Modelování privilegované průsakové cesty
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební
Abstract
Jedním z nejnebezpečnějších jevů na vodních dílech z hlediska možnosti jejich porušení jsou filtrační deformace. Při filtračních deformacích dochází k přeskupování zrn uvnitř materiálu a v některých případech i k jejich postupnému odplavování. Nebezpečnost tohoto jevu je primárně dána obtížností jeho detekce. Jedním ze speciálních případů filtrační deformace je zpětná eroze vznikající v podzákladí vodního díla (hráz nebo obdobná příčná stavba na vodním toku, příp. protipovodňová hráz). Při tomto jevu dochází k postupnému vyplavování materiálu z podzákladí vlivem proudových sil a ke vzniku privilegované průsakové cesty. Výsledkem procesu vyplavování může být propojení prostorů nad a pod předmětnou konstrukcí. Spolu s tímto dějem dochází i ke zvětšování průsakové cesty do stran a do hloubky. Přesné podmínky vzniku privilegované průsakové cesty jsou vyšetřovány již od počátku 20. stol. Data z experimentů či z pozorování na reálných vodních dílech se však převážně soustředí na celkové měřítko a nesledují lokální hydraulické podmínky v průsakové cestě ani na jejím čele. Stejně tak zatím nebyl zcela prozkoumán jev zpětné eroze (resp. jeho rychlost) v písčitých materiálech. Rozšiřování průsakové cesty zatím bylo zkoumáno pouze na jílovitých materiálech, a to převážně z důvodu jednoduchosti práce s nimi. Cílem této práce bylo popsat mechanismus vývoje privilegované průsakové cesty v podzákladí vodního díla. Za tímto účelem bylo navrženo a otestováno nové měřicí zařízení, pomocí kterého byly následně prováděny experimenty na vybraných stejnozrnných píscích. Po vyhodnocení výsledků experimentů byl navržen vztah pro stanovení rychlosti zpětné eroze. Na základě znalostí o hydraulických podmínkách byl vytvořen i ideový návrh numerického modelu vývoje privilegované průsakové cesty.
One of the most dangerous processes that can occur on water retaining structures is deformation due to seepage. During these processes, a rearrangement of individual grains within the material happens and, in some cases, grains may be carried out of the material entirely. The dangerousness of such processes is given due to difficulty of their detection. A special case of deformations due to seepage is a backward erosion piping that occurs in the foundation of the structure (dams, weirs and such). During the process, a material is flushed out of the foundation due to forces induced by groundwater flow which leads to formation of the seepage pipe. The result of pipe progress may be a complete connection of spaces upstream and downstream the structure. Along with the pipe’s backward progression, its widening and increase in depth may be observed. Conditions of initialisation of backward erosion piping have been a topic for research since the beginning of 20th century. However, the data from experiments or even from direct observations on water retaining structures were focused mainly on general conditions and it did not pay enough attention to local conditions within the pipe nor on its tip where erosion occurs. Also, the speed of the whole process and the rate of backward erosion were not researched either. The pipe cross-sectional changes were researched only for materials with high contains of clay. The reason for using only clayey materials was given by ease of sample preparation. The goal of this work was to describe a process of the backward erosion piping that occurs in structure foundation. For this goal, a new device was designed, tested, and used for experimenting on picked uniform sands. After evaluation of obtained results, a new formula for calculation of backward erosion rate was derived. Based on the knowledge on hydraulic conditions in the sample and the pipe, a numeric model of the pipe progression was proposed.
One of the most dangerous processes that can occur on water retaining structures is deformation due to seepage. During these processes, a rearrangement of individual grains within the material happens and, in some cases, grains may be carried out of the material entirely. The dangerousness of such processes is given due to difficulty of their detection. A special case of deformations due to seepage is a backward erosion piping that occurs in the foundation of the structure (dams, weirs and such). During the process, a material is flushed out of the foundation due to forces induced by groundwater flow which leads to formation of the seepage pipe. The result of pipe progress may be a complete connection of spaces upstream and downstream the structure. Along with the pipe’s backward progression, its widening and increase in depth may be observed. Conditions of initialisation of backward erosion piping have been a topic for research since the beginning of 20th century. However, the data from experiments or even from direct observations on water retaining structures were focused mainly on general conditions and it did not pay enough attention to local conditions within the pipe nor on its tip where erosion occurs. Also, the speed of the whole process and the rate of backward erosion were not researched either. The pipe cross-sectional changes were researched only for materials with high contains of clay. The reason for using only clayey materials was given by ease of sample preparation. The goal of this work was to describe a process of the backward erosion piping that occurs in structure foundation. For this goal, a new device was designed, tested, and used for experimenting on picked uniform sands. After evaluation of obtained results, a new formula for calculation of backward erosion rate was derived. Based on the knowledge on hydraulic conditions in the sample and the pipe, a numeric model of the pipe progression was proposed.
Description
Keywords
Eroze privilegované průsakové cesty, kritický hydraulický gradient, nestejnozrnnost materiálu, hydraulická vodivost, pórovitost, experimentální výzkum, numerický model, Backward erosion piping, critical hydraulic gradient, material uniformity, hydraulic conductivity, porosity, experimental research, numerical model
Citation
PETRULA, L. Modelování privilegované průsakové cesty [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební. 2023.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Vodní hospodářství a vodní stavby
Comittee
prof. Ing. Miroslav Dumbrovský, CSc. (předseda)
doc. Ing. Dana Baroková, Ph.D. (člen)
Ing. Miroslav Brouček, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., MBA (člen)
doc. Ing. Daniel Marton, Ph.D. (člen)
Ing. Karel Drbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Aleš Dráb, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zbyněk Zachoval, Ph.D. (člen)
Ing. Antonín Tůma, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Kučera, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D. (člen)
Ing. Jakub Raček, Ph.D. (člen)
Ing. Vladimír Habr, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2023-03-24
Defence
Výsledky disertační práce představují významný přínos pro praxi zejména v podmínkách, ve kterých v důsledku vzestupu hydraulického gradientu není možné vyloučit riziko ztekucení písků. Výsledky disertační práce mohou být také využity při modelování porušení sypaných hrází.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení