Описание эксперимента № 1.

В первом физическом эксперименте плотина имела трапециевидную форму и состояла из смеси песка и гранитной крошки. Высота плотины составляла 0.35 м, длина по подошве 0.71 м, ширина по гребню 1 м. Ширина гребня составила 0.07 м. Длина откоса со стороны нижнего бьефа составила 0.52 м, а со стороны верхнего бьефа 0.48 м. Объём материала 0.13 м³. При сооружении дамбы песок был утрамбован (рис. 2). В процессе эксперимента выполнялись геофизические исследования для оценки изменения влажности материала плотины. Для этого в плотину заглублялась электроразведочная коса (рис. 2), которая измеряла сопротивление, через которое должна рассчитываться электропроводность. Электропроводность в свою очередь позволяет оценить влажность.

На начало первого эксперимента первая ёмкость была заполнена водой объёмом 312 литров. В воду было добавлено 0.5 кг соли, для того чтобы легче было измерять сопротивление, после чего минерализация воды составила 1.66 г/л. После поднятия затвора вода начала поступать во вторую ёмкость, где была сооружена плотина. Уровень воды в первой ёмкости на момент начала эксперимента составлял 52 см, после того, как был открыт затвор и вода поступила во вторую ёмкость, уровень воды установился на отметке 34 см.

Рисунок 2 Грунтовая плотина до момента наполнения второй ёмкости

В ходе эксперимента проводилась видеофиксация с трёх камер, которые были установлены с разных углов к плотине для более детального описания процесса прорыва.

При поступлении воды из первой ёмкости во вторую уровни воды в ёмкостях сравнялись. Сначала вода фильтровалась в тело плотины, об этом свидетельствует изменение оттенка материала, из которого сложена дамба (рис. 3). За это время уровень воды понизился на 1 см.

Рисунок 3 Изменение оттенка грунта, в результате фильтрации: а) при заполнении второй ёмкости, б) перед началом размыва.

Размыв дамбы начал происходить в результате фильтрации воды в правой и левой частях плотины на границе со стенкой (рис. 4а). В левой части дамбы вода фильтровалась сильнее, что привело к снижению устойчивости грунта и его последующему сползанию (рис. 4б). В результате обрушения грунта произошло формирование прорана, через который вода из искусственного водоёма начала выливаться. Далее происходило увеличение скоростей потока, размеров прорана и соответственно расходов воды. При прорыве происходило обрушение грунтового материала со стенок прорана (рис. 4в-е). Далее, при понижении напора воды происходило уменьшение скоростей и соответственно расходов воды до того момента, пока вода из ёмкости полностью не вытекла. В результате образовался проран, глубина, которого была равна высоте плотины, а максимальная и средняя ширина соответственно 0.24 м и 0.18 м. Площадь прорана составила около 0.043 м².

Рисунок 4 Процесс разрушения грунтовой плотины (эксперимент № 1).

В результате натурного эксперимента был построен гидрограф прорывного паводка (рис. 5). Расходы воды через проран определялись по формуле:

, (1)

где Q – расход воды через проран, л/с; W₁ и W₂ – объёмы при разных уровнях воды (дискретность 1 см), Т – время, за которое уровень упал на 1 см.

Рисунок 5 Рассчитанный гидрограф прорывного паводка (эксперимент № 1).

Анализ полученного графика изменения расходов воды во времени показал, что расход воды достигает своего максимального значения 5.17 л/с через 6 секунд после обрушения грунта в верхней части плотины. После этого, вследствие уменьшения напора и увеличения площади поперечного сечения потока, его значения начинают уменьшаться, а интенсивность расширения прорана также снижается. Форма полученного гидрографа соответствует форме гидрографов прорывных паводков, образованных при разрушении грунтовых плотин, приведённых в опубликованных научных работах [Morris and Hassan, 2005; Do et al, 2016; Tschiedel and Paiva, 2018].