В плотинах мерзлого типа противофильтрационные элементы находятся в мерзлом состоянии, обеспечивая водонепроницаемость плотины в течение всего периода эксплуатации. Такие плотины получили распространение в северной строительно-климатической зоне в связи с дефицитом в этой зоне необходимых качественных материалов для строительства обычных грунтовых противофильтрационных устройств и с возможностью использовать для этих целей природный холод.
Качественное проектирование плотин мерзлого типа невозможно без теплофизического расчета с учетом конструкции плотины, теплофизических характеристик грунтов, метеорологических и гидрологических факторов.
Наиболее эффективным инструментом выполнения таких расчетов является программный комплекс Frost 3D, который позволяет выполнять прогнозирование промерзания и оттаивания грунта с расчетом фильтрации воды.
В программе Frost 3D проведен численный расчет фильтрации воды через плотину и замораживания ядра плотины с использованием глубинных сезонно-действующих охлаждающих устройств.
Участок моделирования имеет размеры: длина – 400 м, ширина – 120 м, и высота – 72 м (рисунок 1).
Рисунок 1 – Задание тепловых и гидрологических граничных условий
В плотине расположено 80 сезонно-действующих охлаждающих устройств длиной 50 м каждое. Для численного решения уравнений фильтрации и теплопроводности построенная трехмерная геометрическая модель плотины дискретизируется расчетной сеткой, состоящей из 12 336 576 узлов (рисунок 2).
Рисунок 2 – Расчетная сетка, созданная в программе Frost 3D
На верхней части плотины, выступающей над водой, задаются граничные условия, определяющие теплообмен с атмосферой, – динамика температуры воздуха и коэффициент теплообмена, вычисляемый в зависимости от скорости ветра (рисунок 3).
Рисунок 3 – Задание условий теплообмена с атмосферой в программе Frost 3D
На участках плотины, погруженных в воду, задаются условия теплообмена с водой – динамика температуры воды и коэффициент теплообмена грунта с водой (рисунок 4).
Рисунок 4 – Задание условий теплообмена с водой в программе Frost 3D
На этих же участках плотины для расчета фильтрации воды задаются гидравлические напоры: 60 м со стороны водохранилища, и 5 м со стороны реки. На сезонно-действующих охлаждающих устройствах рассчитывается тепловой поток в зависимости от скорости ветра и температуры воздуха (рисунок 5).
Рисунок 5 – Задание параметров сезонно-действующего охлаждающего устройства для вычисления теплового потока с его испарительной части
Для материала плотины задаются значения теплофизических свойств и коэффициент фильтрации (рисунок 6).
Рисунок 6 – Задание теплофизических свойств для материалов плотины в программе Frost 3D
На основании этих данных в программе Frost 3D рассчитывается скорость фильтрации воды и распределение температуры в плотине в течение 3-х лет (рисунок 7 – 9).
Рисунок 7 – Распределение рассчитанных скоростей фильтрации вдоль оси Х в мкм/с. Сечение горизонтальной плоскостью Z = 26 м
Рисунок 8 – Распределение температуры в ядре плотины в феврале первой зимы при рассчитанной фильтрации. Сечение горизонтальной плоскостью Z = 68 м
Рисунок 9 – Распределение температуры в ядре плотины в феврале первой зимы при рассчитанной фильтрации. Сечение вертикальной плоскостью Y = 362 м
Распределение скорости фильтрации воды в расчетной области имеет сложный характер и ее невозможно задать константой (рисунок 7). Соответственно, при решении задач промерзания и оттаивания грунта, когда в грунте присутствует фильтрация воды, необходимо выполнять расчет скорости течения воды, а не задавать постоянное значение скорости. Непосредственное задание скорости фильтрации воды приводит к отличию от расчетных значений, что в свою очередь вносит большую погрешность в расчет температуры грунта. Ниже представлено распределение скоростей фильтрации при заданном начальном пользователем значении 25 мкм/с (рисунок 10). Следует отметить, что в расчете при замерзании грунта скорость фильтрации стремится к нулю.
Рисунок 10 – Распределение скоростей фильтрации вдоль оси Х в мкм/с при заданном пользователем значении. Сечение горизонтальной плоскостью Z = 26 м
Температурное поле, полученное на основании заданных скоростей фильтрации (рисунок 11), отличается от температурного поля, которое было получено при расчете скорости фильтрации на основании численного решения уравнения фильтрации (рисунок 8).
Рисунок 11 – Распределение температуры в первую зиму заморозки ядра плотины. Скорость фильтрации задана пользователем. Сечение горизонтальной плоскостью Z = 68 м
Более наглядно, это заметно, если визуализировать температурное поле в сечение расчетной области около сезонно-действующих охлаждающих устройств (рисунок 12). Отсюда видно, что если не рассчитывать фильтрацию, то погрешность в определении области заморозки вокруг сезонно-действующих охлаждающих устройств может достигать 1.5 метра.
| а) | б) |
Рисунок 12 – Распределение температуры вокруг сезонно-действующих охлаждающих устройств при рассчитанной скорости фильтрации (а) и заданной пользователем скорости фильтрации (б). Сечение горизонтальной плоскостью Z = 16 м