ВведениеАнализ безопасности – это ключевой момент при эксплуатации гидротехнических сооружений (ГТС). Он позволяет оценить техническое состояние сооружений, своевременно выявлять возможные риски и разрабатывать стратегии по их устранению, разработать меры для обеспечения эксплуатационной надежности, что способствует безо-пасной эксплуатации ГТС, оптимизации затрат на ремонты ГТС, сохранению водных ресурсов и поддержанию экологического баланса.Методы и состав наблюдений и исследований при оценке безопасности сооружений зависят от типа, класса и назначения ГТС [1] и традиционно включают следующие этапы [2]:– визуальный осмотр: проводится для выявления видимых дефектов и повреждений;– инструментальные наблюдения: используются для определения геометрических параметров сооружения, прочности материалов и других характеристик;– поверочные расчеты: применяются для оценки фильтрационной прочности грунта тела и основания земляной плотины и статической устойчивости земляной плотины;– анализ результатов: полученные данные обрабатываются и анализируются для определения технического состояния ГТС, сравниваются с критериями безопасности. Проводится оценка соответствия полученных результатов нормативным документам в области безопасности ГТС [3]. Разрабатываются рекомендации по дальнейшей эксплуатации исследуемых ГТС.Вероятность отказов в работе ГТС с большим сроком эксплуатации увеличивается, поэтому Ростехнадзор для всех ГТС со сроком эксплуатации свыше 50 лет предписывает проведение многофакторного обследования [4]. Обследование состояния ГТС является актуальной и важной частью контроля при их эксплуатации.Вопросами прогнозирования уровня безопасности ГТС, оценки их эксплуатационного состояния, оценки риска аварий занимаются ведущие вузы и НИИ страны [1, 5–7]. Решение этих важных вопросов нацелено на повышение эксплуатационной надежности ГТС путем их приведения к безопасному техническому состоянию. Объект исследованияВ качестве примера рассматривается комплекс ГТС, предназначенный для водоснабжения небольшого населенного пункта (рис. 1).   Рис. 1. Схема расположения комплекса ГТСFig. 1. The layout of the HS complex Исследуемый комплекс ГТС относится ко II классу и состоит из грунтовой плотины, водосброса, отводящего канала, донного водоспуска, оголовка, самотечной линии, береговой насосной станции. Комплекс ГТС водозабора эксплуатируется порядка 60 лет [8].Согласно ранее проведенным исследованиям и имеющейся публикации [9], комплекс ГТС имеет высокие показатели коэффициента риска аварий и вероятности возникновения аварии из расчета на год [10], что может свидетельствовать о низком качестве проектирования, строительства и эксплуатации рассматриваемых ГТС и требует разработки мероприятий по снижению риска.С целью всестороннего обследования комплекса ГТС и сбора исходных данных для анализа его состояния были выполнены следующие работы:1. Инженерно-геодезические работы, включающие топографическую сьемку комплекса ГТС и обмерные работы в целях выявления отклонения существующих параметров от проектных.2. Разбивка и закрепление опорно-наблюда-тельной сети с целью организации мониторинга технического состояния комплекса ГТС. Разбивка опорно-наблюдательной сети и инженерно-геодезические работы выполнялись электронным тахеометром Leica FlexLine TS-06 (точность измерений углов – 5", линий – 3 мм + 2 мм/км) и спутниковым геодезическим приемником EFT M2 GNSS (точность измерений в плане – 8 мм + 1 мм/км, по высоте – 15 мм + 1 мм/км). Результаты выполненных работ:– разбита опорно-наблюдательная сеть, состоящая из трех грунтовых реперов (рис. 2), шести стеновых марок, двенадцати наблюдательных марок, представляющих собой анкера;– составлена схема размещения контрольно-измерительной аппаратуры и пунктов наблюдения на ГТС;– составлен инженерно-топографический план комплекса ГТС.                                                а                                                                   б                                                                в Рис. 2. Грунтовый репер: а – закладка; б – вид сверху; в – конструкцияFig. 2. Ground reference point: а – bookmark; б – top view; в – construction 3. Инженерно-геологические изыскания с целью определения фактических физико-механических характеристик инженерно-геологических элементов грунтов, слагающих тело и основание плотины для дальнейших фильтрационных и статических расчетов. Бурение произведено механическим способом, рейсами по 0,5÷1,5 м, диаметром 135 мм, буровой установкой УБШМ 1-20. В результате выполненных работ составлены литологические колонки (рис. 3) и определены физико-механические характеристики грунтов тела и основания грунтовой плотины.Выделенные инженерно-геологические элементы показаны на разрезе ниже. Разрез по грунтовой плотине на ПК0 + 24 представлен на рис. 4.                                                        а                                                                                                      б Рис. 3. Инженерно-геологические изыскания: а – буровая установка УБШМ 1-20;б – литологическая колонка по скважине 1Fig. 3. Engineering and geological surveys: а – drilling rig UBSM 1-20; б – lithological column for well 1   Слои сверху вниз:1 – суглинок легкий пылеватый, полутвердый;2 – суглинок легкий пылеватый, тугопластичный;1 – суглинок легкий пылеватый, полутвердый с прослоями супеси;3 – глина тяжелая, полутвердая Рис. 4. Разрез по грунтовой плотине согласно результатам проведенных изысканийFig. 4. The section along the soil dam according to the results of the conducted surveys 4. Визуальное и инструментальные обследования с целью подготовки материалов (профиль плотины, заложение откосов, дефекты сооружений, очаги фильтрации и др.) для дальнейших расчетов. В результате визуального и инструментального обследования выявлены следующие основные дефекты, такие как:– высачивание воды и намокание откосов, вынос грунта из тела сооружения, обширные ходы фильтрации грунтовой плотины;– дефекты защитных покрытий, трещины на гранях сооружений в зонах сопряжения элементов сооружений и оснований с различными механическими и фильтрационными свойствами, следы выщелачивания, коррозии бетона;– дефекты и повреждения в виде сколов, раковин, каверн, выбоин, полос или зон истирания, сквозных отверстий с обнажением или оголением арматуры, с коррозией арматуры и т. п.;– локальные несоответствия заложения верхового откоса.5. Водолазное обследование с целью определения состояния подводных элементов сооружений. Для выполнения водолазного обследования использовалось водолазное снаряжение СВУ-5-1 (рис. 5). В результате водолазного обследования выявлены следующие основные отклонения от нормального эксплуатационного состояния:– разрушение бетона на глубину до 30 см с оголением арматуры в зоне переменного уровня;– наличие посторонних предметов (мусор, бревна), незначительное заиление дна.6. Поверочные расчеты. На основании полученных в ходе изыскательских работ материалов с учетом выявленных дефектов были проведены поверочные расчеты.   Рис. 5. Водолазные работыFig. 5. Diving operations С целью решения поставленной задачи был проанализирован опыт использования различных программ, в которых реализован метод конечных элементов, таких как SiO 2D, Geo5, GTS NX. Практика их применения широко использована в подобных расчетах [11]. Для рассматриваемого случая применена программа GTS NX, продукт фирмы Midas. В программе GTS NX реализовано моделирование взаимодействий между сооружениями и их основаниями на основе метода конечных элементов [12].Для контроля и определения сходимости полученных результатов дополнительно фильтрационный расчет был проведен в соответствии с рекомендациями [13–15], а расчет устойчивости выполнен по круглоцилиндрическим поверхностям [13] в программе Slope.Метод конечных элементов, использованный в расчетах, имеет ряд преимуществ [16]:– криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных элементов, что позволяет рассчитывать объекты, имеющие сложную геометрическую форму;– размеры элементов могут быть переменными, именно это позволяет укрупнять или уменьшать сетку разбиения области на элементы;– универсальность метода позволяет задать граничные условия с разрывной поверхностной нагрузкой или смешанными граничными условиями.  Граничные условия, описывающие условия истечения – гидравлические граничные условия: где Н – пьезометрический напор; K – коэффициент проницаемости грунта; Q – расход; θ – влагосодержание; t – время. Фильтрационный расчет проводился с целью определения положения свободной поверхности фильтрационного потока (кривой депрессии). Фильтрационная прочность тела и основания сооружения оценивалась по условию [13] где Iest.m – действующий средний градиент напора в расчетной области фильтрации; Icr.m – критический средний градиент напора; γn – коэффициент надежности по ответственности плотины.Статический расчет проводился с целью проверки устойчивости низового откоса земляной плотины. Критерием устойчивости откосов плотины являлось соблюдение для наиболее опасной призмы обрушения неравенства [13] где Kуст – коэффициент устойчивости откоса; γn, γfc, γc – коэффициенты ответственности сооружения, сочетания нагрузок, условий работы, определяемые по [13]. В расчетах для основного сочетания нагрузок и воздействий в период нормальной эксплуатации коэффициенты γfc и γc принимаются равными 1, а коэффициент ответственности сооружения γn принят равным 1,2, что соответствует II классу сооружения.На первом этапе, согласно результатам проведенных инженерных изысканий, была построена твердотельная модель (рис. 6), представляющая собой триангуляционную сеть. Модель твердого тела представляется в виде множества треугольников, что позволяет точно описать поверхность объекта, сохраняя его геометрические особенности и детали.Расчетная двухмерная сеть с промежуточным переразбиением поверхностной сети учитывает качественный характер залегающих слоев грунта тела и основания.   Рис. 6. Схема для расчета устойчивости: 1–3 (см. рис. 4)Fig. 6. The scheme for calculating stability: 1-3 (see fig. 4) На втором этапе проведен расчет фильтрационной прочности сооружения. Учитывалось влияние различных факторов на процесс фильтрации: пористость, неоднородность среды и т. д.В процессе расчета программа GTS NX выдает промежуточные результаты и графики, которые позволяют оценить ход расчета и при необходимости внести коррективы. Результаты фильтрационного расчета с помощью программы GTS NX представлены на рис. 7. Получившееся положение кривой депрессии сравнивалось с фактическими отметками кривой депрессии по буровым скважинам. Результаты расчета сверялись с допустимыми градиентами [14], представленными в табл. 1.Расчет устойчивости был выполнен методом анализа напряжений (SAM) на основе метода конечных элементов. В основе метода лежит анализ предварительно заданных поверхностей скольжений (круглоцилиндрических поверхностей). Результаты проведенного расчета приведены на рис. 8.   Рис. 7. Результаты фильтрационного расчета: 1–3 (см. рис. 4)Fig. 7. Results of filtration calculation: 1-3 (see fig. 4) Таблица 1Table 1Сводная таблица градиентов напора и сравнение с фактическими значениями показателейSummary table of pressure gradients and comparison with actual values of indicators№ слояВид грунтаДопускаемыйградиент Iдоп [14]Фактическийградиент Iфакт по GTS NXСоответствие1 слой (тело)Суглинок1,150,492Не превышает2 слой (тело)Суглинок1,150,478Не превышает3 слой (основание)Суглинок0,500,364Не превышает4 слой (основание)Глина1,000,358Не превышает   Рис. 8. Результат устойчивости откоса: 1–3 (см. рис. 4)Fig. 8. The result of slope stability: 1-3 (see fig. 4) В результате расчета условие устойчивости откоса грунтовой плотины выполняется: что удовлетворяет требованиям для сооружений II класса [10, 13].Коэффициент устойчивости и опасная кривая скольжения для проверки были определены методами Г. Крея, К. Терцаги и «весового давления» Р. Р. Чугаева. Расчет устойчивости с применением данных методов реализован в программе Slope, предназначенной для расчета устойчивости земляных откосов по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения (рис. 9).    Рис. 9. Результаты расчета в программе SlopeFig. 9. Calculation results in the Slope program Минимальные коэффициенты устойчивости составили:– по методу Г. Крея – Kmin = 1,45;– по методу К. Терцаги – Kmin = 1,41;– по методу «весового давления» – Kmin = 1,38.Условие устойчивости откоса грунтовой плотины также выполняется.Результаты, полученные в программах: – GTS NX: Kуст = 1,26;– Slope: Kmin = 1,38. Разница в результатах составила 9 %, она связана и с тем, что в программе Slope расчет ведется на ограниченном количестве заданных прямых скольжения, в то время как программа GTS NX ведет расчет с использованием всех возможных областей обрушения.7. На заключительном этапе всестороннего обследования комплекса ГТС во исполнение требований статьи 9 Федерального закона от 21.07.1997 № 117–ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» [3] собственник (или эксплуатирующая организация) обязан обеспечивать разработку и свое-временное уточнение критериев безопасности ГТС.При определении критериев безопасности с целью обоснования прочности и устойчивости комплекса ГТС и их оснований должно быть выполнено условие недопущения наступления предельных состояний в соответствии со строительными нормами и правилами. Контроль за безопасностью ГТС (комплекса ГТС), в том числе оперативная оценка их состояния, осуществляется путем сравнения измеренных (или вычисленных на основе измерений) количественных и качественных показателей с их критериальными значениями.Результаты обследования были сведены и сопоставлены с критериями безопасности комплекса ГТС. В табл. 2, 3 приведено сравнение полученных результатов с качественными (определяемыми визуально) и количественными (определяемыми инструментально) критериями безопасности.Таблица 2Table 2Сводная таблица качественных критериев безопасности и сравнение с фактическими значениями показателейSummary table of qualitative safety criteria and comparison with actual values of indicatorsОбъектнаблюденийКритерии безопасностиСоответствиеК1 (появление)К2 (развитие во времени)ГрунтоваяплотинаВысачивания воды и намокания откосовПревышает К1Выноса грунта из тела сооружения, обширных ходов фильтрацииПревышает К1Процесса фильтрации воды в виде зон влаголюбивой растительности,мокрых пятен, наледи зимой, луж, болот, высачивания воды, ключей,грифонов, ручьевПревышает К1ВодосбросТрещин на гранях сооружений, в зонах сопряжения элементов сооружений и оснований с различными механическими и фильтрационными свойствамиПревышает К1Следов выщелачивания, коррозии бетонаПревышает К1Дефектов антикоррозионного покрытияПревышает К1Дефектов и повреждений в виде сколов, раковин, каверн, выбоин, полос или зон истирания, сквозных отверстий; с обнажением или оголениемарматуры, с коррозией арматуры и т. п.Превышает К1Фильтрации (появление мокрых пятен или высолов; капельной,очаговой или струйной фильтрации)Превышает К1ОтводящийканалДеформаций и размыва откосов (берегов)Превышает К1Зарастания мелководий и откосовПревышает К1Отложения наносов, мусораПревышает К1    Таблица 3Table 3Сводная таблица количественных критериев безопасности и сравнениес фактическими значениями показателейSummary table of quantitative safety criteria and comparison with actual values of indicatorsКонтролируемыйпоказательКритериальные значения диагностических показателейФактическиепараметрыСоответствие критериям безопасностиК1. Первый(предупреждающий) уровеньК2. Второй(предельный)уровеньГрунтовая плотинаСреднее заложение верхового откоса1:1,5Менее 1:1,51:1,5 (переработан)Соответствуетне в полной мере ЗаключениеРезультаты проведенной оценки технического состояния комплекса ГТС водозабора с применением численных методов моделирования показали, что фильтрационная прочность и устойчивость обеспечивается (условия выполняются). Согласно результатам сопоставления полученных данных с критериями безопасности, по терминологии СП 13–102–2003 [17], эксплуатационное состояние ГТС характеризуется как ограниченно работоспособное. Следует отметить, что часть выявленных дефектов при неблагоприятном стечении обстоятельств могут привести к возникновению аварийной ситуации. Делается вывод: сооружение требует ремонта, который необходимо выполнить в кратчайшие сроки.Расчеты устойчивости определили сходимость результатов (отклонение составляет 9 %), что свидетельствует о возможности применения метода конечных элементов в дальнейшем, более детальном исследовании данного сооружения. Численные методы позволили рассчитать с большой вероятностью точности устойчивость низового откоса земляной плотины для самого опасного сечения плотины. В перспективе с целью изучения процессов, влияющих на снижение прочности сооружения, планируется построить трехмерную модель всего сооружения (грунтовой плотины и водосброса) и оценить его прочность на контакте разных материалов (т. к. визуально наблюдаются очаги фильтрации).