автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Расчёт гидродинамических процессов при разрушении водоподпорных грунтовых сооружений и ледовых образований

На правах рукописи

005012ЛЛЛ

КУШНЕРОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

РАСЧЁТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ВОДОПОДПОРНЫХ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ш 2С12

Новосибирск 2012

005012333

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений и гидравлики в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель: Дегтярёв Владимир Владимирович (мл.)

Официальные Седых Виталий Алексеевич - доктор техниче-оппоненты: ских наук, профессор, Новосибирская государственная академия водного транспорта, проректор по учебной работе

Горлов Николай Иванович - кандидат технических наук, доцент, Новосибирский государственный технический университет, кафедра тепловых электрических станций, доцент

Ведущая Новационная фирма «КУЗБАСС-НИИОГР» -

организация: Аналитический центр по мониторингу безопасности гидротехнических сооружений

Защита состоится «27» марта 2012 года в 16.00 часов на заседаний диссертационного совета ДМ 212.171.03 в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) по адресу: 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, ИЗ, ауд.239

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин)

Автореферат разослан

2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Дзюбенко Любовь Фёдоровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы обусловлена тем, что в настоящее время на территории России эксплуатируется несколько десятков тысяч плотин и других гидротехнических сооружений III и IV классов, уровень безопасности которых за последние 10 лет снизился в результате уменьшения объёмов ремонтных работ, сокращения штатов эксплуатационного персонала н ряда других причин. Кроме того, в отличие от сооружении I и II классов, гидротехнические сооружения III и IV классов имеют значительно меньшее количество контрольно-измерительной аппаратуры или не имеют её вообще и эксплуатируются менее квалифицированными кадрами.

Плотины из грунтовых материалов, зачастую являющиеся основным элементом напорного фронта гидроузлов, представляют источник наибольшей потенциальной опасности. Опасным последствием при авариях на гидротехнических сооружениях является прорыв напорного фронта и возникновение волны прорыва, распространяющейся в нижнем бьефе гидроузла.

Затопление территории приводит не только к огромным материальным потерям и негативному воздействию на окружающую природную среду, но и к человеческим жертвам.

Рациональное использование, охрана водных ресурсов и жизнеобеспечение населения непрерывно связаны ещё с одним фактором, обуславливающим ряд проблем, возникающих при образовании заторных явлений на реках, причём независимо от географического расположения бассейнов. Вызываемые ледовыми заторами наводнения, называемые локальными, образующиеся на вышележащем участке в результате подпора, и на нижележащем при их разрушении, являются причинами не менее значимых последствий, нежели при разрушении водоподпорных сооружений, дамб обвалования и других объектов.

Целями диссертационной работы являются выбор методов расчётов, применяемых при:

- оценке последствий гидродинамических аварий, возникающих при разрушении водоподпорных гидротехнических сооружений объектов различного функционального назначения;

- разработке мероприятий по борьбе с ледовыми заторами на основе определения места их образования, условий их естественного и последствий техногенного разрушения.

Задачи исследования:

- выполнение сопоставительного анализа и выбор метода расчёта параметров волн прорыва, образующихся в результате разрушения водоподпорных грунтовых сооружений;

- определение параметров волны прорыва, образующейся при разрушении дамбы обвалования накопителя промышленных отходов и распространения волны прорыва по «сухому руслу»;

- разработка новой, достаточно простой инженерной математической модели формирования и условий разрушения ледовых заторов;

- расчёт параметров волновых процессов при разрушении групповых заторов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- на основе сопоставительного анализа результатов, применительно к рассматриваемому объекту, установлено, что упрощённые методы расчёта для определения зоны возможного затопления при разрушении водоподпорных грунтовых сооружений, рекомендуемые к использованию при разработке декларации безопасности ГТС, зачастую не позволяют получить достоверные результаты, что обусловлено достаточно грубой гидравлической схематизацией рассматриваемых явлений и закладываемых в их основу условий на границах;

- впервые для расчёта параметров аварийного излива из накопителей промышленных отходов при разрушении дамб обвалования и распространения волны прорыва по «сухому руслу» применена методика, использующая «метод частиц», к достоинствам которого, в отличие от других методов, относится присущая ему консервативность, отсутствие необходимости в сложных перестраиваемых сетках, что обуславливает высокую эффективность его использования для задач рассматриваемого типа;

- предложена простая инженерная модель для выявления условий, места и времени образования ледовых заторов и возможности их разрушения, не требующая большого объёма исходной информации и позволяющая оперативно корректировать мероприятия по их ликвидации;

- применительно к ледовым явлениям, разработана методика и выполнен расчёт параметров волновых процессов при разрушении групповых заторов, позволяющий устранить возможность возникновения «антропогенных» наводнений.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты сопоставительного анализа параметров волн прорыва и зон затопления территории, образующихся в результате разрушения водоподпорных грунтовых сооружений, рассчитанных по различным методикам;

- результаты расчёта и анализ параметров волны прорыва, распространяющейся по «сухому руслу»;

- анализ условий формирования и разрушения заторных явлений;

- модель выявления места образования ледовых заторов и возможности их разрушения;

- результаты расчёта параметров волновых процессов при разрушении групповых заторов.

Практическая значимость работы:

- использование полученных результатов при разработке деклараций безопасности гидротехнических сооружений в части определения параметров волны прорыва и зоны возможного затопления нижнего бьефа, позволяет обоснованно разрабатывать мероприятия по эвакуации населения и ликвидации последствий аварийных ситуаций;

- возможность обоснованной разработки мероприятий по борьбе с ледовыми заторами и уменьшением последствий наводнений, ими обусловленными, в результате их разрушения.

Личный вклад автора состоит в получении основных научных результатов, при выполнении расчётов волн прорыва, применительно к объектам различного функционального назначения и аварийным ситуациям, возникающим вследствие различных причин и развивающимся по различным сценариям; участии в обследовании гидротехнических сооружений и прилегающих к ним территорий для получения исходных данных для выполнения расчётов.

Публикации. Опубликованы три статьи в журнале «Известия вузов. Строительство», входящем в список изданий, рекомендуемых ВАК РФ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава НГАСУ (Сибстрин) (2005-2011гг.), на заседаниях технического совета ООО Новосибирского филиала «ИКЦ «Промтехбезопасность» (2005-2009 гг.).

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из Ш5 наименований. Содержит 136 страниц печатного текста, включает 51 рисунок, 12_таблиц.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во введении формулируются основные цели и задачи диссертационной работы.

Обосновывается актуальность решения задачи оценки гидродинамических аспектов аварийных изливов и расчёта параметров волны прорыва при разрушении водоподпорных сооружений. Отмечается, что в нашей стране на многих ГТС риск аварий существенно возрос в связи с различными нарушениями в процессе эксплуатации, старением отдельных узлов сооружений и оборудования, отсутствием проектной документации, дефицитом квалифицированного персонала.

Отмечается актуальность исследований заторных явлений и их последствий в связи с необходимостью оперативной оценки и устранения последствий катастрофических ситуаций, вызванных формированием заторов в руслах рек.

В первой главе {Причины и факторы возникновения аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях и природных объектах) рассматриваются основные факторы, влияющие на возникновение и развитие аварийных ситуаций при разрушении водоподпорных грунтовых сооружений, проанализированы причины возникновения ледовых заторов на реках и вызванные ими наводнения.

При аварии на гидротехнических сооружениях наиболее опасным последствием является прорыв напорного фронта и возникновение волны прорыва, распространяющейся в нижнем бьефе гидроузла, что может привести к большим экономическим потерям, негативным экологическим и социальным последствиям. Серьёзный вред состоянию окружающей человека природной водной сре-

ды и хозяйственным объектам могут причинить аварии на хвосто-хранилищах или других накопителях жидких отходов.

Подтверждается, что во избежание аварийных ситуаций, связанных как с природными условиями, так и человеческим фактором, необходима достоверная оценка возможных последствий, обусловленных распространением волны прорыва, возникающей при внезапном разрушении грунтовых сооружений. Рассматриваются природные факторы, влияющие на процесс заторообразова-ний и развитие гидродинамических аварий при разрушении, в том числе и групповых заторов.

Отмечается, что ледовые заторы, выступая в роли своеобразных дамб, вызывающих наводнения на вышележащих участках, в результате разрушения являются причиной образования волны прорыва и затопления нижележащих участков. Информация о параметрах волны прорыва позволяет своевременно осуществить мероприятия по защите или даже эвакуации населения, объектов промышленного и гражданского строительства.

Во второй главе (Некоторые теоретические и экспериментальные исследования нестационарных гидродинамических процессов в открытых руслах) дан обзор исследований, выполненных с целью изучения нестационарных гидродинамических процессов в открытых руслах, а также касающихся гидродинамики волн прорыва при разрушении ледовых заторов на реках.

Математическому моделированию неустановившегося движения водных потоков в открытых руслах посвящены работы В.А. Архангельского, С.А. Христиановича, Б.Л. Историка, В.М. Лятхера, А.Н. Милитеева, JI.C. Кучмента.

Значительный вклад в основы вычислительной гидравлики, применительно к рекам и каналам, в разработку соответствующих математических моделей внесли учёные Сибирской научной школы: О.Ф. Васильев, A.A. Атавин, В.И. Букреев, А.Ф. Воеводин, М.Т. Гладышев, B.C. Никифоровская, A.C. Овчарова, В.Г. Судоби-чер, С.М. Шугрин, В.В. Остапенко, В.Ю. Ляпидевский, В.А. Шлычков.

В настоящее время работа над проблемой описания нестационарных гидродинамических процессов и явлений им сопутствующих продолжается силами научных школ: институтов СО РАН, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева», Санкт-Петербургского поли-

технического института, ОАО «Институт Гидропроект»; МГСУ, МГУП, НГАСУ (Сибстрин) и других.

Сложность и неоднозначность ледовых заторных явлений также послужили причиной разработки многочисленных методов их прогноза, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований, которые ведутся с середины прошлого века. Значительный вклад в изучение ледовых явлений, причин и условий образования ледовых заторов, а также прогнозирования максимальных заторных уровней внесли В.П. Берденников, Г.И. Болотников, В.А.Бузин, Я.Л. Готлиб, Н.Н.Гришин, Е.И. Дебольская, Р.В. Донченко. М.А. Жукова, Д.В. Панфилов, Б. Мишель, Дж. Кеннеди и др.

В разные годы проводились широкомасштабные исследования заторных явлений на одной из затороопасных рек - Лене, осуществлённые М.К. Фёдоровым, сотрудниками Якутского управления гидромедслужбы A.C. Рудневым, К.И. Кусатовым, В.В. Кильмяни-новым и др.

В третьей главе (Расчёт параметров волны прорыва в ток-нем бьефе водоподпорного грунтового сооружения) определяются параметры волны прорыва, с помощью математической модели, позволяющей обеспечить достаточную достоверность расчётов в конкретных условиях решаемой задачи. Расчёты выполнялись на примере нескольких объектов.

Для описания рассматриваемого процесса использовалась математическая модель, основанная на известных уравнениях Сен-Венана:

да дО — + — = q-,

dt дх

Ґ 2\

dQ dt; д

— + £CÖ— + — dt дх дх

Q

ч. р

(і)

ю

V У

где д - боковая приточность, м2/с; со(х,ґ) = ю(х, /г(х, /)) - площадь поперечного сечения потока, м2; /г(х, /)= С,(х,І)-г(х) - средняя глубина потока, м; ^(х,/) - уровень свободной поверхности потока, м; г(х) - осреднённая по ширине русла отметка дна, м; р - плотность воды, кг/м3;т- напряжение трения на поверхности русла, Па; % -смоченный периметр, м.

При осуществлении расчёта, основанном на методе характеристик с пересчётом, использована прямоугольная разностная сетка.

Каждый шаг состоит из двух этапов: на первом определяются предварительные значения параметров на новом шаге по времени по явной схеме на основе метода характеристик, на втором - найденные значения корректируются, исходя из аппроксимации второго порядка.

В качестве граничного условия в начальном створе задаётся расход, как известная функция времени £)(/). С этой целью, при назначении начальной глубины, ширины прорана и учёта параметров его конструктивных особенностей, использовались методы, предложенные учёными Московского государственного университета природообустройства, института безопасности гидротехнических сооружений (г. Новочеркасск) и друпгх.

Для оценки гидравлического сопротивления русла, выполнялось детальное обследование территории нижнего бьефа, и применялись существующие методы его оценки.

Граничное условие в конечном створе задаётся в виде эмпирической кривой связи между расходом и уровнем воды.

В местах сопряжения участков, отличающихся лишь своими поперечными сечениями, в качестве одного из условий сопряжения принимается непрерывность расхода Q, второго - равенство отметок свободной поверхности водного потока.

Результаты расчёта включают следующие параметры волны прорыва: максимальные, минимальные отметки уровней воды в расчётных створах; максимальные, минимальные скорости распространения волны; максимальные, минимальные расходы воды в створах; ход изменения уровней воды; динамика распространения фронта волны. Определена площадь затопления.

Выполнен сравнительный анализ результатов расчётов параметров волны прорыва различными методами, в том числе по «Методике оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов», согласованной с МЧС России и рекомендуемой к использованию при разработке декларации безопасности ГТС.

На рисунке 1 показаны графики максимальных отметок уровней свободной поверхности волны прорыва, рассчитанных по «Методике оперативного прогнозирования инженерных последствий

Обозначение границы заюшіения территории: «•*»»»» - но результатам расчетов Гидропроекта; «яя - по результатам расчетов методом В.В Лебедева и но

«Методике оперативного прогнозирования...»; —— - но результатам расчетов по уравнениям Сен-Венава.

Рисунок 2 - Сопоставительный анализ результатов расчета зон затопления территории в нижнем бьефе гидроузла

При определении площадей затапливаемых территорий различными методами, нолучены следующие значения зоны затопления: рассчитанная по методу В.В. Лебедева и по «Методике опера-

прорыва гидроузлов» (Ряд 1) и на основе использования системы дифференциальных уравнений Сен-Венана (Ряд 2).

н, м 290

220

О 20 40 60 80 100 120

-—Ряді —*—Ряд2 Рисунок 1 - Максимальные отметки уровня свободной поверхности волны прорыва для одного из объектов

Сопоставительный анализ зон затопления представлен на сунке 2.

ри-

тивного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов» составляет 333 км2; по методу института «Гидропроект» -172,7 км2; рассчитанная по методу, основанному на использовании системы дифференциальных уравнений Сен-Венана, - 160 км2.

Сравнение и оценка полученных данных свидетельствует о том, что упрощённые подходы к решению дают значительно завышенные результаты, что в дальнейшем, безусловно, скажется на оценке размера вероятного вреда от гидродинамической аварии.

В четвёртой главе (Расчёт параметров волны прорыва и определение возможной зоны затотент при аварии на дамбе накопителя жидких отходов) определялись параметры волны прорыва, распространяющейся по «сухому руслу», при разрушении глухой дамбы накопителя жидких отходов.

В настоящее время разработан ряд высокоточных методов и алгоритмов для решения задачи о распространении волны прорыва по сухому руслу. Однако эти методы достаточно сложны в использовании, требуют высокой квалификации пользователей и значительных затрат вычислительных ресурсов. Поэтому для расчета распространения волны прорыва по «сухому руслу» было принято решение остановиться на варианте «метода частиц», который имеет достаточно простую физическую интерпретацию, обеспечивает строгое соблюдение закона сохранения массы по своему построению и позволяет прозрачно контролировать баланс импульса.

Математически это явление моделируется задачей со свободной границей и с переменной областью определения для уравнений (1), описывающих нестационарное течение потока жидкости. Для её численного решения применялась одна из модификаций «метода частиц» - «метода подвижных конечных элементов» (предложенного C.B. Богомоловым).

Метод оперирует с двумя группами подвижных объектов -«частицами массы» и «частицами импульса». Расчет на каждом шаге по времени производится в два этапа: на первом рассчитывается перемещение «частиц», а на втором осуществляется корректировка положения и размеров «частиц» с учетом их взаимодействия. Преимуществом такого подхода является гарантированная консервативность применяемого метода, т.е. в процессе счета не происходит счетной диссипации массы или импульса. Во-вторых, метод естественным образом учитывает подвижность границ области оиределе-

ния и позволяет весьма просто рассчитывать положение фронта волны прорыва и ее параметры.

Расчёт включает в себя определение следующих параметров волны прорыва: максимальные расходы, отметки водной поверхности; максимальные скорости течения (рисунок 3); время достижения волной прорыва расчётного створа; продолжительность затопления территории в результате аварии; площадь затопления.

н и V. м/с

320

200

Рисунок 3 - Максимальные отметки свободной поверхности и скорости потока

В пятой главе (Оценка параметров волн прорыва при разрушении ледовых заторов) представлены математическая модель условий формирования и разрушения ледовых заторов и модель, определяющая гидродинамические последствия разрушения групповых заторов.

Многие проблемы обуславливаемые образованием ледовых заторов, можно избежать, если заранее определить где и какой мощности может образоваться затор, когда и при каких условиях он разрушится.

Рассматривается одномерная постановка задачи моделирования ледохода, которая оперирует с осредненными характеристиками потока и ледового покрова, позволяющая дать интегральную картину описываемого явления. Данная схема является вариантом достаточно упрощенного подхода к описанию и расчету этого яв-

ления. Она опирается на небольшое количество исходных данных, что является её преимуществом.

Ледоход моделируется совокупностью свободно плывущих льдин, имеющих среднюю толщину И\ (рисунок 4).

.о й

.-""О' ' || 1

штшшш* .. 11 . - ч-ГТТТТП

г' ' '-г-т-т-г-г-г- ^^^-Г-ГТ! / II II гг

Рисунок 4 - Схема ледохода

Средняя концентрация льдин о на некотором участке русла будет выражаться отношением площади занятой льдом на этом участке, к общей площади 51 поверхности воды на этом участке. Общая ширина ледового фронта в створе х будет равна В\ = аВ, где В - ширина русла в этом створе. При достижении некоторой критической концентрации плывущего льда о^, льдины начинают наползать друг на друга и на берега, в результате толщина ледового поля увеличивается. Далее движение воды рассматривается как напорное.

При превышении давления подо льдом критического значения р{а, которое соответствует пределу прочности льда, льдина разрушается и вода выходит на её поверхность.

Уравнение баланса массы льда фактически представляет собой уравнение относительно концентрации о в дивергентной форме:

— (<хв) + — (аВГ{)=0. (2)

3/ дх

Воздействие водного потока на лед определяется следующим уравнением:

г \ дС , ч \v-v.\iv-v.) / (о,V-) = -gp■aBk — + С,(1 -а)тр.сВк 1-^-''

И ' '& 11 1 1 и.

_Р

л;

где С,1 - коэффициент лобового сопротивления льдины; Ц - характерный линейный размер льдин, м; X - коэффициент гидравлического трения; р, - плотность льда, кг/м3; А; - толщина льда, м; У - средняя скорость перемещения льдин, м/с; У - средняя скорость водного потока, м/с; ш - эмпирический показатель степени.

Состояние льдины, отвечающее покою льда, соответствует выражению У=0. Безнапорное движение воды описывается одномерными уравнениям Сен-Венана, где дополнительно учитывается трение воды о лёд.

Для напорного движения потока подо льдом, уравнение неразрывности можно выразить относительно скорости воды У и гидродинамического давления подо льдомр, в следующем виде:

др. др 2 дУ 2 УЕ

— + У. —- + ра -= -ра -

9/ дх дх ю кс

д(й дх

где

да дх

(4)

ско-

. - член, учитывающий непризматичность русла, а

рость распространения малых возмущений при напорном движении потока подо льдом, м/с; к( - коэффициент податливости ледового покрова; Е\ - модуль упругости льда, Па.

Уравнение движения представлено в следующем виде:

дУ д — + g —

д! дх

(

\

г Р1 У V 1

рю

рш

коВ

рю

(5)

здесь к - удельное напряжение лобового сопротивления льдин; тш- напряжение трения воды о нижнюю поверхность льдины, Па.

Для решения нестационарной задачи (1) - (5) задаются граничные и начальные условия.

В начальном створе за исходные значения принимаются расход воды, отметки водной поверхности, толщина и концентрация льда как функции времени, и др.

В конечном створе задаются отметки водной поверхности или кривая связи глубин и расходов воды в заданном створе.

На границе, где безнапорный режим переходит в напорный, задаются баланс масс и баланс давлений.

Представленная модель позволяет определить створы, в которых будет происходить остановка и скопление ледовых масс, а также моменты их образования и последующего разрушения.

Не менее сложной задачей является разрушение групповых заторов. Суть гидравлического расчёта заключается в том, что групповые ледовые заторы представляются в виде системы каскадных подпорных плотин, разрушение которых может происходить как сверху вниз, так и снизу вверх.

На рисунке 5 представлена расчетная схема образования группового затора. Здесь узлы (створы) 1 - 4 соответствуют заторам, расчетные участки между этими узлами (¿ь Ь2, Ь3) соответствуют участкам реки между соответствующими заторами.

®-<0--Тг--Ф—ТГ^®—

X

Рисунок 5 - Расчетная схема

При использовании схемы «сверху вниз» разрушение первого верхнего затора вызывает возникновение мощного напорного вала из воды и льда, который способен «сбить» нижние заторы. Однако при этом важны правильный учёт расстояния между смежными заторами, погодных условий и высоты подпорного уровня воды перед верхним затором. При значительном перепаде уровней выше и ниже верхнего по течению реки затора, его разрушение может значительно ухудшить ситуацию на нижележащем участке.

Для расчетов применялась также математическая модель, основанная на уравнениях Сен-Венана в дивергентной форме.

Движение воды в руслах равнинных рек обычно характеризуется спокойным состоянием потока. В этом случае для каждого узла задаётся столько условий сопряжения, сколько участков примыкает к данному узлу. Эти условия связывают значения основных

неизвестных, уровень и расход на тех концах /-х участков, которые примыкают к рассматриваемому узлу у.

Ниже приводятся примеры граничных условий.

В начальном створе рассматриваемого участка (узел «О») задается расход как известная функция времени:

б/ = й1(')- (6)

В конечном створе рассматриваемого участка (узел «5») задается эмпирическая кривая связи между уровнем и протекающим расходом:

В качестве граничного условия ниже затора может выступать и соотношение, выражающее постоянство приходящего «из бесконечности» (снизу) возмущения:

(8)

Затор в первом приближении будет рассматриваться как местное сопротивление, определяющее величину дренажа через затор:

Я-1-Я

<2

е

- +

2Яш? *ф а)

(9)

где ()> - расход через затор (дренаж), м3/с; - приведенный коэффициент гидравлического сопротивления затора; 5j - средняя (расчетная) протяженность затора, м; кф - коэффициент фильтрации через затор; щ - площадь поперечного сечения затора, м2.

Критерием разрушения затора может служить соотношение

1 > ^ + -^/г' (Ю)

где /V,- сила давления воды на затор со стороны верхнего бьефа (зависит от уровня воды Н; р)- сила давления воды на затор со стороны нижнего бьефа (зависит от уровня воды^ч), Н; /гасила сопротивления покоя для рассматриваемого затора, Н.

Расчет начинается с момента полного разрушения одного из заторов. Далее рассматривается задача о распространении возникших волн вниз и вверх по течению.

На рисунках 6, 7 приведены примеры расчёта изменения во времени отметок свободной поверхности потока и расхода при разрушении заторов.

потока и расхода при разрушении среднего затора

Рисунок 7 - Изменение во времени отметок свободной поверхности потока и расхода при разрушении верхнего затора

Оценка параметров ледовых заторообразований с использованием рассмотренных математических моделей позволит повысить эффективность борьбы с ледовыми заторами на реках и вызывающими их наводнениями.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлено, что методы определения зоны возможного затопления при разрушении подпорного сооружения, рекомендуемые для использования органами государственного надзора за ГТС и применяемые при разработке деклараций безопасности ГТС, дают завышенные результаты при оценке площади затопления.

2. Результаты расчёта параметров волны прорыва, распространяющейся по «сухому руслу» при разрушении подпорного сооружения накопителя промышленных отходов, позволяют обоснованно определить величину ущерба при аварийном изливе.

3. Предложенный метод определения места образования ледовых заторов и условий их возможного естественного разрушения на основе простой инженерной модели позволяет выполнять оперативное планирование мероприятий по их ликвидации.

4. Расчёт параметров волн перемещения, возникающих при разрушении групповых заторов, даёт возможность осуществлять необходимые и эффективные мероприятия по борьбе с ледовыми заторообразованиями на реках и вызванными ими наводнениями.

5. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием известных моделей, основанных на фундаментальных уравнениях гидродинамики, и методов их численной реализации; сравнением результатов расчётов с материалами натурных наблюдений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Тарасевич В.В. Оценка последствий разрушения водопод-порных гидротехнических сооружений / В.В. Тарасевич, О.Н. Кушнерова // Известия вузов. Строительство. - 2009. - № 10. -С. 39-45.

2. Тарасевич В.В. Расчет волны прорыва и зоны затопления в результате возможной аварии на дамбе хвостохранилища / В.В. Тарасевич, О.Н. Кушнерова // Известия вузов. Строительство. - 2009. -№ 11/12. - С. 47-52.

3. Дегтярёв В.В. (мл.) Математическое моделирование условий формирования заторов льда на реках / В.В. Дегтярёв (мл.), В.В. Тарасевич, О.Н. Кушнерова // Известия вузов. Строительство.-2011.-№ 6.-С. 47-52.

Новосибирский государственный архитектурно- • строительный университет (Сибстрин) 630008, Новосибирск, ул. Ленинградская, 113

Отпечатано мастерской оперативной полиграфии НГАСУ (Сибстрин) _

Объём 1,2 усл. печ. лист. Тираж 100 зкз. Заказ 3&

61 12-5/2278

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)»

На правах рч

сописи

Кушнерова Ольга Николаевна

РАСЧЁТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РАЗРУШЕНИИ ВОДОПОДПОРНЫХ ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ И

ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Специальность 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор В.В. Дегтярёв (мл.)

Новосибирск 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ГЛАВА 1. ПРИЧИНЫ И ФАКТОРЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ И ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТАХ................................................................................8

1.1 Аварийные ситуации на водоподпорных сооружениях...................8

1.2 Ледовые заторы и вызванные ими наводнения.................................14

1.2.1 Наводнения, вызванные заторами льда....................................................21

1.3 Повышение эффективности мероприятий по разрушению заторов и предупреждению наводнений....................................................................23

1.3.1 Предупредительные меры борьбы с заторами................. ........................23

1.3.2 Дноуглубительные мероприятия...............................................................24

1.3.3 Взрывные работы........................................................................................26

1.3.4 Проблемы бомбометания...........................................................................28

ГЛАВА 2. НЕКОТОРЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОТКРЫТЫХ РУСЛАХ.....30

ГЛАВА 3. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНЫ ПРОРЫВА В НИЖНЕМ БЬЕФЕ ВОДОПОДПОРНОГО ГРУНТОВОГО СООРУЖЕНИЯ............33

3.1 Математическая постановка задачи о неустановившихся гидродинамических процессах в естественных руслах при аварийных изливах на основе использования системы уравнений Сен-Венана..........................................................................................................33

3.1.1 Основные дифференциальные уравнения................................................33

3.1.2 Характеристическая форма основных дифференциальных уравнений 35

3.1.3 Начальные и граничные условия, условия сопряжения.........................36

3.1.4 Метод решения............................................................................................39

3.1.5 Решение задачи............................................................................................40

3.2 Определение зон затопления и параметров волны прорыва по методам В.В. Лебедева, института «Гидропроект» и «Методике

оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов».........................................................................................................46

3.2.1 Определение зон затопления и параметров волны прорыва по методу В.В. Лебедева.........................................................................................................46

3.2.2 Расчёт параметров волны прорыва по методу института «Гидропроект».......................................................................................................49

3.2.3 Расчёт параметров волны прорыва по «Методике оперативного

прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов»................57

3.3 Повышение достоверности оценки последствий аварий на ГТС 67

ГЛАВА 4. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНЫ ПРОРЫВА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗМОЖНОЙ ЗОНЫ ЗАТОПЛЕНИЯ ПРИ АВАРИИ НА ДАМБЕ НАКОПИТЕЛЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ....................................75

4.1 Постановка задачи.....................................................................................75

4.1.1 Моделирование движения потоков различной природы по наклонной поверхности методом частиц...............................................................................78

4.2 Расчёт параметров волны прорыва........................................................80

4.2.1 Результаты расчёта.....................................................................................82

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ВОЛН ПРОРЫВА ПРИ РАЗРУШЕНИИ ЛЕДОВЫХ ЗАТОРОВ..........................................................88

5.1 Условия заторообразований....................................................................88

5.1.1 Прогнозирование процессов формирования ледовых заторов..............98

5.2 Математическое моделирование условий формирования и разрушения ледовых заторов......................................................................... 99

5.2.1 Упрощённая математическая модель условий формирования заторов 101

5.3 Гидродинамика последствий разрушения групповых заторов .. 113

5.3.1 Математическая постановка задачи........................................................113

5.3.2 Возможные сценарии расчета и их результаты.....................................120

ВВЕДЕНИЕ

В диссертационной работе рассматриваются гидродинамические аспекты аварий на грунтовых водоподпорных сооружениях, дамбах обвалования накопителей промышленных отходов и явления, обусловленные разрушениями ледовых образований. Вызванные различными причинами, и развивающиеся по различным сценариям аварийные изливы, опасны своими последствиями, огромными материальными затратами и возможной гибелью людей.

Проблема разрушения водоподпорных сооружений - одна из наиболее актуальных проблем современности. В Российской Федерации эксплуатируется более 65 тысяч гидротехнических сооружений (ГТС) различного назначения, в том числе 29,4 тыс. напорных, решающих задачи гидроэнергетики, водного транспорта, сельского и рыбного хозяйств, проблемы водообеспечения и регулирования стока, а также защиты населенных пунктов и объектов экономики. Практически все напорные ГТС являются потенциально опасными и уникальными сооружениями. В случае разрушения крупных водоподпорных сооружений в зоне затопления могут оказаться миллионы человек, тысячи объектов экономики и миллионы гектаров сельскохозяйственных земель. Одноразовый ущерб при этом может составить до 300 млрд. рублей. Не менее тяжёлые последствия могут иметь аварии на средненапорных и низконапорных сооружениях.

Две трети ГТС (63%) находится в эксплуатации от 20 до 50 лет, 17% объектов эксплуатируется более 50 лет, в том числе около 300 сооружений имеет возраст свыше 100 лет. Средний процент износа напорных ГТС составляет около 48%. Сегодня аварийность на российских ГТС превышает среднемировой показатель в 2,5 раза. Ежегодно на гидротехнических сооружениях происходит до 60 аварий, которые уносят человеческие жизни и наносят ущерб до 10 млрд. рублей [84].

В последние годы в нашей стране на многих ГТС риск аварий существенно возрос в связи с различными нарушениями в процессе

4

эксплуатации, старением отдельных узлов сооружений и оборудования, отсутствием проектной документации, правил эксплуатации, надлежащего контроля безопасности ГТС. Отмечается дефицит квалифицированного персонала, отвечающего за безопасность ГТС.

Начиная с 1998 г. для всех ГТС МП класса, а также сооружений IV класса при напоре более 3 м и объёме водоёма более 0,5 млн. м , собственник или эксплуатирующая организация обязаны составлять декларацию безопасности ГТС [84]. Согласно Федеральному закону «О безопасности гидротехнических сооружений» она является основным документом, в котором обосновывается безопасность ГТС, содержатся сведения о соответствии этого сооружения критериям безопасности, оценивается степень риска аварии, определяются меры по обеспечению безопасности ГТС с учетом его класса [62]. Одним из важных разделов декларации является «Определение зоны возможного затопления при разрушении подпорного сооружения». Расчёт параметров волны прорыва позволяет определить размер вреда, который может быть причинен жизни, здоровью физических лиц, имуществу физических и юридических лиц в результате аварии гидротехнического сооружения, а также разработать план мероприятий по ликвидации аварийной ситуации и спасению людей, попадающих в зоны возможного затопления.

Методика расчета волны прорыва совершенствовалась с 1960 по 1983 гг. В конечном итоге она была утверждена Минэнерго бывшего СССР после согласования со Штабом гражданской обороны и вошла в состав «Инструкции по определению зоны возможных затоплений при прорыве напорных фронтов гидроузлов». Эта Инструкция регламентирует порядок и условия проведения расчетов по установлению площадей затопления при авариях гидроузлов. Методика реализована в виде машинных программ, предусматривающих различные виды аварий и катастроф - для отдельных плотин ГЭС и каскада, полного или частичного разрушения плотин с учетом меняющихся размеров прорана, с учетом боковой приточности, наличия

поймы и долины реки и т.д. В каждом створе в соответствии с методикой могут быть определены необходимые параметры потока (скорости течения, глубина и ширина в каждый расчетный момент времени для всех расчетных створов). Точность установления площадей затопления при этом зависит от количества используемых для расчетов створов и детальности топографических карт.

У нас в стране и в мире разработано большое число программ, позволяющих проводить численное моделирование волн прорыва. Решение рассматриваемой задачи имеет многолетнюю историю, а основные положения и сами математические модели разработаны в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (ИГиЛ СО РАН) группой учёных под руководством академика РАН О.Ф. Васильева.

В АО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» разработан программный комплекс, позволяющий рассчитать параметры волны прорыва и зону возможного затопления. Во ВНИИ ГОЧС разработана методика оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва плотин гидроузлов и др.

Немаловажно, что параметры волн прорыва рассчитывались в основном для условий межени и то, что при расчетах прорыва вводилось предположение о мгновенном достижении конечных размеров прорана. В настоящее время имеются методики, позволяющие учитывать параметры развития прорана и гидрограф излива воды через него, при оценке параметров волны прорыва.

Органы, контролирующие эксплуатацию гидротехнических сооружений, предъявляют жёсткие требования к эксплуатирующим организациям в области разработки мероприятий по безопасности гидротехнических сооружений. Требуются расчёты последствий возможных аварийных ситуаций с подробными выходными данными. Для этого, соответственно, необходимы исчерпывающие исходные данные. Практика показывает, что на многих объектах ГТС (особенно IV класса) отсутствуют

даже основные параметры сооружения, а на какие-либо изыскания финансирование не выделяется.

В связи с этим, есть необходимость разработки методики для определения параметров волны прорыва грунтовых, низконапорных плотин, которая позволит проводить расчёты с минимальным количеством исходных данных, которые можно собрать оперативно в ограниченные сроки, и в результате выдавать подробную и достоверную картину аварийной ситуации.

Рациональное использование, охрана водных ресурсов и жизнеобеспечение населения непрерывно связаны ещё с одним фактором, обуславливающим ряд проблем, возникающих при образовании заторных явлений на реках, причём независимо от географического расположения бассейнов. На европейской части страны заторы наблюдаются на 35% гидрологических постов, в Сибири и на Дальнем Востоке - на 45-50%. В результате формирования заторов в речных руслах формируется ледяная плотина, выше которой уровень воды в реке резко повышается. Подъемы уровня воды происходят за короткий промежуток времени, что служит одной из причин возникновения чрезвычайных ситуаций на прибрежных территориях.

Актуальность исследований заторных явлений и их последствий связана с необходимостью оперативной оценки и устранения последствий катастрофических ситуаций, вызванных формированием заторов в руслах рек.

В настоящей работе предполагается разработка достаточно простой инженерной математической модели формирования и условий разрушения ледовых заторов, а также метода расчёта параметров волновых процессов при разрушении групповых заторов.

ГЛАВА 1. ПРИЧИНЫ И ФАКТОРЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ И ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

1.1 Аварийные ситуации на водоподпорных сооружениях

Плотины из грунтовых материалов, представляющие собой основной элемент напорного фронта гидроузлов, являются источниками потенциальной опасности. При авариях на гидротехнических сооружениях наиболее опасным последствием является прорыв напорного фронта и возникновение волны прорыва, распространяющейся в нижнем бьефе гидроузла, что, в свою очередь, может привести к большим экономическим потерям, негативным экологическим и социальным последствиям, а также человеческим жертвам.

Примером тому может служить катастрофическое наводнение в результате прорыва плотины Киселевского водохранилища в 1993 году. Произошёл прорыв глухой земляной плотины Киселёвского водохранилища вблизи г. Серова Свердловской области на реке Кавка. В результате чего было затоплено 69 кв. км поймы реки, жилых массивов, посёлков. От наводнения пострадало 6,5 тысяч человек, 15 человек погибло. Общий материальный ущерб составил 63 млрд. рублей. Спасателям удалось эвакуировать 3 тысячи 700 человек, снять с крыш затопленных домов около 300 человек (из сводок МЧС России).

Серьёзный вред состоянию окружающей человека природной водной среды и хозяйственным объектам могут причинить аварии на хвостохранилищах или накопителях жидких отходов.

Так 2 ноября 1999 года произошла авария на хвостохранилище ОАО «Качканарский ГОК «Ванадий» (г. Качканар, Свердловская обл.). В результате прорыва дамбы и аварийного выброса воды были затоплены близлежащие окрестности и поселки, разрушены плотины и ЛЭП, размыты мосты и дороги.

Другой случай. Карамкенский ГОК прекратил работу в 1998 году. С апреля 2009 года хранилище отработанной горной породы ГОКа снято с учета Ростехнадзора. А 29 августа 2009 года после трехдневных дождей в окрестностях Карамкена селевой поток сошел в ручей Туманный, который служит отводным каналом хранилища отработанной породы бывшего золотодобывающего горно-обогатительного комбината (ГОКа). Грязевой поток перекрыл русло ручья Туманного, вода хлынула в реку Хасын, уровень которой стал быстро подниматься, после чего произошел прорыв дамбы Карамкенского ГОКа. Мощный поток снес в Карамкене 11 домов, один человек погиб, одна женщина считается без вести пропавшей (рисунок 1.1).

Множество примеров гидродинамических аварий можно привести из стран ближнего и дальнего зарубежья.

Киргизия, 1958 год, Майлуу-Суу. На хвостохранилище № 7 (ГОК вырабатывал уран) в результате аварии около 600 тысяч кубометров радиоактивной пульпы было выброшено в реку Майлуу-Суу и распространилось вниз по течению на десятки километров. Во время радиоактивного селя были человеческие жертвы, разрушены промышленные и гражданские здания в пойме реки. Самое страшное — загрязнение обширных площадей в нижнем течении реки.

В 2000 г. в Румынии в местечке Байа Маре в результате аварии на хвостохранилище 100 тыс. тонн жидких отходов и 20 тыс. тонн ила, содержащих цианид, медь и тяжелые металлы, попали в реку Тису, а затем в Дунай, загрязнив источник питьевой воды для 2,5 млн. человек [55].

В том же году крупные аварии произошли на рудниках в Галливаре (Швеция), Гуангчи (Китай), Каямарка (Перу), Толукума (Папуа Новая Гвинея), Сычуань (Китай) и Борса (Румыния) [69].

В 1982 г. 20 и 21 октября в глубине центрального побережья Средиземного моря Испании прошли проливные дожди. На обширных территориях наблюдалась средняя интенсивность дождя более 500 мм за 24 часа. В результате этого бассейн реки Хукар пострадал от наводнений.

Катастрофическое затопление было в нижней части бассейна, где располагаются густо заселённые города Альзира и Альжемиси в Валенсии. Плотина Тоус, находившаяся всего в нескольких километрах вверх по течению от двух вышеупомянутых городов, рухнула 20 октября, примерно в 19:00 с разрушительными последствиями (рисунок 1.2) [89].

Рисунок 1.1 - Проран в дамбе Карамкенского ГОКа

Рисунок 1.2 - Разрушенная плотина Тоус в Испании Также из-за необычно проливных дождей с 18 по 21 июля, 1996 г.

пострадал город Сагеней, область Квебек, Канада, между озером Санкт-Жан

и реки Св. Лаврентия (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Затопление г. Санегей. Канада

Дождевые паводки привели к затоплению и повреждению обширных территорий, включая разрушение каскадных сооружений на реках, впадающих в реку Сагеней и фьорд Сагеней. В результате, на реках региона произошли наводнения. Наиболее сильно пострадала во время наводнения 1996 г. река Ха! Ха! Эта река имеет площадь водосбора 610 км2. Ориентированная с юга на север река Ха! Ха! связывает озеро Ха! Ха! с заливом Ха! Ха! рукавом Сагеней фьорда. Озеро Ха! Ха! сдерживала бетонная плотина, которая получила небольшие повреждения во время наводнения. Прорыв озера произошёл, когда уровень воды превысил отметку гребня грунтовой плотины, которая расположена южнее бетонной плотины.

» Щ, *"

Рисунок 1.4 - Снимки с вертолета отдельных областей реки Ха! Ха!, пострадавшей

от наводнения в 1996 г.

На рисунке 1.4 представлены кадры: Б - вновь образованный канал, через который озеро опорожнилось (белым отмечено исходное положение земляной плотины, выбрано в качестве нулевого км); N - прорыв вблизи Шут Перрона (23 км), где паводковый �