Θραύση Χωµάτινου Φράγµατος
9
Ολοκληρω µένη ∆ιαχείριση Υδατικών Πόρων 161 Θραύση Χωµάτινου Φράγµατος Κ . Β. ΜΠΕΛΛΟΣ Αναπλ . Καθηγητής ∆.Π.Θ. Περίληψη Αυτή η εργασία αφορά στην ανάλυση του φαινο µένου της θραύσεως ενός χω µάτινου φράγ µατος και στη διόδευση του πλη µµυρικού κύ µατος που προκύπτει από τη θραύση. Ειδικότερα γίνεται ανάλυση του φαινο µένου της µερικής καταστροφής του φράγ µατος και της επίδρασής του στη µορφή του δη µιουργού µενου πλη µµυρικού κύ µατος . Στη συνέχεια γίνεται ανάλυση της διόδευσης του κύ µατος αυτού στην κατάντη περιοχή µε σκοπό τον προσδιορισ µό της περιοχής κατάκλυσης , ώστε να είναι δυνατόν να ληφθούν τα απαραίτητα µέτρα για την προστασία της περιοχής αυτής από µια ενδεχό µενη αστοχία του φράγ µατος . Abstract This research work concerns the analysis of embankment dam break and flood wave routing downstream. Especially, the partial breach of the dam and the correspon ding flood wave formation are investigated . Then, the flood wave routing downstream is analyzed and finally, the prevention measures, which have to be taken in order to protect the downstream areas from the floodin g conseque nces are ex amined. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα φράγµατα είναι εν γένει κατασκευές εγκάρσιες ως προς τη ροή ενός ποταµού και έχουν ως σκοπό την αποθήκευση νερού. Η αποθήκευση αυτή του νερού εξυπηρετεί πολλαπλούς σκοπούς όπως η ύδρευση, η άρδευση, η παραγωγή ενέργειας η αντιπληµµ υρική προστασία κ .ά. Τα φράγµατα που κατασκευάζονται τα τελευταία χρόνια ανήκουν βασικά σε δύο κατηγορίες , στα άκαµπτα φράγµατα (βαρύτητας σκυροδέ µατος, RCC, τοξωτά, λιθόκτιστα κ .ά.) και στα εύκαµπτα (χωµάτινα, λιθόρριπτα κ .ά). Τα άκαµπτα φράγµατα αποτελούνται από έναν άκαµπτο όγκο αδρανούς υλικού, συνήθως σκυρο- δέµατος, των οποίων η στατική λειτουργία στηρίζεται στο ίδιον βάρος τους, εκτός της περίπτωσης των τοξοτών φραγµάτων. Το κύριο χαρακτηριστικό των εύκαµπτων φραγµάτων είναι ένας κεντρικός αδιαπέρατος πυρήνας και αδρανές υλικό κάλυψης και στήριξης του πυρήνα. Τα εύκαµπτα φράγµατα έχουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα έναντι των άκαµπτων όπως α) η χρήση υλικών κατασκευής που εξάγονται από την περιοχή κατασκευής και β) η ανθεκτικότητα σε διαφορικές καθιζήσεις της θεµελίωσης . Αντίστοιχα όµως έχουν δύο σηµαντικά µειονεκτήµατα έναντι των άκαµπτων φραγµάτων: α) την ευπάθειά τους και µεγάλη πιθανότητα καταστροφής τους σε περίπτωση υπερπήδησης και β) την πιθανότητα καταστροφής τους λόγω εσωτερικής διάβρωσης που οφείλεται στη «διασωλή- νωση» (piping). Η καταστροφή ενός φράγµατος δηµιουργεί γενικά ένα πληµµ υρικό κύµα µε καταστρεπτικές συνέπειες στην κατάντη περιοχή. Ειδικότερα, στην καταστροφή ενός χωµάτινου φράγµατος, το πληµµ υρικό κύµα µεταφέρει και µεγάλες ποσότητες φερτών υλικών από διαβρώσεις των πρανών αλλά και τα ίδια υλικά κατασκευής του φράγµατος. Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι η ανάλυση του φαινοµένου της θραύσεως ενός χωµάτινου φράγµατος, ο υπολογισµός του πληµµ υρικού κύµατος που θα δηµιουργηθεί ως συνέπεια της θραύσης και της διόδευσης του κύµατος αυτού στην κατάντη περιοχή του φράγµατος. 2. ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ∆ΡΟΜΗ Η επίλυση του προβλήµατος της πιθανής θραύσης ενός χωµάτινου φράγµατος αποθηκεύσεως νερού και του υπολογισµού της διόδευσης του πληµµ υρικού κύµατος που προκύπτει , έχει µεγάλο θεωρητικό και πρακτικό ενδιαφέρον και απασχόλησε και απασχολεί ακόµη πολλούς ερευνητές . Κατ` αρχήν η κατάρρευση ενός φράγµατος δεν είναι δυνατόν να γίνει στιγµιαία αλλά απαιτεί κάποιο χρόνο. Η διαδικασία καταστροφής καθώς και το µέγεθος και είδος του σχηµατιζόµενου ανοίγµατος είναι ένα δυναµικό φαινόµενο και εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως τα υλικά κατασκευής του φράγµατος, η διαδικασία συµπύκνωσης των υλικών, το αίτιο έναρξης της καταστροφής που µπορεί να είναι υπερπήδηση του φράγµατος ή εσωτερική διάβρωση οφειλόµενη στη διασωλήνωση κ .ά. Επειδή το πληµµ υρικό κύµα που προκύπτει εξαρτάται από τον τρόπο καταστροφής , πολλοί ερευνητές προσπάθησαν να εξοµοιώσουν τη διαδικασία αυτή.
description
Ολοκληρωμένη Διαχείριση Υδατικών Πόρων
Transcript of Θραύση Χωµάτινου Φράγµατος
-
161
. . . ...
. . , . Abstract
This research work concerns the analysis of embankment dam break and flood wave routing downstream. Especially, the partial breach of the dam and the corresponding flood wave formation are investigated. Then, the flood wave routing downstream is analyzed and finally, the prevention measures, which have to be taken in order to protect the downstream areas from the flooding consequences are examined. 1.
. , , .. , ( , RCC, , ..) (, .).
, -, , .
. )
) . :
)
) - (piping).
. , , .
, . 2.
, .
` . , , .. , .
-
, 162
Cristofano [7], . , .
Harris and Wagner [17] Schoklitsch [25] .
, Ponce and Tsivoglou [20] Meyer-Peter and Mller .
Fread [12], , Meyer-Peter and Mller . Manning .
Singh and Quiroga [23], Wurbs [30] ..
, , , .
, [22].
Schoklitsch [25] Dressler [9]. WES (West Experiment Station) U.S. Corps of Engineers [29]. Miller and Chaudhry [19], Towson and Salihi [27], Bellos et al. [5], Francarollo and Toro [11], Austria and Patino [2], Aurelli et al. [1] ..
, , .
. , , .
, Vasiliev [28], Fread [13], Bellos and Sakkas [3], Bellos et al. [4], Fennema and Chaudhry [10] .
Di Monaco and Molinaro [8], Katopodes [18], ..
FLDWAV. .
3.
. . b t0. [16], 43 5 m 87 m (6 5 m 30 m), :
25.0)(80.20 drhVb = (1)
9.0
47.0
0 72.4d
r
hVt = (2)
b (m), t0 (h), Vr (. ..), hd (m), .
(Fread, 1988):
5.25.1 ))(tan(2)(3 bbib hhahhbQ += (3) Qb , bi , h
-
163
, hb , t0, .
. (3) , cv, 0.60 , . (3) :
])(2)(3[ 5.25.1 bbisvb hhmhhbkcQ += (4) cv = , m = (/) ks = (back water effect) ht. ks :
3]67.0[8.270.1 =
b
bts hh
hhk (5)
67.0
b
bt
hhhh , ks = 1.0
bi hb . (4) :
)/( 0ttbbi = 00 tt < (6) )/)(( 0tthhhh bmddb = (7)
hbm = , , , t = = 1 - 4.
. , . , , . , , . :
) )
.
) .
) () , , , .. Manning.
, SaintVenant :
0=+
qtA
xQ
(8)
0)()/(2
=++
+
fSxhgA
xAQ
tQ (9)
Q , h , , x , t , q , ( ) Sf .
Sf . (2) Manning :
3/42
2
RQQn
S f = (10) R=/P (P = ). 4.
Saint Venant (. (8) (9)), , , x t, , h Q. , . . (8) (9) .
. , (explicit) (implicit) . Courant (C.F.L. criterion), :
-
, 164
cVxt
= (11)
V = Q/A = BgAc /=
. Lax-Wendroff Mac-Cormack [4,10,26].
, , . Beam-Warning, Preissmann [13,21]. Preissmann DAMBRK, NWS (National Weather Service) FLDWAV. , , (1-), ..:
+
= ++++
i
ji
ji
i
ji
ji
xxx1
111 )1( (12)
(2 2) 2 . , , , . 2 2 , Newton Raphson.
5.
, .
120 km2, 62 km2. , , , . 14 , .
,
650 m, 222 m 52 m. 40x106 m3.
FLDWAV NWS (National Weather Service). FLDWAV . . (1), (2) , , , :
t0 = 4.72(38.2350.47 )/(520.9 ) 0.75 :
b = 20.79(38.235x52)0.25 139 m ,
m=1.5, 61 m, 217 m ( 1). , 47 .
, , . 1, 139 m . , . (3) . (1) (2).
- - - - - - - -
1:
40 m 185 m, . 15 , ( 1).
-
165
2.5 , , . 2 , , . 1:
/
[hr]
[m]
[m]
[m3 /s] 1 1.5 170 61 21646 2 1.0 170 61 31980 3 0.75 170 61 40163 4 0.5 170 61 50669 5 0.25 170 61 64443
2: /
[hr]
[m]
[m]
[m3 /s] 1 2.5 185 40 10250 2 1.0 185 40 19790 3 0.25 185 40 28865
2, 3 4 0+ 010, 1+340 10+500 m 1. 3. . , (3) 3, 1+340 0.78 0.78-0.75=0.03 . 1.8 min.
3: /
[h]
[h] +0.01
[h] +1.34
1 1.5 1.5 1.540 2 1.0 1,00 1,020 3 0.75 0.75 0.780 4 0.50 0.50 0.525 5 0.25 0.25 0.291
/
[h]
[h] +5.15
[h] +10.51
1 1.5 1.645 1.755 2 1.0 1.110 1.22 3 0.75 0.875 0.975 4 0.50 0.653 0.773 5 0.25 0.403 0.566
5 6 .
,
, 1+340 m, , , . 6.
. .
. , .
. . , . . FLDWAV.
1. Aureli, F., Mignosa, P. Tomorotti, M., (2000). Numerical
simulation and experimental verification of dam-break flows with shocks, Journal of Hydraulic Research, Vol. 38 (N3), pp. 197-206.
2. Austria, P., Patino, C., (1997). Experimental study of flow resulting from a dam break, Ingeneria Hidraulica en Mexico, 12(1), pp. 65-75.
3. Bellos, C.V., and Sakkas, J.G. (1987). 1-D Dam-break flood-wave propagation on dry bed. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 113(12), 1510-1524.
4. Bellos , C.V., Soulis, J.V., Sakkas, J.G. (1991). Computations of two-dimensional dam-break-induced flows. dvances in Water Resources, Vol 14, 1:31-41.
5. Bellos , C.V.,Soulis, J.V, Sakkas, J.G. (1992). Experimental investigation of two-dimensional dam-break induced flows. Journal of Hydraulic Research., Vol 29, 5:1-17.
6. Bellos C. and Hrissanthou V., (2003). Numerical simulation of morphological changes in rivers and reservoirs, Computers and Mathematics with Applications, Special issue entitled: Num. Meth. in Phys., Chem. and Engineering, Vol 45, 1-3: 453-467.
7. Cristofano,E.A. (1965). Method of computing erosion rate for failure of earthfill dams, United States Bureau of Reclamation, Denver, Colorado.
-
, 166
8. Di Monaco, A., and Molinaro, P., (1982). Finite element solution of the Lagrangian equations unsteady free-surface flows on dry river beds. Finite Elements in Water Resources, K. P. Holz et al., eds., Springer, Berlin, Germany 4.25-4.35.
9. Dressler, R. F. (1954). Comparison of theories and experiments for the hydraulic dam-break wave, Inter. Association of Scientific Hydrology, Publ. . 38, 319-328.
10. Fennema, R.J., and Chaudhry, M.H., (1987). Simulation of one dimensional dam-break flows. Journal of Hydraulic Research, 25(1), 41-51.
11. Fraccarollo, L., Toro, E., (1995). Experimental and computational analysis for two dimensional dam break type problems, Quaderni del Dipartimento, IDR 2/1994, University of Trento, Italia, 47 pages.
12. Fread, D. L. (1984). A breach erosion model for earthen dams, Hydrologic Research Laboratory, National Weather Service, Silver Spring, Maryland.
13. Fread, D. L. (1984). DMBRK: The NWS dam-break flood forecasting model, Office of Hydrology, National Weather Service, Silver Spring, Maryland.
14. Fread, D. L., and Lewis, J.M. (1988). FLDWAV: A generalizated flood rooting mode, Proceedings of National Conference on Hydraulic Engineering, Colorado Springs, Colorado.148.
15. Fread, D. L., and Lewis, J.M. (1993). NWS FLDWAV Model: The replacement of DAMBRK for dam break flood prediction, Proceedings: 10th Annual Conference of the Association of State Dam Safety Officials, Inc., Kansas City, Missouri, pp. 177-184.
16. Froehlich, D.C. (1995). Embankment-dam breach parameters revisited, Proceedings of the First International Conferences on Water Resources Engineering, ASCE, San Antonio, August, pp. 887-891.
17. Haris, G.W., and Wagner, D.A., (1967). Outflow from breached earth dams. University of Utah, Salt Lake City, Utah.
18. Katopodes, N.D., (1984). A dissipative Galerkin scheme for open-channel flow. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 110(4), 450-466.
19. Miller, S. and Chaudry, ., (1989). Dam-break flows in curved channel, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vl. 115(11).
20. Ponce,V.M. and Tsivoglou, A.J. (1981). Modeling of gradual dam breaches, Journal of Hydraulic Division, ASCE, 107, HY6, June, pp. 829-838.
21. Preismann A., (1961). Propagation des intou-mescences dans les canaux et reviers. First Congress of the French Ass. for Computation, Grenoble, Sept. 14-16. Procc., A.F.C.A.L., 433-442.
22. Ritter, ., (1892). Die Fortplanzung der Wasserwellen, Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure,36(33), 947-954.
23. Singh, V., and Quiroga, C. (1987). A dam breach erosion model: I Formulation. Water Resources Management, Vol I(3), pp. 177-197.
24. Singh, V., and Quiroga, C. (1987). A dam breach erosion model: II Application. Water Resources Management, Vol I(3), pp. 199-221.
25. Schoklitsch, A., (1917). Uber Dammbruchewellen, Sitzung-Berichte der k. Akademie der Wissenschaften, Vienna, Austria,126(lla), 1489-1514.
26. Terzidis, G. and Strelkoff, Th., (1970). Compu-tation of open-channel surges and shocks. Journal of Hydraulics Division, ASCE, Vol. 96, N HY12, pp 2581-2610.
27. Townson, J. . and Al-Salihi, . ., (1989). Models of dam-break flow in "R- " space, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vl. 115(5),1989.
28. Vasiliev, O.F., (1970). Numerical solution of the nonlinear problems of unsteady flows in open channels. Proc. 2nd Int. Conference on Numerical Methods in Fluid Dynamics, Berkeley, California.
29. WES (Water Experiment Station), (1960). Floods resulting from suddenly breached dams, Misc. Paper . 2-374, Report 1: Conditions of low resistance, Report 2: Conditions of high resistance, U.S. Army Corps of Engineers, Vicksburg, Mississippi.
30. Wurbs, R. (1987). Dam-breach wave models, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 113, No 1, January, pp. 29-46.
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
(hr)
(m^3
/s)
t=1.5hr t=1hr t=0.75 hr t=0.5hr t=0.25hr
2: 0+010 m
-
167
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
(hr)
(m
^3/s
)
t =1.5hr t=1 hr t=0.75 h r t=0 .5hr t=0.25 hr
3: 1+340 m
0
10000
20000
30000
40000
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
(hr)
(m^3
/s)
t=1.5hr t=1hr t=0.75 hr t=0.5hr t=0.25hr
4: 10+500 m
-
, 168
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
(Km )
(m
^3/s
)
t=1.5HR t=1HR t=0.75HR t=0.5hr t=0.25 hr
5:
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
(Km)
(m)
t=1.5 HR t=1t=0.75HR t=0.5 hr t=0.25 hr
6: . . , . . . , , 671 00 . . 25410-79613. E-mail: [email protected].
