WikiDer > Внутренняя эрозия

Internal erosion

Внутренняя эрозия это образование пустот в почве, вызванное удалением материала просачивание.[1] Это вторая по частоте причина отказа в дамбы и одна из основных причин неудач в земляные плотины,[2] ответственны за около половины разрушений плотин насыпей.[3]

Внутренняя эрозия возникает, когда гидравлические силы, создаваемые водой, просачивающейся через поры и трещины материала в плотина и / или Фонд достаточны для отделения частиц и вывода их из конструкции плотины. эрозия особенно опасен, потому что не может быть никаких внешних доказательств или есть только тонкие доказательства того, что это имеет место. Обычно песок кипятить можно найти, но фурункул может быть скрыт под водой. Плотина может прорваться в течение нескольких часов после того, как станут очевидными признаки внутренней эрозии.

Трубопровод - это связанное с этим явление, которое определяется как прогрессирующее развитие внутренней эрозии из-за просачивания, проявляющееся ниже по потоку как отверстие, выпускающее воду.[4] Трубопровод вызван регрессивной эрозией частиц вниз по потоку и вдоль линии выше по потоку к внешней среде до тех пор, пока не образуется непрерывная труба.[5][6]

Внутренняя эрозия и процесс трубопровода

Согласно Международная комиссия по крупным плотинам (ICOLD) существует четыре основных вида отказа для внутренней эрозии набережные плотин и их основы:[7]

  • Сквозь набережная
  • Через фундамент
  • Набережная в фундамент
  • Связан со сквозными проникающими структурами

Процесс внутренней эрозии проходит в четыре этапа: начало эрозии, развитие трубы, нестабильность поверхности и, наконец, начало эрозии. нарушение. Внутренняя эрозия также подразделяется на четыре типа, в зависимости от пути разрушения, того, как эрозия возникает и развивается, и ее местоположения:

  • Концентрированная утечка: просачивающаяся вода разъедает и увеличивает трещину, пока не произойдет прорыв. Трещина может не продвинуться к выходу (хотя разрушение все еще возможно), но в конечном итоге продолжающаяся эрозия образует трубу или провал.
  • Обратная эрозия: инициируется в точке выхода пути фильтрации, этот тип эрозии возникает, когда гидравлический градиент достаточно высок, чтобы вызвать отделение и перенос частиц; труба образуется в обратном направлении от точки выхода до разрыва.
  • Суффузия: встречается в почвах с широким диапазоном размеров частиц. Более мелкие частицы почвы размываются через пустоты между более крупными частицами. Почвы, подверженные суффозии, называются внутренне нестабильными. Суффузия может происходить только в том случае, если объем, занимаемый более мелкими частицами, меньше доступного пустого пространства между крупными частицами.
  • Контактная эрозия почвы: явление, называемое листовым потоком, происходит на границе раздела между крупными и мелкими почвами. Вода просачивается вдоль границы раздела двух почв, размывая частицы из более тонкого слоя в более крупный слой.

Концентрированная утечка

Концентрированные утечки возникают при образовании трещин в почве. Трещины должны быть ниже уровня резервуара, а давление воды необходимо для поддержания открытой трубы. Поток воды может вызвать набухание сторон трубы, закрытие ее и, таким образом, ограничение эрозии.[7] Кроме того, если грунту не хватает сцепления, чтобы поддерживать трещину, трещина разрушится, и концентрированная эрозия утечки не перейдет в разрыв.[8] Трещины, допускающие концентрированные утечки, могут возникать из-за многих факторов, в том числе:

  • Поперечно-долинный свод, приводящий к вертикальным напряжениям по бокам плотины
  • Арка сердцевины на обочинах набережной
  • Дифференциальная осадка (разница выше 0,2%, образование трещин почти наверняка)
  • Мелкие неровности во время обработки керна (например, из-за плохого уплотнения)
  • Трещины и щели, прилегающие к водосбросы или же опорные стены или вокруг каналов
  • Различные факторы окружающей среды, такие как высыхание, расчет во время землетрясения, замораживание, животное норы, растительность / корни.

Продольные трещины возникают из-за расширения насыпи, в то время как поперечные отверстия, которые встречаются гораздо чаще, возникают из-за вертикальной осадки плотины. Гидравлическое напряжение сдвига τc, необходимое для инициирования концентрированной эрозии утечки, можно оценить с помощью лабораторных испытаний, таких как испытание на эрозию отверстия (HET).[9]

Обратная эрозия

Эта висячая долина была создана стремительным обратная эрозия валунных глиняных скал.

Обратная эрозия часто встречается в непластичных почвах, таких как мелкие пески. Это может произойти в песчаном фундаменте, внутри плотины или дамбы, или в коффердамах при высоком давлении паводка во время строительства, вызывая разрушение на поверхности ниже по течению. Обратная эрозия чаще всего проявляется наличием песок кипит на нижнем течении плотин. Эксперименты Селлмейера и его сотрудников показали, что обратная эрозия начинается в щели в пластах, которые перекрывают эродирующую почву (например, в результате раскопок или дренажных канав).[10][11] а затем переходить к большему количеству труб меньшего размера (менее 2 мм в высоту), а не к одной. Стабильность труб зависит от напора, и как только он превышает критическое значение (0,3-0,5 длины пути потока), канал расширяется вверх по потоку. Помимо этого, при любом напоре, превышающем критическое значение, эрозия прогрессирует до тех пор, пока в конечном итоге трубы не прорвутся к резервуару, расположенному выше по потоку, после чего произойдет разрыв. Чтобы произошла обратная эрозия, дамба или тело дамбы должны образовывать и поддерживать «крышу» трубы.

Суффузия

Суффузия возникает, когда вода протекает через крупнозернистые или с разрывом, несвязные почвы.[7] Более мелкие частицы переносятся просачиванием, а крупные частицы несут большую часть эффективного напряжения.[12] Вымывание может происходить только в том случае, если мелкие частицы почвы достаточно малы, чтобы проходить между крупными частицами и не заполняют пустоты в более крупной почве. Скорость потока воды также должна быть достаточной для переноса этих мелких частиц.

Наполнение приводит к повышенной проницаемости в керне насыпи, увеличению скорости фильтрации и, возможно, трещинам гидроразрыва. Это также может привести к урегулированию[13] если это произойдет в основании плотины. Почвы, подверженные суффозии, также подвержены влиянию сегрегация. Подход Кенни-Лау - известный метод анализа суффузии, который использует гранулометрический состав для оценки внутренней стабильности почвы, которая напрямую влияет на вероятность возникновения суффузии.[нужна цитата]

Контактная эрозия почвы

Контактная эрозия почвы происходит, когда пластовой поток (поток воды, параллельный границе раздела) размывает мелкую почву при контакте с крупной почвой.[7] Контактная эрозия во многом зависит от скорости потока, которая должна быть достаточной для отделения и переноса более мелких частиц, а также от того, чтобы более мелкие частицы почвы могли проходить через поры в крупном слое. Когда начинается контактная эрозия, образуется полость, что снижает напряжение. Затем крыша полости обрушивается; Свернувшийся материал уносится, образуя большую полость. Процесс продолжается до образования карстовой воронки. Полость может не разрушиться; это приведет к возникновению обратной эрозии.

Контактная эрозия почвы может происходить между любым зернистым слоем и более мелкой почвой, такой как ил-гравий, и часто приводит к потере стабильности, увеличению порового давления и засорению проницаемого слоя. Экспериментальные результаты показывают, что близко к геометрическому пределу точка, в которой мелкие частицы могут просто пройди между крупными частицами (критерий фильтрации) гораздо более вероятно возникновение эрозии и выход из строя.

Профилактика с помощью фильтров

Прервать процесс внутренней эрозии можно с помощью фильтры. Фильтры улавливают эродированные частицы, при этом позволяя просачиваться, и обычно они более крупные и проницаемые, чем фильтрованная почва. Тип необходимого фильтра и его расположение зависят от того, какие зоны плотины наиболее подвержены внутренней эрозии. Согласно нормативам, фильтры должны удовлетворять пяти условиям:[14]

  • Удержание: фильтр должен ограничивать или прерывать перенос эродированных частиц почвы.
  • Самофильтрация: также определяется как стабильность, фильтр должен быть внутренне стабильным.
  • Нет сплоченности: фильтр не должен иметь возможность сохранять трещины или способность цемент.
  • Дренаж: фильтр должен быть достаточно проницаемым для снижения давления воды.
  • Сила: фильтр должен быть способен передавать напряжения внутри дамбы, не подвергаясь раздавливанию.

Рекомендации

  1. ^ Глоссарий по мелиорации, Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации
  2. ^ Прогресс в оценке внутренней эрозии, на britishdams.org
  3. ^ Fell, R .; MacGregor, P .; Stapledon, D .; Bell, G .; Фостер, М. (2014). «Глава 8: Внутренняя эрозия и обвязка дамб насыпей и оснований плотин». Геотехническое проектирование плотин (2-е изд.). CRC Press / Balkema. п. 375. ISBN 978-1-13800008-7.
  4. ^ ICOLD GIGB, Словарь ICOLD
  5. ^ Развитие условий эрозии трубопроводов в районе Бенсон, Аризона, США.
  6. ^ Масштабный закон эрозии трубопроводов
  7. ^ а б c d «Внутренняя эрозия существующих плотин, дамб и дамб и их оснований». 1: Процессы внутренней эрозии и инженерная оценка (Бюллетень 164). Париж: Международная комиссия по большим плотинам. 2013. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  8. ^ Vaughan, P.R .; Соареш, Х.Ф. (1982). «Проектирование фильтров для глиняных кернов плотин». Журнал геотехнического отдела. 108: 17–32.
  9. ^ Wan, C.F .; Фелл, Р. (2004). «Исследование скорости эрозии почв насыпных дамб». Журнал геотехнической и геоэкологической инженерии. 130 (4): 373–380. Дои:10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (2004) 130: 4 (373).
  10. ^ Селлмейер, Дж. Б. (1988). «О механизме прокладки трубопроводов под непроницаемые конструкции» (Кандидатская диссертация). TU Delft, Делфт. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  11. ^ Koenders, M.A .; Селлмейер, Дж. Б. (1991). «Математическая модель трубопроводов». Прикладное математическое моделирование. Суррей, Делфт. 12 (11–12): 646–651. Дои:10.1016 / S0307-904X (09) 81011-1.
  12. ^ Skempton, A.W .; Броган, Дж. М. (1994). «Эксперименты по прокладке труб в песчаном гравии». Геотехника (на английском и французском языках). 44 (3): 449–460. Дои:10.1680 / geot.1994.44.3.449.
  13. ^ Fannin, R.J .; Сленген, П. (2014). «О различных явлениях суффузии и суффозии». Письма Géotechnique (на английском и французском языках). 4 (4): 289–294. Дои:10.1680 / geolett.14.00051.
  14. ^ «Насыпные дамбы, гранулированные фильтры и водостоки» (Бюллетень 95). Париж: Международная комиссия по большим плотинам. 1994 г. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)