Кафедра Гидравлики и гидротехнического строительства специализируется на исследованиях напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтовых и бетонных плотин, фильтрации в основании и в обход сооружений, безопасности плотин. Все исследования выполняются в трехмерной постановке (если необходимо или для сравнения – в двумерной постановке, а также для контроля правильности расчетов или получения экспресс-результатов), также для определения НДС с учетом сейсмических сил. Все исследования плотин выполняются с учетом поэтапности возведения (графика строительства). Именно учет поэтапности возведения впервые (возможно и в мире) был выполнен на кафедре гидротехнических сооружений применительно к грунтовым, а затем и бетонным плотинам.
Исследования грунтовых плотин выполняются с учетом нелинейных свойств грунтов. Энергетическая модель грунта впервые опубликована сотрудниками кафедры в 1978 году, а затем развитая для учета ползучести грунтов тела и основания плотины, исследований в трехмерной постановке, учете в трехмерной постановке сейсмических сил, устойчивости плотины во времени, оценке деформаций во времени, порового давления, осадок, вызванных консолидацией грунта ядра (экрана) и т.д. Сопоставление прогнозов осадок Нурекской, Чарвакской плотин с данными натурных наблюдений, выполненных в период строительства и эксплуатации, показали очень хорошее совпадение прогнозов и наблюдений. Такие совпадения относятся и к осадкам склона Загорской ГАЭС-1, и к прогнозам дальнейших осадок. Оценка устойчивости грунтовых плотин от действия сейсмических сил осуществляется по второму предельному состоянию, т.е. по допустимым остаточным перемещениям. В случае исследования НДС каменных плотин, т.е. с негрунтовыми противофильтрационными устройствами: экраны, диафрагмы и т.д., используются конечные элементы повышенной точности (до 32 узлов в элементе) как имело место при расчете НДС Богучанской плотины с асфальтобетонной диафрагмой. Вообще на кафедре отошли от использования простых элементов типа треугольника (плоская задача) или тетраэдр (трехмерная задача). Необходимо добавить, что на кафедре накоплен большой опыт исследований грунтов в сложно напряженном состоянии (различные приборы трехосного сжатия) а также исследованы различные асфальтобетоны в приборах трехосного сжатия и построены соответствующие номограммы для оценки деформативных и прочностных свойств. Оценка порового давления производится по методике А.А. Ничипоровича, получившая признание за счет отличного совпадения прогнозов и натурных наблюдений на Чарвакской плотине высотой 168 м. По рассеиванию порового давления оцениваются (рассчитываются) осадки, вызванные консолидацией грунта. В настоящее время необходимо исследовать поровое давление в верховой упорной призме каменно-земляной плотины от действия сейсмических сил. Сейсмические силы оцениваются по динамической теории – теории колебаний. Естественно, что проведенные разработки позволяют исследовать работоспособность плотины и по квазидинамической теории. Решение НДС бетонных плотин выполняются на основе линейной теории (упругости) с учетом возможного трещинообразования, что, в общем, делает теорию нелинейной. Для оценки развития трещинообразования в теле бетонной плотины и скальном основании используется механика разрушения, разработанная на кафедре в начале 1980-х годов.
В начале 1990-х годов механика разрушения была использована при исследованиях Братской плотины. Кафедра традиционно развила исследования температурного состояния плотин при строительстве и эксплуатации всех типов бетонных плотин и все это в трехмерной постановке. При учете сейсмических сил изучается не только влияние трехмерности акселерограммы, но и угол подхода сейсмической волны к сооружениям, что особенно важно в случае арочных и контрфорсных плотин, а также при известном положении очага землетрясения. Фильтрация в теле плотины, в скальном основании и в обход сооружения проводится по новой, разработанной на кафедре методике. Движение воды рассматривается в двойной среде: в фильтрующей области по обычным уравнениям движения воды и по трещинам, если они не заполнены грунтом и в берегах трещины тоже сильно трещиноватых. Эта методика оценки фильтрации воды в скальном основании дает намного более соответствующие натурным данным результаты. Исследования фильтрации на кафедре выполняются в трехмерной постановке, что существенно уточняет результаты решения. Особенно в узких створах. К примеру, прогноз фильтрации в створе Сангтудинского гидроузла был 5,8 м3/с. Сейчас идет около 6 м3/с. В случае взрывонабросных плотин кафедра решает задачи нелинейной фильтрации, когда вместо закона Дарси используется физическое уравнение Смрекера. Все это разработки кафедры гидравлики и гидротехнических сооружений. Следует иметь в виду, что кафедра умеет рассчитывать фильтрацию с учетом изменения размеров трещин при строительстве плотин за счет изменения напряженно-деформированного состояния основания, а в случае грунтовых плотин за счет изменения пористости противофильтрационных устройств при уплотнении от действия напряженно-деформированного состояния (НДС). Безопасность плотин сопряжена с натурными наблюдениями и анализом НДС, устойчивости плотин и других сооружений. Кроме того, с созданием мониторинга для оценки состояния сооружений гидроузла. Все эти вопросы находятся в компетенции кафедры. Стоимость работ зависит от объема исследований конкретного гидроузла. В настоящее время кафедра работает над вопросами учета возникновения порового давления в верховой упорной призме из крупнообломочного грунта, в уточненной методике определения остаточных перемещений в плотине при прохождении сейсмических волн различной интенсивности, в совершенствовании расчетных методов решения задач с целью сокращения времени счета и повышения точности решения, и т.д.
Кроме того, Кафедра гидравлики и гидротехнического строительства специализируется на исследованиях нагрузок от факторов окружающей среды на гидротехнические сооружения водного транспорта, сооружения морских портов, сооружения на континентальном шельфе, берегозащитные сооружения. Кафедра является одним из немногих научно-исследовательских коллективов (профессор, д.т.н. Кантаржи И.Г., Аншаков А.С. и др.) в РФ, который решает задачи определения волновых нагрузок, нагрузок от течений, ледовых нагрузок на основе современной технологии численного моделирования соответствующих природных процессов, с использованием физического моделирования взаимодействия этих процессов с сооружениями, а также с привлечением данных натурных измерений. Такой подход позволяет получать достоверные данные по расчетным нагрузкам, определять оптимальную компоновку и конструкцию сооружений. Физическое моделирование воздействия волн на гидротехнические сооружения выполняется на экспериментальной базе НОЦ «Гидротехника».
При выполнении проектов по научно-техническому сопровождению инженерных проектов авторы используют как численные модели собственной разработки, так и модели с открытым кодом – метеорологическую модель WRF, океанографическую модель SELFE, спектральную модель формирования и трансформации полей ветровых волн SWAN.
По сложившейся в настоящее время технологии современного математического моделирования в задачах морской гидротехники и гидравлики в задачах такого рода выделяются следующие основные этапы:
1) Расчет климатических характеристик ветрового волнения в заданных точках на подходе к исследуемому объекту (порт, участок побережья) на основе спектральных моделей ветрового волнения по полям ветра над морем за многолетний (30-50 лет) период, при использовании полей метеоэлементов из реанализа метеополей NCEP\NCAR или ERA-40 при их возможном даунскейлинге, с использованием численных моделей прогноза погоды;
2) Расчет волнового режима прибрежной зоны или огражденной морской акватории на основе уравнений пологих уклонов – mild slope equations (в эллиптическом, параболическом или гиперболическом приближении), нелинейных уравнений длинноволновой теории мелкой воды, и /или уравнений нелинейно-дисперсионной модели типа Буссинеска;
3) Расчет прибрежных течений, генерируемых при совместном влиянии ветра, волн и морских приливов с учетом возможного обратного влияния течений на трансформацию волн;
4) Расчет транспорта наносов в прибрежной зоне и переформирований дна и берегов.
В последние годы на кафедре выполнен ряд проектов, каждый из которых выдвигает новые научные задачи, требующие своевременного и обоснованного решения. Краткая характеристика этих проектов дана ниже:
Научно-техническое сопровождение проектирования гидротехнических сооружений плавучей атомной теплоэлектростанции на базе плавучего энергоблока в г. Певек Чукотского АО. В этом проекте решались три основные задачи: определение расчетных характеристик волн на подходе к порту, определение расчетных характеристик льда на подходе к сооружениям порта, оптимизация компоновочного и конструктивного решения порта ПАТЭС. При этом были решены, по крайней мере, две новые задачи: определены режимные характеристики шторма повторяемостью 1 раз в 10000 лет для определения нагрузок на оградительные сооружения порта и разработка и применении численной вязко-пластичной гидро-термодинамической модели льда, описывающей нарастание, таяние и распространение ледового покрова.
Математическое моделирование ледовых условий для определения нагрузок на пирс № 5 Ванинского балкерного терминала. При выполнении проекта успешно применена численная модель ледового покрова, что позволило определить расчетные сценарии нагрузки на реконструируемый причал.
Математическое моделирование волн, течений и литодинамических процессов на участке сооружений инженерной защиты Имеретинской низменности, Адлерский район, г. Сочи. Было выполнено комплексное исследование береговой зоны Имеретинской низменности, в том числе волновой режим, режим течений, литодинамические процессы и морфодинамические изменения. Причем исследования выполнялись для свободного (без сооружений) берега, а также с учетом влияний проектируемого порта Имеретинский и берегозащитной дамбы. Показано, что современные численные волновые модели (SWAN) позволяют рассчитывать волны над подводными каньонами. Определены размывы берега и необходимые объемы ремонтных подсыпок для обеспечения устойчивости берега и сооружений.
Математическое и физическое моделирование волновых процессов для обеспечения разработки проектной документации на строительство объекта «Комплекс береговой и морской инфраструктуры в морском порту Геленджик». Комплексное исследование нового порта, проектируемого в Геленджикской бухте, включая исследование волнового режима на подходе к порту и на акватории порта, поля течений в бухте, литодинамических процессов и водообмена акватории порта и влияния порта на водообмен Геленджикской бухты с морем. Все задачи решались для трех компоновок порта, предложенных заказчиком. При этом для финальной компоновки оградительных сооружений исследовалось влияние волн, генерируемых ветром «норд-ост», дующим с берега и имеющим значительные скорости.
Математическое моделирование течений и эволюции качества морской воды в акватории марины вместимостью до 200 яхт в морском порту Сочи». Численное исследование водообмена для акватории яхтенного порта в г. Сочи. Получены характеристики промывки огражденной полузамкнутой акватории порта. Показано, что специфической проблемой водообмена для морского порта является «прилипание» нефтепродуктов аварийного разлива топлива к лицевым граням железобетонных сооружений.
Терминал сжиженного природного газа и стабильного газового конденсата «Утренний». Основные технические решения. Математическое моделирование волнового режима и лито динамических условий на подходах и акватории Терминала. Проектируемый порт СПГ Утренний в Обской губе включает навигационный подходной канал шириной около 600 м по верху и длиной около 15 км. Канал существенно и сложно влияет на волновой режим на акватории порта. Показано, что для прогнозирования волн необходимо использовать спектральные волновые модели. Выполнено сравнение трех компоновочных вариантов оградительных и причальных сооружений порта по защищенности причальных акваторий.
Математическое и физическое моделирование волновых процессов, для обеспечения разработки проектной документации по объекту «центр строительства крупнотоннажных морских сооружений (ЦСКМС). Комплекс для изготовления оснований гравитационного типа и интеграции модулей верхних строений. Причальный фронт комплекса расположен в Кольском заливе, где в силу ограниченности разгона волны даже экстремальных повторяемостей относительно малы. Это приводит к особым проблемам при численном моделировании ветро-волновых процессов, так как требует мелких и объемных численных сеток.
Разработка интерактивной математической модели ветрового волнения и течений в районе предполагаемого строительства Объекта: «Комплекс по производству, хранению, отгрузке сжиженного природного газа и стабильного газового конденсата на Салмановском (Утреннем) нефтегазоконденсатном месторождении. Удаленный терминал «Утренний» морского порта Сабетта. НИР, целью которой являлась настройка математических моделей ветровых волн и течений для района Обской губы строительства порта СПГ. Для верификации численных моделей использовались данные натурных измерений волн и течений на нескольких станциях в регионе, специально выполненные ААНИИ. Показана степень согласия численных и натурных данных, продемонстрированы возможности моделей для решения инженерных задач.
Выполняемые на кафедре Гидравлики и гидротехнического строительства научно-исследовательские проекты позволяют вовлекать в современные исследования аспирантов и магистрантов, повышая качество образовательного процесса.
