Особенности расчета развития прорана при развитии аварийных ситуаций на малых ГТС
В рамках решения задачи развития чрезвычайной ситуации на малых гидротехнических сооружениях (далее ГТС) одним из ключевых моментов является выбор наиболее адекватного сценария возникновения и развития прорана. Представления, что проран образуется в результате разрушения плотины вследствие террористического акта для малых ГТС представляется, как правило, мало вероятным. Наиболее вероятными сценариями разрушения малых ГТС в не зависимости от причин их формирования являются:
- перелив воды через гребень плотины при установлении экстремально высокого уровня воды в верхнем бьефе ГТС;
- разрушение водосбросных устройств;
- разрушение отдельных участков плотины вследствие суффозионного выноса грунта, в том числе со стороны нижнего бьефа.
Следует так же отметить, что для проведения расчетов принципиальное значение имеет корректное задание начальных условий, при которых начнется развитие аварийной ситуации. В первую очередь это линейные параметры локального понижения гребня плотины, объем прорана возникшего в результате суффозионного выноса грунта или размыва со стороны нижнего бьефа. Именно эти условия во многом определяют сценарий развитие аварии. При этом необходимо проанализировать размыв прорана в совокупности с изменением объема воды в пруду (водохранилище).
G – объем прорана; м3;
– площадь поперечного сечения прорана; м2;
– длина прорана; м.
– Расход воды в проране; м3/с.
– площадь поперечного сечения потока в проране; м2;
– скорость течения потока в проране: м/с.
В дополнение к учету скоростей потока при начальном моменте развития прорана:
Kд – коэффициент потерь по длине прорана
, 
;
С – коэффициент Шези.
; например, для треугольного сечения прорана 
, для прямоугольного сечения 
; где 
– ширина прорана; м.
h – уровень воды, м.
Z – отметка дна прорана, м. Тогда:
Z0 – отметка гребня накопителя, м.
;
где m – безразмерный коэффициент 
, g – 9,81 м/с2.
– Объем водохранилища W0 – площадь, м2
Оценим транспортирующую способность потока:
– не размывающая скорость потока; м/с;
– гидравлическая крупность; м/с;
– диаметр частиц вымываемого грунта; м.
– плотность частиц вымываемого грунта т/м3.
,
приняв 
, а 
получим
.
Рассмотрим изменение объема накопителя вместе с увеличением прорана:
,
притом 
, тогда после подстановок:
, преобразовав:
Рис. Динамика изменений уровней воды в верхнем бьефе и глубины прорана при развитии аварийной ситуации
Современные методы расчетов позволяют задавать ширину прорана в численном виде на каждом моменте интегрирования рассмотренных уравнений (Рис.).
Анализ возможных вариантов развития прорана совместно с запасом воды в водоеме показывает возможность возникновения трёх сценариев развития прорана.
1 – Если размыва прорана при аварии не происходит, вследствие не достижения размывающих скоростей течения, опорожнение водоема произойдет до отметок дна прорана без дальнейшего развития аварийной ситуации.
2 – Если интенсивность изменения размеров прорана значительно меньше интенсивности снижения уровня воды в пруду, тогда проран достигнет некоторого равновесного состояния, при котором придонные скорости течения станут равными, а затем и меньшими чем размывающие. Опорожнение водоема произойдет до отметок дна прорана в равновесном состоянии.
3 – Проран будет увеличиваться до достижения основания плотины в нижнем бьефе сооружения, при котором прекратится вынос грунта в вертикальной плоскости, но будет продолжаться увеличение ширины прорана. Равновесное состояние в таком случае будет достигнуто только после полного опорожнения водоема. Этот сценарий развития и будет рассматриваться, как наиболее опасный, подразумевая наибольшие масштабы возможных последствий.
