Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений


М. Б. КОШУМБАЕВ






                ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ




Учебное пособие

















Инфра-Инженерия Москва - Вологда 2018

УДК 631.7, 627.834, 627.838, 687.83
ББК 38.54
   К 76

  ФЗ
№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии сп. 1ч.4ст. 11

       Кошумбаев М. Б.
К 76 Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений: учебное пособие/ М. Б. Кошумбаев. - М.: Инфра-Инженерия, 2018.-240 с.
ISBN 978-5-9729-0212-5

       Рассмотрены вопросы обеспечения безопасности гидротехнических сооружений. Проведен анализ наиболее распространенных причин возникновения чрезвычайных ситуаций, предложены способы минимизации рисков их возникновения. Подробно описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, посвященных расчету параметров водосбросных сооружений на основе по-луэмпирических методов и уравнений двухфазного потока. На основе полученных данных предложены характеристики устройств, обеспечивающих устойчивое вихревое движение воды. Даны рекомендации по организации эффективного режима работы водосбросов. Предложены новые конструкции водосбросов открытого и шахтного типов, даны улучшенные схемы водосбросных трактов. Многие из описанных конструкций и схем защищены охранными документами и внедрены на действующих гидротехнических объектах.
       Для инженеров-гидроэнергетиков и проектировщиков гидротехнических сооружений, а также для аспирантов и студентов гидроэнергетических специальностей.


Приложения к книге доступны для скачивания на сайте издательства «Инфра-Инженерия» www.infra-e.ru.









© Кошумбаев М. Б., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018


ISBN 978-5-9729-0212-5

            ВВЕДЕНИЕ



     Книга посвящена снижению вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) на гидротехнических сооружениях (ГТС) посредством повышения пропускной способности водосбросов и эффективности гашения энергии сбросного потока. Для достижения указанной цели были разработаны и использованы водосбросы с клиновидными покрытиями водослива, гидротехнический перепад, шахтные водосбросы и схемы защиты ГТС от размыва нижнего бьефа. Изучены теоретические вопросы процесса оптимального сброса воды в нижний бьеф на основе определения критических параметров и опасных зон. Исследованы влияния различных параметров на пропускную способность водосбросов, степень эффективности гашения кинетической энергии воды, кавитационную безопасность шахтного водосброса и безнапорный режим в отводящем туннеле. Разработаны рекомендации по предотвращению аварий на ГТС, предложения по современным конструкциям водосбросов, гасителей и независимых источников энергии, а также приведена инновационная методика расчета инвестиций для их внедрения в проектах, подверженных влиянию ЧС.
     Актуальность проблемы. Чрезвычайные ситуации на ГТС связаны преимущественно с низкой пропускной способностью водосбросов и размывом грунта нижнего бьефа, вызванным неэффективным гашением энергии сбросного потока. Особенностью сопряжения бьефов является, во-первых, то, что створ возведения гидроузлов имеет свою специфику, а во-вторых, то, что наблюдаются различные параметры потока воды и рельефа местности.
     Существующие ГТС, находящиеся под высоким давлением, имеют значительные размеры. Меры по рассеиванию энергии высокоскоростного потока направлены на предупреждение размыва русла реки, снижение эрозии и предотвращение разрушений отводящего туннеля и самой плотины. Используемые для этого водосбросы и гасители требуют дальнейшего усовершенствования в целях увеличения пропускной способности и эффективного гашения кинетической энергии воды.
     Однако до настоящего времени режимы работы водосбросов по повышению пропускной способности, а также по эффективному гашению энергии сбросного потока с применением вихревого эффекта исследованы недостаточно. Используемые на практике методики Гидропроекта им. С. Я. Жука и руководства по практическому расчету размеров конструкции водосбросов и гасителей Казахского научно-исследовательского института энергетики им. Ш. Ч. Чокина (КазНИИЭ) расходятся в своих общих положениях, поскольку они построены на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием формул гидравлического прыжка, которые не всегда применимы на практике.

з

Кошумбаев М. Б.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

     Усовершенствованными конструкциями, влияющими на снижение частоты ЧС на ГТС, могут служить водосливы с клиновидным креплением, гидротехнические перепады, самоочищающиеся от наносов, шахты с тангенциальным вводом в камеру гашения, гасители с закруткой воды, а также аэрацией и деаэрацией потока.
     Исходя из изложенного, следует считать, что вопросы усовершенствования конструкции водосбросов и гасителей представляют самостоятельную, актуальную, социально значимую проблему, связанную со снижением опасности чрезвычайных ситуаций.
     Научные исследования выполнены в соответствии с планом научноисследовательских работ Казахского национального аграрного университета и КазНИИЭ в рамках координационного плана по проблеме 0.41.0.55.08, задание 06.НЗ, тема 172.01.86-90 «Разработка новой водосбросной установки с использованием новых конструкций, методов расчета и внедрение их в производство», а также по хоздоговорным темам 176.04.85-86 «Гидравлические исследования водосбросных сооружений Бестюбинского гидроузла» и 175.04.88-88 «Обоснование разработки технического предложения по рабочему водовыпуску Бестюбинского водохранилища. Крупномасшт-ные исследования выходного оголовка, узла гашения и участка отводящего русла».
     Цель работы: повышение безопасности гидросооружений и устранение вероятности возникновения причин, вызывающих чрезвычайные ситуации, путем теоретических и экспериментальных исследовании и усовершенствования конструкции водосбросов открытого и шахтного типов, гасителей с завихрителем потока.
     Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи:
     - провести математическое моделирование процессов, влияющих на безопасность гидротехнических сооружений;
     - разработать современные конструкции водосбросов с повышенной пропускной способностью, снижающие риск возникновения чрезвычайных сооружений на гидротехнических сооружениях;
     - усовершенствовать схемы защиты гидротехнических сооружений от размыва нижнего бьефа для создания безопасных условий эксплуатации;
     - изучить влияние кавитационных процессов и волн возмущений на безопасную работу и эксплуатацию шахтных водосбросов;
     - разработать рекомендации по усовершенствованию конструкций независимых источников энергии для обеспечения безопасности жизнедеятельности и внедрения методики расчета инновационных решений для проектирования объектов, подверженных воздействию техногенных катастроф.

4

ВВЕДЕНИЕ

     Научные результаты:
     - математическое моделирование процесса безопасного перетока воды в системе гидросооружения и снижение возникновение чрезвычайных ситуаций за счет определения опасных зон и критических параметров сбросного потока;
     - разработка и применение современных конструкций водосбросов гидротехнических сооружений открытого типа (п/патент № 13045 KZ), обеспечивающих устойчивость покрытия откоса клиновидными плитами путем их жесткого крепления на полый каркас тела плотины;
     - усовершенствование конструкции шахтного водосброса (п/патент № 13053 KZ) с целью диссипации (рассеивания) кинетической энергии сбросного потока и уменьшения негативного воздействия потока воды на гидросооружение;
     - изучение особенностей работы гидротехнических сооружений с защитными элементами, в которых используется вихревые потоки и соударение закрученных струй (п/патент № 13048 KZ), позволяющие снизить в нижнем бьефе параметр удельного расхода потока воды и значение максимальной скорости течения воды до безопасных величин (2,0-7,0 м/с);
     - получение расчетных зависимостей для устранения кавитационной опасности в зонах пониженного давления в шахте водосброса и создания безнапорного режима в отводящем туннеле;
     - разработка современных конструкций независимых источников энергии при возникновении чрезвычайных ситуации, необходимых для энергообеспечения в аварийных случаях; исследование методики расчета инновационных решений, позволяющей финансовым структурам принять решение по их внедрению в проекты, которые связаны с возможными причинами техногенных катастроф.
     Научная новизна заключается в следующем:
     - впервые предложена методика моделирования процесса оптимального сброса воды в нижний бьеф гидросооружения, которая отличается от существующих тем, что для обеспечения их безопасности определяются критические, технологические параметры, влияющие на возникновение ЧС и позволяющие установить наиболее опасные зоны;
     - усовершенствована и изучена особенность конструкции открытого водосброса, обеспечивающая устойчивость водосливного откоса. Установлено, что безопасность работы сооружения достигается за счет формирования вокруг полого каркаса тела плотины с установлением на нем защитных плит;
     - научно обоснована система создания безопасности гидротехнических сооружений путем использования шахтного водосброса, улучшающего условия гашения энергии сбросного потока с применением искусственной шероховатости на поверхности камеры гашения;

5

Кошумбаев М. Б.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

     - впервые предложен способ гашения энергии, отличающийся от традиционных тем, что в подводящем водоводе установлены клиновидный рассекатель и узел закрутки потока, что приводит к снижению в нижнем бьефе удельного расхода воды в 15-20 раз и величины максимальной скорости до требуемых значений (2,0-7,0 м/с), исключая эрозию грунта русла реки и повышая безопасность сооружения в целом;
     - экспериментально и теоретически установлено, что возникновение опасных волн возмущения, оказывающих неравномерное распределение давления на стенки туннеля, создает опасные условия, приводящие к нарушению безнапорного режима в отводящем туннеле, а устойчивость достигается за счет установки элементов подвода и вентиляционного движения потока воздуха. Определено, что подвод воздуха в требуемые зоны пониженного давления (вакуума) до 0,7 МПа обеспечивает кавитационную безопасность шахтных водосбросов;
     - предложены современные конструкции независимых источников энергии для энергообеспечения в аварийных ситуациях. Разработана методика расчета инновационного характера, позволяющая достоверно определить инвестиционные затраты при внедрении интеллектуальной собственности на объектах, подпадающих под влияние чрезвычайных ситуаций.
     Патентная чистота предлагаемых конструкций водосбросов и гасителей подтверждена двумя изобретениями СССР, евразийским патентом и 20 патентами Республики Казахстан.
     Практическая ценность. Разработанные рекомендации по обеспечению безопасности ГТС позволяют значительно увеличить срок службы гидроузлов, а также снижают риски возникновения аварий на водохозяйственном объекте при чрезвычайной ситуации.
     Новые конструкций водосбросов повышают надежность работы сооружений и расширяют область их применения. Предложенные методы гидравлического расчета способствуют определению безкавитационного режима, обеспечению стабильного режима потока на верхнем бьефе и устранению пульсационных нагрузок при гашении кинетической энергии потока в нижнем бьефе.
     Предлагаемые автором конструкции водосбросов и методы их расчетов могут быть включены в программы учебных курсов по безопасности ГТС и использованы при курсовом и дипломном проектировании объектов, подверженных влиянию чрезвычайных ситуаций.
     Реализация и внедрение. Новая конструкция шахтного водосброса внедрена в Бестюбинском гидроузле Алматинской области в 1987 г., усовершенствованная конструкция вихревого гасителя использована на нижнем бьефе плотины на р. Кара-Биен Алматинской области в 2004 г., конструкция

6

ВВЕДЕНИЕ

наносоуловителя внедрена на водоемах Акмолинской области (ТОО «ЗЕРЕН-ЗО») в 2005 г., результаты исследований в виде переливной плотины и гидротехнического перепада установлены в системе водоснабжения г. Кокшетау (РГП «Северводстрой») в 2006 г., а также в гидроузлах Акмолинской области на р. Караменды (плотина из местных материалов, ТОО «А.П.-ИМПЭКС») в 2004 г. и на р. Камысакты (гидротехнический перепад, ТОО «ВИТЭКС-2002») в 2005 г. Результаты исследований внесены в уставный капитал казахстанских компаний в виде объектов интеллектуальной собственности (ТОО «ВИТЭКС-2002», ТОО «Жана-Туган-7»).
     Методы гидравлического расчета и рекомендации по проектированию водосбросов и гасителей нашли применение в проектах Казахского филиала Института «Гидропроект им. С. Я. Жука» (1990 г.), РГП «Талдыкурган-ирригация» (2000 г.) и РГП «Северводстрой» (2006 г.).
     Суммарный экономический эффект от внедрения разработок на ГТС вышеуказанных предприятий составил более 40 млн. тенге.
     Апробация работы. Основное содержание работы и полученные результаты докладывались и обсуждались на Международной конференции «Современные проблемы механики». Часть 1 «Механика жидкости и газа» (Алматы, 2001 г.), на Межвузовской научной конференции «Экология» (Алматы, 2006 г.), на Международном семинаре «Сели и наводнения: Стратегия безопасного строительства и сокращения риска стихийных бедствий» в рамках проекта UN/ISDR «Продвижение Стратегии Безопасного Строительства. Образовательная Сеть для Центральной Азии» (Алматы, 2006 г.), на Международной конференции «Проблемы современной механики», часть 1 «Механика жидкости и газа» (Алматы, 2006 г.), на III-й Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира - 2006», том 8 (Днепропетровск, 2006 г.), на Международной научно-практической конференции «Перспективы развития сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения в Республике Казахстан» (Алматы, 2006 г.), на Международном симпозиуме «Проблемы высшей школы - сквозь призму новых идей» (Кокшетау, 2006 г.), на Международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (Зыряновск, 2006).
     Публикации. Результаты исследований опубликованы в 62 научных трудах, в том числе в 42 индивидуальных работах, из них три - в зарубежных изданиях. Выпущено 44 статьи в 12 изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК.
     Структура и объем книги. Книга состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников из 21З наименований и 25 приложений, относящихся к практической реализации и внедрению результатов работы. Работа изложена на 240 страницах, содержит 79 рисунков и 9 таблиц.

7

            ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ


     В настоящей работе применяются следующие термины с соответствующими определениями, обозначениями и сокращениями:
     Авария - нарушение технологического процесса, повреждение механизмов, оборудования и сооружений.
     Аэрация - процесс насыщения воздухом потока воды.
     Быстротоки - облицованный лотковый или трубчатый канал постоянной или переменной ширины с вертикальными, откосными или замкнутыми на своде криволинейными стенками с уклоном дна больше критического.
     Бьеф - часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыкающего к гидротехническому сооружению.
     Водосброс - сооружение для пропуска (сброса) в период паводков излишков воды из водохранилища или подпертого бьефа в нижний бьеф гидроузла.
     Водослив - устройство в гидротехническом сооружении, в котором сброс воды осуществляется через отверстие со свободной поверхностью потока.
     Водовыпуск - сооружение для осуществления полезных попусков воды из водохранилища в нижний бьеф или в расположенный в одном из берегов русла реки в нижнем бьефе канал (трубопровод) оросительной системы, системы водоснабжения.
     Водобои - гидротехническое сооружение в виде бетонной плиты, расположенное за водосливом или водосбросом, предназначенная для восприятия ударов струй и гашения энергии сбросного потока.
     Водобойный колодец - глубинная часть водобоя, предназначенная для затопления гидравлического прыжка.
     Гидравлический прыжок - явление резкого, скачкообразного повышения уровня воды в открытом русле при переходе потока из бурного состояния в спокойное.
     Гидротехническое сооружение (ГТС) - сооружение, предназначенное для использования природных водных ресурсов (рек, озер, морей, грунтовых вод) или для предотвращения (уменьшения) вредного воздействия воды на окружающую среду (борьба с наводнениями, размывами берегов, защита от селевых потоков и пр.).
     Гидроузел - группа гидротехнических сооружений, объединенных условиями совместной работы и местоположением.
     Катастрофа - разрушительное явление, повлекшее чрезвычайную ситуацию регионального или глобального масштаба.
     Чрезвычайная ситуация (ЧС) - обстановка на определенной территории, возникшая в результате аварии, бедствия или катастрофы, которые повлекли или могут повлечь гибель людей, ущерб их здоровью, окружающей среде и объектам хозяйствования, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности населения.

8

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

     Техногенные аварии - чрезвычайные ситуации, вызванные промышленными, транспортными и другими авариями, пожарами, авариями с выбросами ядовитых, радиоактивных и биологически опасных веществ, внезапным обрушением зданий и сооружений, прорывами плотин, авариями на энергетических и коммуникационных системах жизнеобеспечения, очистных сооружений.
     Фильтрация - движение жидкости в пористой или трещиноватой (скальной) среде.
     Плотина - гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток или водоем для подъема уровня воды.
     Кавитация - местное понижение давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, приводящее разрыву фронта потока.
     Моделирование - исследование физических процессов на моделях, происходящее обычно в лабораторных условиях, по результатам опытов которого можно получить достаточно полное представление о явлениях, происходящих в действующих объектов, или получить необходимые данные для расчетов и проектирования новых, еще не изученных сооружений.
     Гасители энергии - гидротехнические сооружения, предназначенные для создания условий с обеспечением безопасного и надежного в эксплу-тационном отношении отвода сбрасываемого потока в русло реки.
     Ядро плотины - противофильтрационное устройство из малопроницаемого грунта внутри грунтовой или каменно-земляной плотины.
     Q - расход, м³/с;
     Qa - расход воздуха, м³/с;
     Qw - расход воды, м³/с;
     q - удельный расход, м²/с;
     С - концентрация воздуха в потоке воды;
     d - диаметр, м;
     Н - напор воды, м;
     т-            2
     F - площадь, м ;
     g-ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;
     h - толщина, глубина, высота, м;
     L, 1 - длина, линейный размер, м;
     Р - давление, кПа;
     г - расстояние, радиус, м;
     T,t- координата времени, ч, с;
     u, v, w - компоненты вектора скорости, м/с;
     S - толщина, м;
     ф - коэффициент скорости;
     р - плотность, кг/м³;
     Fr - число Фруда;
     Z - параметр кинетичности;
     Re - число Рейнольдса;
     ра - коэффициент расхода воздуховода.

9

     ГЛАВА 1.
     СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ

     Одной из наиболее важных и ответственных задач развития сектора экономики Казахстана является удовлетворение все возрастающих потребностей промышленности и сельского хозяйства в электроэнергии, в соответствии с долгосрочной программой развития энергетики нашей страны. В решении этой задачи немалую роль играет не только интенсивное строительство новых крупных гидроузлов, но и обеспечение безопасной работы эксплуатируемых гидротехнических сооружений (ГТС).
     Обеспечение безаварийной работы гидроузлов связано с тем, что около 15% всех ГТС в мире вызывают сомнения их надежности, а мелкие и средние аварии происходят ежегодно на 5% гидрообъектов. Некоторые из них имеют катастрофический характер (как это произошло недавно в США или Индии) и вызывают многомиллионные убытки и большое количество человеческих жертв [1]. В нашей республике катастрофических аварий не наблюдалось, но менее значительные повреждения ГТС имели место.
     В современном гидротехническом строительстве в последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к возведению плотин большой высоты и длины, создающих водохранилища, объем воды в которых достигает сотен миллиардов кубических метров. С увеличением размеров плотин возрастают и нагрузки, действующие на ГТС, берега и дно водохранилища, а следовательно, растет и вероятность их значительных повреждений, которые могут привести к катастрофическим последствиям.
     На земном шаре имеется более 60 тысяч водохранилищ, их объем (6,6 тыс. км³) в три раза превышает объем пресной воды всех рек. Ежегодно во всем мире вводится в эксплуатацию несколько сотен искусственных водоемов. Водохранилища предназначены для ирригации, выработки электроэнергии, регулирования паводков и половодий, а также водоснабжения, судоходства и т. д.
     Регулирование речного стока водохранилищами является основным способом преобразования водоемов, позволяющим рационально использовать естественный сток, увеличить доступные водные ресурсы, приспособить их к потребностям забора воды на хозяйственные нужды. По данным отчета Международной Комиссии по плотинам за 2000 год, свыше 45 тыс. ГТС образовали крупные водохранилища и внесли значительный вклад в развитие более чем 140 стран. Половина таких ГТС была построена исключительно для ирригации (30-40% из 271 млн. орошаемых земель в мире

10