Расчет характеристик прорана в грунтовых плотинах и максимальных расходов при переливе водохранилищ

Цель работы – дать оценку существующим методам расчета характеристик прорана и максимальных расходов и на основании данной оценки провести расчет для выбранных объектов по выбранным методикам. В ходе работы был проведен аналитический обзор существующих методик и проведен расчет по 3 методикам и сравнение полученных результатов с наблюденными. Аналитический обзор позволил выявить недостатки существующих методов, а расчет по выбранным объектам выявить состоятельность использования выбранных расчетных схем. Также были приведены альтернативные подходы к вопросу расчета характеристик прорана.

В заключении стоит отметить, что основную цель данной работы можно
считать достигнутой. В ходе исследовательской работы были
проанализированы существующие способы и методы расчета характеристик
прорана и максимальных расходов воды. Условно их можно определить в 4
группы: руководящие документы, концептуальные расчетные методы,
детерминированные модели на основе систем дифференциальных уравнений с
включением блока эрозионного размыва и стохастические методы оценки
устойчивости грунтовой плотины. В ходе этого анализа были выявлены
недостатки этих методов. Особый акцент делался на руководящих документах,
так как они используются при проектировании гидротехнических сооружений.
Основными их недостатками можно считать недоучет формирования прорана
как в случае с ПМП, где данный процесс выражается коэффициентом,
учитывающим отношение ширины прорана к длине плотины. Для РД 03-607-03
характерно использование эмпирических соотношений, которые имеют
довольно узкий диапазон использования, а также недоучет связи между
формированием прорана и сбросом воды, выражающейся в том, увеличение
сброса воды влияет на изменение характеристик прорана, а увеличение
характеристик прорана, в свою очередь, влияет на увеличение сброса воды, что
при непосредственном использовании выражается в обособленности расчете
изменения морфометрических характеристик прорана. Также была собрана
информация о некоторых случаях прорыва водохранилищ в результате
перелива через грунтовую плотину и рассчитаны необходимые характеристики
по выбранным методикам. Собранные и рассчитанные данные позволили в
дальнейшем проводить расчет по выбранным методикам и проводить
сравнение рассчитанных и наблюденных значений.
Для расчета были выбраны следующие методики: ПМП, РД 03-607-03 и
модель прорыва озера подпруженного ледником Ю.Б. Виноградова.
Использование методик позволило получить расчетные значения, которые
сравнивались с наблюденными значениями. Произведено обсуждение
результатов на основе которых для рассчитанных значений выявлены основные
нюансы, связанные с особенностями использованных методов. Недостатки,
которые были выявлены в ходе анализа, во многом, повлияли на расхождение
рассчитанных и наблюденных значений. В большей степени это характерно для
ПМП. В частности, использование условного эмпирического коэффициента для
получения возможной ширины прорана являлось довольно неточным, что
сказывалось на расхождении в наблюденных и рассчитанных значениях, а
также в полученных значениях расходов воды. Наиболее удовлетворительные
результаты были получены по модели Ю.Б. Виноградова, что связано с
особенностями заложенных в модели уравнений, которые описывают физику
процесса, и с тем, что начальные параметры для расчета по модели задавались
максимально приближенными к случаю грунтовой плотин. Также в
большинстве выбранных случаев довольно близкие значения давала методика
РД 03-607-03. Расчетная схема включала в себя расчет характеристик прорана,
характеристик грунта и потока, что во многом и определило близость значений.
Тем не менее, для некоторых случаев значения имели расхождения. Это связано
с обособленностью расчета характеристик прорана и изменений объемов и
расходов воды, т.е. изменение гидравлико-морфометрических характеристик
прорана никак не зависит от истечения воды из водохранилища и от
рассчитываемых характеристик грунта. В данном случае это не совсем верно,
так как связь между изменением характеристик прорана и изменением объема
воды в водохранилище работает в обе стороны, что было подробно указано
выше. Кроме того, были предложены альтернативные подходы возможного
математического описания процесса образования прорана на основе
выявленных этапов процесса и основных факторов. В первом приближении
преимуществом этих вариантов является возможный учет связи между
процессом размыва прорана и сбросом воды, а также учет сил внешнего
воздействия, а именно динамических характеристик потока, и сил
сопротивления грунта, зависящих от сцепления грунта и угла внутреннего
трения.
Формирование и последующее развитие прорана – один из ключевых
факторов, влияющих на опорожнение водохранилища при переливе. Ключ к
пониманию этого процесса – понимание того, каким образом истечение воды
влияет на вынос материала из прорана. В дальнейшем это позволит создать
наиболее приближенную модель формирования прорана, что поможет в
прогнозировании подобных явлений как в процессе проектирования грунтовой
плотины, так и во время эксплуатации уже имеющихся водохранилищ.

1. Виноградов Ю.Б., Виноградова Т.А. Современные проблемы
гидрологии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений
2. Волосухин В.А., Волосухин Я.В. Нормативное, правовое и
техническоерегулированиевобластибезопасности
гидротехнических сооружений. – М.: Гидросооружения, №1, 2010,
с. 22-30.
3. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л., Гидрометеоиздат,
1969, 424 с.
4. Гидротехнические сооружения /Г.В. Железняков, Ю.А. Ибад-заде,
П.Л. Иванов и др.; под общ. Ред. В.П. Недриги. – М.: Стройиздат,
1983.
5. Караушев А.В. Теория и методы расчета расхода речных наносов. –
Л.: Гидрометеоиздат, 1977, 272 с.
6. Кременецкий, Н. Н. Гидравлика: учебник для с.-х. техникумов по
специальности “Гидромелиорация”. – 3-е изд. – М.: Энергия, 1975. –
416 с.
7. Методические рекомендации по определению расходов воды при
проектировании переходов через водотоки в зоне воздействия
некапитальных плотин. – М., 1981.
8. РД 03-607-03 Методические рекомендации по расчету развития
гидродинамических аварий на накопителях жидких промышленных
отходов.
9. Мирцхулава Ц.Е. Размыв русел и методика оценки их
устойчивости. М., «Колос», 1967, 179 с.
10.Пономарчук К.Р. Оценка параметров развития прорана при
разрушении грунтовой плотины. – М.: Природообустройство, №3,
2011, с. 77 – 82.
11.Трофимов В.Т., Королёв В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская
Г.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Грунтоведение. Под ред.
В.Т.Трофимова – 6-е изд., перераб. и дополн. – М.: Изд-во МГУ,
2005, 1024 с.
12.Чертоусов, М.Д. Гидравлика. Спец. Курс, Для гидротехн.
специальностей высш. учеб. Заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. –
М.; Л.: Госэнергоиздат, 1957. – 640 с.
13.Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Энергоиздат, 1984.
14.Mouyeaux A., Carvajal C., Bressolette P., Peyras L., Breul P.,
Bacconnet C. Probabilistic stability analysis of an earth dam by
Stochastic Finite Element Method based on field data. Computers and
Geotechnics,101, 2018, p. 34–47.
15.RCEM – Reclamation Consequence Estimating Methodology. Dam
Failure and Flood Event Case History Compilation. – U.S. Department
of the Interior Bureau of Reclamation, 2014.
16.Sharma K.P, Kumar A. Case Histories of Earthen Dam Failures.
International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering.
– Missouri University of Science and Technology, 2013.
17. Tingsanchali T., Chinnarasri С. Numerical modelling of dam failure due
to flow overtopping. – Hydrological Sciences Journal, 46 (1), 2001, p.
113-130.
18.Zagonjolli. M. Dam break modelling, risk assessment and uncertainty
analysis for flood mitigation. – Taylor and Francis/Balkema, 2007.