Віяльні руйнування підпірних гідроспоруд

Віяльні руйнування підпірних гідроспоруд

Віяльні руйнування підпірних гідроспоруд

Анахов С.

Резюме

Розглянуто ряд повідомлень про ланцюгові аварії, які формувалися в межах басейнів рік з притоками і відзначались масовими руйнуваннями гідроспоруд. Наведено приклади з’єднань підпірних гідроспоруд в розгалужених мережах річкових басейнів. Представлене формальне описання передачі вражаючих факторів руйнування по віяльній схемі і схема розвитку відповідної ланцюгової аварії гідровузла.

Ключові слова: віяльна схема руйнування, ланцюгова аварія, передача вражаючих факторів.

Вступ

Інфраструктуру України формують диференційовані за географічним положенням і призначенням мережі перерозподілу водних ресурсів - зрошувально-обводнювальні, водопровідні, каналізаційні. Основні навантаження на них становлять просторово-часова нерівномірність розподілу ресурсів і прогресуюче старіння інженерних об’єктів. Активізація сучасних руйнувань супроводжується зростанням збитків, до яких призводять зокрема часті аварії київських водопровідних мереж, зливових колекторів київської міської каналізації, гідроспоруд Бортницької станції аерації тощо.

Специфічною особливістю мережевих руйнувань є ланцюгова передача вражаючих факторів від об’єкта, що зазнав аварії, до зустрічного об’єкта [1].

Одне з перших описаних ланцюгових руйнувань гідроспоруд сталося 02 листопада 1925 року в Уельсі. Просочування глиняної основи гравітаційної греблі Eigiau висотою 5 м на р. Afon Eigiau, біля с. Долгаррог (Dolgarrog), призвело до утворення підземного, на глибині 3 м, каналу шириною 21 метр. Дефект основи зумовив утворення прорану (рис. 1а). Хвиля прориву перевищила гребінь наступної, 11-метрової насипної греблі Coedty, що завершилося її розмивом (рис. 1б) [2].

Приклади розвитку послідовних руйнувань, коли аварія греблі призводить до руйнування зустрічної греблі, розташованої вниз за течією, наведені в багатьох роботах. Розглянуто задачі оцінки розвитку аварії на каскаді гребель, викликаної ефектом "доміно" (див. наприклад, [4]).

Поряд з цим відомі випадки майже одночасного руйнування декількох гребель, які не утворюють одного єдиного каскаду [5-8]. Невпинний розвиток інфраструктури природним чином супроводжується зростанням потреб у збільшенні обсягів використання водних ресурсів і зумовлює необхідність будівництва та розбудови відповідних потужностей. На фоні існуючих проблем виникає нова, - загроза ланцюгових аварій об’єктів, які відрізняють ускладнені схеми взаємозв’язків при значній розгалуженості новітніх мереж.

Рис. 1. Наслідки Долгаррозького лиха: а - проран в греблі Eigiau (фотографія 2009 р.); б - проран в греблі Coedty (фотографія на поштовій листівці) [3]

Аналіз останніх досліджень і публікацій. У переважній більшості випадків територію ланцюгової аварії підпірних гідроспоруд визначають кордони "одна ріка - один каскад". Більше того, аварія зазвичай обмежується руйнуванням двох суміжних, згідно влучного формулювання із [4] - "гребель-сходинок", розташованих відповідно до їх висотно-географічного положення.

Однак, зустрічаються розрізнені повідомлення про аварії гідроспоруд, які не підходять під зазначене описання. Ці аварії, по-перше, формуються в географічних межах, розширених до басейнів рік з притоками, по-друге - відзначаються масовими руйнуваннями споруд:

під час дощового паводку 04-08 серпня 1975 року, викликаного тайфуном Ніна, в китайській провінції Хенань було зруйновано 62 греблі [5];

під час дощового паводку 10-15 вересня 1986 року в Нижньому Мічигані (США) було зруйновано 14 і ушкоджено 19 гребель [6];

під час катастрофічної повені в басейні річок Міссісіпі і Міссурі (США) в травні-вересні 1993 року руйнування або переливання зазнали 1 083 дамби [7];

під час дощового паводку в липні 1994 року, викликаного тропічним циклоном Альберто, в штаті Джорджія (США) були зруйновані 207 гребель [8].

Формулювання цілей статті. Метою пропонованої роботи є розробка схеми ланцюгової аварії, яка може формуватися в межах басейну рік з притоками і відзначатися масовими руйнуваннями гідроспоруд.

Два і більше каскадів підпірних гідроспоруд річкового басейну, з урахуванням сучасної зарегульованості річок, може об’єднуватися у розгалужену мережу. На рис. 2а наведено приклад мережі гребель річкового басейну Парана (Paraná), Бразилія, яку складають наступні споруди [9]:

І. в басейні р. Alto Paraná: а) на р. Паранаїба (Paranaiba): 1 - Emborcação (Theodomiro Sampaio); 2 - Itumbiara; 3 - Cachoeira Dourada; 4 - Sâo Simâo; б) на р. Арагуарі (Araguari): 5 - Nova Ponte; в) на р. Ріу-Гранді (Grande): 6 - Camargos; 7 - Itutinga; 8 - Furnas; 9 - M. Moraes; 10 - Estreito (Luiz Carlos Barreto de Carvalho); 11 - Jaguara; 12 - Volta Grande; 13 - Porto Colômbia; 14 - Marimbondo; 15 - Âgua Vermelha; 16 - Ilha Solteira; 17 - Jupiâ (Engineer Souza Dias); 18 - Porto Primavera (Engineer Sérgio Motta); 19 - Itaipu; г) на р. Пардо (Pardo): 20 - Caconde; 21 - Euclides da Cunha; 22 - Limoeiro; д) на р. Тіете (Tietê): 23 - Barra Bonita; 24 - A. S. Lima; 25 - Ibitinga; 26 - Promissâo; 27 - Nova Avanhandava; 28 - Très Irmâos;

ІІ. в басейні р. Паранапанема (Paranapanema): 29 - Jurumirim; 30 - Chavantes; 31 - S. Grande; 32 - Capivara; 33 - Taquaruçu; 34 - Rosana;

ІІІ. в басейні р. Іґуасу (Iguaçu): а) на р. Іґуасу: 35 - Fóz do Areia; 36 - Segredo; 37 - Salto Santiago; 38 - Salto Osôrio; 39 - Salto Caxias; б) на р. Чопім (Chopim): 40 - J. M. F.;

IV. на р. Акарай (Acaray): 41 - Acaray.

Рис. 2. Мережа гребель річкового басейну Парана: а - карта; б - схема послідовного з'єднання каскаду водосховищ р. Тіете; в - схема віяльного з'єднання каскадів водосховищ рр. Тіете і Паранаїба

На рис. 2б і 2в представлено еквівалентні схеми фрагментів мережі гребель - послідовного з'єднання каскаду водосховищ і віяльного з'єднання каскадів водосховищ, відповідно.

Формально руйнування A підпірної гідроспоруди можна описати функцією вражаючих факторів f, які діють у зоні ураження після настання події (рис. 3) [10]:

; h>0; t>0, V³0; x_i³0; ,

де h - глибина затоплення місцевості;

t - тривалість затоплення;

V - швидкість течії;

x³x^max - ознака перевищення шкідливою (забруднювальною) речовиною x граничнодопустимої концентрації x^max;

Ú, Ù - символи диз’юнкції ("АБО") і кон’юнкції ("І"), відповідно (табл. 1).

Рис. 3. Схема дії вражаючих факторів руйнування підпірної гідроспоруди

Таблиця 1. Описання логічних операцій [11]

Згідно з [1] ланцюгове руйнування підпірної гідроспоруди являє собою функцію передачі вражаючих факторів від споруди, що зазнала аварію, до споруди, розташованої відносно неї вниз за течією:

;

де j - порядковий номер споруди в ланцюгу.

Передача (рис. 4) виконується або по схемі зосередженого віяла, як це було показано на рис. 2в, або по схемі розосередженого віяла, які у найпростішому випадку вироджуються до послідовної передачі виду рис. 2б.

Рис. 4. Передача вражаючих факторів руйнування гідроспоруди по схемі розосередженого (а) і зосередженого (б) віяла [1]; стовпчики складають послідовність , рядки - послідовність

Для прикладу на рис. 5 представлено схему з’єднань підпірних гідроспоруд аргентинського вузла Complejo Cerros Colorados.

Рис. 5. Карта гідровузла Complejo Cerros Colorados (а) [12] і його еквівалентна схема (б)

Частина притоку р. Неукен (Neuquén) 1 через віртуальне водосховище 3, утворене греблею Portezuelo Grande 4, через водоскидну гідроспоруду 5 обвідного каналу 2, поступає у водосховище Los Barreales 6, яке підпирають глуха гребля Mari Menuco 8 і водоскидна - Loma de la Lata 7. Далі вода через водосховище Mari Menuco 9, яке підпирає гребля ГЕС Planicie Banderita 10, об’єднуючись із течією р. Неукен, подається у водосховище El Chañar 11, утворене однойменною греблею 12, і надходить у старе русло [13].

Схема розвитку гіпотетичної ланцюгової аварії гідровузла Complejo Cerros Colorados з фрагментами віяльного типу представлена на рис. 6.

аварія ланцюговий ріка гідроспоруда

Рис. 6. Схема розвитку ланцюгової аварії гідровузла Complejo Cerros Colorados: граф (а) і еквівалентна схема (б) передачі вражаючих факторів аварійного стану

Висновки

Відмічено, що інфраструктуру України визначає суттєва розгалуженість призначених для перерозподілу водних ресурсів потужностей, які формують відповідні мережі. Розглянуто приклади мережевих ланцюгових руйнувань підпірних гідроспоруд. Визначено і наведено приклади можливих з’єднань гідроспоруд в розгалужених мережах річкових басейнів. Представлене формальне описання передачі вражаючих факторів руйнування по віяльній схемі і схема розвитку відповідної ланцюгової аварії гідровузла.

1. Анахов С.П. Математична модель аварії об’єкта господарювання / С.П. Анахов / Сб. науч. тр. SWorld. По мат. междунар. н.-пр. конф. "Науч. исслед. и их практич. прим. Современное состояние и пути развития '2011". - О.: Черноморье, 2011. - Т. 16. - С. 48-49.

. Singh K.P. Sensitivity of outflow peaks and flood stages to the selection of dam breach parameters and simulation models (dam safety program). SWS Contract Report 289 / K.P. Singh, A. Snorrason. - Champaign, Illinois, 1982. - 179 p.

. Charles J.A. Delivering Benefits Through Evidence - Lessons from historical dam incidents. Project: SC080046/R1 / J. A. Charles, P. Tedd, A. Warren. - Bristol: Environment Agency, 2011. - 160 p.

. Стефанишин Д.В. Оцінка ймовірності розвитку гідродинамічної аварії, викликаної ефектом "доміно", на каскаді напірних гідротехнічних споруд / Д.В. Стефанишин, К.Г. Романчук // Вісник НУВГП. - 2007. - Вип. 2 (38). - С. 192-198.

. Yi Si. The World's Most Catastrophic Dam Failures: The August 1975 Collapse of the Banqiao and Shimantan Dams / The River Dragon Has Come!: The Three Gorges Dam and the Fate of China's Yangtze River and Its People. - New York, London: M. E. Sharpe, 1998. - Pp. 25-38.

. Blumer S.P. Michigan Floods and Droughts / S.P. Blumer, F.V. Nurnberger, D.A. Hamilton, R.C. Sorrell / National Water Summary 1988-89. Water-Supply Paper 2375. - Denver: U.S. Government printing Office, 1991. - Pp. 335-344.

. Larson L.W. The Great USA Flood of 1993: Destructive Water: Water-Caused Natural Disasters, their Abatement and Control / L.W. Larson / Proc. of the conf. (Anaheim, June 1996), Publ. no. 239. - 1997. - Pp. 13-20.

8. National Performance of Dams Program [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://npdp.stanford.edu.

. Lopes A.L. Flood control for the Brazilian hydroelectric reservoir system in the Parana River basin: Destructive Water: Water-Caused Natural Disasters, their Abatement and Control / A.L. Lopes, V.F. Rocha / Proc. of the conf. (Anaheim, June 1996), Publ. no. 239. - 1997. - Pp. 315-323.

. Анахов П.В. Формалізація вражаючих факторів гідродинамічної аварії: Mat. VI mezinárodní vědecko-prakyická konf. "ZPRÁVY VĔDECKÉ IDEJE - 2010" / П.В. Анахов / Praha: Publishing House "Education and Science" s.r.o., 2010. - P. 39-41.

. IEC 61025-1990. Fault tree analysis.

12. Complejo Cerros Colorados [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://photos1.blogger.com/blogger/6199/535/1600/mapa.0.jpg.

. Cerros Colorados Hydroelectric Facility [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://www.duke-energy.com.ar.