CC BY
27
Коэффициенты 4, Ц для определения О1:
§11 =-
b(0,5 + j) если b(0,5+j)<0,5/+c(-1)j+1; и
П 0,5/ + с(-1)j +1 П =
b(0,5 + j)
§11 =
0,5/ + с (-1)1 +1
nii b (0,5 + j)
n =■
0,5/ + с (-1) 1+1
если 6(0,5+/) > 0,5/+е (-1/+1.
Коэффициенты 4, Ц для определения а111:
§ iii =
b (0,5 + j -1)
iii 0,5/ + с (-1)j
n =■
b (0,5 + j -1)
если b(0,5+j-1)<0,5/+c(-1/; и
§iii =
0,5/ + с (-1)1
m b (0,5 + j - 1)
n =--
0,5/ + с (-1)j
если Ь(0,5+/-1) > 0,5/+е (-1/
Коэффициенты 4, Ц для определения а1¥:
§ iv =
b (0,5 + j -1)
iV 0,5/ + с (-1) 1+1
n =-
b (0,5 + j -1)
если b(0,5+j-1)<0,5/+c(-1)7+1; и
§ iV =
0,5/ + с (-1)j+1
niv b (0,5 + j -1)
n =-~т
0,5/ + с (-1)j +1
если 6(0,5+/-1) > 0,5/+е (-1/+1.
По формуле (1) определяют дополнительные сжимающие напряжения в точке М от каждого /-го балочного элемента.
3. Напряжения в точке М в /-м слое основания определяются по формуле
т
агт = агтк + 2 2 гт .
j =1
4. Вертикальное напряжение от собственного веса грунта агг на границе слоя, расположенного на глубине г от подошвы фундамента, определяется по формуле
® zg = Y'dn + А i=1
где у - удельный вес грунта, находящегося выше подошвы фундамента; йп - обозначение - см. рис. 2; и Н\ - соответственно удельный вес и толщина /-го слоя грунта.
Удельный вес грунтов, залегающих ниже уровня подземных вод, но выше водоупора, должен приниматься с учетом взвешивающего действия воды.
При определении агг в водоупорном слое следует учитывать давление столба воды, расположенного выше рассматриваемой глубины.
5. Нижняя граница сжимаемой толщи основания принимается на глубине г = Нс , где выполняется условие стгр = 0,2 стгг. Если найденная по указанному выше условию нижняя граница сжимаемой толщи находится в слое грунта с модулем деформации Е < 5 МПа (50 кгс/см2) или такой слой залегает непосредственно ниже глубины г = Нс , нижняя граница сжимаемой толщи определяется исходя из условия стгр = 0,1 стгг.
Литература
1. Мурзенко Ю.Н., Евтушенко С.И., Скибин Г.М., Архипов Д.Н., Анищенко Е.Ю. Ленточный фундамент с геометрически изменяемой формой подошвы: Патент на полезную модель №32138 от 10.09.2003.
2. СНиП 2.02.01.-83*. Основания зданий и сооружений/ Госстрой СССР. М., 1985.
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)
17 ноября 2003 г.
z
z
z
z
z
z
УДК 627.83:681.3:51
МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДОПОДПОРНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
© 2004 г. В.Л. Бондаренко, В.Б. Дьяченко
Чрезвычайные ситуации природного и техногенного характера в виде наводнений, подтоплений, весенних и дождевых паводков, интенсивных снегопадов и дождей, градовых явлений по своей природе связаны с непрерывными процессами движения и
взаимодействия водных ресурсов с природными (биотическими и абиотическими) и техногенными компонентами биосферы Земли. Гидросфера Земли, включающая в себя все водные ресурсы (Мировой океан, подземные воды, ледники, почвенную и атмосферную
влагу, речную сеть с водохранилищами) занимает более 75 % поверхности земного шара (более 380 млн. км2), а в зимний период при снежном покрове может достичь свыше 83% (= 443 млн км2).
Согласно закону сохранения жизни Ю.Н. Кураж-ковского [1], особую роль выполняет речная сеть, которая занимает около 90 % территории суши земного шара. Речные сети охватывают обширные территории земной поверхности, на которых формируются количественные и качественные показатели водных ресурсов и в экономическом понимании представляют собой бассейновые геосистемы. На водосборной территории бассейновой геосистемы, например р. Дон, располагаются различные виды природных и техногенных компонентов, которые взаимодействуют между собой под воздействием непрерывных потоков энергии.
Главным, или связующим, природным компонентом в рамках бассейновой геосистемы является водный объект (река, озеро, прибрежная зона и т.п.), от которого зависят все процессы жизнедеятельности растительного и животного миров, а также процессы функционирования техногенных компонентов (промышленные и сельскохозяйственные предприятия, транспортные системы, водохранилищные и др. типы гидротехнических сооружений и т.п.).
Целенаправленное взаимодействие природных и техногенных компонентов обусловливает хозяйственную деятельность человека, одним из видов которой является создание и использование водохранилищных гидроузлов с целью удовлетворения растущих потребностей населения в питьевой воде, электроэнергии, водном транспорте, орошении сельскохозяйственных земель и т.п. С учетом системного взаимодействия природных и техногенных компонентов, в рамках бассейновой геосистемы, водохранилищный гидроузел или водоподпорное гидротехническое сооружение (ВГТС) выступает источником опасности как для населения, проживающего в зоне ВГТС, так и для окружающей природной среды. Уровень опасности ВГТС зависит от множества различных факторов, к основным из которых относятся технические параметры сооружений напорного фронта гидроузла (тело самой плотины, водосбросные и водоспускные сооружения, рыбопропускные и водозаборные сооружения и т.п.); емкость, морфометрические и гидрологические характеристики водохранилища; геологическая среда в основании сооружений напорного фронта и чаши водохранилища. Количественная оценка уровня опасности ВГТС выражается вероятностью возникновения и развития аварийной ситуации или уровнем риска [2]. Так для сооружений I класса капитальности величина допустимого риска составляет порядка 10-5 - 10-6, II - 10-4 -10-5, III - 10-3 -10-4 и IV класса > 10-3 [2]. Из общего числа эксплуатируемых в нашей стране ВГТС (около 30 тыс.), основное количество относится к сооружениям III и IV классов капитальности (= 80 %).
Обеспечение безопасности ВГТС - чрезвычайно важная проблема, которая требует решения многих научных и практических задач.
Отечественная и зарубежная практика эксплуатации ВГТС свидетельствует, что водохранилищные гидроузлы являются достаточно надежными в конструктивном плане и безопасными для окружающей среды техногенными объектами, но абсолютной гарантии их безопасности нет и не может быть. Проблемой надежности и безопасности ВГТС занимаются многие научные школы как в нашей стране [3, 7], так и за рубежом [8, 9]. Уровень надежности и безопасности ВГТС, как показывает анализ мировой истории развития плотиностроения, находится в прямой зависимости от общего уровня научных достижений в области гидротехнического строительства, который базируется на отечественном и зарубежном опыте проектирования, строительства и эксплуатации подобных сооружений. В системном понимании надежность и безопасность отдельного сооружения и составляющих его конструктивных элементов включают в себя много общего, но имеют и принципиальные отличия, которые необходимо учитывать.
Уровень надежности отдельного конструктивного элемента или сооружения в целом зависит от множества различных по природе факторов, к основным из которых относится используемый материал с его физико-механическими характеристиками, проявляющимися в процессе взаимодействия конструктивного элемента или сооружения с внешними потоками энергетического воздействия. Следовательно, под надежностью следует понимать запас внутренней энергии сопротивления обобщенным воздействиям подводимых потоков энергии, как на отдельные конструктивные элементы, так и сооружения в целом. Запасенная энергия в элементах сооружения в процессе функциональной эксплуатации преобразуется. Сбалансированность запасенной в сооружении энергии, определяемой напряжениями, и подводимыми потоками энергии, определяемыми действующими нагрузками, выражается законом сохранения энергии:
1 = N
Е = Е К/11 , (1)
1 =1
где Е, - формы энергии 1, 2, 3,..., п, подводимой к объекту; К( - коэффициент преобразования, показывающий связь подводимой энергии типа i с запасенной энергией типа 1; I- формы энергии 1, 2, 3,., п,
запасенной в сооружении.
Количественные значения напряжения и действующих нагрузок на конструктивные элементы и сооружения в целом определяются известными методами расчета, которые рекомендуются действующими СНиП.
В период эксплуатации сооружений напорного фронта (водосбросных, водовыпускных, водозаборных и др.), которые выполняются из монолитного железобетона, их надежность характеризуется инте-
гральными показателями прочности и модулем упругости используемых материалов, которые в общем виде выражаются зависимостями:
Rт = (( + AKRT)-AЭRT ; Eт = ( + AKET)-AЭET,
где Rт, Eт - значения прочности и модуля упругости бетона в рассматриваемый момент времени; Ro, Eo -значения прочности и модуля упругости бетона в момент ввода сооружения в эксплуатацию; AдRт, AдEт - величины снижения прочности и модуля упругости бетона за счет коррозии под воздействием агрессивных факторов (кавитация, суффозия).
Интенсивность снижения прочности и модуля упругости под воздействием агрессивных факторов (Kа) находят по формулам:
KQ = Ro-R^
t т- to
KQ = Eo-E±
tT- to
где ^ - 4 - период действия агрессивных факторов.
Возможные изменения прочности и модуля упругости бетона в сооружениях можно прогнозировать по зависимостям:
= Ео - К ( - ^)]; Ет = [Ео - КЕ ^)].
Если в процессе эксплуатации изменяются физико-механические свойства используемых материалов в сооружениях напорного фронта, то соответственно будет меняться напряженно-дефор-мированное состояние как в отдельных конструктивных элементах, так и в сооружении в целом. Изменение, связанное с уменьшением внутренней энергии сопротивления, сопровождается увеличением напряжений и как следствие снижением надежности. Согласно СНиП 2.06.01-86 [8], на стадии проектирования для обеспечения нормативного значения надежности сооружений расчеты выполняются по методу предельных состояний, в которых предусматривается две группы предельных состояний.
Первая группа характеризуется полной непригодностью сооружения к эксплуатации, вторая - непригодностью к нормальному (нормативному) режиму работы сооружения. Предельные состояния как первой, так и второй группы не возникнут, если будут соблюдаться условия:
yecF(y f )< —R
yn
f
1
А
Ym, Yg
где F и R - расчетные значения обобщенных силовых воздействий (сила, момент, напряжение, деформация и др.) и несущей способности; Yec - коэффициент сочетания нагрузок; уя - коэффициент надежности; коэффициент надежности Ym по материалу и уг - по грунту; Ye - коэффициент условий работы.
Степень надежности сооружения можно оценить по отношению
Yc R
K н =■
Yec Yn F
При Кн < 1 прочность и соответственно надежность сооружения не соответствуют нормативным требованиям и без изменения параметров R и F сооружение непригодно к эксплуатации.
При Кн > 1 прочность и надежность соответствуют нормативным требованиям.
При Кн =1 сооружение еще может эксплуатироваться, но для повышения уровня надежности требуется провести необходимые мероприятия.
Надежность, обусловливающая собой количественную меру запаса внутренней энергии сопротивления обобщенным воздействиям действующих нагрузок, согласно требованиям существующей нормативно-технической документации может быть определена и прогнозируема на заданный срок эксплуатации сооружения.
Под безопасностью понимают защиту человека и природных компонентов в той или иной системе жизнедеятельности от негативных факторов, создаваемых искусственными или естественными потоками вещества, энергии и информации.
ВГТС вносит значительные изменения в процессы движения вещества, энергии и информации, и соответственно становится важным источником опасности.
Проблема безопасности ВГТС, которая возникает с первого дня строительства, с возведением сооружений напорного фронта приобретает особую актуальность. Как показывает отечественный опыт и результаты проводимых нами исследований, для оценки уровня безопасности ВГТС необходимо учитывать стадии создания водохранилищного гидроузла: изыскательская, проектная, строительная, первого наполнения, первых лет эксплуатации и последующей эксплуатации, на протяжении 40-50 лет.
Безопасность ВГТС оценивается по трем основным составляющим: экологическая, техническая и социально-демографическая.
Экологическая безопасность определяется уровнем вносимого ВГТС дисбаланса в процессы движения (обмена) потоков вещества, энергии и информации в различные иерархические уровни экосистем, в рамках бассейновой геосистемы водного объекта.
Техническая безопасность ВГТС определяется уровнем риска (К) возникновения аварийных ситуаций на сооружениях и подразделяется на гидрологическую, гидравлическую, конструктивную, фильтрационную и руслоформируемую, которые исследуются самостоятельно, а в интегральном виде дают общий уровень безопасности гидроузла [5].
Социально-демографическая безопасность определяется уровнем социального дискомфорта населения, проживающего в зоне действия ВГТС (верхний и нижний бьефы).
В отечественной практике проектирования, строительства и эксплуатации ВГТС накоплен большой
статистический материал. При соответствующей обработке он может быть использован для прогнозной оценки уровня безопасности ВГТС, который определяется вероятностью отказов функционирования отдельных конструктивных элементов, сооружений входящих в состав напорного фронта и гидроузла в целом [9].
Поскольку безопасность ВГТС определяется тремя составляющими, что математически можно представить тремя параметрическими векторами, каждый из которых отражает количественно и качественно взаимосвязь между собой и окружающей средой, воздействующей на гидроузел, то проблема должна решаться методами оптимизации.
Решение оптимизационной задачи предполагает установление вида некой функции, определяющей уровень безопасности ВГТС и содержащей показатели безопасности, оговоренные выше. На основе исследований и анализа аварийных ситуаций на ВГТС нами рекомендуется функция безопасности а к (•).
Для эколого-экономической оптимизации конструктивного решения ВГТС нами предложено идентифицировать каждый проектный вариант (К) функцией безопасности ак (W (0,Ш^), а!,) [6]. Данная функция - это вектор параметров (часть которых описана выше), каждый из которых отражает количественно и качественно влияние среды эксплуатации (статические и динамические нагрузки, температура, влажность, солнечная радиация и др.) на выбранный вариант. Очевидно, что каждый из параметров влияет на функцию безопасности, либо положительно, улучшая ее (повышение безопасности ВГТС), либо отрицательно, ухудшая (снижение надежности).
Для формирования функции безопасности указанные параметры ак ((п(t),Wc (0, as), группируют и нормируют в виде параметров положительного влияния (а +) и отрицательного влияния (а ~).
Соответственно функция ак (Шп(t),Wc^), as) запишется в виде
ак((а), Wc^),as) = [(- а + )+ а"]], (2)
где Wn ^) - объем воды, прибывающей с водосборной территории; Wc ^) - объем воды, сбрасываемой через все сбросные сооружения; а!, - характеристики водо-подпорных сооружений и среды работы ВГТС.
Выбирая варианты конструктивного решения во-доподпорного сооружения, проектировщик отражает каждый вариант набором выраженных численно параметров. Затем по зависимости (1) рассчитывается функция ак (Шп(t),Wc ^), as) для каждого варианта. Из всех выбранных вариантов ВГТС, идентифицированных функцией а к (•), применяя экономико-математическую модель, выбирают вариант, обеспечивающий оптимальные величины затрат на строительство и эксплуатацию ВГТС, выигрыша водопо-требляющих отраслей от строительства ВГТС, а также показателей технической и экологической безопасности.
Особое место среди общих параметров ВГТС занимают следующие показатели безопасности: интенсивность отказов ); вероятность безотказной работы В (^ ; коэффициент готовности Wг; среднее время восстановления т ; среднее время безотказной работы Т (^). Имеется фактический материал по безопасно -сти, явившийся результатом обработки многолетних обследований ВГТС.
Функция ак (•) и параметры надежности ВГТС являются компонентами аналитической модели оптимизации. Общая аналитическая модель эколого-экономической оптимизации параметров водохозяйственной системы, в составе которой находится ВГТС, имеет вид [6]
{т
Фо Ш (0, t )-Х[фг (W0 ,Wc (t), t )-¿=1
- Э (о(«)) - ЕК(шо )|, (3)
при условии 0 < Шс < Ш0 < Шп , t е [0,Т], где Ш0 - максимальный расчетный объем сбрасываемой воды через все сбросные сооружения; Ф0 (Шс (t), t) - экономический эффект основных отраслей водопотребителей за период времени [[,t + усл. ден. ед.; фг (Ш0,Шс(t),t) - стоимость ожидаемого ущерба, наносимого окружающей среде при отказе г -го элемента ВГТС за период [[, t + А], усл. ден. ед., где т - количество рассматриваемых элементов ВГТС; К(Ша), Э (Ш0 ,Шс ^)) - капиталовложения и эксплуатационные затраты на строительство ВГТС, усл. ден. ед.; Е - коэффициент приведения капиталовложений к текущим затратам.
Анализ имеющихся предложений, данные, полученные в результате обследований действующих ВГТС, определяют пути повышения обоснованности выбора конструктивного решения ВГТС на основе автоматизации процесса анализа проектных решений еще на стадии ТЭО. Поэтому предложено реализовать аналитическую модель (3) для целей одновременной оптимизации конструктивных вариантов ВГТС на базе соответствующей имитационной модели.
Оптимизация варианта ВГТС на стадии ТЭО заключается в изменении конструктивного решения и ключевых параметров Ш0 ), Шс ^) и т.п. и отыскании наилучшего (экономически и экологически выгодного) варианта. Для каждого варианта ВГТС предложены экономические показатели.
Один из экономических показателей гI отражает выигрыш основных отраслей при использовании воды. Показатель рассчитывается для каждого варианта конструкции ВГТС (К). Зависимость для расчета г\ выбирается как реализация аналитической модели (рис. 1).
Нормативные документы
Типовые проектные решения
Базы данных
Экспертные
оценки конструкций ВГТС
Параметры изыскательско-исследовательских работ
Технологии выполнения работ
Естественно-историческая характеристика района проектирования
Исходные данные
Обоснование проекта
Технико-экономические характеристики ВГТС
Разработка состава мероприятий по повышению безопасности
Установление конкурирующих вариантов и выделение параметров функции качества и надежности
Конструктивный вариант 1
Параметры функции качества и надежности варианта 1
Конструктивный вариант N
Параметры функции качества и надежности варианта N
Имитационное моделирование работы ВГТС
Эколого-экономические показатели варианта 1 -1
Эколого-экономические показатели
варианта N *
Оптимальный организационно-технический вариант
X
Согласование с экологическими органами
положительное
X
Принятие решения
отрицательное
Окончательное конструирование ВГТС
Рис. 1. Схема выполнения операций при проектировании ВГТС
Второй экономический показатель r2 отражает ожидаемый ущерб, наносимый окружающей среде в случае отказа одного или нескольких элементов ВГТС. Показатель r2 также является реализацией общей аналитической модели и содержит функцию (2).
В качестве критерия эколого-экономической оптимизации в имитационной модели предлагается разность выигрыша (r1) и ущерба (r2 ) по каждому конструктивному варианту ВГТС.
r° = r1 - r2r ^ max.
В Новочеркасской государственной мелиоративной академии (НГМА) в течение ряда лет успешно ведутся работы по оценке уровня надежности и безопасности, анализу и синтезу сложных гидротехнических комплексов.
Так, разработана и внедрена имитационная модель (подобная описанной выше) и основанная на ней технология проектирования сложного ВГТС (рисунок). Имитационная модель имеет в своем составе несколько баз данных, позволяющих хранить, использовать и поддерживать в актуальном состоянии требуемые проектные, нормативные и эксплуатационные данные по вариантам анализируемого объекта. Кроме того, модель имеет экспертные оценки специалистов проектировщиков и эксплуатационников.
Анализ возможных вариантов ВГТС заканчивается выдачей на экран (печатающее устройство) карты возможных отказов элементов с распределением их во времени.
Литература
1. Реймере Н. Ф. Надежды на выживание человечества. Концептуальная экология. М., 1992.
2. Василевский А.Г., Стефанишин Д.В. Понятия, определения, критерии и подходы при анализе надежности и безопасности гидротехнических сооружений // Гидротехническое строительство. 1994. № 11. С. 39-43.
3. Ивашинцов Д.А., Стефанишин Д.В., Векслер А.Б. Некоторые результаты расчета социального риска, связанного с трансформацией русла реки в нижнем бьефе гидроузла // Гидротехническое строительство. 1995. № 4. С. 30-35
4. Стефанишин Д.В. Оценка нормативной безопасности плотин по критерию риска // Гидротехническое строительство 1997. № 2 С. 44-47.
5. Бондаренко В.Л. Волосухин В.А. Морозов М.А. Основы
методологии по оценке технической безопасности водо-хранилищного гидроузла на стадии проектирования // Водохозяйство России: проблемы, технологии, управление. 1999. Т. 1. №4 С. 380-394.
6. Дьяченко В.Б. Бондаренко В.Л. Теоретические основы
оценки уровня безопасности водоподпорных гидротехнических сооружений // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2001. Т.3. №2 С. 159162.
7. Хевиленд Р. Инженерная надежность и расчет на долго-
вечность. М. Л., 1966. 251 с.
8. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения: Основные положения проектирования. М., 1989.
9. Розанов Н.С., Михайлов Л.П., Царев А.И., Соколов И.Б. Аварии и повреждения больших плотин. М., 1986.
Новочеркасская государственная мелиоративная академия
10 сентября 2003 г.
