Тема: Расчет характеристик прорана в грунтовых плотинах и максимальных расходов при переливе водохранилищ

Водохранилища, подпруженные грунтовыми плотинами, распространены по всему земному шару и в России, в частности, так как они довольно дешевы с точки зрения строительства. Однако, большинство таких плотин, будучи построены еще в прошлом веке, находятся в аварийном состоянии, либо были нарушения при проектировании, которые не учли возможность перелива. Данные аспекты становятся причинами масштабных катастрофических паводков в результате перелива водохранилища через гребень плотины, которые наносят значительный материальный ущерб близлежащим территориям и уносят множество людских жизней.
Одной из основных особенностей перелива через грунтовую плотину является формирования прорана - промоины при прорыве водным потоком напорного гидротехнического сооружения, например, дамбы или земляной плотины. Формирование и увеличение прорана ведет за собой сброс воды из водохранилища и его последующее опорожнение. Описание этого процесса дает возможность получить картину опорожнения водохранилища, а также максимальных расходов воды во время сброса воды. Однако же большинство методик, призванных описывать данный процесс, имеет ряд недостатков, связанных неточностью описания данного процесса.
Цель данной работы - дать оценку существующим способам и методам расчета характеристик прорана и максимальных расходов при переливе водохранилища с грунтовой плотиной и на основе данной оценке провести расчеты по выбранным объектам. В рамках данной цели были поставлены следующие задачи:
• Создание информационной базы случаев прорыва водохранилищ при переливе грунтовой плотины, в которую входят площадь и объем резервуара, высота дамбы и длина по гребню, а также ширина образовавшегося прорана, объем паводка и максимальный расход воды;
• Выделение основных этапов процесса образования прорана и факторов, на него влияющих;
• Аналитический обзор существующих способов расчета характеристик прорана и максимальных расходов воды при прорыве водохранилищ;
• Расчет гидравлико-морфометрических характеристик прорана и
максимальных расходов воды по выбранным методикам на основе собранных данных о случаях прорывов водохранилищ и анализ полученных результатов;
• Формулировка альтернативных подходов к расчету характеристик прорана на основе анализа процесса формирования прорана;
• На основе выполненных задач сформулировать основные выводы по работе.

Купить

В заключении стоит отметить, что основную цель данной работы можно считать достигнутой. В ходе исследовательской работы были проанализированы существующие способы и методы расчета характеристик прорана и максимальных расходов воды. Условно их можно определить в 4 группы: руководящие документы, концептуальные расчетные методы,
детерминированные модели на основе систем дифференциальных уравнений с включением блока эрозионного размыва и стохастические методы оценки устойчивости грунтовой плотины. В ходе этого анализа были выявлены недостатки этих методов. Особый акцент делался на руководящих документах, так как они используются при проектировании гидротехнических сооружений. Основными их недостатками можно считать недоучет формирования прорана как в случае с ПМП, где данный процесс выражается коэффициентом, учитывающим отношение ширины прорана к длине плотины. Для РД 03-607-03 характерно использование эмпирических соотношений, которые имеют довольно узкий диапазон использования, а также недоучет связи между формированием прорана и сбросом воды, выражающейся в том, увеличение сброса воды влияет на изменение характеристик прорана, а увеличение характеристик прорана, в свою очередь, влияет на увеличение сброса воды, что при непосредственном использовании выражается в обособленности расчете изменения морфометрических характеристик прорана. Также была собрана информация о некоторых случаях прорыва водохранилищ в результате перелива через грунтовую плотину и рассчитаны необходимые характеристики по выбранным методикам. Собранные и рассчитанные данные позволили в дальнейшем проводить расчет по выбранным методикам и проводить сравнение рассчитанных и наблюденных значений.
Для расчета были выбраны следующие методики: ПМП, РД 03 -607-03 и модель прорыва озера подпруженного ледником Ю.Б. Виноградова. Использование методик позволило получить расчетные значения, которые сравнивались с наблюденными значениями. Произведено обсуждение результатов на основе которых для рассчитанных значений выявлены основные нюансы, связанные с особенностями использованных методов. Недостатки, которые были выявлены в ходе анализа, во многом, повлияли на расхождение рассчитанных и наблюденных значений. В большей степени это характерно для ПМП. В частности, использование условного эмпирического коэффициента для получения возможной ширины прорана являлось довольно неточным, что сказывалось на расхождении в наблюденных и рассчитанных значениях, а также в полученных значениях расходов воды. Наиболее удовлетворительные результаты были получены по модели Ю.Б. Виноградова, что связано с особенностями заложенных в модели уравнений, которые описывают физику процесса, и с тем, что начальные параметры для расчета по модели задавались максимально приближенными к случаю грунтовой плотин. Также в большинстве выбранных случаев довольно близкие значения давала методика РД 03-607-03. Расчетная схема включала в себя расчет характеристик прорана, характеристик грунта и потока, что во многом и определило близость значений. Тем не менее, для некоторых случаев значения имели расхождения. Это связано с обособленностью расчета характеристик прорана и изменений объемов и расходов воды, т.е. изменение гидравлико-морфометрических характеристик прорана никак не зависит от истечения воды из водохранилища и от рассчитываемых характеристик грунта. В данном случае это не совсем верно, так как связь между изменением характеристик прорана и изменением объема воды в водохранилище работает в обе стороны, что было подробно указано выше. Кроме того, были предложены альтернативные подходы возможного математического описания процесса образования прорана на основе выявленных этапов процесса и основных факторов. В первом приближении преимуществом этих вариантов является возможный учет связи между процессом размыва прорана и сбросом воды, а также учет сил внешнего воздействия, а именно динамических характеристик потока, и сил сопротивления грунта, зависящих от сцепления грунта и угла внутреннего трения.
Формирование и последующее развитие прорана - один из ключевых факторов, влияющих на опорожнение водохранилища при переливе. Ключ к пониманию этого процесса - понимание того, каким образом истечение воды влияет на вынос материала из прорана. В дальнейшем это позволит создать наиболее приближенную модель формирования прорана, что поможет в прогнозировании подобных явлений как в процессе проектирования грунтовой плотины, так и во время эксплуатации уже имеющихся водохранилищ.

Купить