Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор аварий на грунтовых плотинах, сопровождавшихся прорывом напорного фронта 11
1.1. Статистический анализ случаев разрушения плотин 11
1.2. Сведения о параметрах проранов при прорыве плотин 14
1.3. Известные данные о наблюдениях за авариями на грунтовых плотинах 21
1.4. Выводы по главе 24
Глава 2. Анализ предыдущих исследований и существующих математических моделей развития прорана 26
2.1. Физическое моделирование аварийных ситуаций на грунтовых плотинах 29
2.1.1. Моделирование прорыва плотин в лабораторных условиях 31
2.1.2. Крупномасштабные испытания в полевых условиях 34
2.1.3. Исследования "плавких вставок" в лабораторных и полевых условиях 36
2.1.4. Испытания на устойчивость при переливе через гребень плотин разных видов, типов и материалов 39
2.1.5. Испытания с воспроизведением явления суффозии 40
2.1.6. Требования к исследовательской работе при физическом моделировании 42
2.2. Краткий анализ существующих математических моделей развития прорана 43
2.3. Выводы по главе 45
Глава 3. Постановка исследований, экспериментальная установка и методика проведения опытов 47
3.1. Цель постановки экспериментов 47
3.2. Определение структуры зависимости интенсивности развития прорана от основных влияющих величин 50
3 3. Планирование эксперимента 54
3.4. Описание экспериментальной установки 58
3.4.1. Конструкция лотка 58
3.4.2. Конструкция модели насыпной дамбы ,...58
3.4.3. Измерительные приборы 61
3.5. Методика проведения эксперимента 61
3.6. Оценка точности измерений 66
3.6.1. Погрешности при измерении глубины 67
3.6.2. Погрешности измерения напора на мерном водосливе 68
3.6.3. Погрешности при определении расхода 69
3.6.3. Погрешности определения ширины прорана 70
Глава 4. Результаты экспериментов и методика расчета развития прорана 72
4.1. Качественное описание процесса развития прорана 72
4.2. Обработка результатов экспериментов 74
4.3. Сравнительная оценка влияния различных факторов на характер явления 82
4.4. Математическая модель развития прорана 87
Глава 5. Использование результатов работы при оценке параметров волны прорыва реальной плотины 89
5.1. Сопоставление экспериментальных зависимостей с натурными данными 89
5.2. Пример расчета по программе "BOR" для Истринского водохранилища 93
5.3. Выводы по главе 104
Заключение 105
Литература 108
- Сведения о параметрах проранов при прорыве плотин
- Крупномасштабные испытания в полевых условиях
- Планирование эксперимента
- Сравнительная оценка влияния различных факторов на характер явления
Сведения о параметрах проранов при прорыве плотин
Начало образования прорана в теле грунтовой плотины обычно связано с локальной аномалией строения плотины или ее локальным повреждением. Местное нарушение сплошности напорного фронта и излив воды через эту область приводят к развитию прорана во времени. Для бетонных плотин наиболее часто встречающейся причиной аварии является повреждение основания: суффозия или сдвиг. Прорыв каменных плотин обычно связан с переливом воды через гребень или повреждением основания. Характерными причинами разрушения грунтовых плотин служит также перелив через гребень, а кроме того эрозия тела плотины и основания. При этом перелив является наиболее вероятной причиной.
В литературе в разное время появлялось несколько докладов об исторических случаях катастроф на плотинах. Недавно общий обзор этих материалов был опубликован в Италии Национальным Обществом по Защите от Гидрогеологических Катастроф [106]. В 1976 году Джонсон и Ил л с [95] представили отчет о 114 случаях катастроф на плотинах. Обстоятельства, при которых происходило разрушение, распределены ими следующим образом: в 44 случаях аварии произошли при первом заполнении водохранилища (38%); 43 аварии явились следствием перелива (38%); 27 аварий имели место в период эксплуатации гидросооружений (24%).
Аналогичные результаты представили в своей работе Би своз и Чаттерджи в 1971 [95]. Наиболее интересной работой в области разрушения плотин является брошюра "Уроки из инцидентов на гидроузлах" ("Lessons from dam incidents"), опубликованная в 1974 году [95]. Собранные в ней данные относятся к 534 инцидентам, имевшим место на 426 плотинах высотой более 5 м (на некоторых из них происходила не одна авария) в разное время. Данные плотины расположены в 43 странах, на территории которых сооружено 96% всех плотин, включенных во Всемирный реестр плотин. Аварийные происшествия в вышеупомянутом исследовании подразделены на следующие категории: 1. 290 инцидентов произошло в период с 1960 по 1965 годы на плотинах высотой более 15 м (среди них 71 случай прорыва); 2. 98 аварий было зафиксировано за тот же период на плотинах высотой от 5 до 15 метров; 3. 78 случаев произошло до 1900 года; 4. 68 случаев было отмечено в период строительства или в особых ситуациях. Для плотин 1, 2 и 3 категорий ICOLD дает другую классификацию, основанную на степени разрушения, которому подверглось сооружение. Таким образом были определены следующие степени: Разрушение 1 (F1), являющееся полным разрушением плотины при невозможности восстановления;
Разрушение 2 (F2), определяемое как авария, в ходе которой сооружению были нанесены серьезные повреждения, но при которой возможно последующее восстановление и эксплуатация плотины; "Инцидент" - то есть аварийная ситуация с незначительными последствиями. Общее число разрушений типа "F1" и "F2", а также общее число "инцидентов", имевших место в прошлом, следующие: Разрушения 1 (F1) - 84 плотины, Разрушения 2 (F2) - 118 плотин, "Инциденты" - 332 плотины. ІЗ В тексте брошюры "Уроки из инцидентов на гидроузлах" присутствуют и другие классификации, основанные на возрасте плотин или типе их конструкции. Вопрос анализа "происшествий, условий и обстоятельств", которые могут привести к аварии, по-прежнему остается открытым.
Позже в ICOLD был сформирован Специальный Комитет по статистическому анализу аварий на гидротехнических сооружениях. Заключения, которые были сделаны к 1995 году комиссией на основании имеющихся у нее данных, выглядят следующим образом:
1. Количество катастроф на плотинах за последние четыре десятилетия уменьшилось. Среди плотин, построенных до 1950 года, разрушено 2,3 %. Процент прорыва плотин, которые были сооружены после 1951 года, составляет менее чем 0,2 %.
2. Абсолютное большинство аварий на плотинах относится к плотинам небольшой высоты, которые в большинстве случаев входят в состав крупных гидросооружений.
3. Максимальное число аварий приходится на долю относительно "молодых" плотин. Чаще всего аварии происходят в течение первых 10 лет после постройки сооружения, и особенно в первый год эксплуатации.
4. В процентном отношении наибольшее число аварий произошло на плотинах, построенных в период с 1910 по 1920 год.
5. Для бетонных плотин основными причинами их разрушения стали проблемы, связанные с основанием: внутренняя эрозия (21 %) и сдвиг (21 %).
6. Для грунтовых плотин перелив представляет собой главную причину разрушения (49 % аварий). Следующей причиной является внутренняя эрозия тела плотины (28 % аварий). За ними следует внутренняя эрозия основания (17% аварий).
7. Дня плотин с каменной кладкой наиболее распространенной причиной разрушения является перелив - 43 %, а также внутренняя эрозия основания -29 %. 8. В 61 % случаев причиной аварии являлась недостаточная пропускная способность водосбросных сооружений при прохождении максимального паводкового расхода, превышающего расчетный.
9. После прорыва плотины на практике предпринимаются, как правило, следующие действия: ликвидация плотины, то есть отказ от дальнейшей ее эксплуатации (24 % случаев), реконструкция поврежденных элементов плотины (15 %), а также возведение новой плотины (14 %).
Крупномасштабные испытания в полевых условиях
В 1966 году сотрудником Венского технического Университета Грживенски было проведено экспериментальное исследование по теме "Разрушение плотин вследствие перелива", в котором в качестве прототипа была принята насыпная плотина высотой 150 метров с центральным ядром. Аварийная ситуация была инициирована волной, возникшей в результате оползня. После предварительных испытаний в гидравлической лаборатории с применением стеклянного лотка, была сооружена трехмерная модель в масштабе 1:500. Результаты этой исследовательской работы наряду с рекомендациями по применению принципов моделирования были опубликованы в 1971 году.
В Техническом Университете г. Грац Л. Замец (1981) в своей диссертационной работе исследовал процесс размыва насыпных гидросооружений вследствие перелива. В этом исследовании был последовательно апробирован ряд различных строительных материалов, типов ядер, других водоупорных элементов, а также объемов водохранилищ. При этом на модели был использован лоток шириной 0,758 м, а высота модели плотины варьировалась от 0,3 до 0,6 м. Проведение данного исследования было выполнено главным образом с целью воспроизвести аварийный прорыв высокой каменной плотины в одной из альпийских долин с относительно небольшим, по сравнению с размерами гидроузла, объемом водохранилища. Имитировалась только первая стадия прорыва плотины, то есть ее начальное разрушение. Процесс вторичной эрозии рассматривался менее детально , что в итоге позволяло установить весьма приблизительную ширину прорана. Основываясь на результатах своего исследования, Замец вывел наиболее адекватную формулу для определения скорости эрозии при прорыве плотины, которую можно найти в опубликованной диссертации Л. Замец (1981). Кроме того, отчет об этом исследовании приводится в совместной работе Г. Зиммлер и Л. Замец (1982) [120].
В Финляндии Государственная энергетическая компания 1VO совместно с Министерством водного хозяйства и природных ресурсов провела в 1986-1988 годах серию лабораторных исследований с использованием моделей плотин высотой, равной приблизительно їм. В испытаниях были рассмотрены как плотины с различными типами примыканий и опорными каменно-набросными призмами, так и однородные земляные плотины. В том случае, когда центральное ядро было выполнено из моренного материала, характер процесса размыва и его длительность практически не отличались от тех же показателей при прорыве однородной земляной плотины. К сожалению, никаких публикаций по этой исследовательской работе не появлялось.
В 1993 году в серии печатных работ финского Министерства водного хозяйства и природных ресурсов С. Пэн и И. Лукола представили свой доклад о совместном китайско-финском исследовательском проекте по изучению гидродинамики аварий на плотинах [105]. Данная публикация состоит из двух частей, одна из которых - отчет о проведенном в Китае исследовании безопасной эксплуатации гидросооружений, вторая же часть представляет зо собой описание испытания прорыва плотины. Научная работа в Китае включала в себя изучение в лабораторных условиях аварийных прорывов на гидросооружениях вместе с моделированием распространения водного потока. В опубликованном докладе присутствуют только те отчеты, которые относятся к китайской стороне проекта. Кроме того, здесь упомянуты крупномасштабные эксперименты по моделированию "плавких вставок". Физическое моделирование было проведено для определения условий течения в проране. В ходе экспериментов отмечались колебания давления воды и участки, в пределах которых наблюдалось понижение давления. Кроме того, было установлено, что при несимметричном размыве, струи течения увеличивают турбулентность и колебания давления. К тому же данное исследование проводилось с целью определения методики наблюдения для последующего использования в крупномасштабных полевых испытаниях.
Формированию прорана в грунтовых плотинах уделено внимание и отечественных исследователей. В апрельском номере журнала "Гидротехническое строительство" за 2001 год были опубликованы результаты лабораторных испытаний, проведенных к.т.н. В.Х. Давлетшиным в ПМСК "Днепр". Предметами исследований на моделях явились "динамика изменения начального профиля сооружения в процессе размыва, особенности размыва ломаных профилей и динамика расширения начального прорана". В статье "Динамика разрушения однородных земляных плотин при переливе воды через проран" [24] сообщается о двух сериях опытов, в первой из которых изучена первая стадия развития прорана - перелив воды поверх гребня насыпной плотины (высотой 0,2-0,6 м и шириной по гребню 0,06-0,095 м). Эксперименты проводились на плоских фрагментах, построенных в остекленном геогидравлическом лотке длиной 3,5 м, высотой 0,7 м и шириной 0,06 м.
Опыты второй серии были посвящены исследованиям расширения начального прорана и проводились на пространственной модели общей высота плотины до устья прорези; d - средний диаметр частиц.
Таким образом, скорость развития прорана на второй стадии, по мнению автора, является постоянной величиной, что не подтверждается на практике. Экспериментальные и натурные наблюдения свидетельствуют о том, что расширение прорана на данной стадии происходит неравномерно и скорость размыва плотины включает как интенсивную, так и экстенсивную стадии.
Планирование эксперимента
После полного опорожнения лотка (обычно через несколько часов) производилась топографическая съёмка песчаного дна в районе прорана, результаты которой наносились на планшет.
Полученные данные показаний лимниграфов на миллиметровках (лимниграфограммы) обрабатывались следующим образом: при известной скорости вращения барабана (уе = 4мм/с), начиная от метки, соответствующей началу размыва (t = 0), миллиметровка разбивалась по горизонтали на интервалы, равные 10 секундам (через 40 мм). Затем от фиксированной отметки, соответствующей известному значению УВБ (УНБ), лимниграфограмма разбивалась по вертикали в соответствии с масштабом уровня (при изменении уровня в пределах 30 см, масштаб принимался равным 1:1, при большем диапазоне изменения уровня приходилось менять форму натяжения лески, идущей от поплавка через прибор к самописцу и масштаб принимался равным 1:2). Затем средние за единичный интервал /„„„ координаты точек {УВБ или УНЕ, І) заносились в табличном виде в компьютер (в формат Excel). Аналогично вносились значения ширины прорана, полученные при обработке видеозаписи с покадровой остановкой через 10 с (по секундомеру на записанной плёнке).
Далее в табличном виде рассчитывались по известным (приведенным выше) формулам значения Qnp, dWmH, Врасч и т.д. и выполнялось построение соответствующих графиков и их дальнейшая обработка.
Результаты экспериментов обсуждаются подробно в 4 главе. 3.6. Оценка точности измерений. Точность измерений при проведении опытов зависит от следующих факторов: 1. точности наведения измерительного прибора; 2. точности отсчета по прибору. Ошибки при измерениях можно разделить на три категории [58] : 1. ошибки систематические, имеющие в производимом замере значение или постоянное, или изменяющееся по некоторому закону; 2. ошибки случайные, вызываемые многочисленными и разнообразными явлениями, оказывающие малое влияние на результат; 3. ошибки грубые, вызываемые редкими ненормальными нарушениями методики замера. Предельная ошибка в измерениях получается, если во всех элементах измерения будут произведены с отклонениями в одну сторону (величины будут измерены с избытком или недостатком). Для проведения оценки точности измерений требуется анализ предельных относительных ошибок, полученных при определении расхода через проран Qnp, уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, напора в трапецеидальном проране ht и ширины прорана В)1р_
Для оценки предельной погрешности пользуются следующими правилами [67]: 1. при сложении и вычитании абсолютные погрешности складываются; 2. при умножении и делении относительные погрешности складываются; 3. при возведении в степень относительные погрешности умножаются на абсолютную величину показателя степени; 4. при нахождении значения функции абсолютная погрешность функции равна произведению абсолютной погрешности аргумента на абсолютную величину погрешности производной. Как было сказано выше, предельная относительная погрешность получается в опытах при условии, что при измерениях всех элементов ошибка будет максимальной и во всех измерениях сочетание ошибок получится такое, что они будут последовательно накапливаться. Однако теория вероятностей распределения случайных величин [16] показывает, что мелкие ошибки встречаются чаще, и что ошибки разных знаков равновозможны, откуда следует, что ошибки в измерениях будут значительно меньше приведенных ниже.
Погрешности при измерении глубины. Глубины, также как и другие параметры развития прорана, в процессе эксперимента изменялись с течением времени, поэтому все расчеты производились для средних значений величин за минимальный (единичный) интервал времени, принятый для всех опытов равным 10 секундам (продолжительность каждого опыта составляла 15 минут).
Измерения глубин в экспериментах производились при помощи двух лимниграфов, установленных в верхнем и нижнем бьефах модели плотины.
Погрешность при измерении глубины зависит от точности совмещения поплавка с поверхностью воды, точности отсчета по показаниям прибора и точности привязки нуля измерительного прибора. В проведенных нами опытах предельные расхождения между значениями при многократном замере уровня поверхности воды не превышали Ah\ = 0,5 мм. Привязка нуля измерительного прибора была осуществлена нивелированием с точностью ]А деления рейки нивелира, т.е.: Ahj = 0,5 мм. Точность определения значений по данным лимниграфа равна отклонению максимальной амплитуды колебаний поплавка относительно средней линии, то есть АЪз = 1 мм. Таким образом, суммарная абсолютная ошибка в измерении глубины составляла: Ah = Ahi+Ah2+Ah3 = 0,5+0,5+1 = 2 мм. Относительная предельная ошибка в определении глубины составила: в верхнем бьефе при диапазоне измерений от 64 до 20,5 см 8. = — 100% = —— 100% = (0,3 -г- 0,98)% - в нижнем бьефе при диапазоне измерений от 0 до 21 см для средней глубины воды hH6cP=10,5 см 5„ = — -100% = — -100% = 1,9% 3.6.2. Погрешности измерения напора на мерном водосливе. Измерение напора на водосливе производилось при помощи лимниграфа, расположенного в нижнем бьефе. Ошибка при определении напора складывается из ошибок при измерении глубины с помощью лимниграфа Ah и ошибки привязки нуля установки мерного водослива. Привязка нуля мерного водослива была выполнена нивелированием с точностью 0,5 мм. Таким образом, абсолютная погрешность при измерении напора на водосливе составила:
Сравнительная оценка влияния различных факторов на характер явления
Кривая зависимости объемов водохранилища от уровней воды представлена на рис. 5.4. На основании этих исходных данных произведен расчет по подпрограмме, основанной на приведенной выше методике. Блок - схема подпрограммы представлена на рис. 5.5. Полученные в результате расчета график зависимости расширения прорана во времени и гидрограф излива (рис. 5.6 и 5.7) являются исходными данными для дальнейшего расчета по программе расчета прорывного паводка « БОР ».
Программа « БОР » предназначена для расчета параметров прохождения прорывного паводка. В ней используются численные модели с возможностью применения как прямоугольных сеток, так и произвольных смешанных четырехугольно-треугольных сеток, которые позволяют адаптировать ввод исходных данных для исследования течений в чрезвычайно сложных ситуациях. Данная программа дает возможность расчета распространения воды по сухому дну при нефиксированных границах течения без выделения разрыва (метод сквозного счета), а также позволяет рассчитывать течения при возникновении движущихся разрывов (боров) и стационарных гидравлических прыжков в зонах с резким изменением ширины потока и существенными неоднородностями дна.
Программа « БОР » включает процедуры подготовки данных, проведения расчетов и представления результатов с использованием ГИС- технологий. Последняя процедура состоит в следующем: на электронной карте заданного масштаба выделяется расчетная область, ограниченная горизонталями земной поверхности, априори не затапливаемыми прорывным паводком; на карте выделяется основное русло, притоки и задаются их характеристики (поперечники, коэффициенты шероховатости); в расчетной области автоматически строится четырехугольная либо треугольная сетка; производится автоматическая интерполяция рельефа с горизонталей электронной карты в узлы расчетной сетки; на карте выделяются области повышенной шероховатости поймы (лесные массивы, плотная застройка) и производится пересчет коэффициентов шероховатости в узлы сетки; задаются начальные и граничные условия задачи (уровень верхнего бьефа водохранилища, расходы основного русла и притоков и т.п.); задается сценарий разрушения плотины (мгновенное, по блокам, или постепенное увеличение прорана); производится расчет прорывного паводка на основе численного решения нестационарных уравнений Сен-Венана, причем в процессе счета в среде ГИС можно наблюдать за динамикой волны прорыва (графики изменения параметров в заданных точках и на линиях, фрагменты плана течения). Кроме вышеперечисленных результатов по окончании счета на экран монитора или принтер средствами ГИС выводятся максимальные отметки затопления в горизонталях, максимальные глубины затопления в изобатах либо в цветовой заливке, максимальные скорости в изотахах либо в виде векторного поля, изохроны добегания фронта и гребня волны, а также время затопления.
При выполнении расчета выбранного гидроузла сценарий развития прорана был задан по предлагаемой методике. В результате расчета были определены значения параметров прорывного паводка: отметки затопления в горизонталях в процессе распространения волны излива и скорости в изобатах в виде векторного поля (рис. 5.6), максимальные глубины затопления в цветовой заливке (рис. 5.7), а также максимальные глубины затопления территории в районе важных жилых и промышленных объектов и транспортных узлов, в частности, в районе города и железнодорожного моста (рис. 5.8).
1. Сравнительный анализ результатов экспериментов с натурными данными позволил установить, что в случаях относительно невысоких плотин (когда начальное значение напора на плотине h, или высота плотины Нт сопоставимы с глубиной в проране кт соответствующей неразмывающей для данного грунта скорости vH), процесс размыва стабилизируется или прекращается, когда глубина в проране достигает соответствующего значения й„. В этом случае последний множитель в формуле ( 3.3 ) оказывает существенное влияние на снижение интенсивности расширения прорана в конце процесса. В натуре такие плотины встречаются редко, поэтому влияние множителя ( J - hH / h,) для натурных плотин можно считать несущественным.
2. Очевидно, что гидрограф излива через проран, рассчитанный с использованием зависимости ( 4.3 ) и соответствующий грунтовой плотине с однородным строением, определяет более интенсивный, чем в реальных условиях, излив воды (большее значение Qmax- меньшее время между началом излива и моментом прохождения максимального расхода, меньшее время опорожнения водохранилища). Из этого можно заключить, что использование зависимости ( 4.3 ) дает определенный запас в оценке условий в бьефах плотины при ее прорыве (большее колебание уровней воды, большие скорости потока, большие площади затопления и т.д.). Более реальна оценка с использованием зависимости ( 5.1 ), хотя она получена с использованием весьма ограниченного объема натурных данных и, очевидно, нуждается в уточнении.
3. Имея в виду очевидную неопределенность величин, характеризующих развитие проранов в натуре, которые использованы в разработанной методике, и приближенность подходов, использованных при составлении методики, результаты расчетов с ее использованием следует считать приближенными. Однако можно полагать, что результаты применения предлагаемой методики определения гидрографов излива через проран в грунтовой плотине в большинстве случаев ближе к натуре, чем результаты расчетов с использованием ранее предложенных методов, так как предложенная методика основана на данных систематических экспериментов и проверена по данным о реально имевших место прорывах плотин.
Выполненные в рамках настоящей диссертационной работы теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие в ы воды: 1. Анализ данных об имевших место в мировой гидротехнической практике случаях прорыва грунтовых плотин позволил установить некоторые закономерности изучаемого процесса, заключающиеся в следующем: - время развития проранов, даже при относительно небольших размерах водохранилищ, измеряется часами, что не позволяет принимать схему мгновенного раскрытия прорана на полную ширину в расчетах параметров волны излива при прорывах напорного фронта гидроузлов; - размыв прорана, как правило, происходит по глубине до основания плотины, что позволило в расчетной схеме при разработке математической модели не учитывать размыв основания плотины; - крутизна боковых откосов прорана в среднем составляет 1:0,5.
