Гидрологические опасные явления - наводнения

К факторам, обусловливающим величины максимального уровня расхода воды для случая весеннего половодья, относятся следующие:

  • - запас воды в снежном покрове перед началом весеннего таяния;
  • - атмосферные осадки в период снеготаяния и половодья;
  • - осенне-зимнее увлажнение почвы к началу весеннего таяния снега;
  • - глубина промерзания почвы к началу снеготаяния;
  • - ледяная корка на почве; интенсивность снеготаяния;
  • - сочетание волн - половодья крупных притоков бассейна;
  • - заболоченность и лесистость бассейна (эти факторы в отличие от перечисленных способствуют уменьшению максимального расхода).

При определении основных характеристик половодия на горных реках, кроме вышеперечисленных факторов, необходимо учитывать вертикальную зональность климата, среднюю высоту водосбора, величины уклонов рек.

Из поражающих факторов наводнений выделяют:

- гидродинамический - в виде потока (течения) воды;

гидрохимический - обусловливающий загрязнение гидросферы, почв, грунтов, а также ускорение процессов коррозии, гниения и других химических и микробиологических процессов.

К основным характеристикам последствий наводнения относятся:

  • - численность населения, оказавшегося в зоне, подверженной наводнению (здесь можно выделить число жертв, количество раненых, количество населения, оставшегося без крова, и т.п.);
  • - количество населенных пунктов, попавших в зону, охваченную наводнением (здесь можно выделить города, поселки городского типа, сельские населенные пункты, полностью затопленные, частично затопленные, попавшие в зону подтопления, и т.п.);
  • - количество объектов различных отраслей народного хозяйства, оказавшихся в зоне, охваченной наводнением;
  • - протяженность железных и автомобильных дорог, линий электропередач, линий коммуникаций и связи, оказавшихся в зоне затопления;
  • - количество мостов и тоннелей, затопленных, разрушенных и поврежденных в результате наводнения;
  • - площадь сельскохозяйственных угодий, охваченных наводнением;
  • - количество погибших сельскохозяйственных животных и т.п., а также такие обобщенные характеристики, как величины ущерба, наносимого наводнением различным отраслям народного хозяйства.

Различают прямой и косвенный ущерб от наводнений.

К видам прямого ущерба относятся:

  • - повреждение и разрушение жилых и производственных зданий, железных и автомобильных дорог, линий электропередач и связи, мелиоративных систем и др.;
  • - гибель скота и урожая сельскохозяйственных культур; уничтожение и порча сырья, топлива, продуктов питания, кормов, удобрений и др.;
  • - затраты на временную эвакуацию населения и материальных ценностей в незатопляемые места;
  • - смыв плодородного слоя почвы и занесение почвы песком и илом.

Виды косвенного ущерба:

  • - затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы продуктов питания, строительных материалов, кормов для скота;
  • - сокращение выработки продукции и замедление темпов развития народного хозяйства;
  • - ухудшение условий жизни населения;
  • - невозможность рационального использования территории;
  • - увеличение амортизационных расходов на содержание зданий в нормальном состоянии.

Для городов и населенных пунктов существуют понятия подтопление и затопление. При подтоплении вода проникает в подвальные помещения. В случае затопления местность покрывается слоем воды той или иной высоты.

Катастрофическое затопление, являющееся следствием гидродинамической аварии, заключается в стремительном затоплении местности волной прорыва. Масштабы последствий гидродинамических аварий зависят от параметров и технического состояния гидроузла, характера и степени разрушения плотины, объемов запасов воды в водохранилище, характеристик волны прорыва и катастрофического наводнения, рельефа местности, сезона и времени суток происшествия и многих других факторов.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются высота волны, скорость движения волны и длительность затопления.

Волна прорыва - волна, образующаяся во фронте устремляющегося в пролом потока воды, имеющая, как правило, значительную высоту гребня и скорость движения и обладающая большой разрушительной силой. Она образуется при одновременном наложении двух процессов: падения вод водохранилища из верхнего в нижний бьеф, порождающего волну, и резкого увеличения объема воды в месте падения, вызывающего переток воды из этого места в другое, где уровень воды ниже [15]. Волна прорыва с гидравлической точки зрения является волной перемещения, которая в отличие от ветровых волн, возникающих на поверхностях больших водоемов, обладает способностью переносить в направлении своего движения значительную массу воды. Поэтому волну прорыва следует рассматривать как определенную массу воды, движущуюся вниз по реке и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость.

4.3.1. Прогнозирование последствий наводнений

При прогнозировании последствий наводнений схематически сечение русла реки можно представить либо треугольным сечением (рис. 4,2а), либо сечением трапецеидального вида (рис. 4,26). Возможно и прямоугольное сечение (каналы).

Расход воды в реке до наступления наводнения (паводка):

Qo = Vo- So, м’/с, (35)

где Vo - скорость воды в реке до наступления паводка, м/с; So - площадь сечения русла реки до паводка, м2, имеющая следующие значения:

So = boho - для прямоугольного сечения;

So = O,5boho - для треугольного сечения;

So = 0,5(a0 + b0)h0 - для трапецеидального сечения.

Расход воды после выпадения осадков (таяния снега) и наступления половодья (паводка):

Qmax - Qo + J’ F/3,6, M3/C,

(36)

где J - интенсивность осадков (таяния снега), мм/ч; F - площадь поймы реки, км2.

Расчетная схема сечения реки

Рис. 4.2 Расчетная схема сечения реки:

а - треугольное сечение; б - трапецеидальное сечение:

а0 - ширина дна реки; b0, b - ширина реки до и во время наводнения;

h0, h - глубина реки до и во время наводнения;1г3 - глубина затопления; /гЛ1 -высота места;т, п- углы наклона берегов реки

Высота подъема воды в реке при прохождении паводка

определяется из выражения

Ь = (2^ho/3)^ м

X h iz ' ’

b0.V0

(37)

Если глубина реки h0 неизвестна, но известны углы наклона

берегов, то для трапецеидального сечения

h={

ZQmaxECbo-ao)/^^ m+ctff n)]5/3 bo Vo

(38)

Максимальная скорость потока воды при прохождении паводка:

Vmax = Qmax/ Smax, м/с, (39)

где Smax - площадь поперечного сечения потока при прохождении паводка, м2, определяемая исходя из формы сечения русла (см. выше):

  • - для трапеции Smax = 0,5-(а0 + b) -h, здесь b = ао + 2-h -ctg- m, где ctg- m = ctg -n = (b0 - a0)/(2-h0);
  • - для треугольника Smax = 0,5 -b • h;

где значение b = b0-h/h0;

- для прямоугольника Smax = b0 • h.

Поражающее действие паводка определяется глубиной затопления

h3= h-h0-hM , м, (40)

и максимальной скоростью потока затопления

V3= Vmax-/ , м/с (41)

Параметр удаленности объекта от русла реки/определяется по табл. 4.5.

Таблица 4.5

Значения параметра удаленности объекта от русла реки

h3 Zh

Параметр удаленности объекта от русла реки f

Сечение русла

Прямоугольное

Трапецеидальное

Треугольное

0.1

0,2

0,23

0,3

0,2

0,38

0,43

0,5

0,4

0,60

0,64

0,72

0.6

0,76

0,84

0,96

0,8

0,92

1,05

1,18

1,0

1,12

1,2

1,32

В отличие от волны прорыва наводнение (рис. 4.3) и паводок оказывают более продолжительное действие, усугубляющее первоначальное разрушающее воздействием напорной волны (табл.

Зоны затопления при наводнениях

Рис. 4.3 Зоны затопления при наводнениях

Таблица 4.6

Доля поврежденных объектов (%) на затопленных площадях при крупных наводнениях (У3 = 3 - 4 м/с)______________________________

Объект

Время затопления, ч

1

2

3

4

24

48

Затопление подвалов

10

15

40

60

85

90

Нарушение дорожного движения

15

30

60

75

95

100

Разрушение уличных мостовых

-

-

3

6

30

5

Смыв деревянных домов

-

7

70

90

100

100

Разрушение кирпичных зданий

-

-

10

40

50

60

Прекращение электропитания

75

90

90

100

100

100

Прекращение телефонной связи

75

85

100

100

100

100

Повреждение систем газо- и теплоснабжения

-

-

7

10

30

70

Гибель урожая

-

-

-

-

3

8

Примечание. При V3 = 1,5 - 2,5 м/с приведенные в таблице значения необходимо умножить на 0,6; при V3 = 4,5 - 5,5 м/с - умножить на 1,4.

Поражающее действие волны затопления может быть оценено по табл. 4.7.

Таблица 4.7

Поражающее действие волны затопления

Наименование объекта

Степень разрушения

Сильная

Средняя

Слабая

м/с

h3, м

V3, м/с

h3, м

V3, м/с

h3,M

Здания и сооружения портов

Сборные деревянные

жилые дома

3,0

2,0

2,5

1,5

1,0

1,0

Кирпичные малоэтажные здания (1-3 этажа)

4,0

2,4

3,0

2,0

2,0

1,0

Кирпичные дома средней этажности (4 этажа)

6,0

3,0

4,0

2,5

2,5

1,5

Промышленные здания с легким металлическим

каркасом и здания

бескаркасной постройки

5,0

2,5

3,5

2,0

2,0

1,0

Бетонные и железобетонные здания, здания антисейсмической конструкции

12,0

4,0

9,0

3,0

4,0

1,5

Оборудование портов и промышленных предприятий

Оборудование химических и электротехнических цехов и лабораторий

4,0

1,5

3,0

1,5

1,0

1,0

Станочное оборудование

3.0

2.0

2.0

2.0

1,0

1.0

Трансформаторнопонизительные подстанции

5,0

2,0

4,0

2,0

2,0

1,0

Портальные краны грузоподъемностью 5 т

6,0

4,0

6,0

2,0

2,0

1,5

Портальные краны грузоподъемностью 16 т

8,0

6,0

6,0

3,0

2,0

2,0

Мосты, дороги и транспортные средства

Деревянные мосты (поток выше проезжей части)

1,0

2,0

1,0

1,5

0,0

0,5

Железобетонные мосты

2.0

3.0

1.0

2.0

0.0

0,5

Металлические мосты и путепроводы с пролетом более 100 м

2,0

2,0

1,0

2,0

0,0

0,5

Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием

4,0

3,0

2,0

1,5

1,0

1,0

Автомобили

2.0

2.0

1,5

1,5

1.0

1,0

Пример решения задачи

Задача. Определить последствия наводнения, вызванного таянием снега в пойме реки, для населенного пункта, состоящего из деревянных и кирпичных малоэтажных домов и производственных зданий.

Интенсивность таяния снега J = 75 мм/ч, площадь поймы реки F = 300 км2, ширина реки Ьо = 100 м, глубина h0 = 3 м, скорость течения Vo = 2 м/с, русло реки в сечении имеет форму трапеции с шириной дна ао = 80 м, высота расположениянаселенного пункта hM = 2 м.

Решение'.

1. Определим расход воды в реке до наступления наводнения Qo с использованием формулы (35) с учетом значения So для трапецеидального сечения русла

Qo = 2- 0,5-(100+80)-3 = 540 м3/с.

2. Расход воды после таяния снега и наступления половодья Qmax определим ПО формуле (36):

Qmax = 540 + 75-300/3,6 = 6790 м3/с.

3. Высота подъема воды в реке при прохождении наводнения находится по формуле (37):

h = (2-6790-3573 /100-2)3/8 = 9,67 м.

4. Максимальную скорость потока воды при прохождении половодья Vmax рассчитывается по (39):

Vmax = 6790/1084- 6,3 м/с.

Здесь Smax2) определяется по формуле для трапеции So = 0,5 • (а0 + Ьо) • h0, в которой вместо Ьо = 100 м подставлено значение

b = ао + 2-h -ctg • m = 80 + 2 • 9,67 • 3,33 = 144,3 (м), где ctg- m = ctg -n = (b0 - ao)/(2-ho) = (100 - 80)/(2 • 3) = 3,33.

Smax = O,5-(ao + b)-h = 0,5(80 + 144,3) • 9,67 ~ 1084 m2.

5. Глубина затопления h3 по формуле (40) равна

h3 = 9,67-3-2- 4,7 м.

6. Максимальную скорость потока затопления определим по формуле (41). При h3/h = 0,48 для трапецеидального сечения русла значение параметра, найденное методом интерполяции по данным табл. 4.5, составляет 0,72:

V3 = 6,3 • 0,72 - 4,5 м/с.

  • 7. Долю поврежденных объектов на затопленных площадях определим по табл. 4.6. В результате таяния снегов в течение суток будет затоплено 85 % подвалов, на 30 % будут разрушены уличные мостовые, 50 % кирпичных зданий получат различные степени разрушения. Прекратится подача электроэнергии, на 30 % будут разрушены системы газо- и теплоснабжения.
  • 8. По табл. 4.7 определим, что при скорости затопления V3 = 4,5 м/с и глубине затопления h3 = 4,7 м полностью могут быть разрушены или получить сильные повреждения деревянные и кирпичные малоэтажные дома. Производственные здания получат разрушения от средней до сильной степени.

Задача для самостоятельного решения. Определить воздействие наводнения на строения населенного пункта, находящегося в пойме реки площадью F (км2), вызванного таянием снега с интенсивностью J (мм/ч).

Ширина реки Ьо (м), глубина h0 (м), скорость течения Vo (м/с), русло реки в сечении имеет ширину дна ао (м). Высота расположения населенного пункта hM (м).

Исходные данные для самостоятельного решения задач даны в табл. 4.8 по вариантам.

Таблица 4.8

Исходные данные для самостоятельного решения задач по оценке последствий наводнений

Варианты

Тип строения

Форма сечения русла

Интенсивность таяния снега J, мм/ч

Площадь поймы реки F ,км2

Ширина реки Ьо, м

Глубина реки h0, м

Скорость течения реки Vo , м/с

Ширина дна реки а0, м

Высота расположения населенного пункта hM, м

1

Деревянные жилые дома Кирпичные малоэтажные здания

__/

70

500

60

2,8

1,5

40

2,1

2

50

700

80

3,0

1,2

60

2.4

3

60

600

60

3,1

1,7

50

2,0

4

Промышленные здания с метал-лическим каркасом Автомобили

\__/

80

500

120

2,6

2,2

100

2,2

5

90

600

100

2,5

1,5

80

2,8

6

60

700

60

2,6

1,6

40

1,9

7

Портальные краны 5 т Трансформаторные подстанции Бетонные и ж/б здания

/

85

500

40

3,2

1,4

0

1,8

8

70

600

30

2,5

1,7

0

2,3

9

65

800

50

3,0

1,5

0

2,5

10

Деревянные жилые дома Деревянные мосты Трансформаторные подстанции

/

75

600

20

2,8

2.2

0

1,9

И

60

500

15

2,6

1,6

0

1.8

12

95

700

30

2,7

1.9

0

2.3

13

Металлические мосты Кирпичные дома средней этажности

| |

40

500

40

3,1

1,4

0

2,4

14

50

600

20

3,2

2,2

0

2,0

15

90

750

30

2,8

1,5

0

2,2

4.3.2. Прогнозирование последствий действия волны прорыва

Разрушительное действие волны прорыва является результатом:

- резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах при разрушении напорного фронта;

непосредственного воздействия массы воды, перемещающейся с большой скоростью;

  • - изменения прочностных характеристик грунта в основании сооружений вследствие фильтрации и насыщения его водой;
  • - размыва и перемещения больших масс грунта;

перемещение с большими скоростями обломков разрушенных зданий и сооружений и их таранного действия.

Схематично продольный разрез волны прорыва показан на рис. 4.4.

Створ разрушенного гидроузла

Гребень волны

Схема продольного разреза волны прорыва

Рис. 4.4 Схема продольного разреза волны прорыва

Так как волна прорыва является основным поражающим фактором при разрушении гидротехнического сооружения, то для определения показателей обстановки в зоне катастрофического затопления, необходимо определить ее параметры. Это высота волны, глубина потока, скорость движения волны и время добегания различных характерных точек волны (фронта, гребня, хвоста) до расчетных створов, расположенных на реке ниже гидроузла, а также длительность прохождения волны через указанные створы. На основании известных параметров волны прорыва выявляются показатели потерь и разрушений и разрабатываются мероприятия по ликвидации их последствий.

Параметры волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки и характеризуются на расстоянии L (км) от гидротехнического сооружения (ГТС) высотой гребня hrp (м) и скоростью V3 (м/с), определяемыми по формулам:

h1p=Al,/(Bh+l)05 , (42)

V3= AV/(BV + 1)W, (43)

где Ah , Bh , Av, Bv - коэффициенты, зависящие от высоты уровня воды в верхнем бьефе плотины (уровня воды водохранилище) Но (м), гидравлического уклона реки і (превышение в метрах высоты уровня ре на 1000 м длины) и относительной ширины прорана В (отношение ширины промоины к ширине плотины), значения которых приведены в табл. 4.9.

Таблица 4.9

Значения коэффициентов к формулам (42, 43)

Но, м

В

Уклон

i=l ? Iff4

і = 1-lff3

Bh

Av

Bv

Ah

Bh

Av

Bv

20

I

100

90

9

7

40

10

16

21

40

280

150

20

9

110

30

32

24

80

720

286

39

12

300

60

62

29

20

0,5

128

204

11

13

56

51

18

38

40

340

332

19

14

124

89

32

44

80

844

588

34

17

310

166

61

52

20

0,25

140

192

8

21

40

38

15

43

40

220

338

13

21

108

74

30

50

80

880

780

23

21

316

146

61

65

Время прихода гребня (т^) и фронта (Тф) волны прорыва определяются по табл. 4.10 в зависимости от Но, і и удаленности L створа объекта от ГТС.

Таблица 4.10

Время прихода гребня (т,р) и фронта (тф) волны прорыва

L, км

Ho = 2O

Яо = 4О

Яр=80

і = ю-4

і = 10’3

/ = ю-4

і = 10’3

/= ю4

і = 10’3

ч

ч

ч

Ч

Ч

ч

ч

Т

Ч

ч

ч

5

0,2

1,8

0,2

1,2

0,1

2

0,1

1,2

0,1

0,2

0.1

0,2

10

0,5

4

0,6

2,4

0,3

3

0,3

2

0,2

1,7

0.1

0,4

20

1,6

7

2

5

1,0

6

1

4

0,5

3

0,4

1

40

5

14

4

10

3

10

2

7

1,2

5

1

2

80

13

30

11

21

8

21

6

14

3

9

3

4

Продолжительность затопления территории объекта тзат определяется по формуле

(44)

^зат ~ Р'С^гр " ^ф)'(1 " Ьм/ hrp), Ч,

где р - коэффициент, зависящий от уровня воды верхнего бьефа плотины Но, гидравлического уклона реки і и расстояния до объекта L (табл. 4.11); hM - высота местоположения объекта.

Таблица 4.11

Значения коэффициента р

lL

Но

Отношение уровня воды верхнего бьефа плотины Но (м) к средней глубине реки в нижнем бьефе h0 (м)

ЯА>=10

Ho/ho = 2O

0,05

15,5

18,0

0,1

14,0

16,0

0,2

12,5

14.0

0,4

11,0

12,0

0,8

9,5

10,8

1,6

8,3

9,9

В зависимости от скорости движения и глубины затопления h3 = hrp- hM.

Пример решения задачи

Задача. В результате аварийного разрушения части плотины образовалась промоина с относительным размером В = 0,5. На расстоянии L = 30 км вниз по течению реки расположен город. Высота уровня воды перед плотиной Но = 40 м, высота местоположения города hM = 3 м, гидравлический уклон реки і = 10'[1] , глубина реки в нижнем бьефе ho = 4 м.

Оценить степень разрушения зданий в городе, металлического и железобетонного мостов.

Решение:

1. Находим высоту гребня hrp и скорость волны прорыва v по формулам (42), (43), используя данные табл. 4.9.

hjp = 124/(89+1)°’~ 13 м,

V3 = 32/(44 + 1)0>5~ 4,8 м/с.

2. Определяем время прихода гребня волны прорыва (тгр) и фронта (Тф) волны прорыва, интерполируя приведенные в табл. 4.10 данные для L= 30 км:

Тгр= 5,5 ч; тф= 1,5 ч.

Задача для самостоятельного решения. В результате аварийного разрушения части плотины образовалась промоина с относительным размером В. На расстоянии L вниз по течению реки расположен город. Высота уровня воды перед плотиной Но, высота местоположения города hM, гидравлический уклон реки і , глубина реки в нижнем бьефе Ь().

Оценить степень разрушения в городе по таблице 4.7.

Таблица 4.12

Исходные данные для самостоятельного решения задач по оценке последствий действия волны прорыва ______________________

Варианты

Тип строения

Промоина В

Расстояние, L км

Высота уровня воды перед плотиной Но, м

Высота расположения населенного пункта

Ьм

Г идравлический уклон реки і

Глубина реки в нижнем бьефе Ь0

1

Деревянные жилые дома Кирпичные малоэтажные здания

1

40

60

3,0

10'3

4,0

2

0,25

20

20

2.0

10'4

3,0

3

0,5

30

40

4,0

10’3

5,0

4

Промышленные здания с металлическим каркасом Автомобили

1

40

40

2.5

10'4

3,5

5

0,25

20

60

3.5

10’3

4,5

6

0.5

30

80

3.0

10’3

4,0

7

Портальные краны 5 т Трансформаторные подстанции

Бетонные и ж/бетонные здания

1

40

40

3,5

10’4

4,5

8

0,25

20

60

4.0

10’3

4,5

9

0,5

30

80

3,0

10'3

3,5

10

Деревянные жилые дома Деревянные мосты Трансформаторные подстанции

1

60

60

4,0

10'4

5,0

И

0,25

20

40

2,5

10’3

3,5

12

0,5

40

80

3,5

10'4

4,0

13

Металлические мосты Кирпичные дома средней этажности

1

80

40

4.0

10’4

5.0

14

0.25

40

30

3.0

10’3

4,0

15

0,5

20

20

2,5

10’4

3,5

  • [1] Продолжительность затопления территории города тзат определяем по формуле (44), предварительно определив по табл. 4.11 для і L/Но = 1- 10’1 -30000/40 = 0,75 и H0/h0 = 10 значение p = 9,3: тзат = 9,3-(5,5 - 1,5) • (1 -3,0/13) ~ 26 ч. 2 Оцениваем степень разрушений в городе по табл. 4.7. При 3 скорости движения волны прорыва V3= 4,8 м/с и глубине затопления h3, равной h3 = hrp - hM = 13 - 3 = 10 м, в городе полностью будут разрушены деревянные дома, сильно разрушены кирпичные малоэтажные здания, получат средние разрушения кирпичные дома средней этажности. Велика опасность сильного разрушения железобетонного и металлического мостов. Шоссейные дороги с асфальтовым и бетонным покрытием получат средние разрушения.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >