Глава 2. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций природного характера



Прогнозирование обстановки в районе землетрясений

Интенсивность землетрясения на поверхности Земли в России оценивается по 12 – балльной шкале ИФЗ (Институт Физики Земли), положенную в основу СНиП-11-7-81, и в пределах от 6 до 9 баллов устанавливается по параметрам колебаний на поверхности Земли (таблица 2.1).

 

Таблица 2.1. Параметры максимумов колебаний поверхности Земли, соответствующие интенсивности землетрясения.

Интенсивность в баллах Ускорение смещения грунта, см/с2, при периоде  с Скорость колебаний грунта, см/с Смещение маятника сейсмографа, мм
6 30-60 3,0-6,0 1,5-3,0
7 61-120 6,1-12,0 3,1-6,0
8 121-240 12,1-24,0 6,1-12,0
9 241-480 24,1-48,0 12,1-24,0

 

Классификация землетрясений по его величине и мощности ведется по шкале магнитуд (шкале Рихтера) – мерой общего количества энергии, излучаемой при сейсмическом толчке в форме упругих волн.

Зависимость между излучаемой энергией при толчке Е, Дж, и силой землетрясения, измеренной по шкале магнитуд (М) выражается уравнением:

 

                                                                                    (2.1)

 

Интенсивность сотрясений J на конкретной площади по 12 – балльной шкале может определяться по зависимости:

 

J=a3+b3∙M – CЗ ,                                                                      (2.2)

 

где Н, км – глубина гипоцентра (место разрушения породы);

  R, км – эпицентральное расстояние (расстояние от проекции гипоцентра на поверхность земли, которое называют эпицентром, до определенного места на поверхности земли);

 а3= 3; в3= 1,5; с3= 3,5 – константы, которые имеют данные величины для территории России.

Для оценки повторяемости сильных землетрясений применяется модель Пуассона:

P(N,t) = (𝜆∙t)N∙exp(-𝜆∙t) /N!,                                                                               (2.3)

где Р (N,t) – вероятность появления N сильных землетрясений в течение времени t;

   - среднее число сильных землетрясений в единицу времени.

 

N=0,1,2… 𝜆∙t ,

 

Пример. В районе происходит в среднем три сильных землетрясения за 100 лет (𝜆= 0,03). Определить вероятность одного такого землетрясения в течении 10 лет (t = 10, N = 1).

 

Тогда P(1, 10) = (0,03∙10)1 exp(-0,03∙10)/1! ≈ 0,22

 

Вероятность того, что за 10 лет не произойдет ни одного сильного землетрясения

 Р(0,10) = exp (-0,03∙10) = 0,74.

 

Оценка сейсмического риска будет:

R = 1 – Р(0, 10) = 1- exp (-0,03∙10) =1- 0,74= 0,26.

 

При оценке последствий землетрясения используется классификация зданий, приведенная в международной сейсмической шкале MMS,K -86. В соответствии с этой шкалой здания разделяются на две группы:

- здания и типовые сооружения без антисейсмических мероприятий (классы А, Б, В с различными индексами);

- здания и типовые сооружения с антисейсмическими мероприятиями (классы С7, С8, С9; цифры указывают на расчетную сейсмичность в баллах).

Вероятность наступления не менее определенной степени повреждения зданий аппроксимируется с использованием нормального закона. При этом учитывается, что для одного и того же здания может рассматриваться не одна, а пять степеней разрушения, т. е. после разрушения наступает одно из пяти несовместных событий (см. таблицу 2.2).

Средние квадратичные отклонения интенсивности землетрясения для законов разрушения принимаются равными 0,4. Заметим, что для степеней разрушения зданий: d= 2 – необходим капитальный ремонт; d= 3 – возможен восстановительный ремонт; d= 4 – здание подлежит сносу; d = 5 – полное обрушение здания с потерей его формы.

 

Таблица 2.2. Математическое ожидание М интенсивности землетрясения, вызывающего определенные степени разрушения зданий.

Классы зданий по MMSK-86

Степени разрушения зданий

Легкая d=1 Умеренная d=2 Тяжелая d=3 Частичное разрушение d=4 Обвал d=5

Математическое ожидание М законов разрушения

А1, А2 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Б12 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5
B1,B2 7,0 7.5 8,0 8,5 9,0
C7 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5
C8 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0
C9 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5

 

Обстановку в районах разрушительных землетрясений принято оценивать показателями, характеризующими инженерную обстановку, а также объемами аварийно-спасательных работ и мероприятий по жизнеобеспечению населения.

Для оценки инженерной обстановки большие населенные пункты (города) разбиваются на отдельные площадки. Значения координат площадок принимаются равными значениям координат их центров. После определяются расстояния от эпицентра землетрясения до центра площадок и рассчитывается интенсивность землетрясения для каждой площадки по формуле 2.2. При заблаговременном прогнозировании возможная интенсивность принимается по картам общего сейсмического районирования территории России (ОРС -78; ОРС -97).

Основными показателями инженерной обстановки в районе землетрясения являются:

1. Количество зданий, получивших обвалы, частичные разрушения, тяжелые, умеренные и легкие повреждения. Количество зданий Ni , ед, получивших i–ю степень разрушений определяется по формуле:

n

                                       Ni =  ,ед,                          (2.4)

 

где Ki – количество зданий i–го типа в городе (объекте);

  Рij – вероятность получения зданием i-го типа j-й степени разрушения (см. табл. 2.3);

  n – число типов рассматриваемых зданий (максимальное число типов n=6 – А, Б, В, С7, С8, С9).

Таблица 2.3. Вероятности Р ij повреждения различных типов зданий в зависимости от интенсивности землетрясения.

Типы зданий

Степень разрушения

Вероятности разрушения зданий при интенсивности землетрясения в баллах

6 7 8 9 10 11 12
1 2 3 4 5 6 7 8 9
A 1 2 3 4 5 0,36 0,12 0,02 0 0 0,13 0,37 0,34 0,13 0,03 0 0,02 0,14 0,34 0,50 0 0 0 0,02 0,98 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
Б 1 2 3 4 5 0,09 0,01 0 0 0 0,4 0,34 0,13 0,03 0 0,01 0,15 0,34 0,34 0,16 0 0 0,02 0,14 0,84 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
B 1 2 3 4 5 0,01 0 0 0 0 0,36 0,11 0,03 0 0 0,13 0,37 0,34 0,13 0,03 0 0,02 0,14 0,34 0,50 0 0 0 0,03 0,97 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1
C7 1 2 3 4 5 0 0 0 0 0 0,09 0,01 0 0 0 0,4 0,34 0,13 0,03 0 0,01 0,15 0,34 0,34 0,15 0 0 0 0,1 0,09 0 0 0,02 0,14 0,84 0 0 0 0 1
C8 1 2 3 4 5 0 0 0 0 0 0,01 0 0 0 0 0,36 0,1 0,02 0 0 0,13 0,37 0,34 0,13 0,03 0 0,02 0,14 0,34 0,50 0 0 0 0,02 0,98 0 0 0 0 1
C9 1 2 3 4 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,09 0,01 0 0 0 0,4 0,34 0,13 0,03 0 0,01 0,15 0,34 0,34 0,16 0 0 0,02 0,14 0,84 0 0 0 0 1

 

2. Площадь разрушенной части города (объекта), в пределах которой застройка получила тяжелые повреждения, частичные разрушения и обвалы (разрушения 3,4 и 5 степени).

Площадь определяется по формуле:

 

                                    Sразр = , км2,                      (2.5)

J =3,4,5

где Nj  - количество зданий, получивших 3, 4 и 5 степень повреждений (таблица 2.3);

  Ф – плотность застройки в городе, зд/км2.

3. Объем завалов, м3, который определяется по формуле (с учетом, что при частичном разрушении здания – d=4 – объем завала составляет примерно 50% от объема завала при его полном разрушении):

 

                               W = 0,5(Р45)Н∙Sразр∙d∙γ/100, м3,                 (2.6)

 

где P4 и P5 – вероятность получения зданиями 4 и 5 степени разрушения;

     Н – средняя высота застройки, м;

     d – доля застройки на рассматриваемой площади (плотность застройки);

     γ – коэффициент объема завала на 100 м3 объема здания, принимаемый для промышленных зданий равным 20, для жилых – 40.

По опыту при проведении спасательных работ разбирается примерно 15% завалов от их общего объема.

4. Количество участков, требующих укрепления (обрушения) поврежденных или частично разрушенных конструкций принимается равным числу зданий, получивших частичные разрушения (4 степень разрушения).

5. Протяженность заваленных проездов и улиц определяется из условия, что на 1 км2 разрушенной части города в среднем приходится 0,6 км заваленных маршрутов, т.е. L=0,6Sразр, км.

Вынос завалов за контуры зданий при их полном разрушении составляет для девятиэтажных зданий 7 – 9 метров. Дальность обломков может составлять примерно одну треть от высоты здания.

Вероятности людских потерь при землетрясениях приведены в таблице 2.4.

Обобщенную зависимость по определению потерь при разрушительных землетрясениях можно представить в виде:

n

                                M (N) = R∙ , человек,                   (2.7)

где R – вероятность размещения людей в зоне риска в зданиях( в среднем R=0,83);

Ni – численность людей в зданиях i –ой группы, чел;

Pi – вероятность поражения л в зданиях i –ой группы.

Более точное значение R в формуле (2.6) принимается равным: с 23:00 до 7:00 часов R=1; с 7:00 до 9:00 R=0,6; c 9:00 до 18:00 R= 0,7; с 18:00 до 20:00 R=0,65; с 20:00 до 23:00 R=0,9.

 

Таблица 2.4. Вероятности общих Р i и безвозвратных потерь людей в различных типах зданий (по классификации MMSK -86) при землетрясениях

Типы зданий

Степень поражения людей

Вероятность потерь людей в различных типах зданий при интенсивности землетрясения в баллах

6 7 8 9 10 11 12
А  Общие Безвозвратные 0 0,04 0,14 0,05 0,70 0,38 0,96 0,59 0,97 0,6 0,97 0,6 0,97 0,6
Б  Общие Безвозвратные 0 0 0,03 0,01 0,39 0,18 0,90 0,53 0,97 0,6 0,97 0,6 0,97 0,6
В  Общие Безвозвратные 0 0 0 0 0,14 0,05 0,70 0,38 0,96 0,59 0,97 0,6 0,97 0,6
С7 Общие Безвозвратные 0 0 0 0 0,03 0,01 0,39 0,18 0,9 0,53 0,97 0,6 0,97 0,6
С8 Общие Безвозвратные 0 0 0 0 0,004 0 0,14 0,05 0,7 0,38 0,96 0,59 0,97 0,6
С9 Общие Безвозвратные 0 0 0 0 0 0 0,03 0,01 0,39 0,18 0,9 0,53 0,97 0,6

 

Количество аварий на коммунально-энергетических сетях принимается равным из условия, что на один км2 разрушенной части города приходится 6-8 аварий, т.е. : Ккэс =8Sразр.

 

Прогнозирование наводнений

Под наводнением следует понимать затопление водой местности в результате подъема уровня воды в озере, реке, водохранилище. Оно причиняет материальный ущерб, наносит урон здоровью людей или приводит их к гибели. В России по повторяемости, площади распространения и материальному ущербу наводнения стоят на первом месте. Затопления местности, не сопровождающиеся ущербом, считаются разливом реки, озера или водохранилища.

Причины наводнений (выделяют пять групп):

- наводнения, связанные с таянием снегов;

- наводнения, формируемые интенсивными дождями;

- наводнения, вызванные большим сопротивлением водному потоку в реке (заторы и зажоры льда);

- наводнения, создаваемые ветровыми нагонами воды на озерах и водохранилищах;

- наводнения, создаваемые прорывом или разрушением гидроузлов.

В зависимости от времени года, источников притока воды в русло и их интенсивности наводнения подразделяют на:

- весеннее половодье (уровень воды повышается за счет таяния снега; продолжительность на малых реках несколько дней, а на больших реках 1-3 месяца);

- паводок (уровень воды повышается за счет ливневых осадков; продолжительность – несколько дней).

Различают два вида речного стока воды при опорожнении водохранилищ:

- волна попуска (медленное опорожнение водохранилищ за счет переливания вод через плотину (дамбу));

- волна прорыва (быстрое опорожнение водохранилищ за счет проломов в плотинах (дамбах)).

Продольный разрез волны прорыва (попуска) показан на рис. 2.9.

Зона затопления (наводнения) – территория, покрываемая водой в результате превышения притока воды по сравнению с пропускной способностью русла. Ее основные характеристики, от которых зависит причиняемый ущерб:

- высота подъема воды (2-14м);

- площадь затопления (от 10 до 10000 км2);

- от площади затопления населенного пункта (от 20 до 100%);

- от максимального расхода воды в период половодья (колеблется в зависимости от площади водосбора от 100 до 4500 м3/с). При площадях водосбора расход воды достигает: 500км2 – от 100 до 400 м3/с; 1000 км2 – от 400 до 1500 м3/с; 10000 км2 – от 1500 до 4500 м3/с;

- от продолжительности паводка (1-2 суток) или половодья (от 1-3 суток до 1-3 месяцев);

- от скорости потока (от 2 до 5 м/с);

- численность населения, количество населенных пунктов, различных объектов, протяженность ж.д. и автомобильных дорог, линий электропередач, коммуникаций и связи, оказавшихся в зоне затопления.

   Основными параметрами воздействия паводковых волн (волны попуска) на мостовые переходы являются:

- удар движущегося фронта волны;

- длительность гидравлического давления на элементы моста-опоры, береговые устои, пролеты;

- удары массивных плывущих предметов;

- размыв грунта, земляных насыпей на подходах к мостам и др. воздействия.

 

Рис 2.9. Схематический продольный разрез волны прорыва

 

Волна прорыва – волна, образующаяся потоком массы воды через пролом в плотине. Мощь такой волны огромна. Ее действие на объекты подобно воздействию воздушной ударной волны при взрывах. Продольный разрез такой волны показан на рис. 2.9. Скорость волны от 3 до 25 км/ч (до 100 км/ч).

Поражающие факторы волны: глубина потока (высота волны) – от 1,5 до 4 и более метров; скорость волны – 0,85 до 7,0 м/с (до 28,0 м/с). Значения параметров: глубина потока – 1,5 м – слабые разрушения, 4 и более метров – сильные и полные разрушения; скорость потока – 2 м/с – слабые разрушения, 2,5 и более – сильные и полные разрушения.

Основные оценочные параметры волны попуска:

- максимальная в данном створе высота волны Нв и глубина потока H= Hв+hб (hб – глубина реки до прохождения волны или бытовая глубина);

- скорость движения Vфр, Vгр, Vхв и времена добегания tфр, tгр, tхв характерных точек волны до различных створов, расположенных ниже гидроузла;

- длительность прохождения волны Тв в выделенных створах, равную сумме времени подъема Тпод и Тсп – времени спада уровня воды в них;

- средние V и поверхностные Vпов скорости течения в различных створах;

- наибольшая ширина В затоплений речной долины.

Между площадью водосбора реки F и ее длиной L существует приближенное соотношение

L, км 10 20 50 100 200 300  500

F, км2 35 120 600 2100 7200 15000  36000

Суммарный сток за половодье можно выразить в виде равномерного слоя воды y, мм, на поверхности бассейна

 

                                              y=86,4 ;                                  (2.8)

где  - сумма средних суточных расходов за половодье, м3/сутки;

F – площадь водосбора, км2.

Максимальный расход Mmax, м3/с∙ км2, половодья выражается в виде:

 

                                             Mmax= ;                                  (2.9)

Приведенные зависимости рассчитываются для конкретного региона (реки) и позволяют установить возможные уровни половодья или паводка. Необходимые данные для расчетов можно найти в справочной литературе (картах рек).

Условия устойчивости разрушения некоторых объектов от параметров водных потоков при наводнениях приведены в табл. 2.5, 2.6, 2.7, 2.8.

 

Таблица 2.5. Возможности разрушения плотин и дамб при условиях прорыва: толщине Н слоя переливающейся воды и длительности Т перелива

 Наименование объектов Н,м Т,ч
Плотины из местных материалов с защитным покровом повышенной надежности Плотины из местных материалов с нормальным или облегченным покрытием откосов Земляные дамбы с защитным покрытием Земляные дамбы без покрытия   4   2,5 2 1,5   3   2 2 1

 

Таблица 2.6. Предельно допустимые скорости водного потока, при которых обеспечивается сохранность объектов (при переливе воды через отметку проезжей части)

Наименование объектов

Скорость потока, м/с,

при глубине, м

0,4 1 2 3
Железнодорожные пути Шоссейные дороги с асфальто - бетонным покрытием Дороги с гравием (щебеночным) покрытием 1,5   2,1 1,5 1,8   2,5 1,8 2,1   2,9 2,1 2,3   3,1 2,3

 

 

Таблица2.7. Параметры водного потока с предельно допустимыми нагрузками и условия сильных (А), средних (Б) и слабых (В) разрушений

Наименование объектов

А

Б

В

м м/с м м/с м м/с
Металлические мосты и путепроводы с пролетом 30…100 м То же более 100 м Железобетонные мосты Деревянные мосты Шоссейные дороги с асфальтобетонным покрытием Дороги с гравийным (щебеночным) покрытием   2 2 2 1   4   2,5   3 2,5 3 2   3   2   1 1 1 1   3   2   2 2 2 1,5   1,5   1,5   0 0 0 0   1   0,5   0,5 0,5 0,5 0,5   1   0,5

 

Таблица 2.8. Доля поврежденных объектов на затопленных площадях

(в процентах) при крупных паводках (скорость потока V =3…4 м/с)

Объект

Период (часы)

(сутки)

1 2 3 4 1 2
Затопление подвалов Нарушение дорожного движения Разрушение уличных мостовых Остановка службы в портах Прекращение переправ Повреждения защитных дамб Разрушение и смыв деревянных строений Разрушение небольших кирпичных зданий Повреждения блочных бетонных зданий и промоины фундаментов Понижение капитальности на одну ступень: Зданий классов 1…3                           3 Прекращение электроснабжения Прекращение телефонной связи Повреждения систем газо- и водоснабжения Гибель урожая 10 15 - - 5 -   -   -   -     - - 75 75   - - 15 30 - 50 30 -   7   -   -     - 10 80 85   - - 40 60 3 75 60 -   70   10   -     - 20 90 100   7 - 60 75 6 90 100 -   90   40   -     - 30 100     10 - 85 95 30 100   10   100   50   5     3 45   30 3 90 100 45     25   60   10     6 60   70 8

Различают прямой и косвенный ущерб от наводнений.

Прямой ущерб включает:

  - гибель людей, животных, урожая сельскохозяйственных культур;

- повреждения и разрушения жилых, общественных и производственных зданий, железных и автомобильных дорог, линий электропередач и связи, мелиоративных систем;

- уничтожение и порчу сырья, топлива, продуктов питания, кормов, удобрений;

- затраты на временную эвакуацию населения и перевозку ценностей;

- смыв плодородного слоя почвы и замыв ее песком.

К косвенному ущербу относят:

- затраты на доставку и приобретение продуктов, стройматериалов и кормов для животных;

- сокращение выработки продукции и замедление темпов производства;

- ухудшение условий жизни населения;

- увеличение амортизационных расходов по содержанию зданий в нормальном состоянии.

Так, срок межкапитальных ремонтов кирпичных зданий уменьшается на 15 лет, а стоимость ремонта обходится в 3 раза дороже. После каждого затопления балансовая стоимость деревянного здания падает на 5-10%, а шоссейной и железной дороги – на 8-12%.

Прямой и косвенный ущерб находятся в соотношении 70/30%.

Последовательность прогнозирования последствий может быть следующей:

1. Прогнозируется оценка изменения гидрологического режима реки (скорости течения, глубины и ширины) по данным непосредственного измерения или из справочных данных по рекам и топографическим картам.

2. Оценка образовавшейся зоны затопления и изменение ее во времени на отдельных участках и створах (между населенными пунктами).

3. Оцениваются возможности последствия воздействия от паводковых волн (волн прорыва) на инженерные сооружения.

4. Производится оценка возможности применения переправочных средств для эвакуационных мероприятий при прохождении волны прорыва (попуска), а также оценка условий подхода (подъезда) к различным объектам.

5. На основе качественной оценки основных параметров прохождения паводковых волн и последствий составляются исходные данные для определения конкретных сил и средств для спасения и эвакуации населения из зон бедствия.

 

Пример [ 9 ]. Объем водохранилища W=700 млн.∙м3 , ширина прорана В=100 м, глубина воды перед плотиной (глубина прорана) Н=50 м, средняя скорость движения волны попуска V=5 м/с.

Определить параметры волны попуска на расстояниях 25, 50, 100 км от плотины при ее разрушении.

 

Решение.

1. Время прихода волны на требуемые расстояния от плотины tпр (tRi)

 

T25=25/5∙3,6=1,4 ч; t50=50/5∙3,6 ч=2,8 ч; t100=100/18=5,6 ч.

2. Высота волны попуска на заданных расстояниях (определяется по данным таблицы, взятым для данной реки)

 

h25 = 0.2H = 0.2∙50 = 10м ;

h50 = 0.15H = 0.15∙50 = 7.5м;

h100 = 0,075H = 0.075∙50 = 3.75м;

 

Таблица 2.9. Ориентировочная высота волны попуска на заданных расстояниях (определяется по данным таблицы, взятой для данной реки)

Наименование параметров

Расстояние от плотины, км

0 25 50 100 150 200 250
Высота волны попуска, h, м 0,25H 0,2H 0,15H 0,075H 0,05H 0,03H 0,02H
Продолжительность прохождения волны попуска, t, ч   T   1,7T   2,6T   4T   5T   6T   7T

 

3. Продолжительность прохождения волны попуска (t) на заданных расстояниях:

                                          T = ,                               (2.10)

где W – объем водохранилища, м3;

В – ширина прорана или участка перелива воды через гребень неразрушенной плотины, м;

N – максимальный расход воды на 1 м ширины прорана (участка перелива воды через гребень плотины), м3/с∙м(берется для конкретной реки из справочных данных о ней)

 

Таблица 2 .10.

Н, м 5 10 25 50
N, м3/с∙м 10 30 125 350

 

Т=  = 0,55 ч,

Тогда t25 = 1,7  Т = 1,7  0,55 = 1,0 ч;

t50 = 2,6  T = 2,6  0,55 = 1,5 ч;

t100 = 4  T = 4  0,55 = 2,2 ч.

Расчетные данные можно представить в виде графика прохождения волны попуска для намеченных створов данной реки.

При оценке сохранности мостовых переходов от воздействия волн прорыва необходимо учитывать, что их элементы приспособлены для пропуска определенного (расширенного) водного потока. Эти данные нормируются СНиП.

Оценочной величиной является расчетный расход воды Q, м3/с. Он равен Q= S∙Vn,

где S – площадь пропускного отверстия, соответствующая максимальному уровню воды, м2; Vn – скорость потока при максимальном уровне воды, м/с.

Тогда сохранение мостового перехода является соблюдение неравенств

Нкр  Нрп ,   Vкр  Vрп ,

где Нкр – высота паводка, м; Vкр – скорость течения воды, м/с; Нрп - высота расчетного паводка, м; Vрп – скорость течения при расчетном паводке, м/с.

 


Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 359; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!