МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 627.824
Оценка влияния раскрытия прорана в грунтовой плотине на гидравлический режим нижнего бьефа

К.Р. Пономарчук
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

   Influence of flood dam flush on hydrological regime after dam is analyzed in the article. In particularly, dependences of the process parameters on hydrograph, water velocities and levels after dam were analyzed. The graphs for evaluation of the hydrological regime have been defined in result of estimations according to author methodic. The graphs allow forecast parameters of the hydrological regime during first hours after dam damage.

 

   Безопасность плотин представляет одну из наиболее важных проблем при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений. Этой теме в последнее время уделяется все более существенное значение. При аварии на плотине наиболее опасным последствием является прорыв напорного фронта, образование прорана и возникновение непредвиденного паводка в нижнем бьефе гидроузла. Это может привести к большим экономическим, экологическим и социальным  последствиям и, главное, к человеческим жертвам.

   Наиболее распространенным случаем прорыва напорного фронта является образование прорана в грунтовой плотине – до 80% произошедших аварий [1, 2]. В основном причинами прорыва являются повреждения конструкций (суффозия, образование трещин, оползание или опрокидывание), перелив через гребень (недостаточная пропускная способность водосбросов, большие оползни в пределах водохранилища, ошибки эксплуатационного персонала), а также саботаж или военные действия. Для грунтовых плотин характерными причинами разрушения являются: перелив через гребень, а также эрозия тела плотины и основания. При этом перелив является наиболее вероятной причиной.

   Прогноз условий в бьефах гидроузла, складывающихся при прорыве его напорного фронта, коренным образом зависит от развития аварийных событий, приведших к образованию волны излива. От изменения во времени параметров прорана в напорном фронте (размеры и форма прорана, скорость его развития), при заданных внешних факторах (параметры водохранилища, приточность, конструкция плотины, геологическое строение и топография и т.д.) зависит гидрограф излива воды через проран. Эта характеристика входит в условие однозначности математической модели волны излива, обычно представленной уравнениями Сен-Венана. От точности предсказания гидрографа излива зависит надежность прогноза параметров волны прорывного паводка (изменение во времени глубины потока, скоростей течения и т.д.) в различных областях затопления, сведения о которых необходимы для выбора размещения хозяйственных объектов, разработки противопаводковых мероприятий, составления плана действий в случаях прорыва, страхования подпорных сооружений и т.д.

   В большинстве случаев при исследовании параметров волны прорыва использовалась модель мгновенного образования прорана конечных размеров без учета его эволюции. Однако опыт натурных исследований показал, что мгновенное образование прорана может рассматриваться только применительно к бетонным и железобетонным плотинам. Для грунтовых плотин такое предположение заведомо неверно. Результаты анализа данных об имевших место в мировой гидротехнической практике случаях прорыва грунтовых плотин свидетельствуют о том, что даже при относительно небольших размерах водохранилищ, время развития прорана измеряется часами.
Цель работы – оценка влияния постепенного раскрытия прорана в теле грунтовой плотины на параметры гидравлического режима в нижнем бьефе гидроузла.

   Задачи заключались в анализе зависимости изменения параметров данного процесса на гидрограф излива, скорости течения и уровни воды в нижнем бьефе сооружения.
Для достоверного расчета параметров прорывного паводка и оценки развития прорана во времени был выполнен ряд экспериментальных исследований с последующим анализом полученных значений и сопоставлении их с данными натурных наблюдений. На основе полученных экспериментальных результатов была составлена приближенная модель процесса формирования прорана и излива воды через него (3).

Разработанная математическая модель процесса формирования прорана состоит из пяти уравнений (размерность времени – с, размерность длины – м):
1. Ширина прорана в момент времени


,                                   (1)


где   – разность уровней воды в водохранилище и порога прорана;  wуд – объем тела плотины, приходящийся на единицу ее длины на уровне порога прорана  (площадь поперечного сечения плотины между ее гребнем и порогом прорана).
Структура данной зависимости была получена с использованием теории размерностей физических величин с учетом основных факторов, влияющих на процесс размыва грунтовой плотины. Параметры зависимости были определены на основании данных проведенных  экспериментов.

  1.  Расход излива воды через проран в момент времени

                                                    ,


где  – объем воды в водохранилище в момент времени , может быть определен по зависимости для расхода воды через водослив


 ,                                         (2)


где   – коэффициент расхода водослива (для второй стадии развития прорана – истечения через трапецеидальное отверстие, коэффициент , как для водослива с широким порогом);    – коэффициент бокового сжатия;   – коэффициент подтопления, отличающийся от единицы при  (– глубина в нижнем бьефе над порогом прорана).

  1. Объем воды в водохранилище в момент времени

                                          ,                                                  (3)


где  – объем воды в водохранилище в начале излива;  
 – расход приточности в водохранилище в момент времени .

  1. Зависимость объема воды в водохранилище от уровня верхнего бьефа

                                                    .                                                              (4)


Эта зависимость определяется топографическими изысканиями для данного объекта и может иметь различную форму. В расчетах она обычно аппроксимируется  степенной связью


,       

                                                                     
где показатель степени для разных объектов находится в пределах 1-4.
Значения коэффициента  при заданном значении  могут быть определены по начальным значениям , .

  1. Уровень воды в верхнем бьефе  можно записать как

                                                 ,                                                               (5)


где – уровень основания плотины.  


   Предлагаемая методика составлена без учета размыва основания плотины и относится к случаям симметричного развития прорана.
Сопоставление интегральных характеристик прорана, полученных расчетом по данной методике, с натурными данными дало основание полагать, что применение данной методики в большинстве случаев более точно описывает закон расширения прорана, чем предлагаемые ранее другими авторами методы.

   По данной модели составлена компьютерная программа расчета в табличном виде характеристик развития прорана с возможностью построения графиков динамики процесса. По этой программе в качестве примера был произведен расчет параметров данного процесса для реально существующего гидроузла.

Параметры выбранного гидроузла:

Грунтовая плотина
ширина по гребню b = 6 м;
заложение откосов плотины  m1 = 1:3,  m2 = 1:2;
русловая часть:  l = 100 м,  Нпл = 20 м,  wуд = 1120 м2;
пойменная часть: l = 350 м,  Нпл = 10 м,  wуд = 310 м2.

Водохранилище
начальный объем (при НПУ = 168,0 м)  W0 = 183 млн м3;
площадь поверхности (при НПУ = 168,0 м)  S = 33 км2;
длина водохранилища  L = 25 км.
На основании этих данных, а также кривой зависимости объемов водохранилища от уровней воды, был произведен расчет параметров раскрытия прорана. В результате расчета были построены графики зависимости расширения прорана во времени и гидрограф излива.

Рис. 1. Схематизация размываемой
части грунтовой плотины


Рис.2. Гидрографы излива для случая
мгновенного раскрытия прорана (1) и
расчетного случая (2

 

   Как видно из сравнения двух гидрографов, значение максимального расхода в принятых методиках мгновенного раскрытия прорана получается значительно завышенным, тогда как при постепенном его развитии гидрограф излива растягивается во времени и пик его сглаживается.

   Программа расчета параметров развития прорана по разработанной методике включена в общую программу расчета прорывного паводка «БОР», позволяющую представлять результаты прохождения волны прорыва с использованием ГИС-технологий. В результате расчета по программе «БОР» были определены значения параметров прорывного паводка: отметки затопления в горизонталях в процессе распространения волны излива и скорости в изобатах в виде векторного поля, максимальные глубины затопления в цветовой заливке, а также максимальные глубины затопления территории в районе важных жилых и промышленных объектов и транспортных узлов. При сравнении двух сценариев размыва плотины, в случае мгновенного раскрытия прорана произошло затопление территорий в районе города и железнодорожного моста. То есть, в этом случае были существенно превышены значения уровней в нижнем бьефе, скорости течения, а также скорости добегания волны излива до жилых объектов и коммуникаций. Поэтому при рассмотрении прорыва земляных плотин следует более точно учитывать характер процесса развития прорана с целью получения достоверных прогнозов гидравлических параметров распространения волны излива в нижнем бьефе. Последствия прохождения волны прорыва оказывают комплексное воздействие на экологическую ситуацию, складывающуюся в нижнем бьефе гидротехнического сооружения, особенно в первые несколько часов после прорыва напорного фронта.

Библиографический список

1.   Loukola E., Kuusisto E., Reiter P. The Finnish Approach to Dam Safety. Hydropower Dam Construction Journal. - p. 98.
2.  Розанов Н.С., Царев А.И. и др. Аварии и повреждения больших плотин. Обзор докл. XIII конгр. Нью-Дели, 1979. – М.: Энергоатомиздат, 1986.
3.  Прудовский А.М., Пономарчук К.Р. Методика расчета развития прорана в грунтовой плотине. /Сб. докладов Международного симпозиума «Гидравлические и гидрологические аспекты надежности и безопасности гидравлических сооружений. – СПб., 2002.