Безопасность гидротехнических сооружений

Ответственность за обеспечение безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) отмечается в Федеральном законе "О безопасности гидротехнических сооружений" от 21.07.97 № 117–ФЗ.

Аварии с разрушением (прорывом) гидротехнических сооружений, к которым относятся плотины, водозаборные и водосборные сооружения, запруды, водохранилища, шламохранилища, накопители отходов и др., могут происходить в результате действия сил природы, воздействия человека или недостатков конструктивных и проектных работ.

По ГОСТ Р 22.0.005–94: гидротехническая авария – авария на гидротехническом сооружении, связанная с распространением с большой скоростью воды и создающая угрозу возникновения техногенной чрезвычайной ситуации.

Вследствие прорыва гидротехнических сооружений происходит катастрофическое затопление местности, сопровождающееся стремительным затоплением волной прорыва нижерасположенной местности и возникновением наводнения.

В зоне возможного затопления могут иметь место потери людей, разрушения различного рода объектов и уничтожение других материальных ценностей. Прогнозирование последствий таких аварий заключается в определении параметров волны прорыва и ее воздействия на объекты.

В зависимости от напора нижнего бьефа плотины подразделяются: Н – Н_б < 10м – низконапорные; 40 > Н - Н_б >10м – средненапорные; Н - Н_б > 40м – высоконапорные (рис. 3.1).

При разрушении плотины образуется волна прорыва, параметры которой зависят от:

· объема водохранилища W, млн. тонн;

· площади зеркала водохранилища S, км²;

· глубины водохранилища Н, м;

· ширины водохранилища у гидроузла В, м.

Рис. 3.1. Характеристика плотины

Основными параметрами волны прорыва, определяющими последствия гидродинамических аварий являются: максимальная высота и скорость волны прорыва; время прихода гребня и фронта волны прорыва в соответствующий створ; границы зоны возможного затопления; максимальная глубина затопления конкретного участка местности; длительность затопления территории.

Параметры затопления зависят от размеров водохранилища, напора волн и других характеристик конкретного гидроузла, а также от гидрологических и топографических особенностей местности.

Очагом поражения при затоплении называется территория, в пределах которой произошли затопления местности, повреждения и разрушения зданий, сооружений и других объектов, сопровождающиеся поражениями и гибелью людей, животных, урожая сельскохозяйственных культур, порчей и уничтожением сырья, топлива, продуктов питания и т.д.

Для оценки возможной обстановки при аварии определяют: параметры зоны затопления (перемещение частиц породы, размывание грунтов, гидродинамическое давление потока воды, затопление территории и др.); количество населения и сельскохозяйственных животных попавшего в зону затопления; протяженность затопленных или разрушенных дорог, а также количество затопленных зданий и сооружений; экономический, социальный ущерб и др.

При определения параметров очага поражения вычисляют:

1. Время прихода волны пропуска на заданные расстояния, ч

,

где R - заданное расстояние от плотины, км; V - средняя скорость движения волны пропуска, м/с.

2. По таблице 3.1 находят формулу для определения высоты волны пропуска на заданных расстояниях Н_пр, м.

Таблица 3.1

Ориентировочная высота пропуска и продолжительность ее прохождения на различных расстояниях от плотины

Наименование параметров	Расстояние от плотины, км
Высота волны пропуска, Hпр, м	0,25Н	0,2Н	0,15Н	0,07Н	0,05Н	0,03Н	0,02Н
Продолжительность прохождения волны пропуска, t, ч	Т	1,7Т	2,6Т	4Т	5Т	6Т	7Т

3. Время опорожнения водохранилища, ч

,

где W – объем водохранилища, м³; В – ширина проран или участка перелива воды через гребень плотины, м; N – максимальный расход воды на 1 м ширины прорана (участка перелива воды через гребень плотины), м³/с·м, ориентировочно равный значениям, приведенным в таблице 3.2.

4. Продолжительность прохождения волны пропуска на заданном расстоянии t, ч, находится по формулам в соответствии с табл. 3.1.

Таблица 3.2

Максимальный расход воды на 1 м ширины прорыва

Глубина прорана Н, м
N, м/c*м

5. По таблицам П.4 и П.5 дают оценку характера воздействия волны прорыва и характеристику возможных разрушений и повреждений на промышленном объекте при возникновении аварийной ситуации.

Молниезащита

Молниезащита – это комплекс защитных конструктивных элементов, предназначенных для обеспечения безопасности людей и животных, сохранности зданий и сооружений от взрывов и пожаров при воздействии молнии.

Мероприятия по защите от молний определяются СО 153–34.21.122–2003. Молниезащита.

Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система – МЗС) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы – стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов) или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью.

Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта.

Конструктивно молниезащита выполняется в виде молниеприёмника (стержневые, тросовые, комбинированные, сетчатые), несущей конструкции, токоотвода, заземлителя.

Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов (спусков) и растекаются в земле.

Наиболее просты в исполнении одиночные стержневые и одиночные тросовые молниеприёмники высотой до 150 м. В случае большой протяжённости или высоты зданий применяются двойные молниеотводы. Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины L_max. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные. L_max рассчитывается по эмпирическим формулам в зависимости от высоты молниеприёмника и надёжности защиты. Для защиты объектов высотой менее 30 м тросовые молниеотводы выполняют замкнутыми.

Молниезащита здания заданных габаритов обеспечивается при размещении его внутри зоны защиты, расчёты параметров которой приведены далее.

Защищаемые объекты могут подразделяться на обычные и специальные.

Обычные объекты - жилые и административные строения, а также здания и сооружения высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства (жилые дома, больницы, детские сады, музеи и т. д.).

Специальные объекты:

объекты, представляющие опасность для непосредственного окружения(нефтеперерабатывающие предприятия, химические производства);

объекты, представляющие опасность для социальной и физической окружающей среды (объекты, которые при поражении молнией могут вызвать вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы).

прочие объекты, для которых может предусматриваться специальная молниезащита, например строения высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.

К двум первым типам одновременно можно отнести котельные, электробойлерные, фабрики, комбинаты и пр.

При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ). Например, для обычных объектов может быть предложено четыре уровня надежности защиты, указанные в табл. 3.3.

Для специальных объектов минимально допустимый уровень надежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9–0,999 в зависимости от степени его общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от ПУМ по согласованию с органами государственного контроля.

Таблица 3.3

Уровни защиты от ПУМ для обычных объектов

Уровень защиты	Надежность защиты от ПУМ
I	0,98
II	0,95
III	0,90
IV	0,80

В общем случае выбор молниеотводов должен производиться при помощи соответствующих компьютерных программ, способных вычислять зоны защиты или вероятность прорыва молнии в объект (группу объектов) любой конфигурации при произвольном расположении практически любого числа молниеотводов различных типов.

При прочих равных условиях высоту молниеотводов можно снизить, если вместо стержневых конструкций применять тросовые, особенно при их подвеске по внешнему периметру объекта.

В случае проектирования молниезащиты для обычного объекта возможно определение зон защиты по защитному углу или методом катящейся сферы согласно стандарту Международной электротехнической комиссии (IEC 1024) при условии, что расчетные требования Международной электротехнической комиссии оказываются более жесткими, чем требования СО 153– 34.21.122–2003.

3.2.1 Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h является круговой конус высотой h₀ < h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (рис. 3.2). Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h₀ и радиусом конуса на уровне земли r₀.

Рис. 3.2. Одиночный стержневой молниеотвод:

1 – граница зоны защиты на уровне земли;

2 – граница зоны защиты на высоте h_x

Приведенные ниже расчетные формулы пригодны для молниеотводов высотой до 150 м. Рассмотрены надёжности защиты Р_з=0,9 и Р_з=0,99. При более высоких молниеотводах или других Р_з следует пользоваться специальной методикой расчета.

В случае надёжности защиты Р_з=0,9

а) при высоте молниеотвода h от 0 до 100 м:

; .

Здесь все параметры рассчитываются в «м».

б) при высоте молниеотвода h от 100 до 150 м:

; .

В случае надёжности защиты Р_з=0,99

а) при высоте молниеотвода h от 0 до 30 м:

; ;

б ) при высоте молниеотвода h от 30 до 100 м:

; ;

в) при высоте молниеотвода h от 100 до 150 м:

; .

Для зоны защиты требуемой надежности (рис. 3.2) радиус горизонтального сечения r_х на высоте h_x определяется по формуле:

3.2.2 Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ограничены симметричными двускатными поверхностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте h₀ < h и основанием на уровне земли 2r₀ (рис. 3.3).

Приведенные ниже расчетные формулы пригодны для молниеотводов высотой до 150 м. Как и в предыдущем пункте, рассматриваются два уровня надёжности защиты. При большей высоте следует пользоваться специальным программным обеспечением. Здесь и далее под h понимается минимальная высота троса над уровнем земли (с учетом провеса).

В случае надёжности защиты Р_з=0,9

; .

В случае надёжности защиты Р_з=0,99

а) при высоте молниеотвода h от 0 до 30 м:

; ;

б) при высоте молниеотвода h от 30 до 100 м:

; ;

в) при высоте молниеотвода h от 100 до 150 м:

; ;

Полуширина r_x зоны защиты требуемой надежности на высоте h_x от поверхности земли определяется выражением:

При необходимости расширить защищаемый объем к торцам зоны защиты собственно тросового молниеотвода могут добавляться зоны защиты несущих опор, которые рассчитываются по формулам одиночных стержневых молниеотводов, представленным выше.

Задачи

Задача 1.Рассчитать молниезащиту мыловаренного цеха (специальный объект) тросовым молниеотводом и полуширину зоны защиты на высоте 35 м от поверхности земли. Принять оба регламентируемых уровня надежности и высоту молниеотвода 120 м. Изобразить схему молниезащиты.

Задача 2.Определить параметры волны пропуска на расстоянии от плотины 25 км. Объем водохранилища W=70 млн м³, ширина прорана В=100 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=50 м, средняя скорость движения волны пропуска V=5 м/с. Дать оценку разрушения волной прорыва зданий и сооружений в соответствии с табл. П.4, П.5.

Задача 3.Рассчитать молниезащиту промежуточного склада химических реагентов открытого хранения, расположенного в г. Красноярске одиночным стержневым молниеотводом высотой 20 и 120 м. Определить радиус горизонтального сечения на высоте 15 и 100 м. соответственно Требуемая надёжность 0,9.

Задача 4.Административное здание расположено в г. Москве. Обеспечить третий уровень молниезащиты одиночным стержневым и тросовым молниеотводом высотой 90 м. Оценить r_х на высоте h_x =67 м и нарисовать схему молниезащиты.

Задача 5.Объем водохранилища W=75 млн м³, ширина прорана волной В=65 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=50 м, средняя скорость движения волны пропуска V=4,5 м/с. Определить параметры волны пропуска на расстоянии от плотины 50 км. Дать оценку разрушения волной прорыва зданий и сооружений в соответствии с табл. П.4, П.5.

Задача 6.Склад хранения аммиачной продукции защищён одиночным стержневым молниеотводом. Рассчитать его молниезащиту надёжностью 0,99 при h=80, 135 м и радиус горизонтального сечения на высоте 110 м для второго случая. Схематично изобразить конструктивные элементы.

Задача 7.Рассчитать молниезащиту конюшни на известный уровень надёжности одиночным тросовым молниеотводом с h=50 м. Определить также полуширину зоны защиты на высоте 25 и 38 м от поверхности земли.

Задача 8.Определить параметры волны пропуска на расстоянии от плотины 10 км. Объем водохранилища W=65 млн м³, ширина прорана В=45 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=30 м, средняя скорость движения волны пропуска V=3,5 м/с. Дать оценку разрушения волной прорыва зданий и сооружений в соответствии с табл. П.4, П.5.

Задача 9.Котельная, работающая на угле, относится к специальным объектам по молниезащите. Рассчитать её молниезащиту, если известна высота одиночного стержневого молниеотвода равная 47 м. Требуется обеспечить надёжность 0,99 и определить радиус горизонтального сечения на высоте 20 и 40 м. Схематично изобразить конструктивные элементы.

Задача 10. Рассчитать молниезащиту книгохранилища одиночным стержневым молниеотводом, приняв третий и максимальный уровень надёжности. Высота молниеотвода 138 м. Оценить r_х на высоте h_x =50 м и нарисовать схему молниезащиты.

Задача 11.Определить параметры волны пропуска на расстоянии от плотины 40 км. Объем водохранилища W=85 млн м³, ширина прорана В=95 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=40 м, средняя скорость движения волны пропуска V=4 м/с. Дать оценку разрушения волной прорыва зданий и сооружений в соответствии с табл. П.4, П.5.

Задача 12.Цех по производству ёлочных игрушек (специальные объекты) и склад хранения находятся в г. Великий Устюг. Рассчитать молниезащиту этих объектов одиночным тросовым молниеотводом с максимальной надёжностью. Геометрические параметры молниеотводов: h=118 и 25 м соответственно. Нарисовать схему.

Задача 13.Рассчитать молниезащиту деревообрабатывающего комбината одиночным тросовым и стержневым молниеотводами с надёжностью 0,9. Принять высоту молниеотводов 70 м. Определить полуширину зоны защиты на высоте 57 и 65 м от поверхности земли для тросовых молниетводов.

Задача 14.Определить параметры волны пропуска на расстоянии от плотины 30 км. Объем водохранилища W=100 млн м³, ширина прорана В=85 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=45 м, средняя скорость движения волны пропуска V=4,5 м/с. Дать оценку разрушения волной прорыва зданий и сооружений в соответствии с табл. П.4, П.5.

Задача 15.Рассчитать молниезащиту электробойлерной одиночным стержневым молниеотводом. Принять надёжность защиты 0,99, высоту молниеотвода а) 90, б) 115 м. Оценить r_х варианта б) молниеотвода при h_x =75 м, изобразить схему.

Задача 16.Лаборатория по испытанию горючих материалов защищается тросовым молниеотводом. Рассчитать её молниезащиту, если h=111 м. Принять обе регламентируемые степени надёжности. Изобразить схему молниезащиты. Определить также полуширину зоны защиты на высоте 15 м от поверхности земли.

Задача 17.Определить параметры волны пропуска на расстоянии от плотины 75 км. Объем водохранилища W=100 млн м³, ширина прорана В=85 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=45 м, средняя скорость движения волны пропуска V=4,5 м/с. Дать оценку разрушения волной прорыва зданий и сооружений в соответствии с табл. П.4, П.5.

Задача 18.Мукомольная фабрика находится в г. Санкт-Петербурге и отнесена к специальным объектам. Рассчитать её молниезащиту надёжностью 0,99, если высота одиночного стержневого и тросового молниетвода равна 132 м. Необходимо также определить радиус горизонтального сечения и полуширину зоны защиты на высоте 102 м.

Задача 19.Объем водохранилища W=90 млн м³, ширина прорана волной В=55 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=15 м, средняя скорость движения волны пропуска V = 4 м/с. Определить параметры волны пропуска на расстоянии от плотины 35 км. Дать оценку разрушения волной прорыва зданий и сооружений в соответствии с табл. П.4, П.5.

Задача 20.Жилой 25-этажный домтребуется защитить от ПУМ с надёжностью 0,9 одиночным стержневым молниеотводом высотой 125 м. Схематично изобразить молниезащиту. Рассчитать также радиус горизонтального сечения защиты для 10-го, 15-го и 18-го этажей (высоту этажа условно принять 3 м.