Прогнозирование и оценка обстановки при гидротехнических авариях
Гидродинамическая авария - авария на гидротехническом сооружении (ГТС), связанная с распространением с большой скоростью воды и создающая угрозу возникновения техногенной чрезвычайной ситуации.
При прорыве плотины в ней образуется проран (узкий проток в теле плотины), от размеров которого зависят объем и скорость падения вод верхнего бьефа в нижний бьеф гидродинамического опасного объекта (ГОО) и параметры волны прорыва.
Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются: волна прорыва, характеризующаяся высотой волны и скоростью ее движения, а также длительность затопления.
Схематично продольный разрез такой сформировавшейся волны показан на рис. 1.8.
Створ разрушенного гидроузла
Рис. 1.8. Схематический продольный разрез волны прорыва
Параметры волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки и характеризуются на расстоянии L, км, от ГТС высотой гребня h, м, и скоростью у, м/с, определяемыми по формулам
- (1.63)
- (1.64)
v = Av/^Bv+L,
где Ah, B)i, Av, Bv - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды в водохранилище) Я(), м, гидравлического уклона реки i (превышения в метрах высоты уровня реки на 1 000 м длины) и относительной ширины прорана В, значения которых приведены в табл. 1.26.
Таблица 1.26
Значения коэффициентов в формулах (1.63) и (1.64)
|
//о, м |
В |
Уклон |
|||||||
|
i = 1 10”4 |
i=l-10~3 |
||||||||
|
Ah |
Bh |
Av |
By |
Ah |
Bh |
Av |
By |
||
|
20 |
100 |
90 |
9 |
7 |
40 |
10 |
16 |
21 |
|
|
40 |
1 |
280 |
150 |
20 |
9 |
110 |
30 |
32 |
24 |
|
80 |
720 |
286 |
39 |
12 |
300 |
60 |
62 |
29 |
|
Окончание табл. 1.26
|
/70, м |
В |
Уклон |
|||||||
|
z = 110’4 |
z= 110’3 |
||||||||
|
Bh |
А |
Bv |
Ai |
Bh |
A- |
Bv |
|||
|
20 |
128 |
204 |
11 |
1 1 |
56 |
51 |
18 |
38 |
|
|
40 |
0,5 |
340 |
332 |
19 |
14 |
124 |
89 |
32 |
44 |
|
80 |
844 |
588 |
34 |
17 |
310 |
166 |
61 |
52 |
|
|
20 |
140 |
192 |
8 |
21 |
40 |
38 |
15 |
43 |
|
|
40 |
0,25 |
220 |
388 |
13 |
21 |
108 |
74 |
30 |
50 |
|
80 |
880 |
780 |
23 |
21 |
316 |
146 |
61 |
65 |
|
Время прихода гребня тф и фронта тф волны прорыва определяется по табл. 1.27 в зависимости от Но, i и удаленности створа объекта от ГТС L.
Таблица 1.27
Время прихода гребня (т,р, ч) и фронта (тф, ч) волны прорыва при разной высоте уровня воды в водохранилище
|
L, км |
Ho = 20 м |
Ho = 40 м |
Ho = 80 м |
|||||||||
|
z=10^ |
z=10“3 |
z=104 |
z=10“3 |
z=10^ |
z=10“3 |
|||||||
|
Ab |
Ap |
Аь |
T vrp |
Аь |
Ap |
Ai> |
Ap |
Аь |
Ap |
A> |
Ap |
|
|
5 |
0,2 |
1,8 |
0,2 |
1,2 |
0,1 |
2 |
0,1 |
1,2 |
0,1 |
1,1 |
0,1 |
0,2 |
|
10 |
0,5 |
4 |
0,6 |
2,4 |
0,3 |
3 |
0,3 |
2 |
0,2 |
1,7 |
0,1 |
0,4 |
|
20 |
1,6 |
7 |
2 |
5 |
1 |
6 |
1 |
4 |
0,5 |
3 |
0,4 |
1 |
|
40 |
5 |
14 |
4 |
10 |
3 |
10 |
2 |
7 |
1,2 |
5 |
1 |
2 |
|
80 |
13 |
30 |
11 |
21 |
8 |
21 |
6 |
14 |
3 |
9 |
3 |
4 |
Продолжительность затопления территории объекта тзат, ч, определяется по формуле
^=?(тф-тф)(1-Лм/Л), (1.65)
где Р - коэффициент, зависящий от высоты плотины Но, м, гидравлического уклона реки i и расстояния прорыва L, м, до затопленного объекта (табл. 1.28); hM - высота месторасположения объекта, м.
Таблица 1.28
Значения коэффициента р
|
iL/H0 |
Относительная высота плотины /70, м, от средней глубины реки в нижнем бьефе /?0, м |
|
|
//()//г0=Ю |
Яо/Ло= 20 |
|
|
0,05 |
15,5 |
18 |
|
0,1 |
14 |
16 |
|
0,2 |
12,5 |
14 |
|
0,4 |
11 |
12 |
|
0,8 |
9,5 |
10,8 |
|
1,6 |
8,3 |
9,9 |
В зависимости от скорости движения и глубины затопления /г!ат, равной /ггр - Лм, степень разрушения зданий и сооружений будет различной (табл. 1.29).
Таблица 1.29
Значения параметров волны прорыва, приводящие к разрушениям объектов
|
Степень разрушения |
||||||||
|
Наименование объекта |
Сильное |
Среднее |
Слабое |
|||||
|
v, м/с |
h, м |
V, м/с |
h, м |
V, м/с |
h, м |
|||
|
Здания и сооружения портов |
||||||||
|
Сборные деревянные жилые до- |
3 |
2 |
2,5 |
1,5 |
1 |
1 |
||
|
ма |
3,5 |
2 |
2,5 |
1,5 |
1 |
1 |
||
|
Деревянные дома (1—2 этажа) | ||||||||
|
Кирпичные малоэтажные здания |
4 |
2,4 |
3 |
2 |
2 |
1 |
||
|
(1-3 этажа) | ||||||||
|
Промышленные здания с легким | ||||||||
|
металлическим каркасом и зда- |
5 |
2,5 |
3,5 |
2 |
2 |
1 |
||
|
ния бескаркасной постройки | ||||||||
|
Кирпичные дома средней этаж- |
6 |
3 |
4 |
2,5 |
2,5 |
1,5 |
||
|
ности (4 этажа) | ||||||||
|
То же с тяжелым металлическим | ||||||||
|
или железобетонным каркасом |
7,5 |
4 |
6 |
3 |
3 |
1,5 |
||
|
(стены из керамзитовых панелей) | ||||||||
|
Бетонные и железобетонные зда- | ||||||||
|
ния. здания антисейсмической |
12 |
4 |
9 |
3 |
4 |
1,5 |
||
|
конструкции | ||||||||
|
Стенки, набережные и пирсы | ||||||||
|
на деревянных сваях |
4 |
6 |
2 |
4 |
1 |
1 |
||
|
То же напряженной конструкции | ||||||||
|
с заполнением камнем |
5 |
6 |
2 |
4 |
1 |
1 |
||
|
То же на железобетонных | ||||||||
|
и металлических сваях |
6 |
6 |
3 |
4 |
1 |
2 |
||
|
Стенки, набережные, молы, вол- | ||||||||
|
ноломы из кладки массивов |
7 |
6 |
4 |
4 |
2 |
2 |
||
|
Оборудование портов |
и промышленных предп |
пиятий |
||||||
|
Станочное оборудование |
3 |
2 |
2 |
2 |
1 |
1 |
||
|
Оборудование химических | ||||||||
|
и электротехнических цехов | ||||||||
|
и лабораторий |
4 |
1,5 |
3 |
1,5 |
1 |
1 |
||
|
Стапели и стапельные места судо- | ||||||||
|
строительных и судоремонтных | ||||||||
|
заводов |
4 |
4 |
3 |
3 |
2 |
1 |
||
|
Трансформаторно-понижающие | ||||||||
|
подстанции |
5 |
2 |
4 |
2 |
2 |
1 |
||
Окончание табл. 1.29
|
Наименование объекта |
Степень разрушения |
|||||
|
Сильное |
Среднее |
Слабое |
||||
|
V, м/с |
11, м |
V, м/с |
11. м |
V, м/с |
h, м |
|
|
Крановое оборудование: |
||||||
|
портальные краны грузоподъ- |
||||||
|
емностью, т: |
||||||
|
5 |
6 |
4 |
6 |
2 |
2 |
1,5 |
|
10 |
8 |
5 |
6 |
2 |
2 |
2 |
|
16 |
8 |
6 |
6 |
3 |
2 |
2 |
|
мостовой перегружатель 16 т |
10 |
9 |
6 |
4 |
2 |
2 |
|
Мосты, дороги и |
транспортные средства |
|||||
|
Деревянные мосты (поток выше проезжей части) |
1 |
2 |
1 |
1,5 |
0 |
0,5 |
|
Железобетонные мосты |
2 |
3 |
1 |
2 |
0 |
0,5 |
|
Металлические мосты и путепроводы с пролетом 30... 100 м |
2 |
3 |
1 |
2 |
0,0 |
0,5 |
|
То же с пролетом более 100 м |
2 |
2,5 |
1 |
2 |
0,0 |
0,5 |
|
Железнодорожные пути Дороги с гравийным (щебеноч- |
2 |
2 |
1 |
1 |
0,5 |
0,5 |
|
ным) покрытием Шоссейные дороги с асфальтовым |
2,5 |
2 |
1 |
1,5 |
0,5 |
0,5 |
|
и бетонным покрытием |
4 |
3 |
2 |
1,5 |
1 |
1 |
|
Автомобили |
2 |
2 |
1,5 |
1,5 |
1 |
1 |
|
Подвижной состав |
3,5 |
3 |
3 |
1,5 |
1,5 |
1 |
|
Плавучие средства |
||||||
|
Мелкие речные суда, катера с осадкой менее 2 м Вспомогательные суда (плавучие |
5 |
2 |
4 |
1,5 |
2 |
1,5 |
|
краны, землечерпательные снаряды и т.д.) |
7 |
2 |
4 |
1,5 |
2 |
1,5 |
|
Крупные речные пассажирские и грузовые суда (с осадкой более 2,5 м) |
9 |
2 |
5 |
1,5 |
3 |
1,5 |
|
Плавучие доки |
8 |
2 |
5 |
1,5 |
3 |
1,5 |
|
Плавучие причалы |
9 |
2 |
6 |
2 |
3 |
2 |
Пример 11. В результате непроизвольного подъема заслонки шлюза на гидроузле образовался проран с относительным размером В = 0,5. На расстоянии L = 30 км вниз по течению реки расположен город. Высота уровня воды перед плотиной Но = 40 м, высота месторасположения города Лм = 3 м, гидравлический уклон реки i = 1-10-3, глубина реки в нижнем бьефе /?0 = 4 м.
Оценить степень разрушения зданий в городе, железнодорожного (металлического) и автомобильного (железобетонного) мостов.
Решение
1. Найдем высоту гребня h и скорость у волны прорыва согласно формулам (1.63) (1.64), используя данные табл. 1.26:
h= 124 / ( 89 + ЗО)о,5~ 11 (м);
у = 32 / (44 + 30) 015 = 3,7 (м/с).
2. Определим время прихода гребня волны прорыва тгр и фронта Тф волны прорыва, интерполируя приведенные в табл. 1.27 данные для L = 30 км:
тф = 1,5 ч; Тгр = 5,5 ч.
3. Продолжительность затопления территории города и завода ТзаТ вычислим по формуле (1.91), предварительно определив по табл. 1.28 для IL/Hq = 110"3-30 ООО / 40 = 0,75 и ЯЛ = 10 значение р = 9,5:
тзат = 9,5 (5,5 - 1,5) (1 - 3,0 / 11) ~ 28 (ч).
4. Оценим степень разрушений в городе (табл. 1.29). При скорости движения волны прорыва v = 3,7 м/с и глубине затопления Лзат, равной Лгр-Лм =11-3 = 8 (м), в городе полностью будут разрушены деревянные дома, сильно разрушены кирпичные малоэтажные здания, получат средние разрушения кирпичные дома средней этажности. Велика опасность сильного разрушения железобетонного и металлического мостов, дорог с гравийным покрытием. Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием получат средние разрушения.
Варианты исходных данных задач по прогнозированию последствий гидротехнических аварий приведены в табл. П2.8.
