Проведение физического моделирования разрушения грунтовой дамбы
Эксперименты по физическому моделированию проводились в период с 21 по 24 февраля 2020 года на территории учебно-научной базы «Приладожская» Санкт- Петербургского государственного университета недалеко от пос. Кузнечное Приозерского района Ленинградской области. Было выполнено два натурных эксперимента по физическому моделированию прорыва искусственного водоёма, подпруженного грунтовой дамбой. Искусственный водоём представлял собой ёмкость из монолитного поликарбоната размерами 1×1×1.5 м (рис. 1). Она состояла из двух отсеков. Размеры первого, который заполняется водой, составляли 1×1×0.6 м, а второго 1×1×0.9 м. Между отсеками была установлена перегородка с прямоугольным отверстием (0,05×0,15 м), по которому вода из первой ёмкости поступает во вторую. Во время заполнения первой ёмкости до начала эксперимента отверстие закрывается затвором. Для фиксации уровня воды на стенке первой ёмкости была установлена мерная шкала.
Рисунок 1 Схема экспериментальной установки
Описание эксперимента № 1.
В первом физическом эксперименте плотина имела трапециевидную форму и состояла из смеси песка и гранитной крошки. Высота плотины составляла 0.35 м, длина по подошве 0.71 м, ширина по гребню 1 м. Ширина гребня составила 0.07 м. Длина откоса со стороны нижнего бьефа составила 0.52 м, а со стороны верхнего бьефа 0.48 м. Объём материала 0.13 м3. При сооружении дамбы песок был утрамбован (рис. 2). В процессе эксперимента выполнялись геофизические исследования для оценки изменения влажности материала плотины. Для этого в плотину заглублялась электроразведочная коса (рис. 2), которая измеряла сопротивление, через которое должна рассчитываться электропроводность. Электропроводность в свою очередь позволяет оценить влажность.
На начало первого эксперимента первая ёмкость была заполнена водой объёмом 312 литров. В воду было добавлено 0.5 кг соли, для того чтобы легче было измерять сопротивление, после чего минерализация воды составила 1.66 г/л. После поднятия затвора вода начала поступать во вторую ёмкость, где была сооружена плотина. Уровень воды в первой ёмкости на момент начала эксперимента составлял 52 см, после того, как был открыт затвор и вода поступила во вторую ёмкость, уровень воды установился на отметке 34 см.
Рисунок 2 Грунтовая плотина до момента наполнения второй ёмкости
В ходе эксперимента проводилась видеофиксация с трёх камер, которые были установлены с разных углов к плотине для более детального описания процесса прорыва.
При поступлении воды из первой ёмкости во вторую уровни воды в ёмкостях сравнялись. Сначала вода фильтровалась в тело плотины, об этом свидетельствует изменение оттенка материала, из которого сложена дамба (рис. 3). За это время уровень воды понизился на 1 см.
Рисунок 3 Изменение оттенка грунта, в результате фильтрации: а) при заполнении второй ёмкости, б) перед началом размыва.
Размыв дамбы начал происходить в результате фильтрации воды в правой и левой частях плотины на границе со стенкой (рис. 4а). В левой части дамбы вода фильтровалась сильнее, что привело к снижению устойчивости грунта и его последующему сползанию (рис. 4б). В результате обрушения грунта произошло формирование прорана, через который вода из искусственного водоёма начала выливаться. Далее происходило увеличение скоростей потока, размеров прорана и соответственно расходов воды. При прорыве происходило обрушение грунтового материала со стенок прорана (рис. 4в-е). Далее, при понижении напора воды происходило уменьшение скоростей и соответственно расходов воды до того момента, пока вода из ёмкости полностью не вытекла. В результате образовался проран, глубина, которого была равна высоте плотины, а максимальная и средняя ширина соответственно 0.24 м и 0.18 м. Площадь прорана составила около 0.043 м2.
Рисунок 4 Процесс разрушения грунтовой плотины (эксперимент № 1).
В результате натурного эксперимента был построен гидрограф прорывного паводка (рис. 5). Расходы воды через проран определялись по формуле:
, (1)
где Q – расход воды через проран, л/с; W1 и W2 – объёмы при разных уровнях воды (дискретность 1 см), Т – время, за которое уровень упал на 1 см.
Рисунок 5 Рассчитанный гидрограф прорывного паводка (эксперимент № 1).
Анализ полученного графика изменения расходов воды во времени показал, что расход воды достигает своего максимального значения 5.17 л/с через 6 секунд после обрушения грунта в верхней части плотины. После этого, вследствие уменьшения напора и увеличения площади поперечного сечения потока, его значения начинают уменьшаться, а интенсивность расширения прорана также снижается. Форма полученного гидрографа соответствует форме гидрографов прорывных паводков, образованных при разрушении грунтовых плотин, приведённых в опубликованных научных работах [Morris and Hassan, 2005; Do et al, 2016; Tschiedel and Paiva, 2018].