Разработка и апробация системы оценки состояния гидротехнических сооружений речных низконапорных гидроузлов (стр. 3 )

Стоимость ремонтных работ, которые необходимо выполнить для ликвидации угрозы прорыва напорного фронта, определялась по стоимостям ремонтных работ (с учетом их объема) аналогичных объектов с пересчетом на IV квартал 2007 г.

К сожалению, использование такого подхода не дает однозначного ответа на вопрос, в какое именно сооружение вкладывать инвестиции, так как в реальной жизни может сложиться ситуация, когда средств на ремонт наиболее опасного объекта не хватает, а частичный ремонт не принесет результата. В такой ситуации целесообразно будет использовать имеющиеся средства на другой объект, например, следующий по эффективности за рассматриваемым. Представленный метод хорош тем, что позволяет ранжировать объекты по эффективности проведения ремонтных мероприятий и на этой основе выделять гидроузлы, обеспечение безаварийной работы которых стоит на первом месте.

В четвертой главе выполнен анализ результатов расчетов параметров волны прорыва, полученных различными методами:

- численными – с использованием ряда отечественных и зарубежных программных комплексов («SV_1», разработанным Школьниковым; «БОР» и «River», разработанных Беликовым; «Mike-11», разработанным Датским государственным университетом);

- основанными на использовании эмпирических соотношений (графоаналитическая методика, разработанная д. т.н. (далее - методика Историка); методика оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов, разработанная сотрудниками ВНИИ ГОЧС (далее - методика ВНИИ ГОЧС).

Анализ выполнялся для небольших гидроузлов с напорами до 20 м с учетом границ применимости методики Историка и ВНИИ ГОЧС.

В частности, было проведено сравнение результатов расчета параметров волны прорыва в случае аварии Истринского гидроузла с использованием программных комплексов: «БОР», «RIVER», «Mike 11» и методики Историка (рис. 6).

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 0,7 до 22,3% при определении значения максимальной глубины затопления; от 0,7 до 19,1 % при определении значения максимального расхода; от 0,1 до 14,3 % при определении значения времени добегания до расчетных створов; от 7,5 до 19,1 % при определении значения времени, за которое отметка затопления в расчетных створах достигает своего максимального значения. Причем максимальное расхождение в результатах отмечается в створах, расположенных вблизи створа 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.

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 наблюдения, расположенном вблизи к створу плотины и находящемуся непосредственно у первого мостового перехода, пересекающего русло реки в нижнем бьефе, 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%).

Кроме того, в диссертационной работе решена специальная тестовая задача для сравнения результатов расчета максимальных глубин затопления в нижнем бьефе, полученных при помощи программы «SV_1», методики Историка и методики ВНИИ ГОЧС в случае призматического русла треугольного поперечного сечения без начального наполнения в нижнем бьефе.

В данной задаче рассмотрено четыре расчетных случая (рис.7), анализ результатов которых показал, что методика Историка дает достаточно точные результаты (расхождение с программой «SV_1» во всех опытах составляет от 1,5 до 7 %); методика же ВНИИ ГОЧС дает менее близкие результаты (расхождение с программой «SV_1» составляет до 70 %).

Анализ результатов расчетов параметров волны прорыва, определенных с помощью различных методик расчета показал, что методика Историка обладает достаточной степенью достоверности и значительной простотой в использовании по сравнению с более точными численными методами с точки зрения ее использования для прогнозирования последствий прорыва многочисленных низконапорных гидроузлов.

В соответствии с «Методикой определения размера вреда…», разработанной НИИЭС при определении размеров ущерба от аварий гидроузлов используются три основных параметра волны прорыва: максимальная глубина затопления, наносимая также на топографическую основу при: определении границ зоны затопления, площади земель, перечня населенных пунктов и объектов народного хозяйства, подвергшихся воздействию воды; максимальная скорость движения волны прорыва и продолжительность затопления. Далее, в соответствии со значениями найденных параметров, зона затопления разбивается на три зоны воздействия: сильного, среднего и слабого разрушения, в соответствии с которыми принимаются коэффициенты расчета.

Изучение прогнозируемых параметров волны прорыва, используемых при расчетах ущерба от наводнения в случае аварии ряда средне - и низконапорных гидроузлов позволило сделать вывод о том, что чаще всего основным параметром волны прорыва, определяющим значения коэффициентов зон воздействия является максимальная глубина затопления (hmax), так как:

а) максимальные скорости движения волны прорыва наблюдаются, в основном, в русле реки, а на пойме и выше, где и располагаются объекты народного хозяйства, их значения, в основном соответствуют средней и слабой зонам разрушения; в то время как значения глубин соответствуют сильной зоне разрушения;

б) продолжительность затопления земель должна достигать не менее 48 часов даже для самых неустойчивых зданий и сооружений; (для более устойчивых – до 240 часов), чтобы определить зону воздействия как сильную, что встречается крайне редко при расчете параметров волны прорыва низконапорных гидроузлов в случае отсутствия подпора со стороны расположенных в нижнем бьефе ГТС (область применения методики Историка).

Несмотря на то, что упрощенная графоаналитическая методика Историка, является достаточно недорогой и доступной в использовании, работа с безразмерными графиками и определение осредненного поперечного сечения рассматриваемого створа является сравнительно сложным и трудоемким процессом. Поэтому в диссертационной работе была поставлена задача, взяв за основу методику Историка, разработать методику предварительных экспертных оценок глубины затопления в нижнем бьефе низконапорных гидроузлов в случае прорыва их напорного фронта, путем использования основных принципов метода планирования эксперимента.

В процессе предварительных расчетных исследований установлено, что наиболее существенно на значения hmax влияют следующие параметры гидроузла и условия распространения волны прорыва в нижнем бьефе: объем водохранилища до начала аварии (Wвод), длина водохранилища до начала аварии (Lвод), глубина водохранилища у плотины до начала аварии (Н0), шероховатость русла верхнего бьефа (n0), величина раскрытия прорана (Впр), расход воды в нижнем бьефе гидроузла до начала аварии (Q0), расстояние от створа плотины до створа наблюдения (х). Предложены некоторые приближенные зависимости максимальной глубины затопления от основных параметров гидроузла и условий распространения волны прорыва в нижнем бьефе. Эти зависимости имеют вид: hmax = f1(Wвод); hmax = f2(Lвод); hmax = f3(H0); hmax = f4(n0); hmax = f5(Bпр); hmax = f6(Q0); hmax = f7(x).

Каждая из зависимостей, являясь функцией одной переменной, получена при определенных условиях распространения волны прорыва и фиксации на принятых уровнях всех влияющих факторов, кроме одного. При других значениях влияющих факторов эти зависимости получаются иными.

Приняты следующие допущения:

1.  Не рассматривалась зависимость глубины затопления от величины раскрытия прорана (расчеты проводились с некоторым запасом – при условии максимально возможного разрушения плотины).

2. Анализ результатов инвентаризации низконапорных гидроузлов Московской области показал, что длина водохранилищ таких объектов колеблется в интервале примерно от 0,8 до 2 км, что справедливо и для других низконапорных гидроузлов, расположенных в различных регионах Российской Федерации. Варьирование длины водохранилища в данной области не повлияет существенным образом на результаты расчетов глубины затопления в нижнем бьефе, в связи с чем, для всех расчетных случаев было принято Lвод ≈ 1,5 км.

Таким образом, зависимость максимальной глубины затопления от основных влияющих факторов была представлена в общей форме выражением:

hmax = f1(Wвод, H0, n0, Q0, x) (1)

Принято предположение, что зависимость (1) можно с достаточной точностью аппроксимировать уравнением регрессии степенного вида:

(2)

После логарифмирования уравнение (2) линеаризуется:

lghmax = lgc + a1lgWвод + a2lgН0 + a3lgno + a4lgQo +a5lgx (3)

Возможность аппроксимации зависимости (1) уравнением вида (3) устанавливалась проверкой гипотезы адекватности линейной модели при выражении результата эксперимента полиномом:

y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 + b5x5+ b12x1 x2+ b13x1 x3+

+ b14x1 x4+ b15x1 x5+ b23x2 x3+ b24x2 x4+ b25x2 x5+ b34x3 x4+

+ b35x3 x5+ b45x4 x5 (4)

где y – это lghmax; x1,…, x5 – кодированные значения факторов.

Для оценки коэффициентов полинома, используя полуреплику от полного факторного эксперимента 25, рассмотрено16 расчетных случаев. Принятые уровни факторов приведены в табл. 5.

Кодированные значения факторов определяли по выражению:

, (5)

где xi – кодированное значение i – го фактора; - натуральное значение i – го фактора; - натуральное значение верхнего уровня i – го фактора; - натуральное значение нижнего уровня i – го фактора.

Таблица 5

Факторы и их уровни

Факторы	Кодовое обозначение факторов	Уровни факторов
Верхний +1	Основной 0	Нижний -1
Wвод, м3	x1	5000000	2525000	50000
H0, м	х2	20	11	2
Q0, м3/с	х3	100	50,5	1
n0	х4	0,2	0,11	0,02
х, м	x5	50000	25250	500

Выполнено исследование, заключающееся в поиске значений глубин затоплений в нижнем бьефе при различном сочетании влияющих факторов. Условия выполнения каждого из 16 предусмотренных планом расчетных случаев определялись матрицей планирования (табл. 6).

После математической обработки данных получено уравнение регрессии для yhmax, имеющее вид:

yhmax = 5,03 – 0,32x1 + 4,07x2 + 0,32x3 +0,051x4 – 1,4x5 -

- 0,23x1 x2 - 0,12x1 x3 + 0,31x1 x4 - 0,4x1 x5 + 0,23x2 x3+

+ 0,001x2 x4 – 1,14x2 x5 – 0,31x3 x4 + 0,4x3 x5 – 0,1x4 x5 (6)

Таблица 6

Матрица планирования

Номер опыта	xo	х1	х2	х3	х4	х5	х1 x2	х1 x3	х1 x4	х1 x5	х2 x3	х2 x4	х2 x5	х3х4	х3х5	х4х5	yhmax
1	+	-	-	-	-	+	+	+	+	-	+	+	-	+	-	-	0,63
2	+	+	-	-	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+	+	+	1,17
3	+	-	+	-	-	-	-	+	+	+	-	-	-	+	+	+	11,36
4	+	+	+	-	-	+	+	-	-	+	-	-	+	+	-	-	4,22
5	+	-	-	+	-	-	+	-	+	+	-	+	+	-	-	+	1,17
6	+	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	-	+	-	0,63
7	+	-	+	+	-	+	-	-	+	-	+	-	+	-	+	-	9,22
8	+	+	+	+	-	-	+	+	-	-	+	-	-	-	-	+	11,36
9	+	-	-	-	+	-	+	+	-	+	+	-	+	-	+	-	1,26
10	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	+	-	-	-	-	+	0,40
11	+	-	+	-	+	+	-	+	-	-	-	+	+	-	-	+	6,40
12	+	+	+	-	+	-	+	-	+	-	-	+	-	-	+	-	12,23
13	+	-	-	+	+	+	+	-	-	-	-	-	-	+	+	+	1,13
14	+	+	-	+	+	-	-	+	+	-	-	-	+	+	-	-	1,26
15	+	-	+	+	+	-	-	-	-	+	+	+	-	+	-	-	11,60
16	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	6,40

Статистическая проверка коэффициентов показала, что при 5% уровне значимости коэффициенты при парных взаимодействиях незначимы. Линейная часть полинома yhmax = 5,03 – 0,32x1 + 4,07x2 +