Разработка системы оценки безопасности гидротехнических сооружений речных низконапорных гидроузлов (стр. 1 )

Управление молодежной политики администрации Губкинского городского округа

Губкинский институт (филиал)

ГОУ ВПО «Московский государственный открытый университет»

ИННОВАЦИОННЫЙ ПРОЕКТ:

«РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОЦЕНКИ безопасности ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ РЕЧНЫХ НИЗКОНАПОРНЫХ ГИДРОУЗЛОВ»

Выполнила: ст. преподаватель кафедры теоретической и прикладной механики, канд. техн. наук

Губкин 2010

Введение

Правильная оценка состояния гидротехнических сооружений – это многоплановая, в том числе и серьезная экономическая задача, позволяющая ранжировать гидротехнические сооружения по степени опасности и, в конечном счете, решать вопросы об экономической эффективности инвестиций, вкладываемых в реализацию превентивных мероприятий (ремонт, реконструкцию), исключающих ущерб от возможной аварийной ситуации или аварий, в том числе связанных с прорывом напорного фронта.

В настоящее время оценка экономического ущерба в случае прорыва напорного фронта гидроузлов решается методом построения математической модели аварии. Моделирование гидродинамических аварий с использованием современных технологий, дает возможность выполнить довольно точную оценку последствий прорыва напорного фронта гидроузла. Однако, реализация подобной работы требует достаточно больших трудовых и материальных затрат, высокой квалификации специалистов, проводящих расчет, а также наличия современного программного обеспечения. В связи с чем, подобные работы проводятся, в первую очередь для высоконапорных гидроузлов, представляющих наибольшую опасность для территории нижнего бьефа и, кроме того, руководство которых способно оплатить такие расчеты.

Основную же часть гидроузлов России порядка 70-75% составляют гидроузлы IV-го класса, большая часть которых не имеет собственников, или собственники которых не способны оплатить работы, связанные с декларированием безопасности гидротехнических сооружений. Кроме того, значительная часть этих сооружений находится в аварийном состоянии и представляет опасность для других объектов народного хозяйства.

В связи с чем, для малых гидроузлов представляет интерес возможность использования упрощенных методов для предварительных расчетов параметров прорывного паводка и ранжирования на этой основе многочисленных низконапорных гидроузлов по степени опасности и эффективности проведения превентивных ремонтных мероприятий.

В данном исследовании решалась задача сравнения существующих методов расчета параметров волны прорыва (как высокоточных, так и упрощенных); выбора на этой основе достаточно недорогой, простой, доступной в использовании и достоверной методики, позволяющей за достаточно короткие сроки и с привлечением минимального количества денежных средств осуществлять оценки последствий прорыва напорного фронта многочисленных низконапорных гидроузлов.

Кроме того, решалась задача разработки на основе выбранной методики упрощенного расчета, приемлемого для быстрых, предварительных экспертных оценок масштабов чрезвычайной ситуации в случае прорыва напорного фронта низконапорных гидроузлов.

1. Опыт математического моделирования гидродинамических аварий, связанных с прорывом напорного фронта водохранилищ в Российской Федерации и за рубежом

С конца 50-х годов в связи с развитием вычислительной техники в России стали появляться высококлассные вычислители – гидродинамики и гидравлики: , , , , и другие. Можно говорить о возникновении нескольких научных школ вычислителей-гидравликов: школы Института Гидродинамики СО РАН, школы вычислительного Центра РАН, школы НИС Гидропроекта (теперь ) [1].

НИИЭС безусловно является одной из организаций-пионеров в области численного моделирования прорывных волн. В этой организации накоплен богатый опыт гидродинамических исследований, имеется ряд методик прогноза аварий и программ, позволяющих проводить соответствующие численные эксперименты. Достоверность результатов подтверждена расчетами многочисленных тестовых задач и реальных объектов гидротехники.

Выходцами школы НИИЭС являются два крупнейших специалиста, занимающимися в настоящее время моделированием сложных процессов гидравлики открытых потоков: и

Программа «SV_1», разработанная базируется на использовании одномерных и двумерных (в зависимости от решаемой задачи) уравнений Сен-Венана для русел непризматической формы, численно реализованные при помощи явной конечно-разностной схемы , адаптированной для течений в руслах сложной формы.

С применением программы были определены масштабы возможной чрезвычайной ситуации при прорыве напорного фронта ряда крупнейших объектов, таких как гидроузлы Москворецкой (Можайского, Рузского и Озернинского) и Вазузской (Зубцовсого, Кармановского и Верхне-Рузского) водных систем.

Комплекс программ «БОР» и «River», разработанный под руководством , предназначен для расчета паводковых течений в реках и речных долинах, вызванных разрушением напорного фронта плотин, и также базируется на решении одномерных и двумерных (в зависимости от решаемой задачи) уравнений Сен-Венана. Дискретизация двумерных уравнений производится на гибридной треугольно-четырехугольной сетке по оригинальной методике, описанной в [2].

Ограничения на размеры расчетной области и детальность проводимых расчетов накладываются только мощностью применяемых ЭВМ.

Использование данных программных комплексов сопряжено с рядом некоторых трудностей:

1.  К сожалению, в настоящее время не существует специальных базовых курсов подготовки специалистов к использованию отечественных разработок, в результате чего моделированием параметров волны прорыва занимается лишь узкий круг специалистов во главе с разработчиками программных комплексов, усилий которого явно недостаточно для того, чтобы решить особенно актуальную в настоящий момент проблему определения масштабов чрезвычайной ситуации многочисленных низконапорных гидроузлов.

2.  Работа, связанная с моделированием подобных аварий, заключает в себе колоссальный труд, связанный с обработкой большого количества исходной гидрологической, топографической, метеорологической и климатической информации об исследуемом объекте; калибровкой модели (проверкой достоверности); представлением результатов расчета. В связи с чем, процесс моделирования гидродинамических аварий сопряжен со значительным количеством трудозатрат и материальных вложений. В такой ситуации моделирование гидродинамических аварий низконапорных гидроузлов, основной проблемой которых является отсутствие проектной документации, представляется задачей, лишенной экономического смысла.

Наиболее известным и широко применяемым за рубежом программным комплексом, позволяющим создавать математические модели прорыва напорного фронта гидроузлов является Mike 11, разработанный Датским гидравлическим институтом (ДГИ).

Программный комплекс MIKE 11 предназначен для разработки имитационных компьютерных моделей гидродинамических процессов, включая разрушение плотин, прорывные и паводковые волны, транспорта наносов, процессов конвективной диффузии в неконсервативных средах (перенос и распад загрязняющих веществ) и качества воды (взаимодействие биологически активных загрязняющих веществ), в речных системах, каналах и эстуариях.

Основной особенностью системы MIKE 11 является ее модульная структура, которая включает в себя следующие основные (базовые) модули:

1) гидрологический (NAM);

2) гидродинамический (HD), включающий модуль расчета прорыва плотины (DB);

3) адвекции-дисперсии и транспорта связных наносов (AD);

4) качества воды (WQ);

5) морфологии и транспорта несвязных наносов (NST).

К недостаткам вышеописанной программы относятся:

1. Высокая стоимость MIKE 11, что делает не только использование, но и изучение данного программного комплекса неоправданно дорогим.

2. Меню на иностранном языке, изобилующим целым рядом специализированных терминов, что дополнительно затрудняет работу с программой.

3. Отсутствие в России детальных пособий на русском языке и курсов обучения, рассчитанных на подготовку специалистов, способных в дальнейшем применять полученные знания на практике.

2. Методы, основанные на использовании эмпирических соотношений, разработанные в России

Первой и достаточно серьезной работой в данной области, к сожалению не получившей до сих пор широкого распространения, была графоаналитическая методика [3], составленная им на основе изучения волн прорыва с помощью гидравлических и математических моделей. Проведение широких численных экспериментов для схематизированных условий и для натурных объектов позволило ему получить большой фактический материал, на основе которого, с привлечением методов теории размерности и подобия, были выявлены общие закономерности и некоторые особенности распространения волны прорыва в различных условиях, послужившие базой для разработки упрощенной графоаналитической методики.

Указанная методика обладает целым рядом несомненных достоинств, благодаря которым ее применение кажется особенно привлекательным для проведения сравнительно быстрой предварительной оценки параметров волны прорыва, а в некоторых менее ответственных случаях и для окончательного прогноза ее параметров:

1. Методика достаточно проста и удобна в применении, проведение расчетов с ее помощью не занимает большого количества времени (в среднем, подготовленный специалист справляется с расчетом в течение одного – двух рабочих дней); довольно понятна для человека, обладающего квалификацией инженера – гидротехника и, к тому же, обладает значительно низкой стоимостью.

2. Методика обладает достаточной степенью достоверности, что подтверждается проведением ряда тестовых расчетов сравнения ее с более точными численными методами.

3. Графоаналитическая методика позволяет рассчитать все необходимые параметры волны прорыва в расчетных створах нижнего бьефа (такими створами могут быть населенные пункты, объекты хозяйственного или стратегического назначения и т. д.), а именно:

а) максимальную глубину затопления;

б) максимальную скорость волны прорыва в расчетных створах;

в) время добегания фронта волны прорыва до расчетных створов;

г) время, за которое в расчетных створах отметка затопления достигнет своего максимального значения;

д) продолжительность затопления или время, в течение которого глубины воды при прохождении волны прорыва превышают глубину, равную полусумме начальной и максимальной глубин в расчетных створах.

4. И, наконец, с учетом всех перечисленных достоинств, использование графоаналитической методики позволило бы на некоторое время решить проблему оценки возможного риска огромного количества низконапорных гидроузлов, сосредоточенных на территории Российской Федерации.

Однако, как и большинство упрощенных методов, рассматриваемая методика обладает также рядом существенных ограничений и недостатков по сравнению с неограниченными возможностями современных программных комплексов:

1. Методика ориентирована, в основном, на случай отсутствия подпора в нижнем бьефе от нижерасположенной плотины. К случаям отсутствия подпора в нижнем бьефе относятся также случаи сравнительно небольшого подпора, вызываемого естественным или искусственным стеснением русла, уменьшением уклона дна ниже по течению и даже подпором от невысоких плотин, которые не окажут существенного влияния на трансформацию волны прорыва. Так, например, если начальный объем водохранилища в нижнем бьефе меньше 15 – 20 % объема вышележащего изливающегося водохранилища и очевидно, что плотина нижележащего водохранилища будет разрушена прорывным паводком при переливе воды через ее гребень, расчет максимальных затоплений производится в предположении отсутствия нижележащей плотины [3].

Данное обстоятельство не позволяет использовать методику в случаях подпора со стороны нижнего бьефа крупных водных объектов и, тем более, в случаях каскадного расположения напорных сооружений прудов и водохранилищ.

2. Существенным недостатком методики является также и то обстоятельство, что за один сеанс расчета она позволяет рассчитать максимальные параметры волны прорыва только в одном расчетном створе в отличие от современных программных комплексов, способных решать как одномерные, так и двумерные, плановые задачи распространения волны прорыва в нижнем бьефе во времени с выдачей мультфильма на экран ЭВМ.

3. Методика базируется на рассмотрении класса широких призматических русел так называемого обобщенного параболического сечения, для которых w=Ahm, R = h/m, где:

ω — площадь поперечного сечения, h — глубина воды, R — гидравлический радиус, А - размерная константа, a m — безразмерный показатель степени [4].

Это значит, что при решении задачи расчета параметров волны прорыва в естественных руслах, принимается некий осредненный уклон дна и некая осредненная форма поперечного сечения русла в нижнем бьефе до рассматриваемого расчетного створа.

Применение такого подхода, в целом, не лишено смысла и, в сравнении с более точными методиками расчета, не дает значительных ошибок в результатах. Исключение составляют лишь случаи подпора русла реки от расположенных на нем створов мостов и автомагистралей, а также случаи внезапного резкого расширения русла (например, при впадении реки в более крупный водоток или водохранилище). В этих случаях графоаналитическая методика плохо учитывает гидравлические потери и дает некоторое искажение в результатах (порядка 15 – 30 % по сравнению с более точными методиками расчета).

Другой, более известной работой в данной области считается методика, разработанная сотрудниками ВНИИ ГОЧС (к. т.н. , , ) [5].

Методика предназначена для оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов, сопровождающегося образованием волны прорыва. В качестве последствий аварий рассматриваются разрушения зданий, сооружений, дорог, мостов, транспортных средств и др., находящихся в зоне воздействия волны прорыва.

Пожалуй, единственным и главным достоинством данной методики, является максимальная доступность для инженеров, столкнувшихся с необходимостью определения масштабов возможной чрезвычайной ситуации при прорыве напорного фронта гидроузлов. Методика распространяется абсолютно свободно на территории Российской Федерации.

Однако, нельзя не учитывать некоторые обстоятельства, ставящие под сомнения результаты, полученные в результате расчета по данной методике:

1. В вышеуказанной методике не содержится иллюстраций, описывающих исходные параметры, применяемые в расчете, в связи с чем появляются некоторые сомнение в правильности понимания приведенных в методике терминов.

2. По части достоверности полученных сведений методика МЧС значительно уступает методике , это подтверждается решением специальной тестовой задачи (см. раздел 2.3).

При сравнении с программой «SV_1» расхождение результатов в большинстве случаев довольно велики и составляют от 30 до 80 %.

3. Методика ВНИИ ГОЧС так и не была объявлена официальным документом, на основе которого можно осуществлять прогнозирование последствий гидродинамических аварий прорыва напорного фронта гидроузлов.

4. В части же удобства использования данной методики тоже не было обнаружено значительных преимуществ – методика изобилует значительным количеством запутанных, вытекающих друг из друга формул расчета, на сопоставление которых необходимо затратить достаточное количество времени.

3. Сравнение параметров волны прорыва в результате аварии Истринского гидроузла, определенных различными методами

В данном разделе представлены материалы сравнения результатов расчетов параметров волны прорыва по отечественным программам «БОР» и «RIVER», зарубежной программе «Mike 11», графоаналитической методики Л в случае прорыва напорного фронта Инстринского гидроузла.

Истринский гидроузел расположен на р. Истре, длина водохранилища около 25 км при ширине 0,5-1 км, глубина до 15-20 м, объем водохранилища (при НПУ=168,63 м) равен 183 млн. м3, площадь зеркала 33,6 км2. Ниже водохранилища река течет в южном направлении до г. Истры, затем в юго-восточном направлении и впадает в р. Москву на расстоянии 61,5 км от створа плотины гидроузла. В среднем течении у г. Истра ширина реки 25-30 м, глубина в межень 1-1,5 м, скорость течения 0,5 м/с, уклон 0,3 м на 1 км.

Долина р. Истры пересечена 6 крупными мостовыми переходами. При прохождении волны прорыва велика вероятность их разрушения, однако некоторые из них могут устоять либо сопротивляться разрушению довольно длительное время. Точно рассчитать время и степень их разрушения не представляется возможным. Поэтому был выбран следующий сценарий наиболее вероятной гидродинамической аварии: образование прорана в грунтовой плотине при УВБ=НПУ с разрушением всех мостовых переходов.

Сравнивались наиболее значимые параметры волны прорыва:

1) максимальный расход волны прорыва в выбранных контрольных створах нижнего бьефа;

2) максимальная глубина затопления;

3) время добегания фронта волны прорыва до контрольных створов;

4) время, за которое отметка затопления достигнет своего максимального значения в контрольных створах (время добегания пика волны).

Сравнение результатов расчета было проведено для 4 створов:

а) створа №1, расположенного на расстоянии 15 км от створа гидроузла в месте расположения железнодорожного моста в г. Истре, пересекающего долину реки Истры;

б) створа №2, расположенного на расстоянии 26,1 км от створа гидроузла в месте расположения автодорожного моста кольцевой автодороги («бетонки»);

в) створа №3, расположенного на расстоянии 43,8 км, в створе автодорожного моста у нас. пункта Павловская Слобода;

г) створа №4, расположенного на расстоянии 54,6 км, в месте пересечения долины р. Истры с Новорижским шоссе.

Изначально расчет параметров волны прорыва Истринского гидроузла был проведен на основе численного решения двумерных уравнений Сен-Венана с использованием программы «БОР» на треугольно-четырехугольных сетках нерегулярной структуры с учетом реальной топографии долины реки, полученной с карт М 1:10 000 и М 1:с применением ГИС-технологий. На рис. 1 приведена цифровая модель рельефа верхнего и нижнего бьефов Истринского гидроузла с указанием расчетных створов. Расчет развития прорана в грунтовой плотине производился по методике . Было проведено рекогносцировочное обследование мостовых переходов для определения их конструктивных параметров (высота насыпи, отверстие моста в свету, тип крепления конусов) с целью внесения этих параметров в математическую модель. По результатам компьютерного моделирования были получены характеристики затопления населенных пунктов, сельхозугодий и др. объектов в нижнем бьефе гидроузла.

Для сравнения с выполненным расчетом по другим методикам исследования параметров прорывного паводка были использованы те же исходные данные и граничные условия задачи.

Результаты сравнения представлены в табл. 1 – 4, а также на рис. 2-3.

Анализ результатов показал, что модели, построенные с использованием одномерных уравнений Сен-Венана (программа «RIVER» и программа «Mike 11») незначительно уступают по точности программе «БОР», базирующейся на решении двумерных уравнений Сен-Венана. Ошибка колеблется в пределах от 0,71 до 22,3 % при определении значения максимальной глубины затопления, от 0,67 до 19,07 % при определении значения максимального расхода, от 0 до 14,29 % при определении значения времени добегания до расчетных створов, от 7,53 до 19,07 % при определении значения времени, за которое отметка затопления в расчетных створах достигает своего максимального значения. Причем максимальное расхождение в результатах отмечается в створах, расположенных ближе к створу плотины, а по мере удаления от него, величина погрешности уменьшается. Это связано с тем, что двумерная модель лучше описывает сложные процессы, происходящие в зоне непосредственно около аварийного гидроузла, где поток, пройдя узкий проран, существенно расширяется, а также аналогичные участки вблизи мостовых переходов; обычно при этом возникает зона, в которой течение происходит в бурном режиме.

Программа «Mike 11» менее точна, чем программа «RIVER» и дает чуть большее (на 2-3 %) искажение результатов.

Весьма близкие результаты были получены и с помощью методики Историка: при определении значения максимальной глубины затопления ошибка по сравнению с двумерной математической моделью колебалась в пределах от 0,3 до 14,6 %; при определении значения времени добегания до расчетных створов - от 2,9 до 15,7 %. В створе №1, расположенном ближе остальных створов к створу плотины и находящемуся непосредственно у первого мостового перехода, наблюдались наибольшие расхождения в результатах: в частности, при определении значения времени, за которое отметка затопления достигает своего максимального значения – до 27,3 % (в остальных же створах - от 4,2 до 10,3%).

Результаты проведенного сравнения говорят о том, что для моделирования волн прорыва в протяженных (десятки и сотни километров) нижних бьефах средних и крупных гидроузлов возможно и достаточно эффективно применение одномерных численных моделей в приближении Сен-Венана. На тех участках (фрагментах) долины, где важна большая степень детализации – вблизи гидроузла, вблизи населенных пунктов с развитой инфраструктурой (мостовые переходы, застройка поймы) – желательно применение двумерных (в плане) численных моделей (построенных с применением крупномасштабных топографических карт), граничные условия для которых берутся из расчетов по одномерной модели. Такое многоуровневое (многомасштабное) моделирование может оказаться наиболее эффективным при решении всего спектра задач, связанных с прохождением волн прорыва: оценке ущербов от гидродинамической аварии, проектировании защитных сооружений на пойме, разработке планов оповещения и эвакуации населения, и т. д.

 

Рис.1. Цифровая модель рельефа верхнего и нижнего бьефов Истринского гидроузла. Шаг координатной сетки 5 км.

Рис. 2. Сравнение гидрографов расхода волны прорыва в контрольных створах, определенных при помощи различных методов расчета.

Рис. 3. Сравнение максимальных глубин затопления в контрольных створах, определенных при помощи различных методов расчета.

Обозначения: 1, 2, 3, 4 – створы №1, 2, 3, 4 соответственно.

Таблица 1

Сравнение максимальных глубин затопления в расчетных створах

(в таблице приведено сравнение с программой «БОР»)

№ створа	Глубины затопления в расчетных створах, полученные при помощи различных методов расчета, м
«БОР»	«RIVER»	Δ, %	«Mike 11»	Δ, %	Методика Историка	Δ, %
1	14,66	11,94	18,54	11,38	22,34	12,52	14,59
2	11,48	11,022	4,04	10,95	4,68	11,52	0,30
3	11,61	11,527	0,71	11,36	2,16	10,89	6,20
4	11,10	12,27	9,55	10,53	5,16	10,52	5,21

Таблица 2

Сравнение максимальных расходов в расчетных створах

(в таблице приведено сравнение с программой «БОР»)

№ створа	Расходы в расчетных створах, полученные при помощи различных методов расчета, м3/c
«БОР»	«RIVER»	Δ, %	«Mike 11»	Δ, %	Методика	Δ, %
1	5624,16	5464,46	2,84	5662,30	0,67	13809,00	59,27
2	3390,44	3565,47	4,91	3832,20	11,53	12723,00	73,35
3	2481,05	2378,96	4,11	2468,90	0,49	11416,00	78,27
4	2386,14	2250,25	5,69	2394,73	0,36	10943,00	78,19

Таблица 3