Wpływ zmian poziomu wody w zbiorniku na długoterminowe deformacje zapór ziemnych

Szostak-Chrzanowski, Anna; McALENEY, Benjamin

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Wpływ zmian poziomu wody w zbiorniku na długoterminowe deformacje zapór ziemnych

Autorzy

Szostak-Chrzanowski Anna , McALENEY Benjamin

Identyfikatory

Warianty tytułu

Influence of reservoir water level changes on long-term deformations of earth dams

Języki publikacji

Abstrakty

Deformacje zapór ziemnych zachodzą w trzech etapach: budowy zapory, pierwszego napełnienia zbiornika wodą oraz funkcjonowania zapory, w czasie którego zachodzą długoterminowe deformacje. Długoterminową deformację zapory ziemnej przypisuje się przede wszystkim zmianom obciążenia na skutek wahań poziomu wody w zbiornikach antropogenicznych. W ciągu ostatnich 20 lat na całym świecie wystąpiły nieprzewidywalne wahania poziomu wód w zbiornikach wodnych, wywołane wydłużonymi okresami suszy lub dużych opadów deszczu. Ze względu na nieliniowe zachowanie się materiału zapory ziemnej, po redukcji obciążenia, spowodowanego spadkiem poziomu wody w zbiorniku, przemieszczenia poziome nie maleją, lecz utrzymują się na tym samym poziomie i po ponownym wzroście poziomu wody w zbiorniku przemieszczenia poziome dalej wzrastają. Zachowanie się materiału, z którego zbudowane są zapory ziemne, może być modelowane za pomocą nieliniowych modeli – hiperbolicznego lub hardening soil. W zastosowaniu tych modeli jednym z podstawowych problemów jest poprawne przyjęcie parametrów geotechnicznych charakteryzujących materiał gruntu. Wartości parametrów geotechnicznych są wyznaczone na podstawie wyników badań laboratoryjnych i mogą różnić się od wartości in situ. Wartości laboratoryjne powinny być zweryfikowane na podstawie przeprowadzenia w czasie pierwszego napełniania wodą zbiornika i początkowej działalności zapory, korelacji wyników pomiarów geodezyjnych i wyniku analizy deterministycznej, wykonanej np. metodą elementów skończonych (MES). W artykule przedstawiono analizę długoterminowych deformacji zapory ziemnej West Dam, która jest częścią zbiornika wodnego Diamond Valley Lake znajdującego się w Kalifornii. Analizę przeprowadzono metodą elementów skończonych z zastosowaniem modeli zachowania się materiału zapory – hiperbolicznego i hardening soil. Na wstępie przeprowadzono zweryfikowanie wartości parametrów geotechnicznych, które następnie zostały wykorzystane do wyznaczenia poziomych długoterminowych przemieszczeń zapory, wywołanych dużymi zmianami poziomu wody w zbiorniku Wyniki analizy wykazały, że fluktuacje poziomu wody powodowały kumulacyjny przyrost poziomych przemieszczeń zapory.

Deformations of earth dams occur in three stages: construction of the dam, first filling of the reservoir with water, and operation of the dam when long-term deformations occur. Long-term deformation of the earth dam is primarily attributed to load changes due to fluctuations in water levels in anthropogenic reservoirs. Over the last 20 years, unpredictable fluctuations in water levels in reservoirs have occurred around the world due to extended periods of drought or heavy rainfall. Due to the non-linear behavior of the earth dam ma-terial, after reducing the load caused by the decrease in the water level in the reservoir, the horizontal displacements do not decrease but remain at the same level, and after the water level in the reservoir increases again, the horizontal displacements continue to increase. The behavior of the material from which earth dams are constructed can be modeled using nonlinear hyperbolic or hardening soil models. In the use of these models, one of the basic problems is determination of geotechnical parameters characterizing the soil material. The values of geotechnical parameters are determined based on laboratory test results and may differ from in-situ values. Laboratory values should be verified using integration of the results of geodetic monitoring and results of deterministic analysis e.g. the finite element method (FEM). An analysis of long-term deformations of the West Dam, which is part of the Diamond Valley Lake reservoir located in California is presented. The analysis was carried out using the finite element method with the hyperbolic and hardening soil models of dam material behavior. First, the values of geotechnical parameters were verified and next, using verified values the long-term horizontal displacements of the West Dam were calculated. The long-term deformations were caused by large changes in the water level in the reservoir. The analysis results showed that water level fluctuations resulted in cumulative increase in the horizontal displacements of the dam.

Słowa kluczowe

zapora ziemna długoterminowe deformacje analiza MES

earth dam long-term deformations FEM analysis

Wydawca

KGHM CUPRUM Spółka z o.o. Centrum Badawczo-Rozwojowe

Czasopismo

Cuprum : czasopismo naukowo-techniczne górnictwa rud

Rocznik

2023

Tom

nr 3-4

Strony

5--25

Opis fizyczny

Bibliogr. 30 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szostak-Chrzanowski Anna

University of New Brunswick, Canada

autor

McALENEY Benjamin

University of New Brunswick, Canada

Bibliografia

1. Chen Y.Q., Chrzanowski A., Secord J.M. ,1990, A strategy for the analysis of the stability of reference points in deformation surveys: CISM Journal, vol. 44, no. 2, Summer, s. 39-46.
2. Dascal O.,1987, Postconstruction deformations of rockfill dams: Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 113(1):46-59.
3. Dinneen, J., 2022, What is megadrought? How scientists define extreme water shortages. Retrieved 03 15, 2023, from New Scientist: https://www.newscientist.com/article/2341023-what-is-megadrought-how-scientists-define-extreme-water-shortages/, 2022, 10 07.
4. Duffy M.A., Hill C., Whitaker C., Chrzanowski A., Lutes J., Bastin G., 2001, Opening session and keynote presentation: An automated and integrated monitoring program for Diamond Valley Lake in California. Orange, California: The 10th FIG International Symposium on Deformation Measurements.
5. Duncan J.M., Chang C.Y., 1970, Non-linear analysis of stress and strain in soils: Journal of the SMFD, ASCE, 96(5): 1629-1653.
6. Duncan J.M., Byrne P., Wong K.S., Mabry P., 1980, Strength, stress-strain and bulk modulus parameters for finite element analysis of stresses and movements in soil masses, Geotechnical Engineering, Report No.UCB/GT/80.01, Dept. of Civil Eng., University of California, Berkeley, 77.
7. Fluixá-Sanmartín J., Altarejos-García L., Morales-Torres A., Escuder-Bueno I., 2018, Review Article: Climate change Iimpacts on dam safety. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., vol. 18, s. 2471-2488.
8. Herbozo J.E., Munoz L.E., Guerra M.J., Minayo V., Haro P., Carrillo V., Manciati C., Campazano L., 2022, Non-stationary hydrological regimes due to climate change: The impact of future precipitation in the spillway design of a reservoir, Case study: Sube y Baja Dam, in Ecuador. Atmosphere, 13(828).
9. Janbu N., 1963, Soil compressibility as determined by oedometer and triaxial tests, Proceedings European Conference on SMFE, Wiesbaden, Germany, 1, s. 19-25.
10. Johnson L., 2023, National Drought Mitigation Cente. US Drought Monitor. National Drought Mitigation Cente, Retrieved 06 14, 2023: https://droughtmonitor.unl.edu/CurrentMap/StateDroughtMonitor.aspx?CA
11. Liu D., Lin T., Gao J., Xue B., Yang J., Chen C., Sun W., 2023, Study on the inﬂuence of water level on earth dam reinforced by cut-off wall: A case study in Wujing Reservoir. Water, 15(140), doi :https://doi.org/10.3390/w15010140
12. Luo J., Zhang Q., Li L., Xiang W., 2018, Monitoring and characterizing the deformation of an earth dam in Guangxi Province, China. Engineering Geology, doi: https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2018.11.007
13. Lutes J., Chrzanowski A., Bastin G., Whitaker C., 2001, DIMONS software for automatic data collection and automatic deformation analysis: Proceedings 10th FIG International Symposium on Deformation Measurements, Orange, Cal., s. 101-109.
14. Moyo P.P., Nyoni B., 2020, Climate change impacts on the safety of concrete Arch dams in South Africa, Cape Town: Water Research Commission. Metropolitan Water District of Southern California, 1997, East side Reservoir Project at a Glance, MWD Public Affair Division, Los Angeles, California, USA.
15. Pantazis G., Skarlatos D., Pelecanos L., 2019, Long-term geodetic monitoring of seasonal deformations of earth dams and relevant finite element verification. 4th Joint International Symposium on Deformation Monitoring (JISDM), Athens.
16. Perry T., 2008, As water level drops at Diamond Valley, rationing becomes more likely. Retrieved from Chicago Tribune: https://www.chicagotribune.com/la-me-water10-2008oct10-story.html
17. Phoenix7777, 2017, Drought area in California. Own workData source: table (State; >, California; Categorical Percent Area) at United States Drought Monitor, CC BY-SA 4.0, (Seventh). Retrieved 03 15, 2023, from: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54988403
18. Pramthawee P., Jongpradist P., Kongkitkul W., 2011, Evaluation of hardening soil model on numerical simulation of behaviors of high rockfill dams. Songklanakarin J. Sci. Technol., 33(3): 325-334.
19. Shultz C., 2017, Diamond Valley back to being a jewel of a lake. Retrieved from The Press-Enterprise: https://www.pressenterprise.com/2017/07/14/diamond-valley-back-to-being-a-jewel-of-a--lake/
20. Schanz T., Vermeer P., Bonnier P., 1999, The hardening soil model: Formulation and verification (10 Years of PLAXIS).
21. Szostak-Chrzanowski A., Messier M., 2006, Relation between monitoring and design aspects of large earth dams, Proceedings, 3rd IAG Symposium on Geodesy for Geotechnical and Structural Engineering and 12-th FIG Symposium on Deformation Measurements, ed. H. Kahmen, A. Chrzanowski, Baden, Austria, 21-24 May, CD ROM.
22. Szostak-Chrzanowski A., Massiera M., Chrzanowski A., Le Hoan F., Whitaker C., 2002, Verification of material parameters of earthen dams at Diamond Valley Lake using geodetic measurements. FIG XXII International Congress, TS6.4 Deformation Measurement and Analysis II (s. 1-12). Washington, DC, USA.
23. Szostak-Chrzanowski A., Massiéra M., Hammamji Y., 2006, Numerical analysis of large earth and rockfill dams deformations as a tool for designing geodetic monitoring schemes, Proceedings CDA 2006 Annual Conference, Quebec City, 30 Sept – 6 Oct.
24. Szostak-Chrzanowski A., Chrzanowski A., Massiéra M., Bazanowski M., Whitaker C., 2008, Study of a long-term behavior of large earth dams combining monitoring and finite element analysis results, Proceedings, 4th IAG Symposium on Geodesy for Geotechnical and Structural Engineering and 14-th FIG Symposium on Deformation Measurements, Lisbon, Portugal, 12-15 May, CD-ROM.
25. Szostak-Chrzanowski A., Massiéra M., Muma M., Whitaker C., 1999, Geotechnical aspects of Earth Dam deformation monitoring, Proceedings, 9-th FIG International Symposium on deformation monitoring, Olsztyn, 27-30 September, s. 72-84.
26. Szostak-Chrzanowski A., Massiéra M., Chrzanowski A., Hill C.J., 2001, Use of geodetic monitoring surveys in verifying design parameters of large earthen dams, Proceedings, FIG 10-th International Symposium on Deformation Measurements, Orange, Cal, 19-22 March, CD-ROM. UNCCD. (2022). Drought in Numbers 2022.
27. Vahdati P., Levasseur D., Mattsson H., Knutsson S., 2014, Inverse Hardening Soil parameter identification of an earth and rockfill dam by genetic algorithm optimization. EJGE, 19:3327-3349.
28. Vanden Berghe J.F., Cathie D., Ballard J.C., 2006., Pipeline uplift mechanisms using finite element analysis (s. 1801-1804). Millpress Science Publishers/IOS Press. doi: doi:10.3233/978-1-61499-656-9-1801
29. Ventrella C., Pelecanos L., Skarlatos D., Pantazi G., 2019, Finite element analysis of earth dam settlements due to seasonal reservoir level changes. Proceedings of the XVII ECSMGE-2019. Geotechnical Engineering foundation of the future, doi: 10.32075/17ECSMGE-2019-0740
30. Whitaker C., Duffy M.A., Chrzanowski A., 1999, Installation of a continuous monitoring scheme for the eastside reservoir project in California: Proceedings 9th FIG Int. Symposium on Deformation Measurements, Olsztyn, Poland, s. 72-84.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-a1698963-a9b9-4329-8b6f-84d1cc79b89b