Конкурс научных молодежных работ «Молодежь Белгородской области»
| Вид материала | Конкурс |
- Конкурс научных молодежных работ «Молодежь Белгородской области», 732.53kb.
- Конкурс научных молодежных работ «Молодежь Белгородской области», 674.28kb.
- Конкурс проводится с целью стимулирования интереса школьников к изучению истории родного, 50.93kb.
- Первый международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, 29.76kb.
- Е. И. Хузин Положение о конкурсе среди молодежных объединений и организаций города, 76.85kb.
- Первый международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, 47.1kb.
- Первый международный конкурс научных работ молодых ученых в области нанотехнологий, 45.14kb.
- На конкурс представляются следующие документы: На конкурс представляются следующие, 163.58kb.
- Открытый Конкурс работ проводится в научных областях: юриспруденция, политология, культурология,, 34.95kb.
- Конкурс научных работ аспирантов, соискателей, научных сотрудников "Экономический рост, 22.12kb.
Областной конкурс научных молодежных работ
«Молодежь Белгородской области» и присуждения премии
«Молодость Белгородчины» в области технических и сельскохозяйственных наук
Конкурсная работа
Направление исследования: Область технических и сельскохозяйственных наук
Тема работы: Разработка системы оценки безопасности гидротехнических сооружений речных низконапорных гидроузлов
Соавторы работы: студенты строительного факультета Губкинского института (филиала) Московского государственного открытого университета
Студент 1 курса
очной формы обучения Кожокин Евгений Александрович
Студент 1 курса
очной формы обучения Петренко Андрей Юрьевич
Руководитель работы
старший преподаватель кафедры
теоретической и прикладной механики ГИ МГОУ,
канд. техн. наук Секисова Ирина Артуровна
Консультант
профессор кафедры
гидротехнических сооружений
Московского государственного университета природообустройства,
доктор техн. наук Каганов Григорий Моисеевич
г. Белгород – 2010 год
Содержание
Введение 3
Выводы 34
Список литературы 36
Введение
Правильная оценка состояния гидротехнических сооружений – это многоплановая, в том числе и серьезная экономическая задача, позволяющая ранжировать гидротехнические сооружения по степени опасности и, в конечном счете, решать вопросы об экономической эффективности инвестиций, вкладываемых в реализацию превентивных мероприятий (ремонт, реконструкцию), исключающих ущерб от возможной аварийной ситуации или аварий, в том числе связанных с прорывом напорного фронта.
В настоящее время оценка экономического ущерба в случае прорыва напорного фронта гидроузлов решается методом построения математической модели аварии. Моделирование гидродинамических аварий с использованием современных технологий, дает возможность выполнить довольно точную оценку последствий прорыва напорного фронта гидроузла. Однако, реализация подобной работы требует достаточно больших трудовых и материальных затрат, высокой квалификации специалистов, проводящих расчет, а также наличия современного программного обеспечения. В связи с чем, подобные работы проводятся, в первую очередь для высоконапорных гидроузлов, представляющих наибольшую опасность для территории нижнего бьефа и, кроме того, руководство которых способно оплатить такие расчеты.
Основную же часть гидроузлов России порядка 70-75% составляют гидроузлы IV-го класса, большая часть которых не имеет собственников, или собственники которых не способны оплатить работы, связанные с декларированием безопасности гидротехнических сооружений. Кроме того, значительная часть этих сооружений находится в аварийном состоянии и представляет опасность для других объектов народного хозяйства.
В связи с чем, для малых гидроузлов представляет интерес возможность использования упрощенных методов для предварительных расчетов параметров прорывного паводка и ранжирования на этой основе многочисленных низконапорных гидроузлов по степени опасности и эффективности проведения превентивных ремонтных мероприятий.
В данном исследовании решалась задача сравнения существующих методов расчета параметров волны прорыва (как высокоточных, так и упрощенных); выбора на этой основе достаточно недорогой, простой, доступной в использовании и достоверной методики, позволяющей за достаточно короткие сроки и с привлечением минимального количества денежных средств осуществлять оценки последствий прорыва напорного фронта многочисленных низконапорных гидроузлов.
Кроме того, решалась задача разработки на основе выбранной методики упрощенного расчета, приемлемого для быстрых, предварительных экспертных оценок масштабов чрезвычайной ситуации в случае прорыва напорного фронта низконапорных гидроузлов.
1. Опыт математического моделирования гидродинамических аварий, связанных с прорывом напорного фронта водохранилищ в Российской Федерации и за рубежом
С конца 50-х годов в связи с развитием вычислительной техники в России стали появляться высококлассные вычислители – гидродинамики и гидравлики: В. В. Беликов, О. М. Белоцерковский, С. М. Белоцерковский, О. Ф. Васильев, А. Ф. Воеводин, М. Т. Гладышев, С. К. Годунов, А. А. Дородницин, Б. Л. Историк, В. И. Климович, В. М. Лятхер, А. Н. Милитеев, А. В. Мишуев, А. М. Прудовский, В. Я. Шкадов, С. Я. Школьников, С. М. Шугрин и другие. Можно говорить о возникновении нескольких научных школ вычислителей-гидравликов: школы Института Гидродинамики СО РАН, школы вычислительного Центра РАН, школы НИС Гидропроекта (теперь ОАО «НИИЭС») [1].
НИИЭС безусловно является одной из организаций-пионеров в области численного моделирования прорывных волн. В этой организации накоплен богатый опыт гидродинамических исследований, имеется ряд методик прогноза аварий и программ, позволяющих проводить соответствующие численные эксперименты. Достоверность результатов подтверждена расчетами многочисленных тестовых задач и реальных объектов гидротехники.
Выходцами школы НИИЭС являются два крупнейших специалиста, занимающимися в настоящее время моделированием сложных процессов гидравлики открытых потоков: Беликов В. В. и Школьников С. Я.
Программа «SV_1», разработанная С.Я. Школьниковым базируется на использовании одномерных и двумерных (в зависимости от решаемой задачи) уравнений Сен-Венана для русел непризматической формы, численно реализованные при помощи явной конечно-разностной схемы А.Н. Милитеева, адаптированной для течений в руслах сложной формы.
С применением программы были определены масштабы возможной чрезвычайной ситуации при прорыве напорного фронта ряда крупнейших объектов, таких как гидроузлы Москворецкой (Можайского, Рузского и Озернинского) и Вазузской (Зубцовсого, Кармановского и Верхне-Рузского) водных систем.
Комплекс программ «БОР» и «River», разработанный под руководством В. В. Беликова, предназначен для расчета паводковых течений в реках и речных долинах, вызванных разрушением напорного фронта плотин, и также базируется на решении одномерных и двумерных (в зависимости от решаемой задачи) уравнений Сен-Венана. Дискретизация двумерных уравнений производится на гибридной треугольно-четырехугольной сетке по оригинальной методике, описанной в [2].
Ограничения на размеры расчетной области и детальность проводимых расчетов накладываются только мощностью применяемых ЭВМ.
Использование данных программных комплексов сопряжено с рядом некоторых трудностей:
- К сожалению, в настоящее время не существует специальных базовых курсов подготовки специалистов к использованию отечественных разработок, в результате чего моделированием параметров волны прорыва занимается лишь узкий круг специалистов во главе с разработчиками программных комплексов, усилий которого явно недостаточно для того, чтобы решить особенно актуальную в настоящий момент проблему определения масштабов чрезвычайной ситуации многочисленных низконапорных гидроузлов.
- Работа, связанная с моделированием подобных аварий, заключает в себе колоссальный труд, связанный с обработкой большого количества исходной гидрологической, топографической, метеорологической и климатической информации об исследуемом объекте; калибровкой модели (проверкой достоверности); представлением результатов расчета. В связи с чем, процесс моделирования гидродинамических аварий сопряжен со значительным количеством трудозатрат и материальных вложений. В такой ситуации моделирование гидродинамических аварий низконапорных гидроузлов, основной проблемой которых является отсутствие проектной документации, представляется задачей, лишенной экономического смысла.
Наиболее известным и широко применяемым за рубежом программным комплексом, позволяющим создавать математические модели прорыва напорного фронта гидроузлов является Mike 11, разработанный Датским гидравлическим институтом (ДГИ).
Программный комплекс MIKE 11 предназначен для разработки имитационных компьютерных моделей гидродинамических процессов, включая разрушение плотин, прорывные и паводковые волны, транспорта наносов, процессов конвективной диффузии в неконсервативных средах (перенос и распад загрязняющих веществ) и качества воды (взаимодействие биологически активных загрязняющих веществ), в речных системах, каналах и эстуариях.
Основной особенностью системы MIKE 11 является ее модульная структура, которая включает в себя следующие основные (базовые) модули:
1) гидрологический (NAM);
2) гидродинамический (HD), включающий модуль расчета прорыва плотины (DB);
3) адвекции-дисперсии и транспорта связных наносов (AD);
4) качества воды (WQ);
5) морфологии и транспорта несвязных наносов (NST).
К недостаткам вышеописанной программы относятся:
1. Высокая стоимость MIKE 11, что делает не только использование, но и изучение данного программного комплекса неоправданно дорогим.
2. Меню на иностранном языке, изобилующим целым рядом специализированных терминов, что дополнительно затрудняет работу с программой.
3. Отсутствие в России детальных пособий на русском языке и курсов обучения, рассчитанных на подготовку специалистов, способных в дальнейшем применять полученные знания на практике.
2. Методы, основанные на использовании эмпирических соотношений, разработанные в России
Первой и достаточно серьезной работой в данной области, к сожалению не получившей до сих пор широкого распространения, была графоаналитическая методика Б. Л. Историка [3], составленная им на основе изучения волн прорыва с помощью гидравлических и математических моделей. Проведение широких численных экспериментов для схематизированных условий и для натурных объектов позволило ему получить большой фактический материал, на основе которого, с привлечением методов теории размерности и подобия, были выявлены общие закономерности и некоторые особенности распространения волны прорыва в различных условиях, послужившие базой для разработки упрощенной графоаналитической методики.
Указанная методика обладает целым рядом несомненных достоинств, благодаря которым ее применение кажется особенно привлекательным для проведения сравнительно быстрой предварительной оценки параметров волны прорыва, а в некоторых менее ответственных случаях и для окончательного прогноза ее параметров:
1. Методика достаточно проста и удобна в применении, проведение расчетов с ее помощью не занимает большого количества времени (в среднем, подготовленный специалист справляется с расчетом в течение одного – двух рабочих дней); довольно понятна для человека, обладающего квалификацией инженера – гидротехника и, к тому же, обладает значительно низкой стоимостью.
2. Методика обладает достаточной степенью достоверности, что подтверждается проведением ряда тестовых расчетов сравнения ее с более точными численными методами.
3. Графоаналитическая методика позволяет рассчитать все необходимые параметры волны прорыва в расчетных створах нижнего бьефа (такими створами могут быть населенные пункты, объекты хозяйственного или стратегического назначения и т. д.), а именно:
а) максимальную глубину затопления;
б) максимальную скорость волны прорыва в расчетных створах;
в) время добегания фронта волны прорыва до расчетных створов;
г) время, за которое в расчетных створах отметка затопления достигнет своего максимального значения;
д) продолжительность затопления или время, в течение которого глубины воды при прохождении волны прорыва превышают глубину, равную полусумме начальной и максимальной глубин в расчетных створах.
4. И, наконец, с учетом всех перечисленных достоинств, использование графоаналитической методики Б. Л. Историка позволило бы на некоторое время решить проблему оценки возможного риска огромного количества низконапорных гидроузлов, сосредоточенных на территории Российской Федерации.
Однако, как и большинство упрощенных методов, рассматриваемая методика обладает также рядом существенных ограничений и недостатков по сравнению с неограниченными возможностями современных программных комплексов:
1. Методика ориентирована, в основном, на случай отсутствия подпора в нижнем бьефе от нижерасположенной плотины. К случаям отсутствия подпора в нижнем бьефе относятся также случаи сравнительно небольшого подпора, вызываемого естественным или искусственным стеснением русла, уменьшением уклона дна ниже по течению и даже подпором от невысоких плотин, которые не окажут существенного влияния на трансформацию волны прорыва. Так, например, если начальный объем водохранилища в нижнем бьефе меньше 15 – 20 % объема вышележащего изливающегося водохранилища и очевидно, что плотина нижележащего водохранилища будет разрушена прорывным паводком при переливе воды через ее гребень, расчет максимальных затоплений производится в предположении отсутствия нижележащей плотины [3].
Данное обстоятельство не позволяет использовать методику в случаях подпора со стороны нижнего бьефа крупных водных объектов и, тем более, в случаях каскадного расположения напорных сооружений прудов и водохранилищ.
2. Существенным недостатком методики является также и то обстоятельство, что за один сеанс расчета она позволяет рассчитать максимальные параметры волны прорыва только в одном расчетном створе в отличие от современных программных комплексов, способных решать как одномерные, так и двумерные, плановые задачи распространения волны прорыва в нижнем бьефе во времени с выдачей мультфильма на экран ЭВМ.
3. Методика базируется на рассмотрении класса широких призматических русел так называемого обобщенного параболического сечения, для которых w=Ahm, R = h/m, где:
ω — площадь поперечного сечения, h — глубина воды, R — гидравлический радиус, А - размерная константа, a m — безразмерный показатель степени [4].
Это значит, что при решении задачи расчета параметров волны прорыва в естественных руслах, принимается некий осредненный уклон дна и некая осредненная форма поперечного сечения русла в нижнем бьефе до рассматриваемого расчетного створа.
Применение такого подхода, в целом, не лишено смысла и, в сравнении с более точными методиками расчета, не дает значительных ошибок в результатах. Исключение составляют лишь случаи подпора русла реки от расположенных на нем створов мостов и автомагистралей, а также случаи внезапного резкого расширения русла (например, при впадении реки в более крупный водоток или водохранилище). В этих случаях графоаналитическая методика Б. Л. Историка плохо учитывает гидравлические потери и дает некоторое искажение в результатах (порядка 15 – 30 % по сравнению с более точными методиками расчета).
Другой, более известной работой в данной области считается методика, разработанная сотрудниками ВНИИ ГОЧС (к.т.н. Г. М. Нигметовым, Ю. А. Филатовым, А. П. Ткачевым, Н. С. Юзбековым, М. В. Саввотеевым) [5].
Методика предназначена для оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов, сопровождающегося образованием волны прорыва. В качестве последствий аварий рассматриваются разрушения зданий, сооружений, дорог, мостов, транспортных средств и др., находящихся в зоне воздействия волны прорыва.
Пожалуй, единственным и главным достоинством данной методики, является максимальная доступность для инженеров, столкнувшихся с необходимостью определения масштабов возможной чрезвычайной ситуации при прорыве напорного фронта гидроузлов. Методика распространяется абсолютно свободно на территории Российской Федерации.
Однако, нельзя не учитывать некоторые обстоятельства, ставящие под сомнения результаты, полученные в результате расчета по данной методике:
1. В вышеуказанной методике не содержится иллюстраций, описывающих исходные параметры, применяемые в расчете, в связи с чем появляются некоторые сомнение в правильности понимания приведенных в методике терминов.
2. По части достоверности полученных сведений методика МЧС значительно уступает методике Историка Б. Л., это подтверждается решением специальной тестовой задачи (см. раздел 2.3).
При сравнении с программой «SV_1» расхождение результатов в большинстве случаев довольно велики и составляют от 30 до 80 %.
3. Методика ВНИИ ГОЧС так и не была объявлена официальным документом, на основе которого можно осуществлять прогнозирование последствий гидродинамических аварий прорыва напорного фронта гидроузлов.
4. В части же удобства использования данной методики тоже не было обнаружено значительных преимуществ – методика изобилует значительным количеством запутанных, вытекающих друг из друга формул расчета, на сопоставление которых необходимо затратить достаточное количество времени.