Экспериментальные исследования процесса разрушения грунтовых плотин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Экспериментальные исследования процесса разрушения грунтовых плотин

К.Р. Пономарчук, А.М. Прудовский ОАО Научно-исследовательский институт энергетических сооружений, г. Москва, Россия

В настоящее время особое внимание уделяется экологии территорий, прилегающих к возводимым и действующим гидротехническим сооружениям, а также безопасной эксплуатации этих объектов.

Разрушение напорного фронта гидроузлов является одним из самых опасных случаев аварий при работе гидротехнических сооружений, приводящих к существенным экономическим, экологическим и социальным последствиям, а также влияющих в значительной степени на экологию нижнего бьефа гидроузлов. На основании статистических данных на 15 тыс. больших плотин, существующих в мире, в среднем происходило 1,5 случая разрушений в год, то есть вероятность размыва плотины составляет приблизительно 10-4 случая в год.

От точности предсказания гидрографа излива зависит надежность прогноза параметров волны излива (изменение во времени глубины потока, скоростей течения и т.д.) в различных областях затопления, сведения о которых необходимы для выбора размещения хозяйственных объектов, разработки противопаводковых мероприятий, составления плана действий в случаях прорыва, оценки последствий прохождения волны прорыва и последующей экологической ситуации, страхования подпорных сооружений и т.д.

Наиболее распространенным случаем прорыва напорного фронта является образование прорана в грунтовой плотине (до 80% произошедших аварий). При производстве оценок волн прорыва, особенно выполненных в предыдущие годы, вводилось предположение о мгновенном достижении конечных размеров прорана и в грунтовой плотине. Однако такое предположение заведомо неверно и оно не предоставляет возможности проведения эвакуационных работ из зоны вероятного затопления и других мероприятий, направленных на уменьшение ущерба в результате аварии. Результаты оценок развития проранов в грунтовых плотинах при реальных авариях свидетельствуют о том, что даже при относительно небольших размерах водохранилищ время развития прорана измеряется часами. Для приемлемого расчета волны прорыва, образующейся при формировании прорана в грунтовой плотине, необходимо оценить развитие прорана во времени. Вместе с тем, в настоящее время имеются более-менее надежные методы расчета только интегральных характеристик прорана (суммарный объем выноса грунта или конечная ширина прорана, максимальный расход излива, время стабилизации прорана). Имеющиеся методы определения процесса развития прорана часто заведомо неверны и дают противоречивые результаты.

В связи с тем, что образование проранов в грунтовых плотинах является наиболее часто встречающейся причиной прорыва напорного фронта гидроузлов, а надежных методов оценки развития таких проранов в настоящее время не имеется, в данной работе, посвященной образованию проранов в плотинах, основное место уделено формированию проранов в грунтовых плотинах. Важность решения задачи о развитии прорана в грунтовой плотине возрастает в связи с все более часто встречающимся использованием грунтовых «плавких вставок», являющихся аварийными водосбросами. Процесс смыва тела «плавкой вставки» не отличается в принципе от процесса формирования прорана в грунтовой плотине.

В отличие от бетонных и железобетонных плотин, процесс образования прорана в грунтовой плотине нельзя полагать даже приближенно мгновенным. Гидрограф излива через проран в грунтовой плотине зависит от развития прорана в течение относительно длительного периода времени. Таким образом, вопрос о формировании прорана при переменных внешних факторах (в частности уровнях воды в верхнем и нижнем бьефах), является вопросом первостепенной важности при изучении условий, складывающихся при прорыве напорного фронта. В связи с этим изучению процесса формирования прорана в грунтовой плотине уделяется существенное внимание в ряде исследований.

Для решения указанного вопроса выполнен определенный объем экспериментальных исследований. При этом производились лабораторные исследования, в том числе в составе физического моделирования прорывных паводков, полевые исследования с использованием крупных насыпей, лабораторные и полевые исследования плавких вставок, исследования устойчивости откосов дамбы при переливе через ее гребень.

В связи со сложностью и многофакторностью процессов, происходящих при прорыве грунтовых плотин, и трудностями их воспроизведения, физическое моделирование этого процесса для конкретного объекта представляется недостаточно надежным. В последние годы большое внимание уделяется численному моделированию формирования прорана и излива воды через него. Попытки создания полной пространственной математической модели прорыва вследствие упомянутой многофакторности процесса и недостаточной изученности составляющих его явлений пока не дали положительных результатов. В связи с этим численное моделирование в выполненных до настоящего времени работах базируется на упрощенных системах математических моделей, включающих в себя эмпирические (или полуэмпирические) зависимости. Результаты такого моделирования нужно полагать сугубо приближенными.

Предлагаемые математические модели развития прорана обычно состоят из зависимости для пропускной способности прорана, уравнения неразрывности потока, связи объема воды в водохранилище с уровнем воды в нем и зависимости интенсивности выноса грунта из прорана от гидравлических и геометрических параметров.

В большинстве предлагаемых моделей формирования прорана для определения эрозии используются известные зависимости транспортирующей способности потока от его скорости или касательного напряжения, полученные, строго говоря, для размыва дна равномерного потока. Вместе с тем, процесс развития прорана, особенно на второй стадии его формирования, происходит в основном за счет квантованного обрушения его откосов, и применение упомянутых выше формул в данном случае неправомерно.

Проведенный анализ гидрографов излива, построенных с использованием различных моделей, показал, что прогнозы излива через проран, определенные разными предложенными методами, принципиально отличаются друг от друга, что указывает на незавершенность решения рассматриваемой проблемы и актуальность дальнейшей работы с целью разработки методов прогноза формирования проранов в грунтовых плотинах.

В связи с этим A.M. Прудовским было предложено для определения интенсивности расширения прорана применить эмпирическую зависимость, полученную на основании обработки результатов лабораторных опытов, выполненных в гидравлической лаборатории Научно-исследовательского института энергетических сооружений при изучении смыва однородных «плавких вставок». Эта зависимость имеет следующий вид

проран плотина гидрограф авария

, (1)

где , а индексом обозначены величины, относящиеся к моменту формирования прорана; - площадь поперечного сечения плотины между ее гребнем и дном прорана; - разность уровней воды в верхнем бьефе и дна прорана (действующий напор на проране).

К сожалению, использованные при нахождении зависимости данные получены при относительно небольшом диапазоне изменения величины , и, хотя расчеты указали на достаточно хорошее соответствие интегральных характеристик проранов, полученных численным моделированием, натурным данным, надежность данной зависимости вызывает некоторые сомнения.

Изложенные обстоятельства явились причиной постановки исследований, направленных на изучение процесса прорыва грунтовых плотин и усовершенствование методики приближенного прогноза формирования прорана во времени.

Задачами выполненного исследования явились следующие.

1. Качественное описание процесса развития прорана в теле грунтовой плотины.

2. Построение математической модели формирования прорана.

3. Определение зависимости для интенсивности расширения прорана во времени.

4. Оценка полученной экспериментальной зависимости для интенсивности расширения прорана по имеющимся данным о реальных прорывах грунтовых плотин.

5. Составление программы расчета процесса формирования прорана и, в первую очередь, гидрографа излива воды через проран.

Экспериментальная установка, использованная в исследовании, представляла собой гидравлический лоток длиной 23,82 м, шириной 3,48 м и глубиной 0,9 м. Вода подавалась из системы питания лаборатории через трубу в голову лотка. В голове лотка был установлен сливной лотковый водослив, обеспечивающий сброс воды для поддержания уровня в верхнем бьефе модели плотины при превышении расхода воды, подаваемой на установку, пропускной способности прорана. Сливные лотки устанавливали таким образом, чтобы избежать перелива воды через гребень плотины. В конце лотка был установлен щелевой расходомер для определения расхода воды через проран (без учета аккумуляции воды в нижнем бьефе модели плотины). Уровни воды выше и ниже плотины определялись лимниграфами.

Модель грунтовой плотины устанавливалась в средней части лотка на горизонтальном бетонном пороге, устроенном с целью избежания подтопления прорана мерным водосливом. Модели плотин изготовлялись из кварцевого песка двух составов: однородного мелкозернистого песка со средней крупностью 0,15 мм и разнородного среднезернистого песка со средней крупностью 0,22 мм. Сечение модели плотины принималось трапецеидальным, высотой 60, 45 и 30 см. В основной части опытов крутизна верхового откоса назначалась, равной 1:3, а низового - 1:2. Ширина гребня модели плотины во всех опытах равнялась 10 см. Таким образом, в опытах определялось изменение во времени следующих величин: уровней воды в бьефах модели плотины, расхода излива через проран, размеров прорана.

Начало развития прорана инициировалось начальной прорезью в гребне модели плотины, размещаемой либо в центре плотины по оси лотка, либо у его боковой стенки.

Качественно процесс развития прорана в плотине, имеющей однородный состав, по результатам визуальных наблюдений (в тех случаях, когда образование прорана связано с переливом воды через гребень), протекает следующим образом.

На участке начального перелива снос грунта начинается на низовой грани, где имеет место кривая спада потока, на уровне перехода к равномерному течению.

После инициации разрушения крепления размыв тела плотины распространяется вверх по течению, в сторону гребня, при этом на низовом откосе образуется ложбина. При пересечении этой ложбиной гребня плотины, вследствие увеличения действующего напора и ширины прорана, происходит увеличение расхода истечения через проран. При углублении врезки переливающегося потока в тело плотины боковые откосы прорана теряют устойчивость, и развитие прорана происходит как за счет смыва грунта с обтекаемых поверхностей, так и за счет обрушения откосов прорана. Описанная первая стадия формирования прорана заканчивается при достижении дном прорана основания плотины поперек всей ее подошвы.

На второй стадии формирования прорана происходит его боковое расширение. Расширение связано с квантованным обрушивается боковых откосов прорана. Масса грунта по трещине, пересекающей тело плотины, обрушается в проран, причем часть ее во взвешенном состоянии сносится потоком в нижний бьеф, а другая оседает у основания откоса, обеспечивая на некоторое время его устойчивость. Постепенно грунт у основания потока сносится изливающимся потоком, и откос снова теряет устойчивость.

В процессе развития прорана, вследствие опорожнения водохранилища, уровень воды в верхнем бьефе падает (действующий напор на проране уменьшается). При опреде-ленном сочетании действующего напора и ширины прорана, расход истечения достигает максимума. Затем вследствие падения напора расход уменьшается, и интенсивность расширения прорана снижается. Расширение прорана прекращается либо при опорожнении водохранилища, либо при достижении значений скоростей потока в проране у его откосов,которые не приводят к размыванию грунта.

По итогам проведенных опытов были построены графики изменения во времени ширины прорана , которые наглядно показали ступенчатый характер изменения этой величины во времени, связанный с квантованным обрушением откосов прорана. При отсутствии препятствий для бокового расширения проран развивался симметрично относительно начальной прорези.

Изменения во времени интенсивности расширения прорана имели явно выраженный максимум в начале процесса, соответствующий началу второй его стадии. На этой стадии развития ширина прорана, если не учитывать скачков, связанных с обрушением откосов, плавно асимптотически приближалась к конечному значению.

На основании теории размерностей и исходя из условия минимального отклонения расчетной ширины прорана от экспериментальных данных была получена следующая зависимость для интенсивности развития прорана

. (2)

При сопоставлении экспериментальных зависимостей с натурными данными выяснилось, что большинство точек, соответствующих расчетам, смещено в одну сторону от биссектрисы: расчеты дают значения , большие, чем соответствующие значения в натуре. Причинами данного факта можно предположить как весьма ограниченные сведения о максимальном расходе излива в натуре (пригодные для сравнения), так и то обстоятельство, что экспериментальные зависимости получены для однородных плотин из несвязного грунта, а в большинстве реальных плотин имеются противофильтрационные элементы, снижающие интенсивность размыва тела плотины. Статистическая обработка свидетельствует о том, что наиболее вероятно завышение расчетных значений в 1,7 раза.

Если полагать, что структура зависимости для интенсивности расширения прорана в реальных грунтовых плотинах такая же, как полученная в экспериментах, то приближения расчетных значений к соответствующим значениям этой величины в натуре можно достичь выбором соответствующего значения в формуле (2). В результате расчетов получено, что минимальное среднеквадратичное отклонение разности имеет место при , то есть натурным данным в среднем соответствует зависимость

(3)

Очевидно, что гидрограф излива через проран, рассчитанный с использованием зависимости (2) и соответствующий грунтовой плотине с однородным строением, определяет более интенсивный, чем в реальных условиях, излив воды (большее значение , меньшее время между началом излива и моментом прохождения максимального расхода, меньшее время опорожнения водохранилища). Из этого можно заключить, что использование зависимости (2) дает определенный запас в оценке условий в бьефах плотины при ее прорыве (большее колебание уровней воды, большие скорости потока, большие площади затопления и т.д.). Более реальна оценка с использованием зависимости (3), хотя она получена с использованием весьма ограниченного объема натурных данных и, очевидно, нуждается в уточнении.

Имея в виду очевидную неопределенность величин, характеризующих развитие проранов в натуре, которые использованы в разработанной методике, и приближенность подходов, использованных при составлении методики, результаты расчетов с ее использованием следует считать приближенными. Однако можно полагать, что результаты применения предлагаемой методики определения гидрографов излива через проран в грунтовой плотине в большинстве случаев ближе к натуре, чем результаты расчетов с использованием ранее предложенных методов, так как предложенная методика основана на данных систематических экспериментов и проверена по данным о реально имевших место прорывах плотин.

Программа расчета параметров развития прорана по разработанной методике включена в общую программу расчета прорывного паводка.

Выводы

В результате выполненной работы представлена новая методика развития прорана в земляной плотине, основанная на эмпирической зависимости интенсивности выноса материала с ботов прорана.

При этом произведен сбор данных об имевших место в мировой гидротехнической практике случаях прорыва земляных плотин и на основании этих данных предложены эмпирические связи для интегральных характеристик образовавшихся проранов.

С использованием результатов экспериментальных исследований составлена приближенная модель процесса развития прорана и излива воды через него, позволяющая в первом приближении оценить гидрограф излива, сведения о котором необходимы для оценки параметров волны излива.

Размещено на Allbest.ru