автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Оценка надежности и безопасности гидротехнических объектов в рамках теории риска и системного анализа



ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники им. Б. Б. Веденеева»

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В РАМКАХ ТЕОРИИ РИСКА И СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

СТЕФАНИШИН Дмитрий Владимирович

Санкт - Петербург - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЩДРОШХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 13

1.1. Понятия надежности и безопасности в гидротехнике, основные определения и терминология 13

1.2. Состояния гидротехнических объектов при строительстве, эксплуатации и реконструкции 18

1.3. Основные положения математической теории надежности 23

1.4. Опыт оценки надежности гидротехнических объектов 29

1.5. Опыт исследования безопасности в технике и природопользовании 42

1.6. Основные проблемы оценки надежности и безопасности гидротехнических объектов при проектировании и эксплуатации, и задачи диссертационных исследований 45

Глава 2. АНАЛИЗ АВАРИЙ И ШЦИАЛЬНаЭКШОГИЧЕСКИХ

НАРУШЕНИЙ НА ГИДРСЩ^ 51

2.1. Аварии и социально-экологические нарушения на гидротехнических объектах, основные причины и последствия 51

2.2. Причины повреждений и разрушений плотин из грунтовых материалов 55

2.3. Причины повреждений и разрушений бетонных плотин 57

2.4. Причины аварий на водосбросных сооружениях гидроузлов 61

2.5. Причины социально-экологических нарушений на гидротехнических объектах 65

2.6. Моделирование сценариев аварий и социально-эколо-гических нарушений на гидротехнических объектах 70

2.7. Выводы и замечания по пиве 2 80 Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ СИСТЕМНОЙ ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ ПРИ АНАЛИЗЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 81

3.1. Общая постановка задачи 81

3.2. Структурно-логическое моделирование надежности конструкции грунтовой плотины 84

3.3. Методика системного анализа работоспособности

грунтовых противофильтрационных устройств (ядер, экранов) 87

3.4. Структурно-логическое моделирование надежности конструкций глухих бетонных плотин 92

3.5. Системный анализ надежности водосбросных сооружений 99

3.6. Методика статистической оценки надежности гидротехнического затвора с учетом восстановления 105

3.7. Выводы и замечания по главе 3 113 Глава 4. РАСЧЕТЫ ПАРАМЕГРИЧКЖШ НАДЕЖНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 114

4.1. Общая постановка задачи 114

4.2. Факторы, определяющие параметрическую надежность гидротехнических объектов при проектировании и эксплуатации 119

4.3. Вероятностное моделирование определяющих факторов при оценке параметрической надежности гидротехнических объектов 122

4.4. Алгоритм расчета параметрической надежности гидросооружений в рамках метода условных функций риска 132

4.5. Основные положения вероятностного анализа состояний гидротехнических объектов при эксплуатации 135

4.6. Выводы и замечания по главе 4 140 Глава 5. ВЕРОЯТНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ РАБОГООТОСХЖНОСШ

ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С УЧЕТОМ НЕПОЛНОГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ 141

5.1. Общая постановка задачи 141

5.2. Основные виды неполного резервирования работоспособности гидротехнических объектов 142

5.3. Вероятностная оценка работоспособности грунтового противофильтрационного устройства с учетом неполного структурного резервирования 145

5.4. Вероятностная оценка общей фильтрационной прочности грунтовых гидросооружений и оснований с учетом неполного структурного резервирования 147

5.5. Вероятностная оценка работоспособности многосекционного затвора на подъем с учетом резервирования

по приоритету 150

5.6. Учет приоритета при оценке надежности водосбросного фронта гидроузла 156

5.7. Выводы и замечания по главе 5 158

Глава 6. жшткшш МЕТОДА ДЕРТгаЮСЖАЗОВПт

КЕНДДЕЖНОСЖШДРОШХНИЧЕСХ^ 160

6.1. Общая постановка задачи 160

6.2. Классификация отказов гидротехнических объектов и

их отображение на диаграмме дерева отказов 161

6.3. Логические операторы дерева отказов и определение вероятностей событий-следствий 164

6.4. Особенности использования логических операторов при построении деревьев отказов для гидротехнических объектов 167

6.5. Выводы и замечания по главе 6 176 Глава 7. ОЦЕНКА РЕСУРСА ПВДРОГЕЕХЬШЧЕСКЖ ОБЪЕКТОВ 177

7.1. Общая постановка задачи о долговечности гидротехнических объектов 177

7.2. Теоретические и практические аспекты старения и износа гидротехнических объектов 180

7.3. Методика оценки назначенного и остаточного ресурса гидротехнических объектов по критериям риска 186

7.4. Назначение оптимальных сроков ремонта и реконструкции гидротехнических объектов 190

7.5. Выводы и замечания по главе 7 192 Глава 8. НОРМИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ 194

8.1. Общая постановка задачи 194

8.2. Статистические оценки аварийности гидротехнических сооружений 199

8.3. Оценка нормативной надежности гидротехнических сооружений по критериям риска 205

8.4. Выбор класса грунтовых гидросооружений накопителей промышленных отходов по критериям риска превышения расчетных сочетаний нагрузок и воздействий 213

8.5. Выводы и замечания по главе 8 216 Глава 9. АНАЛЮЖЮШСНОСШГИДРСЯЕХНИ^ 217

9.1. Основные принципы обеспечения безопасности гидротехнических объектов при проектировании и эксплуатации 217

9.2. Концепция обеспечения социально-экологической безопасности гидротехнических объектов как при-родно-технических систем 223

9.3. Определение опасностей и факторов риска гидротехнического строительства 228

9.4. Методика оценки обобщенного риска, связанного со строительством и эксплуатацией гидротехнических объектов 233

9.5. Выводы и замечания по главе 9 237 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 238 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 241 ПРИЛОЖЕНИЯ

1. Результаты вероятностного анализа устойчивости откоса дамбы хвостохранилшца с учетом сейсмического фактора и работы дренажных устройств 260

2. Результаты вероятностной оценки состояния цементационной завесы и дренажа грунтовой плотины Нарв-ской ГЭС по данным фильтрационных наблюдений 267

3. Расчет дерева отказов при оценке риска аварии для варианта Ирганайской грунтовой плотины с наклонным суглинистым дцром 274

4. Оценка назначенного ресурса гидротехнического затвора строительного вод о сбро са на число подъемов 279

5. Результаты расчета обобщенного социального риска, связанного с трансформацией русла реки в нижнем бьефе Новосибирского гидроузла 282

ВВЕДЕНИЕ

Гидротехнические объекты (ГТО) - гидроузлы, гидротехнические сооружения (ГТС), их конструкции, основания, конструктивные элементы и оборудование, водохранилища - относятся к числу наиболее распространенных среди сложных и ответственных с тех-нико-экономической, экологической и социальной точек зрения инженерных объектов, обеспечению надежности и безопасности которых уделяется значительное внимание.

В то же время, методы оценки надежности и безопасности ГТО - наименее разработанный и изученный раздел современной теории надежности. В частности, расчеты ГТО на надежность не согласуются с действующими ГОСТ 27.002-89 [53] и ГОСТР 27.310-93 [54].

Исторически теория надежности получила наибольшее развитие по отношению к серийным объектам - изделиям, устройствам, аппаратам, машинам, конструкциям, сооружениям, системам и к объектам, в том числе мало серийным и уникальным, состоящим из элементов массового производства. Особенностью же большинства ГТО является высокий уровень индивидуальности инженерных решений, связанных, прежде всего, с условиями их эксплуатации. При этом закономерно возникает вопрос о принципиальной возможности использования методов математической теории надежности, развитой по отношению к массовым объектам, работающим в достаточно однородных условиях, к ГТО - плотинам, водосбросам, зданиям гидроэлектростанций (ГЭС), насосным станциям, каналам и т. п. - объектам, как правило, единственным в своем роде, которые возводятся и эксплуатируются в различных природных, технико-экономических и социально-экологических условиях.

В настоящее время проверка ГТО на надежность осуществляется по методу предельных состояний. Данный метод ориентируется нк учет изменчивости исходной информации о нагрузках и воз-

действиях, показателях свойств материалов и грунтов, параметрах исходного состояния сооружений и условиях их работы при помощи системы нормативных коэффициентов. При этом, часто, имеет место недостаточная объективность при их назначении, особенно по основным и особым сочетаниям нагрузок и воздействий и условиям работы сооружений - весьма ответственным моментам обеспечения надежности ГТО. Необходимость разрешения многих неопределенностей метода предельных состояний заставляет специалистов использовать методы теории вероятностей и математической статистики при обработке исходной информации, что объективно ведет к выводам о связи между изменчивостью «входных» расчетных параметров и изменчивостью «выходных» характеристик, по которым определяется состояние сооружения.

Современная теория надежности исходит го статистической интерпретации как параметров «входа», так и «выхода», что является одной из причин осторожного отношения гидротехников к методам математической теории надежности. При этом справедливо замечается, что, поскольку, проведение активных экспериментов на ГТО не допускается, то статистическая интерпретация показателей надежности как вероятностей реализации соответствующих событий для произвольных объектов представляется сомнительной.

Однако, проектирование и оценка надежности ГТО и при традиционном подходе содержат элементы вероятностного анализа. Поэтому важно обозначить условия, при которых подходы и методы математической теории надежности могут быть применимы и по отношению к ГТО.

Во-первых, для целей исследований надежности ГТО вместо статистической интерпретации вероятности события используется понятие индивидуальной (байесовской или же субъективной) вероятности - как меры уверенности в истинности суждения, благопри-

ягном исходе событий в системе и т. п. Научное закрепление такой подход получил в теории операций - прикладной дисциплине, изучающей планирование действий для достижения оптимального по вероятности эффекта [23, 94,137,138,144,203]. В этом случае задача надежности ГТО, в наиболее общей постановке, сводится к выбору оптимальных технических решений, связанных с обеспечением и поддержанием требуемой работоспособности объекта в течение заданного периода времени и при заданных условиях эксплуатации, технического обслуживания и ремонта, в условиях риска.

Характерными формальными представлениями функции надежности, при этом, могут быть: минимизация ожидаемых затрат или же максимизация ожидаемого эффекта (совокупного дохода, прибыли), связанных со строительством и эксплуатацией объекта [94, 97, 147, 203, 209, 259, 282]. Основная цель исследований по надежности при такой постановке задачи заключается в поиске рационального распределения расходов на создание объекта, текущих затрат на поддержание его работоспособности во время службы (в том числе и с учетом вероятных убытков и потерь при отказах и авариях) и затрат на восстановление или ликвидацию при достижении предельного состояния. Исходя из оптимизации естественный путь решения задачи надежности применительно к ГТО видится в количественном изучении процессов и условий перехода объектов из работоспособного состояния в неработоспособное и наоборот -из неработоспособного состояния в работоспособное, в оценке вероятностей нахождения объекта в том или ином состоянии.

Во-вторых, при анализе надежности ГТО необходимо учитывать то, что переход ГТО в неработоспособное состояние часто может быть связан с угрозами для населения и окружающей среды. В данном случае формальное решение задачи надежности как задачи оптимизации представляется весьма сложным, а иногда и невоз-

можным. Здесь речь может идти об ограничении вероятных потерь, что подразумевает необходимость исследования процессов приближения объекта к состояниям, связанным с авариями и чрезвычайными ситуациями, количественного анализа последствий их возможного наступления или, другими словами, - оценки безопасности объекта по отношению к окружающей среде и населению.

В методе предельных состояний отчетливо прослеживается попытка учета ответственности ГТО и возможного ущерба народному хозяйству в связи с авариями или чрезвычайными ситуациями. Однако, выбор решений по ГТО в данном случае так или иначе сводится к использованию своего рода «доверительных» значений по безопасности/риску. Последние, выражаясь через задаваемые нормами обеспеченности показателей свойств материалов и грунтов, вероятности сочетаний и вероятности превышения параметров нагрузок и воздействий и т. п., прямо или косвенно вводятся как вероятности непринятия/принятия ошибочных решений по тому или иному фактору. Это означает, что риск при расчетах ГТО по методу предельных состояний не исключается и при «удачно» выбранных расчетных значениях определяющих параметров. Причем определенная степень риска вводится осознанно, так как принятие решения без риска, т. е. с предельно пессимистической позиции, как правило, не выгодно, и не только с технико-экономических соображений.

Естественно, что такой риск, во-первых, должен учитываться по возможности полно и описываться количественно, что позволит сравнивать варианты по их безопасности; во-вторых, - ограничиваться и не превышать некоторый допустимый уровень. Рассматривая ГТО в аспекте безопасности, мы приходим к необходимости вероятностного анализа поведения объектов в форме риска.

Принятие решений по ГТО при проектировании, строительстве и эксплуатации всегда сопряжено с необходимостью учета боль-

шого числа факторов при поиске оптимальных вариантов, что требует использования системного подхода. Положительным моментом реализации системного подхода при оценке надежности и безопасности ГТО в рамках математической теории является возможность на основе различных направлений исследований, объединенных единой целью, получить в итоге интегральные количественные оценки. Системный подход присутствует и в методе предельных состояний -при дифференциации объекта на расчетные единицы, использовании системы расчлененных коэффициентов надежности и проверке сооружения на различные предельные состояния. Однако он не доведен до логического завершения - композиции частных оценок. В то же время возможность осуществления процедуры анализа по схеме <<дифференциация-композиция>> представляется несомненным достоинством методов математической теории надежности.

Весьма полезным системный подход оказывается и при исследованиях безопасности - при дифференциации риска по отдельным факторам риска и его композиции - обобщении риска по техническим, экологическим и социальным аспектам безопасности.

Исходя из вышесказанного была конкретизирована цель диссертационных исследований, а именно - используя опыт метода предельных состояний и методов современной теории надежности, разработать на этой основе методологию оценки надежности и безопасности гидротехнических объектов в рамках теории риска и системного анализа.

Основными отправными положениями при разработке методов расчета ГТО на надежность и безопасность являлись:

- современные подходы и методы общей и математической теорий надежности и теории риска;

- результаты исследований по проблемам безопасности в технике и природопользовании;

- положения существующих норм проектирования, правил эксплуатации и достижения в области проектирования, научного обоснования и расчетов ГТС;

- результаты анализа аварий на ГТО разных типов и назначения и чрезвычайных ситуаций, связанных с эксплуатацией ГТО;

- опыт вероятностных расчетов ГТС на надежность.

Диссертационная работа состоит из введения, девяти глав, заключения и пяти приложений. В первой главе дается общая постановка задачи. Формулируются понятия надежности и безопасности ГТО, приводятся определения и анализируется принятая терминология. Рассматриваются характерные состояния ГТО при строительстве и эксплуатации. Анализируется опыт применения вероятностного подхода к оценке надежности ГТО и рассматриваются основные принципы анализа безопасности в технике и природопользовании. Обозначаются основные проблемы оценки надежности и безопасности ГТО при проектировании и эксплуатации и формулируются задачи диссертационных исследований. Во второй главе приводятся результаты анализа аварий и социально-экологических нарушений, имевших место на ГТО различных типов. Даются примеры построения сценариев аварий и нарушений при помощи причин-но-следственных диаграмм. В третьей главе обосновываются принципы использования методов системной теории надежност