ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

Прогнозирование и оценка обстановки при гидродинамических авариях

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. 1.

Рис. 1Схематичный 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 / , (1)

где, А_h, B_h - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды в водохранилище).

v = А_v / , (2)

где, А_v, B_v - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды в водохранилище); H₀ – коэффициент гидравлического уклона реки i (превышение в метрах высоты уровня реки на 1000 м длины) и относительной ширины прорана (проран – узкий проток в теле плотины), значения которых приведены в табл.1.

Время прихода гребня τ_гр и фронта τ_ф волны прорыва определяется по табл.2. в зависимости от H₀, i и удалённости створа объекта от ГТС L.

Продолжительность затопления территории объекта τ_зат (ч) определяется по формуле:

τ_зат = β ∙ (τ_гр – τ_ф) ∙ [1 – (h_м / h)], (2)

где, β – коэффициент, зависящий от высоты плотины H_п (м) гидравлического уклона реки i и расстояние до объекта L (км) (табл. 3); h_м - высота месторасположения объекта.

Таблица 1

Значения коэффициентов в формулах (1) и (2)

H0	В	Уклон
		i = 1 ∙ 10-4				i = 1 ∙ 10-3
		Аh	Bh	Аv	Bv	Аh	Bh	Аv	Bv
20	1	100	90	9	7	40	10	16	21
40		280	150	20	9	110	30	32	24
80		720	286	39	12	300	60	62	29
20	0,5	128	204	11	11	56	51	18	38
40		340	332	19	14	124	69	32	44
80		644	566	34	17	310	166	61	43
20	0,25	140	192	8	21	40	38	15	43
40		220	338	13	21	108	74	30	50
80		880	780	23	21	316	146	61	65

Таблица 2

Время прихода гребня (τгр, ч) и фронта (τф, ч) волны прорыва при разной высоте уровня воды в водохранилище

L, м	H0 = 20				H0 = 40				H0 = 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
	τгр	τф	τгр	τф	τгр	τф	τгр	τф	τгр	τф	τгр	τф
5	0,2	1,8	0,2	1,2	0,1	2	0,1	1,2	0,1	1,1	0,1	0,2
10	0,5	4	0,6	2,4	0,3	3	0,3	2	0,2	1,7	0,1	0,4
20	1,6	7	2	5	1	6	1	4	0,5	3	0,4	1
40	5	14	4	10	3	10	2	7	1,2	5	1	2
80	13	30	11	21	8	21	6	14	3	9	3	4

Таблица 3

Значение коэффициента β

i ∙ L / H0	Относительная высота плотины H0 (м) от средней глубины реки в нижнем бьефе h0 (м)
	H0 / h0 = 10	H0 / h0 =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. 4).

Таблица 4