Конспект урока на тему Гидродинамические аварии
Гидродинамические аварии
Водные ресурсы и водное хозяйство страны.
Вода играет роль в народном хозяйстве и жизни человека. Запасы воды на Земле велики. Это воды озёр, морей и океанов; воды речного стока; грунтовые воды. Вода распределяется неравномерно по земной поверхности и во времени, а также может быть различного качества. Имеются засушливые районы страны и районы, страдающие от избыточного увлажнения земной поверхности. Весной часто избыток воды причиняет ущерб народному хозяйству, в другое же время года в этом же районе может оказаться недостаток воды.
В связи с отмеченной неравномерностью распределения воды часто приходится проводить ряд дорогостоящих инженерных мероприятий, преследующих цель получить воду в данном месте, в определенном ее количестве в определенный момент времени.
Совокупность такого рода инженерных мероприятий образует опре деленную часть народного хозяйства, называемую водным хозяйством.
Различают четыре основные отрасли водного хозяйства:
1) гидроэнергетика, т. е. использование движущей силы воды как источника энергии;
2) водный транспорт, т. е. использование воды в качестве путей сообщения;
3) водоснабжение и канализация населенных мест;
4) водные мелиорации: использование воды для орошения земель (ирригация); отвод избыточных грунтовых вод с территории (осушение); использование воды для так называемого обводнения земель, т. е. уст ройство отдельных водоемов сельскохозяйственного назначения.
Примечательно, что один и тот же водный поток может быть применен в народном хозяйстве многосторонне. Например, одна и та же река может быть использована как источник энергии, вод ный путь, для орошения земель, ведения рыбного хозяйства и т.д.
Отсюда вытекает важный принцип комплексности водохозяйственных мероприятий. Примером комплексного решения водохозяйственной проблемы является строительство (1932-1937 гг.) канала им. Москвы, сооружение которого обеспечивало судоходство между Москвой-рекой и Волгой, водоснабжение Москвы, получение электрической энергии на ряде гидростанций, улучшение санитарных условий столицы и др.
2. Общие понятия о гидротехнических сооружениях и их классификация
Гидротехническим сооружением называется - инженерное сооружение, построенное для решения тех или других водохозяйственных задач. Все гидротехнические сооружения (ГТС) делятся на две категории:
1) общие ГТС применяемые в двух или нескольких различных от раслях водного хозяйства;
2) специальные ГТС, используемые только в одной отрасли водно го хозяйства.
Характеристика ГТС
Общие ГТС
Водоподпорные - создающие подпор воды, например, в русле реки (сюда отно сятся плотины и некоторые дамбы, работающие как плотины)
Водопроводящие - искусственные рус ла (каналы, туннели, лотки, трубопроводы)
Регуляционные – устраиваемые с целью регулирования режима водного потока, за щиты дна и берегов от размыва и т. д.
Специальные ГТС
Гидроэнергетические - здания ГЭС, уравнительные резервуары, строящиеся при ГЭС, и т. д.
Гидросооружения водного транспорта – судоходные шлюзы, судоподъемни ки, пристани, набережные, маяки, лесо сплавные лотки и т. д.
Гидросооружения водоснабжения и канализации - особые водоподъемники, насос ные станции, очистные сооружения и т. д.
Гидросооружения для целей инженерных мелиораций гидромелиоративные сооружения (особые водоподъемники, шлюзы-регуляторы, дренажные устрой ства и т. д)
Сооружения рыбного хозяйства – рыбоходы, рыбоводные пруды и т. д.
Наиболее важным типом общего гидросооружения является плоти на с водопропускными и другими устройствами, создаваемыми при ней.
В связи с комплексностью решения водохозяйственных проблем и по целому ряду других соображений очень часто некоторые перечис ленные выше гидросооружения приходится группировать в соответству ющие комплексы. Такие комплексы гидросооружений называют гидро узлами. Особенно сложными бывают речные гидроузлы на равнинных реках; в них обычно входят плотина, здание ГЭС, судоходный шлюз, тот или другой водозабор (например, для орошения земель) и т.д.
3. Основные цели устройства плотин
На примере гидротехнического сооружения в виде плотины удобно пояснить почти все общие гидротехнические принципы проектирова ния любых специальных гидросооружений.
Плотины устраивают с целью:
1. Поднятия уровня воды в реке и регулирования этого уровня
Поднятие уровня воды в реке бывает необходимым:
при устройстве ГЭС;
для отвода воды из реки каналом на орошение земель с более высо ких отметок;
для улучшения условий судоходства
увеличения глубины воды и уменьшения скоростей в реке;
для увеличения глубин в месте устройства водоподъемников гидро мелиоративных систем и систем водоснабжения;
с увеличением таких глубин условия забора воды из реки облегчаются;
по санитарным соображениям и т. д.
Плотины, построенные с целью поднятия уровня воды в реке, назы вают водоподъемными.
2. Создания хранилища для воды (водохранилища)
Создание водохранилищ преследует цель:
получить водоем, служащий для регулирования стока реки (в пери од многоводья вода скапливается в водохранилище;
в засушливый же период эта вода расходуется из водохранилища, причем мы получаем выравнивание расходов реки во времени);
получить водоем, необходимый, например, для работы так называе мых гидроаккумулирующих установок, в целях рыбного хозяйства и т.п.
Уровень воды в водохранилище во время его эксплуатации может ме няться.
Плотины, построенные с целью получить водохранилище, называют водохранилищными.
В некоторых случаях одну и ту же плотину устраивают и для подня тия уровней воды в реке и для образования водохранилища. Такая пло тина будет и водоподъемной и водохранилищной.
4. Основная классификация плотин
По своему назначению, как было сказано выше, плотины бывают трех видов: водоподъемные, водохранилищные и водохранилищные и водоподъемные. Плотины отмеченных трех видов делятся на две основ ные группы.
Глухие плотины ~ это плотины, непосредственно через которые воду не сбрасывают; пропуск воды через створ плотины (если он требуется) осуществляется береговыми водопропускными сооружениями или че рез отверстия, хотя и сделанные в теле плотины (или ее основании), но имеющие весьма малую ширину по сравнению с длиной плотины.
Водосбросные(водопропускные) плотины - это плотины, по длине которых устраивают достаточно широкие (по сравнению с длиной пло тины) водопропускные отверстия (безнапорные или напорные).
Глухие плотины можно классифицировать по различным признакам:
1. По материалу, из которого возводится тело плотины:
из грунтового материала, т. е. из обычного грунта или каменной наброски;
из бетона, т. е. искусственного камня;
из железобетона и т. д.
2. По конструктивным признакам и условиям статической работы различают
Т= 1С + сА
Гравитационные плотины (рис. а), т.е. плотины, устойчивость которых обеспечивается благодаря их собственному весу - горизонталь ному гидростатическому давлению Р в данном случае противопостав ляется сила сопротивления сдвигу Т, действующая на подошве секции плотины; эта сила зависит от веса С плотины: Т = ГС + сА, где Г- коэф фициент внутреннего трения грунта основания, с - удельное сцепление грунта; А - площадь подошвы плотины.
Контрфорсные плотины (рис. б), устойчивость которых обеспе чивается благодаря не только весу самой плотины С, но и весу воды Св в объеме призмы АВС; для этого контрфорсные плотины имеют боль шой уклон верховой грани АВ; в конструктивном отношении они пред ставляют собой ряд контрфорсов А^В треугольной формы, на грани А1В1 которых опираются плиты АВВ^ (или своды).
Арочные плотины (рис. в), работающие как свод, поставленный на торец и упирающийся своими пятками в скальные берега.
Водосбросные (водопропускные) плотины можно различать двух типов (в зависимости от характера пропуска воды через них):
водосливные плотины, водосбросный фронт которых образован поверхностными отверстиями; такие плотины главным образом и со оружаются;
водопропускные плотины, водосбросный фронт которых образо ван глубинными (водопропускными) отверстиями.
В конструктивном отношении различают водосливные плотины: гра витационные, контрфорсные и арочные.
5. Аварии на гидротехнических сооружениях
Нарушения целостности конструкций неизбежно приводят к различ ного рода авариям. Гидродинамическая авария - это происшествие, свя занное с выходом из строя (разрушением) гидротехнического сооруже ния или его частей с последующим неуправляемым перемещением боль ших масс воды.
На территории России эксплуатируется более 30 000 водохранилищ и несколько сотен накопителей промышленных стоков и отходов. Более 50 лет гидротехнические сооружения на 200 водохранилищах и 56 нако пителях отходов эксплуатируются без реконструкции, некоторые нахо дятся в аварийном состоянии. По мнению специалистов, общее число гидродинамически опасных объектов составляет 815, численность на селения, проживающего в зонах непосредственной угрозы жизни и здо ровью при возможных авариях на этих объектах, превышает 7 млн че ловек. Однако прежде чем говорить об авариях, необходимо познако миться с некоторыми специальными терминами.
Проран - узкий проток в теле (насыпи) плотины, косе, отмели в дельте реки или спрямленный участок реки, возникший в результате размыва излучины в половодье.
Прорыв плотины - начальная фаза гидродинамической аварии, т. е. процесса образования прорана и неуправляемого потока воды водохрани лища из верхнего бьефа, устремляющегося через проран в нижний бьеф.
Бьеф - участок реки между двумя соседними плотинами или учас ток канала между двумя шлюзами.
Вехний бьеф - часть реки выше подпорного сооружения (плотины, шлюза).
Нижний бьеф - часть реки ниже подпорного сооружения.
6. Причины и виды гидродинамических аварий
На ГТС постоянно воздействует водный поток, колебания температур, льды, наносы, статистические и гидродинамические нагрузки, про исходят стирания поверхности, коррозия металлов, выщелачивание бе тона, гниение деревянных конструкций.
Разрушение (прорыв) гидротехнических сооружений происходит по следующим причинам:
в результате действия сил природы (землетрясений, ураганов, раз мывов плотин);
износа и старения оборудования;
конструкторских ошибок;
некачественного выполнения строительных работ;
нарушения правил эксплуатации;
воздействий человека (нанесение ударов различными видами ору жия).
Разрушения ГТС Можно классифицировать по ряду следующих факторов:
1) разрушения конструкций, находящихся в верхнем бьефе, подхо дящим потоком воды и ледоходом;
2) размыв земляных плотин переливающимся потоком;
3) размыв откосов русла реки и поймы в результате перепада воды, вызва
нного стеснением сечения поймы;
4) разрушение конструкций и местный размыв в русле реки пото ком, сбрасываемым через водосброс;
5) повреждение деревянных сооружений фильтрующимся потоком;
6) разрушение земляных сооружений и склонов берегов в результа те изменения геологических условий;
7) недостаточности водосбросов;
8) прочие разрушения, разрушения материала гидротехнических сооружений.
Из 300 аварий плотин (сопровождающихся их прорывом) в различ ных странах за 175 лет в 35% случаев причиной аварий было превыше ние расчетного максимального сбросного расхода, т.е. перелив воды через гребень плотины.
7. Последствия гидродинамических
аварий и меры защиты
Последствиями гидродинамических аварий являются:
- повреждение и разрушение ГТС и кратковременное или долговре менное прекращение выполнения ими своих функций;
- поражение людей и разрушение сооружений волной прорыва;
- затопление обширных территорий.
Основными поражающими факторами катастрофического затопле ния выступают:
- разрушительная волна прорыва-,
- водный поток;
- спокойные воды, затопляющие территорию суши и объекты.
Воздействие волны прорыва во многом аналогично воздействию воздушной ударной волны, образующейся при взрыве, но отличающей ся от нее тем, что действующим телом в этом случае является вода.
Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изме няет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Она имеет фазы подъема уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсив ного подъема уровня воды является фронтом волны прорыва. Фронт вол ны прорыва может быть крутым при перемещении волны прорыва на участках русла, близких к разрушенному гидродинамически опасному объекту
(ГОО), и относительно пологим - на значительном удалении от него.
Вслед за фронтом волны прорыва высота ее начинает интенсивно возрастать, достигая через некоторый промежуток времени максимума, называемого гребнем волны прорыва. В результате подъема воды про исходит затопление поймы и прибрежных участков местности.
Площадь и глубина затопления зависят от параметров волны проры ва и топографических условий местности. После прекращения подъема наступает более или менее длительный период движения потока, близ кий к установившемуся. Этот период тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления явля ется спад уровней воды.
После прохождения волны прорыва русло реки обычно сильно дефор мируется вследствие большой скорости течения воды в волне прорыва.
Разрушительное действие волны прорыва является результатом рез кого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефе при разрушении напорного фронта.
Волной прорыва может быть разрушено большое количество зданий и сооружений, находящихся в зоне ее действия. Степень их разрушения зависит от высоты подъема уровня воды и скорости течения, а также от характеристик самого здания (сооружения) и его основания.
Из-за крупных гидродинамических аварий гибнут люди, прерывает ся подача электроэнергии в энергетические системы. Кроме того, разру шаются или оказываются под водой населенные пункты, выводятся из строя коммуникации и другие элементы инфраструктуры, нарушается жизнедеятельность населения и производственно-экономическая дея тельность предприятий, наносится большой ущерб природной среде, в том числе в результате изменений ландшафта.
Вторичными последствиями гидродинамических аварий являют ся загрязнения воды и местности веществами из разрушенных (затоп ленных) хранилищ, промышленных и сельскохозяйственных предприя тий, массовые заболевания людей и животных. Вторичными последстви ями также могут быть пожары - из-за обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов; оползни, обвалы вследствие размы ва грунта и т.д.
Долговременные последствия гидродинамических аварий связаны с остаточными факторами затопления - наносами, загрязнениями, из менением ландшафта и других элементов природной среды.
Последствия аварий выражаются с помощью показателей матери ального ущерба.
Материальный ущерб оценивается числом единиц разрушенных, поврежденных, вышедших из строя объектов и сооружений, а также в денежном выражении.
К прямому ущербу относят:
- повреждение и разрушение ГТС, жилых, производственных зданий, железных и автомобильных дорог, ЛЭП и связи, мелиоративных систем;
- гибель скота и сельскохозяйственных культур; -уничтожение и порча сырья, топлива, продуктов питания, кормов,
удобрений;
- затраты на временную эвакуацию населения и перевозку матери альных ценностей в незатапливаемые места;
- смыв плодородного слоя почвы и занесение почвы песком, глиной и камнями.
К косвенному ущербу относят:
- затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы про дуктов питания, одежды, медикаментов, строительных материалов и техники, кормов для скота;
- сокращение выработки промышленной и сельскохозяйственной продукции, замедление темпов развития народного хозяйства;
- ухудшение условий жизни местного населения;
- невозможность рационального использования территории, нахо дящейся в зоне возможного затопления.
Важными мерами защиты от гидродинамических аварий являются:
- уменьшение максимального расхода воды путем перераспределе ния стока во времени;
- регулирование паводковых стоков с помощью водохранилищ; ук репление и своевременный ремонт ГТС, ограждающих дамб (валов);
- проведение берегоукрепительных и дноуглубительных работ, под сыпка низких мест.
К оперативным предупредительным мерам относят:
- оповещение населения об угрозе аварии;
- заблаговременная эвакуация населения, сельскохозяйственных жи вотных, материальных и культурных ценностей из потенциально затап ливаемых зон;
- частичное ограничение или прекращение функционирования пред приятий, организаций, учреждений, расположенных в зонах возможно го затопления, защита материальных ценностей.
8. Правила поведения при угрозе и во время гидродинамических аварий
Главная рекомендация состоит в том, чтобы все жители затапливае мых зон, прилегающих к аварийным ГТС, хорошо знали возможные опасности, были обучены и подготовлены к действиям при угрозе и во время затопления.
С получением прогноза или сигнала тревоги население оповещается через сеть радио- и телевизионного вещания.
По сигналу оповещения об угрозе затопления население должно эва куироваться немедленно. При эвакуации из дома необходимо взять с собой документы, ценности, вещи первой необходимости, запас питье вой воды и продукты питания на 2-3 суток.
Перед тем как покинуть дом, квартиру, необходимо выключить элек тричество и газ, плотно закрыть окна, двери, вентиляционные и другие отверстия в здании.
При внезапном наступлении катастрофического затопления для спасения от удара волны прорыва необходимо знать ближайшее возвышен ное место, взобраться на ствол крупного дерева, верхние ярусы проч ных сооружений.
Если поблизости нет подходящих строений, нужно спрятаться за любую преграду, которая может защитить от движущейся воды: дорож ная насыпь, большие камни, деревья (лучше наиболее отдаленные и креп ко укоренившиеся). Необходимо держаться за дерево, камень или дру гие выступающие предметы, иначе воздушная волна и потоки воды мо гут протащить по камням, другим твердым предметам, ударить о них.
В случае нахождения в воде при приближении волны прорыва ныр нуть в глубину у основания волны.
Оказавшись в воде, вплавь или с помощью подручных плавающих средств постарайтесь выбраться на сухое место, лучше всего на насыпь дороги или дамбу, по которым можно добраться до незатопленной тер ритории.
После спада воды люди торопятся вернуться в свое жилье. При этом следует помнить о мерах предосторожности.
Следует остерегаться порванных или провисших электрических про водов. О повреждениях, а также о разрушении водопроводных, газовых и канализационных магистралей надо немедленно сообщить в соответ ствующие службы и организации. Попавшие в воду продукты категори чески запрещается применять в пищу.
Запасы питьевой воды перед употреблением должны быть провере ны, а имеющиеся колодцы с питьевой водой осушены путем выкачива ния из них загрязненной воды.
Перед входом в здания после наводнения следует убедиться, что их конструкции не претерпели явных разрушений и не представляют опас ности для людей. Прежде чем войти в помещение, необходимо в тече ние нескольких минут его проветрить, открыв входные двери или окна. При осмотре внутренних комнат здания (дома) не рекомендуется при менять спички или свечи в качестве источника света из-за возможного присутствия газа в воздухе. Для этих целей лучше всего использовать электрические фонари. До проверки специалистами состояния электри ческой сети нельзя пользоваться источниками электроэнергии.
Выполнение указанных основных правил поведения и действий на селения позволяет существенно снизить возможный материальный ущерб и сохранить жизнь людей, проживающих в опасных районах и подверженных воздействию водной стихии.
15