Серия 03

Нормативные документы межотраслевого
применения по вопросам промышленной
безопасности и охраны недр

Выпуск 42

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

РД 03-607-03

Москва

Государственное унитарное предприятие
«Научно-технический центр по безопасности в промышленности
Госгортехнадзора России»

2003

Ответственные разработчики:

А.А. Шаталов, В.П. Аксенов, Ю.Ф. Некрасов, В.В. Агентов, Л.И. Кондратьев, А.А. Манушин

Методические рекомендации по расчету развития гидродинамических аварий на накопителях жидких промышленных отходов (РД 03-607-03). Серия 03. Выпуск 42 / Колл. авт. - М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России», 2003.

Методические рекомендации предназначены для расчета параметров прорана и зон затопления при гидродинамических авариях на эксплуатируемых и проектируемых накопителях жидких промышленных отходов предприятий и организаций, поднадзорных Госгортехнадзору России, и используются при декларировании безопасности, оценке технического состояния и безопасности эксплуатации, определении размера вероятного вреда в результате аварии на гидротехнических сооружениях и других работах. При соответствующем обосновании Методические рекомендации могут быть использованы для расчета параметров прорана и зон затопления при авариях на грунтовых плотинах предприятий, подконтрольных другим органам надзора. Методические рекомендации разработаны Госгортехнадзором России при участии ООО «НПО Агрохимбезопасность» и ООО «НТЦ Спецпромгидротэк».

Настоящие Методические рекомендации, утвержденные постановлением Госгортехнадзора России от 05.06.03 № 51, вводятся в действие с 01.08.03 г. (постановление Госгортехнадзора России от 25.07.03 № 105).

СОДЕРЖАНИЕ

Утверждены

постановлением Госгортехнадзора

России от 05.06.03 № 51.

Введены в действие с 01.08.03 г.

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

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) позволяют определить показатели, характеризующие аварию:

границы зоны затопления;

время образования прорана;

размеры и форму развития прорана;

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

высоту, 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 обусловливают 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:

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

F      - площадь заполнения хранилища (определяется по графику зависимости площади F и объема v от уровня заполнения), м².

v_max  - полный объем отходов в хранилище (определяется по графику зависимости F и v от уровня заполнения), м³.

l₀      - ширина гребня дамбы, м.

m_отк  - заложение внутреннего откоса дамбы (отношение длины горизонтальной проекции откоса к высоте откоса), м/м.

n_отк   - заложение внешнего откоса дамбы, м/м.

ρ_s     - плотность частиц грунта, т/м³.

ρ_ж    - плотность жидкости и неконсолидированных отходов (жидких отходов), т/м³.

ρ_d     - средняя плотность сухого грунта тела дамбы, т/м³.

ν      - кинематический коэффициент вязкости жидкости и неконсолидированных отходов (жидких отходов), см²/с. (Для воды кинематический коэффициент вязкости равен 0,0101, см²/с).

d   - средневзвешенный размер частиц грунта, мм.

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-й промежуток времени:

глубина прорана                                        y_i = y_i-1 + Δy;                                                    (3)

ширина прорана                                         b_i = b_i-1 + Δb;                                                   (4)

длина прорана                                            l_i = y_i(m_отк + n_отк) + l₀, м.                                 (5)

При достижении y_i = H_max принимается, что увеличение прорана рассчитывается только за счет его расширения:

b_i = b_i-1 + Δb',                                                               (6)

где Δb' = 2,5Δy×[y₀/(y₀ + Δy)].                                                                                                                                                  (7)

Глубина потока в проране h_i = 2/3(H_i), м,                                                                        (8)

где H_i определяется по формуле (30).

Расход потока в проране  м³/с,                                                           (9)

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

Удельный расход потока в проране q_i = Q_i/b_i = 1,373×, м²/с.                                (10)

Скорость потока в проране u_i = Q_i/(b_ih_i) = 2,056×, м/с.                                          (11)

Неразмывающая скорость для несвязанных грунтов u_0i, м/с, определяется для заданного значения d_ср и гидравлических параметров потока по зависимостям В.С. 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 = 0,785d^0,75;

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

                                                           (15)

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

Неразмывающая скорость для связанных грунтов определяется по формуле

                             (16)

где m   - коэффициент условий работы, принимаем равным 1;

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

C_гр  - нормативная усталостная прочность связанного грунта на разрыв, Па: C_гр = 0,35C^Н;

C^Н  - 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 м/с²).

Время размыва элементарного объема прорана

                                                         (21)

где ΔW_i   - увеличение объема размытого прорана, м³:

ΔW_i = W_i - W_i-1 = 0,5(b_iy_il_i - b_i-1y_i-1l_i-1);                                     (22)

μ_i  - 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 u_i ≥ 2,7u_0i и все частицы d ≤ 0,15 мм (переносятся во взвешенном состоянии), то величина μ_i может быть определена как

                                      (23)

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

при y_i < H_max u_крi = 2,63h_i^0,5;                                                                                               (24)

при y_i = H_max u_крi = 3,77h_i^0,2.                                                                                               (25)

Если u_i < 2,7u_0i и все частицы d > 0,15 мм (движутся в донном режиме), то величина μ_i определяется по формуле

                                 (26)

Объем жидкости, вытекающей из прудка за время Δt_i:

                                               (27)

Общий объем, вытекший за время Т = ΣΔt_i:

V_i = ΣΔV_i.                                                            (28)

Понижение уровня в прудке

ΔH_i = ΔV_i/F.                                                                                                  (29)

Глубина слоя, вытекающего из прудка:

H_i = H_i-1 + Δy - ΔH_i-1.                                                   (30)

Глубину слоя, вытекающего из прудка, ΔH_i 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 V_i достигает значения V_max или величина транспортирующей способности μ_i 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 Q_max и соответствующие ему значения ширины b₁₁ и глубины h₁₁ (вариант 1);

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

максимальное значение ширины прорана b_max.

Расчет по выбранным параметрам производится одновременно для Q_max и q_max.

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

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 i_в.о = 1/n_отк.

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

ω₁ = b₁₁h₁,                                       ω₂ = b₁₂h₂;                                 (33)

смоченный периметр потока

χ₁ = b₁₁ + 2h₁,                           χ₂ = b₁₂ + 2h₂;                               (34)

гидравлический радиус

R₁ = ω₁/χ₁,                           R₂ = ω₂/χ₂;                                     (35)

коэффициент Шези

                                                                 (36)

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

значение расчетного модуля расхода K_r

                                                     (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 K_r1 ≈ K₀₁ (K_r2 ≈ 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 = h_кр, в формулу (39), получим

                   (40)

где b_кр1 = b₁₁, b_кр2 = b₁₂.

В зависимости от глубины потока в начале откоса h₁₁ (h₁₂) и соотношения i  i_кр1 (i  i_кр2) и h₀₁  h_кр1 (h₀₂  h_кр2) определяется форма свободной поверхности потока.

4.2. Определение глубины потока в сечении у подошвы откоса.

Из полученных значений h₁₁, h₀₁, h_кр1 (h₁₂, h₀₂, h_кр2) выбираются наибольшее и наименьшее значения глубины потока [h_max1, h_min1 (h_max2, h_min2)] и вычисляется среднее значение

h_ср1 = (h_max1 + h_min1)/2,               h_ср2 = (h_max2 + h_min2)/2.                    (41)

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

                           (42)

                            (43)

где b_ср1 = b₁₁, b_ср2 = b₁₂;

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

η₁₁ = h_max1/h₀₁,                     η₁₂ = h_max2/h₀₂;                                   (44а)

η₂₁ = h_min2/h₀₁,                     η₂₂ = h_min2/h₀₂,                                   (44б)

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

Гидравлический показатель русла определяется по формулам:

                                        (45)

Полученные в уравнении (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 u определяется по известному расходу и глубине потока в сечении у подошвы откоса:

u₁ = Q_max/(b₁h₀₁),                    u₂ = q_max/h₀₂.                                     (47)

Из полученных расчетов из двух случаев выбираем максимальные значения параметров потока в сечении у подошвы откоса: глубины h_max и скорости u_max. Ширина потока в этом сечении принимается равной максимальной ширине прорана b_max. 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, 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 Q_п = Q_max, полученное в результате расчета на первом этапе.

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

Рис. 2. Поперечное сечение лога

Для определения формул расчета скорости u_i, глубины h_i и ширины b_i потока вычисляются уклоны i-х участков лога I_лi:

I_лi = (A_дi-1 - A_дi)/L_лi,

где L_лi - длина выбранного i-го участка лога.

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

скорость потока                                                                   (48)

глубина потока                                                                           (49)

ширина потока                                                                               (50)

где - относительное расстояние, определяемое по формуле:

                                                             (51)

Для уклонов I_лi > 0,01 параметры потока в i-м 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 h^н, то h^н определяется методом последовательных итераций. При этом C определяется по формуле (36), R определяется по формуле (35).

В зависимости от соотношения глубин h_i-1, h_кр, h^н и уклона будем иметь кривую спада либо подпора (рис. 3). Исходя из уравнения Бернулли

                                (54)

где - потери напора между створами;

U_ср = (U_i-1 + U_i)/2, C_ср = (C_i-1 + C_i)/2, R_ср = (R_i-1 + R_i)/2;

   - скорость потока в i-м створе;

i = I_лi,

определяем длину кривой свободной поверхности l:

                                    (55)

где h_i-1   - глубина в предыдущем створе.

Рис. 3. Кривые свободной поверхности

Если длина кривой l меньше расстояния между створами L_лi, то h_i достигнет h^н или h_кр и будет им равна (соответственно), в противном случае определяем глубину h_i по формуле

                                                   (56)

Площадь максимального затопления между створами определяем по формуле

                                (57)

Расчет повторяется для следующего створа.

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

                                                        (58)

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

S_K = Q_п/u.                                                            (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 В.С. 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.