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

После комплексного анализа акселерограмм землетрясений было выявлено, что наибольшая энергетическая составляющая спектра горизонтальных ускорений находится в диапазоне от 1 до 12 Гц. Предложена методика разделения данного диапазона на три: низкочастотный - до 3 Гц, среднечастотный - от 3 до 6 Гц, высокочастотный - свыше 6 Гц.

Для выполнения исследований влияния локальных грунтовых условий основания хвостохранилища ЗИФ рудника Кумтор были подобраны три акселерограммы соответствующие трем частотным диапазонам:

- афтершок землетрясения «Northridge» - США, Калифорния, 17 января 1994 года, магнитуда 6,7, пиковая скорость 0,16 м/сек, пиковое ускорение 0,57g, продолжительность 39,88 сек, доминантная частота горизонтальных ускорений 1,2 Гц;

- «Trinidad» - Тринидад и Табаго, 9 июля 1997 года, магнитуда 7, пиковая скорость 0,077 м/сек, пиковое ускорение 0,19g, продолжительность 21,4 сек, доминантная частота горизонтальных ускорений от 2,7 до 3,4 Гц.

- «Landers» - США, Калифорния, 28 июня 1992 года, магнитуда 7,3, пиковая скорость 0,072 м/сек, пиковое ускорение 0,78g, продолжительность 48,09 сек, доминантная частота горизонтальных ускорений 11,4 Гц.

Численная модель основания показана на рисунке 10. Геотехнические свойства, используемые в анализа представлены в таблице 1. Динамические модули упругости сдвига и объемных деформаций определены из формул:

где с_р - скорость прохождения продольной волны, К - динамический модуль упругости объемных деформаций, G - динамический модуль упругости сдвига, с - плотность, с_s - скорость прохождения поперечной волны.

Рис. 10. Численная модель основания дамбы с указанием расчетных грунтовых элементов: 1 - скальное основание; 2 - суглинистый прослой; 3 - поверхностные грунты.

Таблица 1 - Свойства расчетных грунтовых элементов основания дамбы

При моделировании основания учитывалось положение кривой депрессии на ее естественном уровне согласно данным пьезометров, установленных за низовым откосом дамбы.

По результатам исследования сделаны следующие выводы:

1. При применении записи низкочастотной акселерограммы увеличение величины горизонтальных ускорений не выявлено. Спектры энергии ускорений показаны на рисунке 11, линия 1 - прикладываемой записи, линия 2 - отклика на поверхности. Первый пик спектра соответствует доминантной частоте записи 1,2 Гц, второй пик частному диапазону от 2,4 до 3,4 Гц. Увеличение продолжительности колебаний не выявлено.

2. При применении записи среднечастотной акселерограммы выявлено увеличение величины горизонтальных ускорений до 0,36g. Спектры энергии ускорений показаны на рисунке 12, линия 1 -прикладываемой записи, линия 2 - отклика на поверхности. Пик спектра приходится на частотный диапазон от 2,6 до 4,2 Гц. Увеличение продолжительности колебаний не выявлено.

3. При применении высокочастотной акселерограммы увеличение величины горизонтальных ускорений не выявлено. Спектры энергии ускорений показаны на рисунке 13, линия 1 -прикладываемой записи, линия 2 - отклика на поверхности. Первый пик спектра приходится на частотный диапазон от 2,8 до 4,6 Гц, второй от 11,6 до 13,4 Гц. Увеличение продолжительности колебаний не выявлено.

4. Для основания частотный диапазон 2,6 - 4,2 Гц является резонансным, т.к. вызывает резкое увеличение значений спектра энергии горизонтальных ускорений. Так же диапазон более высоких частот от 10 до 14 Гц значительно увеличивает переданную нагрузку. Возможно, данное усиление амплитуд колебаний вызвано эффектом «ловушки».

Отличие частот спектров прикладываемой нагрузки и откликов на поверхности говорят о влиянии местных грунтовых условий, а именно об увеличении частоты колебаний.

Выполнена оценка сейсмической устойчивости дамбы хвостохранилища ЗИФ рудника Кумтор с применением трех типов записей. Оценка осуществлялась по двум критериям сейсмостойкости: 1 - осадка гребня дамбы не должна превышать уровень воды верхнего бьефа равного 1,5м; 2 - величины деформаций, полученные в результате нелинейного динамического анализа сравниваются с результатами лабораторных испытаний, для оценки уменьшения прочностных свойств или потери устойчивости грунта при полученном уровне деформаций.

Рис. 13. Спектры энергии ускорений: 1- записи, 2 на поверхности.

Расчеты проводились в соответствии с этапами строительства и эксплуатации хвостохранилища. До выполнения динамических расчетов, производился расчет статического состояния дамбы с учетом фильтрационных процессов. Фильтрационные расчеты выполнены для учета изменения порового давления в водонасыщенных грунтах. Численная модель расчетного сечения дамбы показана на рисунке 12. Геотехнические свойства, используемые в анализе, для грунтов тела дамбы и хвостов представлены в таблице 2.

Резонансное усиление нагрузки основание на частоте ускорений от 2,6 Гц до 4,2 Гц не привело к ухудшению сейсмической устойчивости дамбы. Наихудшие результаты по выбранные критериям сейсмостойкости были получены при применении низкочастотной записи.

Рис. 14. Численная модель дамбы: 1 - хвосты; 2 - тело дамбы.

На рисунке 15 показано распределение горизонтальных смещений после 39,88 сек сейсмического воздействия низкочастотной записи. Со стороны верхового откоса их величина составляет 25 см, а со стороны низового 15 см.

На рисунке 16 показаны графики горизонтальных и вертикальных смещений гребня. Максимальная величина горизонтальных смещений 22 см, вертикальных 1,4 см. Согласно первому критерию сейсмостойкости данная осадка не приведет к развитию гидродинамической аварии за счет перелива.

Распределение максимальных пластических деформаций показано на рисунке 17. Максимальные пластические деформации, по результатам динамического расчета, сформировали поверхность сдвига в суглинистом прослое со значениями от 2,5% до 15%, упирающуюся в конструкцию из упорных клиньев.

Таблица 2 - Свойства расчетных грунтовых элементов тела дамбы и хвостов

Данное значение говорит о разрушении материала суглинистого прослоя. Сформировавшаяся поверхность сдвига не пересекает тело дамбы и не выходит на поверхность откоса.

Рис. 15. Распределение горизонтальных смещений.

Выводы

Наиболее существенные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. При изучении современного состояния теоретических основ и методологических подходов к оценке сейсмической устойчивости грунтовых дамб установлено, что:

- численное моделирование, как метод СМР, обладает рядом преимуществ: экономически менее затратное; необходимо меньше времени для проведения исследования; способно оценить напряженно-деформационное состояние грунтов основания с учетом многофакторности (нелинейного поведения грунтов при динамических нагрузках, изменение рельефа, учет положения грунтовых вод и т.д.);

- при изучении результатов исследования сейсмической устойчивости грунтовой дамбы на сейсмоплатформе выявлено, что главным фактором, влияющим на величину сейсмических деформаций, является характеристики сейсмической нагрузки, на которые оказывает влияние грунты основания, что говорит о важность их учета в расчетах сейсмической устойчивости;

- грунты классифицируются по типу их динамической неустойчивости: скальные породы характеризуются усталостным типом; несвязанные грунты проявляют дилатансию разного знака; связанные грунты обладают квазитиксотропной реакцией на динамическую нагрузку;

- для повышения качества расчетов сейсмической устойчивости грунтовых дамб на слоистом основании предложено учитывать геологическое строение и выявлять наиболее важный тип грунта, затем применять акселерограммы с заданными характеристиками для воздействия на определенный вид динамической неустойчивости.

2. Выполнены новые исследования процесса распространения сейсмической волны в слоистом основании с помощью численного моделирования 50 метровой грунтовой колонны с приложением импульса касательных напряжений в ее основании и изменении грунтовых условий. Данные исследования подтвердили особенности, связанные с отражением волн от границ раздела грунтов и от свободной поверхности. Был выявлен эффект «ловушки» - сейсмическая волна, отражаясь от границы раздела грунтов, продолжает оставаться внутри слоя грунта, и становится источником сейсмических колебаний, увеличивая их продолжительность и изменяя характеристики. Выполненные численные эксперименты подтверждают изменение динамической нагрузки на поверхности при условии наличия в основании выше коренных пород грунтов с более низкими значениями скоростей распространения упругих волн. Факторный анализ для трехслойной модели грунтового основания, состоящего из коренных пород, суглинистого прослоя и песчаного грунта выявил, увеличение величин горизонтальных смещений, скоростей горизонтальных смещений и ускорений на поверхности основания со снижением значения скорости распространения упругой поперечной волны в суглинистом прослое. Увеличение мощности суглинистого прослоя, так же приводит к увеличению этих динамических параметров на поверхности основания. Данный анализ показал возможности численного моделирования для установления наиболее важных факторов, влияющих на сейсмическую нагрузку, передаваемую грунтовой дамбе в каждом конкретном случаи.

3. В результате комплексного анализа записей землетрясений предложена методика разделения записей горизонтальных ускорений на частотные диапазоны. Наибольшая составляющая спектра энергии горизонтальных ускорений землетрясений находится в частотном диапазоне от 1 до 12 Гц. Предложено разделить данный диапазон на три уровня частот: низкочастотные до 3 Гц; среднечастотные от 3 до 6 Гц; высокочастотные свыше 6 Гц. Разработана рекомендация по использованию трех типов акселерограмм по указанной градации для исследования реакции основания на разно частотную нагрузку. Данные исследования позволяют выявить резонансную частоту слоистого основания и произвести расчет сейсмической устойчивости грунтовой дамбы при максимальных нагрузках.

4. Разработана методика оценки влияния местных грунтовых условий на изменение характеристик сейсмической волны заключающаяся в поэтапном подходе:

- масштабирование расчетных акселерограмм для получения на поверхности численной модели скального основания, величины пикового ускорения соответствующего интенсивности района площадки строительства согласно карте сейсмического районирования Кыргызской Республики;

- изменение численной модели основания на реальные грунтовые условия;

- анализ и сравнение полученных результатов расчетов оснований, состоящих только из скальной породы и из реальных грунтовых условий, для выявления и оценки изменений сейсмического эффекта на поверхности.

Данная методика позволяет производить расчеты сейсмической устойчивости грунтовых дамб при отсутствии записей землетрясений непосредственно с площадки строительства, без потери учета местных грунтовых условий.

5. Выполнено численное моделирование сейсмической устойчивости дамбы хвостохранилища ЗИФ рудника Кумтор согласно разработанной методике оценки влияния местных грунтовых условий на сейсмический эффект и разработанной рекомендации по выбору трех типов акселерограмм. Подтверждена важность учета слоистого основания в расчетах сейсмической устойчивости:

- выявлено, что суглинистый прослой увеличивает пиковое значение горизонтальных ускорений с 0,33g до 0,36g при приложении среднечастотной записи, данное значение приближается к 9 балльной интенсивности;

- обоснована разработанная методика, позволяющая выявить резонансный частотный диапазон 2,6 - 4,2 Гц слоистого основания, который остается неизменным при приложении всех трех разно частотных записей.

Наихудшие результаты, с точки зрения сейсмической устойчивости дамба показала при низкочастотных колебаниях, не отреагировав на усиление от грунтов основания среднечастотных компонент. Это объясняется различием собственных частот тела дамбы, лежащих в низком диапазоне. Наибольшие горизонтальные смещения распределились в суглинистом прослое и теле дамбы со стороны верхового откоса. Их значение примерно одинаково и составляет 25 сантиметров, что вызвано деформированием суглинистого прослоя и движением дамбы по нему. Значения сдвиговых деформаций суглинистого прослоя составляют от 2,5% до 15%. Происходит разрушение материала суглинка и потеря несущей способности. Сформированная поверхность сдвига упирается в конструкцию из упорных клиньев и не имеет выхода на свободную поверхность. Осадка гребня дамбы не превышает 1,5 метра и составляет 1,4 сантиметра. Согласно выбранным критериям сейсмостойкости, сейсмическая устойчивость дамбы обеспечивается.