Проблеми оцінки надійності аркових гребель

Размещено на http://www.allbest.ru//

Проблеми оцінки надійності аркових гребель

Стефанишин Д.В., д. т. н., п. н. с.

Розглянуто й проаналізовано основні проблеми оцінки надійності аркових гребель.

The principal problems of the reliability assessment of arch dams were discussed.

Аркові греблі вважаються найбільш надійним типом гребель. За статистичними даними серед більш ніж 300 аркових гребель, висотою до 30,0 м, зруйнувалася лише одна; серед більш ніж 600 споруд, висотою понад 30,0 м, зруйнувалися дві греблі. Осереднений статистичний ризик руйнування аркових гребель 0,00333 є найнижчим серед відповідних ризиків руйнування гребель інших типів [1]. На разі він майже вдвічі менший за ризик руйнування бетонних гравітаційних гребель ( 0,00613). На користь аркових гребель свідчить також їх висока живучість при пошкодженні. Так, при майже вдвічі меншому ризику руйнування відсоток технологічних порушень на аркових греблях (4,4% від побудованих) є вищим, ніж відсоток технологічних порушень на бетонних гравітаційних греблях (3,1% від побудованих). Тобто при більшому відсотку ушкоджених гребель аркові греблі за статистикою менше руйнуються, що підтверджує їх живучість в екстремальних ситуаціях.

За статистикою жодна з аркових гребель не була зруйнована під час постійної експлуатації. Прикладом надзвичайної живучості аркових гребель при виникненні надзвичайної ситуації може слугувати поведінка тонкої аркової греблі Вайонт (Італія) висотою 262 м й товщиною в основі 22 м, яка при катастрофічній аварії на водосховищі, викликаною хвилею витиснення в результаті зсуву, витримала майже подвійне перевантаження й не була зруйнована хвилею переливу через гребінь висотою 80-100 м.

Висока надійність та живучість аркових гребель в екстремальних умовах в значній мірі підтримує впевненість спеціалістів в достатній ефективності нормативних розрахунків їх надійності, що ґрунтуються на методології граничних станів. До того ж найменші значення нормативних ймовірностей настання граничних станів першої групи відповідають саме арковим греблям, тобто можна зробити висновок, що цей тип гребель проектується найбільш обережно в порівнянні з іншими. В певній мірі така впевненість та обережність можливо й стримує розвиток інших двох підходів до оцінки надійності аркових гребель - заснованих на якісному та кількісному аналізі ризику (відповідно із залученням різноманітних експертних та математичних методів для оцінки ймовірностей настання небезпечних подій) [2].

Аналіз можливих причин аварійності аркових гребель - руйнувань і пошкоджень - вказує на те, що хоча причини аварій можуть бути різними, всі вони пов'язуються з основами споруд й береговими упорами - 55% аварій відбулися через неправильну оцінку ґрунтів основ і фундаментної частини споруд та з причини неврахування процесів, що відбуваються в основі греблі та її берегових примиканнях.

Таким чином можна стверджувати, що повнота інженерно-геологічних досліджень створу, основи й берегових межувань має вирішальне значення для проекту аркової греблі й її поведінки в процесі будівництва та експлуатації. Тому в перших роботах, присвячених імовірнісним розрахункам аркових гребель, виконаних грузинськими інженерами-гідротехніками [3-6], основна увага приділялася дослідженню та врахуванню впливу варіабельності та мінливості в часі деформаційних характеристик скелі на напружено-деформований стан (НДС) аркової греблі - в умовах статичного й динамічного (з врахуванням сейсму) навантажень.

Слід зазначити, що роботи [3-6] були не лише піонерними в області імовірнісних розрахунків аркових гребель на надійність. В подальшому, на жаль, не з'являлися публікації в розвиток отриманих результатів.

Що стосується актуальності відновлення прикладних досліджень в області оцінки надійності аркових гребель та їх імовірнісних розрахунків зокрема, в тому числі і в Україні, то в цьому відношенні насамперед слід вказати на проектні роботи, що ведуться у ВАТ «Укргідропроект» по високій арковій греблі гідровузла Нам Чієн у В'єтнамі. Аркова гребля згаданого гідровузла, висотою 135 метрів, є унікальною й відповідальною спорудою, аварія на якій може мати катастрофічні наслідки. У зв'язку з технічною складністю греблі Нам Чієн, а також високим рівнем невизначеності інформації про навантаження й впливи, властивості скельної основи тощо дослідження її надійності, в тому числі і ймовірнісними методами, становлять неабиякий науковий і практичний інтерес.

Однак, як показують результати, отримані в [3-6], та результати проведених авторами в останні роки досліджень надійності аркової греблі Нам Чієн [7-9], при використанні експертних та імовірнісних методів виникає ряд проблем, як об'єктивного, так і суб'єктивного характеру, без вирішення яких їх практичне використання при проектуванні, розрахунках і оцінці надійності аркових гребель не матиме перспективи.

Основною проблемою є те, що на відміну від інших типів бетонних гребель проектування аркової греблі нагадує більше інженерне мистецтво, ніж технологію. Проектування аркової греблі вимагає не тільки високої кваліфікації інженера, а і здатностей до застосування нетрадиційних рішень, що будуються на інтуїції та евристичних прийомах прийняття рішень. Характерною особливістю процесу проектування аркової греблі є багатоваріантність вписування споруди в створ, багатоваріантність конструкції тощо. Мова може йти про практично необмежену кількість варіантів вписувань і конструкції аркової греблі, серед яких має бути вибраний оптимальний. При цьому важливо обрати не просто економічно найвигідніший варіант конструкції, яка відповідає різноманітним нормативним критеріям міцності та стійкості. Велика вага також надається плавному та рівномірному розподілу напружень по тілу греблі. Однак чітка формальна методика оцінки такої плавності відсутня, і таке оцінювання по суті є експертним, а отже суб'єктивним.

Порівняння варіантів і вибір серед них оптимального може бути покладено в підґрунтя методології імовірнісної оцінки надійності аркової греблі. Як вже згадувалось, чинні норми проектування гарантують при їх дотриманні для аркових гребель найменші ризики, пов'язані з греблебудуванням [10]. Якщо створ є сприятливим для будівництва аркової греблі, то цей тип греблі при дотриманні чинних норм проектування в аспекті надійності і безпеки за інших рівних умов (клас споруди тощо) є кращим серед всіх типів гребель.

При порівнянні варіантів можливим є використання поряд з формальними методами (аналітичними, логічними) і неформальних, евристичних прийомів досліджень. Це дозволяє в ході аналізу врахувати досвід розрахунків, проектування й експлуатації аналогічних об'єктів, можливих помилок і прорахунків, а також інженерної інтуїції. Евристичні прийоми не мають за мету одержання точного рішення задачі, головна їх ціль - визначення стратегії пошуку оптимального рішення.

Можливість реалізації при оцінці надійності аркових гребель методології порівняння варіантів вказує на перспективність системного підходу до вирішення поставленої задачі, в підґрунті якого лежить синтез підходів та методів системної й параметричної теорій надійності та послідовне й цілеспрямоване зняття (розкриття) й врахування невизначеності факторів та параметрів, що можуть визначати поведінку споруди при її будівництві та експлуатації, через органічне поєднання при вирішенні задачі надійності методів аналізу і синтезу [11]. надійність арковий гребля

При системному підході вирішення задачі надійності технічного об'єкта, який розглядається як система, зводиться до наступних кроків [12]:

- структуризація задачі надійності об'єкта на основі ідентифікації його системної структури та системних властивостей;

- вирішення частинних (елементарних) задач надійності окремих структурних одиниць (елементів) об'єкта як єдиної системи; при цьому можуть використовуватися як методи статистичної (системної), так і параметричної теорій надійності;

- синтез результатів вирішення елементарних задач надійності окремих структурних одиниць об'єкта як єдиної системи в рамках системної теорії; при цьому можуть використовуватися як математичні методи системної теорії надійності, так і евристичні методи (дерев подій, дерев відмов тощо).

Перевагою системного підходу є можливість первісну, зазвичай складну, слабко структуровану задачу надійності складного об'єкта, надійність якого визначається великою кількістю факторів та параметрів, цілеспрямовано звести до добре структурованих задач надійності окремих елементів системи, при вирішенні кожної з яких достатньо враховувати обмежену кількість визначальних факторів та параметрів.

Проілюструємо реалізацію системного підходу на прикладі дослідження надійності аркової греблі Нам Чієн. Для структуризації задачі і можливості подальшого синтезу результатів дослідження надійності окремих структурних одиниць об'єкта скористаємось методом дерев подій [8]. Наразі, як основний сценарій аварії розглянемо руйнування греблі внаслідок зсуву берегових упорів. Такий підхід узгоджується з ретроспективним аналізом аварій аркових гребель (руйнування греблі Malpasset, проблеми на греблі El Atazar тощо) та загальною статистикою аварій на великих греблях.

Метод аналізу дерев відмов, а також дерев подій представляють собою реалізацію як евристичних, так и логіко-імовірнісних прийомів рішення задач надійності і безпеки інженерних об'єктів. Використання неформальних, евристичних прийомів дослідження поруч з використанням формальних (аналітичних, логічних) методів дозволяє в ході аналізу врахувати досвід розрахунків, проектування та експлуатації аналогічних об'єктів, можливих помилок і прорахунків, а також інженерної інтуїції. Не дивлячись на неформальність, причинно-наслідкові діаграми мають істотну перевагу перед формалізованими моделями, дозволяючи розглядати задачу надійності об'єкта в найбільш широкій постановці, с врахуванням найрізноманітніших факторів, у том числі і невизначених. При цьому в процесі побудови причинно-наслідкової діаграми можлива структуризація задачі та її агрегування.

В основі побудови перспективного сценарію аварії для періоду тимчасової і постійної експлуатації внаслідок зсуву берегових упорів - рис. 1, який був розроблений для аркової греблі Нам Чієн [8], лежить індуктивна логіка - дослідження можливих наслідків реалізації ініціюючих аварії причин. В загальному випадку для кожної з безпосередніх причин (форм) аварій на арковій греблі (порушення міцності тіла греблі, порушення стійкості берегових примикань) можуть розроблятися множини різних сценаріїв виникнення аварій, які надалі можуть укрупнюватись и об'єднуватись в узагальнені гіпотетичні сценарії виникнення аварій на греблі.

Наведений потенційно можливий узагальнений сценарій виникнення аварії передбачає розвиток подій, кульмінацією яких є руйнування греблі з проривом напірного фронту. Варто згадати, що при моделюванні цього узагальненого сценарію не переслідувалась ціль докладної, «вичерпної» диференціації подій і станів, ініціюючих та обумовлюючих аварійні процеси. Не розглядалися і деякі проміжні події і стани, котрі можуть бути враховані безпосередньо при побудові імовірнісних моделей надійності.

Рис. 1. Узагальнений перспективний сценарій руйнування аркової греблі внаслідок зрушення берегового упору

Моделювання сценарію руйнування греблі може бути також корисним:

1) при виявленні (ідентифікації) відмов греблі як системи і виявленні тих складових частин системи, котрі можуть бути важливими з точки зору виявлення відмов та несправностей;

2) при відтворенні за допомогою графічних засобів властивостей системи та її поведінки з точки зору поведінки складових одиниць;

3) для прийняття рішень при розгляді окремого виду відмов системи з метою виявлення критичних подій і станів.

Побудова дерева подій допомогла структурувати задачу надійності греблі, виявити визначальні фактори цієї надійності та окреслити їх керуючі параметри. Отже, з огляду на розроблений сценарій аварії були проведені додаткові дослідження з імовірнісного моделювання стійкості берегових упорів аркової греблі Нам Чієн, під час яких дослідники спробували подолати проблему невизначеності вхідної інформації по керуючим параметрам стійкості упорів з використанням методів теорії нечітких множин [9, 13].

Література

1. Стефанишин Д.В. Статистичні оцінки аварійності гребель// Вісник НУВГП. Збірник наукових праць. Випуск 3 (35). Рівне: НУВГП. 2006. С. 111-117.

2. Стефанишин Д.В., Шульман С.Г. Проблемы надежности гидротехнических сооружений. Обзор: -СПб, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1991.

3. Бохуа Т.А., Ломидзе Г.А. Оценка надежности арочной плотины Худонской ГЭС// Гидротехническое строительство. 1988. №12. С. 49-52.

4. Бохуа Т.А. Некоторые задачи динамики упругих пространственных систем с распределенными параметрами. - Тбилиси, 1987.

5. Габричидзе Г.К., Давиташвили Т.О. Изучение влияния деформационных свойств основания арочной плотины на ее напряженно-деформированное состояние по методу Монте-Карло// Сообщения АН ГССР. 1987. Т. 125. №3. С. 613-616.

6. Методы оценки надежности бетонных плотин, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях/ Под ред. Т. А. Бохуа и др. -Тбилиси: Мецниереба, 1992.

7. Стефанишин Д. В., Маліздерський Р. М. До питання імовірнісної оцінки надійності гідротехнічних споруд з врахуванням невизначеності// Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Зб. наукових праць. Вип. 30. Рівне: НУВГП. 2005. С. 126-134.

8. Стефанишин Д. В., Мализдерский Р. Н. Моделирование гипотетических сценариев возникновения аварий на арочных плотинах// Гидроэнергетика Украины, №2, 2007. С. 34-37.

9. Стефанишин Д. В., Маліздерський Р. М. Імовірнісне моделювання стійкості берегових упорів аркової греблі Нам Чієн в умовах невизначеності вхідної інформації з використанням методів теорії нечітких множин// Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. Зб. наукових праць. Вип. 31. Рівне: НУВГП. 2007. С.220-229.

10. Стефанишин Д.В. Оценка нормативной безопасности плотин по критериям риска// Гидротехническое строительство. 1997. №2. С. 44-47.

11. Векслер А.Б., Ивашинцов Д.А., Стефанишин Д.В. Надежность, социальная и экологическая безопасность гидротехнических объектов: оценка риска и принятие решений. - СПб.: ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 2002.

12. Стефанишин Д.В. Метод аналізу параметричної надійності гідротехнічних об'єктів в рамках системного підходу// Вісник НУВГП. Збірник наукових праць. Випуск 3 (35). Рівне: НУВГП. 2006. С. 101-110.

13. Маліздерський Р.М. Використання комп'ютерних технологій при оцінці стійкості скельних берегових упорів аркових гребель// Вісник НУВГП. Збірник наукових праць. Випуск 3(31). Рівне: НУВГП. 2005. С.174-181.

Размещено на Allbest.ru