ВЛИЯНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ К ПРОРЫВУ
|
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 No1...................................................................................... 31
3.2.1 Модельный расчёт ............................................................................. 33
3.3. Эксперимент No2...................................................................................... 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
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 No1...................................................................................... 31
3.2.1 Модельный расчёт ............................................................................. 33
3.3. Эксперимент No2...................................................................................... 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
Разрушения грунтовых плотин, в результате которых происходит
прорывной паводок, относятся к опасным гидрологическим явлениям. Эти
процессы влекут за собой катастрофические последствия: материальный
ущерб и человеческие жертвы.
По данным Association of State Dam Safety Officials (Кентукки, США)
(damsafety.org) более 20% грунтовых плотин в США разрушились в результате
развития внутренней эрозии с образованием фильтрационных каналов-
трубопроводов. По большей части разрушения связаны с нарушениями
технологий строительства плотин, использованием грунтов, подверженных
суффозии. Реже прорыв искусственных плотин происходит в результате
действия природных явлений: землетрясений, сильных ливней.
Изучение процесса разрушения плотин является важной как
теоретической, так и прикладной задачей, позволяющей прогнозировать
прорывные паводки, разрабатывать программы защиты территорий от
неблагоприятных последствий. Ввиду внезапности и быстротечности
процесса разрушения плотин, данные об этих явлениях обрывочны и
малочисленны, поэтому необходимо использовать методы физического и
математического моделирования. В выпускной квалификационной работе
рассмотрен процесс разрушения канала, причиной образования которого
является внутренняя эрозия, возникающая под действием усиленной
фильтрации.
Целью настоящей работы является оценка влияния фильтрации на прорыв грунтовой плотины. Для достижения поставленной цели решались задачи, которые включали в себя:
1. анализ литературных источников и определение степени
разработанности вопроса.
2. Описание процесса разрушения плотины в результате действия фильтрации.
3. Разработка алгоритма расчёта разрушения плотины в результате фильтрации.
4. Выполнение физического моделирования разрушения грунтовой
плотины под действием фильтрации.
5. Расчёт прорывов для больших плотин по разработанной методике.
6. Анализ полученных результатов.
Новизна проведённого исследования состоит в том, что на основе
зарубежных исследований был предложен алгоритм расчёта расширения
канала. Впервые рассмотрен процесс расширения канала без последующего
обрушения свода. Алгоритм расчёта был верифицирован с помощью методов
физического моделирования. Программа расчёта реализована в среде MatLab R2020b.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, литературного
обзора, четырёх глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа
включает в себя 64 страницы печатного текста, 28 рисунков, 11 таблиц.
Во введении освещены актуальность, цель, задачи, новизна темы
выпускной квалификационной работы.
В литературном обзоре проанализированы работы по теме исследования.
В первой главе рассмотрены процессы разрушения грунтовых дамб в
результате внутренней эрозии: суффозия и образование канала.
Во второй главе приводится описание методики расчёта расширения канала.
Третья и четвёртая глава носят практический характер. В третьей главе
описано физическое моделирование разрушения. Проведены расчёты по
предложенной методике.
В четвёртой главе приведены расчёты расширения канала для больших
плотин: Тетон, Апишапа, Франкфурт.
В заключении представлены выводы по проделанной работе.
В приложении 1 представлена программа расчёта расширения канала с
последующим обрушением свода, в приложении 2 – без обрушения свода.
прорывной паводок, относятся к опасным гидрологическим явлениям. Эти
процессы влекут за собой катастрофические последствия: материальный
ущерб и человеческие жертвы.
По данным Association of State Dam Safety Officials (Кентукки, США)
(damsafety.org) более 20% грунтовых плотин в США разрушились в результате
развития внутренней эрозии с образованием фильтрационных каналов-
трубопроводов. По большей части разрушения связаны с нарушениями
технологий строительства плотин, использованием грунтов, подверженных
суффозии. Реже прорыв искусственных плотин происходит в результате
действия природных явлений: землетрясений, сильных ливней.
Изучение процесса разрушения плотин является важной как
теоретической, так и прикладной задачей, позволяющей прогнозировать
прорывные паводки, разрабатывать программы защиты территорий от
неблагоприятных последствий. Ввиду внезапности и быстротечности
процесса разрушения плотин, данные об этих явлениях обрывочны и
малочисленны, поэтому необходимо использовать методы физического и
математического моделирования. В выпускной квалификационной работе
рассмотрен процесс разрушения канала, причиной образования которого
является внутренняя эрозия, возникающая под действием усиленной
фильтрации.
Целью настоящей работы является оценка влияния фильтрации на прорыв грунтовой плотины. Для достижения поставленной цели решались задачи, которые включали в себя:
1. анализ литературных источников и определение степени
разработанности вопроса.
2. Описание процесса разрушения плотины в результате действия фильтрации.
3. Разработка алгоритма расчёта разрушения плотины в результате фильтрации.
4. Выполнение физического моделирования разрушения грунтовой
плотины под действием фильтрации.
5. Расчёт прорывов для больших плотин по разработанной методике.
6. Анализ полученных результатов.
Новизна проведённого исследования состоит в том, что на основе
зарубежных исследований был предложен алгоритм расчёта расширения
канала. Впервые рассмотрен процесс расширения канала без последующего
обрушения свода. Алгоритм расчёта был верифицирован с помощью методов
физического моделирования. Программа расчёта реализована в среде MatLab R2020b.
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, литературного
обзора, четырёх глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа
включает в себя 64 страницы печатного текста, 28 рисунков, 11 таблиц.
Во введении освещены актуальность, цель, задачи, новизна темы
выпускной квалификационной работы.
В литературном обзоре проанализированы работы по теме исследования.
В первой главе рассмотрены процессы разрушения грунтовых дамб в
результате внутренней эрозии: суффозия и образование канала.
Во второй главе приводится описание методики расчёта расширения канала.
Третья и четвёртая глава носят практический характер. В третьей главе
описано физическое моделирование разрушения. Проведены расчёты по
предложенной методике.
В четвёртой главе приведены расчёты расширения канала для больших
плотин: Тетон, Апишапа, Франкфурт.
В заключении представлены выводы по проделанной работе.
В приложении 1 представлена программа расчёта расширения канала с
последующим обрушением свода, в приложении 2 – без обрушения свода.
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.
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.
Подобные работы
- Методы и модели оценки и управления техногенными рисками при реконструкции гидротехнических сооружений хвостового хозяйства обогатительной фабрики ТОО «KAZ Minerals Bozshakol» (КАЗ Минералз Бозшаколь)
Магистерская диссертация, техносферная безопасность. Язык работы: Русский. Цена: 4835 р. Год сдачи: 2021