Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка риска аварий на гидротехнических сооружениях напорного типа с применением аэрогеодезических технологий идентификации их устойчивости в экстремальных ситуациях состояния геоэкологии территории

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка риска аварий на гидротехнических сооружениях напорного типа с применением аэрогеодезических технологий идентификации их устойчивости в экстремальных ситуациях состояния геоэкологии территории"

09-5 3622

На правах рукописи

Кроличепко Витольд Владимирович

Оценка риска аварий на гидротехнических сооружениях напорного гина с применением аэрогеодезических технологий идентификации их устойчивости в экстремальных ситуациях состояния геоэкологии территории

Специальность 25.00.36 - «Геоэкология»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) на кафедре прикладной экологии

Научный руководитель: кандидат военных наук, профессор,

член-корр. РАЕН Буров Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Зверев А.Т. (МИИГАиК)

кандидат технических наук Писаренко В.К.(МГАКХиС)

Ведущая организация: Мосводоканап НИИ Проект

Защита состоится 2009 г. в ч. мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.143.02 в Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва, Гороховский пер., дом 4, зал заседания Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.А.Сладкопевцев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Гидротехнические сооружения (ГТС) различного класса и назначения остаются важными объектами народно-хозяйственного комплекса в атомной, в энергетической и в металлургической промышленностях, в сельском хозяйстве, в системе водного транспорта, рыбного хозяйства, водоснабжения и канализации, гидромелиорации и других отраслях экономики. Все гидросооружения, в той или иной степени, удерживают в своей системе огромные объемы кинетической энергии водных масс. Так, например, Братское водохранилище на р. Ангаре удерживает 169,3 км'1 воды, Красноярское на р. Енисей - 73,3 км"\ а подмосковное Истринское водохранилище - 0,3 км'1. Эти водные массы способны в экстремальных ситуациях (авариях) обрушивать их разрушительное действие на огромные территории. Такие ситуации усугубляются и теми обстоятельствами, что большинство гидротехнических сооружений возводилось и возводится в густонаселенных районах, промышленных зонах и в районах с развитой системой инфраструктуры. Да и весь гидротехнический комплекс есть составная часть инфраструктуры территории, от состояния которой зависят многие элементы жизнедеятельности населения, состояния и режим функционирования объектов экономики.

Всегда аварии на ГТС сопровождались масштабными последствиями: гибелью людей, разрушением жилищ, разрушением объектов экономики, ухудшением и деградацией окружающей среды и пр. С учетом данных мировой статистики, в среднем за последние 100 лет, начиная с 1900 года, ежегодный риск разрушений и повреждений бетонных плотин, составляет соответственно 0,34' 10"4 и 0,45-10"3, при этом ежегодный глобальный риск человеческих жертв аварий всех типов плотин составляет 5,1 -Ю'8. Человеческие жертвы и материальные убытки при авариях современных плотим сопоставимы с последствиями природных катастроф.

Положение дел с аварийностью в системе ГТС усугубляется и тем

обстоятельством, что возрастающие изменения климата в результате

3

повышения глобальной средней годовой температуры увеличивают частоту и масштабы аномальных природных явлений: обильные осадки, масштабные паводки, активное таяние ледников, превышение годового баланса осадков над стоками. Существующая тенденция роста аварий на ГТС может быть объяснена и тем обстоятельством, что устойчивость возводимых сооружений проектировалась на возможные экстремальные ситуации природного и техногенного происхождения тех лет (30-тые и 50-тые годы прошлого столетия). Кроме того, в силу ряда обстоятельств экономического положения страны в последние 10 - 20 лет, сократились профилактические работы по сохранению устойчивости ГТС. Все это превращает сложившуюся ситуацию устойчивое™ ГТС в новых условиях состояния окружающей среды и «техногенного климата» в проблему рисковых оценок аварий на ГТС. Для решения этой задачи необходимо применение аэрогеодезических технологий идентификации их устойчивости в экстремальных ситуациях, позволяющих на стадии раннего развития опасных ситуаций принимать управленческие решения по сохранению устойчивости сооружений и минимизации возможных последствий аварий.

Поэтому тема диссертационной работы, рассматривающей оценку риска аварий на ГТС напорного типа с применением аэрогеодезических технологий идентификации их устойчивости в экстремальных ситуациях состояния геоэкологии территории, представляется актуальной и своевременной, позволяющей решать современные задачи безопасности населения и окружающей среды в условиях изменяющейся геоэкологии территории.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка технологий раннего обнаружения рисковых ситуаций возможных аварий ГТС в зоне проявления аномальных явлений природного и техногенного происхождения и оценка риска их возможных последствий.

Реализация поставленной цели достигается выполнением следующего комплекса задач:

I. Исследование особенностей назначения и конструкции гидросооружений различного типа и класса, их применимость и распространение;

2. Статистический анализ аварийности на гидросооружениях напорного типа;

3. Установление причин чрезмерной проницаемости грунтов в основании плотины;

4. Определение влияния деформационной неоднородности грунтов в основании плотины на ее устойчивость;

5. Исследование возможного сценария аварий на ГТС напорного типа, его развития и последствия.

6. Обобщение современных методов оценок риска аварий на различных объектах технических систем на основе применения теории вероятности и статистики, а также теории устойчивости и надежности применительно к объектам ГТС;

7. Рассмотрение модельных технологий оценки технического состояния ГТС и их применимость для оценки устойчивости этих сооружений;

8. Разработка методики оценки риска аварий и их последствий на ГТС напорного типа;

9. Анализ дистанционных методов идентификации рисковых ситуаций в зоне функционирования ГТС;

10. Установление наиболее эффективных методов дистанционного зондирования рисковых ситуаций в зоне функционирования ГТС и их применимость для решения задач идентификации в различных условиях о£сружающей среды;

11. Анализ современных методов геодезического контроля и наблюдений за деформациями на ГТС;

12. Разработка методики наклономерных наблюдений и рекомендаций по их практическому применению;

13. Проведение апробации методики оценки риска последствий возможной аварии на ГТС Истринского водохранилища по материалам расчетно-аналитического эксперимента с использованием результатов дешифрирования космических снимков.

Таким образом, в диссертации рассматривается решение важной научно -прикладной проблемы безопасности населения и защиты окружающей среды в условиях нарастания рисковых ситуаций в зоне функционирования ГТС.

Методы исследования. В целях достижения высокого уровня научности и достоверности полученных результатов в работе применялись такие методы исследований, как: обобщение и анализ материалов литературных источников, статистических данных и результатов опытных испытаний по широкому кругу вопросов тематики диссертации; графоаналитическое моделирование процессов возникновения аварийных ситуаций и их развития в различных условиях изменяющейся среды; опытные испытания применимости предлагаемых методик и проверка их корректности по полученным результатам; аналитическое обоснование выбора путей рационального решения исследуемых задач.

Базовые материалы исследования. В основу базовых материалов исследований по теме диссертации положены результаты научных работ по основным и прикладным аспектам рассматриваемой проблемы, нашедших отражение в научных трудах экологов С.Л.Авалиани, В.И.Вернадский, В.Н.Крутько, Н.Н.Моисеев, Н.Ф.Реймерс, A.B.Садов и др., гидрогеологов А.З.Зайцев, П.П.Климеико, В.А.Мироненко, [Н.И.Плотников] и др., геодезистов Б.Н.Жуков, А.П.Карпик, Е.И.Паншин, А.Г.Малков, специалистов дистанционного зондирования У.Рис, С.В.Гарбук, В.Е.Горшензон. В работе также использовались материалы научных конференций по проблемам охраны окружающей среды, защиты населения и сохранения устойчивости объектов экономики в условиях развивающихся аномальных явлений погоды и климата под воздействием на окружающую среду негативных факторов техногенного происхождения.

Научная новизна. Научная новизна, проведенных исследований, заключается в комплексном решении проблемы оценки риска аварий на ГТС напорного типа с применением современных методов дистанционного зондирования и геодезического контроля для идентификации рисковых ситуаций под воздействием аномальных природных явлений. Впервые решена

задача установления устойчивости ГТС и его контроля в экстремальных ситуациях путем комплектования технологий дистанционного зондирования и геодезического контроля, что позволяет на ранней стадии развития рисковых ситуаций принимать своевременные управленческие решения по предотвращению аварий, защиты населения и окружающей среды.

Практическое значение. Выдвигаемые автором технологии могут быть использованы для совершенствования системы мониторинга за состоянием ГТС в условиях развития природных аномалий и определения комплекса управленческих решений по повышению устойчивости гидротехнических объектов, зашиты населения и окружающей среды. Кроме того, предлагаемые в работе методы и методики, могут быть использованы в исследовательских и практических работах по оценке риска аварий на ГТС, а также в учебном процессе при подготовке специалистов по геодезии, дистанционному зондированию и безопасности жизнедеятельности.

Личный вклад автора. За период работы по теме диссертации (с 2002 по 2008 г.) автор принял непосредственное участие:

- в обсуждениях инновационных направлений в области геодезического контроля и идентификации показателей состояния инженерных сооружений и окружающей среды на научных конференциях [6,7];

- в разработке методики оценки риска аварии на ГТС и внедрении ее технологий в методические материалы при обучении студентов по БЖД;

- в практическом использовании методов геодезического контроля для оценки устойчивости инженерных сооружений и конструкций при возведении объектов Метростроя,

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации опубликованы в 7 научных и методических изданиях, 4 из которых в соавторстве, а также ряд научных инновационных направлений апробированы на научных конференциях. Результаты диссертационной работы обсуждены на расширенном заседании кафедры Прикладной экологии МГУГиК и рекомендованы к защите на Ученом совет МГУГиК по специальности «Геоэкология».

Структура и объем работы. Диссертация, объемом 135 страниц, состоит из введения, четырех глав и заключения, с иллюстрациями в виде рисунков -15 ед„ графиков - 4 ед., таблиц - 14 ед., снимков - 13 ед.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Результаты комплексного анализа причин и следствий аварий на ГТС напорного типа; 2. Методика оценки риска аварий на ГТС; 3. Методика наклономериых наблюдений за смещениями оснований ГТС; 4. Результаты эксперимента по оценке последствий возможной аварии на ГТС Истринского водохранилища.

Содержание работы 1. Аварии на гидросооружениях напорного типа

Гидродинамический объект - искусственное гидротехническое сооружение или естественное природное образование, способное при разрушении напорных преград создавать волну прорыва в направлении нижнего бьефа. Волна прорыва и разливающиеся массы воды способны на своем пути движения вызывать человеческие жертвы, разрушать строения и объекты народного хозяйства, наносить материальный ущерб населению и государству и потому является основным фактором в оценке риска аварий на ГТС. Гидродинамические объекты включают: ГТС напорного типа и естественные гидродинамические объекты (рис 1.1).

верхний бьеф

------------Нш*у0_вье1

Рис. 1.1. Схема плотнны гидротехнического сооружения в системе гидроузла, разрез (а), план (б)

где: НГ1У - нормальный поднорныП уровень; 11пП- глубина водоема перед плотиной в верхнем бьефе; 11,ш- шеога плотины; ]1иб- глубина водоема (реки) за плотиной в нижнем бьефе; II -напор гидроузла (Н=11п£г11ци); 1 -ширина водохранилища в створе гидроузла; Л -водохранилище; В - река; ОНХ -объект народною хозяПство; ЗТ - возможная зона затопления; Ь - расстояние от плотины до етвора; ВП - волна прорыва.

Все ГТС являются потенциально опасными источниками поражения (воздействия) на население, объекты экономики и окружающую среду в результате аварийного сброса огромных водных масс.

ГТС в зависимости от степени опасности разрушений и масштабов их последствий подразделяются на 4 класса.

Класс ГТС может определяться: по показателю технического назначения сооружения, по показателю динамических возможностей сооружения и по показателю масштабов народно-хозяйственного назначения (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Класс основных гидродинамических сооружений напорного типа в зависимости от технического назначения сооружения (по данным справочника

ЧСТПЭП, 1990)

Объект шииты Высота сооружения, (м) при их классе

1 2 3 4

Подпорные с юны Л 15 о л ее 40 от 25 до 40 от 15 до25 менее 15

К Более 30 от 20 до 30 от 12 до 20 менее 12

[i Более 25 ог 18 до 25 о г 10 до 18 менее (0

(>i радител ьные сооруже» пен (молы, по л поломы пломбы) Л. В, В Более 25 ог 25 менее 5

Плотны на Лунгиных основаниях Л Более 100 от 75 до 100 от 25 до 75 менее 25

Ь Колее 75 «г 35 до 100 от 15 до 35 менее 15

В Более 50 от 25 до 50 от 15 до 35 менее 15

Плотни бетонные н желешбегопные, подводные конструкции здании гидроэлектростанций. UlllO'lW Л Более 100 от 60 до 100 от 25 до 65 менее 25

Б Более 50 от 25 до 50 от 1Одо25 менее 10

В Более 25 от 20 до 25 от Юдо20 менее 10

В экстремальных условиях гидрологического режима (скоротечный паводок, аварийный сброс вод свыше расположенного по течению реки ГТС и др.) возможны ситуации, когда гидродинамическое воздействие вод превысит расчетные показатели устойчивости и прочности ГТС. Такие отклонения от проектных величии должны быть не более: для сооружений 1 класса - 1% (1 раз в 100 лет), 2 и 3 классов - 5% (1 раз в 20 лет), 4 класса - 10% (I раз в 10 лет). Превышение ветровых волн и ветрового нагона над расчетными для сооружений 1 и 2 классов - 2% и 3,4 класса - 4%.

Установлено, что основными причинами разрушения ГТС являются: горизонтальные подвижки и вертикальные смещения под основанием ГТС. Вовремя не замеченные, они начинают проявляться в снижении устойчивости конструкции, что может привести к аварии или полному разрушению. Из

9

статистического анализа отказов ГТС, произошедших в двадцатом веке на примере 240 аварий, приведенных в таблице 1.2, видно, что большинство отказов плотин произошло в результате паводковых воздействий и чрезмерной проницаемости грунтовых оснований, а также недостаточной прочности сооружения.

Таблица 1.2

Тиблица сгогистпчсского анализа отказов на гидротехнических сооруженных шторного гния на _территории бывшего СССР за период 1990 - 2000 гт.__|

Причинные свойства грушовых оснований Причины ннарнИ

Штатные условия чкенлуиггацпн Паводки СеПсм Другие Всего

Чрезмерная проницаемость 110 6 2 т 120

Деформационная неоднородность 42 2 3 2 49

Недостаточная прочность на СДШ1Г 24 3 4 5 36

Размьшаемость 7 23 - 1 31

Другие 3 - 1 - 4

Всего 186 34 10 10 240

По данным статистического учёта установлено, что чрезмерные фильтрационные расходы, связанные с трещинами плотин в зоне основания, являются причинами 50% всех отказов, в том числе 28% из них сопровождались разрушением плотин

Деформационная прочность оснований бетонных плотин является вторым после проницаемости фактором, определяющим число отказов. Деформации оснований реализуются в динамике осадков, перемещениях грунтов, наклонах пород в основании. Количество отказов, зафиксированных по данному принципу в двадцатом веке, составило 48. Соотношение модулей деформации составляет от 9,8 до 100 раз.

По статистике отказов влияние сейсмических явлений на ГТС занимает 17-е место в зависимости от устройства плотины. Наиболее надёжными являются контрфорсные плотины. В таблице 1.3 показаны весовые критерии отказов ГТС от факторов влияния.

Таблица 1.3

Факторы влияния на отказы работы ГТС_

Факторы влияния Вес ф-ра Время и количество отказов

0 4 10

НеустоПчипость основания 20 30 30

Температура н усадки 12 30 .... ....

Фильтрация н теле плотины 15 .40 ....

Фнлырацпя в основании 14 30 __

Агрессивность поды 12 — а

1 Непременное тморажн ванне 15 — --

Ненраншшиш эксплуатация 1 4

'Землетрясения 3 9 ....

Ратные не выявленные факторы 8 4 —

Материалы статистики эксплуатации гидротехнических сооружений показывают, что с годами начинают появляться естественные динамические процессы в опорных грунтах, приводящие к изменениям деформационной прочности оснований и разрушению плотины. Для повышения эффективности своевременных мер по снижению данного негативного фактора целесообразно применять методы раннего обнаружения процессов сдвига.

Исходя из вышеизложенного, можно определить содержание задач наблюдения за состоянием оснований гидросооружений, это: 1. Установление наличия или отсутствия смещений и определение границ активных зон; 2. Определение наличия и скорости развития смещений по горизонтали и вертикали, а также оценка подвижности различных горизонтов и векторов смещения; 3. Выявление количественных параметров и направлений смещений; 4. Разработка противодеформационных мероприятий и оценка их эффективности.

Последствия прорыва гидродинамического объекта связаны с распространением с большой скоростью воды, создающей угрозу возникновения чрезвычайной техногенной ситуации. Поражающий фактор - волна прорыва, возникающая при разрушении гидротехнического сооружения. Параметры поражающего воздействия волны прорыва: скорость волны прорыва, глубина волны прорыва, температура воды, время существования волны прорыва, Минимальные значения параметров поражающего воздействия волны прорыва (ГОСТ 22.9-03-95), которые сохраняют поражающий эффект: - статическое давление потока воды не менее 0,2 кг/см2 (20 кПа) с продолжительностью действия не менее 0,25 ч и скоростью потока не менее 2 м/с. На параметры волны прорыва влияют как начальные размеры прорана (ширина и глубина), так и интенсивность его размыва, зависящая от плотности сцепления с грунтом и

других качеств материала плотины. Характер воздействия поражающего фактора определяется гидродинамическим давлением потока воды, уровнем и временем затопления, деформацией речного русла, загрязнением гидросферы, почв, грунтов, размыванием и переносом грунтов. Объектами поражающего воздействия волны прорыва могут быть: население, городские и сельские строения, сельскохозяйственные и промышленные объекты, элементы инфраструктуры, домашние и дикие животные, окружающая природная среда. Показатели волны прорыва представлены на схеме (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схема волны прорыва

Ь - уровень реки в момент образования прорана; Инг. - глубина рекн в нижнем бьефе; !1ср - нысота затопления участка местности при его полном формировании; И,,,, -максимальная высота затопления участка местности по етьору;

11м - высота участка местности к уровню поды в реке б межень; Ф -фронт волны прорыва; I. - расстояние от плотины до створа; 11„п - глубина водоема перед илотппоП в момент ее разрушения; I - уклон водной поверхности.

Анализ статистических данных об аварийности на гидросооружениях напорного типа показывает, что основной причиной возникновения экстремальных условий технического состояния гидросооружения являются: изменяющиеся параметры климата (повышение средней годовой температуры воздуха, увеличение объёма осадков), изменение режима поверхностных и подземных вод (подтопление, нарушение баланса сточных вод) и повышение техногенных нагрузок на геоэкологию территории (повышение резонансно -колебательных процессов в верхних слоях грунтов, в зоне действия промышленных предприятий, сейсмических колебаний в зоне проведения подземных выработок).

На основе обобщения большого фактического (статистического) материала

о техническом состоянии и аварийности гидросооружений напорного типа

установлено, что основными причинами отказа (аварийности) являются:

чрезмерная проницаемость грунтов оснований, деформационная

неоднородность оснований и недостаточная прочность оснований на сдвиг.

Поэтому основным объектом исследования аварийности среди всех типов и.

гидросооружений должны быть гидросооружения напорного типа на грунтовых основаниях.

Геоэкологические последствия аварий на гидросооружениях напорного типа определяются величиной гидродинамического давления потока воды, особенно во фронте действия волны прорыва, уровнем и временем затопления, деформацией речного русла, загрязнением гидросферы, почв, размыванием и переносом грунтов.

Показателями последствий поражающего действия волны прорыва являются: число погибших людей; время поражающего воздействия; число разрушенных зданий и сооружений; площадь зоны воздействия; площадь зоны опасного бедствия (эвакуации); экономический ущерб; социальный ущерб; экологический ущерб.

2. Риск аварий на гидротехнических сооружениях

Оценка аварийности ГТС, характеризуется главным образом по степени надежности гидросооружения, а также показателем риска. Анализ и методика оценки риска аварий на ГТС рассматривается исходя из негативного процесса, происходящего на ГТС, сопровождаемого определенной величиной ущерба.

При определении риска последствий аварий на ГТС учитываются многие факторы состояния и уязвимости объекта, которые учитываются в общей методике расчета:

Кс(1Ч)>Р(Ы)-Р(2)-Су(>1)^, где: Р(1^1) - вероятность проявления неблагоприятных событий; -

вероятность нахождения объекта оценки в зоне проявления последствий аварий;Су(Ы) - степень социальной уязвимости определенной группы людей; Ъ - число всех людей.

Методика оценки риска последствий аварий на ГТС может сводиться к определению ущерба от воздействия сбрасываемых вод в пределах территории, на которой реализуется поражающие факторы действия волны прорыва и вод затопления. Расчетной формулой для определения риска гибели людей в зоне проявлений поражающих факторов последствий аварий на гидротехническом сооружении (Я,тс ), может быть произведение вероятностей

реализации факторов события (аварии): RrTC = Ра ■ Р., • Рс ■ N, где: Р„ -вероятность осуществления аварии в результате проявления негативных событий техногенного или природного происхождения, сопровождаемая прорывом плотины. Средний статистический показатель вероятности разрушения плотин различных гидротехнических сооружений Р0 может быть в интервале значений от 0,28х10-2 до 0,2х10-2; Р, - вероятность формирования волны прорыва и зоны затопления с показателями поражающего действия; Рс -вероятность гибели населения в зоне действия волны прорыва и затопления; N-количество людей, находящиеся в зоне действия волны прорыва и затопления.

Величина значения вероятности формирования волны прорыва и зоны затопления с показателями поражающего действия Р3 может зависеть от многих неопределенностей и оцениваться как: Р,,|=0,75; 0,5; 0,25.

Вероятность гибели людей Рс в зоне действия волны прорыва и затопления принимается по среднестатистическому показателю (9,7)-10 ~ 1-10 т.е Рс=М0.

В общем виде средний показатель риска гибели людей в зоне аварии ГТС на грунтовом основании будет иметь вид:

Rnc = 0,24 • 10"2 -0,5 -1 -10 • N или Rm = 1,2 • 10 • N, гибель людей. Согласно методике можно принять риск гибели людей в населенных пунктах сел. типа при высоте гребня волны прорыва Ь=1-2м RIH-IO"4; при h=2-3M R2=l' 10"3; при Ь=3-4м R3=lxl0"2; при Ь>4м R=M0"'. Для ГТС, находящиеся длительное время в эксплуатации, риск аварии может оцениваться через интенсивность технического риска A(t), как аналога интенсивности отказов в теории надежности, т.е.

А( )-"(t + ^t/2)-n(i-Ml2) [N-n(t)]&l

где, N - число работоспособных элементов объекта в начале времени t;

п (t+At/2) и n (t—At/2) - число элементов объекта, переходящих в предельное

состояние от 0 до ti

Набор обстоятельств (не только отказов системы, но и внешних воздействий

на нее), ведущих к аварии, можно проследить с помощью дерева событий. В

отличие от структурных схем и деревьев отказов деревья событий имеют более 14

полное физическое содержание. Анализ дерева событий может дать ответ на вопрос: какие аварийные ситуации могут возникнуть и какие вероятности этих событий? Ответы могут быть получены с помощью анализа потенциальных сценариев аварии. Последовательности потенциальных событий определяются, начиная с исходного события и последующего анализа прочих событий, вплоть до того момента, когда авария либо происходит, либо предотвращается. Дерево рисуется с исходного события. Этим исходным событием является любой фактор, который может привести к отказу какой-либо системы или компонента. В дереве событий исходные события связаны со всеми другими возможными событиями - ветвями, а каждый сценарий представляет собой путь развития аварии, состоящий из набора таких разветвлений.

Определив все исходные события и организовав их в логическую последовательность, можно получить большое число потенциальных сценариев аварии. С помощью анализа дерева событий можно определить пути развития аварии, которые вносят наибольший вклад в риск из-за их высокой вероятности или потенциального ущерба.

Построение дерева событий для конкретных условий функционирования объекта дает возможность: - определить взаимосвязь отказов систем с возможными последствиями аварии; - сократить первоначальный набор потенциальных аварий и ограничить его лишь логически значимыми авариями; - идентифицировать верхние события для анализа дерева отказов.

Пример дерева событий показан на рис. 2.1, что соответствует гипотетической последовательное™ событий при аварии на гидротехническом сооружении при прорыве плотины вследствие переполнения водохранилища паводковыми водами.

ItoKcxMKwpacramie сброса Работоспособность С^ябяп,1нгкмосп»сис?шы Срабшьтгсмосп>спс1цмы паводковых иод системы отвода уровня вод аварийного

ошршт>1осб|Ук.х| Сброса

Финальная перошюстъ собышя

да О,ООП

Да O.OOI

Рис.2.1 Схема последовательности событий при аварии на гидротехнических

сооружениях

Надежность ГТС - это свойство конструкции сохранять свои эксплуатационные качества в пределах, не превышающих показатели воздействия внешних факторов, предусмотренных в проектных решениях, и может выражаться вероятностью безотказной работы сооружения в течение проектного времени эксплуатации, т.е.

С(/) = ехр{-7(/)}, где T(t) функция ресурса сооружения за время t.

Безопасность ГТС - это состояние защищенности всех элементов конструкции и всего сооружения от внешних факторов воздействия, не превышающие их показатели проектных решений за время установления ресурса эксплуатации объекта (срока службы) и выражается вероятностью отказа (аварии) в течение времеии ресурса, т.е.

Г,-,,Л0 = Р{т>г}, где, Т > t - время отказа в течение времени ресурса.

По аналогии с другими опасными объектами, как например АЭС, можно принять в качестве приемлемого риска для гидротехнических сооружений показатель, непревышающий 1-Ю"6 1/год, т.е.

/г,ж <=iо-*.

ГТС относятся к стареющим системам. Фактор старения для каждого

сооружения определяется из особенностей конструкции плотины, состояния

элементов окружающей среды и пр. Для корректировки надежности

безопасности и риска сооружения необходимы специальные контрольные

измерения и наблюдения, среди которых наибольшее значение имеют: ю

| "о .tit»

геодезические контрольные измерения и дистанционные методы контроля за динамикой гидрологического состояния среды в зоне функционирования сооружения.

3. Аэрогеодезические методы идентификации рисковых ситуаций в зоне функционирования ГТС напорного типа

Современные методы дистанционного зондирования позволяют на стадии раннего развития рисковых ситуаций устойчивости ГТС в условиях экстремально изменяющейся внешней среды определять: границы береговой линии водоема и динамику ее изменения, наличие и характер увлажнения почв, и подтопление территорий, динамику движения водных масс и наполнение водоема, характер и зоны затопления, техническое состояние плотины и динамику аварийного сброса вод, наличие и состояние геологических аномалий непосредственного в зоне ГТС (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1

Возможности методов дистанционного зонднрошшнн по идентификации рисковых ситуации п зоне __функционирования гидротехнического сооружения __

Методы Фйктор Причины При шик Си«ктор Факторы При мен

рнскшкШ tí моем.

книшро состояния 1ИЖИ1КМ0НСШШ съемки. ограничения

объекта фактора сшупцнн съемки метода

1ШНМН мкм

Фотосъемка Увеличение Обильные осадки, Увеличение 0,4-0.78 Темное Ограинч

площади водоема. паводки напора вод на (ночное) время С110

н пилимом изменение стенки суток,

лип маю не очертания береткой липни. сооружения, переувлажнение облачность.

грунтов и осно папин плотины.

Увеличение сброса

вод черед водо-

сбросную систему Увеличение

напора вод на

сооружения. стенки сооруже Темное

Разрушение Обильные осадки. пня, тгоплеиис 0,4- 0,78 (ночное) время

плотшш. наводки территории ниже суток, Огранмч сно

бьефа. облачность

Возникновение

волны прорыва,

•щшщение

территории Темное (ночное) премя

Деформация опорных 0,4-0,78 суток, облачность

конструкции

сооружения Огранпч ено

Многозональная Мутиоеп. под Увеличение лив Персу ил ижиение 0,4-0.48 Темное Огранпч

фотосъемка невыч стоков с прилегающей территории грунтов, увели чениеобъема водоема (ночное) время суток сно

Обильные осадки, Повышение на Темное

паводки пора под на степ

(ночное) время

Глубина водоема кн сооружения 0,48-0,64 суток Ограннч

Влажность помп Обильные осадки, паводки Снижение устой чивости OCHO imiuiií плотины 0,7-0,92 Темное (ночное) время суток Ограни чем о

Мул LTUcncic фалы 1ая сьемка Мутность н заг рязненность под Паводки, пром. сбросы, Увеличение напора вод на стенки плотины 0,4-0,8 Темное (ночное)время суток Ограннч ено

Аномалии и береговой линии Обильные осадки, панодки Снижение уст оПчивостн основ лиий пломшы 0,4-0,8 Темное (ночное) время суток Ограннч с но

Влажность почп Обильные осадки, паводки Снижение уст оПчивостн основ a mi И плотны 0,4-0,8 Темное (ночное) время суток Ограни« г ено

Зоны затопления Обильные осад кн. аварийные сбросы Затопление территорий 0.4-0.8 Темное (ночное)время суток Ограннч ено

Инфракрасная (тепловая) съемка Переувлажнение 04 в Обильные осадки, паводки Снижение устой чивости основа iniít плотины 3,0-5,0 8,0-12,0 Ьез ограннче Ш1Я

Техногенные н ливневые сбросы, зрозия почп Деформация грунтов.развитие кирста, суффозии, соли Обильные осадки, павод кн, аварии па пром. объектах Длительные п обильные осадки, сеНсмичес кие аномалии Снижение устойчивости основании плотины Снижение устойчивости основании плотны Я,0-5.0 8,0-12.0 3,0-5,0 Вез oi-pai шче ПИЯ Вез ограннче пня

флюкцнн 8,0-12,0

Радиосъемка Загрязнение вод Паводки, лив певые и техно генные сбросы Увеличение напори вод на CIVHKII плотины 1мм-Юм Ь'ез ограннче ния

Влажность почв Обильные осад кн, паводки Снижение yero йчивостн осно ¡miiiili плогины 1 мм-10м Без ограннче ния

Очертания береговой липни Обильные осадки, паводки Переполнение водоема 1 мм-10м Без ограннче ния

Телевизионная съемка Загрязнение вод Ливневые и аварийные пром. сбросы Увеличение напора вод на стенки плотины 0,5-0,75 Темное время суток, облачность Ограннч ено

Влажность почв Обильные осадки, паводки Снижение устоН чивостн основа нпП плотины 0,5-0,75 Темное время суток, облачность Огрпннч

Очертания береговой лини» водоема Обильные осадки, паводки Переполнение водоема 0,5-0.75 Темное время суток, облачность ено Ограним ено

Лазерная съемка Загрязнение вод Влажность почв Лнпневые н ава рнйныс сбросы Обильные осадки, паводки Увеличение объема вод водоема Снижение уст оЛчипосш OCHO валлЛ плотины 10-720 им 10-720 им Вез ограннче НИИ Без ограниче ни»

Наибольшей информативностью по идентификации рисковой ситуации в зоне функционирования ГТС обладают такие методы дистанционного зондирования как: инфракрасная (тепловая) съемка и съемка в видимом диапазоне спектра. Вследствие возможного проявления различных негативных факторов природного и техногенного происхождения, изменяющих прочностные характеристики сооружения, отдельные элементы сооружения могут испытывать различного рода деформации. Для установления причин и прогноза развития этих деформаций применяются геодезические методы наблюдения за деформациями. Наиболее распространены геодезические наблюдения за вертикальными смещениями (осадками). Состояние сооружения оценивают по величинам деформаций, наблюдаемых во времени по положению контрольных точек, фиксированных в характерных местах гидросооружения. Мониторинг технического состояния несущих конструкций плотин осуществляется с целью обеспечения их безопасного функционирования и является основой эксплуатационных работ на этих объектах.

Исследованиями установлено, что из всех методов геодезического контроля за деформациями в конструкции гидротехнического сооружения наиболее перспективным является наклоиомерпый метод радиоактивных реперов, позволяющий получать показатели горизонтального смещения, как по величине, так и по глубине их проявления.

Для достижения наибольшей эффективности в раннем обнаружении деформационных процессов в основании плотины разработана методика наклономерных наблюдений за смещениями в основании сооружения. Согласно этой методики в основание ГТС и вокруг него закладывается сеть наклономерных станций и реперов, с помощью которых определяются вектора смещения основания сооружения по границам скольжения, а также количественные величины и направления смещений.

В целях практической реализации методики наклономерных наблюдений предлагается метод оценки точности и достоверности измерений и рекомендации по его применению.

Комплексное применение методов дистанциониого зондирования и геодезических измерений позволяет достичь максимальных результатов раннего обнаружении рисковых ситуаций в зоне функционирования ГТС и своевременно принимать управленческие решения на снятие напряженности в развитии риска.

4. Оценка риска последствий возможной аварии на гидротехническом сооружении Истринского водохранилища

(Экспериментальная часть) Истринское водохранилище создано в целях водоснабжения столицы в

1935 г. на р. Истре, притоке Москвы реки, в 70 км от его устья. Площадь - 3360

га, максимальная глубина у плотины — 23 м (см рис. 4.1 и 4.3).

Рис. 4.1 Общий вид плотины

Гидрологическая обстановки на территории функционирования Истринского гидроузла оценивалась по материалам космических снимков Ьапёзаь7 участка территории Истринского и Рузского районов Московской области в диапазонах 0,45-0,52 мкм, 0,52-0,60 мкм, 0,63-0,69 мкм, 0,76-0,90 мкм., 1,55-1,75 мкм., 2,08-2,35 мкм.

На снимках исследовались возможности определения участков подтопления путем автоматизированного дешифрирования. Для решения этой задачи было проведено полевое изучение местности с целью определения тестовых участков классов объектов, присутствующих на снимках (см. рис 4.2). Согласно проведенным расчетам установлено, что в процессе возможной аварии напор потока воды во фронте волны прорыва не достигает 2 м/с и поэтому не может рассматриваться как фактор гибели людей. Вместе с тем, расчетная высота гребня волны прорыва от 1м и выше сохраняется в потоке до линии створа №4, что позволяет оценивать риск гибели людей равной Я = от 1-Ю"4 до МО"3 т.е. 12 человека. 20

Рис. 4.2 Космические зональные снимки Ь»[и($а1-7

Рис. 4.3 Карта Истринского водохранилища и карта зоны возможного затопления

Проведенный эксперимент по геоэкологической оценке последствий возможной аварии на гидросооружении Истриннского водохранилища (см, рис 4.3) показал хорошую технологичность предлагаемой методики оценки риска последствий аварии на гидротехническом сооружении.

Заключение

1. Аварии на гидросооружениях напорного типа характеризуются масштабными воздействиями ниспадающих огромных водных масс на больших территориях, сопровождаемые: гибелью людей; разрушением жилых строений, промышленных объектов и элементов инфраструктуры; уничтожением и деградацией сельскохозяйственных угодий, ландшафта и пр,

2. Формируемая тенденция роста аварий на гидросооружениях напорного типа обусловлена изменяющимися параметрами климата (повышение средней глобальной температуры воздуха, увеличение объема осадков, таяние ледников) и, как следствие, - изменение гидрологического режима поверхностных и подземных вод (переувлажнение почв, подтопление, заболачивание, нарушение баланса сточных вод), а также повышением техногенных нагрузок на геоэкологию территории (повышение сейсморезоиансных колебаний в зоне функционирования промышленных предприятий и горных выработок). Все эти факторы, определяющие объемы и характер воздействия на устойчивость гидротехнических сооружений, как по отдельности, так и в сумме превышают проектные показатели, установленные для их эксплуатации в условиях предыдущих лет (50 лет и более).

3. Наибольшей опасности возникновения и развития аварийной ситуации подвержены гидросооружения напорного типа на грунтовых основаниях в зоне переувлажнения и экстремальных погодных условий, сопровождаемых обильными осадками и паводками.

4. Поражающими факторами аварии на гидросооружениях напорного типа являются: волна прорыва и затопление территории.

5. Риск аварий на гидротехнических сооружениях - есть вероятностный ущерб, реализуемый в зоне поражающего действия волны прорыва и затопления, возникающих в результате разрушения плотины под воздействием неблагоприятных факторов, формируемых экстремальными показателями состояния окружающей среды (обильные и длительные осадки, паводки, сейсмические явления и геологические аномалии). На основе моделирования процессов вероятностного развития разрушения плотины и действия

поражающих факторов аварии разработана методика оценки риска последствий аварии на гидротехническом сооружении напорного типа, позволяющая оценивать ущерб от поражающего действия волны прорыва и вод затопления (гибель людей и материальных ценностей, деградирование природных объектов).

6. На основе изучения возможных процессов формирования и развития рисковых ситуаций на территории функционирования гидротехнического сооружения установлены основные идентификационные пути решения проблем но их оценке при использовании дистанционного зондирования и геодезического контроля динамики грунтов.

7. Наибольшей информативностью по идентификации показателей рисковых ситуаций в районе функционирования гидротехнического сооружения и непосредственно на самом сооружении на стадии раннего обнаружения являются возможности аэрокосмической съемки в видимом диапазоне и в инфракрасном (тепловом) спектре, а на стадии снижения устойчивости сооружения - наклономерный метод геодезического контроля.

8. В целях получения практических рекомендаций по использованию метода наклоиомерных измерений разработана методика наклономерных наблюдений за смещениями в основании плотины, учитывающая геофизику грунтов в основании плотины и местные особенности гидрологического режима поверхностных и грунтовых вод, дающая измерения в непрерывном режиме.

Основное содержание диссертационного исследования автора отражено в следующих публикациях Периодические издания рекомендованные ВАК

1. Кроличенко В.В. Кроличенко В.Ф, Определение осадки инженерных сооружений и горных выработок методом наклономерных наблюдений. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка № 1. 2001г. стр. 21.

2. Кроличенко В.В. Социальные последствия аварий плотин и катастрофических паводков. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка №1. 2006г. стр.61.

20 71

3. Кроличенко В.В. Кроличенко О.В. Методы и средства контроля устойчивости гидротехнических сооружений. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка №3. 2006г. стр. 37.

4. Кроличенко В.В. Методы наблюдения за смещением грунтов на гидродинамических объектах. Сборник научных трудов студентов и аспирантов Московского региона посвященных «дню защиты от экологической опасности М.0.»2003г. стр. 83-86.

5. Кроличенко В.В. Кроличенко В.Ф. Кроличенко О.В. Причины вызывающие смещение горных пород и влияние гидрологических факторов на их устойчивость. Россия. Москва. Строительство и недвижимость, экспертиза и оценка. Прага. Ноябрь 2006 г.

6. Кроличенко В.В. Оценка риска последствий аварий на гидросооружениях. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка №2. 2006г. стр. 42.

7. Кроличенко В.В., Кроличенко О.В. Дешифрирование участков подтопления по данным многозональной съемки Ьапс18а1>7 территории Истринского и Рузского районов Московской области. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка №2. 2008г. стр. 156.

Подписано в печать 17.09.2009. Гарнитура ТаПмс Формат 60x00/16. Бумага офсетная. Почать офсетная. Объем 1,5 усл. печ. л. Тираж 80 зет. Заказ ЛЬ244 Цена договорная Отпечатано в типографии МИИГАнК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

2008153264