Приклади типових індивідуальних навчальних завдань 3 страница
, год
Значення u=5−7 м/с приймаються для зон катастрофічного і надзвичайно небезпечного затоплень; для ділянок можливого затоплення – u= 1,5−2,5 м/с.
2. Визначається висота хвилі прориву h на відстані R від дамби (греблі):
, м
де m – коефіцієнт, значення якого залежить від R − відстані до об'єкту (табл. 2.2.6).
Таблиця 2.2.6
Значення коефіцієнтів m і m1, як функцій
відстані від дамби до створу об'єкту
| Найменування параметрів | Відстань від дамби до об'єкту (R), км | ||||||
| m | 0,25 | 0,2 | 0,15 | 0,075 | 0,05 | 0,03 | 0,02 |
| m1 | 1,7 | 2,6 |
3. Розраховується час спорожнення водосховища (водоймища) за допомогою формули:
, год.
де N – максимальні витрати води через 1 м довжини прорану (ділянки переливу води через гребінь дамби), м3/с·м − визначається за допомогою табл. 2.2.7.
Таблиця 2.2.7
Максимальна витрата води через 1 м довжини прорану
| H, м | ||||
| N, м3/с 1 м |
4. Оцінюється тривалість (t) проходження хвилі прориву узаданому створі гідровузла на відстані R:
t=m1T , год.
де m1 – коефіцієнт (табл. 2.2.6), який залежить від R.
ІІ. За даними розрахунків за допомогою табл. 2.2.5 оцінюють ступінь зруйнування об'єкту.
Приклад. Обсяг води у водосховищі W = 70·106 м3, довжина прорану B = 100 м, глибина води перед дамбою H = 50 м, середня швидкість руху хвилі прориву u = 5 м/с. Визначити параметри хвилі прориву на відстані R = 25 км від дамби до створу об'єкта.
Розв’язання завдання:
1. Розраховують час підходу хвилі прориву до створу об'єкту:
tпід= R/3600u = 25·103/3600·5=1,4 (год.).
5. Визначають висоту хвилі прориву:
У табл. 2.2.7 для R = 25 кмзнаходять коефіцієнт m = 0,2, тоді:
h = mH =0,2H = 0,2·50 = 10 (м).
3. Розраховують час спорожнення водосховища по формулі:
T = W/3600·N·B.
Значення N знаходять у табл. 2.2.8. При H = 50м: N = 350 м3/с·м:
T= 70·106/350·100·3600 = 0,56 (год.).
4. Оцінюють тривалість проходження хвилі прориву t через об'єкт на відстані R.
У табл. 2.2.7 для R = 25 кмвизначають коефіцієнт m1=1,7. Тоді:
t = m1T=1,7T=1,7·0,56=0,94 (год.).
Висновок: h = 10 м; tпід = 1,4 год.; T = 0,56 год.; t = 0,94 год.
Друга методика призначена для визначення параметрів хвилі прориву і зони затоплення при зруйнуванні гідротехнічних споруд на малих і великих річках.
В даному випадку при зруйнуванні гідротехнічних споруд при недостатньому водоскиді (перелив води через гребінь дамби) також утворюється хвиля прориву (рис. 2.2.1), яка так само характеризується висотою і швидкістю поширення.
Вихідні дані:
· висота рівня води у верхньому б’єфі дамби (рівень води у водосховищі − Н), м;
· параметр прорану в безрозмірному вигляді (l – довжина дамби) Вб = B/l;
· гідравлічний ухил річки; i, м;
· віддаленість створу об'єкту від дамби − R, км;
· висота місця розташування об'єкту − hм, м;
Порядок виконання розрахунків:
1. Визначається висота хвилі прориву − h, м:
де А1 і В1 – коефіцієнти, залежні від H, Bб і i, значення яких знаходять у табл. 2.2.8.
Таблиця 2.2.8
Значення коефіцієнтів Аi і Вi при гідравлічному ухилі річки i
| Bб | Н, м | i=1·10-4 | i=1·10-3 | ||||||
| А1 | В1 | А2 | В2 | А1 | В1 | А2 | В2 | ||
| 1,0 | |||||||||
| 0,5 | |||||||||
| 0,25 | |||||||||
2. Розраховують швидкість руху хвилі прориву (u, м/с):
, м/с
де А2 і В2 – коефіцієнти, що залежать від H, Bб і i, значення яких визначають за табл. 2.2.8.
Оцінюють час підходу гребеня tгр і фронту tфр хвилі прориву за допомогою табл. 2.2.9 при відомих R, H, i.
4. Розраховується тривалість затоплення території об'єкту (tзат) за допомогою формули:
tзат = в(tгр − tфр)(1−hм / h),
де в – коефіцієнт, значення якого знаходять у табл. 2.2.10 як функцію висоти дамби (Н) і відношення i R/H.
Таблиця 2.2.9
Час підходу гребеня (tгр) і фронту хвилі прориву (tфр) , год.
| R, км | Н=20 м | Н=40 м | Н=80 м | |||||||||
| i=10-3 | i=10-4 | i=10-3 | i=10-4 | i=10-3 | i=10-4 | |||||||
| tфр | tгр | tфр | tгр | tфр | tгр | tфр | tгр | tфр | tгр | tфр | tгр | |
| 0,2 | 1,8 | 0,2 | 1,2 | 0,1 | 2,0 | 0,1 | 1,2 | 0,1 | 1,1 | 0,1 | 0,2 | |
| 0,6 | 4,0 | 0,6 | 2,4 | 0,3 | 3,0 | 0,3 | 2,0 | 0,2 | 1,7 | 0,1 | 0,4 | |
| 1,6 | 7,0 | 2,0 | 5,0 | 1,0 | 6,0 | 1,0 | 4,0 | 0,5 | 3,0 | 0,4 | 1,0 | |
| 5,0 | 4,0 | 3,0 | 2,0 | 7,0 | 1,2 | 5,0 | 1,0 | 2,0 | ||||
| 8,0 | 6,0 | 3,0 | 9,0 | 3,0 | 4,0 | |||||||
| 7,0 | 17,0 | 6,0 | ||||||||||
Таблиця 2.2.10
Значення коефіцієнту в
| R/H | Висота дамби (H) в частках від середньої глибини річки в нижньому б’єфі (h0) | |
| Н=10h0 | Н=20h0 | |
| 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 |
| 3,0 | 8,0 | 9,6 |
| 5,0 | 7,6 | 9,3 |
5. Ступінь зруйнування елементів об'єкту економіки (будівлі, устаткування, і т. п.) залежно від швидкості і висоти хвилі прориву оцінюється за допомогою табл. 2.2.5.
Приклад. В результаті весняної повені відбувся підйом рівня води в річці Тетерів, через яку наведений металевий міст. На березі річки розташований населений пункт Коптяжка, і недалеко від нього створено водосховище. Після прориву дамби через проран в ній з параметром в безрозмірному вигляді − Вб = 0,5почалося різке збільшення рівня води в р. Тетерів і гідропонік спрямувався до населеного пункту Коптяжка. Відомі висота рівня води у верхньому б’єфі дамби Н = 80 м, видалення створу об'єкту від дамби R = 5 км, гідравлічний ухил водної поверхні річки i = 1·10-3, а також висота місця розташування об'єкту hм = 2 м, максимальна висота затоплення ділянки місцевості (селища) по створу об'єкту hзат= 8 м і висота прямокутника, еквівалентного за площею змоченому периметру в створі об'єкту, hср= 5 м. Об'єкт економіки: будівлі – каркасні панельні; склади – цегляні; кабель електромережі − підземний. В населеному пункті Коптяжка одноповерхові цегляні будинки, їх підвали – кам'яні. До кожного будинку проведені труби газопостачання. Вулиця в селищі вкрита асфальтобетоном.
Визначити параметри хвилі прориву – висоту, швидкість і ступінь можливих зруйнувань об'єктів в селищі.
Розв’язання завдання:
1. Визначається висота хвилі прориву (рис. 2.2.1):
.
У табл. 2.2.8 для Вб = 0,5, Н = 80 м, i = 1·10-3, знаходять А1=320, В1=166. Тоді:
= 320/(166+5000)0,5= 4,45 (м).
2. Розраховують швидкість хвилі прориву за формулою:
.
У табл. 2.2.8 для Вб = 0,5, Н = 80 м, i = 1·10-3 знаходять А2=61, В2=52. Тоді:
= 
= 0,858 (м/с).
3. Оцінюють час підходу гребень (tгр) і фронту (tфр) хвилі прориву до створу об’єкту.
За допомогою табл. 2.2.10 для Н = 80 м, L = 5 км, i = 1·10-3, визначають tгр = 0,2 год. і tфр = 0,1 год.
4. Розраховують тривалість затоплення території об'єкту:
tзат = в(tгр − tфр)(1− hм / h).
Значення коефіцієнту в знаходять у табл. 2.2.10 для Н/hзат = 80/8 = 10, тобто при H=10h та R/H =1·10-3 ·5000/80 = 0,0625. Отже, якщо R/H = 0,0625 і H =10h за допомогою табл. 2.2.10 коефіцієнт в розраховують методом інтерполяції:
в = 14 + (15,5−14)(0,0625 – 0,05) / (0,1−0,05) = 14,375.
Тоді: tзат = 14,375 (0,2 – 0,1)(1−2 / 4,45) = 0,79 (год.) = 47,4 (хв).
5 Ступінь зруйнування об’єктів хвилею прориву характеризується даними табл. 2.2.5 при h = 4,45 і u = 0,858 м/с − 0,9 м/с:
а) на об'єкті: будівлі отримають слабкі зруйнування, склади – сильні ушкодження.
б) в селищі: будинки, міст, дорога будуть мати сильні зруйнування.
Виявлення та оцінка інженерної обстановки при зруйнуванні пожежа та вибухонебезпечних об'єктів
Пожежа та вибухонебезпечними є об'єкти, на яких виробляються, зберігаються, транспортуються вибухонебезпечні матеріали та речовини, що за певних умов здатні до спалаху або вибуху.
За ступенем вибухової, вибухо-пожежної і пожежної небезпеки всі об'єкти поділяють на шість категорій: А, Б, В, Г, Д і Е. Особливо небезпечними вважаються такі, яким присвоєні категорії А, Б і В.
До категорії А належать нафтопереробні заводи, хімічні підприємства, трубопроводи та склади нафтопродуктів.
Категорія Б обіймає цехи виробництва і засоби транспортування вугільного пилу, пилу деревини, цукрової пудри, борошна.
Пожежа і вибухонебезпечні об'єктикатегорії В − це деревообробні, столярні та лісопильні виробництва.
Виникнення пожеж залежить від ступеня вогнестійкості будівель і споруд, яка поділяється на п'ять груп.
Таблиця 3.2.11
Ступінь вогнестійкості будівель і споруд, години
| Ступінь вогнестійкості | Частини будівель і споруд | |||
| Несучі сходових кліток | Сходові майданчики і марші | Несучі конструкції перекриттів | Елементи перекриттів | |
| I | З год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 0,5 год, не згоряє |
| I I | 2,5 год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 0,25 год, не згоряє | 0,25 год, не згоряє |
| I I I | 2 год, не згоряє | 1 год, не згоряє | 0,25 год, не згоряє | згоряє |
| I V | 0,5 год, важко спалимі | 0,25 год., важко спалимі | 0,25 год, важко спалимі | згоряє |
| V | Такі, що згоряють |
Ступінь вогнестійкості будівель і споруд визначається мінімальними межами вогнестійкості будівельних конструкцій і займистістю матеріалів, з яких вони виготовлені, а також часом незаймистості.
Всі будівельні матеріали, а отже, і конструкції з них діляться на три групи: такі, що не згоряють, важко спалимі і такі, що згоряють.
Такі, що не згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури не спалахують, не тліють і не обвуглюються.
Важко спалимі − матеріали, що під впливом вогню або високої температури важко спалахують, тліють або обвуглюються і продовжують горіти за наявності джерела вогню.
Такі, що згоряють − це матеріали, які під впливом вогню або високої температури спалахують або тліють і продовжують горіти і тліти після видалення джерела вогню.
Пожежі на великих промислових підприємствах і в населених пунктах поділяються на окремі, масові та вогняний шторм. Окремі пожежі мають місце при горінні поодинокої будівлі або споруди. Масові пожежі − це сукупність окремих пожеж, що охопили більше 25% будинків або споруд. Масові пожежі за певних умов можуть перейти у вогняний шторм, коли під впливом потужного вітру або за інших причин вогонь швидко передається від об’єкту до об’єкту.
Пожежа і вибухонебезпечні явища характеризуються такими чинниками:
· повітряною ударною хвилею, що виникає при різного роду вибухах газоповітряних сумішей, ємностей з перегрітою рідиною і резервуарів під тиском;
· тепловим випромінюванням полум’я і уламками конструкцій, що розлітаються;
· дією токсичних речовин, які застосовувалися в технологічному процесі або утворилися в ході горіння або інших аварійних ситуацій.
Плануючі заходи щодо боротьби з аваріями, треба враховувати, що в своєму розвитку вони проходять п'ять характерних фаз:
перша − накопичення відхилень від нормального процесу;
друга − ініціація аварії;
третя − розвиток аварії, під час якої проявляється негативна дія шкідливих, небезпечних та уражаючих факторів на людей, природне середовище і об'єкти народного господарства;
четверта − проведення рятувальних і інших невідкладних робіт, локалізація і ліквідація аварії;
п'ята − відновлення життєдіяльності після ліквідації аварії.
В різних галузях промисловості України експлуатуються більше 1200 пожежа і вибухонебезпечних об'єктів. За даними МНС України найбільша кількість людей страждає унаслідок пожеж і вибухів в шахтах, в будівлях і будинках житлового та соціально-побутового призначення.
Вибух – це процес звільнення великої кількості енергії в обмеженому обсязі за короткий проміжок часу. За видом вибухової речовини (ВР) розрізняють вибухи конденсованої ВР (тротилу, гексогену, гептилу, пороху і т. п.), вибухи газоповітряних сумішей і вибухи аерозолів − пило-порохоповітряних сумішей.
На вибухонебезпечному об’єкті можливі такі види вибухів:
· неконтрольоване різке вивільнення енергії за короткий проміжок часу і в обмеженому просторі (вибухові процеси);
· утворення хмар паливо-повітряних сумішей або інших хімічних газоподібних і порохоподібних речовин, їх швидкі вибухові перетворення (об'ємний вибух);
· вибухи трубопроводів, ємностей, що знаходяться під великим тиском або з перегрітою рідиною, перш за все резервуарів із краплинним вуглеводневим газом.
В результаті вибуху утворюються такі фактори ураження: детонаційна та повітряна ударні хвилі, потік продуктів вибуху, осколкові поля, що утворюються в наслідок руйнування об'єктів. Основними параметрами факторів ураження вибуху є : для детонаційної та повітряної ударної хвиль – надмірний тиск у їх фронті (ΔРф), швидкісний натиск повітря (ΔРшнп) і час їх дії; осколкового поля – кількість осколків на одиницю площі, їх кінетична енергія і радіус розльоту. За одиницю вимірювання ΔРф в системі SІ прийнятий Паскаль (Па), позасистемна одиниця – кгс/см2 : 1 Па = 1 Н/м2 = 0,102 кгс/см2; 1 кгс/см2= 98,1 кПа ≈ 100 кПа.
Досвід ліквідації наслідків аварій в нашій країні і за кордоном, пов’язаних з вибухом, свідчить про те, що найскладніша обстановка утворюється в зонах вибуху газо- і порохоповітряних сумішей, парових хмар нафтопродуктів, мастил і інших небезпечних речовин. При виникненні таких аварій можливі два варіанти розвитку події: детонаційний вибух і дефлаграційне (або вибухове) горіння.
В зоні детонаційного вибуху швидкість поширення полум'я значно перевищує швидкість звуку. При цьому ΔРф в детонаційній хвилі досягає 1000−2000 кПа, а температура продуктів вибуху становить 1500−3000 0C. В таких умовах можливе повне зруйнування будівель і споруд, загибель людей, виникнення суцільних пожеж. Повітряна ударна хвиля, що формується в зоні детонації, може поширюватися на десятки, сотні і навіть тисячі метрів від центру вибуху.
При дефлаграційному (або вибуховому) горінні швидкість розповсюдження полум'я не перевищує 100−200 м/с, а тиск – 20−100 кПа. При такому горінні утворюється небезпечна пожежна обстановка.
З метою отримання даних щодо розмірів зони надзвичайної ситуації, перед проведенням інженерної розвідки здійснюється її прогнозування з використанням методик, розроблених для таких умов:
вибуху конденсованих вибухових речовин (тротилу, гексогену, димного пороху, піроксиліну і ін.);
вибуху газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин;
вибуху порохоповітряних сумішей і аерозолів.
Оскільки для вибухонебезпечних об’єктів найбільш характерні викиди газо- і пароповітряних сумішей вуглеводних речовин з утворенням умов детонаційних вибухів, то й розглянемо методики виявлення та оцінки параметрів зон зруйнувань саме для цих випадків.
Більшість з відомих на даний час методик визначають параметри факторів ураження, що утворюються при вибуховому перетворенні газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, спираючись на принципи подібності Хопкинсона і підпорядкованість закону “кубічного кореня”. В практиці широко застосовуються дві з них.
Перша − передбачає поділ осередку ураження (вибуху) надві зони: зону детонації і зону поширення (дії) ударної хвилі.
Радіус зони детонації (дії детонаційної хвилі) R1 визначають за допомогою емпіричної формули:
, 3.2.1
де k – коефіцієнт, що характеризує обсяг газу або пари речовини, переведений у вибухонебезпечну суміш. Його значення коливається від 0,4 до 0,6;
Q– кількість речовини, що викинута у довкілля, т;
18,5 – емпіричний коефіцієнт, який дозволяє врахувати різні умови виникнення вибуху (характеристики газо і пароповітряної суміші вуглеводних речовин, стан атмосфери, геометрію хмари, потужність джерела запалювання, місце його ініціювання і ін.).
За межами зони детонації надмірний тиск ударної хвилі (ΔРф) швидко знижується до атмосферного і тоді вибух сприймається як потужний звуковий імпульс. Для розрахунків ΔРф використовуються узагальнені дані зміни надмірного тиску, виходячи з відстані, вираженої в частках від радіусу зони детонації (R2/R1) і максимального тиску (Pmax) в ній (табл. 2.2.12, 2.2.13).
Зону поширення (дії) ударної хвилі розбивають на п’ять (n) складових з радіусами смертельних уражень та суцільних зруйнувань (R100) і надмірним тиском на зовнішній межі ΔРф1 = 100 кПа; сильних зруйнувань (R50) відповідно з ΔРф2 = 50 кПа; середніх зруйнувань з ΔРф3 = 20 кПа (R20), слабких зруйнувань з ΔРф4 = 10 кПа і безпечну зону з ΔРф5 = 6−7 кПа (R6−7). За міжнародними нормами безпечна для людини ударна хвиля є така, що має ΔРф = 7 кПа.
Таблиця 2.2.12
Фізико-хімічні і вибухонебезпечні властивості деяких речовин
| Речовина | ρ, кг/м3 | Рmax, МПа | Q, МДж/кг | КМВ з повітрям, % | Ρс, кг/м3 | Qс, МДж/кг | Yс | D, м/с | WTc |
| Метан | 0,716 | 0,72 | 50,0 | 5,0-16,0 | 1,232 | 2,76 | 1,256 | 0,527 | |
| Пропан | 2,01 | 0,86 | 46,4 | 2,1-9,5 | 1,315 | 2,80 | 1,257 | 0,535 | |
| Бутан | 2,67 | 0,86 | 45,8 | 1,8-9,1 | 1,328 | 2,78 | 1,270 | 0,486 | |
| Ацетилен | 1,18 | 1,03 | 48,2 | 2,5-81 | 1,278 | 3,39 | 1,259 | 0,651 | |
| Оксид вуглецю | 1,25 | 0,73 | 10,1 | 12,5-74,0 | 1,280 | 2,93 | 1,256 | 0,580 | |
| Аміак | 0,77 | 0,60 | 18,6 | 15,0-28,0 | 1,180 | 2,37 | 1,248 | 0,512 | |
| Водень | 0,09 | 0,74 | 120,0 | 4,0-75,0 | 0,933 | 3,42 | 1,248 | 0,648 | |
| Етилен | 1,26 | 0,886 | 47,2 | 3,0-32,0 | 1,285 | 3,01 | 1,259 | 0,576 |
Потім, визначивши Pmax (табл. 2.2.12) для даної вибухонебезпечної суміші, у табл. 2.2.13 для прийнятих зон з ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, ΔРф5 = 7 кПа, знаходять числове значення відношення Rn/R1 і, отже, радіуси (Rn):
, (2.2.2.)
де n=1, 2, 3, 4, 5 – показник зони ураження;
– визначається за допомогою табл. 2.2.13.
При аварійному зруйнуванні газопроводів і ємностей з вуглеводним паливом, перезбагачена паливом суміш не детонує, а інтенсивно горить із зовнішньої поверхні, витягується і утворює вогнянну кулю, яка, підіймаючись, приймає грибоподібну форму. Уражаюча дія вогненної кулі характеризується її розмірами і часом теплової дії на об'єкти і людей. Їх величина залежить від загальної маси рідини в ємностях у момент вибуху.
Таким чином, алгоритм визначення розмірів небезпечних зон в районах вибуху газо і пароповітряних сумішей у відкритій атмосфері можна представити так:
1. Знаходять величину максимального тиску в зоні детонації при вибуху заданої паливо повітряної суміші (Pmax, кПа) в повітряному просторі, використовуючи дані табл. 2.2.12.
2. Визначають радіус зони детонації R1 за допомогою формули (2.2.1).
3. Знаходять відношення Rn/R1 у табл. 2.2.13 для ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, ΔРф4 = 10 кПа та ΔРф5 = 7 кПа.
4. Розраховують радіуси зон R100, R50, R20, R10, , R7 за допомогою формули (2.2.2).
Приклад. В результаті розгерметизації ємності де зберігався краплинний пропан в кількості Q = 10 т, відбувся вибух пропано-повітряної суміші. Визначити радіуси зон зруйнувань для ΔРф1 = 100 кПа, ΔРф2 = 50 кПа, ΔРф3 = 20 кПа, R4 = 7 кПа, прийнявши К = 0,6.