Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Безопасность жизнедеятельности в условиях чрезвычайных ситуаций. Теория и практика. Учебное пособие.pdf
местности волной прорыва. Масштабы последствий
гидродинамических аварий зависят от параметров и технического
состояния гидроузла, характера и степени разрушения плотины,
объемов запасов воды в водохранилище, характеристик волны
прорыва и катастрофического наводнения, рельефа местности, сезона
и времени суток происшествия и многих других факторов.
Основными поражающими факторами катастрофического
затопления являются высота волны, скорость движения волны и
длительность затопления.
Волна прорыва - волна, образующаяся во фронте
устремляющегося в пролом потока воды, имеющая, как правило,
значительную высоту гребня и скорость движения и обладающая
большой разрушительной силой. Она образуется при одновременном
наложении двух процессов: падения вод водохранилища из верхнего в
нижний бьеф, порождающего волну, и резкого увеличения объема
воды в месте падения, вызывающего переток воды из этого места в
другое, где уровень воды ниже [15]. Волна прорыва с гидравлической
точки зрения является волной перемещения, которая в отличие от
ветровых волн, возникающих на поверхностях больших водоемов,
обладает способностью переносить в направлении своего движения
значительную массу воды. Поэтому волну прорыва следует
рассматривать как определенную массу воды, движущуюся вниз по
реке и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость.
4.3.1. Прогнозирование последствий наводнений
При прогнозировании последствий наводнений схематически
сечение русла реки можно представить либо треугольным сечением
(рис. 4,2а), либо сечением трапецеидального вида (рис. 4,2б).
Возможно и прямоугольное сечение (каналы).
Расход воды в реке до наступления наводнения (паводка):
= V0· S0, м3/с , (35)
Q
0
где V0 - скорость воды в реке до наступления паводка, м/с;
S0 - площадь сечения русла реки до паводка, м2, имеющая следующие
значения:
S0 = b0h0 - для прямоугольного сечения;
= 0,5b0h0 - для треугольного сечения;
S
0
71
S0 = 0,5(a0 + b0)h0 - для трапецеидального сечения.
Расход воды после выпадения осадков (таяния снега) и
наступления половодья (паводка):
Q
= Q0 + J·F/3,6, м3/с, (36)
max
где J - интенсивность осадков (таяния снега), мм/ч; F - площадь поймы
реки, км
2
.
Рис. 4.2 Расчетная схема сечения реки:
а - треугольное сечение; б - трапецеидальное сечение:
- ширина дна реки; b0, b - ширина реки до и во время наводнения;
а
0
, h - глубина реки до и во время наводнения;h3 - глубина затопления; hм -
h
0
высота места;m, n- углы наклона берегов реки
Высота подъема воды в реке при прохождении паводка
определяется из выражения
h = (
·
/
·
3/8
)
, м
Если глубина реки h
неизвестна, но известны углы наклона
0
берегов, то для трапецеидального сечения
/
3/8 ,
}
h = {
[()/( )]
72
(37)
(38)
Максимальная скорость потока воды при прохождении
Параметр удаленности объекта от русла реки
f
Сечение русла
Прямоугольное
Трапецеидальное
Треугольное
0,1
0,2
0,23
0,3
0,2
0,38
0,43
0,5
0,4
0,60
0,64
0,72
0,6
0,76
0,84
0,96
0,8
0,92
1,05
1,18
1,0
1,12
1,2
1,32
паводка:
V
max
= Q
max
/ S
max
, м/с,
где S
паводка, м
где ctg· m = ctg ·n = (b
- площадь поперечного сечения потока при прохождении
max
2
, определяемая исходя из формы сечения русла (см. выше):
- для трапеции S
- для треугольника S
где значение b = b
- для прямоугольника S
= 0,5·(a0 + b) ·h, здесь b = а0 + 2·h ·ctg· m,
max
- а0)/(2·h0);
0
= 0,5 ·b · h;
max
·h/ h0;
0
= b0 · h.
max
Поражающее действие паводка определяется глубиной
затопления
h
= h - h0- h
3
, м
м
,
и максимальной скоростью потока затопления
V
= V
3
· f , м/с (41)
max
Параметр удаленности объекта от русла реки f определяется по
табл. 4.5.
Значения параметра удаленности объекта от русла реки
(39)
(40)
Таблица 4.5
hз /h
73
В отличие от волны прорыва наводнение (рис. 4.3) и паводок
Время затопления, ч
1 2 3 4 24
48
Затопление подвалов
10
15
40
60
85
90
Нарушение дорожного движения
15
30
60
75
95
100
Разрушение уличных мостовых
- - 3 6 30 5 Смыв деревянных домов
- 7 70
90
100
100
Разрушение кирпичных зданий
- - 10
40
50
60
Прекращение электропитания
75
90
90
100
100
100
Прекращение телефонной связи
75
85
100
100
100
100
Повреждение систем газо- и
теплоснабжения
Гибель урожая
- - - - 3
8
оказывают более продолжительное действие, усугубляющее
первоначальное разрушающее воздействием напорной волны (табл.
4.6).
Рис. 4.3 Зоны затопления при наводнениях
Таблица 4.6
Доля поврежденных объектов (%) на затопленных площадях при
крупных наводнениях (V
Объект
Примечание. При V3 = 1,5 - 2,5 м/с приведенные в таблице значения необходимо
умножить на 0,6; при V3 = 4,5 - 5,5 м/с - умножить на 1,4.
= 3 - 4 м/с)
3
- - 7 10 30 70
74
Поражающее действие волны затопления может быть оценено
Степень разрушения
Сильная
Средняя
Слабая
Vз, м/с
hз, м
Vз, м/с
hз, м
Vз, м/с
hз,м
Здания и сооружения портов
Сборные деревянные
жилые дома
Кирпичные малоэтажные
здания (1-3 этажа)
Кирпичные дома средней
этажности (4 этажа)
Промышленные здания с
бескаркасной постройки
Бетонные и железо-
конструкции
Оборудование портов и промышленных предприятий
Оборудование химических
лабораторий
Станочное оборудование
3,0
2,0
2,0
2,0
1,0
1,0
Трансформаторно-
понизительные подстанции
Портальные краны грузо-
подъемностью 5 т
Портальные краны грузо-
подъемностью 16 т
Мосты, дороги и транспортные средства
Деревянные мосты (поток
выше проезжей части)
Железобетонные мосты
2,0
3,0
1,0
2,0
0,0
0,5
Металлические мосты и
более 100 м
Шоссейные дороги с
покрытием
Автомобили
2,0
2,0
1,5
1,5
1,0
1,0
по табл. 4.7.
Поражающее действие волны затопления
Наименование объекта
3,0 2,0 2,5 1,5 1,0 1,0
4,0 2,4 3,0 2,0 2,0 1,0
6,0 3,0 4,0 2,5 2,5 1,5
Таблица 4.7
легким металлическим
каркасом и здания
бетонные здания, здания
антисейсмической
и электротехнических цехов и
путепроводы с пролетом
асфальтовым и бетонным
5,0 2,5 3,5 2,0 2,0 1,0
12,0 4,0 9,0 3,0 4,0 1,5
4,0 1,5 3,0 1,5 1,0 1,0
5,0 2,0 4,0 2,0 2,0 1,0
6,0 4,0 6,0 2,0 2,0 1,5
8,0 6,0 6,0 3,0 2,0 2,0
1,0 2,0 1,0 1,5 0,0 0,5
2,0 2,0 1,0 2,0 0,0 0,5
4,0 3,0 2,0 1,5 1,0 1,0
75
Пример решения задачи
Задача. Определить последствия наводнения, вызванного
таянием снега в пойме реки, для населенного пункта, состоящего из
деревянных и кирпичных малоэтажных домов и производственных
зданий.
Интенсивность таяния снега J = 75 мм/ч, площадь поймы реки
F = 300 км
течения V
с шириной дна а
h
= 2 м.
м
2
, ширина реки b0 = 100 м, глубина h0 = 3 м, скорость
= 2 м/с, русло реки в сечении имеет форму трапеции
0
= 80 м, высота расположениянаселенного пункта
0
Решение:
1. Определим расход воды в реке до наступления наводнения
Q
с использованием формулы (35) с учетом значения S0 для
0
трапецеидального сечения русла
Q
= 2·0,5·(100+80)·3 = 540 м3/с.
0
2. Расход воды после таяния снега и наступления половодья
Q
определим по формуле (36):
max
Q
= 540 + 75·300/3,6 = 6790 м3/с.
max
3. Высота подъема воды в реке при прохождении наводнения
находится по формуле (37):
h = (2·6790·3
5/3
/100·2)
3/8
= 9,67 м.
4. Максимальную скорость потока воды при прохождении
половодья V
рассчитывается по (39):
max
V
= 6790/1084 ≈ 6,3 м/с.
max
Здесь S
(м2) определяется по формуле для трапеции
max
S0 = 0,5 · (a0 + b0) · h0, в которой вместо b0 = 100 м подставлено
значение
b = а0 + 2·h ·ctg · m = 80 + 2 · 9,67 · 3,33 = 144,3 (м),
76
где ctg· m = ctg ·n = (b0 - а0)/(2·h0) = (100 - 80)/(2 · 3) = 3,33.
S
= 0,5·(a0 + b)·h = 0,5·(80 + 144,3) · 9,67 ≈ 1084 м2.
max
5.Глубина затопления h
по формуле (40) равна
3
h
= 9,67 - 3 – 2 ≈ 4,7 м.
3
6. Максимальную скорость потока затопления определим по
формуле (41). При h
/h = 0,48 для трапецеидального сечения русла
3
значение параметра, найденное методом интерполяции по данным
табл. 4.5, составляет 0,72:
V
= 6,3 · 0,72 ≈ 4,5 м/с.
3
7. Долю поврежденных объектов на затопленных площадях
определим по табл. 4.6. В результате таяния снегов в течение суток
будет затоплено 85 % подвалов, на 30 % будут разрушены уличные
мостовые, 50 % кирпичных зданий получат различные степени
разрушения. Прекратится подача электроэнергии, на 30 % будут
разрушены системы газо- и теплоснабжения.
8. По табл. 4.7 определим, что при скорости затопления
V
= 4,5 м/с и глубине затопления h3 = 4,7 м полностью могут быть
3
разрушены или получить сильные повреждения деревянные и
кирпичные малоэтажные дома. Производственные здания получат
разрушения от средней до сильной степени.
Задача для самостоятельного решения. Определить
воздействие наводнения на строения населенного пункта,
находящегося в пойме реки площадью F (км
2
), вызванного таянием
снега с интенсивностью J (мм/ч).
Ширина реки b
русло реки в сечении имеет ширину дна а
населенного пункта h
(м), глубина h0 (м), скорость течения V0 (м/с),
0
(м). Высота расположения
0
(м).
м
Исходные данные для самостоятельного решения задач даны в
табл. 4.8 по вариантам.
77
Таблица 4.8
1
Деревянные
здания
70
500
60
2,8
1,5
40
2,1 2 50
700
80
3,0
1,2
60
2,4
3
60
600
60
3,1
1,7
50
2,0
4
Промышленные
Автомобили
80
500
120
2,6
2,2
100
2,2 5 90
600
100
2,5
1,5
80
2,8
6
60
700
60
2,6
1,6
40
1,9
7
Портальные
здания
85
500
40
3,2
1,4 0 1,8 8 70
600
30
2,5
1,7 0 2,3
9
65
800
50
3,0
1,5 0 2,5
10
Деревянные
ные подстанции
75
600
20
2,8
2,2 0 1,9
11
60
500
15
2,6
1,6 0 1,8
12
95
700
30
2,7
1,9 0 2,3
13
Металлические
этажности
40
500
40
3,1
1,4 0 2,4
14
50
600
20
3,2
2,2 0 2,0
15
90
750
30
2,8
1,5
0
2,2
Исходные данные для самостоятельного решения задач по оценке
последствий наводнений
0
, м
, м
0
0
, м
м
Варианты
жилые дома
Кирпичные
малоэтажные
здания с металлическим
каркасом
краны 5 т
Трансформаторные подстанции
Бетонные и ж/б
жилые дома
Деревянные
мосты
Трансформатор-
2
,км
Тип строения
Форма сечения русла
снега J, мм/ч
Ширина реки b
Интенсивность таяния
Площадь поймы реки F
Глубина реки h
, м/с
Скорость течения реки V
, м
0
a
Ширина дна реки
Высота расположения
населенного пункта h
мосты
Кирпичные дома
средней
78
4.3.2. Прогнозирование последствий действия волны прорыва
Разрушительное действие волны прорыва является
результатом:
- резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах
при разрушении напорного фронта;
- непосредственного воздействия массы воды,
перемещающейся с большой скоростью;
- изменения прочностных характеристик грунта в основании
сооружений вследствие фильтрации и насыщения его водой;
- размыва и перемещения больших масс грунта;
- перемещение с большими скоростями обломков
разрушенных зданий и сооружений и их таранного действия.
Схематично продольный разрез волны прорыва показан на
рис. 4.4.
Рис. 4.4 Схема продольного разреза волны прорыва
Так как волна прорыва является основным поражающим
фактором при разрушении гидротехнического сооружения, то для
79
определения показателей обстановки в зоне катастрофического
Н0, м
Уклон
i = 1 · 10-4
i = 1·10-3
Ah
Bh
Аv
Bv
Аh
Bh
Аv
Bv
20 I 100
90 9 7
40
10
16
21
40
280
150
20
9
110
30
32
24
80
720
286
39
12
300
60
62
29
20
128
204
11
13
56
51
18
38
40
340
332
19
14
124
89
32
44
80
844
588
34
17
310
166
61
52
20
140
192 8 21
40
38
15
43
40
220
338
13
21
108
74
30
50
80
880
780
23
21
316
146
61
65
затопления, необходимо определить ее параметры. Это высота волны,
глубина потока, скорость движения волны и время добегания
различных характерных точек волны (фронта, гребня, хвоста) до
расчетных створов, расположенных на реке ниже гидроузла, а также
длительность прохождения волны через указанные створы. На
основании известных параметров волны прорыва выявляются
показатели потерь и разрушений и разрабатываются мероприятия по
ликвидации их последствий.
Параметры волны прорыва зависят от гидрологических и
топографических условий реки и характеризуются на расстоянии L
(км) от гидротехнического сооружения (ГТС) высотой гребня h
скоростью
V
(м/с), определяемыми по формулам:
3
h
/ (Bh + 1)
гр=Ah
V
= Av /(Bv + 1)
3
0,5 ,
0,5 ,
(м) и
гр
(42)
(43)
где A
воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды водохранилище) Н
, Bh , Av, Bv – коэффициенты, зависящие от высоты уровня
h
(м),
0
гидравлического уклона реки i (превышение в метрах высоты уровня
ре на 1000 м длины) и относительной ширины прорана B (отношение
ширины промоины к ширине плотины), значения которых приведены
в табл. 4.9.
Таблица 4.9
Значения коэффициентов к формулам (42, 43)
B
0,5
0,25
80