Моделирование температурного поля грунтов резервуара для ливневых стоков
Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания резервуара для ливневых стоков. Для термостабилизации грунтов оснований применяется тепловой экран в виде слоя пеноплекса.
Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.
Климатические характеристики
Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23.7 | -22.9 | -14.4 | -8.2 | 0.0 | 9.9 | 15.7 | 12.0 | 5.7 | -4.2 | -15.2 | -20.9 |
| Скорость ветра, м/с | 3.0 | 3.1 | 3.3 | 3.5 | 3.8 | 3.8 | 3.3 | 3.0 | 3.2 | 3.3 | 3.0 | 2.9 |
| Высота снега, м | 0.53 | 0.62 | 0.68 | 0.65 | 0.28 | - | - | - | - | 0.08 | 0.25 | 0.40 |
Геокриологические условия
Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 0,5 ⁰С.
В материалах рабочей документации имеются лабораторные измерения части теплофизических свойств грунтов. Т.к. из представленных на геологическом разрезе данных по фактическим характеристикам теплофизических свойств не ясны условия, при которых производились измерения, то при моделировании температурного поля приняты расчетные характеристики грунтов.
| Наименование показателя | Обозначение | Ед.измерения | Насыпной грунт | ИГЭ №141100. Суглинок слабольдистый незасоленый | ИГЭ №140300. Суглинок мягкопластичный | ИГЭ №141000Э. Суглинок нельдистый | ИГЭ №141100Э. Суглинок слабольдистый незасоленый |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Физические свойства | |||||||
| Плотность грунта в сухом состоянии | Rdf | кг/м³ | 1740 | 1450 | 1480 | 1840 | 1500 |
| Суммарная влажность | Wtot | д.е. | 0,18 | 0,306 | 0,283 | 0,149 | 0,286 |
| Степень засоленности | Dsal | % | - | 0,049 | 0,057 | 0,059 | 0,051 |
| Число пластичности | Ip | д.е. | - | 0,122 | 0,132 | 0,102 | 0,123 |
| Влажность на границе раскатывания | Wp | д.е. | - | 0,203 | 0,205 | 0,181 | 0,207 |
| Теплофизические свойства | |||||||
| Температура начала замерзания | Tbf | ⁰С | -0,15 | -0,12 | -0,2 | -0,17 | -0,15 |
| Теплопроводность талого грунта | λth | Вт/(м*К) | 2,32 | 1,59 | 1,53 | 1,55 | 1,59 |
| Теплопроводность мерзлого грунта | λf | Вт/(м*К) | 2,73 | 1,81 | 1,76 | 1,76 | 1,81 |
| Объемная теплоемкость талого грунта | Cth | МДж/м³ | 2,63 | 3,18 | 3,11 | 2,79 | 3,16 |
| Объемная теплоемкость мерзлого грунта | Cf | МДж/м³ | 1,93 | 2,35 | 2,35 | 2,36 | 2,38 |
| Коэффициенты кривой незамерзшей воды Ww(t)= A + B / (C - t), где t - температура, ⁰С | А | - | 0,0013 | 0,0742 | 0,0781 | 0,0605 | 0,0761 |
| B | - | 0,0016 | 0,11 | 0,104 | 0,1657 | 0,1085 | |
| C | - | 0,4452 | 0,5852 | 0,4851 | 1,7006 | 0,5444 | |
| Теплота фазового перехода | Qf | МДж/м³ | - | - | - | - | - |
Строительные решения
Резервуар для ливневых стоков представляет собой железобетонную конструкцию в виде параллелепипеда. Под монолитным днищем выполнена бетонная подготовка толщиной 100 мм из бетона класса B15.
Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации.
Температурная стабилизация грунтов оснований (ТСГ)
Технические решения по термостабилизации грунтов предусматривают сооружение теплоизоляционного экрана под днищем резервуара.
Прогноз температурного режима грунтов
Прогнозное моделирование температурного поля грунтов осуществлялось численными методами с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.
Составление прогноза температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.
Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).
Этапы выполнения строительства
Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:
- Первый этап – возведение насыпи.
Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Для данных расчетов принят вариант возведения насыпи в конце зимнего периода мерзлым грунтом. Срок прогноза составлял о один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий.
- Второй этап – период эксплуатации.
Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации сооружения. Завершение строительства и начало эксплуатации принято на момент 15 мая. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.
Адаптация условий теплообмена
Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.
Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23,7 | -22,9 | -14,4 | -8,2 | 0,0 | 9,9 | 15,7 | 12,0 | 5,7 | -4,2 | -15,2 | -20,9 |
| Скорость ветра, м/с | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,8 | 3,8 | 3,3 | 3,0 | 3,2 | 3,3 | 3,0 | 2,9 |
| Теплоотдача, Вт/(м2*К) | 9,53 | 9,77 | 10,25 | 10,73 | 11,45 | 11,45 | 10,25 | 9,53 | 10,01 | 10,25 | 9,53 | 9,29 |
| Высота снега, м | 0,299 | 0,350 | 0,384 | 0,367 | 0,158 | - | - | - | - | 0,045 | 0,141 | 0,226 |
| Плотность снега, кг/м³ | 144 | 153 | 159 | 166 | 386 | - | - | - | - | 98 | 115 | 131 |
| Теплопроводность снега, Вт/(м*К) | 0,207 | 0,218 | 0,226 | 0,236 | 0,672 | - | - | - | - | 0,157 | 0,174 | 0,191 |
| Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*К) | 0,644 | 0,586 | 0,557 | 0,606 | 3,103 | 11,450 | 10,250 | 9,530 | 10,010 | 2,598 | 1,094 | 0,776 |
Расчетная область
Модель расчетной области представляет собой параллелепипед с размерами 70 х 60 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке ниже.
Примечание: При правильном использовании симметрии, возможно значительное сокращение времени расчета. В данном примере симметрия не использовалась для большей наглядности.
На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие тепловое воздействие сооружения. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.
Тепловое влияние резервуара моделировалось граничными условиями 3-го рода. Предполагается что слив дождевого стока в резервуар осуществляется в весенний и осенний период в течении 15 суток, а в летний период по 5 суток каждого месяца. В период слива дождевого стока в резервуар коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности резервуара принимается равным 20 Вт/(м²*К). В период отсутствия дождевого стока коэффициент теплоотдачи рассчитывается как коэффициент теплопередачи, т.е. как обратная величина суммы термических сопротивлений снежного покрова, сопротивления теплоотдачи ко внутреннему пространству резервуара и сопротивления теплоотдачи от внутреннего пространства к стенке. График коэффициента теплопередачи приведен на рисунке.
В расчете учтено тепловое влияние тепла, выделяемым при гидратации бетона. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора В15 приведен на рисунке.
Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 253х189х81 ячеек (3,9 млн. ячеек).
Заполнение ячеек расчетной сетки материалами приведено на рисунке ниже.
Результаты расчета
Результаты расчета приведены на рисунках ниже.
Трехмерное температурное поле на 15 сентября 3-го года эксплуатации.
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
Температурное поле грунтов на 15 мая 1-го года (начало эксплуатации).
Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года.
Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.
Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.
Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.1, расположенной у края резервуара приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 мая) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 2 год | 3 год | ||
| 1,0 | -0,50 | -0,01 | -0,02 | -0,02 |
| 2,0 | -0,50 | -0,04 | -0,04 | -0,04 |
| 3,0 | -0,50 | -0,12 | -0,12 | -0,12 |
| 4,0 | -0,50 | -0,19 | -0,23 | -0,25 |
| 5,0 | -0,54 | -0,31 | -0,37 | -0,40 |
| 6,0 | -0,46 | -0,42 | -0,49 | -0,55 |
| 7,0 | -0,41 | -0,43 | -0,48 | -0,53 |
| 8,0 | -0,41 | -0,42 | -0,45 | -0,49 |
| 9,0 | -0,42 | -0,43 | -0,44 | -0,47 |
| 10,0 | -0,44 | -0,45 | -0,45 | -0,47 |
| 11,0 | -0,47 | -0,47 | -0,47 | -0,48 |
| 12,0 | -0,49 | -0,49 | -0,49 | -0,49 |
| 13,0 | -0,51 | -0,51 | -0,50 | -0,51 |
| 14,0 | -0,53 | -0,53 | -0,52 | -0,52 |
| 15,0 | -0,54 | -0,54 | -0,54 | -0,54 |
Время выполнения расчета модели, состоящей из 3,9 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:
- На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 13 часов 35 минут.
- На видеокарте (GeForce GTX 1080) – 35 минут.
Выводы
Исходя из представленных расчетов можно сделать вывод о том, что технические решения по температурной стабилизации грунтов позволяют сохранить грунты в мерзлом состоянии.
Файлы для загрузки
Файлы примера доступны по ссылке.