Опасные факторы
1. Рассчитать параметры волны прорыва в
результате гидротехнической аварии, время прихода гребня и фронта волны, а
также последствия её воздействия на прилегающие территории. Определить долю
повреждённых объектов на затопленной территории. Графически изобразить
зависимость доли повреждённых объектов одного типа от продолжительности
затопления
Необходимые исходные данные взять из таблицы 1.1 методики
согласно заданию.
Исходные данные для расчёта:
Но =80 м. - высота уровня в верхнем бьефе плотины;
В =1 - безразмерный параметр прорана;
i =10-4 - гидравлический уклон реки;
L =5 км. - удалённость створа объекта от ГТС, км;
hм 2,0 м. - высота местоположения объекта над
уровнем воды, м;
hо 4,0 м. - глубина реки в нижнем бьефе, м.
Таблица 1.1
|
Номер варианта
|
Но, м
|
В
|
i
|
L, км
|
hм, м
|
hо, м
|
повреждённый
объект
|
|
61
|
80
|
1
|
10-4
|
5
|
2,0
|
4,0
|
телефонная
связь
|
Примечание: 1) если в ходе расчёта соотношение (i∙L)/Ho выходит за пределы
диапазона значений или не равно хотя бы одному из значений, приводимых в табл.
1.3 методики, то коэффициент β определяется графическим
путём методом линейной интерполяции на основании известных значений,
приведённых в таблице 1.3. Аналогичным образом следует поступать в случае
несоблюдения равенства Н0 = 10∙h0 или Н0 = 20∙h0;
) если согласно расчётам hм > h, то время затопления τзат следует рассчитывать для соотношения hм / h = 0,5.
Решение
При разрушении гидротехнических сооружений (плотин, запруд и
т.п.) (ГТС) и при недостаточном водосбросе (перелив воды через гребень плотины)
образуется волна прорыва, характеризуемая высотой гребня h и скоростью υ, которые для заданного удаления от места аварии определяются по
формулам:
, м; 
, м/с (1.1)
где L - удаление рассматриваемого створа от
плотины, м;
В нашем случае L= 5000 м.
Ah, Bh, Av, Bv - коэффициенты, зависящие от высоты
уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды водохранилища) Н0,
м, гидравлического уклона реки i (превышение
в метрах высоты уровня реки на 1000 м длины) и параметров прорана в
безразмерном виде В (проран - узкий проток в теле плотины), значения
которых приведены в табл. 1.2.
Для
нашего случая:
Таблица
1.2. Значения коэффициентов А и В
|
Н0,
м
|
В
|
Значения
коэффициентов А и В при уклонах
|
|
|
i =
1∙10-4
|
|
|
Аh
|
Вh
|
Аv
|
Вv
|
|
80
|
1
|
720
|
286
|
39
|
12
|
=
= 9,9 м;
=
= 0,55 м/с.
Время прихода гребня tгр, час, и
фронта tф, час., волны прорыва определяются по табл. 1.3 в зависимости от Н0,
и удалённости створа объекта от ГТС L, км.
Таблица
1.3. Время прихода гребня tгр, час., и фронта tф, час., волны прорыва
|
L, км
|
Н0=80
|
|
i =
10-4
|
|
tФ
|
tгр
|
|
5
|
0,1
|
1,1
|
Продолжительность затопления территории объекта tзат определяется по формуле:
, час. (1.2)
где b - коэффициент,
зависящий от высоты плотины Нп, м, гидравлического уклона реки i и расстояния до объекта L, км (табл. 1.4);
hм - высота
местоположения объекта, м.
Н0 / h0 = 80/ 4 =20
(i∙L)/Н0 = (10-4 ∙ 5000)/80 =0,00625
Таблица
1.4. Значения коэффициента b
|
(i∙L)/Н0
|
Высота плотины
Н0 в долях от средней глубины реки в нижнем бьефе (h0)
|
|
Н0 =
10∙h0
|
Н0 =
20∙h0
|
|
0,05
|
18,0
|
|
0,1
|
14,0
|
16,0
|
|
0,2
|
12,5
|
14,0
|
|
0,4
|
11,0
|
12,0
|
Так как в ходе расчёта соотношение (i∙L)/Ho выходит за пределы
диапазона значений или не равно хотя бы одному из значений, приводимых в табл.
1.3 методики, то коэффициент β определяемся графическим
путём методом линейной интерполяции на основании известных значений (Рис. 1.1.)
b= 24
=
=12 час.
Графически изобразить зависимость доли повреждённых объектов
одного типа (из табл. 2.2 методики согласно заданию) от продолжительности
затопления.
Таблица
1.5. Доля поврежденных объектов (%) на затопленных площадях при крупных
наводнениях (υз= 3-4 м/с)
|
Объект
|
Часы
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
24
|
48
|
|
Прекращение
телефонной связи
|
75
|
85
|
100
|
100
|
100
|
100
|
Примечание: при υз = 1,5 - 2,5 м/с приведенные в таблице значения умножить на
0,6; при υз = 4,5-5,5 м/с - умножить
на 1,4.
При перемножении на соответствующий коэффициент и применения
графического пути метода линейной интерполяции (Рис. 1.2) получим следующую
таблицу.
Таблица
1.6. Доля поврежденных объектов (%) на затопленных площадях при крупных
наводнениях (υз= 1,15 м/с)
|
Объект
|
Часы
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
24
|
|
Прекращение
телефонной связи
|
45
|
51
|
60
|
73,5
|
94,5
|
100
|
Повреждение объекта при 12 часовом затоплении составит 100%.
2. Рассчитать глубину затопления hз и скорость затопления υз территории при возникновении половодья
(паводка). Определить долю повреждённых объектов на затопленных площадях.
Графически изобразить зависимость доли повреждённых объектов одного типа от
продолжительности затопления
авария поврежденный затопление гидротехнический
Исходные данные для расчёта:
hо = 11 м. - глубина реки в нижнем бьефе, м;
bo 150 м. - ширина реки до наступления паводка, м;
hм 1,2 м. - высота местоположения объекта над
уровнем воды, м;
m=10,4; n =7,0 - углы наклона берегов реки, град.;
ao =0 - ширина дна реки, м
(для трапецеидальных русел);
υо =1,7 - скорость воды в
реке до наступления паводка, м/с;
J =35- интенсивность осадков (или таяния снега), мм/час;
F =270 - площадь выпадения осадков (таяния снега), км2;
f - параметр удаленности объекта от русла реки
Mmax =1,25 - максимальная скорость потока
затопления, м/с;
ПО - повреждённый объект:
7. телефонная связь;
Решение
Наводнение может быть вызвано таянием снега (половодье),
выпадением большого количества осадков (паводок), затруднениями стока воды
вследствие зажоров, заторов и завалов (запорные и завальные наводнения),
действием ветра (напорные наводнения) и т.п.
Схематически сечение русла реки можно представить либо
треугольным (рис. 2а), либо трапецеидальным (рис. 2б).
Расход воды в реке до наступления наводнения (паводка) Q0, равен:
, м3/с (2.1)
где υ0 - скорость воды в реке до наступления паводка, м/с;
S0 -
площадь сечения реки до паводка, м2, равная:
В нашем случае сечение реки представляет собой асимметричный
треугольник.
(2.2)
=821,59 м2.
=1396,7 м3/с.
Расход воды после выпадения осадков (таяния снега) и наступления
половодья (паводка) Qmax равен:
, м3/с (2.3)
где J- интенсивность осадков (таяния снега),
мм/час;
F - площадь выпадения осадков (таяния снега), км2.
=1396,7+2625=4021,7 м3/с.
Высота подъема воды в реке h при прохождении паводка определяется из выражения для
треугольного соответственно:
, м (2.4)
= 5,3288 м.
максимальная скорость потока воды при прохождении паводка υmax равна:
, м/с (2.5)
= 1810,41 м2.
где Smax - площадь поперечного сечения потока при
прохождении паводка, м/с, определяемая по формулам (2.2), в которые вместо h0, подставляется (h0+h).
=2,22 м/с.
Поражающее действие паводка определяется глубиной затопления hз:
, м (2.6)
где hм - высота местоположения объекта, м
=4,1288 м.
и скоростью потока затопления υз:
, м/с (2.7)
где Мmax -
максимальная скорость потока затопления, м/с
Параметр удаленности объекта от русла реки f определяется по табл. 2.1.
hз / h =4,1288/5,3288=0,8
Таблица
2.1. Значения параметра f
=1,15 м/с.
В отличие от волны прорыва наводнение и паводок оказывают
более продолжительное действие, усугубляющее первоначальное разрушающее
воздействие волны прорыва (паводка) (см. таб. 2.2).
Таблица
2.2. Доля поврежденных объектов (%) на затопленных площадях при крупных
наводнениях (υз= 3-4 м/с)
|
Объект
|
Часы
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
24
|
|
Прекращение
телефонной связи
|
45
|
51
|
60
|
73,5
|
94,5
|
100
|
Примечание: при υз = 1,5 - 2,5 м/с приведенные в таблице значения умножить на
0,6; при υз = 4,5-5,5 м/с - умножить
на 1,4.
При перемножении на соответствующий коэффициент и применения
графического пути метода линейной интерполяции (Рис. 2.1) получим следующую
таблицу.
Таблица
2.3. Доля поврежденных объектов (%) на затопленных площадях при крупных
наводнениях (υз= 1,15 м/с)
|
Объект
|
Часы
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
24
|
48
|
|
Прекращение
телефонной связи
|
45
|
51
|
60
|
100
|
100
|
100
|
3. Определить среднюю степень iср разрушения зданий
различных типов, характер разрушения, а также абсолютные общие, безвозвратные и
санитарные потери населения в зданиях при землетрясении. Предполагается, что
все здания находятся на одинаковом удалении от эпицентра землетрясения.
Необходимые исходные данные взять из таблицы 3
Исходные данные для расчёта:
h = 10 км. глубина гипоцентра землетрясения, км;
R= 16 км. расстояние от эпицентра землетрясения, км;
Zm =1∙106 - амплитуда земных
колебаний, мкм;
DJпост 1,6 - приращение балльности для грунта (по
сравнению с гранитом), на котором построено здание;
DJо.м. =0 - приращение балльности для грунта в
окружающей местности.
|
Номер варианта
|
Zm
|
h
|
R
|
DJпост
|
DJо.м.
|
Число людей в
зданиях различного типа, тыс. чел.
|
|
|
|
|
|
|
А1
|
А2
|
Б1
|
Б2
|
В1
|
В2
|
|
61
|
1∙106
|
10
|
16
|
1,6
|
0
|
3,2
|
2,5
|
1,0
|
|
|
|
Решение
Интенсивность землетрясения J (R) определяется по
формуле:
, баллы (3.1)
где R - расстояние от эпицентра землетрясения,
км;
h - глубина гипоцентра землетрясения, км;
М - магнитуда землетрясения, равная:
, баллы (3.2)
где Zm - амплитуда земных колебаний, мкм.
= 6 -1,589 =4,41 (баллов)
=3+6,615 -3,5∙1,27=9,615-4,445=5,17 (баллов).
Сила землетрясения исчисляется в баллах, причем обычно применяют
либо шкалу Рихтера, использующую величину магнитуды (1<М<9), либо международную шкалу МSK (или близкую к ней шкалу Меркалли), использующую величину
интенсивности землетрясения (1<J<12).
Соотношение между величинами М и J (и
соответствующими шкалами) представлено в табл. 3.1.
Таблица
3.1. Соотношение между величинами М и J
|
Магнитуда М
|
Интенсивность J при глубине очага h, км
|
|
5
|
15
|
45
|
|
7,5 < М < 8,5
|
-
|
10
|
9…10
|
|
6,5 < М < 7,5
|
10
|
9…10
|
7…8
|
|
5,5 < М < 6,5
|
9…10
|
7…8
|
5…7
|
|
4,5 < М < 5,5
|
7…8
|
5…7
|
4…5
|
|
3,5 < М < 4,5
|
5…6
|
4…5
|
2…3
|
На основе зафиксированного эпицентра землетрясения и его
магнитуды определяется значение интенсивности сейсмического воздействия в
рассматриваемой точке и далее, исходя из имеющихся законов разрушения,
конкретное значение материального ущерба и показатели безвозвратных и
санитарных потерь. При этом под законами разрушения понимается зависимость
между вероятностью его повреждения и активностью проявления землетрясения в
баллах. Эти законы получены на основе анализа статистических материалов по
разрушению жилых, общественных и промышленных зданий от воздействия землетрясений
разной интенсивности.
Реальная интенсивность землетрясения и степень разрушений
зданий и сооружений будет зависеть от типа грунта как под застройкой, так и на
остальной окружающей местности:
(3.3)
где DJпост - приращение балльности для грунта (по сравнению с
гранитом), на котором построено здание;
DJо.м. - приращение балльности для грунта в
окружающей местности (табл. 3.2).
Таблица 3.2. Значения DJпост и DJо.м
|
Тип грунта
|
DJпост, DJо.м.
|
Тип грунта
|
DJпост, DJо.м.
|
|
Гранит
|
0
|
1,6
|
|
Известняк
|
0,52
|
Глинистые
|
1,61
|
|
Щебень, гравий
|
0,92
|
Насыпные рыхлые
|
2,6
|
|
Полускальные
грунты
|
1,36
|
|
|
Исходя из заданного DJпост 1,6 и DJо.м. =0 на местности
состоящей в основном из гранитных пород был насыпан песок на котором построены
здания и Jреал для нашего случая буден равна 5,17 - 1,6 =3,57.
При сборе исходной информации о прочностных свойствах зданий
и сооружений целесообразно пользоваться классификацией зданий, приведенной в
сейсмической шкале MMSK-86. В соответствии с этой шкалой здания разделяют на две группы:
здания и типовые сооружения без антисейсмических мероприятий;
здания и типовые сооружения с антисейсмическими
мероприятиями.
Здания и сооружения без антисейсмических мероприятий разделяются
на типы:
Тип А1 - Местные здания. Здания
со стенами из местных строительных материалов:
· глинобитные без каркаса;
· саманные из сырцового кирпича без
фундамента;
· выполненные из окатанного или рваного
камня на глиняном растворе и без регулярной кладки в углах.
Тип А2 - Местные здания. Здания
со стенами из самана или сырцового кирпича, с каменными, кирпичными или
бетонными фундаментами:
· выполненные из рваного камня на
известковом, цементном или сложном растворе;
· выполненные из кладки типа «мидас»;
· здания из самана или глины, с тяжелыми или
глиняными крышами;
· сплошные массивные ограды из самана или
сырцового кирпича.
Тип Б - Местные здания. Здания с деревянным каркасом с
заполнителем из самана или глины и легкими перекрытиями.
Тип Б1 - Местные здания из
жженого кирпича, тесанного камня или бетонных блоков на известковом, цементном
или сложном растворе, деревянные щитовые дома.
Тип Б2 - Сооружения из жженого
кирпича, тесаного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или
сложном растворе, сплошные ограды и стенки, трансформаторные киоски, силосные и
водонапорные башни.
Тип В-Местные здания. Деревянные дома, рубленные в
«папу» или «обло».
Тип В1 - Типовые здания.
Железобетонные, каркасные, крупнопанельные и армированные крупнопанельные дома.
Тип В2 - Сооружения. Железобетонные
сооружения: силосные и водонапорные башни, маяки, подпорные стенки, бассейны и
т.п.
Здания и типовые сооружения с антисейсмическими
мероприятиями:
Тип С7 - Типовые здания и
сооружения всех видов (кирпичные, блочные, панельные, бетонные, деревянные, щитовые
и др.) с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 7 баллов.
Тип С8 - Типовые здания и
сооружения всех видов с антисейсмическими мероприятиями для расчетной
сейсмичности 8 баллов.
Тип С9 - Типовые здания и
сооружения всех видов с антисейсмическими мероприятиями для расчетной
сейсмичности 9 баллов.
В нашей работе необходимо рассмотреть здания типов А1,
А2, Б1., которые относятся к зданиям и сооружениям без
антисейсмических мероприятий.
Всем зданиям и типовым сооружениям традиционной постройки
(без антисейсмических мероприятий), а также с антисейсмическими мероприятиями
свойственна определенная сейсмостойкость (табл. 3.3).
Таблица
3.3. Классификация зданий и сооружений по сейсмостойкости
|
Группа
|
Характеристика
здания
|
Jс, баллы
|
|
А
|
А1
|
Бескаркасные
здания из местного материала без фундамента
|
4
|
|
А2
|
Здания из
сырцового кирпича на фундаменте
|
4,5
|
|
Б
|
Б1
|
Здания с
деревянным каркасом с легкими перекрытиями
|
5
|
|
Б2
|
Здания из
жженого кирпича или бетонных блоков
|
5,5
|
|
В
|
В1
|
Деревянные
дома, рубленные в «лапу»
|
6
|
|
В2
|
Железобетонные
каркасные и крупнопанельные здания
|
6,5
|
|
С7
|
Типовые здания
и сооружения всех видов с антисейсмическими мероприятиями
|
7
|
|
С8
|
|
8
|
|
С9
|
|
9
|
Состояние зданий и сооружений после землетрясений,
оцениваемое степенью повреждения i (табл. 3.4), зависит от их сейсмостойкости Jс и реальной интенсивности
землетрясения Jреал (табл. 3.5)
Таблица
3.4. Степень разрушения зданий
|
i
|
|
1
|
Легкие
повреждения (трещины в штукатурке, между панелями, возможно откалывание
небольших кусков штукатурки). Достаточен текущий ремонт
|
|
2
|
Умеренные
разрушения (значительные разрушения ограждающих конструкций, откалывание
больших кусков штукатурки, сквозные трещины в перегородках, слабые
повреждения несущих стен). Необходим капитальный ремонт
|
|
3
|
Тяжелые
повреждения (разрушение ограждающих конструкций зданий, обрушение дымовых
труб, значительная деформация каркасов). Необходим восстановительный ремонт
|
|
4
|
Разрушительные
повреждения (частичное разрушение несущих конструкций, нарушение связей между
частями здания, обрушение крупных частей здания). Здание не восстанавливается
и подлежит сносу.
|
|
5
|
Полное
разрушение здания
|
Таблица
3.5. Зависимость средней степени разрушения зданий от интенсивности
землетрясения
|
Jреал - Jс
|
0
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
|
iср
|
0,1
|
0,50
|
1,5
|
2,5
|
3,5
|
4,5
|
4,9
|
Jреал - Jс =3,57- 4 = -0,43 для здания А1
Jреал - Jс =3,57 - 4,5 = -0,93 для здания А2
Jреал - Jс =3,57- 5 = -1,43 для здания Б1
Следовательно iср будет равняться нулю.
Люди, находящиеся в момент землетрясения внутри зданий, поражаются
преимущественно обломками строительных конструкций. Вероятность общих и
безвозвратных потерь, в зависимости от степени повреждения зданий, представлена
в табл. 3.6.
Таблица
3.6. Вероятность общих (РJобщ) и безвозвратных (РJбезв) потерь в зависимости от
степени повреждения зданий
|
i
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
|
РJобщ
|
0
|
0
|
0,05
|
0,5
|
0,95
|
|
РJбезв
|
0
|
0
|
0,01
|
0,17
|
0,65
|
Так как степени повреждения и потери населения (табл. 3.6)
являются величинами случайными, то их следует оценивать математическими
ожиданиями рассматриваемых событий, вычисляемыми по формулам:
общие потери населения:
(3.4)
безвозвратные потери:
(3.5)
санитарные потери:
(3.6)
где Рi -
вероятность i-той степени повреждения зданий (табл.
3.7);
Таблица 3.7. Вероятности Рi повреждения различных типов зданий в зависимости от интенсивности
землетрясения
|
Типы зданий
|
Степень
разрушения
|
Вероятности
разрушения зданий при интенсивности разрушения в баллах
|
|
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
|
А
|
1 2 3 4 5
|
0,13 0,37 0,34
0,13 0,03
|
0 0,02 0,14
0,34 0,50
|
0 0 0 0,02 0,98
|
0 0 0 0 1
|
0 0 0 0 1
|
0 0 0 0 1
|
|
Б
|
1 2 3 4 5
|
0,09 0,01 0 0 0
|
0,4 0,34 0,13
0,03 0
|
0,01 0,15 0,34
0,34 0,16
|
0 0 0,02 0,14
0,84
|
0 0 0 0 1
|
0 0 0 0 1
|
0 0 0 0 1
|
|
В
|
1 2 3 4 5
|
0,01 0 0 0 0
|
0,36 0,11 0,03
0 0
|
0,13 0,37 0,34
0,13 0,03
|
0 0,02 0,14
0,34 0,50
|
0 0 0 0,03 0,97
|
0 0 0 0 1
|
0 0 0 0 1
|
|
С7
|
1 2 3 4 5
|
0 0 0 0 0
|
0,09 0,01 0 0 0
|
0,4 0,34 0,13
0,03 0
|
0,01 0,15 0,34
0,34 0,15
|
0 0 0 0,1 0,09
|
0 0 0,02 0,14
0,84
|
0 0 0 0 1
|
|
С8
|
1 2 3 4 5
|
0 0 0 0 0
|
0,01 0 0 0 0
|
0,36 0,1 0,02 0
0
|
0,13 0,37 0,34
0,13 0,03
|
0 0,02 0,14
0,34 0,50
|
0 0 0 0,02 0,98
|
0 0 0 0 1
|
|
С9
|
1 2 3 4 5
|
0 0 0 0 0
|
0 0 0 0 0
|
0,09 0,01 0 0 0
|
0,4 0,34 0,13
0,03 0
|
0,01 0,15 0,34
0,34 0,16
|
0 0 0,02 0,14
0,84
|
0 0 0 0 1
|
По своей физической сущности величины Робщ, Рбез,
Рсан, представляют собой относительные потери населения, под
которыми понимают отношение абсолютных потерь населения (Nпот) к его общей численности
в зданиях (N).
Абсолютные потери населения в зданиях при землетрясении
определяются по формуле:
(3.7)
где индекс j определяет вид
потерь (общие, безвозвратные или санитарные).
При наших условиях потерь населения не будет.
Литература
1.
Аварии и катастрофы. Предупреждение и ликвидация последствий. Книга 2. п/р К.Е.
Кочеткова, В.А. Котляревского, А.В. Забегаева - М.: Из-во АСВ, 1996. - 383 с.
.
Мастрюков Б.С. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. - М.: МИСиС, ч. 1 - 1998.
- 132 с.; ч. 2 - 1999. - 164 с.
.
Морозов В.Н., Шахраманьян М.А. Прогнозирование и ликвидация последствий
аварийных взрывов и землетрясений (Теория и практика). - М.: УРСС, 1998. - 272
с.
.
Методика оценки последствий ураганов. - М.: МЧС, 1994. - 11 с.