Научное обоснование критериев безопасности, используемых в составе систем мониторинга гидротехнических объектов

Актуальность темы

Высокий уровень ответственности гидротехнических сооружений (ГТС) речных гидроузлов обусловливает необходимость обеспечения технической, экономической, экологической и социальной безопасности на всех стадиях их жизненного цикла, включая проектирование, строительство и эксплуатацию последних. Нахождение новых путей повышения уровня безопасности и надежности рассматриваемых сооружений в периоды их строительства и эксплуатации является актуальной задачей отечественной гидротехники.

Мониторинг — один из инструментов, позволяющих снизить риск возникновения аварийных ситуаций на ГТС, своевременно выполнять противо-аварийные и ремонтные работы, заблаговременно оповещать и принимать меры по эвакуации близлежащих населенных пунктов. Система мониторинга включает в себя натурные наблюдения, определение значений критериев безопасности и правила действия эксплуатационного персонала в случае их превышения. Развитие в направлении разработки автоматизированных систем наблюдений на объектах гидротехнических комплексов, а также нахождение новых подходов к определению и назначению критериев безопасности сооружений, определение несущей способности систем «сооружение-основание», путем доведения их до разрушения различными способами представляет значительный интерес для научно-технических исследований.

Цели и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы — является нахождение путей совершенствования методов определения критериев безопасности и их последующая интеграция в системы мониторинга гидротехнических объектов.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи: провести комплексный анализ состояния вопроса и определить пути совершенствования определения критериальных величин контролируемых параметровпредложить и обосновать детерминистическую прогнозную модель для определения критериев безопасности второго уровняоценить эффективность системы безопасности и действующие критериальные значения диагностируемых показателей сооружений каскада Нижне-Черекских гидроузлов, а также арочно-гравитационной плотины Сая-но-Шушенского гидроузларазработать рекомендации по модернизации системы контроля безопасности ГТС обозначенных выше гидроузловпровести научно-исследовательские работы по определению численных значений критериев безопасности путем математического моделирования напряженно-деформированного и предельного состояний каменно-земляной (КЗП) гидроузла Кашхатау, а также для арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузлаопределить пути интеграции разработанных прогнозных моделей и критериев безопасности в системы мониторинга, которые должны обеспечить возможность оперативного отслеживания изменений их контролируемых параметров и принятия адекватных управляющих решений.

Научная новизна заключается в следующем:

— в сформулированном подходе, используемом для проведения расчётных исследований напряжённо-деформированного состояния и несущей способности системы «сооружение — основание — водохранилище»;

— в разработанных математических моделях, которые должны составлять основное ядро развитых информационно-диагностических компьютерных систем мониторинга и оценки безопасности эксплуатируемых ГТС;

— в решении задачи определения критериев безопасности второго уровня ГТС на основе расчётов напряжённо-деформированного состояния с доведением расчетных моделей до разрушения;

— в полученных результатах численных исследований несущей способности систем «каменно-земляная плотина гидроузла Кашхатау — основание» и «арочно-гравитационная бетонная плотина Саяно-Шушенского гидроузла — основание», в том числе и в разработке критериев безопасности для данных сооружений;

— в обосновании и предложении путей интеграции разработанных прогнозных моделей в системы мониторинга гидротехнических объектов.

Достоверность результатов исследований обусловлена:

— проведением комплекса натурных наблюдений и исследований;

— использованием в натурных исследованиях проверенных практикой измерительных приборов и методов исследований, а также их разнообразием и полнотой;

— оценкой показателей неоднородности исследованных параметров на основе вероятностно-статистической обработки натурных данных;

— применением апробированных методов математического моделирования напряжённо-деформированного состояния гидротехнических сооружений и конструкций;

— хорошей согласуемостью результатов натурных наблюдений, исследований и расчётов.

Практическая значимость результатов диссертационных исследований. Диссертация является научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований представлены научные основы определения значений критериев безопасности гидротехнических сооружений, базирующихся на математических исследованиях несущей способности системы «сооружение-основание».

Практическую ценность имеет предложенная прогнозная модель, которую необходимо применять при определении критериев безопасности второго уровня для гидротехнических сооружений, а также в использовании разработанных автором предложений по совершенствованию системы мониторинга на гидроузлах Нижне-Черекского гидроузла и актуализации системы критериев безопасности для основных ГТС данного каскада и арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузла.

Внедрение результатов исследований. Натурные и расчетные исследования автора были выполнены применительно к сооружениям гидроузлов Нижне-Черекского каскада и Саяно-Шушенского гидроузла. На основании результатов математических исследований несущей способности системы «сооружение-основание» были разработаны и предложены критерии безопасности для арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенского гидроузла и ка-менно-земляной плотины гидроузла Кашхатау. Проведенный сравнительный анализ систем натурных наблюдений и выполненных расчетных исследований дал возможность оценить современное их состояние на вышеуказанных гидроузлах, а также разработать рекомендации и предложения, направленные на повышение эффективности их работы. Была предложена и обоснована система сейсмометрического мониторинга для основных сооружений гидроузла Кашхатау, которая в скором времени должна быть реализована.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на: конференции молодых специалистов ОАО «Инженерный центр ЕЭС» (г.Хотьково 2008 г.) — «Конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики» (Москва 2009 г.) — XVI Конференции изыскателей ОАО «Институт Гидропроект» (г. Звенигород 2009 г.) — Ежегодной конференции молодых специалистов (г. Харьков 2009 г.) — XXIV Международной молодежной научно-технической конференции (г.Звенигород 2011 г.), а также на отраслевых совещаниях.

Публикации по теме диссертации. Две работы автора диссертации опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ (журналы «Гидротехническое строительство» и «Бетон и железобетон»), а также три работы опубликованы в других научно-технических изданиях.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 85 наименований. Основное содержание диссертационной работы изложено на 171 странице, включая таблицы и рисунки.

Основные выводы диссертационного исследования могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполненный статистический анализ и проведенный литературный обзор мировой практики эксплуатации гидротехнических сооружений показал, что: большинство чрезвычайных ситуаций возникло на уже эксплуатируемых сооруженияхсредняя продолжительность их эксплуатации до возникновения аварийной ситуации составляла примерно 14 летоколо 60% аварий приходится на грунтовые плотины. Это говорит о том, что именно им необходимо уделять о пристальное внимание.

Прогнозные модели, используемые для оценки безопасной работы ГТС имеют недостатки, описанные в табл. 1, они не позволяют в необходимой мере оценить реальную значимость отдельных факторов и затрудняют принятие верных решений при обнаружении повреждений. Целесообразно внести предложенные изменения в ныне используемую нормативную документацию, а также дополнить ее более конкретизированными алгоритмами назначения критериев безопасности, которые будут помогать более реальному отражению состояния объекта при тех или иных сочетаниях нагрузок.

2. Рекомендована детерминистическая прогнозная модель по определению критериев безопасности второго уровня. Впервые были предложены такого рода подходы, направленные на определение критериальных величин диагностируемых показателей для ГТС. Выполненные автором исследования показали, что целесообразно назначать критерии безопасности на основе результатов численных исследований несущей способности систем «сооружение-основание», в рамках которых данные системы доводились до разрушения различными способами.

Автором описана концепция, связанная с особенностями создания математических моделей для проведения прогнозных исследований напряженно-деформированного состояния и определением несущей способности систем «сооружение-основание-водохранилище». Представлены принципы проведения расчетных исследований на математических моделях, а также основные позиции, руководствуясь которыми, должна производиться разработка критериев безопасности.

3. Для проведения подобного рода исследований были выбраны системы «каменно-земляная плотина гидроузла Кашхатау — основание» и «ароч-но-гравитационная бетонная плотина Саяно-Шушенского гидроузла — вмещающий блок основания». Созданы двумерная расчетная модель системы «камен-но-земляная плотина гидроузла Кашхатау — основание» и объемная модель системы «арочно-гравитационная бетонная плотина Саяно-Шушенского гидроузла — вмещающий блок основания». Проведены расчетные исследования несущей способности систем «каменно-земляная плотина гидроузла Кашхатау основание» и «арочно-гравитационная бетонная плотина Саяно-Шушенского гидроузла — вмещающий блок основания». Доведение до разрушения производилась по различным схемам (по аналогии с методами лабораторного моделирования), также учитывалась увязка этих схем с реально возможными сценариями возникновения аварий. Разработанные модели имеют высокую степень аппроксимации и максимально приближены к реальности.

4. В результате проделанной работы получены новые численные значения критериев К2 (3.1)^(3.5), для обозначенных выше сооружений, результаты проведенных исследований сведены в табл. 3.5, табл. 3.6 и табл. 3.8. Предложено было использовать полученные данные для актуализации систем критериев безопасности на данных гидроузлах.

5. Произведена работа, связанная с разработкой рекомендаций по модернизации систем контроля безопасности ГТС гидроузлов и их внедрению, в частности, на гидроузлы Нижне-Черекского каскада и Саяно-Шушенский гидроузел.

6. Для повышения достоверности и адекватности прогноза и лучшего понимания сложных процессов нужны альтернативные прогнозные модели. Для этих целей автором работы предложено разрабатывать 2−0 и 3-Б математические расчетные модели, которые в свою очередь будут являться основным ядром развитых информационно-диагностических компьютерных систем мониторинга эксплуатируемых гидроузлов.

Основываясь на полученных результатах анализа эффективности контрольно-измерительных комплексов, данных натурных наблюдений и действующих критериев безопасности сооружений каскада Нижне-Черекских и Саяно-Шушенского гидроузлов, можно сказать, что такого рода работу необходимо проводить для сооружений, находящихся в эксплуатации длительное время. На многих из этих сооружений, действующая система безопасности нуждается в существенной модернизации.

Конечно же, представленная детерминистическая прогнозная модель ни в коей мере не отменяет необходимость проведения работ по разработке критериев безопасности с использованием иных видов, описанных в первой главе данной работы, а наоборот, все они должны дополнять друг друга и на основе комплексного анализа должны назначаться критериальные величины диагностируемых показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проделанной работы, автором была достигнута основная цель, поставленная в данном исследовании, а именно — нахождение путей совершенствования методов определения критериев безопасности и их последующая интеграция в системы мониторинга гидротехнических объектов.