y = ([H2 - (2q/k)x]0,5) kпр, (3)
Сравнение экспериментальной и расчетной кривой депрессии однородной земляной дамбы показало, что экспериментальная модель фильтрации шлама через однородные земляные дамбы соответствует фильтрации шлама на исследуемых объектах (рисунок 5).
Полученные данные позволяют перейти к разработке расчетной методики по определению вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на подпорных сооружениях шламохранилищ калийного производства.
Рисунок 5. - Кривые депрессии для однородной дамбы
С целью определения вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на подпорных сооружениях шламохранилищ проведен анализ причин их возникновения на данном типе сооружений за период более 50 лет. Установлено, что наибольшее количество ЧС произошло на земляных дамбах. Их основными причинами явились: переполнение шламохранилища (31 %), нарушение режима фильтрация (27 %), ошибки персонала (23 %).
При оценке такой вероятности использован метод Э. Дж. Хенли и Х. Кумамото, описывающий механизм развития аварийной ситуации в виде поэтапного возникновения событий и наиболее полно отражает причинно-следственные связи между ними.
Данный метод предусматривает то, что в штатном режиме функционирования сооружения шламохранилищ вероятность потери устойчивости дамб (плотин) данного гидротехнического сооружения при проектных напорах крайне малы. Основными факторами повреждения или разрушения дамб - обвалований шламохранилищ являются нештатные ситуации, вызванные возникновением экстремальными явлений, нарушением прочности (устойчивости) сооружений, нарушением фильтрационной прочности различных частей дамб и большими фильтрационными потерями.
С целью прогноза возникновения ЧС, согласно данного метода, вначале разрабатывается дерево отказов, которое описывает совокупность причинно-следственных связей, объединяющих суть явления и последовательность событий в нем. В вершине дерева располагается непосредственно аварийное событие, а ветви образуют исходные события, для которых значения вероятностей известны либо определена среднегодовая частота возникновения. Далее дерево отказов подвергается качественному и количественному анализу.
Затем, с учетом статистических данных, проведенных лабораторных исследований было составили дерево отказов для вероятных причин возникновения ЧС на гидротехнических сооружениях шламохранилищ (рисунок 6).
Построение дерева отказов выполнено на основании модели возникновения гидродинамической аварии. Исходя из представленного на рисунке 6 дерева отказов определена вероятность возникновения каждого сценария и ЧС в целом.
Рисунок 6. Дерево отказов для оценки вероятности возникновении чрезвычайных ситуаций на сооружениях шламохранилищ калийного производства
Вероятность возникновения ЧС по сценарию 1 (рисунок 6, событие В1) определена из выражения:
P(В1) = P(D1) + P(D2) +P(D3) P(D1D2) P(D2D3) P(D1D3)+ P(D1D2D3)= =1,997·104 1/год.(4)
В формуле (4) вероятность возникновения контактного выпора грунта в местах его соприкосновения со шламопроводом P(D1) и бетонными элементами в теле дамбы P(D2) (рисунок 6) принималась исходя из анализа открытых источников равной 1,5·10-4 1/год. Вероятность образования в теле дамбы хода сосредоточенной фильтрации (критический вынос грунта) P(D3), по данным А.М. Козлитина, на стадии введения плотины в эксплуатацию составляет 1·103 1/год.
Вероятность возникновения ЧС по сценарию 2 (рисунок 6, событие В2) определена из выражения:
P(B2) = P(C1) + P(C2) - P(C1C2)= 1,20·104 1/год, (5)
где P(C1) - вероятность возникновения прорыва шламопровода, 1/год;
P(C2) - вероятность возникновения перелива в результате переполнения шламохранилища, 1/год.
Вероятность возникновения прорыва шламопровода P(C1) определена из выражения:
P(С1) = P(D4) + P(D5) - P(D4D5),(6)
где P(D4) - вероятность отказа механического оборудования, 1/год;
P(D5) - вероятность износа тела шламопровода, 1/год.
Вероятность возникновения перелива в результате переполнения шламохранилища P(C2) определена из выражения:
P(С2) = P(D6) + P(D7) - P(D6D7),(7)
где P(D6) - вероятность возникновения очень сильного дождя (ливня), 1/год;
P(D7) - вероятность возникновения сверх расчетного сброса шлама, 1/год.
Значения вероятности по событиям P(D4) (1,1·104) и P(D5) (1·105) принимаются исходя из анализа производственной и технической документации тестовых объектов гидротехнических сооружений шламохранилищ второго рудоуправления ОАО «Беларуськалий», методики А.М. Козлитина и других источников по анализу развития возможных чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях. Значение вероятности по событию P(D6) принято равным 1·105, вероятность по событию P(D7) - 1,3·104 1/год.
Вероятность возникновения ЧС по сценарию 3 (рисунок 6, событие В3) определена из выражения:
P(B3) = P(D8) + P(D9) + P(D10) + P(D11) - P(D8D9) - P(D9D10) - P(D10D11) -
- P(D8D10) - P(D8D11) - P(D9D11) + P(D8D9D10) + P(D8D9D11) +
+ P(D9D10D11) + P(D8D9D10D11) = 4,1·1051/год, (7)
В формуле (7) вероятности возникновения ошибок при изысканиях P(D8) (9,1·104), ошибок при проектировании P(D9) (5,0·103), ошибок при строительстве P(D10) (9,0·104), ошибок при эксплуатации P(D11) (3,5·103) принимаются исходя из анализа производственной и технической документации тестовых объектов гидротехнических сооружений шламохранилищ второго рудоуправления ОАО «Беларуськалий» и других открытых источников по оценке риска возникновения ЧС на гидротехнических сооружениях.
В ходе дальнейшей обработки данных проводилась оценка значимости, чувствительности и неопределенности данной модели определения вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях шламохранилищ.
При оценке чувствительности установлено, что вероятность по сценарию 1 наиболее существенно изменяется при изменении вероятности базового события P(D3), по сценарию 2 при увеличении вероятности базового события P(D4), по сценарию 3 при увеличении вероятности базовых событий P(D9), P(D11).
При оценке значимости определили, что на вероятность возникновения чрезвы-чайных ситуаций на гидротехнических сооружениях шламохранилищ максимально влияют базовые события: образование в теле дамбы хода сосредоточенной фильтрации (критический вынос грунта) ? D3; очень сильный дождь (ливень) ? D7; ошибки при проектировании ? D9.
При оценке неопределенности установлено, что она не превышает 30% в представленной модели расчета вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях шламохранилищ.
В результате проведенных исследований разработана расчетная методика по оценке вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь с определением диагностических факторов. Определены сценарии развития возможных чрезвычайных ситуаций на сооружениях шламохранилищ ОАО «Беларуськалий» Республики Беларусь и вероятность для каждой из приведенных причин возникновения гидродинамических аварий на данном типе сооружений. Методика внедрена в производственный процесс ОАО «Белгорхимпром» в части проведения оценки вероятности возникновения гидродинамических аварий при проектировании сооружений шламохранилищ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные научные результаты диссертации
1. В результате анализа и обобщения выполненных в рамках настоящей диссертационной работы натурных обследований более 60 % подпорных сооружений шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь с произошедшими на них чрезвычайными ситуациями выявлены основные диагностические (предаварийные) факторы (возникновение местных эрозионных размывов грунта; увеличение интенсивности выноса частиц грунта за пределы низовых откосов дамб по мере увеличения градиента напора; изменение (увеличение) расхода фильтрации; деформация ограждающих дамб), способствующие возникновению чрезвычайных ситуаций на сооружениях шламохранилищ. Установлено, что грунт относится к средней крупности, а кинематическая вязкость шлама больше кинематической вязкости воды на 3035% [1, 2, 3, 7, 10, 21].
2. Разработана методика лабораторных исследований и оригинальная экспериментальная установка фильтрационная колонна. Проведены лабораторные исследования по определению фильтрационных расходов, средней скорости и коэффициентов фильтрации для песчаных грунтов в зависимости от наличия в жидкости поверхностно-активных веществ, позволившие установить возникновение эффекта пристенного скольжения, способствующего увеличению скорости фильтрации шлама в сравнении с водой в 1,2 1,4 раза. Установлено, что скорость фильтрации для проб шлама с содержанием поверхностно-активных веществ в концентрации 0,17 мг/дм3 меньше скорости фильтрации для проб шлама с содержанием поверхностно-активных веществ в концентрации 0,9 мг/дм3 в 1,9 раза. Установлена зависимость скорости фильтрации от неоднородности грунта: чем выше однородность грунта, тем меньше скорость фильтрации. Результаты исследований послужили основой для разработки методики по оценке вероятности возникновения ЧС на подпорных грунтовых сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь [4, 18].
3. Разработана методика лабораторных исследований и экспериментальная установка оригинальной конструкции фильтрационный лоток. Проведены лабораторные исследования движения фильтрационного потока на моделях грунтовых дамб различной конструкции, оценено положение кривой депрессии, а также определен удельный фильтрационный расход с коэффициентом фильтрации грунта в теле модели земляной дамбы, в результате чего установлена критическая скорость фильтрации для профиля дамб различного исполнения. На основании лабораторных экспериментов определено, что оптимальной конструкцией дамбы (с точки зрения минимальной скорости фильтрации и максимальной устойчивости для предотвращения возникновения чрезвычайных ситуаций) на шламохранилищах являются профили земляной дамбы с ядром или земляной дамбы с экраном, поскольку они наиболее устойчивы к процессам фильтрации (значения критической скорости находятся в пределах 1,57-1,93 см/мин), а также менее сложны и более технологичны при строительстве [6, 7].
4. Экспериментально доказано, что эффект пристенного скольжения при фильтрации шлама через тело дамбы способствует увеличению расхода Qф по сравнению с обычной водой на 25-45 %, причем коэффициент фильтрации в различных грунтах возрастает соразмерно увеличению температуры от 5 до 35°С в пределах 30 %, а от сезона года (зима, весна, лето, осень) в пределах 20 ? 30 %. Это связано c особенностями состава шлама и технологического процесса на шламохранилищах калийного производства [10].
5. В результате исследования методом атомно-электронной спектроскопии концентрации в составе шлама соединений Na, К, Са, Mg установлено, что при его фильтрации через дамбу в грунте накапливаются соли щелочных и щелочноземельных металлов и ПАВ при снижении их концентрации в шламе от 1896,3 до 654,5 мг/л. Кроме того, наибольшей адсорбцией в грунте характеризуются ионы Na. Таким образом, накопление ПАВ в грунте дамбы способствует увеличению скорости фильтрационного потока, а при критических градиентах напора в несвязных грунтах повышается вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций на земляных дамбах шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь [4, 8, 9 13].
6. В ходе сравнения кривых депрессий, полученных на основе статистического анализа материалов натурных режимных наблюдений (пьезометрического контроля) сооружений шламохранилищ ОАО «Беларуськалий» и измеренных в лаборатории, показано, что экспериментальная модель фильтрации жидкого шлама через однородные земляные дамбы и с наличием в них экранов адекватно описывает процесс фильтрации шлама на объектах шламохранилищ ОАО «Беларуськалий» с погрешностью 11% [9].
7. Впервые получен поправочный коэффициент kпр, который позволяет при проведении фильтрационных расчетов и оценке вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на подпорных сооружениях шламохранилищ учитывать возникновение эффекта пристенного скольжения для различных типов дамб (с ядром; с экраном; с ядром и экраном; с понуром; однородная дамба; с наружным дренажем). Использование поправочного коэффициента способствует уточнению параметров фильтрации и повышению точности прогноза устойчивости гидротехнических сооружений шламохранилищ калийного производства, тем самым снижая вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций на данном типе сооружений [9, 13].
8. Разработана расчетная методика оценки вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях шламохранилищ калийного производства Республики Беларусь, позволяющая прогнозировать сценарии развития возможных чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях шламохранилищ ОАО «Беларуськалий» Республики Беларусь, что обеспечивает своевременное для принятие адекватных мер по их предотвращению, проведено определена вероятность для каждой из приведенных причин возникновения гидродинамических аварий на данном типе сооружений (P=4,1·105 1,997·104 1/год) [9].
Рекомендации по практическому использованию результатов