Фильтрация дамбы верхнего бассейна гидроаккумулирующей станции

Введение. Грунтовые плотины и дамбы из мелкозернистых грунтов являются распространенными сооружениями. Их широкое использование в гидротехническом строительстве объясняется экономичностью вследствие применения местных материалов. Часто в таких конструкциях используются глинистые грунты как для укладки в призмы плотины, так и для устройства противофильтрационных элементов. Однако укладка глинистого грунта сопряжена с некоторыми ограничениями, связанными с климатическими условиями строительства. Это сказывается на времени строительства и в конечном итоге — на стоимости сооружения. Рассмотрена возможность замены части глинистого грунта дамбы на песчаный грунт, укладка которого не зависит в такой степени от погодных условий. Такая замена требует дополнительной проверки сооружения с точки зрения ее фильтрационной работоспособности. Проведено исследование фильтрационного режима дамбы бассейна гидроаккумулирующей станции (ГАЭС), возведенной с использованием всепогодной технологии укладки грунта. Рассматривались ограждающая дамба бассейна ГАЭС из смешанных грунтов на нескальном основании высотой 32,0 м, заложением верхового откоса 1:6,0, низового откоса — 1:3,5; 9 вариантов конструкции с различными конструктивными элементами.

Материалы и методы. Расчеты фильтрации грунтовой плотины для установившегося и неустановившегося режимов плотины проведены численным методом конечных элементов в локально-вариационной постановке с помощью программного комплекса FILTR.

Результаты. Для рассмотренных вариантов конструкции земляной дабы получены параметры фильтрационного потока: положение депрессионной кривой, величины фильтрационного расхода и градиента. Сделаны рекомендации по выбору конструкции.

Выводы. Исследования показали, что возможно использовать смешанный грунт, укладываемый по всепогодной технологии, в призмах грунтовой дамбы вместо части глинистого грунта при их послойной укладке. Фильтрационный режим сооружения совместно с основанием при этом не вызывает опасения.

1. Adamo N., Al-Ansari N., Sissakian V., Laue J., Knutsson S. Dam safety problems related to seepage // Journal of Earth Sciences and Geotechnical Engineering. 2020. Vol. 10. Issue 6. Pp. 191–239.

2. Fattah M.Y., Omran H.A., Hassan M.A. Behavior of an earth dam during rapid drawdown of water in reservoir — case study // International Journal of Advanced Research. 2015. Vol. 3. Issue 10. Pp. 110–122.

3. López-Acosta N.P., Sánchez M.A., Pereira J. Soil solution, G. Auvinet J.-M. Pereira. Assessment of exit hydraulic gradients at the toe of levees in water drawdown conditions // Scour and Erosion. 2014. Pp. 171–181. DOI: 10.1201/b17703-21

4. Stark T.D., Jafari N.H., Zhindon J.S.L., Baghdady A. Unsaturated and transient seepage analysis of San Luis dam // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2017. Vol. 143. Issue 2. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001602

5. Vandenberge D.R. Total stress rapid drawdown analysis of the pilarcitos dam failure using the finite element method // Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2014. Vol. 8. Issue 2. Pp. 115–123. DOI: 10.1007/s11709-014-0249-7

6. Беллендир Е.Н., Ивашинцов Д.А., Стефанишин Д.В. и др. Вероятностные методы оценки надежности грунтовых гидротехнических сооружений. Т. 1. СПб. : ОАО ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2003.

7. Aniskin N.A., Sergeev S.A. The effect of draw-off on filtration regime of earth-fill dam // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2022. Vol. 18. Issue 1. Pp. 40–50. DOI: 10.22337/2587-9618-2022-18-1-40-50

8. Banichuk N.V., Makeev E.V. Variational method for non-classical problems of mechanics with constraints based on finite elements approximations and local variations // PNRPU Mechanics Bulletin. 2017. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.3.03

9. Черноусько Ф.Л. Метод локальных вариаций для численного решения вариационных задач // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. T. 5. № 4. C. 749–754. EDN VRTIIV.

10. Развитие исследований по теории фильтрации в СССР. М. : Наука, 1969. 545 с.

11. Шестаков В.М. Определение гидродинамических сил в земляных сооружениях и откосах при падении уровней в бьефах // Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений : сб. ВОДГЕО. 1956. № 2.

12. Muskat M. The flow of homogeneous fluids through porous media. New York : McGraw-Hill Book Company, 1937. 763 p.

13. Анахаев К.Н. О фильтрационном расчете перемычки // Математическое моделирование. 2011. Т. 23. № 2. С. 148–158. EDN RXPMLV.

14. Петриченко М.Р., Заборова Д.Д., Котов Е.В., Мусорина Т.А. Слабые решения предельных задач Крокко // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2018. Т. 11. № 3. С. 27–38. DOI: 10.18721/JPM.11303. EDN VBMEZB.

15. Chapman T.G., Dressler R.F. Unsteady shallow groundwater flow over a curved impermeable boundary // Water Resources Research. 1984. Vol. 20. Issue 10. Pp. 1427–1434. DOI: 10.1029/WR020i010p01427

16. Okeke A.C.U., Wang F. Critical hydraulic gradients for seepage-induced failure of landslide dams // Geoenvironmental Disasters. 2016. Vol. 3. Issue 1. DOI: 10.1186/s40677-016-0043-z

17. Vandenberge D.R. Total stress rapid drawdown analysis of the pilarcitos dam failure using the finite element method // Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2014. Vol. 8. Issue 2. Pp. 115–123. DOI: 10.1007/s11709-014-0249-7

18. Billstein M. Development of a numerical model of flow through embankment dams. Department of Environmental Engineering. Lulea University of Technology, Lulea, Sweden, 1998. P. 59.

19. Yuan S., Zhong H. Three dimensional analysis of unconfined seepage in earth dams by the weak form quadrature element method // Journal of Hydrology. 2016. Vol. 533. Pp. 403–411. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2015.12.034

20. Yang J., Yin Z.Y., Laouafa F., Hicher P.Y. Modeling coupled erosion and filtration of fine particles in granular media // Acta Geotechnica. 2019. Vol. 14. Issue 6. Pp. 1615–1627. DOI: 10.1007/s11440-019-00808-8

21. Al-Labban S. Seepage and stability analysis of the earth dams under drawdown conditions by using the finite element method // Electronic Theses and Dissertations. 2018. P. 6157. URL: https://stars.library.ucf.edu/etd/6157

22. Hu S., Zhou X., Luo Y., Zhang G. Numerical simulation three-dimensional nonlinear seepage in a pumped-storage power station: case study // Energies. 2019. Vol. 12. Issue 1. P. 180. DOI: 10.3390/en12010180

23. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media // Water Resources Research. 1976. Vol. 12. Issue 3. Pp. 513–522. DOI: 10.1029/WR012i003p00513

24. Van Genuchten M.T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils // Soil Science Society of America Journal. 1980. Vol. 44. Issue 5. Pp. 892–898. DOI: 10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x

25. Kosugi K. General model for unsaturated hydraulic conductivity for soils with lognormal pore-size distribution // Soil Science Society of America Journal. 1999. Vol. 63. Issue 2. Pp. 270–277. DOI: 10.2136/sssaj1999.03615995006300020003x