Оптимизация конструктивных решений гидротехнических сооружений с применением цифрового моделирования и интеллектуальных систем управления

Аннотация

Статья посвящена оптимизации конструктивных решений гидротехнических сооружений в условиях возрастания неопределенности гидрологического режима и долговременной деградации материалов, предлагая переход от статических расчетных схем к цифровым двойникам, интегрирующим информационное моделирование, вычислительную гидродинамику, структурный анализ и интеллектуальное управление. Показано, что традиционное представление бетонного массива как изотропной среды приводит к систематическим ошибкам при оценке устойчивости и фильтрационной надежности, поскольку старение носит выраженно зональный характер и связано с микротрещинообразованием, выщелачиванием и циклическим замораживанием-оттаиванием. На основе анализа многолетних рядов наблюдений более чем с 1500 датчиков и результатов лабораторных испытаний кернов установлены существенные расхождения между проектными и фактическими параметрами: в зоне переменного уровня коэффициент фильтрации возрастает почти на два порядка, а в контактной зоне фиксируется снижение модуля упругости на 17,56% при высокой вариативности, что требует введения пространственно неоднородных параметров в расчетные модели. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния с последующей топологической оптимизацией профиля гравитационной плотины демонстрирует возможность сокращения объема бетона на 11,59% при сохранении нормативных запасов устойчивости, однако выявляет рост растягивающих напряжений в зоне гребня, обусловливающий необходимость локального конструктивного усиления. Для предиктивного контроля фильтрационного режима сопоставлены статистические и машинно-обучающие модели; наибольшую точность обеспечивают гибридные нейросетевые подходы с физическими ограничениями (RMSE 0,076 м, R² 0,991), позволяющие заблаговременно выявлять аномалии и снижать интегральный аварийный риск на 24,5%. Отмечены барьеры внедрения, связанные с отсутствием единых стандартов обмена данными, валидацией алгоритмов, требованиями к вычислительным ресурсам и кибербезопасностью критической инфраструктуры; обоснована необходимость непрерывного обновления цифровой модели по данным мониторинга для поддержания достоверности прогнозов и адаптивного управления режимами водосбросов.