Experimental study of the mechanical properties of the downstream wedge of a low-pressure dam under conditions of rising flood water levels

Abstract


The article presents experimental studies of the mechanical properties of the downstream wedge of a low-pressure dam under conditions of a rapid increase in the level of flood waters, since ensuring the stability of the slope of bulk hydraulic structures during increasing natural and man-made disasters, taking into account changes in climatic and seismic conditions, is a paramount task for specialists in design and operating organizations of the water management complex. Currently, despite the increased interest in landslide factors, there is still insufficient information on how the size of drainage devices located in the downstream wedge of a low-pressure dam can affect the stability of its slope in the event of a rapid drawdown of the flood water level. In order to analyze the influence of the size of the drainage devices of a low-pressure dam on the stability of its slope with a possible drawdown of the level, numerical studies were carried out in a flat setting. The performed mathematical modeling made it possible to assess the stability of the dam slope due to the rapid drawdown of the flood water level and to determine the effect of the drainage size of the low-pressure dam. An analysis of the simulation results showed that in the scenario of a rapid drawdown of the water level in the river after passing the flood peak, the stability of the slope of the low-pressure dam facing the river decreases. The pore pressure in the upstream of the embankment decreases with the increase in the size of the drainage of the downstream wedge, while it increases in the downstream. With an increase in the size of the drainage, the values of the slope stability coefficient increase. The factors identified in the process of mathematical modeling that affect the stability of the dam depending on the length of the drainage in the downstream wedge area of the low-pressure dam can be used for predictive purposes to assess their reliability.

Full Text

Нынешняя мировая цивилизация накопила богатейший опыт строительства грунтовых низконапорных дамб. Земляные дамбы в странах Индии, Китае, на Ближнем Востоке строились еще за 5000 лет до н.э. Вероятно, одна из первых низконапорных дамб построена в Египте за 4000 лет до н.э. Низконапорные дамбы для защиты территорий от затопления строились в Месопотамии [1, 2] за 3000 лет до н.э. Однако первые научно обоснованные подходы к расчету грунтовых низконапорных дамб были предложены только в середине XIX в. [3–5]. К сожалению, на протяжении тысячелетий история эксплуатации грунтовых низконапорных дамб изобиловала катастрофами различного характера и масштаба. При проектировании грунтовых низконапорных дамб особое внимание уделяется вопросам обеспечения устойчивости откосов [6]. Причиной этого является тот факт, что при допущении ошибок в проектировании грунтовой низконапорной дамбы значительно возрастает риск ее разрушения, результатом которого может стать масштабная катастрофа. Дренаж низового клина в составе грунтовой низконапорной дамбы является тем элементом, который требует тщательного изучения на проектно-конструкторских этапах в зависимости от предполагаемых эксплуатационных условий. При проектировании грунтовых низконапорных дамб, в числе многочисленных факторов, фильтрация остается крайне важным параметром, который следует внимательно исследовать и строго контролировать [7, 8]. Внимание к контролю над данной характеристикой обусловлено тем, что чрезмерная фильтрация через тело грунтовой низконапорной дамбы представляет существенную угрозу ее устойчивости и в конечном итоге приводит к ее разрушению. Под действием как гидростатического, так и гидродинамического давления воды возможно расструктуривание грунта тела низконапорной дамбы, что часто приводит к образованию явлений суффозии. Движение грунта, т.е. внутренняя эрозия, вызванная просачиванием, является основной причиной прорыва насыпных гидротехнических сооружений [8]. В этой связи крайне важной является оценка скорости фильтрации воды в теле и основании грунтовой низконапорной дамбы.

About the authors

M. A. Bandurin

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

V. A Volosukhin

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

I. A. Prikhodko

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

A. Yu. Verbitsky

Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin

References

  1. Мониторинг безопасности гидротехнических сооружений низконапорных водохранилищ и обводнительно-оросительных систем / В.А. Волосухин, М.А. Бандурин, Я.В. Волосухин [и др.]; под общ. ред. В.А. Волосухина. - Новочеркасск: ООО "Лик", 2010. - 338 с.
  2. Богомолова О.А. Расчет несущей способности основания двухщелевого ленточного фундамента // Construction and Geotechnics. - 2021. - Т. 12, № 1. - С. 57-71. doi: 10.15593/2224-9826/2021.1.05
  3. Кирейчева Л.В. Дренажные воды как альтернативные водные ресурсы для орошения // Мелиорация и водное хозяйство. - 2018. - № 4. - С. 13-18.
  4. Козлов Д.В., Симонович О.С., Снежко В.Л. Интенсивность отказов низконапорных грунтовых плотин опасного и неудовлетворительного уровня безопасности // Гидротехническое строительство. - 2020. - № 4. - С. 18-24.
  5. Управление водохозяйственными системами / И.Г. Галямина, Т.И. Матвеева, В.Н. Маркин [и др.]. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Мегаполис, 2020. - 127 с.
  6. Мониторинговая оценка низконапорной земляной плотины Варнавинского водохранилища в условиях повышающегося риска природных и техногенных катастроф / М.А. Бандурин, В.А. Волосухин, И.А. Приходько, А.А. Руденко // Construction and Geotechnics. - 2022. - Т. 13, № 4. - C. 17-29. doi: 10.15593/2224-9826/2022.4.02
  7. Коноваленко И.С., Шилько Е.В., Коноваленко И.С. Численное исследование влияния двухуровневой поровой структуры на величину динамической прочности водонасыщенных бетонов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2020. - № 2. - С. 37-51. doi: 10.15593/perm.mech/2020.2.04
  8. Finite element simulation of cracks formation in parabolic flume above fixed service live / M.A. Bandurin, V.A. Volosukhin, A.V. Mikheev [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Tomsk, 4-6 of December, 2017. - Tomsk: Institute of Physics Publishing, 2018. - P. 022010. doi: 10.1088/1757-899X/327/2/022010
  9. Finite-element simulation of possible natural disasters on landfall dams with changes in climate and seismic conditions taken into account / M.A. Bandurin, V.A. Volosukhin, A.V. Mikheev [et al.] // Journal of Physics: Conference Series, Tomsk, 17-20 of January, 2018. - Tomsk, 2018. - P. 032011. doi: 10.1088/1742-6596/1015/3/032011
  10. Finite-element simulation of permissible load on gate elements of water-conveying structures to assess risks of anthropogenic accidents / M.A. Bandurin, V.A. Volosukhin, A.V. Mikheev [et al.] // Journal of Physics: Conference Series, Saint-Petersburg, 17-19 of July, 2018. - Saint-Petersburg: Institute of Physics Publishing, 2018. - P. 012005. doi: 10.1088/1742-6596/1118/1/012005
  11. Ершов В.А. Опыт возведения низконапорных дамб при разработке россыпных месторождений // Горный журнал. - 2005. - № 1. - С. 91.
  12. Богомолова О.А., Жиделев А.В. Расчет устойчивости системы "основание - насыпь" // Construction and Geotechnics. - 2021. - Т. 12, № 4. - С. 19-36. doi: 10.15593/2224-9826/2021.4.02
  13. Нуждин М.Л., Пономарев А.Б. Расчетное обоснование эффективных схем усиления фундаментов мелкого заложения контурным армированием жесткими армоэлементами // Construction and Geotechnics. - 2022. - Т. 13, № 4. - С. 5-16. doi: 10.15593/2224-9826/2022.4.01
  14. Анализ причин появления подземной и атмосферной воды в подвальных помещениях эксплуатируемого здания / А.И. Полищук, Д.А. Чернявский, В.В. Гуменюк, Г.Г. Солонов // Construction and Geotechnics. - 2021. - Т. 12, № 2. - С. 86-96. doi: 10.15593/2224-9826/2021.2.08
  15. Шенкман Р.И., Пономарев А.Б. Метод расчета осадок фундаментов на основании, улучшенном с использованием вертикальных грунтовых элементов в оболочке из геосинтетических материалов // Construction and Geotechnics. - 2020. - Т. 11, № 3. - С. 64-76. doi: 10.15593/2224-9826/2020.3.06
  16. Волков В.И., Снежко В.Л., Козлов Д.В. Прогноз уровня безопасности низконапорных и бесхозяйных гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство. - 2018. - № 11. - С. 35-41.
  17. Accounting for climate change uncertainty in long-term dam risk management /j. Fluixá-Sanmartín, I. Escuder-Bueno, A. Morales-Torres, J.T. Castillo-Rodríguez // Journal of Water Resources Planning and Management - ASCE. - 2021. - Vol. 147, no. 4. 10.1061/(ASCE) WR.1943-5452.0001355. doi: 10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001355
  18. Каганов Г.М., Волков В.И. К оценке состояния низконапорных гидротехнических сооружений при отсутствии проектной документации // Природообустройство. - 2008. - № 3. - С. 41-48.
  19. Stefanyshyn D., Benatov D. Application of a logical-probabilistic method of failure and fault trees for predicting emergency situations at pressure hydraulic facilities (the case of Kakhovka hydroelectric complex) // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. - 2020. - Vol. 4, No. 2-106. - P. 55-69. doi: 10.15587/1729-4061.2020.208467
  20. Yurchenko I.F. Automatization of water distribution control for irrigation // International Journal of Advanced and Applied Sciences. - 2017. - Vol. 4, No 2. - P. 72-77.
  21. Baranov E.V., Gur'yev A.P., Khanov N.V. Recommendations for hydraulic calculations of anti-erosion lining with the use of spatial geogrid with coarse fragmental soil // Power Technology and Engineering. - 2020. - Vol. 53, No 5. - P. 553-556. doi: 10.1007/s10749-020-01115-z
  22. Yurchenko I.F. Information support system designed for technical operation planning of reclamative facilities // Journal of Theoretical and Applied Information Technology. - 2018. - Vol. 96, No 5. - P. 1253-1265.
  23. Косиченко Ю.М. Исследования надежности и безопасности низконапорных гидротехнических сооружений и противофильтрационных облицовок каналов // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2016. - № 2 (62). - С. 95-104.
  24. Курбанов С.О., Созаев А.А., Жемгуразов С.М. Оценка влияния низконапорных водохранилищных гидроузлов на окружающую среду // Инженерный вестник Дона. - 2019. - № 4 (55). - С. 52.
  25. Карпенко Н.П., Юрченко И.Ф. Теоретическое обоснование структуры классификатора критериев безопасности ГТС мелиоративного водохозяйственного комплекса // Природообустройство. - 2015. - № 1. - С. 12-15.
  26. Meliorative institutional environment: The area of state interests / V.N. Shchedrin, S.M. Vasilyev, A.V. Kolganov [et al.] // Espacios. - 2018. - Vol. 39, No 12. - P. 28.
  27. Юрченко И.Ф. Компьютерная технология поддержки решения как фактор реформирования системы эксплуатации в мелиорации России // Природообустройство. - 2008. - № 1. - С. 34-40.
  28. Моторная Л.В., Хаджиди А.Е. Рациональное водопользование и экологическая безопасность оросительных систем // Международный сельскохозяйственный журнал. - 2022. - № 2 (386). - С. 161-164. doi: 10.55186/25876740_2022_65_2_161

Statistics

Views

Abstract - 52

PDF (Russian) - 42

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2023 Bandurin M.A., Volosukhin V.A., Prikhodko I.A., Verbitsky A.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies