Анализ фильтрации через земляную плотину с диафрагмой на непроницаемом основании с помощью программы PLAXIS 2D

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

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. 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.

1. Гарелина 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.

2. 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.2018.01.028

3. Ахметов 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.

4. 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/s13369-021-06112-6

5. Sjödahl 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-y

6. Liu 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.753.290

7. Wang 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.2022.11.060

8. Li 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.1943-5622.0001664

9. Саинов М.П., Кудрявцев Г.М. Расчетное исследование фильтрационной прочности скального основания плотины Кандаджи // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 24–29. EDN OWEBLR.

10. 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)

11. 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.

12. 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-2-3-8

13. 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.

14. 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.

15. 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.1

16. Abhilasha 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.

17. 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/su12062490

18. 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. Vol. 1. Issue 7.

19. 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.13.4.486

20. Рассказов 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.