Автореферат: Оценка влияния неоднородного основания на сейсмическую устойчивость дамбы хвостохранилища рудника Кумтор на основе численного моделирования

4. Использование масштабирования расчетных акселерограмм на численной модели скального основания, модификация численной модели с внедрением в нее реальных грунтовых условий, а также выявление и оценка изменений сейсмического эффекта на поверхности - позволяет провести оценку сейсмической устойчивости грунтовых дамб, возведенных на слоистом основании при отсутствии записей землетрясений непосредственно с площадки строительства.

Личный вклад соискателя заключается в: выполнении исследований по изучению прохождения сейсмической волны через слоистое грунтовое основание с помощью численных экспериментов; проведении многофакторного анализа слоистого основания на примере дамбы хвостохранилища ЗИФ рудника Кумтор; создании методики расчета оценки влияния слоистого основания на сейсмический эффект; выборе и подготовке расчетных акселерограмм с различными доминантными частотами; обосновании необходимости учета слоистого основания в динамических расчетах; оценке сейсмической устойчивости дамбы хвостохранилища ЗИФ рудника Кумтор и внедрении результатов исследований в проектную документацию; обосновании индивидуального подхода к оценке сейсмической устойчивости грунтовых дамб.

Апробация результатов исследования. Результаты исследований были доложены и обсуждены на трех международных симпозиумах:

- симпозиум, посвященный вопросам численного моделирования в кодах FLAC, проводимый совместно с Китайским Обществом Геомеханики и Инженерии (www.csrme.com/en) под эгидой Китайской Академии Наук, «Третий международный симпозиум FLAC» (Китай, Хангжу, 2013г.);

- международный симпозиум Комитета по Большим Плотинам и Дамбам (ICOLD), «Дамбы в глобальных проблемах окружающей среды» (Индонезия, Бали, 2014г.);

- международный симпозиум, посвященный 35-й годовщине компании ITASCA, «Численное моделирование в геомеханике» (Перу, Лима, 2016г.);

- международная учебно-практическая конференция Московского Государственного Строительного Университета, публикация заняла почетное второе место (Россия, Москва, 2017г.).

Результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались ежегодно (2010-2014 г.г.) на отчете молодых ученых Института Геомеханики и Освоения Недр НАН КР, а работа в завершенном виде доложена и одобрена на объединенном заседании кафедры Прикладной математики и информатики КГТУ им. И.Раззакова и секции Ученого совета «Геомеханика» ИгиОН НАН КР.

Полнота отражения результатов диссертации в публикациях. Основное содержание диссертации отражено в 13 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы, приложения, содержит 151 страницу текста, 6 таблиц, 106 рисунков, список использованных источников из 138 наименований.

2. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность проблемы, определены цели и задачи, а также основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ изученности вопросов и методов оценки сейсмической устойчивости грунтовых дамб, изучены виды сейсмического районирования, выполнен анализ экспериментальных исследований сейсмической устойчивости грунтовых дамб на крупномасштабной сейсмоплатформе.

До середины 70-х годов изучение динамики грунтов и проектирование сейсмически устойчивых грунтовых дамб идут практически изолировано. Связь между основными работами этих двух направлений не просматривается. Исследуются закономерности поведения грунтов в условиях динамических воздействий, в вопросах сейсмической устойчивости грунтовых дамб их не учитывают. Ситуация меняется в последние 20 лет. Создаются расчетные модели динамической реакции грунтов, ориентированных на задачи проектирования грунтовых дамб. Начиная с 1975 года, Международной Комиссией по Большим Плотинам и Дамбам публикуются первые обзорные издания, обобщающие мировой опыт по данной проблематике. До публикации 1989 года, во многих странах мира была практика оценки сейсмической устойчивости грунтовых дамб, используя псевдо статический анализ для горизонтального ускорения 0,1g. Как уже известно, землетрясения могут производить большее значение ускорений. Динамические расчеты выявили необходимость учета основания дамбы. Основание - не твердый однородный грунт, а сложная структура, со своим динамическим откликом, изменяющая характеристики сейсмического воздействия.

Из кыргызских ученых в области динамики грунтов необходимо отметить работы К.А. Кожобаева. Его научные труды посвящены тиксотропии, дилатансии и разжижению дисперсных грунтов. Прогнозирование активизации оползней при землетрясениях в Кыргызской Республике являются результатом научных трудов В.Е. Матыченкова, Ш.Э. Усупаева, Дж.Ш. Кожобаева, Дж.А. Шаимбетова и др.

Расчетами напряженно-деформированного состояния геотехнических объектов численным моделированием в Кыргызской Республике занимаются И.Т. Айтматов, К.Ч. Кожогулов, О.В. Никольская, К.Ж. Усенов, С.Ф. Усманов, Э.К. Абдылдаев, А. Алибаев, Б.А. Чукин, К.А. Абдыгазиев, Э.А. Ким, Г. Исаева, З. Шамбетов и др.

Исследование фильтрационных и тепловых процессов является научным направлением М. Дж. Джаманбаева, Ч. Дж. Джаныбекова, А.И. Исманбаева, Б.И. Бийбосунова и др.

Оценкой напряженно-деформированного состояния геотехнических объектов аналитическим методом занимаются Б.Ж. Жумабаев, А.А. Аманалиев и др.

Прогнозирование и оценка сейсмической опасности территории Кыргызской Республики является научно-исследовательским направлением К.Е. Абдырахматова, Э. Мамырова, М. Омуралиева, В.Н. Погребного, Дж.Ж. Кендирбаевой, К. Джанузакова, А.Т. Турдукулова, М.П. Камчыбекова и др.

В решение проблемы обеспечения сейсмической устойчивости грунтовых дамб и понимании закономерностей поведения грунтов при динамических нагрузках внесли значительный вклад видные ученые: Д.Д. Баркан, О.Я. Шехтер, О.А. Савинов, Н.Н. Маслов, Б.М. Гуменской, И.М. Горькова, П.Л. Иванова, Л.К. Танкаева, Е.Н. Зарецкий, Л.Н. Рассказов, Е.Н. Беллендир, В.Н. Ломбардо, А.С. Бестужев, В.Г. Мельник, Е.А. Вознесенский и др., а также зарубежные ученые К. Терцаги, Т. Лэмб, Е. Рейсснер, Г. Фрейндлих, Г.Б. Сид, К. Чен, Н.М. Ньюмарк, Т.К. Сай, Дж. Лайсмер, Ф. Ричарт, К. Ли, А. Казагранде, Г. Кастро, К. Ишихара, Т.Л. Яуда, Дж. Митчелл, В.Д.Л. Финн и др.

Выполнен анализ видов сейсмического районирования. Сейсмическая опасность площадки строительства производится на основании исследований: общего сейсмического районирования (ОСР), детального сейсмического районирования (ДСР) и сейсмического микрорайонирования (СМР). Работы по ОСР охватывают всю территорию страны с построением карты. Основным элементом градации карты является интенсивность землетрясения. Построением карты ОСР Кыргызской Республики успешно занимается Институт Сейсмологии НАН КР. Задачей ДСР является изучение сейсмогенерирующих зон. Изучается распределение очагов, тип подвижек, максимальные магнитуды и т.д. СМР оценивает влияние местных условий на очаговое сейсмическое воздействие. В последние годы в комплексе СМР важную роль играют численные методы, точность которых обусловлена учетом многофакторности, возможностью описания резкой изменчивости форм границ среды, учетом уровня грунтовых вод, а также изменением скоростных и прочностных свойств грунтов.

Наибольшую известность в области экспериментальных исследований сейсмической устойчивости грунтовой дамбы получили работы, проведенные для строительства плотины Нурекской ГЭС. Для определения сейсмической устойчивости откосов была построена сейсмоплатформа. Эксперименты на сейсмоплатформе проводились с гравийно-галечниковой смесью Нурекских карьеров. Всего на платформе было выполнено более 100 опытов, отличающихся прикладываемыми ускорениями от 0,1g до 0,5g. Откос имел заложение m = 2,25 с плотностью укладки с = 1,9 - 2,27 т/м³.

Проведенные опыты выявили, что величина сейсмических деформаций сооружения зависит от:

- динамических параметров землетрясения;

- физико-механических свойств грунта дамбы;

- и практически мало зависит от высоты сооружения.

Проанализированы результаты проделанной экспериментальной работы, сделаны следующие выводы: плотины из гравийно-галечниковой смеси обладают высокой динамической устойчивостью при ускорениях до 0,5g, если плотность укладки материала не менее 2,15 т/м³. Рыхло уложенный галечник с с < 1,95 т/м³, обладает достаточной динамической устойчивостью в сухом состоянии, имеет резко пониженную динамическую устойчивость в водонасыщенном состоянии. Важным выводом является то, что величина сейсмических деформаций сооружения зависит от динамических параметров землетрясения, в виде колебания земной поверхности, на которые влияют местные грунтовые условия.

Во второй главе изложены существующие методы оценки сейсмической устойчивости грунтовых дамб.

В основу спектрального метода положена идея, о том, что вместо описания сейсмических колебаний сооружения в функции времени определяют максимальные ускорения, скорости, смещения на основе анализа динамических параметров (период собственных колебаний, показатель рассеяния энергии и т.д.). Для определения этих величин используются акселерограммы ранее прошедших землетрясений. В результате строятся спектральные кривые, описывающие максимальные сейсмические ускорения, скорости и смещения системы с одной степенью свободы в функции периода его собственных колебаний. Данный метод рекомендован СниП КР 20-02:2009 для оценки сейсмической устойчивости грунтовых дамб ниже I и II класса ответственности. Для грунтовых дамб максимальное ускорение u_ik(t) в точке k может быть определено из выражения:

где, a_p - максимальная амплитуда действующего ускорения; - коэффициент формы деформаций сооружения; - коэффициент динамичности, зависимость абсолютных значений максимальных ускорений системы с фиксированным затуханием от периодов собственных колебаний T_i. Значения в зависимости от периода собственных колебаний T_i сооружения определяются по спектральным графикам показанным на рисунке 1. Кривая 1 - для грунтов I категории по сейсмическим свойствам; кривая 2 - для II и III категорий при мощности слоя ? 30 м; кривая 3 - для грунтов II и III категорий при мощности слоя > 30 м. В линейно-спектральной теории для дамб из грунтовых материалов расчетные сейсмические нагрузки определяются через расчетное ускорение в точках k сооружения.

где: А - коэфф-т, характеризующий сейсмическое ускорение, в_i -коэфф-т динамичности, з_ikj - коэфф-т формы колебаний, K₁ - коэфф-т, допустимых повреждений, К₂ - коэфф-т, учитывающий конструктивные решения, К_ш - коэфф-т, типа сооружения и интенсивности сейсмического воздействия, детерминированны и принимаются согласно нормативных документов. Оценка сейсмической устойчивости грунтовой дамбы после определения сейсмических нагрузок выполняется методом фиксированных поверхностей скольжения, при этом сейсмические нагрузки учитываются как статические.

Оценка сейсмической устойчивости грунтовых дамб при задании воздействия акселерограммой осуществляется по допустимым деформациям. Широкое распространение получил динамический метод Н. Ньюмарка. Данный

Рис.1. Графики значений коэффициента динамичности от расчетного периода собственных колебаний Т_i.

Метод расчета определяет необратимые перемещения откосов по фиксированным поверхностям скольжения при сейсмических воздействиях. Н. Ньюмарком были получены зависимости для оценки предельного ускорения и соответствующей силы, приводящих к необратимым смещениям откосов или дамбы в целом. Если при расчете устойчивости откоса коэффициент запаса отсека, становится меньше единицы, то этот отсек смещается как единое целое.

Научные достижения позволили найти новые современные подходы в сейсмических расчетах грунтовых дамб. Современные методики расчета для описания поведения грунта используют уравнения теории пластичности. Ниже приводятся исходные предпосылки расчета сейсмонапряженного состояния грунтовых дамб прямым динамическим методом:

- связь между напряжениями и деформациями грунта определяется на основе теории пластичности;

- математическая модель грунта уточняется путем обработки данных лабораторных исследований;

- при расчете учитываются все основные факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние дамбы в строительный и эксплуатационный периоды и в процессе сейсмического воздействия;

- допустимые нагрузки на сооружение оцениваются по деформациям, опасным с точки зрения эксплуатации или прорыва напорного фронта сооружения;

В качестве предельной нагрузки на сооружение принимается уровень, при котором происходят незатухающие пластические деформации, выявляющие возможные зоны обрушения дамбы.

В третей главе описана динамическая неустойчивость грунтов, предложена методика подбора характеристик расчетных акселерограмм в зависимости от наиболее важного типа грунта в геологическом разрезе основания, выполнены новые исследования процесса распространения сейсмической волны в слоистом основании, произведен факторный анализ для трехслойной модели грунтового основания, рассмотрена методика подготовки акселерограмм к расчетам.