Innere Erosion - Internal erosion

Innere Erosion ist die Bildung von Hohlräumen im Boden, die durch den Materialabtrag durch Sickerung verursacht wird . Es ist die zweithäufigste Ursache für das Versagen von Deichen und eine der Hauptursachen für das Versagen von Erddämmen , die für etwa die Hälfte der Dammausfälle verantwortlich sind.

Interne Erosion tritt auf, wenn die hydraulischen Kräfte des durch die Poren und Risse des Materials im Damm und/oder Fundament eintretenden Wassers ausreichen, um Partikel abzulösen und aus dem Dammbauwerk zu transportieren. Innere Erosion ist besonders gefährlich, weil es möglicherweise keine oder nur subtile Beweise dafür gibt, dass sie stattfindet. Normalerweise kann man ein Sandkochen finden, aber das Kochen kann unter Wasser versteckt sein. Ein Damm kann innerhalb weniger Stunden brechen, nachdem Anzeichen einer inneren Erosion sichtbar werden.

Rohrleitungen sind ein verwandtes Phänomen und werden als die fortschreitende Entwicklung der inneren Erosion durch Versickerung definiert, die stromabwärts als ein Loch auftritt, das Wasser abführt. Rohrleitungen werden durch regressive Erosion von Partikeln von stromabwärts und entlang der stromaufwärts gerichteten Leitung in Richtung einer äußeren Umgebung induziert, bis ein kontinuierliches Rohr gebildet wird.

Innenerosion und Verrohrungsprozess

Laut der International Commission on Large Dams (ICOLD) gibt es vier allgemeine Versagensarten für die interne Erosion von Staudämmen und ihren Fundamenten:

  • Durch die Böschung
  • Durch die Stiftung
  • Damm-in-Fundament
  • Verbunden mit durchdringenden Strukturen

Der Prozess der inneren Erosion verläuft in vier Phasen: Beginn der Erosion, Fortschreiten zu einem Rohr, Oberflächeninstabilität und schließlich Beginn eines Bruchs . Die innere Erosion wird ebenfalls in vier Typen eingeteilt, abhängig vom Versagenspfad, wie die Erosion beginnt und fortschreitet und wo sie sich befindet:

  • Konzentriertes Leck : Sickerwasser erodiert und vergrößert einen Riss, bis ein Bruch auftritt. Der Riss schreitet möglicherweise nicht bis zum Ausgang fort (obwohl ein Versagen immer noch möglich ist), aber schließlich bildet die fortgesetzte Erosion ein Rohr oder ein Erdfall.
  • Rückwärtserosion : Diese Art von Erosion wird am Austrittspunkt des Sickerpfades eingeleitet, wenn der hydraulische Gradient ausreichend hoch ist, um Partikelablösung und -transport zu bewirken; von der Austrittsstelle bis zum Bruch bildet sich ein Rohr nach hinten.
  • Suffusion : tritt in Böden mit einer Vielzahl von Partikelgrößen auf. Feinere Bodenpartikel werden durch die Hohlräume zwischen gröberen Partikeln erodiert. Suffusionsanfällige Böden werden als innerlich instabil bezeichnet. Suffing kann nur auftreten, wenn das von den feineren Partikeln eingenommene Volumen geringer ist als der verfügbare Hohlraum zwischen den groben Partikeln.
  • Bodenkontakterosion : Ein Phänomen, das als Blattströmung bezeichnet wird, tritt an Grenzflächen zwischen groben und feinen Böden auf. Wasser sickert entlang der Grenzfläche zwischen den beiden Böden und erodiert die Partikel aus der feineren Schicht in die gröbere Schicht.

Konzentriertes Leck

Konzentrierte Leckagen treten auf, wenn sich Risse im Boden bilden. Die Risse müssen unterhalb des Reservoirspiegels liegen und Wasserdruck muss vorhanden sein, um das offene Rohr aufrechtzuerhalten. Es ist möglich, dass der Wasserfluss die Seiten des Rohres anschwellen lässt, es schließt und so die Erosion begrenzt. Wenn der Boden außerdem nicht genügend Kohäsion aufweist, um einen Riss aufrechtzuerhalten, wird der Riss zusammenbrechen und die konzentrierte Leckerosion wird nicht zu einem Riss fortschreiten. Risse, die konzentrierte Lecks ermöglichen, können durch viele Faktoren entstehen, darunter:

  • Talquerwölbung, die zu vertikalen Spannungen an den Seiten des Damms führt
  • Kernwölbung auf den Böschungsschultern
  • Differenzielle Setzung (über 0,2% Differenz ist eine Rissbildung fast sicher)
  • Kleinräumige Unregelmäßigkeiten bei der Kernbehandlung (z. B. durch schlechte Verdichtung)
  • Risse und Spalten neben Überläufen oder Widerlagerwänden oder um Leitungen herum
  • Verschiedene Umweltfaktoren wie Austrocknung , Besiedlung bei Erdbeben , Frost, Tierhöhlen , Vegetation/Wurzeln.

Längsrisse entstehen durch die Aufweitung des Damms, während die viel häufigeren Queröffnungen durch vertikale Setzungen des Damms entstehen. Die zur Einleitung der konzentrierten Leckerosion erforderliche hydraulische Schubspannung τc kann mit Laborversuchen, wie dem Locherosionstest (HET), abgeschätzt werden.

Rückwärtserosion

Dieses hängende Tal ist durch die schnelle Rückwärtserosion der Geröllklippen entstanden.

Rückwärtserosion tritt häufig in nicht plastischen Böden wie feinem Sand auf . Es kann in sandigen Fundamenten, innerhalb des Damms oder Deiches oder in Kofferdämmen unter hohem Hochwasserdruck während des Baus auftreten und zu einer Auflockerung an der stromabwärts gerichteten Wand führen. Rückwärtserosion zeigt sich am häufigsten durch das Vorhandensein von Sandgeschwüren an der stromabwärtigen Seite von Dämmen. Experimente von Sellmeijer und Mitarbeitern haben gezeigt, dass die Rückwärtserosion in einem Schlitz durch die Schichten beginnt, die den erodierenden Boden überlagern (z. B. durch Ausgrabungen oder Entwässerungsgräben) und dann in vielen kleineren Rohren (weniger als 2 mm Höhe) statt in a einzelne. Die Stabilität der Rohre ist abhängig von der Fallhöhe, und sobald diese einen kritischen Wert (0,3-0,5 der Fließweglänge) überschreitet, erstreckt sich der Kanal stromaufwärts. Darüber hinaus schreitet bei jeder Fallhöhe über dem kritischen Wert die Erosion fort, bis schließlich die Rohre zum stromaufwärts gelegenen Reservoir durchbrechen, an welchem ​​Punkt ein Bruch auftritt. Damit Rückwärtserosion auftritt, muss der Damm- oder Deichkörper ein „Dach“ für das Rohr bilden und aufrechterhalten.

Suffusion

Suffusion tritt auf, wenn Wasser fließt durch weit abgestuft oder diskontinuierliche Größenverteilung , bindigen Böden. Die feineren Partikel werden durch Sickern transportiert und die groben Partikel tragen den größten Teil der effektiven Spannung. Suffing kann nur auftreten, wenn die feinen Bodenpartikel klein genug sind, um zwischen die groben Partikel zu gelangen und die Hohlräume im gröberen Boden nicht ausfüllen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers muss auch ausreichend sein, um diese feinen Partikel zu transportieren.

Suffusion führt zu erhöhter Permeabilität im Dammkern, höheren Sickergeschwindigkeiten und möglicherweise hydraulischen Brüchen. Es kann auch zu Setzungen führen, wenn es im Dammfundament auftritt. Auch durchsickernde Böden sind tendenziell von Segregation betroffen . Der Kenney-Lau-Ansatz ist eine anerkannte Methode zur Sufffusionsanalyse, bei der anhand der Partikelgrößenverteilung die innere Stabilität eines Bodens beurteilt wird, die sich direkt auf die Wahrscheinlichkeit einer Sufffusion auswirkt.

Bodenkontakterosion

Bodenkontakterosion tritt auf, wenn Plattenströmung (Wasserfluss parallel zu einer Grenzfläche) Feinboden in Kontakt mit Grobboden erodiert. Die Kontakterosion hängt maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit ab, die ausreichend sein muss, um die feineren Partikel abzulösen und zu transportieren sowie die feineren Bodenpartikel durch die Poren in der Grobschicht zu passieren. Wenn Kontakterosion eingeleitet wird, wird ein Hohlraum gebildet, der zu einer Reduzierung der Spannung führt. Das Dach des Hohlraums kollabiert dann; das kollabierte Material wird abtransportiert, wodurch ein größerer Hohlraum entsteht. Der Prozess wird bis zur Bildung eines Erdlochs fortgesetzt. Es ist möglich, dass ein Hohlraum nicht zusammenbricht; dies führt zu einer Rückwärtserosion.

Bodenkontakterosion kann zwischen jeder körnigen Schicht und einem feineren Boden wie bei Schluffkies auftreten und führt oft zu Stabilitätsverlust, Erhöhung des Porendrucks und Verstopfung der durchlässigen Schicht. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass nahe der geometrischen Grenze, der Punkt, an dem die feinen Partikel gerade zwischen den groben Partikeln passieren können (das Filterkriterium), Erosionsbeginn und Versagen viel wahrscheinlicher sind.

Prävention durch Filter

Durch den Einsatz von Filtern ist es möglich, den Prozess der inneren Erosion zu unterbrechen . Filter fangen erodierte Partikel ein, lassen aber dennoch ein Durchsickern zu und sind normalerweise gröber und durchlässiger als der gefilterte Boden. Die Art des erforderlichen Filters und seine Position hängen davon ab, welche Zonen des Damms am anfälligsten für innere Erosion sind. Gemäß der Verordnung müssen Filter fünf Bedingungen erfüllen:

  • Rückhaltung : Der Filter muss den Transport von erodierten Bodenpartikeln begrenzen oder unterbrechen.
  • Selbstfiltration : auch als Stabilität definiert, der Filter muss intern stabil sein.
  • Keine Kohäsion : Der Filter darf nicht die Fähigkeit haben, Risse zu erhalten oder zu zementieren .
  • Entwässerung : Der Filter muss ausreichend durchlässig sein, damit der Wasserdruck abfließen kann.
  • Festigkeit : Der Filter muss in der Lage sein, Spannungen innerhalb des Damms zu übertragen, ohne gequetscht zu werden.

Verweise

  1. ^ Reklamations-Glossar, US-Innenministerium, Bureau of Reclamation
  2. ^ Fortschritte bei der Bewertung der internen Erosion, auf britishdams.org
  3. ^ Fell, R.; MacGregor, P.; Stapledon, D.; Bell, G.; Foster, M. (2014). „Kapitel 8: Innere Erosion und Verrohrung von Staudämmen und in Dammgründungen“. Geotechnik von Dämmen (2. Aufl.). CRC-Presse/Balkema. s. 375. ISBN 978-1-13800008-7.
  4. ^ ICOLD GIGB, ICOLD Wörterbuch
  5. ^ Entwicklung der Erosionsbedingungen für Rohrleitungen im Benson-Gebiet, Arizona, USA
  6. ^ Das Skalierungsgesetz der Rohrleitungserosion
  7. ^ a b c d "Innere Erosion bestehender Dämme, Deiche und Deiche und deren Fundamente". 1: Interne Erosionsprozesse und technische Bewertung (Bulletin 164). Paris : Internationale Kommission für Großstaudämme. 2013. Cite Journal erfordert |journal=( Hilfe )
  8. ^ Vaughan, PR; Soares, HF (1982). „Design von Filtern für Tonkerne von Dämmen“. Zeitschrift der Geotechnischen Abteilung . 108 : 17–32. doi : 10.1061/AJGEB6.0001233 .
  9. ^ Wan, CF; Fell, R. (2004). „Untersuchung der Erosionsrate von Böden in Staudämmen“. Zeitschrift für Geotechnik und Geoumwelttechnik . 130 (4): 373–380. doi : 10.1061/(ASCE)1090-0241(2004)130:4(373) .
  10. ^ Sellmeijer, JB (1988). „Über den Mechanismus von Rohrleitungen unter undurchlässigen Bauwerken“ (Doktorarbeit). TU Delft , Delft . Cite Journal erfordert |journal=( Hilfe )
  11. ^ Koenders, MA; Sellmeijer, JB (1991). "Ein mathematisches Modell für Rohrleitungen" . Angewandte mathematische Modellierung . Surrey , Delft . 12 (11-12): 646-651. doi : 10.1016/S0307-904X(09)81011-1 .
  12. ^ Skempton, AW; Brogan, JM (1994). „Experimente zu Rohrleitungen in sandigem Kies“. Geotechnik (auf Englisch und Französisch). 44 (3): 449–460. doi : 10.1680/geot.1994.44.3.449 .
  13. ^ Fannin, RJ; Slangen, P. (2014). „Über die verschiedenen Phänomene der Suffosion und Suffosion“. Geotechnique Letters (auf Englisch und Französisch). 4 (4): 289–294. doi : 10.1680/geolett.14.00051 .
  14. ^ "Dammdämme, Granulatfilter und Abflüsse" (Bulletin 95). Paris : Internationale Kommission für Großstaudämme. 1994. Cite Journal erfordert |journal=( Hilfe )