Характеристика гидродинамических аварий
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. 3.1.
Рис. 3.1. Схематичный 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 = Аh / 
, (3.1)
где, Аh, Bh - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды в водохранилище).
v = Аv / 
, (3.2)
где, Аv, Bv - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды в водохранилище) H0(м), гидравлического уклона реки i (превышение в метрах высоты уровня реки на 1000 м длины) и относительной ширины прорана B (проран – узкий проток в теле плотины), значения которых приведены в табл. 3.1.
Время прихода гребня τгр и фронта τф волны прорыва определяется по табл. 3.2. в зависимости от H0, i и удалённости створа объекта от ГТС L.
Продолжительность затопления территории объекта τзат (ч) определяется по формуле:
τзат = β ∙ (τф – τгр) ∙ [1 – (hм / h)], (3.3)
где, β – коэффициент, зависящий от высоты плотины Hп (м) гидравлического уклона реки i и расстояние до объекта L (км) (табл. 3.3); hм - высота месторасположения объекта.
Таблица 3.1
Значения коэффициентов в формулах (3.1) и (3.2)
| H0 | В | Уклон | |||||||
| i = 1 ∙ 10-4 | i = 1 ∙ 10-3 | ||||||||
| Аh | Bh | Аv | Bv | Аh | Bh | Аv | Bv | ||
| 0,5 | |||||||||
| 0,25 | |||||||||
Таблица 3.2
Время прохода 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 | |
| 0,2 | 1,8 | 0,2 | 1,2 | 0,1 | 0,1 | 1,2 | 0,1 | 1,1 | 0,1 | 0,2 | ||
| 0,5 | 0,6 | 2,4 | 0,3 | 0,3 | 0,2 | 1,7 | 0,1 | 0,4 | ||||
| 1,6 | 0,5 | 0,4 | ||||||||||
| 1,2 | ||||||||||||
Таблица 3.3
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 hз, равной hз = hгр – hм, степень разрушения зданий и сооружений будет различной (табл. 3.4).
Таблица 3.4
Значения параметров волны прорыва, приводящие к разрушению объектов
| Наименование объекта | Степень разрушения | ||||||||||
| сильная | средняя | слабая | |||||||||
| V, м/с | h, м | V, м/с | h, м | V, м/с | h, м | ||||||
| Здания и сооружения | |||||||||||
| Сборные деревянные жилые дома | 3.0 | 2,0 | 2,5 | 1,5 | 1,0 | 1,0 | |||||
| Деревянные дома (1…2 этажа) | 3,5 | 2.0 | 2,5 | 1,5 | 1,0 | 1,0 | |||||
| Промышленные здания с лёгким металлическим каркасом и здания бескаркасной постройки | 5,0 | 2,5 | 3,5 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | |||||
| Кирпичные дома средней этажности (4 этажа) | 6,0 | 3,0 | 4,0 | 2,5 | 2,5 | 1,5 | |||||
| Промышленные здания с тяжёлым металлическим или железобетонным каркасом (стены из керамзитовых панелей) | 7,5 | 4,0 | 6,0 | 3,0 | 3,0 | 1,5 | |||||
| Бетонные и железобетонные здания, здания антисейсмической конструкции | 12,0 | 4,0 | 9,0 | 3,0 | 4,0 | 1,5 | |||||
| Стенки, набережные и пирсы набережные и пирсы на деревянных сваях | 4,0 | 6,0 | 2,0 | 4,0 | 1,0 | 1,0 | |||||
| Оборудование промышленных предприятий | |||||||||||
| Станочное оборудование | 3.0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 1,0 | 1,0 | |||||
| Оборудование химических и электротехнических цехов и лабораторий | 4.0 | 1,5 | 3,0 | 1,5 | 1,0 | 1,0 | |||||
| Трансформаторно-понизительные подстанции | 5,0 | 2,0 | 4,0 | 2,0 | 2.0 | 1,0 | |||||
Продолжение табл. 3.4
| Наименование объекта | Степень разрушения | |||||||||
| сильная | средняя | слабая | ||||||||
| V, м/с | h, м | V, м/с | h, м | V, м/с | h, м | |||||
| Портальные краны грузоподъёмностью 16 т | 8,0 | 6,0 | 6,0 | 3,0 | 2,0 | 2,0 | ||||
| Мосты, дороги и транспортные средства | ||||||||||
| Деревянные мосты (поток выше проезжей части) | 1,0 | 2,0 | 1,0 | 1,5 | 0,0 | 0,5 | ||||
| Железобетонные мосты | 2,0 | 3,0 | 1,0 | 2,0 | 0,0 | 0,5 | ||||
| Металлические мосты и путепроводы с пролётом 30-100м | 2,0 | 3,0 | 1,0 | 2,0 | 0,0 | 0,5 | ||||
| Железнодорожные пути | 2,0 | 2,0 | 1,0 | 1,0 | 0,5 | 0,5 | ||||
| Дороги с гравийным (щебёночным) покрытием | 2,5 | 2,0 | 1,0 | 1,5 | 0,5 | 0,5 | ||||
| Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием | 4,0 | 3,0 | 2,0 | 1,5 | 1,0 | 1,0 | ||||
| Автомобили | 2,0 | 2,0 | 1,5 | 1,5 | 1,0 | 1,0 | ||||
| Подвижной состав | 3,5 | 3,0 | 3,0 | 1,5 | 1,5 | 1,0 | ||||
| Плавучие средства | ||||||||||
| Речные суда, катера с осадкой менее 2 м | 5,0 | 2,0 | 4.0 | 1,5 | 2,0 | 1,5 | ||||
| Вспомогательные суда (плавучие краны, землечерпательные снаряды) | 7,0 | 2,0 | 4,0 | 1,5 | 2,0 | 1,5 | ||||