РД 03-607-03

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ЭКОНОМИЧЕСКОМУ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ

И АТОМНОМУ НАДЗОРУ

Утверждены

постановлением Госгортехнадзора

России от 05.06.03 № 51.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ РАЗВИТИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ АВАРИЙ НА НАКОПИТЕЛЯХ ЖИДКИХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ*

_____________

* Не нуждаются в государственной регистрации (письмо Минюста России от 21.06.03 № 07/6323-ЮД).

РД 03-607-03

РАЗРАБОТАНЫ Управлением по надзору в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности Госгортехнадзора России.

ВВЕДЕНЫ в действие с 1 августа 2003 г.

I. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При аварии на хранилищах происходит разрушение ограждающих сооружений (дамб) и разлив содержимого хранилищ, вызывающий затопление окружающих территорий.

1.2. Опасность аварий определяется возникновением чрезвычайных ситуаций (ЧС): обстановки, которая может повлечь за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей среде, материальные потери и нарушение жизнедеятельности людей.

1.3. Методические рекомендации (далее - Методика) позволяет определить показатели, характеризующие аварию:

- границы зоны затопления;

- время образования прорана;

- размеры и форма развития прорана;

- расходы и объемы жидких отходов, выливающихся по мере развития прорана;

- высота, скорость и гидродинамическое давление волны прорыва по пути движения.

1.4. Методика, предназначена для использования:

- организациями, эксплуатирующими хранилища;

- проектными организациями;

- экспертными центрами;

- другими организациями по роду своей деятельности связанными с обеспечением безопасности хранилищ;

- при декларировании безопасности гидротехнических сооружений (далее - ГТС);

- при определении последствий гидродинамической аварии;

- при определении возможности дальнейшей эксплуатации хранилищ и при других работах, в которых требуется оценка параметров прорана и зоны растекания при аварии хранилища.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ПРИНИМАЕМЫЕ ПРИ РАСЧЕТЕ

2.1. Процесс разрушения хранилища, образования прорана и движения образующегося при этом потока отходов является сложным. Неравномерный и неустановившийся характер движения потока по всей трассе растекания обуславливают переменные значения его гидродинамических параметров, поэтому для упрощения расчетов рассматриваемый процесс разделяется в расчетном отношении на два этапа:

а) расчет образования прорана и расчет параметров потока в сечении у подошвы откоса дамбы;

б) расчет максимальных параметров потока по трассе растекания.

2.2. В Методике приняты следующие допущения:

- поперечное сечение прорана принимается прямоугольным и постоянным по всей длине прорана;

- после образования прорана жидкость растекается по местности, имеющей естественный уклон;

- гидравлический прыжок, возникающий на переходе потока с участка с уклоном дна, больше критического, на участок, где уклон меньше критического, не рассматривается.

III. РАСЧЕТ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОРАНА (ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ДАМБ)

3.1. В расчетах приняты следующие основные обозначения:

3.2. Исходными данными для расчета являются:

- максимальная разница между отметкой гребня ограждающей дамбы и отметкой, до которой жидкие отходы могут вытекать;

- зависимость площади и объема хранилища от отметки заполнения;

- ширина гребня дамбы;

- заложение внутреннего откоса дамбы;

- заложение внешнего откоса дамбы;

- плотность частиц грунта, плотность сухого грунта, плотность и вязкость вытекающих жидких отходов;

- средневзвешенный размер частиц грунта.

3.3. За начальные условия расчета размыва элементарного прорана принимается равенство

y0 = b0 = h0 = 0,5, м ;                                                        (1)

где y0 - начальная глубина прорана,

b0 - начальная ширина прорана,

h0 - начальная глубина потока.

На рис. 1 представлена схема расчета размыва гребня и пляжной зоны хвостохранилища:

Рис. 1. Схема расчета размыва прорана

Задавая приращение глубины прорана на каждом расчетном шаге постоянным и равным

Δy ≤ y0, определяют приращение ширины прорана

;                                                            (2)

Задавая приращения размеров прорана (Δy и Δb) определяем уменьшение глубины вытекающего из прудка слоя ΔH. Расчет ведется методом итераций.

Определение параметров размыва прорана и потока производится в расчетный i-ый промежуток времени:

глубина прорана

yi = yi-1 + Δy;                                                                 (3)

ширина прорана

bi = bi-1 + Δb;                                                                (4)

длина прорана

li = yi(mотк. + nотк.) + l0, м.                                                     (5)

При достижении yi = Hmax принимается, что увеличение прорана рассчитывается только за счет его расширения

;                                                               (6)

где ;                                                                                                                 (7)

Глубина потока в проране                      , м;                                                                   (8)

где Hi определяется по формуле (30).

Расход потока в проране , м3/с                                                                        (9)

где m - коэффициент водослива, принимаемый равным 0,31.

Удельный расход потока в проране , м2/с.                                              (10)

Скорость потока в проране , м2/с.                                                          (11)

Неразмывающая скорость и0i, м/с определяется для заданного значения dcp и гидравлических параметров потока по зависимостям B.C. Кнороза:

для 0,05 мм < d < 0,25 мм;

;                                            (12)

для 0,25 мм < d < 1,5 мм;

;                               (13)

для d > 1,5 мм;

;                                                   (14)

где k = 0,785d0,75;

Ri - гидравлический радиус потока для прямоугольного сечения прорана, определяемый по формуле:

м.                                                        (15)

Для частиц грунтов с d < 0,1 мм при определении значения неразмывающей скорости необходимо учитывать силы сцепления между частицами грунта.

Неразмывающую скорость для связанных грунтов определяется по формуле:

,                                  (16)

где m - коэффициент условий работы, принимаем равным 1;

dэ - эквивалентный диаметр отрывающихся отдельностей связанного грунта (для супесей dэ = 3 мм, для суглинков dэ = 4 мм, для глины dэ = 5 мм);

Сгр - нормативная усталостная прочность связанного грунта на разрыв, Па Сгр = 0,35СН;

СН - нормативное удельное сцепление грунта, Па;

k - коэффициент однородности, допускается принимать равным 0,5;

.

Значение неразмывающей скорости определяется по справочнику проектировщика "Гидротехнические сооружения" (под ред. В.П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983. 543 с.).

Величина гидравлической крупности W0, м/с, для размываемых грунтов в проране определяется в зависимости от диаметра частиц грунта по формулам:

при d ≤ 0,1 мм

;                                                           (17)

при 0,1 мм < d < 0,6 мм

;                                                      (18)

при 0,6 мм < d < 2,0 мм

;                                                      (19)

при d ≥ 2,0 мм

;                                                       (20)

где g - ускорение силы тяжести (g = 9,81 см/с2).

Время размыва элементарного объема прорана

, с,                                                      (21)

где ΔWi - увеличение объема размытого прорана, м3:

;                                        (22)

μi - транспортирующая (размывающая) способность потока.

В зависимости от гидравлических параметров потока и диаметра частиц размываемого грунта они могут переноситься потоком либо во взвешенном, либо в донном состоянии.

Если скорость потока иi ≥ 2,7и0i и все частицы d ≤ 0,15 мм (переносятся во взвешенном состоянии), то величина μi может быть определена как

;                                              (23)

где икрi - критическая скорость потока, м/с определяется:

при yi < Hmax

;                                                          (24)

при yi = Hmax

;                                                         (25)

Если иi < 2,7и0i и все частицы d > 0,15 мм (движутся в донном режиме), то величина μi определяется по формуле

.                                       (26)

Объем жидкости, вытекающей из прудка за время Δti:

;                                                   (27)

Общий объем, вытекший за время T = ΣΔti

Vi = ΣΔVi;                                                                 (28)

Понижение уровня в прудке

;                                                                (29)

Глубина слоя, вытекающего из прудка

Hi = Hi-1 + Δy - ΔHi-1;                                                        (30)

Глубину слоя, вытекающего из прудка ΔHi, можно также определить по графикам зависимости V и F от уровня заполнения.

При i = 1 принимаем, что H0 = y0 и ΔH0 = 0.

Расчет ведется до того момента, когда Vi достигает значения Vmax или величина транспортирующей способности μi становится меньше 0,003.

IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА В СЕЧЕНИИ У ПОДОШВЫ ОТКОСА ДАМБЫ

Для определения значений скорости U и глубины h потока по внешнему откосу дамбы из результатов расчетов, полученных в п.2.2.3, выбираются:

- максимальное значение полного расхода Qmax и соответствующие ему значения ширины b11 и глубины h11 (вариант 1);

- максимальное значение удельного расхода qmax и соответствующие ему значения ширины b12 и глубины h12 (вариант 2);

- максимальное значение ширины прорана bmax.

Расчет по выбранным параметрам производится одновременно для Qmax и qmax.

4.1. Для определения формы свободной поверхности потока необходимо сравнить величину нормальной глубины h0 с критической глубиной hкр и уклона внешнего откоса дамбы iв.о с величиной критического уклона iкр.

Определение критической глубины потока, м (здесь и далее по тексту формулы в левой колонке относятся к первому варианту расчета, в правой - ко второму):

; ;                                                (31)

где α - коэффициент кинетической энергии, принимается равным 1,1.

g - ускорение силы тяжести (g = 9,81 м/с2).

Нормальная глубина h0 потока вычисляется в процессе итерационной процедуры (подбором) по значению модуля расхода K0:

вычисляется модуль расхода:

; ;                                                     (32)

где .

Задавая различные значения h1 (h2) (здесь и далее по тексту значения параметров, указанных в скобках, относятся ко второму варианту расчета), определяем характеристики потока:

- площадь сечения, м2

; ;                                                       (33)

- смоченный периметр потока

; ;                                                (34)

- гидравлический радиус

; ;                                                         (35)

- коэффициент Шези

; ;                                                      (36)

где n - коэффициент шероховатости, принимаемый равным 0,025;

- значение расчетного модуля расхода Kr:

; ;                                             (37)

Подставляя значения параметров, определяемых по уравнениям (33)-(36) в выражения (37), получим

; ;                  (38)

Результаты расчетов и значения h1 (h2) заносятся в таблицу. Значение h1 (h2), при котором расчетный модуль расхода Kr1 ≈ K01 (Kr2 ≈ K02), и будет значением нормальной глубины потока h01 (h02).

Величина критического уклона определяется по формуле

; ;                                               (39)

Подставляя значения параметров, определяемых по уравнениям (33)-(36) при h = hкр в формулу (39), получим

; ;                 (40)

где bкр1 = b11; bкр2 = b12.

В зависимости от глубины потока в начале откоса h11 (h12) и соотношения i >< iкр1 (i >< iкр2) и h01 >< iкр1 (h02 >< iкр2) определяется форма свободной поверхности потока.

4.2. Определение глубины потока в сечении у подошвы откоса.

Из полученных значений h11, h01, hкр1 (h12, h02, hкр2) выбираются наибольшее и наименьшее значение глубины потока [hmax1, hmin1 (hmax2, hmin2)] и вычисляется среднее значение:

; ;                                        (41)

Определяем длину откоса L, на которой устанавливается нормальная глубина h01 (h02):

;

;                             (42)

; ;                     (43)

где bcp1 = b11, bcp2 = b12;

ηij - относительная глубина (для каждого из вариантов) определяется:

; ;                                                   (44а)

; ;                                                 (44б)

По величинам гидравлических показателей русла X1 (X2) и относительным глубинам находятся функции относительной глубины φ(η11), φ(η12) и φ(η21), φ(η22) (см. Приложение 1).

Гидравлический показатель русла определяется по формулам:

; ;                                         (45)

Полученные в (42) величины L1 и L2 сравниваются с длиной внешнего откоса дамбы L0.

Если полученное значение L1 < L0 (L2 < L0), то считается, что глубина потока у подошвы откоса равна нормальной глубине h01 = h11 и h02 = h12. Если же значение L1 > L0 (L2 > L0), тогда, задавая L1 = L0 (L2 = L0), из уравнения (42) определяем глубину потока у подошвы откоса:

;                                (46)

4.3. Определение скорости потока в сечении у подошвы откоса дамбы.

Скорость и определяется по известному расходу и глубине потока в сечении у подошвы откоса:

; ;                                                         (47)

Из полученных расчетов из двух случаев выбираем максимальные значения параметров потока в сечении у подошвы откоса: глубины hmax и скорости иmax. Ширина потока в этом сечении принимается равной максимальной ширине прорана bmax. Эти величины являются исходными для расчета движения потока по прилегающей к хранилищу местности.

V. РАСЧЕТ МАКСИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОТОКА ПО ТРАССЕ РАСТЕКАНИЯ

В зависимости от характера рельефа, вытекающий из хранилища поток может быть ограничен боковыми склонами долины, либо растекание может происходить нестесненным образом, если хранилище расположено на плоской местности или в широкой долине.

Учитывая, что хранилища организаций подконтрольных органам Госгортехнадзора России в основном относятся к овражным, овражно-пойменным и/или равнинным типам, принимается, что вытекающий поток ограничен постоянным значением боковых склонов ложбин, лога или слабонаклоненных поверхностей поймы или равнины.

В расчете принято допущение о том, что лог по всей длине трассы растекания имеет треугольное сечение.

Для определения параметров потока по трассе растекания русло потока разбивается на участки с постоянными уклонами дна и формой поперечного сечения. На границах участков принимается условие равенства расходов. За расчетное принимается максимальное значение расхода потока Qп = Qmax, полученное в результате расчета на первом этапе.

Для расчета площади сечения лога на концах выбранных участков задаются характерные абсолютные отметки бортов Аб и дна Ад лога (см. рис. 2).

Рис. 2. Поперечное сечение лога

Для определения формул расчета скорости иi, глубины hi и ширины bi потока вычисляются уклоны i-ых участков лога Iлi:

;

где Lлi - длина выбранного i-го участка лога.

Для плоского рельефа местности и уклонов с Iлi < 0,01 параметры потока определяются:

- скорость потока

;                                                (48)

- глубина потока

;                                                    (49)

- ширина потока

;                                                    (50)

где - относительное расстояние, определяемое по формуле:

- относительное расстояние,           (51)

Для уклонов Iлi > 0,01 параметры потока в i-ом створе определяются:

;                                                             (52)

;                                                            (53)

где m - среднее заложение откосов лога в створе, определяемое по формуле:

.

Так как коэффициент Шези C и гидравлический радиус R зависят от глубины hн, то hн определяется методом последовательных итераций. При этом С определяется по формуле (36), R по формуле (34).

В зависимости от соотношения глубин hi-1, hкр, hн и уклона будем иметь кривую спада либо подпора. Исходя из уравнения Бернулли

,                                              (54)

где - потери напора между створами;

; ; ;

скорость потока в i-том створе;

i = Iлi,

определяем длину кривой свободной поверхности l:

,                                               (55)

где hi-1 - глубина в предыдущем створе.

Рис. 3. Кривые свободной поверхности

Если длина кривой l меньше расстояния между створами Lлi, то hi достигнет hн или hкр и будет им равна (соответственно), в противном случае определяем глубину hi по формуле

;                                                       (56)

Площадь максимального затопления между створами определяем по формуле

;                                       (57)

Расчет повторяется для следующего створа.

Гидродинамическое давление Pi на сооружения, расположенные на пути потока на расстоянии l от подошвы дамбы, вычисляется по формуле:

, Па;                                                   (58)

Для защиты объектов, попадающих в зону затопления можно с помощью защитных дамб отвести поток через какое-либо пропускное сооружение (водоотводной канал), находящегося на расстоянии l от подошвы дамбы, расчет которого ведется по условию пропуска максимального расхода потока Qп. Поперечное сечение SK, обеспечивающее отвод потока, рассчитывается по значению скорости и в этом месте и по максимальному расходу:

;                                                                (59)

Приведенные выше формулы позволяют рассчитать параметры потока по длине выбранной расчетной трассы движения на прилегающей к хранилищу местности, нанести их на соответствующий план или карту и определить границы зоны затопления.

Приложение 1

Функции относительной глубины φ(η)

Приложение 2

Список рекомендуемой литературы

1. Леви И.И. Динамика русловых процессов. Л.: Госэнергоиздат, 1957.

2. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат, 1962.

3. Кнороз B.C. Безнапорный гидротранспорт и его расчет// Известия ВНИИГ. 1951. Т. 44.

4. Чугаев Р.Р. Гидравлика. Л.: Энергоиздат, 1982. С. 573, табл. П-4.

5. Исследование и расчет волны прорыва из хвостохранилища Михайловского ГОКа. М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1978.

6. Временные методические рекомендации по расчету зон при внезапном прорыве ограждающих дамб хвостохранилищ. Белгород: ВИОГЕМ, 1981.

7. Рекомендации по расчету охранных зон хвостохранилищ. Л.: Механобр, 1984.

8. Методические рекомендации по оценке технического состояния и безопасности хранилищ производственных отходов и стоков предприятий химического комплекса (РД 09-255-99).

9. ГОСТ 19185-73. Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения.

10. СНиП II-89-80*. Генеральные планы промышленных предприятий. М., 1994.

11. Правила безопасности гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов (ПБ 03-438-02).

12. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация.

13. Методика расчета зон затопления при гидродинамических авариях на хранилищах производственных отходов химических предприятий (РД 09-391-00).

14. Геологический словарь. М.: Недра, 1978. Т. 1.

15. ГОСТ Р 22.0.05-94. Термины и определения.

16. Дополнительные требования к содержанию декларации безопасности и методика ее составления, учитывающие особенности декларирования безопасности гидротехнических сооружений на поднадзорных Госгортехнадзору России организациях, производствах и объектах (РД 03-404-01).

17. Гидротехнические сооружения: Справочник проектировщика / Под ред. В.П. Недриги. М.: Стройиздат, 1983. 543 с.

18. Пособие по гидравлическим расчетам малых водопропускных сооружений. М.: Транспорт. 1992. 408 с.

19. Закс Л. Статистические оценивания. М.: Статистика, 1976. С. 130-131.

20. Кнороз В.С. Неразмывающие скорости для несвязных грунтов и факторы, их определяющие // Известия ВНИИГ. 1958. Т. 59.

21. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. М.: Энергоиздат, 1984.