Разработка расчетного модуля программно-аппаратного комплекса для обеспечения безопасности взаимовлияющих ГТС

Полный текст

Введение1 Данное исследование является новым этапом разработки программно-аппаратного комплек- 1 © Рубин О.Д., Антонов А.С., Беллендир Е.Н., Кобочкина Е.М., Котлов О.Н., 2019 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License са (ПАК) для обеспечения безопасности взаимовлияющих ГТС (ГЭС/ГАЭС) [1-3]. В связи с развитием информационных технологий и универсальных промышленных программно-вычислительных комплексов ABAQUS, ADINA, ANSYS, MARC, MSC/NASTRAN, COSMOS, LS-DYNA, MODFLOW появилась возможность оптимизировать алгоритм работы, предлагаемый на ранних этапах реализации ПАК, усовершенствовать методику передачи 96 ANALYSIS AND DESIGN OF BUILDING STRUCTURES Рубин О.Д. и др. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 2. С. 96-105 данных внутри ПАК при использовании механизма экспорта/импорта данных. Исходная информация для выполнения расчетных исследований предается из одного блока расчетного модуля в другой в автоматизированном режиме, что позволяет решать сложную многовариантную совместную задачу на каждом из этапов эксплуатации сооружения. Другой особенностью модернизации ПАК является возможность проведения комплексного анализа и получения экспертного заключения о состоянии ГТС (в перспективе любого энергетического объекта) при сравнении расчетных значений с данными натурных наблюдений и прогнозными расчетными зависимостями. Интеграция расчетного модуля, в который входит набор математических моделей, с информационно-диагностическими системами и экспертным модулем позволяет пользователю в онлайн-режиме определять состояние сооружений или его отдельных элементов. При дальнейшей реализации возможна интеграция с программными платформами, которые совместимы с концепцией управления жизненным циклом проекта (Project Lifecycle Management, PLM и др.), что предоставляет широкие возможности по развитию системы и постояннодействующих математических моделей, а также способствует повышению эффективности их использования [1-5]. 1. Цели исследования 1. Повышение безопасности эксплуатируемого (строящегося) комплекса взаимовлияющих гидротехнических сооружений (ГТС). 2. Оценка достаточности и качества специализированных инженерных и ремонтных работ, проводимых на ГТС. 3. Разработка рекомендаций по повышению эффективности строительства новых и модернизации эксплуатируемых гидроэнергетических объектов. 4. Создание единой платформы для проведения инженерных расчетов по взаимовлиянию ГТС на примере Загорских ГАЭС. В данной статье описывается принцип работы расчетного модуля (РМ) ПАК, при актуализированной и обновленной концепции в него входят общие и расчетные модели. Модели первого типа используются в качестве исходной информации для выполнения расчетных исследований: · инженерно-геологическая модель (ИГМ); · геометрическая модель сооружений (ГМ); · геомеханическая модель (ГММ). Второй тип - постоянно действующие математические модели, в основу которых заложены конечно-элементная аппроксимация, граничные условия, физико-механические характеристики и механизмы для решения системы дифференциальных уравнений численными методами: · геофильтрационная модель (ГФМ); · расчетная геомеханическая модель (РГММ); · расчетная модель напряженно-деформированного состояния (МНДС). Все модели совместно с многовариантными калибровочными и прогнозными расчетами хранятся в РМ в формате данных, который позволяет обращаться к ним в режиме реального времени. Общая схема работы модуля представлена на рис. 1. Количество расчетных сценариев определяется для каждой математической модели на первоначальном этапе исходя из допущения о минимально необходимом количестве вариантов для корректной работы ПАК. По мере эксплуатации системы перечень сценариев дополняется по результатам натурных наблюдений либо по прогнозным значениям. Архив ПАК, исходная информация для проведения расчётов Постоянно действующие математические модели для определения состояния комплекса ГТС Рис. 1. Общая схема расчетного модуля программно-аппаратного комплекса (РМ ПАК) РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 97 Rubin O.D. et al. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2019, 15(2), 96-105 Figure 1. The general scheme of the calculation module of the software and hardware complex (RM PAK) 1. Инженерно-геологическая модель (ИГМ) Представляет собой базу данных по инженерно-геологическим изысканиям в районе размещения ГТС (ГЭС/ГАЭС) и используется в качестве исходных данных для последующего математического моделирования поведения грунтов основания и НДС конструкций. ИГМ разбита на слои в соответствии с расчетными геологическими элементами, каждый из которых описывается отдельным слоем. Общий вид модели приведен на рис. 2. Рис. 2. Инженерно-геологическая модель ПАК (ИГМ ПАК) Figure 2. Engineering-geological model PAK (IGM PAK) Область построения модели - площадка расположения Загорских ГАЭС размером в плане 4,0 км2, отметка основания - 50 м, максимальная глубина моделируемого грунтового массива - 200 м. ИГМ ПАК разрабатывалась по набору натурных исследований, выполненных в рамках реализации ПАК (инженерно-геологическое картирование, топографические съемки и др.), архивным и фондовым материалам, которые максимально полно описывают характеристики инженерно-геологических, структурно-тектонических и инженерно-геофизических условий площадки размещения Загорских ГАЭС. Классификация грунтов представляется инженерно-геологическими элементами (ИГЭ), средой разработки модели являются AutoCAD, Ansys SpaseClaim, Visual MODFLOW Flex. 2. Геометрическая модель сооружений (ГМ) В связи с глобальным развитием BIM технологий, их внедрением в работу проектных и научнотехнических организаций необходима разработка пространственных математических моделей по требованиям заказчика. Сегодня пространственные модели используются не только для проектирования и расчетных исследований, но и для опреде- 98 ANALYSIS AND DESIGN OF BUILDING STRUCTURES Рубин О.Д. и др. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 2. С. 96-105 ления точного расположения уже установленной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), положения вспомогательного и основного оборудования, определения геометрических параметров конструкций др. Поэтому требуется различная детализация предоставляемой информации в пространственных твердотельных математических моделях. В РМ ПАК реализована «плавающая» детализация, ориентированная на тип расчетных исследований, в которых применяется данная модель. К примеру, при расчетах НДС максимально точно предоставляются параметры железобетонных конструкций, при расчетах фильтрации либо грунтов основания модели упрощаются до массогабаритных макетов, позволяющих учесть осадку и смещения, но при этом не влияющих на продолжительность и качество исследований. Общий вид геометрической модели представлен на рис. 3. Рис. 3. Общий вид геометрической математической модели Загорской ГАЭС [Figure 3. General view of the geometric mathematical model of the Zagorsk PSP] Все ГМ имеют общие габаритные размеры и не расходятся между собой более чем на величину математической погрешности, воспринимаемой расчетными комплексами ПАК. Структура создания: простые формы получаются из упрощения подробной геометрической модели. Обмен данных внутри расчетного модуля осуществляется в виде массива точек, трехмерной поверхности в формате Plaxis, AutoCad, SpaceClaim, Ansys либо набора геометрических примитивов. 3. Геомеханическая модель (ГММ) Является связующим звеном между ИГМ, НДСМ и ГФМ, описывает упрощенную структуру расположения инженерно-геологических слоев в основании Загорских ГАЭС, которые передаются в расчетные блоки с необходимой детализацией. Слои группируются по параметрам, необходимым для проведения расчетных исследований, таким как коэффициенты фильтрации, модуль деформации основания и др. Область построения эквивалентна области ИГМ, импорт данных для дальнейших расчетов либо области построения для локальных расчетов может захватывать не всю зону Загорских ГАЭС, а только ее локальные части, такие как котлован здания станции, склон напорных водоводов, водоприемник и др. Общий вид локальной модели представлен на рис. 4. На рисунке приведена ГММ модель здания станции с котлованом, созданная при использовании «плавающей» детализации основных сооружений. Рис. 4. Локальный фрагмент здания станции с котлованом - геомеханическая модель (ГММ ПАК) [Figure 4. Local fragment of the station building with a pit - geomechanical model (GMM PAK)] Данная модель и результаты могут быть экспортированы внутри расчетного модуля в любое используемое ПО (Visual MODFLOW Flex, Midas, Ansys, SpaceClaim, Plaxis и др.). 4. Геофильтрационная модель (ГФМ) Разработана в современном программном комплексе Visual MODFLOW Flex с учетом предложений и рекомендаций ведущих авторов в области расчетов фильтрационного режима [4-7]. ГФМ является исходной моделью для проведения расчетных исследований, на основе которой выполняется прогноз фильтрационного режима основания Загорских ГАЭС при различных сценариях эксплуатации в пространственной постановке. На начальном этапе определено 12 сценариев моделирования фильтрационного режима, максимально охватывающих эксплуатационное состояние комплекса сооружений и позволяющих оценить взаимное влияние объектов, а также РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 99 Rubin O.D. et al. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2019, 15(2), 96-105 определен набор параметров для назначения предельных значений показаний КИА. Результаты ГФМ ПАК передаются в расчетную геомеханическую модель (РГММ) и расчетную модель напряженно-деформированного состояния (МНДС) в качестве граничных условий. Для проведения расчетных исследований в самой ГФМ применены граничные условия первого рода на узлах верхнего и нижнего водохранилищ, граничное условие второго рода назначалось на дренажи в основании водоприемников и станционных узлов, включая вертикальные и горизонтальные элементы и дренажные завесы на южном и северном склонах. На границах расчетной области ГФМ применен частный вид граничного условия второго рода, имитирующего водонепроницаемую поверхность. Общее строение модели с граничными условиями представлено на рис. 5, результаты на рис. 6 приведены для основного расчетного сочетания. Рис. 5. Пространственная геофильтрационная модель (ГФМ ПАК) с граничными условиями для проведения расчетных исследований Figure 5. Spatial geofiltration model (GFM PAK) with boundary conditions for carrying out computational studies 100 ANALYSIS AND DESIGN OF BUILDING STRUCTURES Рубин О.Д. и др. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 2. С. 96-105 Рис. 6. Распределение напоров в техногенном водоносном горизонте при основном расчетном сочетании [Figure. 6. Distribution of head in a technogenic aquifer with the main design combination] 5. Расчетная геомеханическая модель основания комплекса сооружений (РГММ) Основывается на верифицированной по данным натурных изысканий ГММ. Для определения деформационных параметров грунтов основания используются данные для каждого расчетного сценария ГФМ, обмен информации происходит внутри программных комплексов, после выполняется решение совместной задачи. В качестве граничных условий используются фильтрационные характеристики и пьезометрические поверхности при каждом из расчетных сценариев. В качестве выходных данных для моделей напряженно-деформированного состояния выступают: o деформации и напряжения в грунтовом массиве; o контактные напряжения в системе «сооружение - основание»; o поровое давление; o коэффициенты запаса устойчивости склонов; o потенциальные поверхности смещения. Рис. 7. Суммарные смещения здания станции при расчетном сочетании «Заполнение нижнего бассейна», м [Figure. 7. Total displacements of the station building with the calculated combination “Filling the lower basin”, m] Результаты расчетных исследований, полученные при сценарии наполнения нижнего бассейна, представлены на рис. 7. 6. Модель напряженно-деформированного состояния сооружений (НДСМ) Является основной моделью для оценки состояния основных конструкций комплекса взаимовлияющих ГТС. Модель разработана в универсальном промышленном программном комплексе ANSYS Mechanical, который в настоящее время широко применяется при решении подобных задач [8-20]. В случае разработки ПАК применение подобного ПО позволяет учитывать различные сочетания нагрузок, в том числе при учете граничных условий, передаваемых из моделей ГФМ и РГММ. Дополнительно возможно для расчетных исследований использовать локальные области модели, для получение локальных результатов перспективно использование особых сочетаний нагрузок, описывающих непроектную работу конструктивных элементов. Дополнительно на данной модели возможно рассмотрение мероприятий по ремонту и реконструкции ГТС. В модели НДСМ включены следующие сооружения: o дамбы верхнего водохранилища - 2 ед.; o водоприемные узлы - 2 ед.; o сооружения станционных узлов - 2 ед.; o напорные водоводы - 10 ед.; o реверсивные каналы - 2 ед.; o временная отсекающая перемычка реверсивного канала Загорской ГАЭС-2 - 1 ед. Исходными данными для выполнения расчетных исследований являются результаты, получаемые из: o ИГМ - физико-механические свойства материалов; o РГММ - расположения РГЭ в сооружениях и перемещения грунтового массива; o ГФМ - пьезометрические уровни в основании, основные и особые сочетания нагрузок. В качестве результатов в экспертный модуль ПАК поступают: o перемещения конструкций (по узлам КЭсетки); o напряжения в основных конструктивных элементах; o раскрытие швов (межблочных и межсекционных). Фрагмент конечно-элементной аппроксимации математической модели в зоне водоприемного узла Загорской ГАЭС и результаты по осадкам водоприемника и тела дамб приведены на рис. 8. Результаты, получаемые на моделях ПАК, хорошо коррелируются с данными натурных наблюдений, поступающих с автоматизированной КИА. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 101 Rubin O.D. et al. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2019, 15(2), 96-105 Рис. 8. Локальная математическая модель водоприемного узла Загорской ГАЭС, вертикальные перемещения, м [Figure. 8. Local mathematical model of the water intake unit of the Zagroskaya PSP, vertical displacements, m] Выводы Результатами исследования являются актуализация структуры расчетного модуля ПАК, систематизация расчетных моделей, описание взаимодействия и передачи исходных данных внутри РМ ПАК, а также принципов решения сложных междисциплинарных задач. Основой расчетного модуля являлись инженерно-геологическая, геометрическая, геомеханическая, геофильтрационная модели основания ГТС и модель напряженно-деформированного состояния сооружений. Применялись современные расчетные комплексы - ANSYS, Midas, Modflow и др. Полученные в ходе исследования данные могут использоваться для повышения безопасности комплекса взаимовлияющих ГТС.

Об авторах

Олег Дмитриевич Рубин

Научно-исследовательский институт энергетических сооружений (филиал АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»)

Автор, ответственный за переписку.
Email: o.rubin@hydroproject.ru
SPIN-код: 2720-6627

доктор технических наук, директор, Научно-исследовательский институт энергетических сооружений (филиал АО «Проектноизыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»).

Российская Федерация, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 2

Антон Сергеевич Антонов

Научно-исследовательский институт энергетических сооружений (филиал АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»); Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: Antonov.An.S@yandex.ru
SPIN-код: 7374-6867

кандидат технических наук, директор аналитического центра безопасности оборудования и ГТС, Научно-исследовательский институт энергетических сооружений (филиал АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»); старший преподаватель кафедры гидравлики и гидротехнического строительства, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ).

Российская Федерация, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 2; Российская Федерация, 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26

Евгений Николаевич Беллендир

АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»

Email: e.bellendir@hydroproject.ru
SPIN-код: 7975-2841

доктор технических наук, генеральный директор, АО «Проектноизыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука». Область научных интересов: расчетные исследования напряженно-деформированного состояния сооружений, расчетные исследования гуртовых оснований, термонапряженное состояние гидротехнических сооружений (ГТС).

Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское шоссе, 2

Екатерина Михайловна Кобочкина

Научно-исследовательский институт энергетических сооружений (филиал АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»)

Email: e.kobochkina@hydroproject.ru

заместитель директора аналитического центра безопасности оборудования и ГТС, Научно-исследовательский институт энергетических сооружений (филиал АО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт “Гидропроект” имени С.Я. Жука»).

Российская Федерация, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, 2

Олег Николаевич Котлов

АО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева»

Email: kotlovon@vniig.ru
SPIN-код: 7057-9274

кандидат геологоминералогических наук, начальник отдела «Основания, грунтовые и подземные сооружения», АО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники имени Б.Е. Веденеева».

Российская Федерация, 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21

Список литературы