Характеристика гидродинамических аварий

 

Гидродинамически опасный объект (ГОО) – сооружение или естественное образование, создающее разницу уровней воды до и после него. ГОО относятся гидротехнические сооружения напорного фронта и естественные плотины. Гидродинамическая авария – авария на гидротехническом сооружении (ГТС), связанная с распространением с большой скоростью воды и создающая угрозу возникновения техногенной ЧС.

Авария на ГТС может произойти из-за воздействия землетрясения, урагана, обвала, оползня, конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, разрушения оснований и так далее, а военное время – как результат воздействия средств поражении.

При прорыве плотины в ней образуется проран, от размеров которого зависят объём и скорость падения вод верхнего бьефа в нижний бьеф и параметры волны прорыва.

Катастрофическое затопление, являющееся следствием гидродинамической аварии, заключается в стремительном затоплении местности волной прорыва. Масштабы последствий гидродинамических аварий зависят от параметров и технического состояния гидроузла, характера и степени разрушения плотины, объёмов запасов воды в водохранилище, характеристик волны прорыва и катастрофического наводнения, рельефа местности, сезона и времени суток происшествия и многих других факторов.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются: волна прорыва, характеризующаяся высотой волны и скоростью движения и длительностью затопления.

Волна прорыва – волна, образующаяся во фронте устремляющегося в пролом потока воды, имеющая, как правило, значительную высоту гребня и скорость движения и обладающая большой разрушительной силой. Она образуется при одновремённом наложении двух процессов: падения вод водохранилища из верхнего в нижний бьеф, порождающего волну, и резкого увеличения объёмов воды в месте падения, что вызывает переток воды из одного места в другое, где уровень воды ниже.

Волна прорыва, с гидравлической точки зрения, является волной перемещения, которая в отличие от ветровых волн, возникающих на поверхности больших водоёмов, обладает способностью переносить в направлении своего движения значительные массы воды. Поэтому волна прорыва рассматривается как определённая масса воды, которая движется вниз по реке и непрерывно меняет свою форму, размеры и скорость.

Разрушительное действие волны прорыва является результатом:

- резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах;

- непосредственного воздействия массы воды, перемещающейся с большой скоростью;

изменения прочностных характеристик грунта в основании сооружения вследствие фильтрации и насыщения его водой;

- размыва и перемещения больших масс грунта;

- перемещения и с большими скоростями обломков разрушенных зданий и сооружений и их таранного воздействия.

Схематический разрез сформировавшейся волны прорыва показан на рис. 3.1.

 

 

Рис. 3.1. Схематичный продольный разрез волны прорыва

 

Начало волны называется фронтом волны, который перемещаясь с большой скоростью, выдвигается вперёд. Фронт волны может быть очень крутым при перемещении больших волн на участках, близки к разрушенному гидроузлу, и относительно пологим – на больших расстояниях от гидроузла.

Зона наибольшей высоты волны называется гребнем волны, который двигается, как правило, медленнее, чем её фронт. Еще медленнее движется конец волны – хвост волны. Вследствие различия скоростей этих трёх характерных точек волна постепенно растягивается по длине реки, соответственно уменьшая свою высоту и увеличивая длительность прохождения. При этом в зависимости от высоты волны и уклонов реки на различных участках, а также неодинаковой формы и шероховатости русла и поймы может наблюдаться некоторое временное ускорение движения гребня с «перекашиванием» волны, то есть относительным укорочением зоны подъёма по сравнению с зоной спада.

Прорыв плотины приводит к затоплению местности. Зона затопления образуется следующим образом. Волна прорыва в своём движении вдоль русла реки непрерывно меняет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Эта волна имеет зоны подъёма уровней воды и зоны их спада, которые называются фронтом волны прорыва. Фронт волны прорыва может быть очень крутым при перемещении больших волн на участках близких к разрушенному ГОО и относительно пологим на значительном удалении от него.

Вслед за фронтом волны прорыва высота её начинает интенсивно увеличиваться, достигая через некоторое время максимума, превышающего бровки берегов реки, в результате чего начинается затопление пойм. При этом образуются косые течения, которые формируют так называемый головной клин, имеющий в плане форму криволинейного треугольника.

После прекращения подъёма уровней по всей ширине потока наступает период движения близкий к установившемуся. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней. После прохождения волны прорыва остаётся переувлажнённая пойма и сильнодеформированное русло реки.

Так как волна прорыва является основным поражающим фактором при разрушении гидротехнического сооружения, то для определения показателей обстановки в зоне катастрофического наводнения необходимо определить её параметры: высоту волны, глубину потока, скорость движения и время добегания различных характерных точек волны (фронта, гребня, хвоста) до расчётных створов, расположенных на реке ниже гидроузда, а также длительность прохождения волны через указанные створы.

Параметры волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки и характеризуются на расстоянии L (км) от ГТС высотой гребня h (м) и скоростью v (м/с), определяемым по формулам:

 

h = А _h / , (3.1)

 

где, А _h, B _h - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды в водохранилище).

 

v = А_v / , (3.2)

 

где, А_v, B_v - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды в водохранилище) H ₀(м), гидравлического уклона реки i (превышение в метрах высоты уровня реки на 1000 м длины) и относительной ширины прорана B (проран – узкий проток в теле плотины), значения которых приведены в табл. 3.1.

Время прихода гребня τ _гр и фронта τ _ф волны прорыва определяется по табл. 3.2. в зависимости от H ₀, i и удалённости створа объекта от ГТС L.

Продолжительность затопления территории объекта τ _зат (ч) определяется по формуле:

 

τ _зат = β ∙ (τ _ф – τ _гр) ∙ [1 – (h _м / h)], (3.3)

 

где, β – коэффициент, зависящий от высоты плотины H _п (м) гидравлического уклона реки i и расстояние до объекта L (км) (табл. 3.3); h _м - высота месторасположения объекта.

 

Таблица 3.1

Значения коэффициентов в формулах (3.1) и (3.2)

 

H 0	В	Уклон
i = 1 ∙ 10-4	i = 1 ∙ 10-3
А h	B h	Аv	Bv	А h	B h	Аv	Bv
	0,5
	0,25

 

Таблица 3.2

 

Время прохода гребня (τ _гр, ч) и фронта (τ _ф, ч) волны прорыва при разной высоте уровня воды в водохранилище

 

L, м	H 0 = 20	H 0 = 40	H 0 = 80
i = 1 ∙ 10-4	i = 1 ∙ 10-3	i = 1 ∙ 10-4	i = 1 ∙ 10-3	i = 1 ∙ 10-4	i = 1 ∙ 10-3
τ гр	τ ф	τ гр	τ ф	τ гр	τ ф	τ гр	τ ф	τ гр	τ ф	τ гр	τ ф
	0,2	1,8	0,2	1,2	0,1		0,1	1,2	0,1	1,1	0,1	0,2
	0,5		0,6	2,4	0,3		0,3		0,2	1,7	0,1	0,4
	1,6								0,5		0,4
									1,2

Таблица 3.3

Значение коэффициента β

i ∙ L / H 0	Относительная высота плотины H 0 (м) от средней глубины реки в нижнем бьефе h 0 (м)
H 0 / h 0 = 10	H 0 / h 0 =20
0,05	15,5	18,0
0,1	14,0	16,0
0,2	12,5	14,0
0,4	11,0	12,0
0,8	9,5	10,8
1,6	8,3	9,9

 

В зависимости от скорости движения воды и глубины затопления h _з, равной h _з = h _гр – h _м, степень разрушения зданий и сооружений будет различной (табл. 3.4).

Таблица 3.4

 

Значения параметров волны прорыва, приводящие к разрушению объектов

 

Наименование объекта	Степень разрушения
сильная	средняя	слабая
V, м/с	h, м	V, м/с	h, м	V, м/с	h, м
Здания и сооружения
Сборные деревянные жилые дома	3.0	2,0	2,5	1,5	1,0	1,0
Деревянные дома (1…2 этажа)	3,5	2.0	2,5	1,5	1,0	1,0
Промышленные здания с лёгким металлическим каркасом и здания бескаркасной постройки	5,0	2,5	3,5	2,0	2,0	2,0
Кирпичные дома средней этажности (4 этажа)	6,0	3,0	4,0	2,5	2,5	1,5
Промышленные здания с тяжёлым металлическим или железобетонным каркасом (стены из керамзитовых панелей)	7,5	4,0	6,0	3,0	3,0	1,5
Бетонные и железобетонные здания, здания антисейсмической конструкции	12,0	4,0	9,0	3,0	4,0	1,5
Стенки, набережные и пирсы набережные и пирсы на деревянных сваях	4,0	6,0	2,0	4,0	1,0	1,0
Оборудование промышленных предприятий
Станочное оборудование	3.0	2,0	2,0	2,0	1,0	1,0
Оборудование химических и электротехнических цехов и лабораторий	4.0	1,5	3,0	1,5	1,0	1,0
Трансформаторно-понизительные подстанции	5,0	2,0	4,0	2,0	2.0	1,0

Продолжение табл. 3.4

Наименование объекта	Степень разрушения
сильная	средняя	слабая
V, м/с	h, м	V, м/с	h, м	V, м/с	h, м
Портальные краны грузоподъёмностью 16 т	8,0	6,0	6,0	3,0	2,0	2,0
Мосты, дороги и транспортные средства
Деревянные мосты (поток выше проезжей части)	1,0	2,0	1,0	1,5	0,0	0,5
Железобетонные мосты	2,0	3,0	1,0	2,0	0,0	0,5
Металлические мосты и путепроводы с пролётом 30-100м	2,0	3,0	1,0	2,0	0,0	0,5
Железнодорожные пути	2,0	2,0	1,0	1,0	0,5	0,5
Дороги с гравийным (щебёночным) покрытием	2,5	2,0	1,0	1,5	0,5	0,5
Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием	4,0	3,0	2,0	1,5	1,0	1,0
Автомобили	2,0	2,0	1,5	1,5	1,0	1,0
Подвижной состав	3,5	3,0	3,0	1,5	1,5	1,0
Плавучие средства
Речные суда, катера с осадкой менее 2 м	5,0	2,0	4.0	1,5	2,0	1,5
Вспомогательные суда (плавучие краны, землечерпательные снаряды)	7,0	2,0	4,0	1,5	2,0	1,5