Устойчивость откоса грунтовой плотины при сработке водохранилища

Введение.

Одним из возможных факторов, действующих на устойчивость откосов грунтовой плотины, является изменение уровней воды водохранилища или нижнего бьефа. Опасным случаем может быть быстрая сработка водохранилища, связанная, например, с аварийной ситуацией или технологической необходимостью. Приводятся примеры обрушения откосов грунтовых плотин, вызванных изменением уровня воды в водохранилище; а также результаты оценки влияния сработки водохранилища на устойчивость верхового откоса. Рассматривалась однородная ограждающая дамба из суглинка на нескальном основании высотой 29 м, заложением верхового и низового откосов 1:3,5. Исследования проводились для двух случаев сработки: медленной со скоростью снижения отметки воды по вертикали v = 0,25 м/сут, быстрой (аварийной) со скоростью v = 4,4 м/сут.

Материалы и методы.

Расчеты фильтрации грунтовой плотины для установившегося и неустановившегося режимов и оценка устойчивости откоса плотины проведены численным методом конечных элементов с использованием программного комплекса PLAXIS. Дается постановка исследований и теоретические основы, заложенные в расчеты фильтрации и устойчивости откосов.

Результаты.

Исследования показали, что при снижении уровня воды водохранилища с большой скоростью возрастает опасность нарушения устойчивости откоса.

Выводы.

В соответствии с практикой проектирования выполнена оценка изменения коэффициента устойчивости верхового откоса однородной грунтовой ограждающей дамбы с учетом снижения уровня воды в водохранилище и фильтрационных сил неустановившейся фильтрации. Рассмотрены варианты с разными скоростями сработки. Установлено, что при большой скорости сработки коэффициент устойчивости откоса уменьшается. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости учета фильтрационных сил неустановившейся фильтрации в оценке устойчивости откосов при проектировании однородных плотин из малопроницаемых грунтов.

1. Cedergren H.R. Seepage, drainage, and flow nets. 2nd Edition. John Wiley & Sons, Inc. New York - London - Sidney -Toronto, 1977.

2. Reddi L.N. Seepage in Soils: Principles and Applications. Hoboken (NJ) : John Wiley & Sons, 2003.

3. Полубаринова-Кочина П.Я. О неустановившихся движениях грунтовых вод // Доклады Академии наук СССР. 1950. Т. 75. № 3.

4. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. М. : Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952.

5. 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

6. Alonso E.E., Pinyol N.M. Numerical analysis of rapid drawdown: Applications in real cases // Water Science and Engineering. 2016. Vol. 9. Issue 3. Pp. 175-182. DOI: 10.1016/j.wse.2016.11.003

7. 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

8. Berilgen M.M. Investigation of stability of slopes under drawdown conditions // Computers and Geotechnics. 2007. Vol. 34. Issue 2. Pp. 81-91. DOI: 10.1016/j.compgeo.2006.10.004

9. Zomorodian A., Abodollahzadeh S.M. Effect of Horizontal Drains on Upstream Slope Stability during Rapid Drawdown Condition // International Journal of Geology. 2010. Vol. 4. Issue 4. Pp. 85-90.

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

11. Развитие исследований по теории фильтрации в СССР / отв. ред. П.Я. Полубаринова-Кочина. М. : Наука, 1969. 545 с.

12. Muskat M. The Seepage of Water Through Dams with Vertical Faces // Physics. 1935. Vol. 6. Issue 12. Pp. 402-415. DOI: 10.1063/1.1745284

13. Шестаков В.М. Некоторые вопросы моделирования неустановившейся фильтрации // Вопросы фильтрационных расчетов гидротехнических сооружений. 1956. № 2.

14. Аравин В.И., Мошкова М.А. Исследование на щелевом лотке влияния формы водоупора при неустановившейся фильтрации // Известия ВНИИГ. 1964. Т. 76.

15. Биндеман Н.Н. Гидрогеологические расчеты подпора грунтовых вод и фильтрации из водохранилищ. М. : Углетехиздат, 1951. 72 с.

16. Веригин Н.Н. О течениях грунтовых вод при местной усиленной инфильтрации // Доклады Академии наук СССР. 1950. Т. 70. № 5.

17. Шестаков В.М. Фильтрационный расчет земляных плотин и перемычек при колебании бьефов // Гидротехническое строительство. 1953. № 7. С. 36-39.

18. Шестаков В.М. Расчет кривых депрессии в земляных плотинах и дамбах при понижении горизонта водохранилища // Гидротехническое строительство. 1954. № 4. С. 32-36.

19. Reinius E. The stability of the upstream slope of earth dams. Stockholm, 1948.

20. Brahma S.P., Harr M.E. Transient development of the free surface in a homogeneous earth dam // Geotechnique. 1962. Vol. 12. Issue 4. Pp. 283-302. DOI: 10.1680/geot.1962.12.4.283

21. Lane P.A., Griffiths D.V. Assessment of stability of slopes under drawdown conditions // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2000. Vol. 126. Issue 5. Pp. 443-450. DOI: 10.1061/(asce)1090-0241(2000)126:5(443)

22. Aniskin N.A., Antonov A.S. Development geo-seepage models for solving seepage problems of large dam’s foundations, on an example of ANSYS Mechanical APDL // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 1079-1080. Pp. 198-201. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.1079-1080.198

23. 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.

24. Анискин Н.А. Неустановившаяся фильтрация в грунтовых плотинах и основаниях // Вестник МГСУ. 2009. № 2. С. 70-79.