Особенности проявления гидравлического разрыва в грунтовых плотинах

Введение. В настоящее время в условиях изменения климата феномен необычных дождей и наводнений вызывает широкомасштабные наводнения и приводит к большим потерям людей и имущества. Наиболее уязвимыми сооружениями являются плотины и водохранилища. Прорыв плотины может привести к катастрофе, угрожающей жизни людей и социально-экономической деятельности. Существует много причин разрушения плотины, из которых гидравлический разрыв (ГР) считается одной из наиболее вероятных, поскольку он вызывает сосредоточенную фильтрацию, приводящую к риску разрушения плотины. Гидравлический разрыв — это процесс, при котором трещины образуются в грунте или камне, а затем распространяются под давлением воды. Гидравлический разрыв привлекает внимание ученых. Цель исследования — синтез мнений ученых на сегодняшний день о явлении гидроразрыва и методах его предотвращения в земляных плотинах.

Материалы и методы. Проанализированы литературные источники, в которых рассматривается ГР.

Результаты. Гидравлический разрыв тесно связан с явлениями неравномерной осадки грунтов плотины и строительных конструкций. В грунтовых плотинах неравномерная осадка часто возникает в зонах между насыпным грунтом плотины и бортовыми массивами створа плотины; насыпным грунтом и бетонными конструкциями, такими как водопропускные трубы и водосбросы, фундаментные элементы конструкций; водонепроницаемым ядром плотины и примыкающими к нему зонами грунта. На основе анализа причин возникновения ГР некоторые исследователи предложили меры по снижению риска его возникновения.

Выводы. Гидравлический разрыв — образование трещин и полостей в грунтовом массиве, которые способствуют формированию путей сосредоточенной фильтрации. Появление ГР увеличивает вероятность нестабильности фильтрации в плотине, что влияет на безопасность плотины и может привести к серьезному повреждению. Внедрение методов предотвращения ГР важно для обеспечения безопасных условий работы плотины.

1. Lehner B., Döll P., Alcamo J., Henrichs T., Kaspar F. Estimating the impact of global change on flood and drought risks in Europe: a continental, integrated analysis // Climatic Change. 2006. Vol. 75. Issue 3. Pp. 273–299. DOI: 10.1007/s10584-006-6338-4

2. Салямова К.Д., Ахмедов М.А. Статистический анализ повреждений и разрушений грунтовых плотин // Инновационные пути решения актуальных проблем природопользования и защиты окружающей среды : сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 2018. С. 104–113. EDN YNUXAD.

3. Гельфер А.А. Причины и формы разрушения гидротехнических сооружений. Л. ; М. : Онти, 1936. 320 c.

4. Городниченко В.О. Изучение рисков разрушения плотины // Аллея науки. 2019. Т. 1. № 9 (36). С. 102–105. EDN JBHDPR.

5. Sherard J.L. Hydraulic fracturing in embankment dams // Journal of Geotechnical Engineering. 1986. Vol. 112. Issue 10. Pp. 905–927. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1986)112:10(905)

6. Ngambi S., Nakano R., Shimizu H., Nishimura S. Cause of leakage along the outlet conduit underneath a low fill dam with special reference to hydraulic fracturing // Rural and Environment Engineering. 1998. Vol. 1998. Issue 35. Pp. 35–46. DOI: 10.11408/jierp1996.1998.35_35

7. Mhach H.K. An experimental study of hydraulic fracture and erosion : doctoral thesis. City University London, 1999.

8. Маннанов И.И., Гарипова Л.И. Влияние фильтрационных параметров пласта на дополнительную добычу нефти при кислотном гидроразрыве // Территория Нефтегаз. 2015. № 12. С. 124–127. EDN VOLPFD.

9. Ng K.L., Small J.C. A case study of hydraulic fracturing using finite element methods // Canadian Geotechnical Journal. 1999. Vol. 36. Issue 5. Pp. 861–875. DOI: 10.1139/t99-049

10. Lofquist B. Discussion on cracking in earth dams // Proceedings of the 4th international conference of soil mechanics and foundation engineering. London UK, 1957. Pp. 261–262.

11. Torblaa I., Kjoernsli B. Leakage through horizontal cracks in the core of Hyttejuvet Dam. Norwegian Geotechnical Institute, 1968. Vol. 80. Pp. 39–47.

12. Vaughan P.R. Cracking of embankment dam cores and the design of filters for their protection // Lecture given in Madrid and published in the Bulletin of Sociedad Espanola de Mechanica del Suelo Y Cimentaciones. 1976.

13. Sherard J.L. Embankment dam cracking // Hirschfeld, R. C. and Poulos, S. J., Eds., Embankment-Dam Engineering (Casagrande Volume). John Wiley, New York, 1973. Pp. 324–328.

14. Leonards G.A., Davidson L.W. Reconsideration of failure initiating mechanisms for Teton dam // International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. 1984. Vol. 31.

15. Mesri G., Ali.S. Discussion of “Hydraulic Fracturing in Embankment Dams” by James L. Sherard (October, 1986, Vol. 112, No. 10) // Journal of Geotechnical Engineering. 1988. Vol. 114. Issue 6. Pp. 742–746. DOI: 10.1061/(asce)0733-9410(1988)114:6(742)

16. Zhu J., Ji E., Wen Y., Zhang H. Elastic-plastic solution and experimental study on critical water pressure inducing hydraulic fracturing in soil // Journal of Central South University. 2015. Vol. 22. Issue 11. Pp. 4347–4354. DOI: 10.1007/s11771-015-2983-y

17. Casagrande A. Notes on the design of earth dams. Harvard University, Department of Engineering, 1951.

18. He K., Fell R., Song C. Transverse cracking in embankment dams resulting from cross-valley differential settlements // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2022. Vol. 26. Issue 3. Pp. 995–1021. DOI: 10.1080/19648189.2019.1691663

19. Bui H., Fell R., Song C. Two and three dimensional numerical modeling of the potential for cracking of embankment dams during construction. Sydney, Australia, 2004. 123 p.

20. He K., Song C., Fell R. Assessing potential cracking zones in embankment dams. Southern Cross University, Lismore, NSW, 2014. Pp. 721–726.

21. Kobayashi N., Mochida J., Sumida Y., Yoshitake Y. Evaluation of arching action generated in the backfill between outlet conduit and existing embankment // Transactions of the Japanese Society of Irrigation, Drainage and Rural Engineering. 2012. Vol. 80. Pp. 223–230.

22. Narita K. Design and construction of embankment dams. Department of Civil Engineering, Aichi Institute of Technology, 2000.

23. Foster M., Fell R., Spannagle M. The statistics of embankment dam failures and accidents // Canadian Geotechnical Journal. 2000. Vol. 37. Issue 5. Pp. 1000–1024. DOI: 10.1139/t00-030

24. Stematiu D. Dam safety management. Bucureresti Conspress, 2009.

25. Charles J.A. Delivering benefits through evidence: lessons from historical dam incidents. Project. Environment Agency, Horizon House, ыDeanery Road, Bristol, 2011.

26. Sherard J.L. Trends and debatable aspects in embankment dam engineering // Embankment Dams, ASCE. 1992. Pp. 416–422.

27. Ngambi S., Shimizu H., Nishimura S., Nakano R. A fracture mechanics approach to the mechanism of hydraulic fracturing in fill dams // Transactions of the Japanese Society of Irrigation, Drainage and Reclamation Engineering (Japan). 1998. Vol. 195. Pp. 47–58.

28. Tran D.Q. Effects of culvert shapes on potential risk of hydraulic fracturing adjacent to culverts in embankment dams // International Journal of GEOMATE. 2018. Vol. 16. Issue 52. DOI: 10.21660/2018.52.20934

29. Tran D.Q. Research on cause of dam failure from viewpoint of hydraulic fracturing — case study of a dam failure in Vietnam // International Journal of GEOMATE. 2018. Vol. 14. Issue 41. DOI: 10.21660/2018.41.57454