МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФГАОУ ВО «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
КАФЕДРА “ТЕХНОСФЕРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ”
практические занятия
по курсу
«Системный анализ и моделирование процессов
в промышленной безопасности»
Практическое занятие № 11
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ АВАРИИ
Москва,2015
Практическое занятие № 11
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ АВАРИИ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1. Изучить термины и понятия, характеризующие гидродинамическую аварию.
2. Ознакомиться с алгоритмом расчёта параметров волны прорыва и катастрофического затопления местности
3. Изучить возможные последствия гидродинамической аварии
4. Исследовать влияние параметров гидродинамической аварии на поражающее действие волны прорыва.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Гидродинамическая авария - авария на гидротехническом сооружении (ГТС), связанная с распространением с большой скоростью воды и создающая угрозу возникновения техногенной чрезвычайной ситуации.
Причинами разрушения (прорыва) ГТС могут быть природные явления или стихийные бедствия (землетрясения, обвалы, оползни, паводки, размыв грунтов, ураганы и т.п.) и техногенные факторы (разрушение конструкций сооружения, эксплуатационно-технические аварии, конструктивные дефекты или ошибки проектирования, нарушение режима водосбора и др.), а также в ЧС военного времени – современные средства поражения (ССП) и террористические акты.
Начальной фазой гидродинамической аварии (ГА) является прорыв плотины, который представляет собой процесс образования прорана и неуправляемого потока воды водохранилища из верхнего бъефа через проран в нижний бъеф. Во фронте устремляющегося в проран потока воды образуется волна прорыва.
Проран – узкий проток в теле (насыпи) плотины, косе, отмели, в дельте реки, или спрямленный участок реки, образовавшийся в результате размыва излучины в половодье.
Волна прорыва – волна, образующаяся во фронте проходящего в проран потока воды, имеющего значительную скорость движения и обладающего большой разрушительной силой. Основными параметрами ее поражающего действия являются скорость, высота и глубина волны прорыва, температура воды, время существования волны прорыва. По своей физической сущности волна прорыва представляет собой неустановившееся движение потока воды, при котором глубина, ширина, уклон поверхности и скорость течения изменяются во времени (рис.11.1).
Рис.11.1 Схематический продольный разрез волны прорыва
Параметры волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки и характеризуются на расстоянии L (км) от ГТС высотой гребня h (м) и скоростью v (м/с), определяемыми по формулам
; 
, (11.1)
где Ah,Bh,Av,Bv - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды водохранилище) Н 0 (м), гидравлического уклона реки i (превышение в метрах высоты уровня реки на 1000 м длины) и относительной ширины прорана В), значения которых приведены в табл. 11.1.
Таблица 11.1
Значения коэффициентов в формуле 11.1
| Уклон | |||||||||
| Н 0, | В | i = 1∙10 -4 | i = 1 ∙10 -3 | ||||||
| м | Ah | Bh | Av | Bv | Ah | Bh | Av | Bv | |
| 0,5 | |||||||||
| 0,25 |
Время прихода гребня 
гр и фронта ф волны прорыва определяются по табл.10.2 в зависимости от Н 0, i и удаленности створа объекта от ГТС L.
Таблица 11.2
Время прихода гребня ( гр, ч) и фронта ( ф, ч) волны прорыва при разной высоте уровня воды в водохранилище
| L, | Н0 = 20 | Н0 = 40 | Н0 = 80 | |||||||||
| км | i =10 -4 | i =10 –3 | i =10 -4 | i =10 -3 | i =10 –4 | i =10 -3 | ||||||
| ф
| гр
| ф
| гр
| ф
| гр
| ф
| гр
| ф
| гр
| ф
| гр
| |
| 0,2 0,5 1,6 | 1,8 | 0,2 0,6 | 1,2 2,4 | 0,1 0,3 1,0 | 0,1 0,3 | 1,2 | 0,1 0,2 0,5 1,2 | 1,1 1,7 | 0,1 0,1 0,4 | 0,2 0,4 |
Продолжительность затопления территории объекта зат (ч) определяется по формуле
, (11.2)
где 
- коэффициент, зависящий от высоты плотины Н 0 (м), гидравлического уклона реки i и расстояния до объекта L (км) (табл. 11.3);
hм – высота месторасположения объекта, м.
Таблица 11.3
Значения коэффициента
| i∙L / H0 | Относительная высота плотины Н 0 (м) от средней глубины реки в нижнем бьефе h 0 (м) | |
| H0 / h0= 10 | H0 / h0= 20 | |
| 0,05 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 | 15,5 14,0 12,5 11,0 9,5 8,3 | 18,0 16,0 14,0 12,0 10,8 9,9 |
Примечание: L – в м.
В зависимости от скорости движения и глубины затопления h з, равной h з= hгр-hм, степень разрушения зданий и сооружений будет различной (табл.11. 4).
Таблица 11.4
Значения параметров волны прорыва, приводящие к разрушениям объектов
| Наименование | Степень разрушения | |||||
| Объекта | Сильная | Средняя. | Слабая | |||
| v, м/с | h, м | v, м/с | h, м | v, м/с | h, м | |
| Здания и сооружения портов | ||||||
| Сборные деревянные жилые дома | 3,0 | 2,0 | 2,5 | 1,5 | 1.0 | 1,0 |
| Деревянные дома (1...2 этажа) | 3,5 | 2,0 | 2,5 | 1,5 | 1,0 | 1,0 |
| Кирпичные малоэтажные здания (1...3 этажа) | 4,0 | 2,4 | 3,0 | 2,0 | 2,0 | 1,0 |
| Промышленные здания с легким металлическим каркасом и здания бескаркасной постройки | 5,0 | 2,5 | 3,5 | 2,0 | 2,0 | 1,0 |
| Кирпичные дома средней этажности (4 этажа) | 6,0 | 3,0 | 4,0 | 2,5 | 2,5 | 1,5 |
| Промышленные здания с тяжелым металлическим или железобетонным каркасом (стены из керамзитовых панелей) | 7,5 | 4,0 | 6,0 | 3,0 | 3,0 | 1,5 |
| Бетонные и железобетонные здания, здания антисейсмической конструкции | 12,0 | 4,0 | 9,0 | 3,0 | 4,0 | 1,5 |
| Стенки, набережные и пирсы на деревянных сваях | 4,0 | 6,0 | 2,0 | 4,0 | 1,0 | 1,0 |
| Стенки, набережные и пирсы напряженной конструкции с заполнением камнем | 5,0 | 6,0 | 3,0 | 4,0 | 1,0 | 1,0 |
| Стенки, набережные и пирсы на железобетонных и металлических сваях | 6,0 | 6,0 | 3,0 | 4,0 | 1,0 | 2,0 |
| Стенки, набережные, молы, волноломы из кладки массивов | 7,0 | 6,0 | 4,0 | 4,0 | 2,0 | 2,0 |
| Оборудование портов и промышленных предприятий | ||||||
| Станочное оборудование | 3,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 | 1,0 | 1,0 |
| Оборудование химических и электротехнических цехов и лабораторий | 4,0 | 1,5 | 3,0 | 1,5 | 1,0 | 1,0 |
| Стапели и стапельные места судостроительных и судоремонтных заводов | 4,0 | 4,0 | 3,0 | 3,0 | 2,0 | 1,0 |
| Трансформаторно-понизительные подстанции | 5,0 | 2,0 | 4,0 | 2,0 | 2,0 | 1,0 |
| Крановое оборудование: -портальные краны грузоподъемностью | ||||||
| 5 т | 6,0 | 4,0 | 6,0 | 2,0 | 2,0 | 1,5 |
| 10 т | 8,0 | 5,0 | 6,0 | 2,0 | 2,0 | 2,0 |
| 16 т | 8,0 | 6,0 | 6,0 | 3,0 | 2,0 | 2,0 |
| -мостовой перегружатель 16 т | 10,0 | 9,0 | 6,0 | 4,0 | 2,0 | 2,0 |
| Мосты, дороги и транспортные средства | ||||||
| Деревянные мосты (поток выше проезжей части) | 1,0 | 2,0 | 1,0 | 1,5 | 0,0 | 0,5 |
| Железобетонные мосты | 2,0 | 3,0 | 1,0 | 2,0 | 0,0 | 0,5 |
| Металлические мосты и путепроводы с пролетом (30...100) м | 2,0 | 3,0 | 1,0 | 2,0 | 0,0 | 0,5 |
| То же с пролетом более 100 м | 2,0 | 2,5 | 1,0 | 2,0 | 0,0 | 0,5 |
| Железнодорожные пути | 2,0 | 2,0 | 1,0 | 1,0 | 0,5 | 0,5 |
| Дороги с гравийным (щебеночным) покрытием | 2,5 | 2,0 | 1,0 | 1,5 | 0,5 | 0,5 |
| Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием | 4,0 | 3,0 | 2,0 | 1,5 | 1.0 | 1,0 |
| Автомобили | 2,0 | 2,0 | 1,5 | 1,5 | 1,0 | 1,0 |
| Подвижной состав | 3,5 | 3,0 | 3,0 | 1,5 | 1,5 | 1,0 |
| Плавучие средства | ||||||
| Мелкие речные суда, катера с осадкой менее 2 м | 5,0 | 2,0 | 4,0 | 1,5 | 2,0 | 1,5 |
| Вспомогательные суда (плавучие краны, землечерпательные снаряды и т.д.) | 7,0 | 2,0 | 4,0 | 1,5 | 2,0 | 1,5 |
| Крупные речные пассажирские и грузовые суда (с осадкой более 2,5 м) | 9,0 | 2,0 | 5,0 | 1,5 | 3,0 | 1,5 |
| Плавучие доки | 8,0 | 2,0 | 5,0 | 1,5 | 3,0 | 1,5 |
| Плавучие причалы | 9,0 | 2,0 | 6,0 | 2,0 | 3,0 | 2,0 |
3.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
На гидроузле образовался проран размером В’. На расстоянии L, км вниз по течению реки расположен город и промышленные предприятия. Высота уровня воды перед плотиной Н 0, м, высота месторасположения города h м, м, гидравлический уклон реки i, глубина реки в нижнем бьефе h 0, м.
Оценить степень разрушения зданий и дорог в городе, железнодорожных и автомобильных мостов, объектов на заводе (цех, пирс, плавучий и портальные краны грузоподъемностью), пассажирских и грузовых судов.
Построить зависимости 
, 
4.ВАРИАНТЫЗАДАНИЙ
| № варианта | В’ | L, км | Н 0, м | i, | h м, м | h 0, м |
| 0,25 | 1 х 10-4 | 2,5 | ||||
| 1 х 10-3 | 3,5 | |||||
| 0,25 | 1 х 10-3 | |||||
| 0,5 | 1 х 10-4 | 1,5 | ||||
| 0,5 | 1 х 10-3 | |||||
| 0,5 | 1 х 10-4 | 2,5 | ||||
| 1 х 10-3 | 3,5 | |||||
| 1 х 10-3 | ||||||
| 0,25 | 1 х 10-4 | 1,5 | 2,5 | |||
| 0,5 | 1 х 10-3 | |||||
| 0,5 | 1 х 10-4 | 2,5 | ||||
| 0,5 | 1 х 10-3 | 3,5 | ||||
| 0,5 | 1 х 10-3 | |||||
| 1 х 10-4 | 1,5 | |||||
| 0,5 | 1 х 10-3 | |||||
| 1 х 10-4 | 2,5 | |||||
| 0,5 | 1 х 10-3 | 3,5 | ||||
| 0,25 | 1 х 10-3 | |||||
| 0,5 | 1 х 10-4 | 1,5 |