Конспект урока на тему 'Гидродинамические аварии'

Гидродинамические аварии

1. 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 опре­деленную 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. уст­ройство 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, вод­ный 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 от­раслях водного хозяйства;

2) специальные ГТС, используемые только в одной отрасли водно­го хозяйства.

Характеристика ГТС

1. Общие ГТС

   • Водоподпорные - создающие подпор воды, например, в русле реки (сюда отно­сятся плотины и некоторые дамбы, работающие как плотины)

   • Водопроводящие - искусственные рус­ла (каналы, туннели, лотки, трубопроводы)

   • Регуляционные - устраиваемые с целью регулирования режима водного потока, за­щиты дна и берегов от размыва и т. д.

2. Специальные ГТС

   • Гидроэнергетические - здания ГЭС, уравнительные резервуары, строящиеся при ГЭС, и т. д.

   • Гидросооружения водного транспорта - судоходные шлюзы, судоподъемни­ки, пристани, набережные, маяки, лесо­сплавные лотки и т. д.

   • Гидросооружения водоснабжения и канализации - особые водоподъемники, насос­ные станции, очистные сооружения и т. д.

   • Гидросооружения для целей инженерных мелиораций- гидромелиоративные сооружения (особые водоподъемники, шлюзы-регуляторы, дренажные устрой­ства и т. д)

   • Сооружения рыбного хозяйства - рыбоходы, рыбоводные пруды и т. д.

Наиболее важным типом общего гидросооружения является плоти­на с водопропускными и другими устройствами, создаваемыми при ней.

В связи с комплексностью решения водохозяйственных проблем и по целому ряду других соображений очень часто некоторые перечис­ленные выше гидросооружения приходится группировать в соответству­ющие комплексы. Такие комплексы гидросооружений называют гидро­узлами. 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 проектирова­ния 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 высо­ких отметок;

• для улучшения условий судоходства

• увеличения глубины воды и уменьшения скоростей в реке;

• для увеличения глубин в месте устройства водоподъемников гидро­мелиоративных 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, назы­вают водоподъемными.

2. Создания хранилища для воды (водохранилища)

Создание водохранилищ преследует цель:

• получить водоем, служащий для регулирования стока реки (в пери­од 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 называе­мых гидроаккумулирующих установок, в целях рыбного хозяйства и т.п.

Уровень воды в водохранилище во время его эксплуатации может ме­няться.

Плотины, построенные с целью получить водохранилище, называют водохранилищными.

В некоторых случаях одну и ту же плотину устраивают и для подня­тия уровней воды в реке и для образования водохранилища. Такая пло­тина 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 основ­ные группы.

Глухие плотины ~ это плотины, непосредственно через которые воду не сбрасывают; пропуск воды через створ плотины (если он требуется) осуществляется береговыми водопропускными сооружениями или че­рез 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 пло­тины) водопропускные отверстия (безнапорные или напорные).

Глухие плотины можно классифицировать по различным признакам:

1. По материалу, из которого возводится тело плотины:

1. из грунтового материала, т. е. из обычного грунта или каменной наброски;

2. из бетона, т. е. искусственного камня;

3. 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 - горизонталь­ному гидростатическому давлению Р в данном случае противопостав­ляется сила сопротивления сдвигу Т, действующая на подошве секции
  плотины; эта сила зависит от веса С плотины: Т = ГС + сА, где Г- коэф­фициент внутреннего трения грунта основания, с - удельное сцепление грунта; А - площадь подошвы плотины.

• Контрфорсные плотины (рис. б), устойчивость которых обеспе­чивается благодаря не только весу самой плотины С, но и весу воды Св в объеме призмы АВС; для этого контрфорсные плотины имеют боль­шой уклон верховой грани АВ; в конструктивном отношении они пред­ставляют 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 со­оружаются;

• водопропускные плотины, водосбросный фронт которых образо­ван глубинными (водопропускными) отверстиями.

В конструктивном отношении различают водосливные плотины: гра­витационные, контрфорсные и арочные.

5. Аварии на гидротехнических сооружениях

Нарушения целостности конструкций неизбежно приводят к различ­ного рода авариям. Гидродинамическая авария - это происшествие, свя­занное с выходом из строя (разрушением) гидротехнического сооруже­ния или его частей с последующим неуправляемым перемещением боль­ших 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 нако­пителях отходов эксплуатируются без реконструкции, некоторые нахо­дятся в аварийном состоянии. По мнению специалистов, общее число гидродинамически опасных объектов составляет 815, численность на­селения, проживающего в зонах непосредственной угрозы жизни и здо­ровью при возможных авариях на этих объектах, превышает 7 млн че­ловек. Однако прежде чем говорить об авариях, необходимо познако­миться 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 водохрани­лища из верхнего бьефа, устремляющегося через проран в нижний бьеф.

Бьеф - участок реки между двумя соседними плотинами или учас­ток 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, про­исходят стирания поверхности, коррозия металлов, выщелачивание бе­тона, гниение деревянных конструкций.

Разрушение (прорыв) гидротехнических сооружений происходит по следующим причинам:

• в результате действия сил природы (землетрясений, ураганов, раз­мывов плотин);

• износа и старения оборудования;

• конструкторских ошибок;

• некачественного выполнения строительных работ;

• нарушения правил эксплуатации;

• воздействий человека (нанесение ударов различными видами ору­жия).

Разрушения ГТС Можно классифицировать по ряду следующих факторов:

1) разрушения конструкций, находящихся в верхнем бьефе, подхо­дящим 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 пото­ком, сбрасываемым через водосброс;

5) повреждение деревянных сооружений фильтрующимся потоком;

6) разрушение земляных сооружений и склонов берегов в результа­те изменения геологических условий;

7) недостаточности водосбросов;

8) прочие разрушения, разрушения материала гидротехнических сооружений.

Из 300 аварий плотин (сопровождающихся их прорывом) в различ­ных странах за 175 лет в 35% случаев причиной аварий было превыше­ние 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 долговре­менное прекращение выполнения ими своих функций;

- поражение людей и разрушение сооружений волной прорыва;

- затопление обширных территорий.

Основными поражающими факторами катастрофического затопле­ния 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 отличающей­ся от нее тем, что действующим телом в этом случае является вода.

Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изме­няет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Она имеет фазы подъема уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсив­ного подъема уровня воды является фронтом волны прорыва. Фронт вол­ны 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 про­исходит затопление поймы и прибрежных участков местности.

Площадь и глубина затопления зависят от параметров волны проры­ва и топографических условий местности. После прекращения подъема наступает более или менее длительный период движения потока, близ­кий к установившемуся. Этот период тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления явля­ется спад уровней воды.

После прохождения волны прорыва русло реки обычно сильно дефор­мируется вследствие большой скорости течения воды в волне прорыва.

Разрушительное действие волны прорыва является результатом рез­кого 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, прерывает­ся подача электроэнергии в энергетические системы. Кроме того, разру­шаются или оказываются под водой населенные пункты, выводятся из строя коммуникации и другие элементы инфраструктуры, нарушается жизнедеятельность населения и производственно-экономическая дея­тельность предприятий, наносится большой ущерб природной среде, в том числе в результате изменений ландшафта.

Вторичными последствиями гидродинамических аварий являют­ся загрязнения воды и местности веществами из разрушенных (затоп­ленных) хранилищ, промышленных и сельскохозяйственных предприя­тий, массовые заболевания людей и животных. Вторичными последстви­ями также могут быть пожары - из-за обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов; оползни, обвалы вследствие размы­ва грунта и т.д.

Долговременные последствия гидродинамических аварий связаны с остаточными факторами затопления - наносами, загрязнениями, из­менением ландшафта и других элементов природной среды.

Последствия аварий выражаются с помощью показателей матери­ального 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 матери­альных 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 про­дуктов 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, нахо­дящейся в зоне возможного затопления.

Важными мерами защиты от гидродинамических аварий являются:

- уменьшение максимального расхода воды путем перераспределе­ния стока во времени;

- регулирование паводковых стоков с помощью водохранилищ; ук­репление и своевременный ремонт ГТС, ограждающих дамб (валов);

- проведение берегоукрепительных и дноуглубительных работ, под­сыпка низких мест.

К оперативным предупредительным мерам относят:

- оповещение населения об угрозе аварии;

- заблаговременная эвакуация населения, сельскохозяйственных жи­вотных, материальных и культурных ценностей из потенциально затап­ливаемых зон;

- частичное ограничение или прекращение функционирования пред­приятий, организаций, учреждений, расположенных в зонах возможно­го затопления, защита материальных ценностей.

8. Правила поведения при угрозе и во время гидродинамических аварий

Главная рекомендация состоит в том, чтобы все жители затапливае­мых 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 эва­куироваться немедленно. При эвакуации из дома необходимо взять с собой документы, ценности, вещи первой необходимости, запас питье­вой воды и продукты питания на 2-3 суток.

Перед тем как покинуть дом, квартиру, необходимо выключить элек­тричество 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 возвышен­ное место, взобраться на ствол крупного дерева, верхние ярусы проч­ных сооружений.

Если поблизости нет подходящих строений, нужно спрятаться за любую преграду, которая может защитить от движущейся воды: дорож­ная насыпь, большие камни, деревья (лучше наиболее отдаленные и креп­ко укоренившиеся). Необходимо держаться за дерево, камень или дру­гие выступающие предметы, иначе воздушная волна и потоки воды мо­гут протащить по камням, другим твердым предметам, ударить о них.

В случае нахождения в воде при приближении волны прорыва ныр­нуть 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 тер­ритории.

После спада воды люди торопятся вернуться в свое жилье. При этом следует помнить о мерах предосторожности.

Следует остерегаться порванных или провисших электрических про­водов. О повреждениях, а также о разрушении водопроводных, газовых и канализационных магистралей надо немедленно сообщить в соответ­ствующие службы и организации. Попавшие в воду продукты категори­чески запрещается применять в пищу.

Запасы питьевой воды перед употреблением должны быть провере­ны, а имеющиеся колодцы с питьевой водой осушены путем выкачива­ния из них загрязненной воды.

Перед входом в здания после наводнения следует убедиться, что их конструкции не претерпели явных разрушений и не представляют опас­ности для людей. Прежде чем войти в помещение, необходимо в тече­ние нескольких минут его проветрить, открыв входные двери или окна. При осмотре внутренних комнат здания (дома) не рекомендуется при­менять 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 электри­ческой сети нельзя пользоваться источниками электроэнергии.

Выполнение указанных основных правил поведения и действий на­селения позволяет существенно снизить возможный материальный ущерб и сохранить жизнь людей, проживающих в опасных районах и подверженных воздействию водной стихии.