Ббк 00000

О.Г. Савичев, В.К. Попов, К.И. Кузеванов

Оценка безопасности гидротехнических сооружений в составе систем природообустройства и водопользования

Методические указания к выполнению практических работ

по курсу «Эксплуатация систем и сооружений природообустройства и водопользования» для студентов
обучающихся по направлению 280400 «Природообустройство»

Издательство

Томского политехнического университета

УДК 550.42: 577.4

ББК 00000

А00

Савичев О.Г., Попов В.К., Кузеванов К.И.

А00 Оценка безопасности гидротехнических сооружений в составе систем природообустройства и водопользованияользования». Методические указания по выполнению практических и курсовой работы по курсу «Эксплуатация систем и сооружений природоообустройства и водопользования» для студентов III курса, обучающихся по направлению 280400 «Природообустройство» / О.Г. Савичев, В.К. Попов, К.И. Кузеванов. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – __ с.

УДК 550.42: 577.4

ББК 00000

Методические указания рассмотрены и рекомендованы
к изданию методическим семинаром кафедры
гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ИПР

«___» ____________ 2013 г.

Зав. кафедрой ГИГЭ

Доктор геолого-минералогических наук _________ С.Л. Шварцев

Председатель учебно-методической

комиссии _________ Н.Г. Наливайко

Рецензент

Доцент Томского политехнического университета, к.г.-м.н.

Ю.Г. Копылова

©Томский политехнический университет, 2013

Введение

Безопасность гидротехнических сооружений – это свойство гидротехнических сооружений, позволяющее обеспечивать защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов. Оценка безопасности гидротехнического сооружения – то есть определение соответствия состояния гидротехнического сооружения и квалификации работников эксплуатирующей организации нормам и правилам – производится с использованием критериев безопасности гидротехнического сооружения, которые представляют собой предельные значения количественных и качественных показателей состояния гидротехнического сооружения и условий его эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии гидротехнического сооружения и утвержденные в установленном порядке федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный надзор за безопасностью гидротехнических сооружений. В свою очередь, под допустимым уровнем риска аварии гидротехнического сооружения понимается значение риска аварии гидротехнического сооружения, установленное нормативными документами [О безопасности ГТС].

1. ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

1.1. Оценка эмпирической и теоретической обеспеченности уровней воды при наличии и отсутствии данных наблюдений

Согласно [СНиП 33-01-2003], при проектировании и эксплуатации постоянных речных гидротехнических сооружений расчетные максимальные расходы воды принимают исходя из ежегодной вероятности превышения (обеспеченности), устанавливаемой в зависимости от класса сооружений для двух расчетных случаев - основного и поверочного по таблице 1.1.1. При этом расчетные гидрологические характеристики определяют по [СП 33-101-2003].

Таблица 1.1.1

Ежегодные вероятности Р, %, превышения расчетных максимальных расходов воды

Расчетные случай	Классы сооружений
I	II	III	IV
Основной	0,1	1,0	3,0	5,0
Поверочный	0,01*	0,1	0,5	1,0

Расчетные наивысшие расходы и уровни воды рек при наличии гидрометрических наблюдений определяют по аналитической кривой распределения вероятностей превышения ежегодных наивысших мгновенных или срочных уровней воды за период многолетних наблюдений.

Выбор типа функции распределения осуществляется на основании результатов анализа согласия теоретической и эмпирической кривых с учетом физических особенностей случайной величины при соблюдении условия случайности и однородности. Эмпирическую ежегодную вероятность превышения (обеспеченность) P^*_e (%) гидрологической характеристики Ф определяют по формуле:

Р^*_e = 100 m / (N + 1), (1.11.)

где т – порядковый номер членов ряда гидрологической характеристики, расположенных в убывающем порядке; N – общее число членов ряда. Для сглаживания и экстраполяции эмпирических кривых распределения ежегодных вероятностей превышения в гидрологических расчетах на территории Российской Федерации, как правило, применяют трехпараметрические распределения: Крицкого–Менкеля при любом отношении коэффициентов асимметрии и вариации C_s / C_v, распределение Пирсона III типа при C_s / C_v ³ 2, лог-нормальное распределение при C_s ³ (3 C_v + C_v ³) и другие распределения, имеющие предел простирания случайной переменной от нуля или положительного значения до бесконечности. За рубежом в последние десятилетия, помимо названных, достаточно широко используется логарифмическое распределение Пирсона III типа.

Параметры распределений Крицкого–Менкеля и Пирсона III типа – среднее многолетнее значение (среднее арифметическое), коэффициент вариации C_v, отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации C_s/C_v – устанавливают по рядам наблюдений за рассматриваемой гидрологической характеристикой методом приближенно наибольшего правдоподобия и методом моментов. На начальных стадиях проектирования возможно использование графоаналитического метода (метода квантилей). В настоящее время наиболее удобен для использования метод моментов:

; (1.1.2)

; (1.1.3)

, (1.1.4)

где Ф – рассматриваемая гидрологическая характеристика (расход воды, уровень воды и так далее); – среднее арифметическое; k_i – модульный коэффициент рассматриваемой гидрологической характеристики

(); C_v ^* и C_s ^* – смещенные оценки коэффициента вариации и асимметрии соответственно. При C_v ^*< 0,6 и C_s ^*< 1,0 коэффициенты вариации и асимметрии допускается определять по формулам (1.1.3, 1.1.4) без введения поправок на смещенность. В противном случае коэффициенты вариации C_v и асимметрии C_s определяют по формулам:

С_v = (a ₁+ а ₂/ N) + (a ₃+ a ₄/ N) C_v ^*+ (a ₅+ a ₆/ N) C_v ^*2; (1.1.5)

C_s = (b ₁+ b ₂/ n) + (b ₃+ b ₄/ n) C_s ^*+ (b ₅+ b ₆/ n) C_s ^*2, (1.1.6)

где a ₁,..., а ₆; b ₁, …, b ₆ – коэффициенты, определяемые для распределения Пирсона III типа по таблице 1.1.2 с учетом коэффициента автокорреляции r(1). Смещенная оценка коэффициента автокорреляции r ^*(1) определяется по формуле (1.1.7), несмещенная оценка – по формуле (1.1.8):

; (1.1.7)

(1.1.8)

где

, .

Таблица 1.1.2

Значения коэффициентов а и b в формулах (1.1.5, 1.1.6) [СП 33-101-2003]

Значение C_s / C_v	r(1)	Коэффициенты
		a ₁	a ₂	a ₃	a ₄	a ₅	a ₆
			0,19	0,99	–0,88	0,01	1,54
	0,3		0,22	0,99	–0,41	0,01	1,51
	0,5		0,18	0,98	0,41	0,02	1,47
			0,69	0,98	–4,34	0,01	6,78
	0,3		1,15	1,02	–7,53	–0,04	12,38
	0,5		1,75	1,00	–11,79	–0,05	21,13
			1,36	1,02	–9,68	–0,05	15,55
	0,3	–0,02	2,61	1,13	–19,85	–0,22	34,15
	0,5	–0,02	3,47	1,18	–29,71	–0,41	58,08
	r(1)	Коэффициенты
		b ₁	b ₂	b ₃	b ₄	b ₅	b ₆
		0,03	2,00	0,92	–5,09	0,03	8,10
	0,3	0,03	1,77	0,93	–3,45	0,03	8,03
	0,5	0,03	1,63	0,92	–0,97	0,03	7,94

Ординаты кривых трехпараметрического гамма-распределения (Крицкого–Менкеля) и нормированные отклонения от среднего значения ординат распределения Пирсона III типа приведены в [Савичев, 2011].

При необходимости расчетные уровни воды вверх или вниз по течению реки в случае свободного состояния русла переносят по одному из трех способов: 1) по кривым расходов воды Q = f (H_W); 2) по кривым связи соответственных уровней воды; 3) по продольному профилю водной поверхности с учетом ее уклона при высоком уровне воды. Перенос уровней воды по продольному профилю водной поверхности производят в пределах небольших по длине участков (1–3 км). В устьевых и приустьевых участках рек в отдельные фазы их режима учитывают возможность подпора воды со стороны водоприемника. Если наивысшие уровни приходятся на период с ледовыми явлениями, то их перенос осуществляют по зависимости Q = f (H_W) для открытого русла и расходам воды, вычисленным по формуле:

, (1.1.9)

где Q_p – расход воды в опорном створе; k_Q – коэффициент, учитывающий изменение гидравлических характеристик потока льдом.

Расчётные максимальные расходы воды весеннего половодья Q _max_, _{р %}, (м³/с) для малых и средних рек при отсутствии данных наблюдений определяются с помощью редукционной формулы, отражающей уменьшение модуля стока с возрастанием площади водосбора:

Q _max_, _р = K ₀ Y_W _, _fl _, _pm_fld_fld_fl _,₁ d_fl _,₂ A_B / (A_B + A_B _,₁) ^rc, (1.1.10)

где K ₀ – параметр, характеризующий дружность весеннего половодья; рассчитывают как среднее из значений, определенных по данным нескольких рек-аналогов обратным путем из формулы (1.1.10); Y_W _, _fl _, _p – расчетный слой суммарного весеннего стока (без срезки грунтового питания) ежегодной вероятности превышения Р^*, мм; определяют в зависимости от коэффициента вариации C_v и отношения C_s / C_v, a также среднего многолетнего слоя стока Y_W _, _fl _,₀; m_fl – коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров кривых распределения слоев стока и максимальных расходов воды; d_fl, d_fl _,₁, d_fl _,₂ – коэффициенты, учитывающие влияние водохранилищ, прудов и проточных озер (d_fl), залесенности (d_fl _,₁) и заболоченности речных водосборов (d_fl _,₂) на максимальные расходы воды; А_B –площадь водосбора исследуемой реки до расчетного створа, км²; А_B _,₁ – дополнительная площадь, учитывающая снижение интенсивности редукции модуля максимального стока с уменьшением площади водосбора, км²; rc – показатель степени редукции. Для больших рек (с площадью водосбора более 50000 км²) при отсутствии данных наблюдений необходимо проведение инженерно-гидрометеорологических изысканий.

Расчетные наивысшие уровни воды при отсутствии наблюдений определяют по кривым Q = f (H_W) через расходы воды Q_p. Кривые расходов строят с помощью формулы:

, (1.1.11)

где A_S – площадь поперечного сечения русла или поймы при отметке уровня Н_W, м²; n_r – коэффициент шероховатости, с/м^0,33; – средняя глубина воды в русле или пойме, м; S – уклон водной поверхности, м/м. Кривые A_S = f (H_W) и h_W = f (H_W) устанавливают путем промеров глубин и нивелирования русла, береговых склонов и долины.

Расчетные значения наивысших уровней воды при подвижках льда и ледоходе оценивают по кривой Q = f (H_W) через расходы, вычисленные по формуле:

, (1.1.12)

где h_W – коэффициент, учитывающий соотношение расходов воды при подвижке (ледоходе) и на пике весеннего половодья Q_р и несовпадение по годам этих расходов одной вероятности превышения. Значения коэффициентов h_W и k_Q определяют методом аналогии.