В первом эксперименте размыв плотины произошёл на контакте плотины со стенкой экспериментальной установки. Во избежание этого, при проведении второго эксперимента в грунт (смесь песка и гранитной крошки) дополнительно добавлялась глина. Форма плотины также имела трапециевидную форму. Высота плотины составляла 0.35 м, длина по подошве 0.71 м, ширина по гребню 1 м. Ширина гребня составила 0.05 м. Длины откосов со стороны верхнего и нижнего бьефов были равны и составляли 0.55 м. При создании плотины песок был утрамбован. Также при проведении второго эксперимента проводились геофизические исследования для оценки влажности материала, из которого сооружена дамба. В плотину была заглублена электроразведочная коса с электродами для измерения сопротивления, через которое рассчитывается электропроводность. По полученным значениям электропроводности производится оценка влажности грунта.
Для перелива в центре дамбы была сделана начальная прорезь шириной 2 см и глубиной 2.5 см. В процессе эксперимента проводились геофизические работы для изучения процесса фильтрации.
При проведении второго эксперимента первая ёмкость была заполнена водой объёмом 306 литров. В воду, как и в первом эксперименте, добавлялась соль для того чтобы легче было измерять сопротивление. Минерализация воды составила 1.22 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 51 см, после того, как был открыт затвор и вода поступила во вторую ёмкость, уровень воды установился на отметке 32 см.
Также в ходе второго эксперимента осуществлялась видеофиксация с трёх камер, установленных с разных углов, для более полного и детального описания эксперимента.
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. 6), однако, ввиду того, что на гребне дамбы была прорезь, материал не намок до такого же состояния, как в первом эксперименте.
Рисунок 6 Фильтрация воды сквозь тело дамбы
Процесс прорыва инициировался переливом воды через гребень и образованием струйного течение воды по телу плотины (рис. 7а). Далее началось формирование прорана: сначала происходило только его углубление (рис.7б), после, при увеличении скоростей потока перетекающей воды, происходило развитие прорана в ширину и в глубину (7в-е). Расходы воды увеличивались в результате увеличения скоростей потока и размеров прорана. Во время прорыва также наблюдалось обрушение грунтового материала с бортов прорана. Далее, при понижении напора воды происходило уменьшение скоростей и соответственно расходов воды до того момента, пока вода из ёмкости полностью не вытекла. В результате прорыва проран сформировался на всю высоту плотины. Максимальная ширина прорана составила 0.35 м, а средняя 0.3 м. Площадь прорана во втором эксперименте составила 0.105 м2.
Рисунок 7 Процесс разрушения грунтовой плотины (эксперимент № 2).
В результате второго натурного эксперимента также был рассчитан и построен гидрограф прорывного паводка (рис. 8). Расходы воды через проран определялись по формуле (1).
Рисунок 8 Гидрограф прорывного паводка (эксперимент № 2).
Анализ полученного графика изменения расходов воды во времени показал, что в течение первых 22 секунд происходит плавное нарастание расходов воды. Это связано с тем, что при переливе вода сначала текла по телу дамбы и слабо размывала её. Расход воды достигает своего максимального значения через 31 секунд после начала перелива. После этого, вследствие уменьшения напора и увеличения площади поперечного сечения потока, его значения начинают уменьшаться, интенсивность расширения прорана также снижается. Форма полученного в ходе второго физического эксперимента гидрографа также согласуется с формой 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].
В целом, оба эксперимента получились удачными. По их результатам выполнено феноменологическое описание разрушения грунтовой плотины и получены количественные характеристики потока, сформированного в результате размыва дамбы: гидрографы прорыва и максимальные расходы воды.
Заключение
Для более глубокого и детального исследования процесса прорыва в будущем планируется выполнить ещё серию экспериментов. Результаты, полученные в ходе описанных экспериментов, позволяют сделать выводы о том, что нужно учесть при дальнейшем исследовании, а именно:
- использовать разный материал с разным удельным весом, чтобы проследить как влияет тип материала на скорость размыва;
- обеспечить непрерывное поступление воды в водоём для моделирования прорыва водохранилища с постоянным притоком воды в него;
- для построения трёхмерной модели плотины и оценке выноса грунтового материала усовершенствовать технику видео съёмки в ходе выполненных экспериментов;
- усовершенствовать методику использования геофизических приборов для измерения фильтрационных характеристик в теле дамбы, т.к. данные полученные при измерениях с помощью георадара и электроразведочной косы в ходе данных экспериментов, к сожалению, оказались не пригодны к интерпретации.
Список литературы
1. Балджян П.О., Карапетян Г.И., Бабаян Г.Р., Мадатян Г.Г. Экспериментальные исследования процесса гидравлического смыва грунтовой плотины // Вестник национального политехнического университета Армении. Механика, машиноведение, машиностроение. 2017. № 2. С. 87-98.
2. Богославчик П. М. Расчетная модель размыва грунтовых плотин при переливе // Наука и техника. 2018. Т. 17, № 4. С. 292-296.
3. Букреев В. И. О расходной характеристике в створе плотины после ее разрушения // ПМТФ. 2006. Т.47, № 5. C. 77-87.
4. Букреев В.И., Дегтярев В.В., Чеботников А.В. Экспериментальная проверка методов расчета волн после частичного разрушения плотины // ПМТФ. 2008. Т. 49, № 5. С. 61-69.
5. Виноградов Ю.Б.Метод расчета гидрографа паводка при прорыве подпруженного ледником озера // Селевые потоки. Cб. 1. 1976. С. 138–153.
6. Виноградов Ю.Б., Виноградова Т.А. Математическое моделирование в гидрологии: учебное пособие для студентов высших учебных заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2010. 304 с.
7. Давлетшин В.Х. Динамика разрушения однородных земляных плотин при переливе воды через проран // Гидротехническое строительство. 2001. № 4.
8. Отчёт о выполнении научно-исследовательской работы в семестре на тему: «Формирование прорывного паводка при разрушении грунтовых плотин». Санкт-Петербург, 2020 год.
9. Пономарчук К.Р. Оценка параметров развития прорана при разрушении грунтовой плотины // Природообустройство. 2011. № 3. С. 77-82.
10. Пономарчук К.Р. Разработка методики оценки параметров процесса формирования проранов при прорывах грунтовых плотин. Кандидатская диссертация. Московский государственный университет природообустройства. Москва, 2001. 120 с.
11. Пряхина Г.В., Боронина А.С., Попов С.В., Распутина В.А., Войнаровский А.Е. Физическое моделирование разрушения грунтовой дамбы водохранилища в процессе переполнения водоема // Изв. РГО. 2019. Т. 151, вып. 2. С. 51-63.
12. Andrews D.P., Coleman S.E., Webby M.G., Melville B.W. Noncohesive Embankment Failure Due to Overtopping Flow // Proc. 28th Congress IAHR, Graz, Austria. 1999.
13. Chen Y.H., Anderson, B.A. Development of a Methodology for Estimating Embankment Damage due to Flood Overtopping. Report No. FHWA/RD-86/126, Federal Highway Administration, US Department of Transportation. 1987.
14. De Vroeg J.H., Kruse G.A.M., Van Gent M.R.A. Erosion due to Overtopping and Overflow // Project identification: DC030202/H3803, Delft Cluster, Delft, the Netherlands. 2002.
15. Do X.K., Kim M., Thao Nguyen H.P., Jung K. Analysis of landslide dam failure caused by overtopping // Procedia Engineering. 2016. Vol. 154. P. 990-994.
16. Dun R.W.A. An improved understanding of canal hydraulics and flood risk from breach failures // Water and Environment Journal. 2007. Vol. 21. P. 9 – 18.
17. Fujita Y. and Tamura T. Enlargement of Breaches in Flood Levees on Alluvial Plains // J. Natural Disaster Science. 1987. Vol. 9, No. 1. P. 37-60.
18. Meadowcroft I.C., Morris M.W., Allsop N.W.H., McConnell K. Tollesbury Managed Set Back Experiment: Breach Design and Construction, and Embankment Failure Experiment // HR Wallingford Report TR 5, HR Wallingford, UK. 1996.
19. Mohamed, M.A.A., Samuels, P.G. and Morris, M.W. Improving the accuracy of prediction of breach formation through embankment dams and flood embankments // Proc. Int. Conf. Fluvial Hydraulics, Louvain-la-Neuve, Belgium. 2002. P. 663-673.
20. Morris M., Hassan M. IMPACT: Investigation of extreme flood processes and uncertainty – a European research project // Proc. of the 40th Defra Flood and Coastal Management Conference. 2005. P. 1 – 17.
21. Hahn W., Hanson G.J., Cook K.R. Breach Morphology Observations of Embankment Overtopping Tests // Proc. 2000 Joint Conf. Water Resources Engineering and Water Resources Planning and Management. Minneapolis, USA. 2000.
22. Hanson G.J., Cook K.R., Temple D. Research Results of Large-Scale Embankment Overtopping Breach Tests // Proc. 2002 Annual Conf., Association of State Dam Safety Officials, Tampa, USA. 2002.
23. Hanson G.J., Cook K.R., Hunt S.L. Physical modeling of overtopping erosion and breach formation of cohesive embankments // Transactions of the ASABE. 2005. Vol. 48 (5). P. 1783−1794.
24. Höeg K., Lövoll A. and Vaskinn K.A. Stability and Breaching of Embankment Dams: Field Tests on 6 m High Dams // Int. J. Hydropower & Dams. 2004. Vol. 11, Issue 1. P. 88-92.
25. Pan Shuibo and Loukola, E. Chinese-Finnish Cooperative Research Work on Dam Break Hydrodynamics // National Board of Waters and the Environment, Helsinki, Finland. 1993.
26. Powledge G.R., Dodge R.A. Overtopping of Small Dams — An Alterative for Dam Safety. Proc. Specialty Conference, ASCE. 1985. P. 1071-1076.
27. Rozov A., Chanson H. Modeling a washout of dams // Journal of Hydraulic Research. 2004. № 42. P. 563-566.
28. Steetzel, H.J. and Visser, P.J. Profile Development of Dunes Due to Overflow // Proc. 23rd Int. Conf. Coastal Eng., Venice, Italy. 1993. P. 2669-2679.
29. Tschiedel1 A., Dias de Paiva R. Uncertainty assessment in hydrodynamic modeling of floods generated by dam break // Revista Brasileira de Recursos Hídricos Brazilian Journal of Water Resources Versão. 2018. V. 23. E. 30. P. 1-17.
30. Visser P.J. Breach growth in sand-dikes. 1998. 173 p.
31. Visser, P.J., Vrijling, J.K., Verhagen, H.J. A Field Experiment on Breach Growth in Sand-Dikes // Proc. 22nd Int. Conf. Coastal Eng., Delft, The Netherlands. 1991. P. 2087-2100.
32. Wang F., Dai Z., Okeke C. A. U., Mitani Y., Yang H. Experimental study to identify premonitory factors of landslide dam failures // Engineering Geology. 2018. Vol. 232. P. 123–134.
33. Zhu Y., Visser P., Vrijling, J. Review on embankment dam breach modeling. // New Developments in Dam Engineering. 2004. P.1189-1196.