Stress-strain state of some special places in earth dam from viewpoint of hydraulic fracturing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. In the current process of climate change, the phenomenon of unusual rainfall and flooding is causing widespread flooding and causing great loss of life and property. In addition, the most vulnerable structures are dams and reservoirs. A dam failure causes a disaster that can threaten human lives and entire socio-economic activities. There are many causes of dam failure, of which hydraulic fracturing is considered one of the most likely causes as it causes concentrated seepage leading to the risk of dam failure. Hydraulic fracturing is a process in which cracks form in soil or rock and then propagate under water pressure. Hydraulic fracturing is not a new topic, nor is it an old one, receiving a lot of attention from scientists, but it is still a controversial issue. Many opinions are given. This paper aims to summarize the mechanism of hydraulic fracturing based on previous studies and at the same time proposes some methods to prevent hydraulic fracturing in an earthen dam.Materials and methods. Literature analysis of sources related to the phenomenon of hydraulic fracturing.Results. Hydraulic fracturing is closely related to the phenomena of differential settlement of dam soils and building structures. In earth-fill dams, the phenomenon of differential settlement often occurs in the areas between the fill soil of the dam and the side masses of the dam site, fill soil and concrete structures such as culverts and spillways, foundation structural elements, the impermeable core of the dam and adjacent soil zones. Based on an analysis of the causes of hydraulic fracturing, a number of measures were proposed to reduce the risk of hydraulic fracturing.Conclusions. Hydraulic fracturing, that is, the formation of cracks and cavities in the soil mass, which contribute to the formation of concentrated seepage paths. The occurrence of hydraulic fracturing increases the likelihood of seepage instability in the dam, which affects the safety of the dam and can lead to serious damage. Implementing hydraulic fracturing prevention techniques is critical to ensuring safe dam operating conditions.

About the authors

G. V. Orekhov

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: OrehovGV@mgsu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6900-2704

Tran Manh Cuong

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: cuonghtcs@gmail.com

References

  1. Lehner B., Döll P., Alcamo J., Henrichs T., Kaspar F. Estimating the impact of global change on flood and drought risks in Europe: a continental, integrated analysis // Climatic Change. 2006. Vol. 75. Issue 3. Pp. 273–299. doi: 10.1007/s10584-006-6338-4
  2. Салямова К.Д., Ахмедов М.А. Статистический анализ повреждений и разрушений грунтовых плотин // Инновационные пути решения актуальных проблем природопользования и защиты окружающей среды : сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. 2018. С. 104–113. EDN YNUXAD.
  3. Гельфер А.А. Причины и формы разрушения гидротехнических сооружений. Л. ; М. : Онти, 1936. 320 c.
  4. Городниченко В.О. Изучение рисков разрушения плотины // Аллея науки. 2019. Т. 1. № 9 (36). С. 102–105. EDN JBHDPR.
  5. Sherard J.L. Hydraulic fracturing in embankment dams // Journal of Geotechnical Engineering. 1986. Vol. 112. Issue 10. Pp. 905–927. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9410(1986)112:10(905)
  6. Ngambi S., Nakano R., Shimizu H., Nishimura S. Cause of leakage along the outlet conduit underneath a low fill dam with special reference to hydraulic fracturing // Rural and Environment Engineering. 1998. Vol. 1998. Issue 35. Pp. 35–46. doi: 10.11408/jierp1996.1998.35_35
  7. Mhach H.K. An experimental study of hydraulic fracture and erosion : doctoral thesis. City University London, 1999.
  8. Маннанов И.И., Гарипова Л.И. Влияние фильтрационных параметров пласта на дополнительную добычу нефти при кислотном гидроразрыве // Территория Нефтегаз. 2015. № 12. С. 124–127. EDN VOLPFD.
  9. Ng K.L., Small J.C. A case study of hydraulic fracturing using finite element methods // Canadian Geotechnical Journal. 1999. Vol. 36. Issue 5. Pp. 861–875. doi: 10.1139/t99-049
  10. Lofquist B. Discussion on cracking in earth dams // Proceedings of the 4th international conference of soil mechanics and foundation engineering. London UK, 1957. Pp. 261–262.
  11. Torblaa I., Kjoernsli B. Leakage through horizontal cracks in the core of Hyttejuvet Dam. Norwegian Geotechnical Institute, 1968. Vol. 80. Pp. 39–47.
  12. Vaughan P.R. Cracking of embankment dam cores and the design of filters for their protection // Lecture given in Madrid and published in the Bulletin of Sociedad Espanola de Mechanica del Suelo Y Cimentaciones. 1976.
  13. Sherard J.L. Embankment dam cracking // Hirschfeld, R. C. and Poulos, S. J., Eds., Embankment-Dam Engineering (Casagrande Volume). John Wiley, New York, 1973. Pp. 324–328.
  14. Leonards G.A., Davidson L.W. Reconsideration of failure initiating mechanisms for Teton dam // International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering. 1984. Vol. 31.
  15. Mesri G., Ali.S. Discussion of “Hydraulic Fracturing in Embankment Dams” by James L. Sherard (October, 1986, Vol. 112, No. 10) // Journal of Geotechnical Engineering. 1988. Vol. 114. Issue 6. Pp. 742–746. doi: 10.1061/(asce)0733-9410(1988)114:6(742)
  16. Zhu J., Ji E., Wen Y., Zhang H. Elastic-plastic solution and experimental study on critical water pressure inducing hydraulic fracturing in soil // Journal of Central South University. 2015. Vol. 22. Issue 11. Pp. 4347–4354. doi: 10.1007/s11771-015-2983-y
  17. Casagrande A. Notes on the design of earth dams. Harvard University, Department of Engineering, 1951.
  18. He K., Fell R., Song C. Transverse cracking in embankment dams resulting from cross-valley differential settlements // European Journal of Environmental and Civil Engineering. 2022. Vol. 26. Issue 3. Pp. 995–1021. doi: 10.1080/19648189.2019.1691663
  19. Bui H., Fell R., Song C. Two and three dimensional numerical modeling of the potential for cracking of embankment dams during construction. Sydney, Australia, 2004. 123 p.
  20. He K., Song C., Fell R. Assessing potential cracking zones in embankment dams. Southern Cross University, Lismore, NSW, 2014. Pp. 721–726.
  21. Kobayashi N., Mochida J., Sumida Y., Yoshitake Y. Evaluation of arching action generated in the backfill between outlet conduit and existing embankment // Transactions of the Japanese Society of Irrigation, Drainage and Rural Engineering. 2012. Vol. 80. Pp. 223–230.
  22. Narita K. Design and construction of embankment dams. Department of Civil Engineering, Aichi Institute of Technology, 2000.
  23. Foster M., Fell R., Spannagle M. The statistics of embankment dam failures and accidents // Canadian Geotechnical Journal. 2000. Vol. 37. Issue 5. Pp. 1000–1024. doi: 10.1139/t00-030
  24. Stematiu D. Dam safety management. Bucureresti Conspress, 2009.
  25. Charles J.A. Delivering benefits through evidence: lessons from historical dam incidents. Project. Environment Agency, Horizon House, ыDeanery Road, Bristol, 2011.
  26. Sherard J.L. Trends and debatable aspects in embankment dam engineering // Embankment Dams, ASCE. 1992. Pp. 416–422.
  27. Ngambi S., Shimizu H., Nishimura S., Nakano R. A fracture mechanics approach to the mechanism of hydraulic fracturing in fill dams // Transactions of the Japanese Society of Irrigation, Drainage and Reclamation Engineering (Japan). 1998. Vol. 195. Pp. 47–58.
  28. Tran D.Q. Effects of culvert shapes on potential risk of hydraulic fracturing adjacent to culverts in embankment dams // International Journal of GEOMATE. 2018. Vol. 16. Issue 52. doi: 10.21660/2018.52.20934
  29. Tran D.Q. Research on cause of dam failure from viewpoint of hydraulic fracturing — case study of a dam failure in Vietnam // International Journal of GEOMATE. 2018. Vol. 14. Issue 41. doi: 10.21660/2018.41.57454

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».