Разработка и апробация системы оценки состояния гидротехнических сооружений речных низконапорных гидроузлов

Вид материала

Автореферат

Содержание Распределение водовыпусков обследованных гидроузлов по их техническому состоянию В четвертой главе

Подобный материал:

• Конкурс научных молодежных работ «Молодежь Белгородской области», 590.01kb.
• Перечень должностных лиц, осуществляющих государственный надзор за безопасностью гидротехнических, 56.47kb.
• Правила проведения надзора и контроля за безопасностью судоходных гидротехнических, 143.59kb.
• Методические указания по оценке влияния гидротехнических сооружений на окружающую среду, 1621.23kb.
• Сегодня на водных путях Российской Федерации насчитывается 335 комплексов судоходных, 131.5kb.
• Инструкция о порядке ведения мониторинга безопасности гидротехнических сооружений предприятий,, 82.95kb.
• Решение вопросов безопасности гидротехнических сооружений и подготовка к проведению, 32.25kb.
• Дополнительных требований по разработке декларации безопасности гидротехнических, 18.44kb.
• I-5-msuce-1 Паспорт совместного российско-американского проекта, 111.75kb.
• «Определение напряженно-деформированного состояния и оценка остаточного ресурса технических, 62.81kb.

Распределение водовыпусков обследованных гидроузлов по их техническому состоянию

Тип водовыпусков	Всего	В неудовлетв. состоянии		В удовлетв. состоянии
		Кол-во	в %	Кол-во	в %
1. Донные с колодцем или камерой управления в нижнем бьефе	163	88	54,0	75	46,0
2. Башенные (или с шахтой управления) в верхнем бьефе	4	4	100,0	0	0,0
3. Трубчатые с регулятором на входе	22	19	86,4	3	13,6
4. Совмещенные с шахтным оголовком трубчатого водосброса	13	6	46,2	7	53,8
5. Открытые	5	1	20,0	4	80,0
6. Сифонные	6	5	83,3	1	16,7
Всего	213	123	57,7	90	42,3

Отдельно следует выделить результаты анализа состояния ГТС по сочетанию группы неблагоприятных факторов, что позволяет в дальнейшем выделить наиболее опасные сооружения, которые будут обладать приоритетом по необходимости проведения ремонтных работ. К таким объектам относятся следующие сооружения:

- не имеющие службы эксплуатации и при этом находящиеся в аварийном состоянии или требующие проведения капитального ремонта - 51 %;

- не имеющие службы эксплуатации и при этом не обладающие достаточной готовностью к пропуску паводка - 59,6 %;

- опасные и особо опасные для территории нижнего бьефа и при этом находящиеся в аварийном состоянии, требующем проведения капитального ремонта или усиленного текущего ремонта (рис. 5);

- опасные и особо опасные для территории нижнего бьефа, находящиеся в потенциально опасном и аварийном техническом состоянии, имеющие при этом значительный объем водохранилища и высоту плотины.

В связи со значительным количеством низконапорных гидроузлов, сооружения которых находятся в потенциально опасном и аварийном состоянии, трудноразрешимой является также проблема эффективного использования средств, предназначенных для реализации необходимых превентивных мероприятий, решение которой дополнительно затруднено отсутствием соответствующих методических разработок.

В разделе 3.2 диссертационной работы представлена идея метода определения наиболее эффективного вложения инвестиций, состоящего из трех основных этапов:

1) производится ранжирование ГТС в зависимости от их состояния (в первую очередь потенциально опасные и аварийные) и степени опасности в зависимости от наличия объектов экономики и населенных пунктов в нижнем и верхнем бьефах;

2) определяется экономическая эффективность инвестиций в превентивные мероприятия по предложенной формуле:

Э = Уп / К, где:

Э - экономическая эффективность капитальных вложений в превентивные мероприятия; Уп - предотвращенный ущерб; К - капитальные вложения в превентивные ремонтные мероприятия;

3) производится выделение объектов, для которых проведение ремонтных мероприятий принесет наибольший экономический эффект.

Возможность применения этого метода была проверена на примере расчета экономической эффективности проведения ремонтных мероприятий для комплекса детально обследованных объектов Коломенского района (табл. 4).


Таблица 4

Результаты оценки эффективности использования средств, вкладываемых в ремонтные работы по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений

Название ГТС	Площадь затопления, га	Ущерб при аварии, млн.руб.	Капиталовложения на превентивный ремонт, млн.руб.	Эффективность ремонтных работ
Плотина на р.Репинке	214	2513,9	7,2	349,2
Плотина на р.Велейке	156	11,5	4,2	2,7
Плотина на р.Вешенке	255	21,2	2,6	8,2
Плотины на р.Гнилуше (каскад двух прудов)	607	25,7	14,4	1,8

Расчет возможного ущерба был произведен при помощи «Методики определения размера вреда…», разработанной НИИЭС.

Стоимость ремонтных работ, которые необходимо выполнить для ликвидации угрозы прорыва напорного фронта, определялась по стоимостям ремонтных работ (с учетом их объема) аналогичных объектов с пересчетом на IV квартал 2007 г.

К сожалению, использование такого подхода не дает однозначного ответа на вопрос, в какое именно сооружение вкладывать инвестиции, так как в реальной жизни может сложиться ситуация, когда средств на ремонт наиболее опасного объекта не хватает, а частичный ремонт не принесет результата. В такой ситуации целесообразно будет использовать имеющиеся средства на другой объект, например, следующий по эффективности за рассматриваемым. Представленный метод хорош тем, что позволяет ранжировать объекты по эффективности проведения ремонтных мероприятий и на этой основе выделять гидроузлы, обеспечение безаварийной работы которых стоит на первом месте.

В четвертой главе выполнен анализ результатов расчетов параметров волны прорыва, полученных различными методами:

- численными – с использованием ряда отечественных и зарубежных программных комплексов («SV_1», разработанным Школьниковым; «БОР» и «River», разработанных Беликовым; «Mike-11», разработанным Датским государственным университетом);

- основанными на использовании эмпирических соотношений (графоаналитическая методика, разработанная д.т.н. Б. Л. Историком (далее - методика Историка); методика оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов, разработанная сотрудниками ВНИИ ГОЧС (далее - методика ВНИИ ГОЧС).

Анализ выполнялся для небольших гидроузлов с напорами до 20 м с учетом границ применимости методики Историка и ВНИИ ГОЧС.

В частности, было проведено сравнение результатов расчета параметров волны прорыва в случае аварии Истринского гидроузла с использованием программных комплексов: «БОР», «RIVER», «Mike 11» и методики Историка (рис. 6).

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 0,7 до 22,3% при определении значения максимальной глубины затопления; от 0,7 до 19,1 % при определении значения максимального расхода; от 0,1 до 14,3 % при определении значения времени добегания до расчетных створов; от 7,5 до 19,1 % при определении значения времени, за которое отметка затопления в расчетных створах достигает своего максимального значения. Причем максимальное расхождение в результатах отмечается в створах, расположенных вблизи створа 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.

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 наблюдения, расположенном вблизи к створу плотины и находящемуся непосредственно у первого мостового перехода, пересекающего русло реки в нижнем бьефе, 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%).

Кроме того, в диссертационной работе решена специальная тестовая задача для сравнения результатов расчета максимальных глубин затопления в нижнем бьефе, полученных при помощи программы «SV_1», методики Историка и методики ВНИИ ГОЧС в случае призматического русла треугольного поперечного сечения без начального наполнения в нижнем бьефе.

В данной задаче рассмотрено четыре расчетных случая (рис.7), анализ результатов которых показал, что методика Историка дает достаточно точные результаты (расхождение с программой «SV_1» во всех опытах составляет от 1,5 до 7 %); методика же ВНИИ ГОЧС дает менее близкие результаты (расхождение с программой «SV_1» составляет до 70 %).

Анализ результатов расчетов параметров волны прорыва, определенных с помощью различных методик расчета показал, что методика Историка обладает достаточной степенью достоверности и значительной простотой в использовании по сравнению с более точными численными методами с точки зрения ее использования для прогнозирования последствий прорыва многочисленных низконапорных гидроузлов.

В соответствии с «Методикой определения размера вреда…», разработанной НИИЭС при определении размеров ущерба от аварий гидроузлов используются три основных параметра волны прорыва: максимальная глубина затопления, наносимая также на топографическую основу при: определении границ зоны затопления, площади земель, перечня населенных пунктов и объектов народного хозяйства, подвергшихся воздействию воды; максимальная скорость движения волны прорыва и продолжительность затопления. Далее, в соответствии со значениями найденных параметров, зона затопления разбивается на три зоны воздействия: сильного, среднего и слабого разрушения, в соответствии с которыми принимаются коэффициенты расчета.

Изучение прогнозируемых параметров волны прорыва, используемых при расчетах ущерба от наводнения в случае аварии ряда средне- и низконапорных гидроузлов позволило сделать вывод о том, что чаще всего основным параметром волны прорыва, определяющим значения коэффициентов зон воздействия является максимальная глубина затопления (h_max), так как:

а) максимальные скорости движения волны прорыва наблюдаются, в основном, в русле реки, а на пойме и выше, где и располагаются объекты народного хозяйства, их значения, в основном соответствуют средней и слабой зонам разрушения; в то время как значения глубин соответствуют сильной зоне разрушения;

б) продолжительность затопления земель должна достигать не менее 48 часов даже для самых неустойчивых зданий и сооружений; (для более устойчивых – до 240 часов), чтобы определить зону воздействия как сильную, что встречается крайне редко при расчете параметров волны прорыва низконапорных гидроузлов в случае отсутствия подпора со стороны расположенных в нижнем бьефе ГТС (область применения методики Историка).

Несмотря на то, что упрощенная графоаналитическая методика Историка, является достаточно недорогой и доступной в использовании, работа с безразмерными графиками и определение осредненного поперечного сечения рассматриваемого створа является сравнительно сложным и трудоемким процессом. Поэтому в диссертационной работе была поставлена задача, взяв за основу методику Историка, разработать методику предварительных экспертных оценок глубины затопления в нижнем бьефе низконапорных гидроузлов в случае прорыва их напорного фронта, путем использования основных принципов метода планирования эксперимента.

В процессе предварительных расчетных исследований установлено, что наиболее существенно на значения h_max влияют следующие параметры гидроузла и условия распространения волны прорыва в нижнем бьефе: объем водохранилища до начала аварии (W_вод), длина водохранилища до начала аварии (L_вод), глубина водохранилища у плотины до начала аварии (Н₀), шероховатость русла верхнего бьефа (n₀), величина раскрытия прорана (В_пр), расход воды в нижнем бьефе гидроузла до начала аварии (Q₀), расстояние от створа плотины до створа наблюдения (х). Предложены некоторые приближенные зависимости максимальной глубины затопления от основных параметров гидроузла и условий распространения волны прорыва в нижнем бьефе. Эти зависимости имеют вид: h_max = f₁(W_вод); h_max = f₂(L_вод); h_max = f₃(H₀); h_max = f₄(n₀); h_max = f₅(B_пр); h_max = f₆(Q₀); h_max = f₇(x).

Каждая из зависимостей, являясь функцией одной переменной, получена при определенных условиях распространения волны прорыва и фиксации на принятых уровнях всех влияющих факторов, кроме одного. При других значениях влияющих факторов эти зависимости получаются иными.

Приняты следующие допущения:

1.  Не рассматривалась зависимость глубины затопления от величины раскрытия прорана (расчеты проводились с некоторым запасом – при условии максимально возможного разрушения плотины).

2. Анализ результатов инвентаризации низконапорных гидроузлов Московской области показал, что длина водохранилищ таких объектов колеблется в интервале примерно от 0,8 до 2 км, что справедливо и для других низконапорных гидроузлов, расположенных в различных регионах Российской Федерации. Варьирование длины водохранилища в данной области не повлияет существенным образом на результаты расчетов глубины затопления в нижнем бьефе, в связи с чем, для всех расчетных случаев было принято L_вод ≈ 1,5 км.

Таким образом, зависимость максимальной глубины затопления от основных влияющих факторов была представлена в общей форме выражением:

h_max = f₁(W_вод, H₀, n₀, Q₀, x) (1)

Принято предположение, что зависимость (1) можно с достаточной точностью аппроксимировать уравнением регрессии степенного вида:

(2)

После логарифмирования уравнение (2) линеаризуется:

lgh_max = lgc + a₁lgW_вод + a₂lgН₀ + a₃lgn_o + a₄lgQ_o +a₅lgx (3)

Возможность аппроксимации зависимости (1) уравнением вида (3) устанавливалась проверкой гипотезы адекватности линейной модели при выражении результата эксперимента полиномом:

y = b₀ + b₁x₁ + b₂x₂ + b₃x₃ + b₄x₄ + b₅x₅+ b₁₂x₁ x₂+ b₁₃x₁ x₃+

+ b₁₄x₁ x₄+ b₁₅x₁ x₅+ b₂₃x₂ x₃+ b₂₄x₂ x₄+ b₂₅x₂ x₅+ b₃₄x₃ x₄+

+ b₃₅x₃ x₅+ b₄₅x₄ x₅ (4)

где y – это lgh_max; x₁,…, x₅ – кодированные значения факторов.

Для оценки коэффициентов полинома, используя полуреплику от полного факторного эксперимента 2⁵, рассмотрено16 расчетных случаев. Принятые уровни факторов приведены в табл. 5.

Кодированные значения факторов определяли по выражению:

, (5)

где x_i – кодированное значение i – го фактора; - натуральное значение i – го фактора; - натуральное значение верхнего уровня i – го фактора; - натуральное значение нижнего уровня i – го фактора.

Таблица 5

Факторы и их уровни

Факторы	Кодовое обозначение факторов	Уровни факторов
		Верхний +1	Основной 0	Нижний -1
Wвод, м3	x1	5000000	2525000	50000
H0, м	х2	20	11	2
Q0, м3/с	х3	100	50,5	1
n0	х4	0,2	0,11	0,02
х, м	x5	50000	25250	500