CC BY
16УДК 627.514.2 Тхай Тхи Ким Тьи
Южно-Российский государственный политехнический университет (НИИ) им. М. И. Платова, Новочеркасск, Российская Федерация
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ МОБИЛЬНЫХ ЗАЩИТНЫХ ДАМБ
Целью исследований являлось определение устойчивости одно- и двухкамерных дамб при различных гидравлических условиях работы и разработка новой конструкции, обладающей большей устойчивостью по сравнению с существующими. Проведены численное моделирование с помощью программы ANSYS и экспериментальные исследования на физической модели мобильных защитных дамб при изменении внутреннего давления и глубины воды в верхнем бьефе, по результатам которых были определены зависимости перемещения одно- и двухкамерных оболочек от глубины воды в верхнем бьефе при различных значениях отношений прилегания к высоте В/Н, а также зависимости критической глубины воды в верхнем бьефе h^/Н от формы оболочки, характеризующейся отношением ее прилегания к высоте В/Н. Доказано, что устойчивость двухкамерной оболочки больше, чем однокамерной, на 7-18 % при в/н соответственно 0,2-2,5; однако ее устойчивость на сдвиг не обеспечивается при h^/н > 0,68-1,2 и в/н соответственно в диапазоне от 0,5 до 2,5, что обусловило необходимость создания нового технического решения мобильной защитной дамбы. Так как устойчивость основания дамбы обеспечивается системой анкеров, разработано расчетное обоснование их параметров. Применение нового технического решения повышает устойчивость мобильной защитной дамбы на 300 % по сравнению с двухкамерной незакрепленной конструкцией.
Ключевые слова: двухкамерная дамба, численное моделирование, устойчивость, критическая глубина воды, перемещение.
Thai Thi Kim Chi
South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russian Federation
IMPROVEMENT AND DESIGN JUSTIFICATION FOR CONSTRUCTIONS OF MOBILE PROTECTIVE DAMS
The objective of the research is to determine the stability of one- and two-chambered dams at different hydraulic operation conditions and develop a new construction which provides better stability comparing with existing ones. Computational modeling by the software ANSYS and experimental study on physical model of mobile protective dam at the changing of internal pressure and depth of water in the upstream were conducted. The results enable to determine the relations for travel of one- and two-chambered casing to the depth of water in the upstream at different values of relations of conformity to a height, В/Н, as well as the relation of critical depth of water in upstream to the pattern of casing, h^/Н, which characterized by the ratio of conformity to a height, В/Н. It is proved that stability of two-chambered casing is better than of one-chambered by 7-18 % at в/н equals to 0.2-2.5. However, its shear stability doesn't provide at h^/Н > 0.68-1.2 and в/н in the range of 0.5 to 2.5, what is necessitated the creation of new solution for mobile protective dam. Since the stability of the dam foundation provided by a system of anchors, design justification of their parameters was developed. The application of the new technical solution increases the stability of mobile protective dam
by 300 % comparing with two-chambered unfixed construction.
Keywords: two-chambered dam, computational modeling, stability, critical depth of water, travel.
В настоящее время для временной защиты населенных пунктов и предприятий от затопления применяются новые конструкции из композитных материалов - гибкие дамбы. Они представляют собой цилиндрические наполняемые воздухом, водой или смесью конструкции из композитного материала с высотой до 5 м. Достоинством гидротехнических сооружений данного типа является их высокая мобильность, сравнительно невысокая стоимость, быстрота монтажа и демонтажа, низкие трудозатраты и малое воздействие сооружений на окружающую среду.
По количеству камер гибкие дамбы можно разделить на одно- и двухкамерные. Схемы одно- и двухкамерной водонаполняемой дамбы представлены на рисунках 1, 2 [1].
Рисунок 1 - Расчетная схема водонаполняемой дамбы
1 - оболочка; 2 - внутренняя оболочка; 3 - флюбет Рисунок 2 - Двухоболочковая конструкция в разрезе
С XIX века расчеты изгибаемых цилиндрических оболочек под гидростатической нагрузкой были проведены Е. С. Кузнецовым, В. А. Киселевым, К. М. Хуберяном, А. Л. Можевитиновым, А. Г. Воробьевым,
B. Э. Магулой, В. И. Друзем, В. Д. Кулагиным, В. Р. Хаусором, С. Д. Кио-рингом, В. В. Филиппео и др.
Анвар (1967); Харрисон (1970, 1971); Парбери (1976, 1978); Алван (1979); Алшами, (1983); Николаз и Рангашами (1983) и Абд Алшабер (1997) предложили различные математические модели для расчета наполняемой дамбы. Плаут и Фаган (1988); Плаут и Леурик (1988) и Хшиен (1989) изучили влияние веса мембраны на вибрацию наполняемых дамб, в условиях перелива потока воды через ее гребень.
В России расчетом формы оболочки занимались такие ученые, как
C. А. Алексеев, А. Г. Воробьев, А. Л. Можевитинов, В. Э. Магула, И. А. Петров, Н. П. Розанов, Б. И. Сергеев, В. А. Волосухин, О. Г. Затвор-ницкий, А. П. Назаров.
Для определения начальной формы водонаполняемых гибких дамб автором были приняты графический и аналитический методы, а также зависимость, полученная Мееок Ким [2, 3]:
где w - относительная ширина оболочки:
w = Ж / L,
где Ж - ширина оболочки, м; Ь - периметр оболочки, м;
р - относительное внутреннее давление на дно оболочки:
Рдн = Рдн/(P&L),
где Рдн - внутреннее давление на дно оболочки, Па; Ь - относительное прилегание:
Ь = В / £,
где В - прилегание оболочки, м;
k - модуль эллиптического интеграла. Выполнены расчеты фильтрационного потока с помощью программы ANSYS, основанной на использовании метода конечных элементов [4]. При решении поставленных задач выполнялись следующие этапы: создание геометрической модели оболочки; построение конечно-элементной модели; задание граничных условий; получение результатов численного моделирования. На рисунках 3 и 4 представлены полученные результаты расчета фильтрационной устойчивости основания мобильных защитных дамб периметром 0,36 м, внутреннем давлением 761 Па; УВ в ВБ составляет 0,06 м.
Рисунок 3 - Линии равных фильтрационных напоров
Рисунок 4 - Схема движения фильтрационного потока по векторам скорости течения
В результате расчета были получены скорость, направление и расход фильтрационного потока под основанием дамбы, позволяющие определить
ее фильтрационную устойчивость и необходимую величину ее прилегания.
Автором также выполнены расчеты по определению перемещения мобильных защитных дамб в зависимости от глубины воды в ВБ. При этом для моделирования оболочки и основания использованы конечные элементы SHELL 181 и SOLID185. Модель однокамерной оболочки в ANSYS представлена на рисунках 5 и 6.
Рисунок 5 - Поперечный разрез начальной формы с эпюрами распределения внутреннего и внешнего давления
Рисунок 6 - 3D-модель однокамерной оболочки в ANSYS
В результате численного моделирования был построен график, по которому можно определить угол вращения двухкамерной оболочки в зависимости от отношения / Н и отношения В / Н (рисунки 7 и 8).
Как видно из графиков, перемещение оболочки зависит не только от УВ в ВБ, но и от ее формы. Чем больше значение отношения В / Н, тем больше оболочка перемещается.
Для определения устойчивости двухкамерной оболочки были проведены расчеты ее углов вращения в зависимости от отношений / Н и В / Н. Модель двухкамерной оболочки в ANSYS представлена на рисунке 9.
Рисунок 7 - Перемещение однокамерной оболочки в зависимости от УВ в ВБ
0.16
о -----i--г----г-i----.
0.07 0.09 0.П 0.13 0.1: 0.17 0.19 0.21
tbüL
Рисунок 8 - График зависимости перемещения однокамерной оболочки от УВ в ВБ при различных значениях отношений прилегания к высоте В/Н
Рисунок 9 - Модель двухкамерной оболочки в ANSYS
Результаты численного моделирования представлены на рисунке 10, по результатам анализа которого построен график зависимости угла вращения двухкамерной оболочки от отношения / Н и отношения В / Н (рисунок 11).
Рисунок 10 - Перемещение двухкамерной оболочки в зависимости от УВ в ВБ
Рисунок 11 - График зависимости угла вращения оболочки ß от отношения /вб/Н и отношения В/Н
Для оценки достоверности полученных зависимостей автором также проведены экспериментальные исследования на физических моделях мобильных гибких дамб (рисунок 12).
а) б)
а - схема однокамерной оболочки; б - схема двухкамерной оболочки Рисунок 12 - Лабораторная установка одно- и двухкамерной оболочки
Будем считать критической глубиной воды в ВБ ккр - глубину, при
которой оболочка теряет свою устойчивость. Для ее определения были проведены экспериментальные исследования для различных периметров в интервале 0,28-0,64 м и различных форм оболочки, характеризующихся отношением В / Н от 0,2 до 2,5. В результате исследований получены следующие зависимости ккр / Н от отношения В / Н для одно- и двухкамерной
оболочек с достоверностью аппроксимации соответственно R2 = 0,79 и 0,71:
к
= -0,0045 •
Н к
= 0,0187 •
Н
В_
V Н у
в_
Н
+ 0,1655 •
V Н у
+ 0,5878.
+ 0,137 •
Н
+ 0,6588.
ч^ / ч^ /
Графическая зависимость ккр / Н от отношения В / Н представлена
на рисунке 13.
В результате было установлено, что устойчивость двухкамерной оболочки, критерием которой является соотношение ккр / Н, больше, чем
однокамерной, на 7-18 % при В / Н соответственно 0,2-2,5. Однако ее ус-
Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 3(15), 2014 г., [92-103] тойчивость на сдвиг не обеспечивается при УВ в ВБ / Н > 0,68...1,25 и В / Н соответственно в диапазоне от 0,5 до 2,5. В связи с этим автором разработана новая конструкция мобильных защитных дамб, обеспечивающая большую устойчивость (рисунок 14).
Рисунок 13 - График зависимости 1гкр/Н от отношения В/Н
Рисунок 14 - Схема и разрез конструкции мобильной защитной дамбы
Разработанная конструкция состоит из одной или нескольких секций 1, включающей две внутренние водонаполняемые оболочки 2, гибкие связи 3 для соединения секций 1 между собой. В случае необходимости между секциями 1 может устанавливаться водосброс в виде водослива практического профиля 4 с гибким отводящим лотком 5, его параболическая форма поддерживается с помощью водонаполняемых оболочек 6. Анкеры 7, перемещаемые мембраной 8, вдавливаются в грунт, чем обеспечивают устойчивость секций 1 за счет увеличения сцепления между дамбой и основанием [5, 6].
Для данной конструкции необходимо обосновать параметры анкеров, обеспечивающих ее устойчивость. Влияние анкеров на устойчивость сооружения заключается в создании дополнительной силы Ra, удерживающей сооружения, при этом:
я = n ■ ф ,
а анк тг'
N = G - Жф + F ,
анк ф с '
где фг - коэффициент внутреннего трения грунта; G - вес водонаполняемой оболочки, Н; Жф - сила фильтрационного давления, Н;
^ - сила сцепления, ^ = фг ■ ^, Н; ^ - сила нормальных давлений, Н. Несущая способность анкера определяется по следующей формуле:
^есущ = П^анк^ккаУг^анк ,
где Ланк - диаметр корня анкера, м; Ьк - длина корня анкера, м; у г - удельный вес грунта, Н/м3;
Ианк - вертикальное расстояние от поверхности грунта до середины анкера, м.
Несущая способность системы анкеров должна удовлетворить следующим условиям:
^ис.анк, * (С - + ^ )к ; F;ис.анк.x * (F - К )к',
где х - горизонтальное направление;
2 - вертикальное направление;
1 2 F - сдвигающая сила, F = —р ■ g ■ В ■ Ивб, Н;
к' и к - соответственно коэффициент запаса устойчивости системы анкеров на вырыв и сдвиг.
Количество анкеров можно определить по следующей зависимости:
F
П _ сис.анк
анк т-г '
F
несущ
Автором были проведены расчеты перемещения в ANSYS незакрепленной двухкамерной водонаполняемой оболочки, а также конструкции нового технического решения с применением анкеров (закрепленным основанием) с внешним периметром 5,0 м, высотой 1,1 м и прилеганием 1,5 м, внутренним давлением 11 кПа, глубиной воды в ВБ _ 1 м. В качестве материала был использован UNISOL 900, характеристики которого представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Характеристики ткани UNISOL 900
Характеристика Единица измерения Результат
Основа материала - Полиэстер
Плетение см2 12x12
Тип покрытия - ПВХ
Толщина мм 0,78
Плотность кг/м3 1154
Прочность на растяжение Н/м 774/713
Прочность на разрыв Н/м 122/132
Адгезионная прочность Н/м 20
Температурный режим °С (- 45)-(+ 70)
Результаты расчетов представлены на рисунке 15.
Начальная форма оболочки /VX'^ \ Деформируемая форма незакрепленной / // \ оболочки / // \ Деформируемая форма закрепленной Iff \ оболочки 1 f \ ^^ X / N Ч Ьвб /
Рисунок 15 - Перемещение оболочки при глубине воды в ВБ /|вб = 1 м
В результате расчета относительных перемещений получены следующие результаты: для незакрепленной конструкции s = 0,255 м, а для закрепленной s = 0,086 м. В связи с этим можно сделать вывод, что она имеет устойчивость больше на 300 % по сравнению с незакрепленной двухкамерной конструкцией.
Список использованных источников
1 Apparatus and a method for joining water structure sections or the like: пат. на изобретение США: МПК Е 02 И 7/00 / Доолаеге Д. - № 5059065; заявл. 25.01.91; опубл. 22.10.91. - 10 с.
2 Сергеев, Б. И. Мягкие плотины и возможности их использования при регулировании местного стока: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Сергеев Б. И. - Новочеркасск, 1968. - 9 с.
3 Meeok, Kim. Two-dimensional analysis of four types of water-filled geomembrane tubes as temporary flood-fighting devices / Kim Meeok. - Blacksburg: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2003. - 36 p.
4 Басов, К. А. ANSYS: справочник пользователя / К. А. Басов. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 640 с.
5 Кашарин, Д. В. Защитные инженерные сооружения из композитных материалов в водохозяйственном строительстве: монография / Д. В. Кашарин; Южно-Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2012. - 230 с.
6 Кашарин, Д. В. Повышение устойчивости оснований мобильных дамб для инженерной защиты зданий от затопления / Д. В. Кашарин, Тхай Тхи Ким Тьи // Инженерно-строительный журнал. - 2013. - № 4. - С. 51-59.
Тхай Тхи Ким Тьи - аспирант, Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М. И. Платова, Новочеркасск, Российская Федерация. Контактный телефон: +79094264303. E-mail:thaikimchi.vn@gmail.com
Thai Thi Kim Chi - Postgraduate Student, South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russian Federation. Contact telephone number: +79094264303. E-mail:thaikimchi.vn@gmail.com
