Исследование характеристик деформации шлюзовых и земляно-каменных плотин при больших толщах перекрывающих отложений

Почему форма плотины имеет значение

По мере развития гидроэнергетики инженеры возводят плотины в условиях, где грунт далек от идеального. В западном Китае, например, реки часто протекают по очень толстым слоям рыхлых грунтов и обломочных пород до достижения прочного основания. В таких условиях современные проекты объединяют жесткие бетонные шлюзы с более гибкими насыпями из земляно-каменного материала в единую систему плотины. В этом исследовании поставлен на вид простоватый, но важный для безопасности вопрос: как такая смешанная плотина деформируется в трех измерениях в процессе строительства и заполнения водой, и где скрываются слабые места?

Создание цифрового двойника сложной плотины

Исследователи начали с построения детализированной трехмерной компьютерной модели реального гидроэнергетического объекта, где бетонная шлюзовая часть сопряжена с насыпью с бетонированной облицовкой. Модель аккуратно включает опоры и камеры шлюза, тело насыпного камнеплотного материала, подземные отсечные и непрерывные стены, гравитационные подпорные стены и толстую, неровную «простыню» грунта и обломочных пород — так называемый глубокий перекрывающий слой, лежащий на породе-основании. Вместо единообразной грубой сетки они применили октридное (octree) разбиение, которое автоматически уточняет сетку там, где геометрия сложна или где ожидается концентрация напряжений. Стандартные элементы решаются классическим методом конечных элементов, а необычно сформованные элементы вблизи геометрических переходов обрабатываются комплементарным методом масштабируемых границ (scaled boundary finite-element method). Такое комбинированное решение позволяет захватить тонкие структурные детали, не перегружая вычислительные ресурсы.

Прослеживая плотину от строительства до полного водохранилища

Чтобы смоделировать реальность, команда не просто приложила гидростатическое давление к готовой конструкции. Они провели моделирование в 32 последовательных этапа: начальное напряженное состояние грунта, поэтапное возведение гравитационных стен, отсечных стен, шлюзовой части и насыпной части, затем укладка облицовочных плит и других элементов и, наконец, постепенное поднятие уровня водохранилища от русла до нормального эксплуатационного уровня. Каждый шаг позволял грунту и конструкциям осесть под собственным весом перед наложением следующей нагрузки. Бетонные элементы рассматривали как упругие, в то время как грунты и камнеплотный материал моделировались по расширенной пластической модели, откалиброванной по лабораторным испытаниям. Такая постановка задачи позволила модели воспроизвести не только величину осадки плотины, но и пластичность окружающего грунта и перераспределение напряжений по мере изменения нагрузок во времени.

Где плотина оседает, а где растягивается

Моделирование показало, что система плотины не движется как единый монолит. Более гибкая земляно-каменная часть дает осадку примерно на 28 % больше, чем более жесткая бетонная шлюзовая секция. Это объясняется большим объемом и меньшей жесткостью камнеплотного тела, а также более толстой и легко уплотняющейся прослойкой перекрывающих отложений под ним. В результате стыки между камерами шлюза у берегов испытывают большие сдвиговые и раскрывающие перемещения, чем в центральной части, хотя прогнозируемые перемещения остаются в рамках действующих проектных норм. Еще один важный вывод касается вертикальной отсечной стены, которая висит в перекрывающем слое и не анкерована в породе-основании. Неравномерная осадка — большая в середине русла, чем у берегов — вызывает изгиб стены и формирование зоны значительных растягивающих напряжений в верхней части правобережного участка. Аналогично, подземные непрерывные стены под гравитационными подпорными конструкциями показывают неравномерные осадки и вращение, с развитием растяжения как у их оснований (где вертикальные деформации наибольшие), так и вблизи верха, где стены «заперты» в надлежащем бетоне.

Как расчеты превращаются в более безопасные решения

Помимо картирования деформаций конкретной плотины, работа выделяет места, требующие повышенного внимания при проектировании и строительстве. Сюда входят стыки между камерами шлюза, верхние части отсечных стен, где изгиб может вызывать растрескивание, а также подошвы и вершины подземных непрерывных стен, где может накапливаться растяжение. Поскольку прогнозируемые осадки меньше, чем наблюдаемые на некоторых сопоставимых плотинах, исследование также помогает сопоставить поведение проекта с практикой других объектов. В более широком смысле авторы показывают, что их октридный, комбинированный численный метод справляется с крупными, неправильно заданными системами «плотина-основание» с выраженной нелинейностью грунтов. Они утверждают, что эта схема может направлять будущую оптимизацию зон армирования и технологий возведения, а также быть расширена для моделирования реакции таких плотин на землетрясения, ликвефакцию слабых слоев и долговременное повреждение бетона — в конечном итоге способствуя более безопасному развитию гидроэнергетики на сложных основаниях.

Что это значит для будущих плотин

Для неспециалистов главное послание таково: безопасность современной плотины зависит не меньше от скрытых грунтов и погребенных стен ниже уреза воды, чем от видимого бетонного гребня. Тщательное моделирование того, как каждая часть смешанной бетонно-земляно-каменной плотины деформируется вместе, позволяет этому исследованию указать, где с наибольшей вероятностью начнутся трещины или избыточные перемещения. Подход дает инженерам мощный «рентген» сложных систем плотин на глубоких мягких основаниях, помогая укреплять уязвимые зоны до возникновения проблем и поддерживая более надежную, с меньшим воздействием гидроэнергетику в труднодоступных районах.

Цитирование: Liu, B., Wang, F., Zou, D. et al. Investigation of deformation characteristics of gate and earth–rock dam systems under deep overburden conditions. Sci Rep 16, 13464 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44128-w

Ключевые слова: земляно-каменная плотина, толстый перекрывающий слой, моделирование методом конечных элементов, деформация отсечной стены, безопасность гидроэнергетики