3. Поверочные расчёты и корректировка расчётной модели

В соответствии с действующими нормами [5, 8], проектное обоснование безопасности сооружений гидроузла выполняется при условии недопущения предельных состояний по устойчивости и прочности ГТС:

_1с F  R/_n

На стадии проекта приведённое требование выполняется на основании следующих расчётов [8]:

фильтрационной прочности тела, основания плотины и берегов в форме градиентов напора;

устойчивости откосов плотины и берегов;

осадок тела плотины и основания;

прочности креплений откосов на действия волн и льда;

Назначение критериев безопасности К1 и К2 по показаниям пьезометров в теле грунтовой плотины производилось для условий основного и особого сочетания нагрузок, определяемых в соответствии с требованиями действующих СНиП [5, 8].

Критериальные значения К1 положения кривой депрессии назначались для условий основного сочетания нагрузок при пропуске расчетного паводка обеспеченностью 1%: уровни бьефов — УВБ (НПУ) = 89,00 м, УНБ = 75,80 м; нормально работающий дренаж. Прогноз значений К1 получен с использованием регрессионной статистической модели.

Критериальные значения К2 положения кривой депрессии назначались для условий особого сочетания нагрузок. Расчетные случаи особого сочетания нагрузок принимались по требованиям СНиПов для условий пропуска поверочного расхода обеспеченностью 0,1% и при условиях пропуска расчётного расхода обеспеченностью 1% и при закольматированном наслонном дренаже.

Значения К2 положения кривой депрессии определены по результатам фильтрационных расчётов положения кривой депрессии и устойчивости откосов плотины для варианта с минимальным значением коэффициента устойчивости.

Рассмотрены три случая состояния грунтовой плотины по критерию устойчивости при воздействии особого сочетания нагрузок:

1. Верховой откос. Отметка ФПУ = 89,5 м; УНБ = 76,5 м.

2. Низовой откос. Отметка ФПУ = 89,5 м; УНБ = 76,5 м.

3. Низовой откос. Отметка НПУ = 89,0 м; УНБ = 75,8 м; наслонный дренаж закольматирован.

Расчеты устойчивости откосов грунтовых плотин Воткинской ГЭС проводились в соответствии с рекомендациями СНиП 2.06.05-84 «Плотины из грунтовых материалов» [4] по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжении с учетом фильтрационных сил по методике Терцаги - Флорина [19, 20].

Минимальные значения коэффициентов устойчивости (K_min=1,31) получены для низового откоса при особом сочетании нагрузок для третьего расчетного случая, где по условию полностью закольматирован дренаж. По результатам расчёта было получено выклинивание фильтрационного потока на низовой откос в верхней зоне наслонного дренажа.

4. Построение прогнозных моделей

Статистическая регрессионная модель

За внешние факторы воздействия на пьезометрический уровень в теле и основании плотины при построении регрессионной модели принимались значения уровней верхнего и нижнего бьефов. Уровень депрессионной поверхности в грунтовой плотине располагается ниже проектного. За время эксплуатации значения УВБ неоднократно достигали НПУ.

Прогноз значений К1 выполнялся по регрессионной модели на основе выборки временного ряда наблюдений за последний десятилетний период, включающий показания пьезометров при НПУ. Несмотря на то что расчётный паводок не наблюдался за период эксплуатации при прогнозе с использованием УНБ = 75,80 м (значения УНБ за этот период не выше 74,0 м), предполагалось, что в диапазоне УНБ, равном 74,0-75,8 м, обеспечено сохранение тесноты и формы связи значений УНБ и показаний пьезометра. Основание: незащищённый низовой откос, высокие значения корреляции показаний пьезометров с действующими факторами и F-критерия, как параметра статистической модели.

Значения К1 назначались равными прогнозируемым показаниям пьезометра по регрессионной модели с учётом доверительного интервала равного трем стандартам (3) погрешности прогнозной модели относительно показаний КИА. Увеличение доверительного интервала до 3 (обычно принимается 2) вызвано наличием неучтённых факторов, имеющих значимое влияние в отдельных показаниях пьезометров, но исключающих человеческий фактор и отказ КИА.

Детерминистическая модель

Если предположить, что физико-механические свойства тела и основания плотины продолжают соответствовать проектным предположениям, то основным фактором, определяющим фильтрационную прочность и устойчивость откосов плотины, остаётся положение кривой депрессии, соответствующее условиям особого сочетания нагрузок.

Задачи фильтрации (положение кривой депрессии) решаются методом ЭГДА или численным методом. В приводимом примере использовался численный метод локальных вариаций [21]. Расчёт выполнялся для створа плотины на ПК 39+48.

В качестве исходных характеристик грунтов принимались проектные значения их физико-механических и фильтрационных характеристик. Наиболее высокое положение депрессионной кривой получено при неработающем дренаже. Отметки выхода воды на низовой откос получены в пределах  79 м —  77 м (свободная поверхность наслонного дренажа).