МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВИВШЕЙСЯ ФИЛЬТРАЦИИ В ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЕ ПСКЕМСКОЙ ГЭС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА GEOSTUDIO

MODELING THE ESTABLISHED FILTRATION IN THE GROUND DAM OF THE PSKEM HPP USING THE GEOSTUDIO SOFTWARE COMPLEX

Fayziev Khomitkhon

 Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department "Hydraulic Engineering and Geotechnics", Tashkent University of Architecture and Civil Engineering,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

 Khalikovmirkamol Bozor ugli

 art. Department of Hydraulic Engineering and Geotechnics, Tashkent University of Architecture and Civil Engineering,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

Abduganiev Ruzibek

Master's degree in Hydraulic Engineering Tashkent University of Architecture and Civil Engineering,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается численное моделирование установившейся фильтрации в грунтовой плотине Пскемской гидроэлектростанции с использованием программного комплекса GeoStudio. Основное внимание уделено анализу фильтрационного потока, распределению порового давления и положению депрессионной кривой. Проведён расчёт на основе метода конечных элементов, реализованного в модуле SEEP/W. Получены результаты, позволяющие оценить фильтрационную прочность.

ABSTRACT

The article examines the numerical modeling of steady-state filtration in the Pskem Hydroelectric Power Plant earth dam using the GeoStudio software suite. The primary focus is on the analysis of filtration flow, the distribution of pore pressure, and the position of the depression curve. The calculation was performed based on the finite element method implemented in the SEEP/W module. Results were obtained that allow for an assessment of filtration strength.

Ключевые слова: фильтрация, установившейся фильтрация, коэффициент фильтрации, грунтовая плотина, депрессионная кривая, поровое давление, SEEP/W, GeoStudio, гидротехнические сооружения.

Keywords: filtration, steady-state filtration, filtration coefficient earth dam, depression curve, pore pressure, SEEP/W, GeoStudio, hydraulic structures.

1. Введение

Пскемская гидроэлектростанция расположена на реке Пскем в Узбекистан и является важным объектом энергетической инфраструктуры региона. Основываясь на имеющемся многолетнем опыте строительства, при проектировании Пскемской плотины в качестве базисного варианта была разработана классическая конструкция каменно-земляной плотины с центральным грунтовым ядром. Каменно-земляная плотина – относится к типу грунтовых плотин, тело которых выполняется из скального и полускального грунтов, а противофильтрационный элемент из маловодопроницаемого грунта. Подобные плотины занимают ведущее место в мире среди высоких грунтовых плотин и представляют один из основных напорных элементов гидроузлов, они имеют потенциальную опасность из-за своего размера и нуждаются в улучшенном проектировании и строительстве с соблюдением всех требований надежности и долговечности. Надёжность их работы во многом определяется фильтрационными процессами в теле плотины и основании. Особенно важным является анализ установившейся фильтрации, позволяющий оценить устойчивое состояние сооружения [1-3].

Для обеспечения её безопасной эксплуатации требуется детальный анализ фильтрационных процессов.

Основные технические характеристики варианта каменно-земляной плотины Пскемской ГЭС приведена в таблице 1.

 Таблица 1.

Основные технические характеристики каменно-земляной плотины Пскемской ГЭС

Центральное суглинистое ядро с проектной плотностью γ=1,76 т/м3 при влажности 19%. Ядро плотины уложено из суглинка, содержащих в основном мелкозернистые частицы, в связи с этим проектом были учтены двухслойные обратные фильтры из галечника: первый слой с диаметром частиц Dmax= 20÷30 мм, второй до 200 мм. В качестве сопрягающего устройства между основанием и плотиной выполняется цементация. Поперечное сечение варианта каменно-земляной плотины Пскемскую ГЭС приведена на рис.1.

Рисунок1. Поперечное сечение варианта каменно-земляной плотины Пскемской ГЭС с ядром из суглинка

2. Теоретические основы фильтрации

Земляные плотины являются наиболее распространённым и экономичным типом грунтовых гидротехнических сооружений. В процессе строительства и дальнейшей эксплуатации земляные плотины подвергается сложному сочетанию нагрузок и воздействий, одними из которых являются фильтрационные нагрузки, которые в свою очередь могут вызывать фильтрационные деформации [1], [2].

Для обеспечения достаточную устойчивости, надежности и безопас ности грунтовых плотин необходимо определить фильтрационный поток, проходящий через тело этого сооружения. Одним из основных вопросов при решении фильтрационных задач является определение положения депрессионной кривой в теле плотины, исходя из наибольшего напора. На данный момент есть множество методик решения таких задач, представленных в различных программных комплексах [3-8]. Решению теоретических и практических вопросов по формированию и разработке методов расчета фильтрации в основании и в теле грунтовых плотин рассматривались учеными: Павловский Н.Н. [1], Недрига В.П. [1], Файзиева Х. [9-14] и другими.

Безнапорные фильтрационные течения со свободной поверхностью, на которой давление жидкости постоянно и равно внешнему атмосферному давлению, характерны при фильтрации грунтовых вод через гидротехнические сооружения (плотины, водопонижения, дренажи, фундаменты, осушении котлованов).

2.Теоретическая основа расчёта

Фильтрация в грунтовых плотинах описывается законом Дарси:

                                                                                              (1)

где: - расход фильтрации ; - коэффициент фильтрации; -гидравлический градиент ; — площадь потока.

Основное дифференциальное уравнение установившейся фильтрации:

                                                                          (2)

где — напор;  — коэффициенты фильтрации по направлениям.

При этом, в соответствии с КМК-2.06.05-98, для обеспечения фильтрационной прочности сооружения должно выполняться условие:

                                                                                   (3)

где : J_est,m - действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации;

J_cr,m - критический градиент напора, в соответствии с данными табл. 9 п. 6.6 КМК 2.06.05-98, составляет для суглинков -1,5, для средних песков -1.0, для мелких песков – 0.75;

g_n - коэффициент надежности по ответственности сооружений, принимаемый по КМК 2.06.01-97 для плотины I класса равным 1.25.

3. Моделирование фильтрации. Современные программные комплексы GeoStudio разработанный Канадской компанией GeoSlope International, позволяют проводить высокоточное численное моделирование  инженерных задач на основе метода конечных элементов.

Моделирование необходимо для сопоставления оптимальных вариантов с учётом различных факторов для нахождения эффективного и правильного технического решения, удовлетворяющего установленным требованиям надежности и критериям безопасности гидротехнических сооружений, а также их прогноз. Также моделирование в программе можно рассматривать как математический конструктор для создания различных расчётных вариантов проектируемых гидротехнических объектов, с использованием набора элементов с различными свойствами, достаточно полно отражающих особенности их нелинейного, зависящего от времени и анизотропного поведения при нагружении и разгрузке. В ходе моделирования мы получим полную картину нагрузок, а также определим степень надежности гидротехнического сооружения.

Для начала работы в программе GeoStudio, необходимо создать пост-модель в программе AutoCad, с техническим параметрами схожими с первоначальным вариантом Пскемской каменно-земляной плотины с суглинистым ядром (рис. 1), с последующим импортом в GeoStudio (рис. 2).

Рисунок 2. Поперечный профиль плотины, используемый в моделировании

Исходя из выполненных инженерно-геологических изысканий, для выполнения фильтрационного расчета, подбирался наиболее оптимальный вариант с точки зрения эффективности, производства работ и материальных затрат, применимый ко всей длине плотины. Моделирование фильтрационного потока осуществлялось при помощи модуля SEEP/W программного комплекса GeoStudio.

4. Результаты расчетов. Целью расчёта является определение положения кривой депрессии, фильтрационный расход через тело плотины и выходные градиенты фильтрационного потока с дополнительными противофильтрационными устройствами. В соответствии с материалами геологических изысканий, для материалов основания и тела плотины были приняты коэффициенты фильтрации, приведенные в таблице 2.

Таблица 2.

Коэффициенты фильтрации в модели для тела и основания

Поперечным профилем в качестве построения расчетной модели был выбрано самое глубокое место, с максимальной высотой плотины h=190м и с наибольшим напором H=186м при отметке воды в водохранилище при НПУ ▼1166. Толщина активной водонасыщенной толщи взята равному напору плотины и составила 186 м, с учетом того, что строительство проходит в горной местности, это еще дает максимальный запас по обеспечению достоверного результата по фильтрации. Согласно расчетной модели, фильтрация через плотину на погонный метр составляет q=0,00787м2/сут , при этом выходные градиенты напора доходили до значения Jmax=0,5 (см. рис.3).

Моделированием фильтрационного потока для принятой конструкции противофильтрационных устройств по каждому из участков плотины был определен общий расход воды на фильтрацию через плотину, положение кривой депрессии и значение выходных градиентов фильтрационного потока.

Рисунок 3. Фильтрационная модель плотины

Таблица 3.

Расчет фильтрационного расхода через плотину и ее основание

5. Анализ результатов Таким образом, фильтрационная прочность плотины обеспечивается на всех ее участках. Фильтрационный поток стабилен и не приводит к размыву; градиенты напора находятся в допустимых пределах; положение депрессионной кривой соответствует нормативным требованиям.

Суммарный фильтрационный расход через плотину и основание, с учетом рекомендуемых противофильтрационных мероприятий, составит 7,312 м3/сут, при нормальном подпорном уровне воды в водохранилище.

6. Выводы

1. Расчеты показали, что фильтрационный поток стабилен и не приводит к размыву; градиенты напора находятся в допустимых пределах; положение депрессионной кривой соответствует нормативным требованиям. фильтрационная прочность грунтов тела и основания плотины обеспечивается на всех ее участках.

2. Применение программного комплекса GeoStudio (модуль SEEP/W) при расчёте установившейся фильтрации в грунтовых плотинах обеспечивает высокую точность и надёжность результатов за счёт использования метода конечных элементов, позволяющего учитывать сложную геометрию сооружения, неоднородность и анизотропию грунтов, а также реальные граничные условия.

 Список литературы:

1. Гидротехнические. Сооружения: Справочник. Проектировщика.Г.В. Железняков.и. др., под.общ.ред. В.П.Недриги М.,1983.543с.
2. Experimental and numerical analysis for earth-fill dam seepage. - Al-Janabi A., Ghazali A., Ghazaw Y. et. al. Sustainability (Switzerland) - 2020 – 12.
3. Сергеев С.А., Клишкова А.В. Расчет установившейся фильтрации численными методами. Журнал «Инновации и инвестиции». № 5. 2021, стр.182-185.
4. Numerical simulation of the groundwater filtration process through a rectan gular dam of homogeneous soil on a waterproof base. - Shalanin VPatlay K. Bulletin of the fefu engineering school - 2019 - 39 (1).
5. Кутлияров Д.Н., Кутлияров А.Н. Фильтрация воды в грунтовых плотинах. Вестник Академии наук Республики Башкортостан.Том 28. 2018. – С. 68-74.
6. Mathematical Model for Unsteady Flow Filtration in Homogeneous Closing Dikes – Zaborova D., Kozinec G., Musorina T. et al. See more Power Technology and Engineering – 2020 – 54(3) – 358-364 c.
7.  Анискин А.Н., Мемарианфард М.Е. Расчет фильтрации в грунтовых плотинах численным методом.– Вестник МГСУ. №1. 2010. –С. 169-174.
8.  Распопин Г.А., Лещенко С.И. Фильтрация через грунтовые плотины с ядром.– Известия высших учеб ных заведений. Строительство. 2006. №8 (572). –С. 47 51.
9. Kh. Fayziev, Sh.A. Rakhimov, K.T. Jhuraev. Unsteady filtration in homogeneous onshore massifs of reservoirs and canals. Neuro Quantology Vol. 20(20), pp.142-149. (2022).
10. Fayziyev Kh., Kulumbetov B., Choriyev J., Khalimbetov A., Yakubov K., and Khomidova D., Design of unsteady filtration in the upper water-resistant prism of earthfill dams given horizontal drainage layers in the base. In E3S Web of Conferences, Vol. 401, EDP Sciences. (2023).
11. Khоmitkhan, F., Abduvakhobjonovich, R. S., & Khushvaktovich, B. S. (2018). Calculation of unsteady filtration in earth dams by the finite difference method. European science review, 1(11-12), 89-92.
12. Fayziyev X., T. Z. Sultanov , R.R. Sharipov , J.A.Yarashov. Experimental study of deformation and stability of dams built of phosphogypsum under seismic impacts. E3S Web of Conferences 401, 05047 (2023) CONMECHYDRO – 2023.
13. KH. Fayziyev, T.K. Khojiyev, S.K. Boymatov, S.A. Rakhimov, K.T.Zhuraev,M.B.Khalikov. Unstable filtration in the upper wedge of a dam with multi-tier screened horizontal drainage available to purchase. Дата публикации 2025/6/17Журнал AIP Conference ProceedingsТом 3286 Номер1 Страницы040031Издатель AIP Publishing LLC.