Влияние фильтрации на устойчивость грунтовой плотины к прорыву

Разрушение грунтовых плотин под действием фильтрации относится к опасным гидрологическим явлениям. В работе рассмотрен процесс прорыва в результате образования фильтрационного канала. Разработан алгоритм расчёта, написана компьютерная программа в среде MatLab R2020b. Предложенная методика верифицирована на основе физического моделирования и расчёта реальных прорывов крупных дамб.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………. 3
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР……………………………………………………………………….. 6
ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТОВОЙ
ПЛОТИНЫ. ………………………………………………………………………………………….. 17
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЁТА РАСШИРЕНИЯ КАНАЛА В ТЕЛЕ
ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ ……………………………………………………………………… 21
2.1 Расчёт расхода воды в канале ………………………………………………………… 21
2.2 Расчёт скорости эрозии …………………………………………………………………. 23
2.3 Расчёт расширения канала и изменения уровня воды ………………………. 25
2.4 Численные эксперименты ……………………………………………………………… 26
ГЛАВА 3. ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗРУШЕНИЯ ПЛОТИНЫ
…………………………………………………………………………………………………………….. 29
3.1. Определение гранулометрического состава грунта ………………………… 29
3.2. Эксперимент №1………………………………………………………………………….. 31
3.2.1 Модельный расчёт ………………………………………………………………….. 33
3.3. Эксперимент №2………………………………………………………………………….. 35
3.3.1 Модельный расчёт ………………………………………………………………….. 37
ГЛАВА 4. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
МОДЕЛИРОВАНИЯ ……………………………………………………………………………… 41
4.1. Плотина Тетон …………………………………………………………………………….. 41
4.2. Плотина Апишапа ……………………………………………………………………….. 45
4.3. Плотина в районе г. Франкфурт-на-Майне …………………………………….. 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………….. 52
БЛАГОДАРНОСТИ ………………………………………………………………………………. 54
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………………………………. 55
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОГРАММА РАСЧЁТА РАСШИРЕНИЯ КАНАЛА С
ОБРУШЕНИЕМ СВОДА ……………………………………………………………………….. 60
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРОГРАММА РАСЧЁТА РАСШИРЕНИЯ КАНАЛА БЕЗ
ОБРУШЕНИЯ СВОДА ………………………………………………………………………….. 62

Разрушение грунтовых плотин под действием фильтрации относится к
опасным гидрологическим явлениям. В результате этих процессов образуются
прорывные паводки, ведущие за собой катастрофические последствия: гибель
людей, ущерб инфраструктуре. Актуальность выполненного исследования
обуславливается необходимостью описания этого процесса, выявления
факторов формирования, расчёта гидрографа и времени образования канала
для дальнейшей разработки мероприятий по защите территорий от
наводнений.
В процессе выполнения работы были решены следующие задачи:
1. выполнен анализ более 50 литературных источников, определена
степень разработанности вопроса.
2. Описан процесс разрушения плотины в результате суффозии и
образования канала.
3. Разработана математическая модель расширения канала в теле
грунтовой плотины.
4. Выполнено физическое моделирования разрушения грунтовой
плотины.
5. Выполнен расчёт реальных прорывов плотин по разработанной
методике.
Анализ литературных источников показал, что на данный момент хорошо
разработаны общие фильтрационные расчёты, оценка устойчивости откоса,
оценка суффозионности грунта. Вопросы разрушения плотин в результате
образования канала изучены недостаточно.
В результате усиленной фильтрации воды возникают механизмы
внутренней эрозии. Такие процессы довольно сложно измерить
инструментально, а экспертные оценки часто бывают неточными, поэтому
необходимо применять методы математического моделирования.
Модель расширения канала основана на уравнении эрозии. Наиболее
важными исходными данными являются: удельный вес грунта, напор воды,
кривая зависимости уровня от объёма. Наличие этих характеристик позволяют
наиболее точно рассчитать время расширения канала и расход воды в канале.
Проведённые эксперименты по физическому моделированию
подтвердили концепцию разрушения в результате расширения канала.
Смоделированы 2 сценария: с обрушением верхнего свода и с истечением
воды через канал. Для 1 эксперимента погрешность по времени составила
3.9%, погрешность при расчёте расхода воды в канале – 13%. Для 2-го
эксперимента сходимость расходов воды по критерию Нэша-Сатклиффа
составила 0.67, что является показателем хорошего результата. Погрешность
при расчёте диаметра канала равна 15%.
После проведения расчётов для плотин Тетон, Апишапа, Франкфурт,
сделан вывод об удовлетворительной сходимости результатов с реальными
значениями. Высокую погрешность (33%) при расчёте времени разрушения
дамбы Тетон можно объяснить отсутствием точных данных о начале процесса
расширения канала. Расхождение максимальных расходов в 33% (по
сравнению с моделированием, описанным ранее в статях (Chen et al, 2019; Xu
et al, 2004) может заключаться в различных методиках расчёта, следовательно,
такой результат нельзя оценивать, как неудовлетворительный. Аналогичное
объяснение подходит и для погрешности в 49% при расчёте времени
разрушения плотины Апишапа.
В целом, разработанный алгоритм расчёта можно использовать на
стадии проектирования плотины, для оценки её возможного разрушения. В
дальнейшем планируется применить описанную методику для оценки
прорыва естественных моренных и оползневых дамб, так как такие процессы
крайне малоизучены. Также, необходимо добавить блок с расчётом
расширения канала под дамбой.
БЛАГОДАРНОСТИ
Автор выражает благодарность своему научному руководителю
Пряхиной Г.В. за доброжелательное отношение и ценные замечания, которые
позволили улучшить качество работы.

Автор благодарит Распутину В.А., Акилова Е.В., Пряхина С.И.,
Попова С.В., Боронину А.С., Кашкевич М.П., Кузнецову М.Р. за помощь в
проведении физического моделирования.

1. Бакланова, Д. В. Факторы, влияющие на возникновение аварийных
ситуаций на крупных каналах [Электронный ресурс] / Д. В. Бакланова
// Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации:
электрон, периодич. изд. / Рос. науч.-исслед. ин-т проблем
мелиорации. – Электрон, журн. – Новочеркасск: Рос-НИИПМ, 2011. –
№ 3(03). – 9 с. –
2. Бакиев М.Р. Анализ проблем надежной и безопасной эксплуатации
грунтовых плотин водохранилищных гидроузлов// Irrigatsiya va
melioratsiya, Ташкент, 2018
3. Гельфер А. А Причины и формы разрушения гидротехнических
сооружений, Ленинград, 1936