Анизотропная фильтрация в плотинах и основаниях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, кандидат технических наук Махса Мемарианфард

• Махса Мемарианфард
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Махса Мемарианфард

Введение.

Глава 1. Общие сведения о теории фильтрации и решении анизотропных задач.

1.1 Основные положения теории фильтрации.

1.2 Решение фильтрационных анизотропных задач.

1.3 Численные методы решения фильтрационных задач.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Решение фильтрационных анизотропных задач численным методом и апробация методики.

2.1 Методика решения задач анизотропной неустановившейся фильтрации в неоднородной среде численным методом.

2.2 Решение тестовых задач фильтрации.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Анализ влияния анизотропии на фильтрационный режим плотин и оснований.

3.1 Анизотропная напорная фильтрация в основании флютбета.

3.2 Анизотропная безнапорная фильтрация в грунтовых плотинах.

3.2.1 Основные положения теории планирования эксперимента.

3.2.2 Постановка исследования с использованием теории планирования эксперимента.

3.3 Результаты многофакторного эксперимента и анализ влияния ряда факторов на параметры фильтрационного напора.

3.4 Номографирование результатов анализа.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Решение нестационарной фильтрационной задачи с учетом анизотропных фильтрационных свойств грунтов плотины.

4.1. Методы решения задач нестационарной фильтрации.

4.2. Постановка решения плоской нестационарной фильтрационной задачи с учетом анизотропии.

4.3. Анизотропная нестационарная задача.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Влияние фильтрационной анизотропии на устойчивость откосов грунтовой плотины.

5.1 Устойчивость низового откоса плотины с учетом фильтрационной анизотропии грунта.

5.2 Расчета устойчивости верхового откоса земляной плотины при нестационарном фильтрационном режиме.

5.3 Анализ нестационарной фильтрационной плотины Кархе на реке Кархе (ИРИ) и устойчивости верхового откоса при сработки водохранилища.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анизотропная фильтрация в плотинах и основаниях»

Изложенные причины обуславливают актуальность выбранной темы и необходимость учета анизотропных свойств грунта при проектировании грунтовых плотин. При этом величина фильтрационной анизотропии грунта выражается коэффициентом анизотропии А =К/КУ (в случае совпадения направления осей анизотропии и координатных осей). Здесь КХ>КУ (как правило) - значения горизонтальной и вертикальной составляющих коэффициента фильтрации заданного анизотропного грунта плотины.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию влияния анизотропности грунтов тела и основания плотины на параметры фильтрационного потока и влияния нестационарной фильтрации на устойчивости откосов грунтовой плотины. В работе для исследований используется метод конечных элементов. Этот метод основан на решении основного уравнения установившейся или неустановившейся фильтрации при заданных граничных условиях и может применяться для расчетов фильтрации в сложных фильтрационно- неоднородных областях.

Работа над диссертационной работой проводилась в период 2007-2010 годов на кафедре Гидротехнических сооружений ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет.

Целью диссертационной работы явились:

• анализ влияния отдельных факторов (в том числе коэффициента фильтрационной анизотропии) на формирование фильтрационного режима грунтовых плотин и основные параметры фильтрационного потока: положение депрессионной поверхности, величины фильтрационных градиентов и расходов;

• составление на основе факторного анализа численных моделей и номограмм по определению основных параметров фильтрационного потока с учетом возможной анизотропии;

• анализ влияния фильтрационной анизотропии на устойчивость откосов грунтовых плотин в том числе при сработке водохранилища;

• создание численной модели фильтрационного режима грунтовой плотины и основания гидроузла Кархе на реке Кархе (ИРИ) с учетом анизотропии и сработки водохранилища.

Основные задачи исследований: • усовершенствование и апробацию методики решения фильтрационных задач применительно к грунтовым плотинам и основаниям с учетом анизотропии и нестационарности процесса;

• создание численных моделей фильтрационного режима грунтовых плотин совместно с их основаниями с учетом анизотропии с целью прогноза и дальнейшего анализа влияния отдельных факторов на формирование и изменения состояний сооружений.

Научная новизна работы заключается:

В проведении численных экспериментов и получении математической прогнозной модели, позволяющей оценить влияние геометрических параметров грунтовых плотин и степени фильтрационной анизотропии на параметры фильтрационного потока.

В номографировании результатов исследований для удобства прогноза фильтрационного режима или решения обратной задачи - оценки возможных фильтрационных свойств грунтов плотины в зависимости от параметров фильтрационного расхода: положения депрессионной поверхности, величины фильтрационного расхода.

В анализе влияния отдельных факторов, в том числе степени фильтрационной анизотропии на параметры фильтрационного потока грунтовых плотин и основаниях.

В оценке устойчивости откосов грунтовых плотин с учетом анизотропной нестационарной фильтрации и воздействия фильтрационных гидродинамических сил.

Методы исследований; использован численный метод - метод конечных элементов в локально-вариационной постановке. Фильтрационные расчеты выполнены по вычислительной программе "РШТЫ", написанной и апробированной на кафедре гидросооружений ГОУ ВПО МГСУ. Для анализа воздействия факторов на параметры фильтрационного потока использовался математический аппарат теории планирования эксперимента. Для оценки устойчивости откосов грунтовых плотин с учетом воздействия фильтрационного потока и сработки водохранилища составлена программа "Откос- Б", апробированная на тестовых расчетах.

Достоверность научных результатов подтверждена:

• результатами решения ряда тестовых задач, имеющих точное аналитическое решение;

• сравнением результатов, полученных по использованной методике с результатами других ранее апробированных методов.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов при проектировании, строительстве и эксплуатации гидросооружений.

Личный вклад автора в выполнении данной работы заключается в проведении численных исследований напорной и безнапорной фильтрации; анализе влияния анизотропии и других факторов на параметры фильтрационного потока; получении уравнений функций откликов и построении на их основе номограмм; исследовании влияния анизотропии на устойчивость откосов грунтовых плотин в статике и при сработке водохранилища.

Апробания работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседании кафедры Гидротехнических сооружений ГОУ ВПО МГСУ и на конференциях молодых ученых, аспирантов и докторантов Москвы и Томска в 2008-2010 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 2-х статьях. Обе работы опубликованы в ведущем рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК( сборник «Вестник МГСУ»).

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Результаты численных решений фильтрационных задач с учетом анизотропии, позволившие проанализировать степень влияния отдельных факторов на основные параметры фильтрационного потока.

2. Полученные прогнозные математические модели и построенные на их основе номограммы для предварительного анализа возможных величин фильтрационных расходов, градиентов и высоты высачивания депрессионной поверхности на низовой откос.

3. Оценка влияния фильтрационной анизотропии и сработай водохранилища на устойчивость откосов грунтовых плотин.

4. Численная фильтрационная модель грунтовой плотины и основания гидроузла Кархе на реке Кархе (ИРИ).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и библиографического списка. Общий объём диссертации составляет 159 страниц, включая 79 рисунков и 22 таблицы, библиографический список состоит из 67 наименований.

Заключение диссертации по теме «Гидротехническое строительство», Махса Мемарианфард

Общие выводы.

1. Расширена область применения метода конечных элементов в локально-вариационной постановке для решения фильтрационных задач с анизотропными свойствами. Решен ряд тестовых задач, позволяющих говорить о достоверности получаемых при решении подобных задач результатов. Сравнение полученных по используемой методике результатов тестовых задач показало их хорошее совпадение с известными решениями.

2. На основе численных решений получена подробная картина фильтрационного режима для случая напорной анизотропной фильтрации под флютбетами различной конструкции. Выявлена закономерность изменения фильтрационного противодавления, расхода и максимального градиента фильтрации в зависимости от коэффициента анизотропии. Эпюра фильтрационного противодавления на подошву флютбета незначительно изменяется при выбранном интервале изменения коэффициента анизотропии (от 1 до 25).

3. Использование методики планирования эксперимента позволило проанализировать влияние ряда факторов в широком диапазоне их изменения на величины основных параметров фильтрационного потока однородной грунтовой плотины: положение депрессионной поверхности, величину фильтрационного расхода и максимального градиента фильтрации.

4. Увеличение коэффициента анизотропии приводит к повышению положения депрессионной кривой и росту фильтрационного расхода. Вместе с тем, анизотропия приводит к более равномерному распределению градиента фильтрации в расчетной области и уменьшению величин максимальных градиентов. Полученные уравнения откликов позволяют прогнозировать характеристики фильтрационного потока и могут быть использованы на стадии предварительного проектирования.

5. Построенные на основе факторного анализа номограммы позволяют прогнозировать параметры фильтрационного потока в грунтовых плотинах или решать обратную задачу: по положению депрессионной поверхности и фильтрационному расходу оценить фильтрационные свойства грунта.

6. Рассмотрено влияние анизотропии при возможной сработке водохранилища. Учет анизотропных свойств грунта приводит к более равномерному распределению градиентов фильтрации и уменьшению их величины по сравнению с изотропной задачей. При увеличении скорости сработки водохранилища возрастают градиенты фильтрации и, соответственно, фильтрационные гидродинамические силы.

7. Результаты фильтрационных расчетов использованы при анализе влияния фильтрационной анизотропии и сработки водохранилища на коэффициенты запаса устойчивости откосов, определяемые по методу круглоцилиндрических поверхностей обрушения. При сработке водохранилища учет анизотропии способствует увеличению коэффициента запаса устойчивости верхового откоса плотины примерно на 10-14% по сравнению с изотропной фильтрацией. Учет фильтрационной гидродинамической силы необходим, так как снижает коэффициент запаса на 5-10%. Устойчивость низового откоса наоборот, снижается в случае анизотропной фильтрации на величину 5-15% в зависимости от параметров плотины и коэффициента анизотропии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Махса Мемарианфард, 2010 год

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В. И Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Издат-во "наука" 1976, 280 с.

2. Анахаев К.Н., Ляхевич P.A., Фильтрация в анизотропных грунтовых плотинах. Безопасность гидротехнических сооружений " Гидротехническое строительство" 2005 ,№ 4 ,с.19-22.

3. Аравин В.И., Мошкова М.А. Исследование на щелевом лотке влияния формы водоупора при неустановившейся фильтрации. ИЗВ ВНИИГ, 1964, Т.76.

4. Аравин В.И., Нумеров С.Н. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде. Гостехиздат, 1953, 616 с.

5. Аравин В.И., Носова О.Н. Натурные исследования фильтрации. Энергия, Ленинградское отделение, 1969, 256 с.

6. Белаш П.М., Чен-Син Э., Сенюков Р.В. Метод направленного статического поиска при решении задач разработки нефтяных и газовых пластов (метод Монте-Карло). Тез. докл. Научн-техн. Конф. МИНКиГП, 1964, с. 1-6.

7. Биидеман H.H. Гидрогеологические расчеты подпора грунтовых вод и фильтрации из водохранилищ. . , Углетехиздат, 1951.

8. Блох Л.С. Практическая номография. Издат-во " высшая школа", Москва, 1971,328 с.

9. Вайнер М.И. Статические критерии подобия при фильтрации жидкости в однородной пористой среде. Изв. АН СССР. ОТН, Механ. И машиностр. 1963, № 5, с. 144-148.

10. Ведерников В.В. Методы решения некоторых задач по фильтрации со свободной поверхностью. Гидротехническое строительство, 1935, № 3, с. 20-27.

11. П.Веригин H.H. О течениях грунтовых вод при местной усиленной инфильтрации. Докл. АН. СССР, 1950, Т. 7, № 50.

12. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин.

13. Энергоатомиздат, 1987, глава 2, с. 72-73.

14. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин.

15. Энергоатомиздат, 2001, с. 345.

16. Девисон Б.Б. Об установившемся движении грунтовых вод через земляные плотины (гидромеханический метод решения задачи). Уч. Зап.ГГИ, Л., 1932, с. 11-19.

17. Девисон Б.Б. 1.Движение грунтовых вод в книге: Христианович С.А., Михлин С.Г., Девисон Б.Б. Некоторые новые вопросы механики сплошной среды. Ч. 3. М. Л.,Изд-во АН СССР, 1938, с. 217-356.

18. Домбровский В.М. Упрощенный расчет кривой депрессии при снижении горизонта верхнего бьефа,"Гидротехническое строительство" , №2, 1947.

19. Жуковский Н.Е. Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод.ж. РФХО, 1889, Т.21,вып.1.

20. Жуковский Н.Е. Просачивание воды через плотины. Опытно-мелиоративн. Часть. М., НКЗ, 1923, ч. 3. Поли. собр. соч., т. 7. М., Гостоптехиздат, 1956.

21. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для многокомпонентных систем. Издат-во "наука" 1976, 390 с.20.3енкевич О." Метод конечных элементов в технике " . Перевод с анг. М., 1957 г., 541с.

22. Истомина B.C. Фильтрационная устойчивость грунтов. Госиздат, М., 1957, 296 с.

23. Исякаев В.А. Решение одной задачи пространственной фильтрации методом статических испытаний. ПМТФ, 1967, №2, с. 155-160.

24. Каменский Г.Н. Уравнение неустановившегося движения грунтовых вод в конечных разностях и применения их к исследованию явлений подпора Изв.АН СССР, ОТН, 1940, № 4.

25. Колмогоров А.Н. О логарифмически нормальном законе распределения размеров частиц при дроблении. Докл. Ан СССР, 1941, т. 31, № 2, с. 99101.

26. Лейбензон JI.C. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. M-JL, Гостехиздат, 1947, 244 с.

27. Лукьянов B.C. Гидравлические приборы для технических расчетов, " Известия АН СССР" , Отд. Техн. наук, №2, 1939.

28. Мелещенко Н.Т. Движение грунтовых вод под гидротехническими сооружениями (методы расчеты). Л.-М., ОНТИ, ГИДЭПД937, 91 с.

29. Минский Е.М. Элементы статического исследования фильтрационных движений. Тр. ВНИИГАЗ, 1958, вып. 2, с.3-25.

30. Михайлов Г.К. К классификации задач теории установившегося движения грунтовых вод в вертикальной плоскости. Изд. Ясского политехнического института, 1959, т. 5(9),вып. 1-2, с. 125-134.

31. О.Нельсон-Скорняков Ф.В. О движении грунтовой воды через дренированные земляные плотины. Гидротехн. стр-во, 1937, № 2, с. 3237.

32. Нумеров С.Н. Приближенные способы расчета фильтрации через земляные плотины на проницаемых основаниях. Тр. ЛПН, 1947, № 4, с.141-146.

33. Нумеров С.Н. Об одном способе расчета фильтрационных задач. Изд. АН СССР, ОТН, 1954, № 4,с. 133-139.

34. Нумеров С.Н., Барсегян P.M. Об оценке основных допущений методики расчета фильтрации жидкости в горизонтальных гидравлически связанных пластах. Изв. ВНИИГ, 1965, т. 78, с. 242-254.

35. Павловский H.H. Теория движения грунтовых вод под гидротехническими сооружениями и ее основные приложения. Петроград, 1922, науч -мелиорац. Институт; Собр. соч., т.2, М-Л., Издательство АН СССР, 1956, 352 с.

36. Павловский H.H. Основы метода гидромеханического решения задачи о свободной фильтрации из открытых русел. Изв. НИИГ, 1936, т. 19, с. 5-24. Собр. М-Л., Издательство АН СССР, 1956, т.2, с.437-471.

37. Полубаринова-кочина П.Я., О неустановившихся движениях грунтовых вод.Докл. АН СССР, 1950, т.75, № 3.

38. Полубаринова-кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М., Гостехтеоретиздат. 1952, 673с.

39. Полубаринова-кочина П.Я., Нумеров С.Н., Чарный И.А., Ентов В.М. И др. Развитие исследования по теории фильтрации в СССР. Издательство " наука " , М., 1969, 546 с.

40. Развитие исследований по теории фильтрации в СССР. Институт гидродинамики СО АН СССР, ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева, ВНИИ Природных газов, М.," Наука".

41. Рассказов JI.H., Орехов В.Г., Правдивец Ю.П. и др. " Гидротехнические сооружения" . Часть 1, стройиздат, М., 1996.

42. Рассказов JI.H., Анискин H.A. и др. Фильтрация в грунтовых плотинах в плоской и пространственной постановке. Гидротехническое строительство 1989, №11, с.26-32.

43. Рассказов Л.Н., Анискин H.A. Фильтрационные расчеты гидротехнических сооружений и оснований. Гидротехническое строительство 2000, № 11, с.2-7.

44. Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Анискин H.A. и др. "Гидротехнические сооружения". Часть 1, стройиздат, М., 2008.

45. Ризенкампф Б.К. Гидравлика грунтовых вод. Ч. 1. Уч. Зап. Саратовского университета, сер. Физ.-мат., 1938.

46. Тейлор Д.В. Основы механики грунтов. Госстройиздат, Москва, 1960, 566 с.

47. Угинчус A.A., Расчет фильтрации через земляные плотины. Госэнергоиздат. 1960, 52 с.

48. Фильчаков П.Ф. Теория фильтрации под гидротехническими сооружениями. 2.т., издательство Академии наук УССР, Киев, 1960 г.

49. Хованский Г.С. Основы номографии. Издат-во " наука" 1976, 348 с.

50. Христианович С.А., Михлин С.Г., Девисон Б.Б. Некоторые новые вопросы механики сплошной среды. Ч. З.М.-Л., Изд-во АН СССР, 1938.

51. Чарный И.А. Подземная гидромеханика. М.-Л., Гостезиздат,1948.

52. Чарный И.А. Подземная гидрогазодинамика. М., Гостоптех издат, 1963, 396 с.

53. Чарный И.А. Строгое доказательство формулы Дюпюи для безнапорной фильтрации с промежутком высачивания. Докл. АН СССР, 1951, т. 79, № 6, с. 937-940.

54. Чугаев P.P. "Гидротехнические сооружения" . Водосливные плотины. М. Высшая школа, 1978 г., глава V, с. 96 112.

55. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды (Перевод с английского языка). Гостоптехиздат, 1960, 249 с.

56. Шестаков В.М. фильтрационный расчет земляных плотин и перемычек при колебании бьефа. Гидротехническое строительство, 1953, № 7, с. 36-39.

57. Шестаков В.М. Расчет кривых депрессии в земляных плотинах и дамбах при понижении горизонта водохранилища. Гидротехническое строительство, 1954, № 4, с. 32-36.

58. Шестаков В.М. Определение гидродинамических сил в земляных сооружениях и откосах при падении уровней в бьефах. Сб. "Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений" , ВОДГЕО, 1956, №2.

59. Шестаков В.М. Некоторые вопросы моделирования неустановившейся фильтрации. Сб. " Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений", ВОДГЕО, 1956, № 2.

60. Щел качев В.Н., Лапук Б.Б. Подземная гидравлика. М. Л. Гостоптехиздат, 1949, 524 с.

61. Cedergreen H.R. Investigation of drainage rates affecting stability of earth dam. Discussion. Proceeding of ASCE, February, 1948.

62. Darcy H. Les fontaines publiques de la ville de dijon. Общественные колодцы в городе Дижон. Paris, 1856.

63. Musket М. The seepage of water through dams with vertical faces. Фильтрация воды через дамбы с вертикальными CTeHKaMH.Phisies, 1935, V.6.

64. Musket М. The flow of homogenous fluids though porous media. Течение однородных жидкостей в пористой среде. N.Y.- London, Мс Graw Hill book Со, 1937 р. (Русский перевод Гостоптехиздат, 1949, 628 с.)

65. Reinius Е., The stability of the upstream slope of earth dams, Stockholm, 1948.

66. Scheidegger A.E. The physics of flow through porous media. Физика течения жидкостей через пористые среды. N.Y. Macmilan 1957, 236 р.; 2-ое изд., 1961. ( Русский перевод 'физика течения жидкостей через пористые среды.' Гостоптехиздат, 1960, 249 с.)

67. Нируманд X. Миргасеми А. Пакзад М. "Рассмотрение действияплотины Кархе (ИРИ) во время построения с помощью точных приборов"1. ИРИ. 2000 г. с.454