mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.2.281-293mgssuvest-191Research ArticleГидравлика. Геотехника. Гидротехническое строительствоHydraulics. Geotechnique. Hydrotechnical constructionАнализ фильтрации через земляную плотину с диафрагмой на непроницаемом основании с помощью программы PLAXIS 2DAnalysis of seepage through an earth dam with a diaphragm on an impermeable foundation using PLAXIS 2Dhttps://orcid.org/0000-0002-6900-2704ОреховГ. В.OrekhovG. V.

Генрих Васильевич Орехов — доктор технических наук, доцент, профессор кафедры гидравлики и гидротехнического строительства

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Genrikh V. Orekhov — Doctor of Technical Science, Associate Professor, Professor of the Department of Hydraulics and Hydraulic Structures

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

OrehovGV@mgsu.ruКыонгЧан МаньManh CuongTran

Чан Мань Кыонг — аспирант кафедры гидравлики и гидротехнического строительства

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

Tran Manh Cuong — postgraduate student of the Department of Hydraulics and Hydraulic Structures

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

cuonghtcs@gmail.comНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation202415032024192281293Copyright © Орехов Г.В., Кыонг Ч., 20242024Орехов Г.В., Кыонг Ч.Orekhov G.V., Manh Cuong T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/191Введение

Введение. В современных условиях изменения климата защита ирригационных сооружений, особенно плотин, является важной задачей. Фильтрация — одна из основных причин разрушения плотин, поэтому требуется исследовать режимы фильтрации и искать решения для предотвращения разрушений сооружений в результате фильтрационных процессов в земляных плотинах. Анализ фильтрационных режимов в теле грунтовых плотин производится с помощью математического моделирования с использованием численных моделей конечных элементов. В качестве объекта исследования принята однородная земляная плотина с несовершенной диафрагмой на непроницаемом основании. Цель исследования — определить влияние относительных параметров: высоты диафрагмы, расположения диафрагмы в теле плотины, их количества. Анализируются влияние параметров диафрагмы на фильтрационный расход, проходящий через тело плотины, и ее скорость.

Материалы и методы

Материалы и методы. Исследование выполнено с помощь численного моделирования в программном комплексе PLAXIS 2D. Модель плотины построена на основе типовых конструктивных решений, применяемых на практике.

Результаты

Результаты. Размещение диафрагмы в теле плотины снижает фильтрационный поток через плотину, а высота диафрагмы обратно пропорциональна расходу фильтрации. Максимальная фильтрационная скорость зафиксирована на верхнем конце диафрагмы, ее величина прямо пропорциональна высоте диафрагмы. При смещении диафрагмы в сторону нижнего бьефа фильтрация несколько уменьшается. Значение максимальной скорости увеличивается при смещении диафрагмы в сторону нижнего бьефа.

Выводы

Выводы. Разрушение плотины из-за фильтрации может привести к серьезному материальному ущербу и гибели людей. Внедрение методов, снижающих фильтрационные расходы и скорость фильтрации, важно для обеспечения безопасных условий работы плотины.

Introduction

Introduction. In the current climate change conditions, the protection of irrigation structures, especially dams, is a very important task. Seepage is one of the main causes of dam failure, so it is very important to investigate the seepage regimes and find solutions to prevent dam failures as a result of the seepage processes in earth dams. In this paper, the analysis of the seepage regimes in the body of earth dams is performed by means of mathematical modelling using numerical finite element models. A homogeneous earth dam with an imperfect diaphragm on an impermeable foundation is taken as the object of study. The purpose of the study is to determine the influence of relative parameters: diaphragm height, diaphragm location in the dam body, their number. In addition, the influence of diaphragm parameters on the seepage flow through the dam body and its velocity is analyzed.

Materials and methods

Materials and methods. The study was carried out with the help of numerical modelling using PLAXIS 2D software. The model of the dam is based on typical design solutions used in practice.

Results

Results. The results of the study show that the placement of the diaphragm in the dam body reduces the seepage flow through the dam and the height of the diaphragm is inversely proportional to the seepage rate. The maximum seepage rate was recorded at the upper end of the diaphragm and its magnitude is directly proportional to the height of the diaphragm. When the diaphragm is displaced towards the downstream side, the filtration rate slightly decreases. The value of maximum velocity increases when the diaphragm is displaced towards the downstream end.

Conclusions

Conclusions. Dam failure due to seepage can result in serious property damage and loss of life. Implementing methods that reduce seepage discharge and seepage velocities is important to ensure safe dam operating conditions

фильтрацияземляная плотинаметод конечных элементовнесовершенная диафрагмаразрушение плотиныфильтрационный расходскорость фильтрацииseepageearthen damfinite element methoddiaphragmdam failureseepage dischargeseepage velocityReferencesГарелина С.А., Давлатшоев С.К., Латышенко К.П., Обиджони Ш.К., Курбонов Н.Б. Повышение безопасности гидротехнических сооружений. Часть 2. На примере водохранилища Нурекской ГЭС на реке Вахш. Химки : АГЗ МЧС России, 2021. 192 с.Garelina S.A., Davlatshoev S.K., Latyshenko K.P., Obidzhoni Sh.K., Kurbonov N.B. Improving the safety of hydraulic structures. Part 2. Using the example of the Nurek hydroelectric power station reservoir on the Vakhsh River. Khimki, AGZ EMERCOM of Russia, 2021; 192. (rus.).Hogeboom R.J., Knook L., Hoekstra A.Y. The blue water footprint of the world’s artificial reservoirs for hydroelectricity, irrigation, residential and industrial water supply, flood protection, fishing and recreation // Advan-ces in Water Resources. 2018. Vol. 113. Pp. 285–294. DOI: 10.1016/j.advwatres.2018.01.028Hogeboom R.J., Knook L., Hoekstra A.Y. The blue water footprint of the world’s artificial reservoirs for hydroelectricity, irrigation, residential and industrial water supply, flood protection, fishing and recreation. Advances in Water Resources. 2018; 113:285-294. DOI: 10.1016/j.advwatres.2018.01.028Ахметов Е.М., Асемов К.М., Жуматаева М.О. Исследование аварий на гидротехнических сооружениях и методы контроля их безопасности // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020. Т. 331. № 4. С. 70–83. DOI: 10.18799/24131830/2020/4/2595. EDN ZOWQSP.Akhmetov Ye.M., Assemov K.M., Zhumataeva M.O. Research of accidents of hydraulic structures and safety control methods. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2020; 331(4):70-83. DOI: 10.18799/24131830/2020/4/2595. EDN ZOWQSP. (rus.).Zhang W., Shen Z., Ren J., Bian J., Xu L., Chen G. Multifield coupling numerical simulation of the seepage and stability of embankment dams on deep overburden layers // Arabian Journal for Science and Engineering. 2022. Vol. 47. Issue 6. Pp. 7293–7308. DOI: 10.1007/s13369-021-06112-6Zhang W., Shen Z., Ren J., Bian J., Xu L., Chen G. Multifield Coupling Numerical Simulation of the Seepage and Stability of Embankment Dams on Deep Overburden Layers. Arabian Journal for Science and Engineering. 2022; 47(6):7293-7308. DOI: 10.1007/s13369-021-06112-6Sjödahl P., Dahlin T., Johansson S. Using the resistivity method for leakage detection in a blind test at the Røssvatn embankment dam test facility in Norway // Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2010. Vol. 69. Issue 4. Pp. 643–658. DOI: 10.1007/s10064-010-0314-ySjödahl P., Dahlin T., Johansson S. Using the resistivity method for leakage detection in a blind test at the Røssvatn embankment dam test facility in Norway. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2010; 69(4):643-658. DOI: 10.1007/s10064-010-0314-yLiu Z.H., Shen Z.Z., Qing W.W., Xiong S.F., Gan L. Anti-seepage evaluation of reinforcement effect for Fengchan earth dam // Key Engineering Materials. 2017. Vol. 753. Pp. 290–294. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.753.290Liu Z.H., Shen Z.Z., Qing W.W., Xiong S.F., Gan L. Anti-seepage evaluation of reinforcement effect for Fengchan earth dam. Key Engineering Materials. 2017; 753:290-294. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.753.290Wang F., Tulamaiti Y., Fang H., Yu X., Zhou C. Seismic response characteristics of polymer anti-seepage wall in earth dam based on earthquake wave motion input method // Structures. 2023. Vol. 47. Pp. 358–373. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.11.060Wang F., Tulamaiti Y., Fang H., Yu X., Zhou C. Seismic response characteristics of polymer anti-seepage wall in earth dam based on earthquake wave motion input method. Structures. 2023; 47:358-373. DOI: 10.1016/j.istruc.2022.11.060Li J., Zhang J., Wang Y., Wang B. Seismic Response of Earth Dam with Innovative Polymer Antiseepage Wall // International Journal of Geomechanics. 2020. Vol. 20. Issue 7. DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001664Li J., Zhang J., Wang Y., Wang B. Seismic response of earth dam with innovative polymer antiseepage wall. International Journal of Geomechanics. 2020; 20(7). DOI: 10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001664Саинов М.П., Кудрявцев Г.М. Расчетное исследование фильтрационной прочности скального основания плотины Кандаджи // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 24–29. EDN OWEBLR.Sainov M.P., Kudryavtsev G.M. Estimated research of filtering strength bedrock of the dam Kandadji. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011; 5:24-29. EDN OWEBLR. (rus.).Fell R., Wan C.F., Cyganiewicz J., Foster M. Time for development of internal erosion and piping in embankment dams // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2003. Vol. 129. Issue 4. Pp. 307–314. DOI: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2003)129:4(307)Fell R., Wan C.F., Cyganiewicz J., Foster M. Time for development of internal erosion and piping in embankment dams. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2003; 129(4):307-314. DOI: 10.1061/(ASCE)1090-0241(2003)129:4(307)Смуров А.В., Балакин А.П. Современные технологии обеспечения безопасности гидротехнических сооружений // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2019. № 1 (10). С. 390–392. EDN BBNRVU.Smurov V., Balakin A.P. Modern technologies to ensure the safety of hydraulic structures. Modern Technologies for Civil Defense and Emergency Response. 2019; 1(10):390-392. EDN BBNRVU. (rus.).Vincent K.K., Muthama M.N., Muoki S.N. Darcy’s law equation with application to underground seepage in earth dams in calculation of the amount of seepage // American Journal of Applied Mathematics and Statistics. 2014. Vol. 2. Issue 3. Pp. 143–149. DOI: 10.12691/ajams-2-3-8Vincent K.K., Muthama M.N., Muoki S.N. Darcy’s Law Equation with Application to Underground Seepage in Earth Dams in Calculation of the Amount of Seepage. American Journal of Applied Mathematics and Statistics. 2014; 2(3):143-149. DOI: 10.12691/ajams-2-3-8Sazzad M.M., Roy M., Rahman M.S. Comparison between numerical and analytical solution of seepage flow through earth dam // 2nd International Conference on Advances in Civil Engineering. 2014.Sazzad M.M., Roy M., Rahman M.S. Comparison between numerical and analytical solution of seepage flow through earth dam. 2nd International Conference on Advances in Civil Engineering. 2014.Abdelgawad H.A.A., Shamaa M. Seepage through earth dams with horizontal filters and founded on impervious foundation (numerical analysis with boundary element method). 2004.Abdelgawad H.A.A., Shamaa M. Seepage through earth dams with horizontal filters and founded on impervious foundation (numerical analysis with boundary element method). 2004.Irzooki R.H. Computation of Seepage through Homogenous Earth Dams with Horizontal Toe Drain // Engineering and Technology Journal. 2016. Vol. 34. Issue 3. Pp. 430–440. DOI: 10.30684/etj.34.3a.1Irzooki R.H. Computation of seepage through homogenous earth dams with horizontal toe drain. Engineering and Technology Journal. 2016; 34(3):430-440. DOI: 10.30684/etj.34.3a.1Abhilasha M., Balan T.G.A. Numerical analysis of seepage in Embankment dams // IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE). 2014. Vol. 4. Pp. 13–23.Abhilasha M., Balan T.G.A. Numerical analysis of seepage in Embankment dams. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE). 2014; 4:13-23.Al-Janabi A.M.S., Ghazali A.H., Ghazaw Y.M., Afan H.A., Al-Ansari N., Yaseen Z.M. Experimental and numerical analysis for earth-fill dam seepage // Sustainability. 2020. Vol. 12. Issue 6. P. 2490. DOI: 10.3390/su12062490Al-Janabi A.M. S., Ghazali A.H., Ghazaw Y.M., Afan H.A., Al-Ansari N., Yaseen Z.M. Experimental and numerical analysis for earth-fill dam seepage. Sustainability. 2020; 12(6):2490. DOI: 10.3390/su12062490Arshad I., Babar M.M. Comparison of SEEP/W simulations with field observations for seepage analysis through an earthen dam (Case study: Hub Dam — Pakistan) // International Journal of Research. 2014. Vol. 1. Issue 7.Arshad I., Babar M.M. Comparison of SEEP/W Simulations with field observations for seepage analysis through an earthen dam (Case Study: Hub Dam — Pakistan). International Journal of Research. 2014; 1(7).Shayan H.K., Tokaldany E.A. Effects of blanket, drains, and cut-off wall on reducing uplift pressure, seepage, and exit gradient under hydraulic structure // International Journal of Civil Engineering. 2015. Vol. 13. Issue 4. Pp. 486–500. DOI: 10.22068/IJCE.13.4.486Shayan H.K., Tokaldany E.A. Effects of blanket, drains, and cut-off wall on reducing uplift pressure, seepage, and exit gradient under hydraulic structure. International Journal of Civil Engineering. 2015; 13(4):486-500. DOI: 10.22068/IJCE.13.4.486Рассказов Л.Н., Орехов В.Г., Анискин Н.А., Малаханов В.В., Бестужева А.С., Саинов М.П. и др. Гидротехнические сооружения. Часть 1 : учебник. М., 2008. 576 с.Rasskazov L.N., Orekhov V.G., Aniskin N.A., Malakhanov V.V., Bestuzheva A.S., Sainov M.P. et al. Hydraulic structures. Part 1 : textbook. Moscow, 2008; 576. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.