Оценка территории затопления в результате разрушения грунтовых плотин

Большое количество дамб и плотин построено по всему миру. Основными целями строительства плотин является регулирование стока рек, получение электроэнергии, контроль за наводнениями, мелиорация и т.д. Большая часть всех дамб и плотин строится из грунтовых материалов (песчаных, суглинистых и глинистых), так как они просты по конструкции и их строительство возможно в широком диапазоне геологических условий [Migena Zagonjolli, 2007]. Поэтому грунтовые плотины считаются самыми распространенными типами водоподпорных сооружений. Однако, земляные плотины при определённых критических условиях могут разрушаться. Причинами прорывов земляных плотин являются высокие уровни воды в верхнем бьефе, которые в свою очередь ведут к переливу воды через гребень плотины, дефекты фундаментов плотин, просачивание воды через тело плотины. Прорывы земляных плотин влекут за собой катастрофические последствия: затопление территорий, находящихся ниже по течению, экономический ущерб, а также человеческие жертвы [Migena Zagonjolli, 2007]. Поэтому изучение прорывов очень актуально.
Целью данной работы является оценить затопления территории в результате разрушения грунтовых плотин.
Задачи, которые были поставлены для достижения данной цели:
• ознакомиться с методиками расчета прорыва грунтовых плотин;
• выбрать методику расчета грунтовых плотин;
• с помощью выбранной методики рассчитать прорыв грунтовой плотины;
• изучить модель HEC-RAS;
• в модели HEC-RAS рассчитать территории затопления в результате прорыва плотины;
• проанализировать полученные результаты.
Очень важно понимать, какие территории будут затопляться при прорыве плотины ещё на стадии проектирования. В совокупности понимание процесса образования прорана и умение оценивать площади затопления может спасти множество человеческих жизней.

Изученность вопроса об оценке территории затопления в результате разрушения земляных плотин
На данный момент проводится большое количество исследований прорывов земляных дамб. Некоторая часть исследований направлена исключительно на менеджмент при прорывах земляных плотин, то есть на организацию безопасности, помощь населению, быстрому реагированию на катастрофу и т.д. [Najib, Aji Pulung, Narulita Santi, Devina Trisnawati, and Dwiyanto Joko Suprapto, Slope stability of Cengklik earthfill dam, Boyolali Regency, Central Java Province, Indonesia]
Изучение прорывов проводится на основе физического и математического моделирования, эмпирических уравнений, а также используется вероятностный подход. Но для моделирования прорывов необходимо правильно описывать процессы, происходящие во время прорыва.
В своей докторской диссертации, посвящённой моделированию прорывов дамб, Migena Zagonjolli отмечает неопределённости, которые возникают при моделировании процессов: ошибки при вводе данных, неполное понимание моделируемого процесса, неправильное математическое описание процесса. В диссертации отмечается, что для более точного моделирования процессов прорывов требуется разработка и совершенствование моделей, оценок риска для смягчения последствий наводнений. Для расчёта в диссертации была предложена новая модель прорыва для земляных плотин (BREADA model: Breach Model for Earthfill Dams), а также методы интеллектуального анализа данных[Migena Zagonjolli, 2007].
В областях, подверженных чрезвычайным ситуациям, таким как землетрясение или цунами, плотины имеют потенциальную опасность прорыва. В связи с этим необходимым становится прогнозирование прорыва плотин и построение карт затопленных территорий на основе моделирования наводнений. Эти карты используются для определения зон риска и управления наводнениями. Этими исследованиями занимались ученые Индонезийского университета [Juliastuti and Oki Setyandito, 2017]. В своем исследовании они показывают развитие моделирования наводнений и построение карт затопленных территорий, используя численные методы с использованием анализа прорыва плотины и гидравлическую модель Zhong Xing HY-21 для моделирования наводнений на примере плотины Крисак. В исследовании авторы применяют физическое (включает в себя полевые и лабораторные работы) и вычислительное моделирование гидравлических параметров.
Ученые из Китайского университета [You Luo and etc, 2014] проводили исследование прорыва земляной плотины в результате перелива воды через плотину. В этом исследовании они рассматривали несколько режимов формирования прорыва, в основе которых лежит эрозия. Результаты исследования показали, что разные режимы прорывов плотин влекут за собой разный ущерб. Так же авторы в своем исследовании выделяют факторы, определяющие режим прорыва такие как .высота плотины, материал, из которого сложена плотина и величина потока.
Численное моделирование прорыва земляных плотин используют в Asian institute of Tecluiologv, Thailand (Tawatchai Tingsanchali and Chaiyuth Chinnarasri, 2001]. Прорыв земляной плотины, образующийся в результате перелива воды через гребень плотины, в этом исследовании рассчитывается с помощью одномерной численной модели на примере плотины Buffalo Creek. Проверка модели была осуществлена на поставленном эксперименте в лабораторных условиях. Данная численная модель используется для прогнозирования прорывного паводка и состоит их нескольких модулей: модуль нестационарного течения на крутых склонах русла, модуль эрозии на поверхности плотины и модуль разрушения склона. Кроме того, в исследовании моделирование прорыва имеет два направления: моделирование потока в верхнем бьефе и моделирование потока в нижнем бьефе.
Для изучения прорывов помимо численного и физического моделирования некоторые ученые используют вероятностные методы. Пример такого исследования изложен в статье французских ученых, которые используют Stochastic Finite Element Method для вероятностного анализа устойчивости грунтовой плотины. Моделирование изменчивости грунтовой плотины осуществляется при помощи метода Монте – Карло [A. Mouyeauxa and etc, 2018].
Также вероятностный подход используют ученые из Китая для анализа рисков прорывов земляных дамб, который заключается в Fuzzy Event Tree Method (нечеткое дерево событий) [Xiao Fu and etc, 2018]. В данном исследовании предложен метод анализа дерева событий, который основан на теории нечетких множеств, для расчета вероятности прорыва плотины. Предлагаемый метод и модель применяются к одной плотине водохранилища в провинции Цзянси. Для снижения риска предлагаются как технические, так и нетехнические меры. Анализ риска разрушения плотины имеет важное значение для снижения вероятности прорыва плотины и повышения уровня управления рисками плотины.
Таким образом, для исследования процессов прорыва грунтовых плотин используются различные методы: физическое моделирование в лабораторных условиях, математическое и численное моделирование. Существует множество моделей для расчёта прорывов плотин, которые могут прогнозировать прорывной паводок, а также при помощи, которых можно произвести оценку затопления территорий, находящихся ниже по течению от плотины. Также для расчета прорывов используется вероятностный подход, но он не так распространен. Модели, используемые для расчетов прорывов, постоянно разрабатываются и усовершенствуются, что приводит к тому, что ученые могут прогнозировать прорывы, а также оценивать риски наводнений и затопления территорий.