Математическое моделирование плавных подземных контуров основания гидротехнических сооружений с участками постоянной скорости обтекания

Актуальность темы

При гидромеханическом расчете скоростей фильтрации вдоль подземных контуров (ПК) основания гидротехнических сооружений, состоящих из отрезков прямых линий, приходится сталкиваться с тем обстоятельством, что в ряде вершин получаются бесконечно большие скорости: на концах плоского флютбета, на конце шпунта, при обтекании прямого угла заглубленной плотины и т. д. Наличие же подобных больших скоростей является крайне нежелательным и чрезвычайно опасным явлением, в особенности в области выхода фильтрационного потока в нижний бьеф, поскольку оно может привести к деформации грунта и угрожать устойчивости гидросооружения. Известно, что как бы ни был длинным или глубоким подземный контур плотины, на острых ребрах всегда возникнут большие скорости, поэтому желательны возможно плавные очертания подземных контуров, так что разработка моделей для расчета подземного контура основания гидротехнических сооружений с участками постоянной скорости обтекания является весьма актуальной. Важность подобных разработок заключается также и в том, что существующие модели для расчета подземных контуров плотин приспособлены лишь для малореальных полубесконечных или бесконечных областей течения, и до сих пор отсутствуют модели для расчета в ограниченных (замкнутых) областях.

Впервые вопросам необходимости и целесообразности применения в гидростроительстве плавных ПК было уделено особое внимание сначала H.H. Павловским [86, 87], а затем А. П. Вощининым [42] и М. Т. Нужиным [79, 80].

Существенным развитием идей явилась работа П.Я. Полубариновой-Кочиной и И. Н. Кочиной [74] где для расчета ПК плотин впервые был применен обратный подход к краевым задачам теории фильтрации, что позволило получить решение для случая фильтрации в основании криволинейного флютбета, характеризуемого постоянством скорости обтекания в грунте конечной глубины.

Дальнейшие существенные результаты связаны с монографией П.Я. Полубариновой-Кочиной [92], где рассмотрен целый ряд смешанных краевых задач теории фильтрации, когда известные участки подземного контура прямолинейны, а искомые криволинейные определяются из условия постоянства величины скорости обтекания на них. Такой подход дал возможность аналитически исследовать ПК плавного очертания. В результате были получены эффективные решения для ПК заглубленной прямоугольной плотины, углы которой округлены по кривым постоянной величины скорости фильтрации, в случае, когда водопроницаемое основание подстилается водоупором с горизонтальной кровлейфлютбета, углы которого округлены по кривым постоянной величины скорости фильтрации, и толстого шпунта (зуба), округленного в нижней части.

Работы П.Я. Полубариновой-Кочиной и И. Н. Кочиной открыли возможность математического моделирования плавных ПК гидросооружений и дали толчок к развитию целого направленияотысканию ПК плотин, удовлетворяющих наперед заданным на них условиям, например, желательными фильтрационными характеристиками — и вызвали к жизни многочисленные исследования, посвященные течениям подобного рода. Эти решения принадлежат, главным образом, казанской школе математиков и механиков.

Впоследствии М. Т. Нужиным, Г. Г. Тумашевым, Н. Б. Ильинским, A.A. Глущенко, Г. В. Даниловой, В. Н. Бородиным, И. К. Брамоткиной, A.M. Елизаровым, Н. Б. Салимовым, С. Р. Насыровым, Ю. К. Жариновым, A.A. Сахабиевым, Н. Д. Якимовым и другими были рассмотрены задачи об определении ПК плотин (с заданной эпюрой скоростей, с заданными распределениями напора вдоль непроницаемых участков и значениями функции тока на водопроницаемых участках, с заданной эпюрой скоростей по дну нижнего бьефа и т. п.).

Создание общих аналитических методов решения задачи об определении ПК бетонной плотины, удовлетворяющего наперед заданным условиям, стало возможным в связи с разработкой методов решения обратных краевых задач теории аналитических функций.

Так, в работе А. П. Вощинина [42] было показано, что форма ПК бетонной плотины, величина скорости фильтрации на котором постоянна, есть окружность в предположении, что водопроницаемое основание имеет неограниченную мощность. При решении таких задач был использован третий способ конформных отображений [13].

М.Т. Нужин [81] разработан способ определения не дренированного ПК бетонной плотины по заданной эпюре величины скорости фильтрации на нем (длина развернутого подземного контура считается искомой). Такая постановка вопроса дает возможность, в частности, избежать наличия больших местных скоростей фильтрации, не желательных с точки зрения фильтрационной прочности основания бетонной плотины. Им были предложены два способа решения сформулированной выше фильтрационной задачи, а именно: 1) путем ее приведения к обратной задаче чисто циркуляционного обтекания симметричного профиля и 2) путем ее приведения к смешанной задаче теории аналитических функций в полуплоскости. М. Т. Нужиным были также установлены условия разрешимости рассматриваемой им фильтрационной задачи. B.C. Рогожиным [98] даны достаточные условия однолистности решения задачи, рассмотренной М. Т. Нужиным. Более общие условия однолистности решения указанной выше задачи были получены JI. А. Аксентьевым [1, 3]. Н. Б. Ильинским [59] дано обобщение задачи, рассмотренной М. Т. Нужиным, на случай водопроницаемого основания, подстилаемого водоупором с горизонтальной кровлей (с установлением условия разрешимости рассмотренной им задачи), а Г. В. Даниловой [47] на случай водоупора с наклонной кровлей. В упомянутых выше работах М. Т. Нужина, Н. Б. Ильинского и Г. В. Даниловой рассматривался ПК не дренированных бетонных плотин. Полученные в этих работах результаты были обобщены М. Т. Нужиным [82, 83], Н. Б. Ильинским [66], Г. В. Даниловой и Н. Б. Ильинским [49] на случай дренированных бетонных плотин.

В работах Г. В. Даниловой [46, 48] рассмотрена так называемая задача о достраивании ПК не дренированных и дренированных бетонных плотин, когда, в частности, известными частями ПК являются плоский флютбет или водонепроницаемый шпунт, на неизвестных водонепроницаемых частях ПК задана эпюра распределения величины скорости фильтрации.

М.Т. Нужиным [82] дано решение так называемой обратной задачи о модификации ПК бетонной плотины, заключающейся в нахождении измененного ПК по заданному распределению величины скорости фильтрации, близкому (в известном смысле) к распределению величины скорости фильтрации, на исходном ПК. Л. А. Аксентьевым [2, 4] установлены достаточные условия однолистной модификации подземного контура бетонной плотины.

Наряду с разработкой способов нахождения ПК бетонных плотин по заданной эпюре величины скорости фильтрации на его водонепроницаемых участках Н. Б. Ильинским разработан способ нахождения ПК бетонных плотин по заданному напору на его водонепроницаемых участках и заданной функции тока на его водопроницаемых участках, как функций абсцисс точек этих участков. Такая постановка обратной краевой задачи теории плоской установившейся фильтрации в случае недренированной бетонной плотины при определенных условиях, налагаемых на напор, из физических соображений гарантирует однолистность решения рассматриваемой задачи. При этом представляется возможным строить ПК бетонной плотины, отвечающий заранее заданной вертикальной составляющей фильтрационного давления по этому контуру.

В работах Н. Б. Ильинского [53, 54, 83], Н. Б. Ильинского и И. К. Браматкиной [60], Н. Б. Ильинского и Н. Б. Салимова [61] упомянутый способ был использован при определении ПК недренированной бетонной плотины. Н. Б. Салимовым [99] решена задача о нахождении ПК недренированной бетонной плотины в случае, когда водопроницаемое основание подстилается водоупором с плоской наклонной кровлей. Эта задача приведена им к краевой задаче Гильберта с разрывными коэффициентами и найдено ее решение в явном виде с установлением условий ее разрешимости.

Определение ПК дренированных бетонных плотин дано в работах Н. Б. Ильинского [54, 59, 66, 83].

Вопросы, связанные с достраиванием ПК бетонных плотин, рассмотрены в работах Н. Б. Ильинского [54, 57, 63, 83] и Ю. К. Жаринова [51].

Выше отмечены два типа обратных краевых задач теории плоской установившейся фильтрации. Н. Б. Ильинским [62, 65] был рассмотрен третий тип обратных краевых задач теории плоской установившейся фильтрации, заключающийся в определении ПК бетонных плотин по заданной эпюре выходных скоростей фильтрации по дну нижнего бьефа, обеспечивающей фильтрационную прочность грунта основания плотины в зоне выхода фильтрационного потока в нижний бьеф. В первой из указанных выше работ рассмотрены случаи водопроницаемого основания неограниченной мощности, а во второй — случай водопроницаемого основания, подстилаемого водоупором с горизонтальной кровлей. В указанных работах установлены условия разрешимости рассматриваемой обратной краевой задачи.

После появления вышеперечисленных работ советскими авторами выполнено большое количество исследований по ОКЗ, причем исследования теоретического и прикладного характера проводились в тесном взаимодействии [5, 100].

В последнее время Э. Н. Береславским рассмотрено несколько задач о построении ПК основания гидросооружения при наличии соленых подпорных вод [17, 21].

Настоящая диссертация посвящена некоторому обобщению и дальнейшему развитию ставшей уже классической задачи П.Я. Полубариновой-Кочиной и И. Н. Кочиной. В отличие от известных работ по данной тематике, где до сих пор приходилось встречаться с течениями лишь в полубесконечных или бесконечных областях, в диссертации разрабатывается модель ПК плотины, но уже в ограниченной области. Кроме того, в отличие от перечисленных исследований дается не только построение плавного ПК гидротехнического сооружения, но и определяется очертание подстилающего водопроницаемое основание криволинейного водоупора, также характеризуемого постоянством скорости фильтрации. Подчеркнем, что именно введение подобных криволинейных участков (а не горизонтальных, как это делалось ранее) позволяет перейти от рассмотрения малореальных бесконечных областей к моделированию в конечных областях, что особенно важно при разработке и тестировании различных приближенных и численных методов (например, методов конечных элементов, граничных интегральных уравнений и т. п.).

Цели и задачи исследования. Моделирование подземного контура основания гидротехнических сооружений с участками постоянной скорости обтекания в ограниченных областях и в связи с этим всестороннее исследование некоторых малоизученных фильтрационных течений под гидротехническими сооружениями.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач используются методы теории функций комплексной переменной, методы конформных отображений (КО), методы решения плоских задач теории фильтрации, метод обратных краевых задач.

Научная новизна работы. Математическое моделирование изучаемых движений приводит к новым смешанным краевым многопараметрическим задачам теории аналитических функций. Эти задачи, являющиеся в настоящее время наиболее сложными в рассматриваемом классе фильтрационных течений, сформулированы и решены с помощью новых разработанных способов конформных отображений областей специального вида, которые характерны для течений подобного рода. Учет специфических особенностей моделируемых движений позволил представить решения в замкнутом виде через специальные, а в ряде случаев элементарные функции, что делает их использование на практике наиболее простым и удобным. Применение же принципа симметрии Римана-Шварца, который ранее не принимался во внимание при исследовании указанного типа задач, позволил существенно сократить число неизвестных постоянных, которые возникают при конформном отображении, и тем самым довести решения задач до численных расчетов. Построены точные аналитические решения для новых более сложных краевых задач теории фильтрации, которые дают возможность глубже и полнее учитывать явления, происходящие в задачах подобного рода.

На базе полученных решений созданы алгоритмы программ для проведения численных расчетов искомых фильтрационных характеристик, что позволяет осуществлять всесторонний гидродинамический анализ процессов, в ходе которых оценивается влияние каждого физического параметра моделей на картину явлений.

Обоснованность и достоверность полученных результатов, вытекающих из них выводов и рекомендаций, обеспечивается в рамках принятых хорошо известных математических моделей применением строгих методов при построении и качественном анализе решений, а также всестороннем контроле числовых расчетов, которые выполняются непосредственно по выведенным точным аналитическим зависимостям. Решения всех приведенных в работе двумерных нелинейных задач получены в рамках строгих аналитических методов теории функции комплексного переменного. Само же математическое моделирование базируется на известных моделях механики жидкости в теории фильтрации и физических предпосылках, отражающих реальный характер исследуемых фильтрационных процессов. Установлено согласование приведенных в работе результатов расчетов для некоторых частных задач с числовыми данными в других отечественных научных исследованиях.

Практическое значение. Разработанные в работе модели плавных подземных контуров основания гидротехнических сооружений с участками постоянной скорости обтекания в ограниченных областях и построенные для них точные аналитические решения существенно расширяют сферу внедрения полуобратного метода отыскания плавных подземных контуров плотин в практику инженерных расчетов и позволяют получить эффективные результаты для задач гидротехнического строительства.

Выполненный в диссертации подробный гидродинамический анализ может служить основой для решения таких важных практических задач, как выяснение влияния на фильтрационные процессы размеров заглубления плотин и ширины флютбетов, толщины и длины шпунтов и т. п., контроль режима грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и т. д. Подчеркнем, наконец, что предложенные и изученные в диссертации модели особенно важны при разработке и, главное, тестировании различных приближенных и численных методов, таких, например, как методы конечных элементов, граничных интегральных уравнений и т. д.

С целью выяснения реальности, а также точности полученных численных значений в «Лаборатории фильтрационных исследований им. академика H.H. Павловского ВНИИГ им. академика Б.Е. Веденеева» была приведена серия вычислительных экспериментов по разработанной в диссертации модели путем численного моделирования с использованием конечно-элементного программного пакета Plax Flow компании Plaxis. Сравнение результатов проведенного численного моделирования с предложенным в диссертации точным решением показало, что относительные погрешности при вычислении скоростей и фильтрационных расходов составляет 0−10%, что демонстрирует, во-первых, реальность разработанной модели, а во-вторых, вполне соответствует точности результатов численного моделирования (Акт РусГидро ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева «О результатах расчетов по модели фильтрации под заглубленной прямоугольной плотиной в ограниченном слое грунта, подстилаемом криволинейным водоупором, разработанной в диссертационной работе Л. А. Александровой «Математическое моделирование плавных подземных контуров оснований гидротехнических сооружений с участками постоянной скорости обтекания» за № 310−1483 от 17.05.2011 г.).

Основные положения диссертации:

1. Разработана новая математическая модель, которая позволяет спроектировать плавный подземный контур гидротехнического сооружения с участками постоянной скорости обтекания в ограниченной области.

2. Впервые получены точные аналитические решения ранее не рассматривавшихся задач о проектировании подземного контура плотины при наличии криволинейного водоупора сложной конфигурации.

3. На базе полученных точных аналитических решений проведены систематические числовые расчеты, дающие возможность сформулировать выводы о влиянии основных физических параметров гидротехнического сооружения на характеристики и картину течения.

4. Проведен подробный гидродинамический анализ структуры и закономерностей моделируемых течений под гидротехническими сооружениями.

5. Представлены результаты исследования предельных и частных случаев, которые содержатся в решении задачи для основной фильтрационной схемы. Установлено, что все существующие к настоящему времени решения аналогичных задач являются частными случаями представленного общего решения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на:

1. ХЬ-ХЫ научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященные памяти авиаконструктора И. И. Сикорского (СПб, 2008;2009);

2. Конгрессе «Фундаментальные проблемы естествознания и техники» (СПб, 4−9 августа, 2008);

3. Международных конференциях по математическому моделированию МКММ (2008;2010);

4. ХХ-ХХП Международных научно-методических конференциях «Математика в вузе» (2008;2010);

5. Объединенных семинарах СПбГУ и ПГУПС «Компьютерные методы в механике сплошной среды» (СПб, 2009;2011);

6. Международной молодежной научной конференции «XXXV Гагаринские чтения» (г. Москва, 7−11 апреля, 2009);

7. Международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (г. Казань, 26−28 мая, 2009);

8. VI Международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (г. Тирасполь, 7−10 июня, 2009);

9. IX Международной Казанской летней научной школе-конференции «Теория функций, ее приложения и смежные вопросы» (г, Казань, 1−7 июля, 2009);

10. II Международной научной конференции «Математическое моделирование и дифференциальные уравнения» (г. Минск, 24−28 августа, 2009);

И. VI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (г. Воронеж, 27−28 ноября, 2009);

12. XVI школе-семинаре «Современные проблемы аэрогидродинамики» под руководством академика РАН Г. Г. Черного (г. Сочи, «Буревестник» МГУ, 6−16 сентября, 2010);

13. IX молодежной научной школе-конференции «Лобачевские чтения-2010» (г. Казань, 1−6 октября, 2010).

14. XV Международном симпозиуме «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики» (г. Херсон, 13−18 июня 2011);

15. X ВСЕРОССИЙСКОМ СЪЕЗДЕ ПО ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМ ПРОБЛЕМАМ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ (г. Нижний Новгород, 24−30 августа, 2011).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 31 научной работе, все по теме диссертации. Из них 20 статей, 11 тезисов докладов- 6 работ выполнены без соавторов, авторская доля в остальных от 30% до 70%. В рецензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 9 работ, из них 2 работы без соавторов, авторская доля в остальных от 30% до 70%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав основного текста, заключения, списка использованной литературы, приложенийона содержит 106 листов машинописного текста, список цитируемой литературы состоит из 106 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации дается обобщение и дальнейшее развитие обратного подхода, впервые предложенного П.Я. Полубариновой-Кочиной и И. Н. Кочиной, к построению плавных ПК гидротехнических сооружений с участками постоянной скорости обтекания. Предложена и изучена модель, в которой построение ПК плотины впервые осуществляется не в бесконечной области, как это делалось до сих пор, а в ограниченной. Математическое моделирование фильтрационных течений под плотинами осуществляется на базе решения и исследования новых смешанных краевых многопараметрических задач теории аналитических функций. Учет характерных особенностей рассматриваемых классов областей комплексной скорости потоков позволил представить решения задач через специальные, а в ряде случаев элементарные функции, что делает их использование наиболее простыми и удобными для последующего практического применения.

Вместе с тем, учитывая специфические особенности исследуемой модели, построенные решения являются, тем не менее, наиболее общими для рассматриваемого класса задач — из решения для основной фильтрационной схемы получаются решение как для самой классической задачи П.Я. Полубариновой-Кочиной и И. Н. Кочиной, так и все известные на сегодняшний день результаты других авторов. Построенные решения с привлечением принципа симметрии Римана-Шварца являются новыми результатами наряду с изучением смешанных краевых многопараметрических задач теории аналитических функций.

Дальнейшим узловым моментом исследования становится проблема параметров КО, нахождение которых является наиболее сложной и трудоемкой процедурой всего вычислительного алгоритма.

В диссертации на базе построенных точных аналитических решений составлены и запрограммированы на ЭВМ алгоритмы определения неизвестных граничных участков области движения в прямой постановке с предварительным вычислением неизвестных констант КО. Однозначная разрешимость задач на эти параметры устанавливается численным путем. Указанные расчеты позволяют определить не только размеры и очертания ПК плотин с участками постоянной скорости обтекания, но также размеры и форму подстилающего водопроницаемое основание криволинейного водоупора, характеризуемого постоянством скорости фильтрации.

На последней стадии исследования в центре внимания подробный гидродинамический анализ моделируемых движений, который может служить основой для решения важных гидродинамических проблем.

Итак, сочетание точных аналитических решений с числовыми расчетами на ЭВМ позволили полнее учесть при математическом моделировании фильтрационных процессов под гидротехническими сооружениями их специфические особенности, выявить общие закономерности моделируемых движений и, таким образом, получить их детальную картину. Подобный подход в конечном счете придал исследованиям направленный и завершенный характер.