Прогнозирование и оценка обстановки при радиационных авариях
Гидродинамически опасный объект (ГОО) - сооружение или естественное образование, создающее разницу уровней воды до и после него. К ГОО относятся гидротехнические сооружения напорного фронта и естественные плотины.
В настоящее время в России значительное количество водохранилищ за 40-50 и более лет эксплуатации имеют значительный износ, а их оборудование физически и морально устарело. Особую тревогу среди них вызывают 1400 аварийных водохозяйственных объектов, основная часть которых построена хозяйственным способом, без составления необходимой проектно-сметной документации и с неудовлетворительным качеством производства работ. Эти объекты предназначались в основном для нужд сельхозпредприятий, которые в настоящее время акционированы, раздроблены и не могут обеспечить поддержание ГОО в технически исправном состоянии. Для таких сооружений сроки эксплуатации 30 и более лет являются критическими по условиям обеспечения безопасности. Поданным мировой статистики, именно при эксплуатации объектов более 30-40 лет возрастает вероятность аварий гидротехнических сооружений. Положение усугубляется еще тем, что в последнее время идет активная незаконная застройка периодически затапливаемых территорий гидроузлов, чем создается предпосылка к созданию чрезвычайных ситуаций в этих зонах, особенно в паводковый период или при возникновении гидродинамической аварии.
Гидродинамическая авария - авария на гидротехническом сооружении (ГТС), связанная с распространением с большой скоростью воды и создающая угрозу возникновения техногенной чрезвычайной ситуации.
Авария на ГТС может произойти из-за воздействия сил природы (землетрясения, ураганы, обвалы, оползни и т.д.), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания, недостаточности выбросов и т.д., а в военное время - как результат воздействия по ним средств поражения.
При прорыве плотины в ней образуется проран, от размеров которого зависят объем и скорость падения вод верхнего бьефа в нижний бьеф ГОО 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, объемов 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 длительность 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 одновременном наложении двух процессов: падения вод водохранилища из верхнего в нижний бьеф, порождающего волну, и резкого увеличения объема воды в месте падения, что вызывает переток воды из этого места в другое, где уровень воды ниже.
Волна прорыва, с гидравлической точки зрения, является волной перемещения, которая, в отличие от ветровых волн, возникающих на поверхностях больших водоемов, обладает способностью переносить в направлении своего движения значительные массы воды. Поэтому волну прорыва следует рассматривать как определенную массу воды, движущуюся вниз по реке и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость.
Рис. 5.11. Схематичный продольный разрез волны прорыва
Разрушительное действие волны прорыва является результатом:
резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах при разрушении напорного фронта;
непосредственного воздействия массы воды, перемещающейся с большой скоростью;
изменения прочностных характеристик грунта в основан и и сооружений вследствие фильтрации и насыщения его водой; размыва и перемещения больших масс грунта; перемещения с большими скоростями обломков разрушенных зданий и сооружений и их таранного воздействия.
Воздействие волны прорыва на объекты подобно воздействию ударной волны воздушного ядерного взрыва, но отличается от него в первую очередь тем, что действующим телом является вода.
Схематично продольный разрез такой сформировавшейся волны показан на рис. 5.11.
Начало волны называется фронтом волны, который, перемещаясь с большой скоростью, выдвигается вперед. Фронт волны может быть очень крутым при перемещении больших волн на участках, близких к разрушенному гидроузлу, и относительно пологим - на больших расстояниях от гидроузла.
Зона наибольшей высоты волны называется гребнем волны, который движется, как правило, медленнее, чем ее фронт. Еще медленнее движется конец волны - хвост волны. Вследствие различия скоростей этих трех характерных точек волна постепенно растягивается подлине 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, т.е. с относительным укорочением зоны подъема по сравнению с зоной спада.
Прорыв плотин приводит к затоплению местности. Зона затопления образуется следующим образом. Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Эта волна имеет зоны подъема 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 ее 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 подъема уровней по всей ширине потока наступит более или менее длительный период движения, близкий к установившемуся. Этот период будет тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней. После прохождения волны прорыва остается переувлажненная пойма и сильнодеформированное русло реки, так как скорость воды в волне может превышать расчетные неразмывающие скорости для грунтов, слагающих дно реки и поймы.
Из приведенного описания видно, что даже в схематизированных условиях главные параметры волны прорыва (глубина, ширина, скорость движения) в каждом створе изменяются не только по длине и высоте, но и по ширине потока, т.е. поток является пространственным и очень сложным по форме.
Так как волна прорыва является основным поражающим фактором при разрушении гидротехнического сооружения, то для определения показателей обстановки в зоне катастрофического затопления необходимо определить ее параметры: высоту волны, глубину потока, скорость движения и время добегания различных характерных точек волны (фронта, гребня, хвоста) до расчетных створов, расположенных на реке ниже гидроузла, а также длительность прохождения волны через указанные створы. На основании известных параметров волны прорыва выявляются показатели потерь и разрушений и определяются мероприятия по ликвидации последствий.
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), определяемыми по формулам:
(5.106)
где Ah, Bh, Av, Bv - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды водохранилище) Н0 (м), гидравлического уклона реки i (превышение в метрах высоты уровня реки на 1000 м длины) и относительной ширины прорана В (проран - узкий проток в теле плотины), значения которых приведены в табл. 5.42.
Таблица 5.42
Значения коэффициентов в формуле 5.106
|
На, м |
В |
Уклон |
|||||||
|
i = 1 · 10-4 |
i = 1·10-3 |
||||||||
|
Ah |
Bh |
Аv |
Bv |
Аh |
Bh |
Аv |
Bv |
||
|
20 |
I |
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 |
И |
56 |
51 |
18 |
38 |
|
40 |
340 |
332 |
19 |
14 |
124 |
89 |
32 |
44 |
|
|
80 |
844 |
588 |
34 |
17 |
310 |
166 |
61 |
52 |
|
|
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 |
|
Время прихода гребня τгр и фронта τф волны прорыва определяется по табл. 5.43 в зависимости от H0, i и удаленности створа объекта от ГТС L.
Таблица 5.43
Время прихода гребня τгр (ч) и фронта τφ (ч) волны прорыва при разной высоте уровня воды в водохранилище
|
L, м |
Ha = 20 |
Ha = 40 |
Ha= 80 |
|||||||||
|
i = 10-4 |
i = 10-3 |
i = 10-4 |
i = 10-3 |
i = 10-4 |
i = 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 |
ι,ι |
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 |
1,0 |
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 |
Продолжительность затопления территории объекта τзат (ч) определяется по формуле
(5.107)
где β - коэффициент, зависящий от высоты плотины НП (м) гидравлического уклона реки i и расстояния до объекта L (км) (табл. 5.44); hм - высота месторасположения объекта, м.
Таблица 5.44
Значения коэффициента β
|
i - L/H0 |
Относительная высота плотины Н0 (м) от средней глубины реки в нижнем бьефе h0 (м) |
|
|
Y0/h0 = 10 |
Y0/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 |
Примечание. L - в м.
В зависимости от скорости движения и глубины затопления Л3, равной h3 = hгр - hм, степень разрушения зданий и сооружений будет различной (табл. 5.45).
Таблица 5.45
Значения параметров волны прорыва, приводящие к разрушениям 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 портов |
||||||
|
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 |
|
Кирпичные малоэтажные здания (1...3 этажа) |
4,0 |
2,4 |
3,0 |
2,0 |
2,0 |
1,0 |
|
Промышленные здания с легким металлическим каркасом и здания бескаркасной постройки |
5,0 |
2,5 |
3,5 |
2,0 |
2,0 |
1,0 |
|
Кирпичные дома средней этажности (4 этажа) |
6,0 |
3,0 |
4,0 |
2,5 |
2,5 |
1,5 |
|
Промышленные здания с тяжелым 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 на деревянных сваях |
4,0 |
6,0 |
2,0 |
4,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Стенки, набережные и пирсы напряженной конструкции с заполнением камнем |
5,0 |
6,0 |
3,0 |
4,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Стенки, набережные и пирсы на железобетонных и металлических сваях |
6,0 |
6,0 |
3,0 |
4,0 |
1,0 |
2,0 |
|
Стенки, набережные, молы, волноломы из кладки массивов |
7,0 |
6,0 |
4,0 |
4,0 |
2,0 |
2,0 |
|
Оборудование портов и 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 |
|
Стапели и стапельные места судостроительных и судоремонтных заводов |
4,0 |
4,0 |
3,0 |
3,0 |
2,0 |
1,0 |
|
Трансформаторно-понизительные подстанции |
5,0 |
2,0 |
4,0 |
2,0 |
2,0 |
1,0 |
|
Крановое оборудование: |
||||||
|
портальные краны фузоподъемностью: |
||||||
|
5 т |
6,0 |
4,0 |
6,0 |
2,0 |
2,0 |
1,5 |
|
10 т |
8,0 |
5,0 |
6,0 |
2,0 |
2,0 |
2,0 |
|
16 т |
8,0 |
6,0 |
6,0 |
3,0 |
2,0 |
2,0 |
|
мостовой перегружатель: |
||||||
|
16 т |
10,0 |
9,0 |
6,0 |
4,0 |
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 пролетом (30... 100 м) |
2,0 |
3,0 |
1,0 |
2,0 |
0,0 |
0,5 |
|
То же с пролетом более 100 м |
2,0 |
2,5 |
1,0 |
2,0 |
0,0 |
0,5 |
|
Железнодорожные пути |
2,0 |
2,0 |
1,0 |
1,0 |
0,5 |
0,5 |
|
Дорогие гравийным щебеночным 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 |
||||||
|
Мелкие 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 и т.д.) |
7,0 |
2,0 |
4,0 |
1,5 |
2,0 |
1,5 |
|
Крупные речные пассажирские и грузовые суда (с осадкой более 2,5 м) |
9,0 |
2,0 |
5,0 |
1,5 |
3,0 |
1,5 |
|
Плавучие доки |
8,0 |
2,0 |
5,0 |
1,5 |
3,0 |
1,5 |
|
Плавучие причалы |
9,0 |
2,0 |
6,0 |
2,0 |
3,0 |
2,0 |
Пример 16. В результате непроизвольного подъема заслонки шлюза на гидроузле образовался проранс относительным размером B = 0,5. На расстоянии L = 30 км вниз по течению реки расположен город. Высота уровня воды перед плотиной Р0 = 40 м, высота месторасположения города hм = 3 м, гидравлический уклон реки i = 1 · 10-3, глубина реки в нижнем бьефе h0 = 4 м.
Оценить степень разрушения зданий в городе, железнодорожного (металлического) и автомобильного (железобетонного) мостов.
Решение.
1. Находим высоту гребня h и скорость v волны прорыва (формула 5.106), используя данные табл. 5.42:
2. Определяем время прихода гребня волны прорыва τгр и фронта τф волны прорыва, интерполируя приведенные в табл. 5.43 данные для L = 30 км:
3. Продолжительность затопления территории города и завода τзат определим по формуле 5.107, предварительно определив по табл. 5.44 для ш· L/H0 = 1 · 10-3 · 30 000/40 = 0,75 и H0/h0 = 10 значение β = 9,5:
4. Оценим степень разрушений в городе (см. т абл. 5.45). При скорости движения волны прорыва ν = 3,7 м/с и глубине затопления h3, равной h3 = hгр - hM = 11 - 3 = 8 (м) в городе полностью будут разрушены деревянные дома, сильно разрушены кирпичные малоэтажные здания, получат средние разрушения кирпичные дома средней этажности. Велика опасность сильного разрушения железобетонного и металлического мостов, дороги с гравийным покрытием. Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием получат средние разрушения.
Вопросы и задания
1. Цель прогнозирования и оценки последствий чрезвычайных ситуаций.
2. Этапы прогнозирования чрезвычайных ситуаций.
3. Дайте основные показатели прогнозирований оценки последствий землетрясений.
4. Поясните понятия слабая, средняя, сильная степень разрушения.
5. Какие основные показатели используются при прогнозе наводнений?
6. Дайте описание основных показателей, использованных при прогнозе взрывов.
7. Какие показатели используются при прогнозировании пожаров?
8. Какие данные необходимы для оценки времени существования "огненного шара"?
9. Укажите основные параметры, необходимые для расчета зон при химической аварии.
10. Какими параметрами характеризуются зоны радиационного загрязнения?