Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Основные положения существующих методов расчета водопроводящих трактов гидротехнических сооружений 9
1.2. Вероятностный подход к расчету механического оборудования водопроводящих трактов 17
1.3. Основные понятия и показатели теории надежности применительно к механическому оборудованию ГТС 22
1.4. Основные задачи исследования 30
ГЛАВА 2. Анализ аварий водосбросных сооружений гидроузлов 34
2.1. Основные случайные и неопределенные факторы 34
2.2. Причины аварий водосбросных сооружений гидроузлов 39
2.3. Классификация и анализ отказов МО водопроводящих трактов 45
2.4. Выбор критериев отказов механического оборудования водопроводящих трактов 56
ГЛАВА 3. Применение параметрической теории надежности для расчета элементов механического оборудования водопроводящих трактов гидротехнических сооружений 59
3.1. Вероятностные методы оценки надежности конструкций 59
3.2. Расчет вероятностей отказов элементов затвора водосброса при статических воздействиях 67
3.3. Расчет вероятностей отказов элементов затвора водосброса при гидродинамических воздействиях 76
ГЛАВА 4. Системный анализ надежности водопроводящих трактов гидротехнических сооружений 89
4.1. Основы системной теории надежности 89
4.2. Анализ события «Перелив воды через гребень плотины вследствие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов» 98
4.3. Структурный анализ водопроводящих трактов ГЭС 105
ГЛАВА 5. Синтез параметрической и системной теорий надежности 129
5.1. Оценка надежности затвора водосброса 129
5:2. Оценка долговечности затворов водосбросных трактов ГТС 140
5.3. Оценка надежности затворов при сейсмических воздействиях 148
ГЛАВА 6. Примеры расчетов надежности затворов гидротехнических сооружений различного назначения 170
6.1. Опускной затвор судопропускного сооружения С2 Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений 170
6.2. Сегментный затвор Вилюйских ГЭС-1, 2 181
6.3. Плоский затвор Вилюйской ГЭС-3 190
6.4. Основной затвор эксплуатационного водосброса Саяно-Шушенской ГЭС 196
6.5. Оценка надежности секторных затворов Яйвского гидроузла 204
6.6. Затвор бассейна выдержки АЭС 211
Заключение ...229
Литература 231
- Вероятностный подход к расчету механического оборудования водопроводящих трактов
- Причины аварий водосбросных сооружений гидроузлов
- Расчет вероятностей отказов элементов затвора водосброса при гидродинамических воздействиях
- Анализ события «Перелив воды через гребень плотины вследствие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов»
Введение к работе
Необходимость анализа и оценки риска аварий гидротехнических сооружений (ГТС) в Российской Федерации регламентированы требованиями Федерального Закона «О безопасности гидротехнических сооружений» и распространяются на ГТС, находящиеся в сфере действия Закона, повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайной ситуации. К таким ГТС относятся плотины, ограждающие сооружения (дамбы) жидких отходов промышленных и сельскохозяйственных организаций, здания гидроэлектростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники, сооружения, предназначенные для защиты от наводнений и разрушений берегов водохранилищ, берегов и дна русел рек, устройства для предотвращения размывов на каналах, а также другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвращения вредного воздействия вод и жидких отходов.
В свою очередь, оценка риска аварий указанных сооружений невозможна без оценки надежности, в частности, вероятности отказов их водопроводящих трактов и механического оборудования (МО) как подсистем этих трактов, поскольку одной из основных причин возникновения и развития весьма серьезных аварийных ситуаций является перелив воды через гребень плотины, что, зачастую, является следствием отказов именно МО.
Поэтому требования, предъявляемые к гидротехническим сооружениям в части надежности, прочности, водонепроницаемости при любых сочетаниях нагрузок и воздействий, распространяются и на их МО. Как показывает опыт эксплуатации гидроузлов, от надежности затворов нередко зависит безаварийная работа всего сооружения. Здесь и далее понятие «затвор» включает в себя пролетное строение (собственно затвор), затворную камеру с закладными деталями и облицовками и приводной механизм с тяговыми органами и подвесными устройствами.
В перспективе один из путей развития гидроэнергетики - возведение ГЭС в горных районах. Причем современная тенденция - уменьшение напора и создание малых ГЭС в равнинных либо каскадов ГЭС в горных районах с целью уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. Как следствие ужесточения экологических норм повышаются требования к маневренности затворов, к расчетному обоснованию проектов МО как одному из главнейших условий повышения его надежности [87, 99].
Кроме того, сегодня большая часть затворов водопроводящих трактов ГТС близка к исчерпанию своего ресурса, поэтому в настоящее время всё более очевидной становится необходимость иметь объективные критерии для прогнозирования и обоснования сроков проведения ремонтных работ различного оборудования гидротехнических сооружений, в том числе и механического оборудования их водопроводящих трактов. Получение таких критериев возможно при последовательном применении методов теории надёжности к его расчётам. Актуальность подобного подхода подчеркивают принятые в 1995 году общеевропейские нормы по расчёту металлоконструкций и оборудования гидротехнических сооружений DIN 19704-95 и межгосударственный нормативный документ «Надёжность зданий и сооружений. Основные положения проектирования», подготовленный ЦНИИСК им. Кучеренко. Так, по новой концепции, устанавливаются требования к надёжности как к основному потребительскому качеству, а эксплуатационные показатели (то есть характеристики сооружения и оборудования) устанавливаются как следствие требуемой (целесообразной) надёжности.
Исходя из вышесказанного, была поставлена и конечная цель данной диссертационной работы - повышение надежности водопроводящих трактов ГТС на основе методов системного анализа МО, включающих в себя методику количественной оценки надежности и прогнозирования работоспособности механического оборудования (в первую очередь, затворов) как подсистем водопроводящих трактов гидротехнических сооружений.
Работа состоит из введения, семи глав, и заключения.
В первой главе описаны основные положения существующих детерминистических методов расчета механического оборудования, намечен вероятностный подход к оценке надежности конструкций водопроводящих трактов ГТС. Приведены основные понятия и показатели теории надежности, применяемые при анализе надежности МО водопроводящих трактов ГТС. Сформулированы основные задачи исследования.
Во второй главе исследованы основные случайные и неопределенные факторы, влияющие на надежность затворов водопроводящих трактов. Проанализированы причины аварий водосбросных сооружений гидроузлов. Приведена классификация и анализ разрушений и повреждений затворов водопроводящих трактов. Произведен выбор критериев отказов механического оборудования водопроводящих трактов при расчетах его надежности, которые зависят от цели расчета.
В третьей главе описаны основы параметрической теории надежности, адаптированные применительно к механическому оборудованию водопроводящих трактов ГТС. Приведена методика оценки безотказности элементов затворов водопроводящих трактов при гидростатическом и гидродинамическом воздействиях.
В четвертой главе приведены основы системной теории надежности. Проведен системный анализ события «Перелив воды через гребень плотины вследствие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов». Проведен системный анализ надежности водопроводящих трактов ГТС. Разработаны стандартные деревья отказов водопроводящих трактов ГЭС различных типов, а также некоторые детально (до базовых отказов) проработанные их ветви.
В пятой главе изложены принципы синтеза параметрической и системной теорий надежности на примере оценки надежности плоского затвора строительного водосброса Колымской ГЭС. Приведены методики оценки долговечности затворов водосбросных трактов ГТС и надежности затворов при сейсмических воздействиях.
В шестой главе приведены примеры расчетов надежности затворов разных типов гидротехнических сооружений различного назначения. С помощью разработанных методик оценены вероятности отказов опускного затвора судо-пропускного сооружения С2 Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений, сегментного затвора Вилюйских ГЭС-1, 2, плоских затворов Вилюиской ГЭС-3 и Саяно-Шушенской ГЭС, секторных затворов Яйвского гидроузла, затвора бассейна выдержки АЭС.
В седьмой главе описаны мероприятия, проведение которых, наряду с расчетами надежности затворов водопроводящих трактов ГТС, позволит предотвратить аварийные ситуации на гидротехнических сооружениях из-за опасных отказов механического оборудования.
В заключении сформулированы результаты, полученные в ходе диссертационных исследований.
Вероятностный подход к расчету механического оборудования водопроводящих трактов
Метод предельных состояний, лежащий в основе нормативов, по которым сегодня ведется проектирование МО водопроводящих трактов, учитывает изменчивость воздействий и параметров исходного состояния затвора. Однако такой учет осуществляется раздельно для каждой из действующих нагрузок и характеристик свойств материалов. Регламентированы и сочетания нагрузок. Оценка ущерба от возможных последствий аварий и повреждений осуществляется путем условного разделения гидросооружений на классы по капитальности. Следовательно, оценка надежности конструкций в методе предельных состояний имеет по существу вероятностный характер, но этот подход не доведен до логического завершения, так как, учитывая случайные факторы, он не позволяет дать количественную оценку надежности. При расчетах по этому методу наступление предельных состояний истолковывается как показатель абсолютной ненадежности системы с вероятностью достоверного события, равной единице, независимо от того, насколько исчерпаны резервы конструкции. При этом наступление предельных состояний сопровождается скачкообразным увеличением вероятности отказа от 0 до 1, что противоречит самой физической природе процесса.
Более последовательным является учет вероятности различных сочетаний свойств материалов и совместного появления различных нагрузок, явная оценка вероятности наступления тех или иных состояний. Подобный вероятностный подход к расчету МО водопроводящих трактов позволяет получить наиболее близкую к реальной картину его работы. Последовательное применение аппарата теории надежности дает возможность установить количественную связь между характеристиками изменчивости свойств материалов, воздействий и расчетным уровнем надежности.
Например, оценка надежности затвора сводится к определению вероятности выхода количественных характеристик состояния затвора с закладными частями, облицовками и приводными механизмами (критериев надежности VJ) за пределы допустимых значений в течение расчетного срока эксплуатации и выполняется в следующей последовательности.
Сначала осуществляется схематизация объекта и составляется некоторая условная (структурно-функциональная) схема надежности. При этом анализируются возможные отказовые ситуации, строятся модели отказов. На основе этих моделей выбираются рациональные количественные признаки, показатели качества и области допустимых состояний по показателям качества. Выбор осуществляется с учетом технологических, эксплуатационных и других требований. Таким образом, определяется система расчетов (прочности, устойчивости, деформаций и т. д.), результаты которых характеризуют поведение затвора при различных воздействиях:где V\,..., Vm - характеристики состояния затвора (критерии надежности); qi,..., qa - параметры воздействий; Qa+ь Чп - характеристики свойств материалов (или показатели, характеризующие работу отдельных элементов затвора);В - оператор, определяющий математическую модель (методику расчета) конструкции на надежность.
Критериями безотказной работы элементов затвора (и, следовательно, его безопасного состояния), которые должны уточняться для каждого конкретного затвора, являются: непревышение требуемыми усилиями для маневрирования грузоподъемности подъемного механизма; непревышение напряжениями в элементе допустимых (пределов прочности, текучести, выносливости); непревышение деформациями и перемещениями в элементе допустимых; непревышение предельных амплитуд колебаний, вибраций; недопущение накопления усталостных повреждений свыше предельных; непревышение расходом протечек через уплотнения допустимой величины и т. д.
Первый критерий является важнейшим критерием безопасности затвора, поскольку его нарушение (которое, в свою очередь, могло произойти вследствие невыполнения других критериев) может привести к возникновению гидродинамической аварии с самыми серьезными последствиями. При этом надо учитывать, что затвор является системой с несколькими рабочими состояниями. В общем случае, это закрытое (водопроводящий тракт перекрыт), маневрирование (открытие или закрытие), открытое (полностью или частично). И в каждом состоянии могут применяться свои критерии отказа.
Таким образом, образуется система предельных значений критериев надежности [VJ\, каждый из которых (или система критериев) связан с выбранной моделью конструкции (методикой расчета), с особенностями воздействий и свойств материалов. Назначение предельно допустимых значений критериев надежности может производиться по нормативным или экспериментальным данным.Далее определяются вероятностные характеристики воздействий и свойств материалов и, в общем случае, строится совместная функция распределения вероятностей Fj{q], ..., q„) или плотность распределения fi{q\, ..., q„) для заданного срока службы затворы Т.
Эти функции учитывают как вероятность отклонений нагрузок и характеристик свойств материалов от средних (нормативных) значений (приближенно и неполно учитываемых в методе предельных состояний коэффициентами надежности ут, уп и условий работы ус), так и вероятность совпадения различных видов и интенсивностей воздействий (при этом отпадает необходимость регламентации сочетаний нагрузок, их разбиения на постоянные, временные и особые).
Путем варьирования параметров воздействий и исходного состояния (свойств) механического оборудования получается набор значений и строится функция распределения критериев надежности затвора.По полученной функции распределения определяется вероятность превышения предельного значения (или значений) критерия надежности
Причины аварий водосбросных сооружений гидроузлов
Одна из самых опасных аварий на гидроузлах - перелив воды через гребень плотины. Подобная авария может являться следствием несоответствия пропускной способности сооружений гидроузлов их расчетным сбросным расходам. Соответствие этих величин является одним из важнейших условий обеспечения безопасности гидроузлов. Такое соответствие может отсутствовать как вследствие занижения значений расчетных сбросных расходов, так и из-за недостаточной пропускной способности сооружений.
В свою очередь, заниженные значения расчетных расходов могут быть получены вследствие малой гидрологической изученности района гидроузла или ошибок при выполнении проектных проработок. Недостаточная пропускная способность сооружений гидроузла может быть вызвана как увеличением значений расчетных расходов вследствие изменения нормативных требований и изменением условий его эксплуатации (например, из-за возникновения опасных местных размывов и подтопления территорий и сооружений в бьефах), так и неудовлетворительным состоянием сооружений и их механического оборудования.
Особенностью аварий на водосбросных сооружениях гидроузлов является возникновение угроз для других объектов, причем эти угрозы могут определяться как невозможностью водосброса выполнять свои функции в результате различных нарушений работоспособности, повреждений и разрушений конструкции, так и различными обстоятельствами его использования.
Кроме неконтролируемых переливов воды через гребень плотин, следствием неисправностей и отказов на водосбросных сооружениях могут стать затопления и подтопления объектов в верхнем и нижнем бьефах; местные размывы русла и подмывы ГТС, берегов и народно-хозяйственных объектов в ниж нем бьефе; опасные вибрации, с которыми могут быть связаны повреждения конструкций ГТС и объектов в районе гидроузла, разжижение грунтов и обрушение грунтовых откосов; общие размывы русла реки в нижнем бьефе и понижение отметок воды в реке, ведущее к нарушению судоходства, водоснабжения, повреждению гидротехнических конструкций из неморозостойкого бетона и т. д.; завалы русла, образование бара и сопутствующее этому подтопление ГТС со стороны нижнего бьефа; отложение наносов вниз по течению реки с различными отрицательными последствиями; образование облаков водяной пыли, насыщение воздуха водой и нарушения в работе электротехнического оборудования, обводнение грунтовых откосов с потерей их устойчивости, обледенение территорий и объектов.
Среди непосредственных причин аварий водосбросов, обуславливающих недостаточную пропускную способность гидроузлов или её ограничение, можно выделить следующие [33,51, 78,92,125, 126, 173, 177, 178, 191]: а) несоответствие расчетной пропускной способности водосброса пара метрам максимального притока в водохранилище из-за недостоверности гидро логического прогноза, прорывов вышерасположенных плотин, оползней и об валов в водохранилище и пр.; б) несоответствие действительной пропускной способности водосброса расчетной из-за засорения отверстий, нарушений гидравлического режима и других неблагоприятных отличий режимов его работы от проектных; в) заклинивание затворов и неисправность подъемных механизмов, в том числе и в результате отсутствия их электропитания; г) кавитационная эрозия на водосбросных трактах; д) абразивная эрозия на водосбросных трактах; ж) гидродинамические нагрузки, превышающие расчетные; з) размывы в нижнем бьефе, угрожающие потерей устойчивости соору жений и их элементов, а также берегов; е) выветривание бетона водосбросных трактов в результате процессов за мораживания / оттаивания и других факторов; и) коррозия закладных частей, ведущая к износу конструкций; к) неготовность к использованию по тем или иным причинам. Наиболее часто встречающимися факторами, вызывающими повреждение и разрушение конструкций водосбросов, являются: - кавитация и сопутствующая ей кавитационная эрозия; - абразивное воздействие обломков бетона и скалы, валунов, гравия, мусора и сопутствующая этому абразивная эрозия; - гидродинамические нагрузки на элементы конструкций и связанные с ними резонансные и усталостные явления; - эрозионное и силовое действие скоростного потока на концевых и отводящих участках водосбросов, размывы русел и разрушения креплений и скального основания потоком в нижних бьефах.
Особо опасные разрушения конструкций водосбросов наблюдаются при совместном воздействии нескольких из вышеперечисленных факторов, когда повреждения, вызванные одной причиной, становятся источником возникновения другого опасного явления.
Кавитационная эрозия на водосбросах возможна в результате общей и местной кавитации. Общая кавитация наблюдается на входных оголовках, поворотах, диффузорных участках, раздельных бычках и, обычно, определяется недостатками конструкции водосброса или же неблагоприятными отличиями режимов его работы от проектных. Местная кавитация чаще всего имеет место в водобойных колодцах, в затворных камерах, на трактах и носках-трамплинах, и приурочивается к тем или иным конструктивным (гасители, пазы затворов, переломы) и технологическим неровностям обтекаемой поверхности - дефектам проекта и производства работ.
С дефектами обтекаемых поверхностей связывают до трети случаев возникновения кавитационной эрозии. Из них около 40% случаев приводят к тяжелым повреждениям. Повреждения от кавитационной эрозии элементов затворных камер составляют четвертую часть от общего числа аварий. При этом опасность развития тяжелых последствий составляет около 40% [33].
Достаточно часто (до 20% от общего числа аварий водосбросов) подвергаются эрозии элементы гасящих устройств водосбросов, однако тяжелые случаи при этом сравнительно редки. Меньше подвержены эрозии входные оголовки, выходные порталы и сопряжения ниток водопропускных сооружений, но опасность развития тяжелых последствий, при этом, весьма высока (свыше 50%).
Кавитационная эрозия на современных водосбросах часто усугубляется и развивается существенно интенсивнее из-за недостаточной подачи воздуха в кавитационно-опасные зоны аэраторами.
В зависимости от причин возникновения кавитационную эрозию можно разделить на первичную и вторичную, где последняя связывается с повреждениями, вызванными другими воздействиями на элементы конструкции. Среди таких воздействий выделяются абразивная эрозия и гидродинамические нагрузки.
Абразивная эрозия элементов конструкций водосбросов чаще всего встречается при их расположении на низких отметках. Она зафиксирована в донных трубчатых и туннельных водосбросах, на водосливных плотинах с низким флютбетом, в пределах концевых устройств. Опасным, с точки зрения возникновения абразивного износа, является период строительства гидроузла, что связано с возможностью попадания в водосброс строительного мусора. Концевые устройства обычно подвергаются воздействию абразивной эрозии при несимметричных режимах работы водосброса, способствующих поступлению с нижнего бьефа продуктов размыва.
В зависимости от причин возникновения абразивную эрозию также можно разделить на первичную (наносы, поступающие из верхнего бьефа, строительный мусор) и вторичную (продукты разрушения конструкции водосброса и размывов в нижнем бьефе при допущении обратных течений, отсутствии водобойной стенки и т. п.).Опасные гидродинамические нагрузки (осредненные и пульсационные) возникают преимущественно там, где течение сопровождается отрывом потока
Расчет вероятностей отказов элементов затвора водосброса при гидродинамических воздействиях
Гидротехнические затворы, как правило, находятся в одном из двух основных положений. В первом затвор посажен на порог и подвергается воздействию гидростатического давления. Во втором - затвор поднят на ту или иную величину для пропуска расходов воды и может подвергаться гидродинамическому воздействию потока. Рассмотрим особенности применения параметрической теории надежности при расчете вероятностей отказов элементов затвора водосброса, подвергающегося гидродинамическим нагрузкам.
Следует заметить, что определение этих нагрузок - отдельная достаточно сложная задача. Исследованием широкого спектра вопросов, касающегося взаимодействия потока с затвором, посвящено множество работ. Большой вклад в изучение пульсации гидродинамической нагрузки и давления, действующих на затворы гидротехнических сооружений, внес А. С. Абелев [1 - 10]. Ему удалось собрать значительный материал по вибрации затворов, сделать качественные и количественные выводы, вывести ряд эмпирических зависимостей, дать некоторые практические рекомендации для борьбы с вибрацией затворов.
В дальнейшем круг рассматриваемых вопросов расширялся. Исследованием гидроупругого взаимодейстия затворов с потоком, определением собственных частот затворов, присоединенных масс воды, изучением колебаний затворов в потоке занимались Л. Л. Дольников, Т. В. Иванова, В. И. Каргаудас, Л. А. Кузнецов, П. Е. Лысенко, В. М. Лятхер, Л. В. Мошков, В. А. Палюнас, М. А. Попов, А. Л. Рахманова, С. П. Фетисов, И. С. Шейнин, С. Г. Шульман и другие [11, 17, 49, 50, 57 - 63, 69 - 71, 75, 76, 78 - 83, 85, 100 - 104, 109, 112 -119,123,131,169-171,179,187-189].
Среди зарубежных исследователей, занимавшихся изучением индуцированной потоком вибрации затворов можно выделить работы Э. Наудашера, П. Т. А. Гриффитса, П. А. Колкмана и ряда других авторов [200 - 205, 208 -210].
Результатом обобщения экспериментальных и теоретических исследований задач, связанных с обтеканием турбулентным потоком плоских затворов, явились справочное пособие и рекомендации по расчетам гидродинамических воздействий потока на затворы, по определению коэффициентов присоединенной массы и частот собственных колебаний затворов [35, 133 - 135].
Анализируя взаимодействие потока с затворами, можно отметить следующие причины возникновения их вынужденных колебаний:1) пульсации давления в потоке, возникающие в подводящем водоводе;2) появление водоворотных зон непосредственно перед затвором при обтекании его потоком; 3) пульсации давления, возникающие в связи с протечками через уплотнения затворов;4) пульсации давления при кавитации;5) пульсации давления, связанные со срывом потока с твердых границ (нож затвора, кромки пазов);6) пульсация вакуума за глубинным затвором вследствие периодического прорыва воздуха за затвор со стороны НБ при недостаточном сечении аэра-ционных шахт;7) давление воды при сейсмических воздействиях;8) волновое давление и удары плавающих тел (для поверхностных затворов).
Что же касается форм колебаний затворов, то первоначально рассматривали только одну форму - вертикальные колебания абсолютно жесткого тела на упругих подвесных устройствах. Затем дополнительно к вертикальным стали рассматривать изгибные колебания затворов как упругого тела, а позже и колебания затвора за счет деформации опор (поступательное горизонтальное перемещение затвора как жесткого тела и вращение вокруг вертикальной оси). Современные исследователи рассматривают 6 форм колебаний плоских затворов: 1 - плоскопараллельное смещение; 2 и 3 - вращение относительно двух взаимно перпендикулярных осей, лежащих в плоскости затвора; 4 - вертикальные смещения затвора; 5 и 6 - симметричные и кососимметричные изгибные колебания в горизонтальной плоскости.
Однако при решении конкретных задач, в зависимости от конструкции затвора и требуемой точности расчетов, могут учитываться не все формы колебаний.
Гидродинамические нагрузки (рис. 3.6) носят случайный характер. Пульсирующие нагрузки, действующие на затворы со стороны турбулентного потока, при установившемся режиме течения рассматриваются как стационарный случайный процесс, а их количественные характеристики могут быть оценены статистическими методами [133, 175].
Пульсационной составляющей F пульсирующей нагрузки называется непрерывно изменяющаяся во времени разность между мгновенным значением нагрузки на затвор F, являющемся случайной величиной, и осредненной нагрузкой (математическим ожиданием) M(F).
Основной амплитудной статистической характеристикой величины пульсирующей нагрузки является ее стандарт o(F) - среднеквадратичное отклонение мгновенной нагрузки F от осредненной (математического ожидания) M{F).
Основной частотной статистической характеристикой процесса пульсации давления является его ведущая частота/вед, близкая к средней частоте появления положительных (F M(FJ) или отрицательных (F M(F)) значений пульсационной составляющей F .
Как уже отмечалось, процесс пульсации гидродинамической нагрузки практически симметричен относительно осредненной нагрузки и имеет близкий к нормальному закон распределения.
Величина и характер действующих на затвор гидродинамических нагрузок определяются характеристиками потока непосредственно перед затвором и за ним. Последние, в свою очередь, в основном зависят от компоновки затворов в соружении, режима его работы и режима течения по всему водопропускному тракту, перекрываемому затвором.
Непосредственно перед и за затворами могут иметь место либо безнапорный, либо напорный режимы течения, причем при безнапорном течении за затворами они могут быть подтопленными (когда уровень свободной поверхности потока за затвором находится выше наинизшей точки его конструкции) и неподтопленными.
Режимы течения с верховой стороны затвора в нормальных эксплуатационных режимах незначительно влияют на характер и величину гидродинамических нагрузок на затвор, в отличие от режимов потока с низовой стороны, которые оказывают существенное влияние. Так, при самом неблагоприятном (с точки зрения величины действующих на затворы гидродинамических нагрузок) напорном течении за частично открытым затвором осредненные нагрузки могут быть даже больше гидростатических. При этом значительны и пульсирующие гидродинамические нагрузки.
Все это существенным образом сказывается на надежности затворов и, в частности, на их долговечности, что доказывает необходимость оценки вероятности безотказности и долговечности затворов при всех возможных их открытиях.
Расчет надежности проводится в рамках квазистатического подхода. Напряжения и деформации в элементах затворов, возникающие под воздействием осредненных нагрузок M(F), определяются обычными методами расчета металлоконструкций гидросооружений [91], а под воздействием пульсационных составляющих нагрузок F - методами динамических расчетов.
Методика расчета излагается на примере плоского затвора строительного водосброса Колымской ГЭС, рассмотренного выше в п. 3.2. Режим течения за затвором при всех относительных открытиях отверстия п 0,9 - безнапорный.Расчеты выполняются для всех возможных открытий затвора в соответствии с рекомендациями [35, 133 - 135].
Анализ события «Перелив воды через гребень плотины вследствие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов»
На основе вышеизложенного, анализируя события, которые, в общем случае, могут привести к переливу через гребень вследствие недостаточной пропускной способности сооружений, можно построить дерево события «Перелив через гребень» или, другими словами, дерево отказов, приводящих к переливу воды через гребень плотины вследствие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов (оно приведено на рис. 4.3 в наиболее общем виде). При анализе какого-либо конкретного ГТС это дерево должно прорабатываться уже более подробно, поскольку в гидротехнике все сооружения уникальны и, даже при наличии однотипных водосбросов, деревья отказов
Вообще говоря, к переливу через гребень могут привести и другие события, такие как оползень (обвальная волна), ветровые волны, ядерный взрыв и т. д. Но в настоящей работе анализируются отказы, связанные с водопроводя-щими трактами ГТС и их механическим оборудованием, поэтому другие причины перелива не рассматриваются.
При построении дерева отказов, приводящих к переливу воды через гребень плотины вследствие недостаточной пропускной способности водопрово-дящих трактов, обязательно следует учитывать, что, как правило, у водопропускных сооружений и МО имеется сочетание неполного структурного и функционального резервирования. Таким образом, например, резервируется пропускная способность водосбросного фронта при помощи различных водосбросных и водопропускных сооружений. Если предполагается срезка максимальных расходов за счет аккумуляции паводка водохранилищем, то для обеспечения надежности водосбросного фронта существенную роль может сыграть информационное и временное резервирование, а также и некоторые специфические виды неполного резервирования. Например, так как особенностью гидротехнических объектов является неравноценность возможных отказов различных структурных единиц, то для учета важности различных отказов можно использовать приоритет. Следуя приоритету, при анализе надежности ГТО до первого отказа, особое значение можно придать факту нарушения работоспособности более важного элемента или же возможности более тяжелого отказа.
К переливу воды через гребень плотины вследствие недостаточной пропускной способности водопроводящих трактов может привести переполнение водохранилища вследствие того, что пропускная способность водопропускного фронта (состоящего из водосбросов и гидротурбинных блоков) окажется ниже проектной либо приток (сбросной расход) - больше проектного. В свою очередь, к последнему событию могут привести ошибки при проектировании, недостаточная на момент проектирования гидрологическая изученность района, увеличение притока со времени проектирования и строительства гидроузла. С другой стороны, пропускная способность ГЭС может оказаться ниже проектной вследствие простоя агрегата в ремонте в момент пропуска паводка либо аварии. А пропускная способность водосбросов может оказаться ниже проектной вследствие отказа МО, ошибках при проектировании либо ограничения расхода из-за зимних условий, неудовлетворительного состояния водосброса, опасных местных и общих размывов нижнего бьефа, подтопления сооружений и терри торий в нижнем бьефе. События, приводящие к отказу МО, рассматриваются в настоящей работе подробно в следующих главах. Здесь же отметим разрушение подвеса и отказ подъемного оборудования, который может вызываться так же большим количеством причин.
Таким образом, в общем случае при построении сценария перелива через гребень следует учитывать [28, 161]:1) опасности, которые могут инициировать параметрические отказы и нарушения социально-экологических требований;2) условия окружающей среды, которые могут способствовать либо препятствовать реализации параметрических отказов и нарушений социально-экологических требований;3) особенности ГТС и условий его эксплуатации, которые могут способствовать либо препятствовать реализации отказов и нарушений социально-экологических требований;4) ошибки эксплуатационного персонала, которые могут быть допущены при эксплуатации объекта;5) параметрические отказы ГТС, его конструкции, конструктивных элементов, оборудования и основания, которые могут вести к реализации головного события;6) непосредственные причины, которые приведут к аварии на ГТС;8) меры, которые могут быть предприняты для предотвращения либо смягчения аварийных воздействий и угроз;9) условия окружающей среды, которые могут способствовать усилению аварийных воздействий и угроз;10) особенности объекта и условий его эксплуатации, которые могут способствовать усилению аварийных воздействий и угроз.Одним из наиболее сложных и ответственных этапов анализа надежности и безопасности сооружений и конструкций является оценка количественных показателей надежности.
