+ma* = 2,796 — 4,582 МПа). При этом влиянием собственного веса воды в туннеле по сравнению с другими нагрузками и воздействиями можно пренебречь;

— для сейсмически активного района — коробовая при h/b =1,0 (o+max = 3,973 — 4,313 МПа), а наименее рациональным — корытообразная при h/b = 1,5 (р-*пшх = 5,612 — 7,229 МПа). При этом, поскольку значения максимальных растягивающих тангенциальных напряжений по контуру туннеля без обделки при сейсмическом воздействии поперечной волны в 2 — 3 раза больше, чем при продольной, распространяющейся с большей (в 1,5−2 раза) скоростью, то в расчетное сочетание включалось только воздействие поперечной волны.

8. Исходя из условия прочности по величине максимального растягивающего тангенциального напряжения по контуру гидротехнического напорного туннеля без обделки, были определены предельные глубины его заложения (решена третья задача исследований). А именно, в сейсмически неактивном районе такой туннель может иметь в скальных грунтах в зависимости от их крепости мелкое, среднее и глубокое заложение (до 680 м). В случае превышения расчетной предельной глубины заложения необходимо устройство обделки.

9. В сейсмически активном районе напорный гидротехнический туннель без обделки может иметь в скальных грунтах в зависимости от их крепости мелкое и среднее заложение (до 564 м). Для глубокого заложения такого туннеля и в случае превышения расчетной предельной глубины необходимо устройство обделки.