Vnitřní eroze - Internal erosion

Vnitřní eroze je tvorba dutin v půdě způsobená odstraněním materiálu pomocí prosakování.[1] Jedná se o druhou nejčastější příčinu selhání v hráze a jednou z hlavních příčin poruch v zemní přehrady,[2] zodpovědný za přibližně polovinu selhání hráze hráze.[3]

K vnitřní erozi dochází, když hydraulické síly vyvíjené vodou prosakující póry a prasklinami materiálu v přehrada a / nebo nadace jsou dostatečné k oddělení částic a jejich transportu ze struktury přehrady eroze je obzvláště nebezpečný, protože nemusí existovat žádné vnější důkazy nebo jen důkazy, že k němu dochází. Obvykle a písek vařit lze najít, ale var se může skrývat pod vodou. Přehrada se může rozbít během několika hodin poté, co jsou zřejmé důkazy o vnitřní erozi.

Potrubí je související jev a je definován jako postupný vývoj vnitřní eroze prosakováním, která se jeví po proudu jako díra odvádějící vodu.[4] Potrubí je indukováno regresivní erozí částic z proudu a podél potrubí proti směru toku do vnějšího prostředí, dokud nevznikne souvislá trubka.[5][6]

Vnitřní eroze a proces potrubí

Podle Mezinárodní komise pro velké přehrady (ICOLD), existují čtyři obecné režimy selhání pro vnitřní erozi nábřeží přehrady a jejich základy:[7]

  • Skrz nábřeží
  • Prostřednictvím nadace
  • Nábřeží do základu
  • Spojeno s prostupujícími strukturami

Proces vnitřní eroze probíhá ve čtyřech fázích: zahájení eroze, postup vytvoření potrubí, povrchová nestabilita a nakonec iniciace porušení. Interní eroze je také klasifikována do čtyř typů, v závislosti na cestě selhání, jak eroze iniciuje a postupuje a na jejím umístění:

  • Koncentrovaný únik: prosakující voda eroduje a zvětšuje trhlinu, dokud nedojde k porušení. Trhlina nemusí postupovat k východu (i když selhání je stále možné), ale nakonec pokračující eroze vytvoří potrubí nebo závrt.
  • Zpětná eroze: zahájeno v místě výstupu průsakové cesty, k tomuto typu eroze dochází, když je hydraulický gradient dostatečně vysoký, aby způsobil oddělení a transport částic; od výstupního bodu se tvoří trubka dozadu až do porušení.
  • Zalití: vyskytuje se v půdách s širokým rozsahem velikostí částic. Jemnější částice půdy jsou erodovány dutinami mezi hrubšími částicemi. Půdy náchylné k sebevraždě se nazývají vnitřně nestabilní. K nasycení může dojít pouze v případě, že objem obsazený jemnějšími částicemi je menší než dostupný prázdný prostor mezi hrubými částicemi.
  • Eroze kontaktů s půdou: fenomén zvaný listový tok se vyskytuje na rozhraní mezi hrubou a jemnou půdou. Voda prosakuje podél rozhraní mezi dvěma půdami a eroduje částice z jemnější vrstvy do hrubší vrstvy.

Koncentrovaný únik

Koncentrované netěsnosti nastanou, když se v půdě vytvoří trhliny. Trhliny musí být pod úrovní nádrže a pro udržení otevřené trubky musí být přítomen tlak vody. Je možné, že tok vody způsobí bobtnání stran potrubí, uzavře jej a tím omezí erozi.[7] Navíc, pokud půda postrádá dostatečnou soudržnost pro udržení trhliny, trhlina se zhroutí a koncentrovaná eroze úniku nebude postupovat k porušení.[8] Praskliny, které umožňují koncentrované netěsnosti, mohou vzniknout v důsledku mnoha faktorů, včetně:

  • Klenba napříč údolím, která vede ke svislým napětím po stranách hráze
  • Vyklenutí jádra na ramenou nábřeží
  • Diferenční vyrovnání (nad 0,2% rozdíl, tvorba trhlin je téměř jistá)
  • Malé nepravidelnosti během ošetření jádra (např. Kvůli špatnému zhutnění)
  • Praskliny a mezery sousedící s přelivy nebo opěrné zdi nebo kolem potrubí
  • Různé faktory prostředí jako vysušení, vypořádání během zemětřesení, zmrazení, zvíře nory, vegetace / kořeny.

Podélné trhliny vznikají rozšířením násypu, zatímco příčné otvory, které jsou mnohem častější, jsou způsobeny svislým usazením hráze. Hydraulické smykové napětí τc potřebné k zahájení koncentrované eroze úniku lze odhadnout pomocí laboratorních zkoušek, jako je zkouška eroze díry (HET).[9]

Zpětná eroze

Toto visuté údolí bylo vytvořeno rapidem zpětná eroze z balvanitých hliněných útesů.

Zpětná eroze často se vyskytuje v neplastických půdách, jako jsou jemné písky. Může se vyskytovat v písečných základech, uvnitř přehrady nebo hráze, nebo v koferdamech pod vysokými povodňovými tlaky během výstavby, což způsobí rozpletení na spodní straně. Zpětná eroze je nejčastěji projevována přítomností písek vaří na spodní straně přehrad. Experimenty od Sellmeijera a spolupracovníků ukázaly, že zpětná eroze začíná ve štěrbině skrz vrstvy, které překrývají erodující půdu (např. Výkopy nebo odvodňovacími příkopy)[10][11] a poté postupovat v mnoha menších trubkách (na výšku méně než 2 mm) než v jedné. Stabilita potrubí je závislá na hlavě a jakmile je větší než kritická hodnota (0,3-0,5 délky průtokové cesty), kanál se rozprostírá proti proudu. Kromě toho při jakékoli výšce větší, než je kritická hodnota, eroze postupuje, až nakonec potrubí prorazí k předřazené nádrži, kde dojde k porušení. Aby došlo k zpětné erozi, musí se těleso hráze nebo hráze vytvořit a udržovat „střechu“ potrubí.

Zalití

Zalití nastává, když voda protéká široce odstupňovanou nebo odstupňované, soudržné půdy.[7] Jemnější částice jsou transportovány prosakováním a hrubé částice nesou většinu účinného napětí.[12] K nasycení může dojít pouze za předpokladu, že jemné částice půdy jsou dostatečně malé, aby prošly mezi hrubými částicemi a nevyplňovaly dutiny v hrubší půdě. K transportu těchto jemných částic musí být také dostatečná rychlost proudění vody.

Plnění vede ke zvýšené propustnosti jádra násypu, větším rychlostem prosakování a případně hydraulickým zlomům. Může to také vést k urovnání[13] pokud k němu dojde v základu přehrady. Půdy podléhající nadměrnému zatěžování bývají také ovlivňovány segregace. Kenney-Lauův přístup je proslulá metoda pro analýzu sycení, která využívá rozdělení velikosti částic k hodnocení vnitřní stability půdy, což přímo ovlivňuje pravděpodobnost výskytu sycení.[Citace je zapotřebí ]

Eroze kontaktů s půdou

Eroze kontaktů s půdou nastává, když tok listu (tok vody rovnoběžně s rozhraním) eroduje jemnou půdu při kontaktu s hrubou půdou.[7] Kontaktní eroze je do značné míry závislá na rychlosti proudění, která musí být dostatečná k oddělení a transportu jemnějších částic, jakož i jemnějších částic půdy schopných procházet póry v hrubé vrstvě. Když je zahájena kontaktní eroze, vytvoří se dutina, což vede ke snížení stresu. Střecha dutiny se poté zhroutí; složený materiál je transportován pryč, což vede k větší dutině. Proces pokračuje až do vytvoření závrtu. Je možné, že se dutina nezhroutí; to povede k zpětné erozi.

K erozi kontaktu s půdou může dojít mezi jakoukoli zrnitou vrstvou a jemnější půdou, jako je bahno-štěrk, a často vede ke ztrátě stability, zvýšení tlaku pórů a ucpání propustné vrstvy. Experimentální výsledky ukazují, že blízko geometrického limitu, bodu, ve kterém mohou jemné částice jen projdi mezi hrubými částicemi (kritérium filtru) je mnohem pravděpodobnější iniciace a selhání eroze.

Prevence pomocí filtrů

Proces vnitřní eroze je možné přerušit použitím filtry. Filtry zachycují erodované částice, přičemž stále umožňují prosakování, a jsou obvykle hrubší a propustnější než filtrovaná půda. Typ požadovaného filtru a jeho umístění závisí na tom, které zóny hráze jsou nejvíce náchylné k vnitřní erozi. Podle regulace musí filtry splňovat pět podmínek:[14]

  • Zadržení: filtr musí omezit nebo přerušit transport erodovaných částic půdy.
  • Vlastní filtrace: definováno také jako stabilita, filtr musí být interně stabilní.
  • Žádná soudržnost: filtr nesmí mít schopnost udržovat praskliny nebo schopnost cement.
  • Drenáž: filtr musí být dostatečně propustný, aby umožňoval rozptýlení tlaku vody.
  • Síla: filtr musí být schopen přenášet napětí uvnitř hráze, aniž by byl rozdrcen.

Reference

  1. ^ Glosář rekultivací, americké ministerstvo vnitra, Úřad pro rekultivace
  2. ^ Pokrok v hodnocení vnitřní eroze, na britishdams.org
  3. ^ Fell, R .; MacGregor, P .; Stapledon, D .; Bell, G .; Foster, M. (2014). „Kapitola 8: Vnitřní eroze a potrubí hráze náspu a v základech přehrady“. Geotechnické inženýrství přehrad (2. vyd.). CRC Press / Balkema. p. 375. ISBN  978-1-13800008-7.
  4. ^ ICOLD GIGB, slovník ICOLD
  5. ^ Vývoj podmínek eroze potrubí v oblasti Benson, Arizona, USA
  6. ^ Zákon o změně měřítka eroze potrubí
  7. ^ A b C d „Vnitřní eroze existujících přehrad, hráze a hráze a jejich základy“. 1: Procesy vnitřní eroze a technické hodnocení (Bulletin 164). Paříž: Mezinárodní komise pro velké přehrady. 2013. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  8. ^ Vaughan, P.R .; Soares, H.F. (1982). "Návrh filtrů pro hliněné jádra přehrad". Journal of the Geotechnical Division. 108: 17–32.
  9. ^ Wan, C.F .; Fell, R. (2004). "Vyšetřování rychlosti eroze půd v nábřežních přehradách". Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 130 (4): 373–380. doi:10.1061 / (ASCE) 1090-0241 (2004) 130: 4 (373).
  10. ^ Sellmeijer, J. B. (1988). „O mechanismu potrubí pod nepropustnými strukturami“ (Disertační práce). TU Delft, Delft. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  11. ^ Koenders, M. A.; Sellmeijer, J. B. (1991). Msgstr "Matematický model pro potrubí". Aplikované matematické modelování. Surrey, Delft. 12 (11–12): 646–651. doi:10.1016 / S0307-904X (09) 81011-1.
  12. ^ Skempton, A.W .; Brogan, J. M. (1994). "Pokusy s potrubím v písčitých štěrcích". Géotechnique (v angličtině a francouzštině). 44 (3): 449–460. doi:10.1680 / geot.1994.44.3.449.
  13. ^ Fannin, R.J .; Slangen, P. (2014). „K výrazným jevům záplavy a rozčilení“. Géotechnique dopisy (v angličtině a francouzštině). 4 (4): 289–294. doi:10,1680 / geolett.14 00051.
  14. ^ „Přehradní hráze, zrnité filtry a odtoky“ (Bulletin 95). Paříž: Mezinárodní komise pro velké přehrady. 1994. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)