Geum.ru

Конкурс научных молодежных работ «Молодежь Белгородской области»

Вид материалаКонкурс
3. Сравнение параметров волны прорыва в результате аварии Истринского гидроузла, определенных различными методами
Подобный материал:
1   2   3   4   5

3. Сравнение параметров волны прорыва в результате аварии Истринского гидроузла, определенных различными методами



В данном разделе представлены материалы сравнения результатов расчетов параметров волны прорыва по отечественным программам «БОР» и «RIVER», зарубежной программе «Mike 11», графоаналитической методики Историка Б. Л в случае прорыва напорного фронта Инстринского гидроузла.

Истринский гидроузел расположен на р. Истре, длина водохранилища около 25 км при ширине 0,5-1 км, глубина до 15-20 м, объем водохранилища (при НПУ=168,63 м) равен 183 млн. м3, площадь зеркала 33,6 км2. Ниже водохранилища река течет в южном направлении до г. Истры, затем в юго-восточном направлении и впадает в р. Москву на расстоянии 61,5 км от створа плотины гидроузла. В среднем течении у г. Истра ширина реки 25-30 м, глубина в межень 1-1,5 м, скорость течения 0,5 м/с, уклон 0,3 м на 1 км.

Долина р. Истры пересечена 6 крупными мостовыми переходами. При прохождении волны прорыва велика вероятность их разрушения, однако некоторые из них могут устоять либо сопротивляться разрушению довольно длительное время. Точно рассчитать время и степень их разрушения не представляется возможным. Поэтому был выбран следующий сценарий наиболее вероятной гидродинамической аварии: образование прорана в грунтовой плотине при УВБ=НПУ с разрушением всех мостовых переходов.

Сравнивались наиболее значимые параметры волны прорыва:

1) максимальный расход волны прорыва в выбранных контрольных створах нижнего бьефа;

2) максимальная глубина затопления;

3) время добегания фронта волны прорыва до контрольных створов;

4) время, за которое отметка затопления достигнет своего максимального значения в контрольных створах (время добегания пика волны).

Сравнение результатов расчета было проведено для 4 створов:

а) створа №1, расположенного на расстоянии 15 км от створа гидроузла в месте расположения железнодорожного моста в г. Истре, пересекающего долину реки Истры;

б) створа №2, расположенного на расстоянии 26,1 км от створа гидроузла в месте расположения автодорожного моста кольцевой автодороги («бетонки»);

в) створа №3, расположенного на расстоянии 43,8 км, в створе автодорожного моста у нас. пункта Павловская Слобода;

г) створа №4, расположенного на расстоянии 54,6 км, в месте пересечения долины р. Истры с Новорижским шоссе.

Изначально расчет параметров волны прорыва Истринского гидроузла был проведен на основе численного решения двумерных уравнений Сен-Венана с использованием программы «БОР» на треугольно-четырехугольных сетках нерегулярной структуры с учетом реальной топографии долины реки, полученной с карт М 1:10 000 и М 1:200 000 с применением ГИС-технологий. На рис. 1 приведена цифровая модель рельефа верхнего и нижнего бьефов Истринского гидроузла с указанием расчетных створов. Расчет развития прорана в грунтовой плотине производился по методике А.М. Прудовского. Было проведено рекогносцировочное обследование мостовых переходов для определения их конструктивных параметров (высота насыпи, отверстие моста в свету, тип крепления конусов) с целью внесения этих параметров в математическую модель. По результатам компьютерного моделирования были получены характеристики затопления населенных пунктов, сельхозугодий и др. объектов в нижнем бьефе гидроузла.

Для сравнения с выполненным расчетом по другим методикам исследования параметров прорывного паводка были использованы те же исходные данные и граничные условия задачи.

Результаты сравнения представлены в табл. 1 – 4, а также на рис. 2-3.

Анализ результатов показал, что модели, построенные с использованием одномерных уравнений Сен-Венана (программа «RIVER» и программа «Mike 11») незначительно уступают по точности программе «БОР», базирующейся на решении двумерных уравнений Сен-Венана. Ошибка колеблется в пределах от 0,71 до 22,3 % при определении значения максимальной глубины затопления, от 0,67 до 19,07 % при определении значения максимального расхода, от 0 до 14,29 % при определении значения времени добегания до расчетных створов, от 7,53 до 19,07 % при определении значения времени, за которое отметка затопления в расчетных створах достигает своего максимального значения. Причем максимальное расхождение в результатах отмечается в створах, расположенных ближе к створу плотины, а по мере удаления от него, величина погрешности уменьшается. Это связано с тем, что двумерная модель лучше описывает сложные процессы, происходящие в зоне непосредственно около аварийного гидроузла, где поток, пройдя узкий проран, существенно расширяется, а также аналогичные участки вблизи мостовых переходов; обычно при этом возникает зона, в которой течение происходит в бурном режиме.

Программа «Mike 11» менее точна, чем программа «RIVER» и дает чуть большее (на 2-3 %) искажение результатов.

Весьма близкие результаты были получены и с помощью методики Историка: при определении значения максимальной глубины затопления ошибка по сравнению с двумерной математической моделью колебалась в пределах от 0,3 до 14,6 %; при определении значения времени добегания до расчетных створов - от 2,9 до 15,7 %. В створе №1, расположенном ближе остальных створов к створу плотины и находящемуся непосредственно у первого мостового перехода, наблюдались наибольшие расхождения в результатах: в частности, при определении значения времени, за которое отметка затопления достигает своего максимального значения – до 27,3 % (в остальных же створах - от 4,2 до 10,3%).

Результаты проведенного сравнения говорят о том, что для моделирования волн прорыва в протяженных (десятки и сотни километров) нижних бьефах средних и крупных гидроузлов возможно и достаточно эффективно применение одномерных численных моделей в приближении Сен-Венана. На тех участках (фрагментах) долины, где важна большая степень детализации – вблизи гидроузла, вблизи населенных пунктов с развитой инфраструктурой (мостовые переходы, застройка поймы) – желательно применение двумерных (в плане) численных моделей (построенных с применением крупномасштабных топографических карт), граничные условия для которых берутся из расчетов по одномерной модели. Такое многоуровневое (многомасштабное) моделирование может оказаться наиболее эффективным при решении всего спектра задач, связанных с прохождением волн прорыва: оценке ущербов от гидродинамической аварии, проектировании защитных сооружений на пойме, разработке планов оповещения и эвакуации населения, и т.д.




Створ №1

Створ №2

Створ №3

Створ №4

Устье р. Истры

Рис.1. Цифровая модель рельефа верхнего и нижнего бьефов Истринского гидроузла. Шаг координатной сетки 5 км.



Рис. 2. Сравнение гидрографов расхода волны прорыва в контрольных створах, определенных при помощи различных методов расчета.



Рис. 3. Сравнение максимальных глубин затопления в контрольных створах, определенных при помощи различных методов расчета.

Обозначения: 1, 2, 3, 4 – створы №1, 2, 3, 4 соответственно.

Таблица 1

Сравнение максимальных глубин затопления в расчетных створах

(в таблице приведено сравнение с программой «БОР»)

№ створа
Глубины затопления в расчетных створах, полученные при помощи различных методов расчета, м

«БОР»
«RIVER»
Δ, %
«Mike 11»
Δ, %
Методика Историка
Δ, %

1
14,66
11,94
18,54
11,38
22,34
12,52
14,59

2
11,48
11,022
4,04
10,95
4,68
11,52
0,30

3
11,61
11,527
0,71
11,36
2,16
10,89
6,20

4
11,10
12,27
9,55
10,53
5,16
10,52
5,21



Таблица 2

Сравнение максимальных расходов в расчетных створах

(в таблице приведено сравнение с программой «БОР»)

№ створа
Расходы в расчетных створах, полученные при помощи различных методов расчета, м3/c

«БОР»
«RIVER»
Δ, %
«Mike 11»
Δ, %
Методика Историка Б. Л.
Δ, %

1
5624,16
5464,46
2,84
5662,30
0,67
13809,00
59,27

2
3390,44
3565,47
4,91
3832,20
11,53
12723,00
73,35

3
2481,05
2378,96
4,11
2468,90
0,49
11416,00
78,27

4
2386,14
2250,25
5,69
2394,73
0,36
10943,00
78,19



Таблица 3

Сравнение времени добегания фронта волны до расчетных створов

(в таблице приведено сравнение с программой «БОР»)

№ створа
Время добегания фронта волны до расчетных створов, полученное при помощи различных методов расчета, ч

«БОР»
«RIVER»
Δ, %
«Mike 11»
Δ, %
Методика Историка Б. Л.
Δ, %

1
2,00
2,00
0,00
1,90
5,00
2,13
6,10

2
4,45
4,10
7,87
3,90
12,36
3,75
15,73

3
8,50
8,20
3,53
7,60
10,59
8,11
4,59

4
9,80
9,40
4,08
8,40
14,29
9,52
2,86

Таблица 4

Сравнение времени наступления максимальной глубины затопления в расчетных створах (в таблице привеено сравнение с программой «БОР»)

№ створа
Время наступления максимальной глубины затопления в расчетных створах, полученное при помощи различных методов расчета, ч

«БОР»
«RIVER»
Δ, %
«Mike 11»
Δ, %
Методика Историка Б. Л.
Δ, %

1
4,65
4,30
7,53
4,30
7,53
6,40
27,34

2
10,75
9,20
14,42
8,70
19,07
10,30
4,19

3
15,90
16,90
5,92
12,90
18,87
16,63
4,39

4
16,70
19,80
15,66
13,90
16,77
18,62
10,31