Комплексные расчеты гидротехнических сооружений в PLAXIS

Уникальность и повышенная ответственность гидротехнических сооружений предъявляет высокие требования к надежности и долговечности их конструкции и используемым материалам. При этом выбор конструкционного решения, технологии и материалов должен быть обоснован соответствующими достоверными расчетами.

В такой ситуации инженеру приходится решать ряд весьма сложных и порой взаимосвязанных задач, требующих исследовательского подхода, когда изменение конструкции, технологии или материала приводит к изменению других элементов проекта.

Такой творческий подход в инженерном деле может быть реализован с помощью программного комплекса PLAXIS, предназначенного для выполнения комплексных расчетов гидротехнических сооружений для строительного и эксплуатационного  периодов.

Используя PLAXIS, инженер имеет возможность оперативного сопоставления вариантов проекта с учетом различных факторов для нахождения оптимального решения, удовлетворяющего установленным требованиям и критериям проектирования.

Программный комплекс PLAXIS представляет собой набор вычислительных программ для выполнения расчетов методом конечных элементов сложных гидротехнических сооружений различного назначения (плотин, накопителей отходов обогатительного процесса, шлюзов, причальных стен, морских платформ, тоннелей и т.д.).

Для статических расчетов напряженно-деформированного состояния, устойчивости и фильтрации в условия плоской задачи предназначена программа PLAXIS 2D, а в условиях пространственной задачи - программа PLAXIS 3D. Учет динамических нагрузок (волновых, вибрационных, импульсных, сейсмических) возможен при использовании программы 2D Dynamics. Для расчетов сложных режимов установившейся и неустановившейся фильтрации в насыщенных и ненасыщенных водой грунтовых массивах используется программа 2D PlaxFlow.

В программном комплексе PLAXIS реализована концепция простых в использовании программ для инженеров-расчетчиков, которые не обязательно должны быть специалистами в области численных методов расчета и современной нелинейной механики грунтов. PLAXIS можно рассматривать как математический конструктор для создания различных расчетных вариантов проектируемых гидротехнических объектов с помощью удобных графических методик (CAD-черчение или импорт из AutoCAD). В распоряжении инженера находится набор элементов с определенными свойствами (плита, оболочка, балка, стойка, анкер, шарнир, георешетка, свая, дрена, колодец и др.) и набор моделей разной степени сложности для грунтов, бетона (железобетона) и скальных пород, достаточно полно отражающих особенности их нелинейного, зависящего от времени и анизотропного поведения при нагружении и разгрузке. Для выбора адекватной модели и ее расчетных параметров имеется подпрограмма Soil test (испытание грунта), являющаяся математическим (компьютерным) аналогом стандартных (ГОСТ 12248-96) лабораторных испытаний грунтов.

Следует отметить, что в программах PLAXIS грунт моделируется как многокомпонентный материал, в котором могут возникать давления в поровой воде (гидростатическое и избыточное), прогноз развития которых очень важен при проектировании гидротехнических сооружений. Программы PLAXIS позволяют моделировать поэтапное возведение сооружения, экскавацию и отсыпку грунта, различные по величине и направлениям нагрузки, создавать сценарии аварийных ситуаций и оценивать их последствия для работы сооружения и окружающих объектов.

Разработка программного обеспечения PLAXIS проводится при поддержке Сообщества PLAXIS, в котором участвуют более 30 компаний, оказывающих финансовую поддержку и контролирующих эффективность и качество программных продуктов, обеспечивая связь с инженерной практикой. Разработка и усовершенствование PLAXIS были бы невозможны без проведения научных исследований в различных университетах и научно-исследовательских институтах мира. Для поддержания высокого технического уровня и внедрения новых технологий коллектив разработчиков Plaxis находится в контакте с группой ведущих исследователей и ученых в области геомеханики и численных методов расчета.

Сервисная программа PLAXIS VIP обеспечивает пользователей Plaxis оперативной информацией, новыми версиями установленных программ и консультаций специалистов. Для успешного освоения программ проводятся курсы обучения по теоретическим и практическим аспектам компьютерного моделирования (www.plaxis.nl, www.plaxis.ru).  Два раза в год выходит международный бюллетень, в котором публикуется описания проектов с результатами расчетов в PLAXIS, информация о новых разработках, советы по оптимальному использованию программ и календарь событий. Ежегодно в июне компания ООО "НИП-Информатика", являющаяся официальным представителем компании PLAXIS b.v. в России, проводит в Санкт-Петербурге научно-практическую конференцию российских пользователей PLAXIS.

Уже 10 лет программный комплекс PLAXIS широко и эффективно применяется в России. За этот период коллективными пользователями PLAXIS стали более 150 ведущих проектных, научно-исследовательских институтов, инженерных и конструкторских бюро, строительных компаний и высших учебных заведений. В области гидротехнического строительства программы PLAXIS успешно используются во ВНИИГ (Санкт-Петербург), Ленгидропроект (Санкт-Петербург), ЛЕНМОРНИИПРОЕКТ (Санкт-Петербург), ГИДРОСПЕЦПРОЕКТ (Москва), Гипроречтранс (Москва), 23 ГМПИ (Санкт-Петербург), ЛУКОЙЛ-ВолгоградНИПИморнефть (Волгоград), Инженерный центр энергетики Урала (Екатеринбург), ЦКБ Коралл (Севастополь) и в других организациях.

Программный комплекс PLAXIS имеет сертификат ГОССТАНДАРТа РОССИИ, удостоверяющий соответствие выполняемых с его помощью геотехнических расчетов требованиям положений действующих нормативных документов.

Располагая современными упругопластическими моделями для грунтов и нелинейными моделями для конструкционных материалов, программный комплекс PLAXIS позволяет в полной мере реализовать принцип проектирования гидротехнических сооружений по предельным деформациям, как на стадии строительства, так и на стадии эксплуатации или реконструкции. Эти этапы могут быть последовательно смоделированы с учетом развивающихся во времени процессов и ситуаций. Особенно следует подчеркнуть возможность выполнения расчетов фильтрации и консолидации, актуальных при проектировании гидротехнических объектов, а также расчетов устойчивости (безопасности) с определением формирующихся потенциальных поверхностей разрушения и значений коэффициента запаса, отвечающих уровню достигнутых напряжений.

Постпроцессор PLAXIS имеет эффективные графические средства для вывода на экран результатов вычислений деформаций, напряжений, усилий (моментов, продольных и перерезывающих сил) в элементах конструкции в различных форматах представления (векторы, изолинии, изополя, эпюры в сечениях), а также таблицы выходных данных. Графики и таблицы могут быть отправлены на устройства вывода данных или скопированы в буфер обмена Windows® для экспорта в другие приложения.

В качестве примера ниже приведены некоторые результаты расчета в PLAXIS шламохранилища Сосногорского глиноземного завода (проект ОАО "РУСАЛ ВАМИ") для анализа напряженно-деформированного состояния, устойчивости откосов и фильтрации пионерной дамбы. В расчетной схеме были учтены наиболее важные факторы: неоднородное грунтовое основание, конструкция накопителя, этапы строительства, транспортные нагрузки. Строительство пионерной дамбы смоделировано с учетом основных этапов возведения: укладки геомембраны, отсыпка щебня, посев травы на низовом откосе, постепенное заполнение шламом самого накопителя. На рис.1 показаны поверхности потенциального обрушения откоса для оценки устойчивости дамбы, а на рис. 2 представлены результаты фильтрационного расчета в виде поля скоростей фильтрующей воды из прудка.

Рис. 1. Поверхности потенциального обрушения низового откоса дамбы

Рис. 2. Депрессионная кривая от прудка до дренажной канавы и скорости фильтрации

В заключение отметим, что программный комплекс PLAXIS позволяет обеспечить высокие показатели эффективности, надежности и экономичности проектируемых гидротехнических сооружений.

А.И. Голубев,
к.т.н., с.н.с.

А.В. Селецкий,
нач. геотехнического отдела

ООО "НИП-Информатика