Факторы, влияющие на возникновение аварийных ситуаций на крупных каналах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Факторы, влияющие на возникновение аварийных ситуаций на крупных каналах

В статье указаны возможные аварийные ситуации на крупных каналах, а также факторы, влияющие на их возникновение. Выделены два наиболее опасных сценария развития аварий и рассмотрены существующие методы моделирования каждого из этих процессов.

Увеличение количества аварий ГТС и значительно возросшая вероятность аварии отечественных напорных гидротехнических сооружений требуют разработки механизма получения обоснованных оценок и критериев безопасности таких объектов с учетом всей совокупности социально-экономических факторов, в том числе вероятности и последствий возможных аварий.

В настоящее время средний возраст каналов и сооружений на них составляет 40-50 и более лет. Ввиду длительного срока работы, многие каналы мелиоративного назначения требуют реконструкции, ремонта и модернизации. Низкое техническое состояние объясняется, в основном, нарушением системы технического обслуживания и ремонта сооружений, в результате чего появилась высокая вероятность чрезвычайных ситуаций (подтопление и заболачивание территории, прорыв бортов канала и т.д.).

Возможные аварийные ситуации на каналах можно отнести к трем группам:

- аварии, вызванные воздействием гидравлических факторов движущегося потока воды;

- аварии, вызванные фильтрационными процессами;

- аварии, вызванные оползневыми явлениями.

Анализ показывает, что аварии могут быть вызваны следующими причинами:

- эксплуатация каналов с нарушением технологических режимов (высокая скорость снижения или подъема уровня воды, неустановившиеся режимы течения с образованием волн попуска и т.д.);

- скорости течения, приводящие к заилению русла наносами или к его размыву;

- нарушение статической устойчивости грунтовых откосов каналов;

- значительная фильтрация через дамбы каналов (появление свободных ходов фильтрации);

- увеличение коэффициента шероховатости русла ведущее к снижению пропускной способности каналов (зарастание русла водной растительностью);

- деформация русел каналов при эксплуатации (размывы откосов и дна);

- подмывы бортов каналов течением и действием ветровых волн;

- несвоевременный уход за земляными руслами каналов (очистка от наносов, скашивание растительности, подсыпка берм и откосов);

- несвоевременный ремонт гидротехнических сооружений;

- повреждения тела дамбы (суффозия, размывы откосов и т.д.);

- перелив через гребень дамбы при авариях на гидротехнических сооружениях.

При аварии на каналах, особенно проходящих в насыпях, наиболее опасным последствием является возникновение прорана и затопление прилегающей территории. Это может привести к большим экономическим, экологическим и социальным последствиям. В 1997 году вступил в силу закон «О безопасности гидротехнических сооружений», в соответствии с которым собственники (эксплуатирующие организации) потенциально опасных (создающих напорный фронт) гидротехнических сооружений, к которым относятся и крупные каналы, обязаны представлять декларации безопасности [1].

На основании анализа причин, вызывающих аварии, могут быть выделены два основных сценария - перелив воды через гребень дамбы канала с образованием прорана и возникновение фильтрационных деформаций в теле дамбы. Рассмотрим вопросы моделирования каждого из этих сценариев.

Моделирование возникновения и развития прорана - сложная многофакторная задача. На ход аварии влияют вызвавшие ее первоначальные нарушения, особенности конструкции дамб, геологические условия района, метеорологические факторы, топография района [2].

В настоящее время имеются более или менее надежные методы расчета только интегральных характеристик прорана - суммарного объема выноса грунта, конечной ширины прорана, максимального расхода излива, полного времени стабилизации процесса.

Несмотря на необходимость точного прогнозирования возникновения и развития данного процесса, надежных методов расчета в настоящее время не существует [3]. Предложенные модели развития прорана обычно состоят из зависимости для определения его пропускной способности, уравнения неразрывности потока, зависимости интенсивности выноса грунта из тела плотины от гидравлических и геометрических параметров.

Существующие модели отличаются, главным образом, описанием интенсивности выноса грунта или скорости увеличения размеров прорана. Сопоставление результатов расчетов, приведенных в литературных источниках с использованием имеющихся зависимостей, дают большие расхождения, свидетельствующих о несовершенстве предлагаемых моделей формирования прорана» - комплекса, , где - объем излившейся воды,  - начальный перепад уровней воды.

Выполненная К. Р. Пономарчук статистическая обработка данных привела к следующим зависимостям:

,

,

,

где - максимальный расход в процессе излива, м/с;

- суммарный объем вынесенного грунта, м3;

- полное время развития прорана, с.

К сожалению, расчеты по интегральным зависимостям не дают представления о механизме развития проранов во времени, что является их главным недостатком.

Изучением параметров волн прорыва на средне- и низконапорных гидроузлах занималась И. А. Секисова: полученная в результате использования основных принципов метода планирования эксперимента, эмпирическая зависимость имеет вид:

,

где - глубина у плотины до начала аварии;

- шероховатость русла верхнего бьефа;

- расход воды в нижнем бьефе гидроузла до начала аварии;

- объем водохранилища до начала аварии;

- расстояние от створа плотины до створа наблюдения.

Указанное уравнение применимо лишь к низконапорным узлам водохранилищ при отсутствии подпора нижерасположенных ГТС.

Математическая модель, предложенная А. М. Прудовским, основана на анализе систематического экспериментального исследования. Эмпирическая зависимость, полученная при относительно небольшом диапазоне изменения величины , имеет следующий вид:

,

где - текущее время формирования прорана, с;

;

- площадь поперечного сечения дамбы между ее гребнем и дном прорана, м2;

- разность между уровнем воды в ВБ и отметкой дна прорана, м.

Тот факт, что данная зависимость получена для весьма ограниченного диапазона изменения факторов, требует ее уточнения.

Ц. Е. Мирцхулава в своей работе учел множество факторов, влияющих на надежность канала, и представил их в виде многопараметрической функции, которая имеет такой вид [4]:

где - обобщенный параметр гидравлических условий канала;

- обобщенный параметр условий размыва и заиления;

- обобщенный параметр конструктивной надежности;

 - обобщенный параметр геологических и геотехнических условий;

- обобщенный параметр климатических условий;

- обобщенный параметр условий эксплуатации канала;

- обобщенный параметр неучтенных факторов.

Риск разрушения дамбы вследствие фильтрационных процессов может наблюдаться при появлении суффозии (механической и химической) грунта тела и основания, когда градиенты напора (средние и местные) превышают допустимые (критические), а также при превышении фильтрационных расходов в теле и основании канала расчетных значений, повышении кривой депрессии в теле дамбы выше расчетной.

Для изучения процесса возникновения и развития фильтрационных деформаций необходимо построение математической модели, которая будет учитывать механическую и химическую суффозию, особенности основания каналов, размыв грунта и т.д.

В работе Э. В. Запорожченко рассмотрены случаи опасных фильтрационных деформаций в виде карстово-суффозионных явлений при строительстве и эксплуатации БСК-1. Автор указывает на наличие интенсивной механической суффозии (выноса грунта) еще на начальной стадии замочки канала. Во время замочки на канале наблюдалась серия водоворотов и интенсивная утечка, были обнаружены трещины, переходящие в воронки диаметром до 1,3 м [5].

Изучением химической суффозии (рисунок 1) занимались Ф. М. Бочевер, А. Е. Орадовская, Н. Н. Веригин, Б. С. Шержуков, А. Г. Баламерзоев и др.

Рисунок 1. Схема растворения солей в породах основания ГТС

Одним из параметров, характеризующих перенос растворенных веществ, является коэффициент конвективной диффузии, который зависит от скорости фильтрации, пористости и однородности грунта, размера и формы слагающих его частиц.

По исследованиям Н. Н. Веригина, основная зависимость, описывающая движение солей в грунте в виде уравнения конвективной диффузии с дополнительным слагаемым, учитывающим растворение кристаллических солей, выглядит так:

,

где - пористость грунта;

- коэффициент конвективной диффузии, см2/сут.;

- концентрация грунтового раствора, г/л;

- удельный вес грунта, кН/м3;

- концентрация предельного насыщения жидкости солями данного состава, г/л;

- время, с.

Как указывает Н. Н. Веригин, приведенная выше зависимость была подвергнута экспериментальной проверке А. Е. Орадовской, которая показала совпадение теоретических расчетов с данными опытов.

Однако решение уравнения конвективной диффузии достигается при определенных допущениях, что в определенной мере влияет на результат.

Из выше изложенного следует, что большинство исследователей занимались разработкой математических моделей развития прорана и фильтрационных деформаций на основе статистических и экспериментальных данных. Большинство исследований проводились для плотин низконапорных гидроузлов малых водохранилищ, дамб золошлакоотвалов. В настоящее время требуется разработка и обоснование математических моделей расчета проранов и фильтрационных деформаций для крупных каналов, которые учитывали бы все особенности режима работы этих сооружений.

аварийный канал порода

Список использованных источников

аварийный канал порода

1.О безопасности гидротехнических сооружений: Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 117-ФЗ: по состоянию на 27 декабря 2009 г. // Гарант Эксперт 2011 [Электронный ресурс]. - НПП «Гарант-Сервис», 2011.

2.Каганов, Г. М. Приближенная оценка глубины затопления территории в нижнем бьефе при прорыве напорного фронта низконапорных гидроузлов / Г. М. Каганов, В. И. Волков, И. А. Секисова / Гидротехническое строительство. - 2010. - № 4. - С. 22.

3.Пономарчук, К. Р. Разработка методики оценки параметров процесса формирования проранов при прорывах грунтовых плотин: автореф. дис. … канд. техн. наук: 22.01.02 / Пономарчук Карина Рюриковна. - М., 2001. - 23 с.

4.Мирцхулава, Ц. Е. О надежности крупных каналов / Ц. Е. Мирцхулава. - М.: Колос, 1981. - 318 с.

5.Запорожченко, Э. В. Инженерно-геологический опыт проектирования, строительства и эксплуатации первой очереди Большого Ставропольского канала / Э. В. Запорожченко. - Ставрополь: Ставропольское книжное издательство, 1974. - 78 с.

Размещено на Allbest.ru