Приложение 2. Математическое моделирование волны прорыва
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛНЫ ПРОРЫВА
1. Для математического моделирования волн прорыва следует, как правило, использовать уравнения Сен - Венана (одномерные или двумерные).
2. Применительно к укрупненной оценке ущербов от волны прорыва (разделы 4 и 5 Методики) предпочтительнее применение одномерных уравнений - при этом существенно облегчается сбор исходной информации и ускоряется проведение соответствующих исследований, понижаются требования к квалификации специалистов, проводящих исследования в области вычислительной гидравлики. Ряд параметров течения и гидравлических эффектов: нормальные оси потока, составляющие скорости, водоворотные зоны, процесс заполнения пойменной долины - должны в случае необходимости прогнозироваться в рамках двумерной схематизации.
Примечание. В некоторых случаях распределение скоростей в плане в ближней зоне существенно определяет ход процесса во всей области, так что без решения двумерной задачи для этой зоны дать прогноз распространения волны прорыва и для зоны, удаленной от гидроузла, невозможно. Так, для наливного водохранилища, расположенного на возвышенности, по которой проходит водораздел, при прорыве дамбы вблизи водораздела распределение расхода между различными водосборными областями, определяющее волновой режим в этих областях, может быть найдено лишь при решении двумерной задачи. Чаще, однако, встречаются ситуации, когда решение двумерной задачи в ближней зоне требуется именно для определения зон затопления в ней; вдалеке же от гидроузла течение зависит в основном от гидрографа излива (при характерном для данной задачи критическом режиме истечения он целиком определяется уровнем в верхнем бьефе и формой прорана). В таких случаях может оказаться, что в ближней зоне нет объектов, представляющих большой экономический интерес, и все исследование волны прорыва целесообразно проводить в рамках одномерной схематизации [18].
3. При математическом моделировании волны прорыва уравнения Сен - Венана целесообразно применять в консервативном (дивергентном) виде, то есть в виде законов сохранения импульса и массы, что позволяет проводить расчеты как для областей с непрерывным течением, так и при возникновении разрывов: боров или гидравлических прыжков.
Примечание. Одномерные уравнения Сен - Венана в виде законов сохранения массы и импульса имеют вид [18]:
------------ + -------------- = 0; (1)
дельта омега V дельта омега V + g x S
-------------- + ------------------------- -
где: t - время; x - пространственная координата, направленная по оси потока; V - средняя по сечению скорость; омега - площадь поперечного сечения потока; Zfs - уровень свободной поверхности воды; S - статический момент живого сечения потока относительно его свободной поверхности; кси - смоченный периметр сечения потока; g - ускорение гравитации; лямбда - коэффициент гидравлического трения:
R = омега/кси - гидравлический радиус; n - коэффициент шероховатости дна.
Двумерные уравнения Сен - Венана в виде законов сохранения массы и импульса имеют вид [7]:
-------- + ------------- = 0; (4)
дельта h x Vk дельта h x Vi x Vk дельта g x h /2
------------- + ------------------- + --------------- +
где: t - время; xi - i-я плановая координата (i = 1, 2); h - глубина потока; V - вектор средней по глубине скорости потока; Vi - его i-я координата; Zв - уровень дна; k - номер координатной оси, на которую спроецирован импульс. При этом коэффициент гидравлического трения:
При решении одномерных уравнений в каждом створе определяются уровни затопления и расходы воды. При известном расходе в створе скорость в любой его точке может быть определена на основе гипотезы постоянства гидравлического уклона (метод Великанова) и считается направленной параллельно оси потока. При решении двумерных уравнений в расчетной области определяются уровни затопления и компоненты скорости.
Поскольку течение в ближней к прорану зоне имеет квазиустановившийся характер, то при простом рельефе дна вблизи прорана, близком к наклонной плоскости, зону затопления и параметры течения (двумерные) в ней можно определить при помощи номограммы [5].
4. Для плотин из грунтовых материалов прогноз раскрытия прорана выполняется методами математического моделирования с использованием полуэмпирических методик, связывающих вынос материала из тела плотины и расход воды через проран. Принимается, что размыву подвержено лишь тело плотины; размыв коренных пород основания не учитывается. За начальное состояние плотины принимается состояние, при котором в ее теле образовался первоначальный проран с отметкой дна, меньшей уровня воды водохранилища.
Для бетонных плотин считается, что:
арочные плотины разрушаются целиком и мгновенно;
брешь в гравитационных плотинах возникает при мгновенном разрушении элемента (блока или секции), авария которого более вероятна; для эксплуатируемых бетонных плотин назначение аварийного элемента следует проводить с учетом мониторинга состояния плотины.
5. Исходные данные, соответствующие различным сценариям аварии, характеру местности и детальности доступной информации о форме чаши водохранилища и позволяющие с достаточной точностью оценить ущерб от прохождения прорывной волны, перечислены в таблице П.2.1.
6. При определении зоны затопления и параметров течения в ближней зоне с использованием номограмм [3] требуются следующие исходные данные: уклон откоса, его шероховатость, первоначальная отметка воды в водохранилище, ширина прорана и проходящий через него расход. Для бетонных и железобетонных плотин экстремальные условия в зоне истекающей струи соответствуют максимальному наполнению водохранилища; для набросных и намывных плотин необходимо провести исследование при различных размерах прорана и наполнении водохранилища. Для решения соответствующей задачи требуется график связи объема и уровня (или площади и уровня) и поперечный разрез плотины.
ДЛЯ РАСЧЕТА ВОЛНЫ ПРОРЫВА С ПОМОЩЬЮ ОДНОМЕРНЫХ
И ДВУМЕРНЫХ УРАВНЕНИЙ СЕН - ВЕНАНА
П - методика, использующая двумерную схематизацию,
У - методика, использующая одномерную схематизацию
┌────┬───────────────────┬────────┬────────────────────────┬─────┐
│ N │ Исходные данные │Сцена- │Дополнительные условия, │Мето-│
│ │ │рий раз-│ комментарии │дика │
├────┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
├────┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│1. │Гидрограф расхода │Все │При сценарии 4.1.3.1 за-│П, У │
│ │приточности │ │дается обязательно, в │ │
│ │ │ │других случаях, когда │ │
│ │ │ │расход проточности соиз-│ │
│ │ │ │мерим с расходом излива │ │
├────┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│2. │Пропускная способ- │ │Вводится, если пропуск- │ │
│ │ность водопропуск- │ │ная способность гидроуз-│ │
│ │ных отверстий │ │ла сравнима с расходом │ │
│ │гидроузла. Возмож- │ │через проран и во время │ │
│ │ные варианты: │4.1.3.3 │аварии предполагается │ │
│ │ │ │работа водопропускных │ │
│ │ │ │отверстий (например, для│ │
│ │ │ │уменьшения размывов в │ │
├──┬─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │1│Кривые связи Q - │ │ │П, У │
│ │ │Zвб или (Q - (Zвб -│ │ │ │
│ │ │Zнб) для створа в │ │ │ │
│ │ │Zнб - отметки верх-│ │ │ │
│ │ │него и нижнего бье-│ │ │ │
│ │ │фов соответственно)│ │ │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │2│Кривые связи Q - │ │ │П, У │
│ │ │Zвб или Q - (Zвб - │ │ │ │
│ │ │типа отверстий (по-│ │ │ │
│ │ │верхностные водо- │ │ │ │
│ │ │сливы, донные во- │ │ │ │
│ │ │досбросы, агрегаты │ │ │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │3│Поверхностные во- │ │ │П, У │
│ │ │досливы (задаются │ │ │ │
│ │ │количеством, отмет-│ │ │ │
│ │ │кой порога и шири- │ │ │ │
│ │ │донные водосбросы │ │ │ │
│ │ │(задаются количест-│ │ │ │
│ │ │вом, отметкой дна, │ │ │ │
│ │ │шириной и высотой │ │ │ │
│ │ │отверстия), агрега-│ │ │ │
│ │ │количеством и кри- │ │ │ │
│ │ │выми связи Q - Zвб)│ │ │ │
├──┴─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│3. │Емкость водохрани- │ Все │ │ │
├──┬─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │1│Кривые связи Zвб - │ │Расчет уровневого режима│ У │
│ │ │W или Zвб - омега │ │верхнего бьефа проводит-│ │
│ │ │(Zвб - уровень ВБ, │ │ся по балансовой модели │ │
│ │ │омега - объем водо-│ │ │ │
│ │ │хранилища, П - пло-│ │ │ │
│ │ │щадь свободной по- │ │ │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │2│Поперечные разрезы │ │Расчет уровневого режима│ У │
│ │ │дна водохранилища │ │верхнего бьефа проводит-│ │
│ │ │ │ │ся по одномерной модели │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │3│Кривые связи омега=│ │Расчет уровневого режима│ У │
│ │ │= омега (x, z) или │ │верхнего бьефа проводит-│ │
│ │ │b = b (x, z) для │ │ся по одномерной модели │ │
│ │ │створов с продоль- │ │ │ │
│ │ │ной координатой x │ │ │ │
│ │ │(b - ширина русла │ │ │ │
│ │ │на уровне z, омега │ │ │ │
│ │ │- площадь сечения, │ │ │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │4│Отметка дна как │ │Расчет уровневого режима│П, У │
│ │ │функция горизон- │ │верхнего бьефа проводит-│ │
│ │ │тальных координат │ │ся по плановой (двумер- │ │
│ │ │(x, y); как частный│ │ной) модели │ │
│ │ │дна, применяемое в │ │ │ │
│ │ │ГИС - технологиях │ │ │ │
├──┴─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│4. │Уровень воды в во- │Все │ │ П │
├──┬─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│5.│ │Задание характера │4.1.3.1 │ │ │
│ │ │повреждения плотины│4.1.3.3 │ │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │1│Размер и форма бре-│ │Задается для бетонных и │П, У │
│ │ │ши, ее расположение│ │железобетонных плотин │ │
│ │ │на напорном фронте │ │ │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │2│Отметка дна перво- │ │Задается для набросных и│П, У │
│ │ │начального прорана,│ │намывных плотин (кроме │ │
│ │ │ее расположение, │ │мерзлых плотин). Обычно │ │
│ │ │уклон бортов прора-│ │при сценарии 4.1.3.3 │ │
│ │ │на │ │задаются несколько ниже │ │
│ │ │ │ │отметки уровня в водо- │ │
│ │ │ │ │хранилище, при сценарии │ │
│ │ │ │ │4.1.3.1 - несколько ниже│ │
│ │ │ │ │отметки гребня плотины, │ │
│ │ │ │ │при наличии плавкой │ │
│ │ │ │ │вставки - несколько ниже│ │
│ │ │ │ │отметки плавкой вставки │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │3│Расположение перво-│ │Задается для мерзлых │П, У │
│ │ │начального талика │ │каменно - земляных пло- │ │
│ │ │по ширине напорного│ │тин (только при сценарии│ │
│ │ │фронта и высоте, │ │4.1.3.3) │ │
├──┴─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│6. │Гидрографы расхода │Все │Требуются в тех случаях,│П, У │
│ │в притоках │ │когда в пределах расчет-│ │
│ │ │ │ной области имеются при-│ │
│ │ │ │токи с расходом, сораз- │ │
│ │ │ │меримым с расходом изли-│ │
│ │ │ │ва из водохранилища ава-│ │
├────┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│7. │Геометрия русла │Все │ │ │
├──┬─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │1│Поперечные разрезы │ │Расчет уровневого режима│ У │
│ │ │дна водотока │ │верхнего бьефа проводит-│ │
│ │ │ │ │ся по одномерной модели │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │2│Кривые связи омега=│ │Расчет уровневого режима│ У │
│ │ │= омега (x, z) или │ │нижнего бьефа проводит- │ │
│ │ │b = b (x, z) для │ │ся по одномерной модели │ │
│ │ │створов с продоль- │ │ │ │
│ │ │ной координатой x │ │ │ │
│ │ │(b - ширина русла │ │ │ │
│ │ │на уровне z, омега │ │ │ │
│ │ │- площадь сечения, │ │ │ │
│ │ │лежащая ниже уровня│ │ │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │3│Отметка дна как │ │Расчет уровневого режима│ П │
│ │ │функция горизон- │ │верхнего бьефа проводит-│ │
│ │ │тальных координат │ │ся по плановой (двумер- │ │
│ │ │(x, y); как частный│ │ной) модели │ │
│ │ │дна, применяемое в │ │ │ │
├──┴─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│8. │Шероховатость подс-│ │Для определения парамет-│П, У │
│ │тилающей поверхнос-│ │ров течения в НБ исполь-│ │
│ │ти назначается при │ │зуется всегда; в ВБ - в │ │
│ │помощи экспертной │ │случаях 3.2 - 3.4 │ │
│ │таблицы П.2.2) │ │ │ │
├────┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│9. │Данные о размещении│Все │Желательно иметь на- │ П │
│ │в нижнем бьефе гид-│ │сколько возможно полную │ │
│ │ротехнических соо- │ │информацию об этих соо- │ │
│ │ружений, дамб, до- │ │ружениях (для дамб и до-│ │
│ │рог, проходящих по │ │рожных насыпей - отметка│ │
│ │насыпи или выемке, │ │гребня, ширина поверху, │ │
│ │мостов, водопропус-│ │заложение откосов, мате-│ │
│ │кных отверстий и │ │риал; для дорожных вые- │ │
│ │т.д. │ │мок - ширина по дну, за-│ │
│ │ │ │ложение откосов; для │ │
│ │ │ │мостов - количество и │ │
│ │ │ │ширина проемов, отметка │ │
│ │ │ │дна водотока, высота │ │
│ │ │ │пролета; для водопро- │ │
│ │ │ │пускных труб - форма, │ │
│ │ │ │геометрические размеры, │ │
├────┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│10. │Информация о гид- │Все │ │ │
├──┬─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │1│Отметка свободной │ │Если на выходе из рас- │П, У │
│ │ │поверхности │ │четной области располо- │ │
│ │ │ │ │жен крупный водоем: мо- │ │
│ │ │ │ │ре, большое озеро или │ │
│ │ │ │ │водохранилище (такие, │ │
│ │ │ │ │что увеличение их объема│ │
│ │ │ │ │на объем опорожненного в│ │
│ │ │ │ │ходе аварии водохранили-│ │
│ │ │ │ │ща слабо изменит их уро-│ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │2│Водопропускная спо-│ │Если на выходе из рас- │П, У │
│ │ │собность гидротех- │ │четной области находится│ │
│ │ │нического сооруже- │ │гидротехническое соору- │ │
│ │ │ния (способы его │ │жение, разрушение кото- │ │
│ │ │задания перечислены│ │рого в рассматриваемой │ │
│ │ │в 2.1 - 2.3) │ │аварии маловероятно │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │3│Форма склона, сред-│ │Если расчлененная об- │П, У │
│ │ │ний уклон и шерохо-│ │ласть ограничена некото-│ │
│ │ │ватость русла │ │рым "обычным" створом │ │
│ │ │ │ │достаточно удаленным от │ │
│ │ │ │ │аварийного гидроузла, │ │
│ │ │ │ │так что в нем можно ожи-│ │
│ │ │ │ │дать квазиравномерный │ │
├──┼─┼───────────────────┼────────┼────────────────────────┼─────┤
│ │4│Форма створа │ │Выходной створ расчетной│ │
│ │ │ │ │области - уступ, консоль│ │
│ │ │ │ │или место резкого расши-│ │
│ │ │ │ │рения потока, то есть │ │
│ │ │ │ │створ, в котором следует│ │
│ │ │ │ │ожидать критический ре- │ │
└──┴─┴───────────────────┴────────┴────────────────────────┴─────┘
ШЕРОХОВАТОСТЬ ДНА ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОТОКОВ
И ЗАТОПЛЕННЫХ УГОДИЙ [17]
┌──────────────────────────────────────────┬─────────────────────┐
│ Тип дна и его описание │ n │
├──────────────────────────────────────────┴──────┴──────┴───────┤
│ 1. Малые водотоки с шириной паводкового уровня │
├────────────────────────────────────────────────────────────────┤
├──────────────────────────────────────────┬──────┬──────┬───────┤
│Чистые прямолинейные без перекатов или │0,025 │ 0,03 │ 0,033 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│То же при наличии камней и водорослей │0,030 │ 0,035│ 0,04 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Чистые извилистые с омутами и отмелями │0,033 │ 0,4 │ 0,045 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│То же при наличии камней и водорослей │0,035 │ 0,045│ 0,05 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│То же при низком уровне и более │0,04 │ 0,048│ 0,055 │
│неправильных уклоне и сечении │ │ │ │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Чистые извилистые с омутами, отмелями, │0,045 │ 0,05 │ 0,06 │
│водорослями и большим количеством камней │ │ │ │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Заросшие с глубокими омутами при │0,05 │ 0,07 │ 0,08 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Очень заросшие с глубокими омутами или │0,075 │ 0,1 │ 0,15 │
│каналы для пропуска паводковых вод с │ │ │ │
│застаревшими тяжелыми стволами и порослью │ │ │ │
├──────────────────────────────────────────┴──────┴──────┴───────┤
│ б. Водотоки с хорошим обслуживанием, без растительности, │
│ берега обычно крутые, кусты и деревья по берегам │
│ заливаются при высоком уровне воды │
├──────────────────────────────────────────┬──────┬──────┬───────┤
│Дно сложено из гравия, булыжника и │0,03 │ 0,04 │ 0,05 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Дно сложено из гравия, булыжника с │0,04 │ 0,05 │ 0,07 │
├──────────────────────────────────────────┴──────┴──────┴───────┤
├────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ а. Пастбища без кустарника │
├──────────────────────────────────────────┬──────┬──────┬───────┤
│Низкая трава │0,025 │ 0,03 │ 0,035 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Высокая трава │0,03 │ 0,035│ 0,05 │
├──────────────────────────────────────────┴──────┴──────┴───────┤
├──────────────────────────────────────────┬──────┬──────┬───────┤
│Без посевов │0,02 │ 0,03 │ 0,04 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Созревшие рядовые посевы │0,025 │ 0,035│ 0,045 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Созревшие сплошные посевы │0,03 │ 0,04 │ 0,05 │
├──────────────────────────────────────────┴──────┴──────┴───────┤
├──────────────────────────────────────────┬──────┬──────┬───────┤
│Отдельные кусты, обильная растительность │0,035 │ 0,05 │ 0,07 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Редкие кусты и деревья зимой │0,035 │ 0,05 │ 0,06 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Редкие кусты и деревья летом │0,04 │ 0,06 │ 0,08 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Кустарник средней и большой густоты зимой │0,45 │ 0,07 │ 0,11 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Кустарник средней и большой густоты летом │0,07 │ 0,1 │ 0,16 │
├──────────────────────────────────────────┴──────┴──────┴───────┤
├──────────────────────────────────────────┬──────┬──────┬───────┤
│Густой ивняк летом │0,11 │ 0,15 │ 0,2 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Очищенная территория с древесными │0,03 │ 0,04 │ 0,05 │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Очищенная территория с древесными │0,05 │ 0,06 │ 0,08 │
│пнями и развивающейся порослью │ │ │ │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Тяжелые застрявшие стволы отдельных │0,08 │ 0,1 │ 0,12 │
│поваленных деревьев, небольшой подлесок, │ │ │ │
│уровень паводка ниже ветвей │ │ │ │
├──────────────────────────────────────────┼──────┼──────┼───────┤
│Тяжелые застрявшие стволы отдельных │0,1 │ 0,12 │ 0,16 │
│поваленных деревьев, небольшой подлесок, │ │ │ │
│уровень паводка достигает ветвей │ │ │ │
└──────────────────────────────────────────┴──────┴──────┴───────┘
- Гражданский кодекс (ГК РФ)
- Жилищный кодекс (ЖК РФ)
- Налоговый кодекс (НК РФ)
- Трудовой кодекс (ТК РФ)
- Уголовный кодекс (УК РФ)
- Бюджетный кодекс (БК РФ)
- Арбитражный процессуальный кодекс
- Конституция РФ
- Земельный кодекс (ЗК РФ)
- Лесной кодекс (ЛК РФ)
- Семейный кодекс (СК РФ)
- Уголовно-исполнительный кодекс
- Уголовно-процессуальный кодекс
- Производственный календарь на 2025 год
- МРОТ 2024
- ФЗ «О банкротстве»
- О защите прав потребителей (ЗОЗПП)
- Об исполнительном производстве
- О персональных данных
- О налогах на имущество физических лиц
- О средствах массовой информации
- Производственный календарь на 2024 год
- Федеральный закон "О полиции" N 3-ФЗ
- Расходы организации ПБУ 10/99
- Минимальный размер оплаты труда (МРОТ)
- Календарь бухгалтера на 2024 год
- Частичная мобилизация: обзор новостей