Προσομοίωση θραύσης φράγματος και διόδευσης κατάντη πλημμυρικού κύματος. Εφαρμογή στο φράγμα Τσικνιά, Λέσβος
Creators: name: Τζιμίκα, Ελευθερία Θεοδώρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Θραύση φράγματος
Διόδευση
HEC-RAS
Dam break
Flood routing
Simulation

description: Τα φράγματα αποτελούν σπουδαία κατασκευαστικά έργα που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων νερού, με σκοπό τη διαχείριση των υδάτινων πόρων σε περιοχές όπου υπάρχουν υδατικές ανάγκες, είτε για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή και για άλλους σκοπούς (όπως αντιπλημμυρική προστασία, αναψυχή κ.α.). Εκτός από την κατηγοριοποίηση τους ως προς την σκοπιμότητα τους, τα φράγματα διαφοροποιούνται επιπλέον βάσει των χαρακτηριστικών της κατασκευής τους σε φράγματα σκυροδέματος και σε χωμάτινα. Αδιαμφισβήτητα, για την σωστή λειτουργία και την αποφυγή των αστοχιών ενός φράγματος κρίνεται απαραίτητη η αέναη ασφάλεια και ευστάθεια του με διαρκή συντήρηση και επιτήρηση. Είναι γεγονός ότι η πιθανή αστοχία ενός φράγματος μπορεί να επιφέρει καταστροφικές συνέπειες στην περιοχή που βρίσκεται στα κατάντη. Στο παρελθόν έχουν συμβεί σημαντικές αστοχίες φραγμάτων που οδήγησαν σε κοινωνικές, περιβαλλοντικές και οικονομικές καταστροφές. Όσον αφορά στους μηχανισμούς αστοχίας ενός φράγματος περιλαμβάνονται τα πλημμυρικά φαινόμενα, η διασωλήνωση του εδαφικού υλικού, η υπερπήδηση της στέψης, ο σεισμός κ.α. Στην παρούσα εργασία ερευνάται η αστοχία του φράγματος Τσικνιά και η διόδευση του πλημμυρικού κύματος στα κατάντη. Το υπό μελέτη φράγμα τοποθετείται στα βορειοανατολικά του οικισμού της Καλλονής στο νησί της Λέσβου, κατάντη του οποίου υπάρχουν οικισμοί, καλλιεργούμενες εκτάσεις και ο κόλπος της Καλλονής. Το υδρογραφικό δίκτυο ανάντη του φράγματος είναι πυκνό και στο υδατόρευμα του Τσικνιά καταλήγουν τρία κύρια υδατορεύματα (Καμάρας, Πλύστρες, Κορτσιάς-Ακόνι). Επιπλέον, το φράγμα είναι χωμάτινο με κεντρικό αργιλικό πυρήνα και συνοδεύεται από τον μετωπικό υπερχειλιστή ασφαλείας τύπου Ogee Crest, από την σήραγγα εκτροπής και από τον αγωγό υδροληψίας. Το φράγμα κατασκευάζεται με σκοπό να καλύψει τις αρδευτικές και υδρευτικές ανάγκες της περιοχής, παρέχοντας ταυτόχρονα αντιπλημμυρική προστασία. Τέλος, ο υπερχειλιστής ασφαλείας κατασκευάζεται για περίοδο επαναφοράς Τ=10.000 έτη και η στέψη του φράγματος για Τ=60.000 έτη 12ωρης διάρκειας βροχόπτωσης, αντίστοιχα. Σε αυτήν την μελέτη γίνεται η υδραυλική προσομοίωση της αστοχίας του φράγματος Τσικνιά λόγω i) υπερπήδησης της στέψης χωρίς θραύση, ii) διασωλήνωσης του εδαφικού υλικού και iii) υπερπήδηση της στέψης με θραύση στο λογισμικό HEC–RAS. Όσον αφορά τους μηχανισμούς θραύσης υπολογίζονται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και ο χρόνος ανάπτυξης της ρωγμής εφαρμόζοντας τις πέντε εμπειρικές εξισώσεις: Froelich 1995a, Froelich 2008, Mac Donald and Langridge Monopolis (1984), Von Thun and Gillette (1990), Xu and Zhang (2009). Σχετικά με τη διόδευση του πλημμυρικού κύματος εφαρμόζεται το σύστημα εξισώσεων St Venant, που αποτελεί μια μέθοδο διδιάστατης ανάλυσης μη μόνιμης ανομοιόμορφης ροής. Στο λογισμικό HEC–RAS επιλέγονται οι εξισώσεις Ρηχών Υδάτων της μεθόδου Eulerian Lagrange (SWE-ELM), οι οποίες προκύπτουν από τις St Venant και βασίζονται στην αρχή διατήρησης της μάζας και της ορμής. Επίσης, απαραίτητα για τον υπολογισμό του προβλήματος είναι: α) ο ορισμός της περιοχής ενδιαφέροντος με υπολογιστικό κάναβο, β) ο ορισμός των αρχικών και οριακών συνθηκών και γ) ο ορισμός του υπολογιστικού βήματος. Μια βασική παράμετρος του προβλήματος που καθορίζεται από το χωρικό και υπολογιστικό βήμα είναι ο αριθμός Courant. Όταν ικανοποιείται η συνθήκη του αριθμού Courant, τότε το μοντέλο χαρακτηρίζεται ως ακριβές και εύρωστο. Στο μαθηματικό ομοίωμα που κατασκευάζεται στο λογισμικό HEC-RAS εφαρμόζονται τέσσερα βασικά σενάρια: Σενάριο Ι (βάσης), Σενάριο ΙΙ (υπερπήδησης της στέψης χωρίς θραύση), Σενάριο ΙΙΙ (διασωλήνωσης του εδαφικού υλικού), Σενάριο ΙV (υπερπήδησης της στέψης με θραύση). Τα Σενάρια ΙΙΙ &amp; ΙV εκτελέστηκαν για τις πέντε εμπειρικές εξισώσεις και στο Σενάριο ΙΙΙ χρησιμοποιώντας την εξίσωση των Froelich 2008 έγινε η ανάλυση ευαισθησίας της παραμέτρου υψόμετρο έναρξης ρωγμής. Ο συνολικός αριθμός των σεναρίων είναι δεκατέσσερα. Στα Σενάρια Ι &amp; IΙΙ ο υπερχειλιστής λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και το υδρογράφημα εισροής στον ταμιευτήρα είναι για Τ=1.000.000 έτη. Αντιθέτως, στα Σενάρια ΙΙ &amp; IV ο υπερχειλιστής δεν λειτουργεί υπό κανονικές συνθήκες και το υδρογράφημα εισροής στον ταμιευτήρα είναι για Τ=1.000.000 έτη. Επιπρόσθετα, με σκοπό το μαθηματικό μοντέλο να είναι όσο το δυνατόν πιο ρεαλιστικό, αποτυπώθηκαν το φράγμα και ο ταμιευτήρας του Τσικνιά, η γέφυρα του Τσικνιά και ο οικισμός της Καλλονής, διαμορφώνοντας κατάλληλα το ψηφιακό μοντέλο εδάφους. Σκοπός της παρούσας εργασίας αποτελεί η διερεύνηση των τιμών των πλημμυρικών αιχμών των πλημμυρογραφημάτων εκροής από τον ταμιευτήρα, της επίδρασης της γεωμετρίας και του χρόνου ανάπτυξης της ρωγμής στα πλημμυρογραφήματα εκροής από τον ταμιευτήρα και τέλος ο προσδιορισμός των υδραυλικών χαρακτηριστικών του πλημμυρικού κύματος στα κατάντη. Από τα αποτελέσματα των πλημμυρογραφημάτων προκύπτει ότι το δυσμενέστερο σενάριο είναι το Σενάριο IV (υπερπήδησης της στέψης με θραύση) της εμπειρικής εξίσωσης των Froelich 1995a που έχει τη μεγαλύτερη τιμή της πλημμυρικής αιχμής. Το δεύτερο δυσμενέστερο σενάριο είναι το Σενάριο ΙΙΙ (διασωλήνωσης του εδαφικού υλικού) της εξίσωσης των Froelich 1995a, ακολουθεί το Σενάριο Ι (βάσης) και τέλος το Σενάριο ΙΙ (υπερπήδησης της στέψης χωρίς θραύση). Όσον αφορά τα αποτελέσματα της διόδευσης, το Σενάριο IV της εξίσωσης Froelich 1995a αποτελεί το δυσμενέστερο σενάριο με βάθη ροής από 2 m -5 m και ταχύτητες ροής από 0.4 m/s - 6 m/s στον οικισμό της Καλλονής και ο χρόνος άφιξης της ροής γίνεται μέσα στα πρώτα 18 λεπτά της θραύσης του φράγματος. Στο Σενάριο ΙΙΙ της εξίσωσης Froelich 1995a, τα βάθη ροής είναι από 2 m - 5 m και ταχύτητες ροής από 0.4 m/s -6 m/s στον οικισμό της Καλλονής, ενώ ο χρόνος άφιξης της ροής γίνεται μέσα στα πρώτα 40 λεπτά από τη θραύση του φράγματος. Στο Σενάριο ΙΙ, τα βάθη ροής παίρνουν τιμές από 0.5 m -2 m, οι ταχύτητες ροής από 0.4 m/s -3 m/s και το πλημμυρικό κύμα φτάνει στα πρώτα 18 λεπτά στον οικισμό της Καλλονής. Τέλος, στο Σενάριο Ι τα βάθη ροής παίρνουν τιμές από 0.5 m -2 m, οι ταχύτητες ροής από 0.4 m/s -3 m/s στον οικισμό της Καλλονής και το πλημμυρικό κύμα φτάνει μετά τις 10 h στον οικισμό της Καλλονής. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας της παραμέτρου υψόμετρο έναρξης ρωγμής έδειξαν ότι το υψηλότερο υψόμετρο έναρξης ρωγμής παράγει το πλημμυρογράφημα με την μεγαλύτερη πλημμυρική αιχμή. Ωστόσο, τα αποτελέσματα της διόδευσης έχουν πολύ μικρές αποκλίσεις. Συμπληρωματικά, η μεγαλύτερη πλημμυρική έκταση στα κατάντη σημειώνεται κατά το σενάριο υπερπήδησης της στέψης με θραύση της εξίσωσης Froelich 1995a. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα σε όλα τα σενάρια προσομοίωσης το πλημμυρικό κύμα διέρχεται πάνω από το οδόστρωμα της γέφυρας του Τσικνιά. Τέλος, μέσω των πλημμυρογραφημάτων σε διάφορες χιλιομετρικές θέσεις στα κατάντη του φράγματος διακρίνεται ότι ο όγκος και η αιχμή του πλημμυρικού κύματος μειώνονται όσο απομακρύνεται από το φράγμα.
description: Dams are significant constructions used to store large amounts of water, in order to manage water resources in areas where there are water needs, either for the production of electricity or for other purposes (such as flood protection, recreation, etc.). Apart from being categorized by their purpose, dams are further differentiated based on their construction characteristics into concrete dams and earth dams. Undoubtedly, for the proper operation and avoidance of failures of the dam, its permanent safety and stability with constant maintenance and surveillance is deemed necessary. It is a fact that the potential failure of a dam can have catastrophic consequences in the downstream area. Major dam failures have occurred in the past, leading to social, environmental, and economic disasters. As far as the failure mechanisms of a dam are concerned, flood phenomena, the piping of the soil material, the overtopping of the crown, the earthquake, etc. are included. In this study, the failure of the Tsiknia dam and the flood routing of the flood wave downstream are investigated. The dam is located to the northeast of the settlement of Kalloni on the island of Lesvos, downstream of which there are settlements, cultivated lands and the bay of Kalloni. The hydrographic network upstream of the dam is dense and three main streams (Kamaras, Plystres, Kortsias-Akoni) end up in the Tsiknias stream. In addition, the dam is earthen with a central clay core and is accompanied by the Ogee Crest frontal safety spillway, the diversion pipe, and the water intake pipe. The dam is being built to cover the irrigation and water needs of the area, while providing flood protection. Finally, the safety spillway is constructed for a recovery period of T=10.000 years and the dam crown for T=60.000 years of 12-hour rainfall, respectively. In this study, the Tsiknia Dam is damaged due to i) overtopping failure without break, ii) piping failure and iii) overtopping failure with break, which are hydraulically simulated in HEC–RAS software. Regarding fracture mechanisms, the geometric characteristics and the development time of the breach are calculated by applying the five empirical equations: Froelich 1995a, Froelich 2008, Mac Donald and Langridge Monopolis (1984), Von Thun and Gillette (1990), Xu and Zhang (2009). Regarding flood routing, the St Venant equations system is applied, which is a two-dimensional analysis method of non-steady non-uniform flow. In the HEC–RAS software, the Shallow Water equations of the Eulerian Lagrange method (SWE-ELM), which derive from St Venant and are based on the principle of mass and momentum conservation, are selected. Also, for the calculation are necessary a) the definition of the interested area with, b) the definition of the initial and boundary conditions and c) the definition of the computational step. A key parameter of the problem determined by the spatial and computational step is the Courant number. When the condition of Courant number is satisfied, then the model is characterized as accurate and robust. In the mathematical model built in the HEC-RAS software, four main scenarios were applied: Scenario I (base), Scenario II (overtopping failure without break), Scenario III (piping failure), Scenario IV (overtopping failure with break). Scenarios III &amp; IV were run for all empirical equations and in Scenario III for the Froelich 2008 equation the sensitivity analysis of the crack initiation altitude parameter was performed. The total number of scenarios is fourteen. In Scenarios I &amp; III the spillway operates under normal conditions and the inflow hydrograph into the reservoir is for T=1.000.000 years. In Scenarios II &amp; IV the spillway does not operate under normal conditions and the inflow hydrograph into the reservoir is for T=1.000.000 years. In addition, aiming to make the mathematical model as realistic as possible, the dam and reservoir of Tsiknias, the bridge of Tsiknias and the settlement of Kalloni were captured, appropriately shaping the digital elevation model. The purpose of this study was to investigate the peak discharge values of hydrographs, the effect of the geometry and the development time of the breach on the discharge hydrographs and finally the determination of the hydraulic characteristics of the flood wave downstream. From the results of the flood graphs, it appears that the most unfavorable scenario is Scenario IV of the Froelich 1995a equation which has the highest value of the peak discharge. The second most unfavorable scenario is Scenario III of the Froelich 1995a equation, followed by Scenario I and finally Scenario II. Regarding the flood routing results, Scenario IV of the Froelich 1995a equation is the worst-case scenario with flow depths of 2 m -5 m and flow velocities of 0.4 m/s - 6 m/s in the Kalloni settlement and the flow arrival time occurs within the first 18 minutes of the dam breaking. In Scenario III of the Froelich 1995a equation, flow depths are from 2 m - 5 m and flow velocities from 0.4 m/s -6 m/s at the Kalloni settlement, while the flow arrival time is within the first 40 minutes from dam break. In Scenario II, the flow depths take values from 0.5 m -2 m, the flow velocities from 0.4 m/s -3 m/s and the flood wave reaches the first 18 minutes in the settlement of Kalloni. Finally, in Scenario I the flow depths take values from 0.5 m -2 m, the flow velocities from 0.4 m/s -3 m/s in the settlement of Kalloni and the flood wave arrives after 10 h in the settlement of Kalloni. The results of the sensitivity analysis of the initial breach elevation shows that the higher initial breach elevation produces flood graph with the highest discharge peak. However, the flood routing results have very small deviations. In addition, the greatest downstream flood extent occurs of the Froelich 1995a equation Scenario IV. According to the results, in all scenarios the flood wave passes over the road surface of the bridge of Tsiknias. Finally, through the flood graphs at various locations downstream of the dam, the volume and peak of the flood wave decrease as it moves away from the dam.