Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

IDENTIFYING THE PROBABILISTIC LEVEL OF THE RISK OF AN ASH AND SLAG DUMP DAM ACCIDENT ACCORDING TO THE CONDITION OF SLOPE STABILITY AND AN APPROACH TO ASSIGNING SAFETY CRITERIA

Research article
Zhelankin V.G.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.114.12.006
Issue: № 12 (114), 2021
Published:
2021/12/17
PDF

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТНОГО УРОВНЯ РИСКА АВАРИИ ДАМБЫ ЗОЛОШЛАКООТВАЛА ПО УСЛОВИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ И ПОДХОД К НАЗНАЧЕНИЮ КРИТЕРИЕВ БЕЗОПАСНОСТИ

Научная статья

Желанкин В.Г.*

ORCID: 0000-0001-6352-5689,

Научно-исследовательский университет Московский энергетический институт, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (niies1[at]mail.ru)

Аннотация

В статье приводятся краткие основы вероятностной методики определения уровня риска возможных аварий гидротехнических сооружений (ГТС) с использованием метода статистического моделирования (Монте-Карло). Представленная методика была применена к оценке риска возможных аварий одного из многоярусных золошлакоотвалов Экспериментальной ТЭС, находящейся в Ростовской области РФ. На основе результатов изысканий, выполненных в процессе проектирования и последующей эксплуатации золоотвала, а также данных натурных наблюдений за положением депрессионной поверхности сточных вод, были выполнены оценки риска возможного обрушения откоса дамбы золоотвала для различных случаев сочетаний нагрузок и проведено сравнение полученных значений уровня риска аварий с допустимыми нормативными значениями риска и коэффициентами надежности метода предельных состояний, полученных в соответствии с действующими нормами.

Ключевые слова: уровень риска аварии, критерии безопасности, золошлакоотвал, предельные состояния, допустимый риск.

IDENTIFYING THE PROBABILISTIC LEVEL OF THE RISK OF AN ASH AND SLAG DUMP DAM ACCIDENT ACCORDING TO THE CONDITION OF SLOPE STABILITY AND AN APPROACH TO ASSIGNING SAFETY CRITERIA

Research article

Zhelankin V.G.*

ORCID: 0000-0001-6352-5689,

National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow, Russia

* Corresponding author (niies1[at]mail.ru)

Abstract

The article provides a brief basis of a probabilistic methodology for determining the level of risk of possible accidents of hydraulic structures using the method of statistical modeling (Monte Carlo). The presented methodology was applied to the assessment of the risk of possible accidents of one of the multi-layered ash and slag dumps of an Experimental thermal power plant located in Rostov Oblast, Russian Federation. Based on the results of surveys carried out during the design and subsequent operation of the ash dump, as well as data from field observations of the position of the depression surface of wastewater, the study conducts risk assessments of a possible collapse of the slope of the ash dump dam for various cases of load combinations and compares the obtained values of the accident risk level with permissible regulatory risk values and reliability coefficients of the limit state method obtained in accordance with current standards.

Keywords: accident risk level, safety criteria, ash and slag dump, limit conditions, permissible risk.

Введение

Согласно данным последнего доклада опубликованного на официальном сайте Российского Регистра гидротехнических сооружений (ФГБУ «Центр регистра ГТС») на 2019-й год в Центре Регистра ГТС РФ зарегистрировано 5 514 комплексов ГТС, в состав которых входят чуть более 13 тысяч гидротехнических сооружений, из них более 400 имеют опасный уровень безопасности. Снижение безопасности сооружений III и IV происходит из-за уменьшения объемов ремонтных работ, сокращения штатов эксплуатационного персонала и ряда других причин. Кроме того, в отличие от сооружений I и II классов, гидротехнические сооружения III и IV классов имеют значительно меньшее количество контрольно-измерительной аппаратуры или не имеют ее вообще, и эксплуатируются менее квалифицированными кадрами. В этой связи в настоящее время в рамках обеспечения требований ФЗ №117 [1] особую актуальность приобретает оперативное определение уровня риска возможных аварий водоподпорных гидротехнических сооружений, характеристики материалов и геометрический профиль которых меняется в процессе эксплуатации. К таким сооружениям, согласно СП 58.13330.2019 [2] относятся дамбы золошлакоотвалов (ЗШО) тепловых станций.

В ряде последних работ [3], [4], посвященных обеспечению безопасности ГТС, отмечается актуальность и востребованность применения вероятностных методов расчета риска возможных аварий, как наиболее точных по сравнению с экспертными методами, или методами, основанными на принципах «доверительных интервалов».

Основной текст статьи

В качестве примера проведена вероятностная оценка уровня риска и назначения на этой основе критериев безопасности многоярусной дамбы золошлакоотвала высотой 24 м на суглинистом основании на основе расчета устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения. Конструкция дамбы представляет собой первичную дамбу из суглинка и 3 яруса наращивания, также выполненные из суглинка. Последний, четвертый ярус, выполнен из золошлакового материала с заложением откоса 1:1, что ниже принятого в проекте (Рис. 1). Первоначально, по проекту, дамба ЗШО относилась к четвертому классу ответственности. Впоследствии, в связи с увеличением строительной высоты, ее класс был повышен до третьего, без конструктивных изменений профиля. Исходные данные для расчета по характеристикам грунтов и золошлаков, залегающих в основании и теле дамбы, определены на основе статистической обработки достаточно представительных данных о свойствах грунтов, приведенных в материалах РоТЭП [5] и изысканий, проводившихся в последующие годы эксплуатации посредством колонкового бурения и взятия кернов из нижележащих золошлаковых материалов и суглинков различных ярусов наращивания дамбы ЗШО.

При обработке данных и последующей оценки риска применялась новая, изложенная ниже методика, использующая обратную функцию распределения вероятностей с целью получения исходных данных для статистического моделирования характеристик грунтов и материалов, а также принципы и подходы, частично ранее изложенные автором в [6], [7], [8].

18-01-2022 10-45-48

Рис. 1 – Поперечное сечение ограждающей дамбы золошлакоотвала (схема):

1 – русло реки; 2 – каменное мощение; 3 – первичная дамба из суглинка; 4 – стальной водовод; 5 – трубчатый дренаж; 6 – дамба 1-го яруса из суглинка; 7 – смотровой колодец со стальным водоводом; 8 – дамба 2-го яруса из суглинка; 9 – дамбы 3 и 4 ярусов золошлаков с пригрузкой суглинком; 10 – прудок-отстойник; 11 – нормальное положение кривой депрессии и повышенное положение кривой депрессии при уровне воды в прудке-отстойнике выше нормального подпорного уровня (НПУ) и выходе из строя дренажа

 

Величины характеристик грунтов оказались распределены по закону близкому к нормальному и расчетные параметры этих законов приведены в табл. 1.

 

Таблица 1 – Расчетные характеристики грунтов и золошлаков

№ грунта Характеристики грунтов Удельный вес скелета грунта γск. , тс/м3 Угол внутреннего трения грунта φ, град Удельное сцепление грунта с, тс/м2
Вид грунтов Статистические параметры
М(γск) σ(γск) С(γск) М(φ) σ(φ) С(φ) М(φ) σ(φ) С(φ)
1 Суглинок основания 1,58 0,0873 0,055 18,36 1,494 0,081 2,785 0,752 0,270
2 Суглинок дамбы 1,64 0,015 0,009 19,92 1,32 0,066 3,850 0,739 0,192
3 Золошлаковый материал 1,46 0,005 0,003 29,38 2,644 0,090 1,932 0,276 0,143
Примечание: М - математическое ожидание; σ - среднеквадратическое отклонение; С - коэффициент вариации  

На основе этих данных были смоделированы выборки одинаковой длины статистического ряда по каждой характеристике и проведены расчеты устойчивости по методу статистического моделирования (Монте-Карло) с использованием программного комплекса SAFE.

Каждая из характеристик грунтов формируется в виде матрицы [Eij], где: Е – наименование характеристики грунта; i – номер грунта; j – номер ряда статистического моделирования. Формирование матрицы осуществлялось с помощью генератора случайных чисел для равномерного закона распределения вероятностей по следующей схеме. Генерируется случайная величина х, принимающая значения от 0 до 1, каждому значению которой приравнивается функция распределения моделируемой случайной величины Е (характеристики грунта) в виде (1):

18-01-2022 10-56-33    (1)

где Р(Е) – функция распределения вероятностей величины Е; р(Е) – функция плотности вероятностей величины Е.

Беря обратную функцию от Р(Е) с заданными параметрами моделируемого закона распределения вероятностей, получим выражение для выборочных значений Ej соответствующих этому закону:

Ej ={ РЕ (хj)} -1

где хj – сгенерированные выборочные значения случайной величины х;

{ РЕ (хj)} –1 – обратная функция распределения величины Е.

Для расчетов по методу статистического моделирования были сформированы ряды длиной в 36 чисел для каждой характеристики грунтов. Значения некоторых характеристик и параметры законов распределения вероятностей приведены в таблице 1.

Для статистического моделирования устойчивости откосов в программный комплекс SAFE, встроена программа расчета устойчивости откосов по круглоцилиндрическим поверхностям обрушения с учетом фильтрационных сил методом Терцаги – Флорина. Показателями состояния Vj служат коэффициенты устойчивости откосов плотины К, а предельными значениями показателей состояния являются нормативные значения коэффициентов надежности γn для основного и особого сочетаний.

При проведении расчетов ставилась задача определить положение кривой депрессии для следующих случаев:

1) Нормальной эксплуатации (18-01-2022 10-58-01 = 1,15);

2) Возможной аварийной ситуации при особом сочетании нагрузок (нарушении работы дренажа) (18-01-2022 10-58-30 = 1,035);

3) Возможного первого предельного состояния – оползания откоса также при особом сочетании нагрузок (при выходе из строя дренажа, повышении уровня прудка-отстойника ЗШО) ( 18-01-2022 10-58-39 = 1,035).

Расчеты устойчивости проводились при трех статистически осредненных возможных положениях кривой депрессии, соответствующих каждому случаю в соответствии с методологией, изложенной в [9] и [10]. Зона положений кривых депрессии приведена на Рис. 2.

В результате вероятностных расчетов методом статистического моделирования установлено, что величина коэффициента вариации коэффициента устойчивости составила Ск =0,095. Величины математических ожиданий коэффициентов устойчивости, а также значения этих коэффициентов, рассчитанных по нормативной методике и соответствующие им вероятностные уровни надежности, приведены в таблице 2.

 

Таблица 2 – Результаты расчетов устойчивости и риска аварий

№ Расчетные случаи Коэффициенты устойчивости, Мк Вероятностный уровень риска Допустимый уровень риска
коэффициенты устойчивости по нормативной методике
1 Нормальная эксплуатация 1,35 1,12 3,2*10-3 3,5*10-3
2 Нарушение работы дренажа 1,30 1,06 7,5*10-3 3,5*10-3
3 Выход из строя дренажа, повы-шение уровня прудка-отстойника ЗШО выше НПУ на 1 м. 1,27 0,98 1,25*10-2 3,5*10-3
 

Полученные кривые скольжения и изолинии коэффициентов устойчивости для 1 и 2 расчетных случаев приведены на рис.2.

Из таблицы 2 видно, что первый расчетный случай по уровню надежности достаточно близко соответствует допустимому уровню риска для ГТС третьего класса, хотя коэффициент устойчивости (1,12) оказался ниже требуемого нормативного значения (1,15) коэффициента надежности. Это объясняется высокими значениями коэффициентов вариации удельного сцепления грунтов, что привело к снижению расчетных значений сцепления, определяемых в соответствии с нормами при 95% обеспеченности.

m_merged89

Рис. 2 – Расчеты устойчивости низового откоса дамбы золошлакоотвала:

а) при нормальном положении кривой депрессии: уровень риска возможной аварии составил Р = 3,2*10-3, что допустимо для сооружений 3 класса; б) при повышенном положении кривой депрессии (расчетный случай 3): уровень риска составил Р = 1,25*10-2, что недопустимо для сооружений 3 класса

 

Для 2-го расчетного случая уровень риска аварии оказался существенно ниже допустимого уровня риска для дамбы ЗШО, относящейся к 3-му классу, но коэффициент устойчивости откоса (1,06) оказался выше, чем требуют нормы (1,035).

В 3-м расчетном случае вероятностный уровень риска аварии и коэффициент устойчивости (0,98) оказались значительно ниже нормативных значений. Таким образом, третий расчетный случай является недопустимым для сооружения данного класса.

В качестве критериальных значений диагностических показателей в соответствии с требованиями [11], [12], [13] следует принять положение уровня кривой депрессии, контролируемое по имеющимся пьезометрам:

К1 – первый критерий безопасности - (предупреждающий) уровень значений диагностических показателей для первого расчетного случая;

К2 – второй критерий безопасности - (предельный) уровень значений диагностических показателей для второго расчетного случая.

Заключение

Научным результатом данной работы является демонстрация новой методики, использующей обратную функцию распределения вероятностей с целью получения исходных данных для статистического моделирования характеристик грунтов и материалов в расчетах устойчивости. Научная новизна работы заключается в применении результатов расчетов устойчивости и прочности, выполненных по новой методике, для назначения критериальных значений диагностических показателей безопасной работы каждой конструкции на основе уровня риска (уровня надежности) сооружения в целом для принятого сценария аварийной ситуации или расчетного случая, а не назначать эти показатели, основываясь на общепринятых обеспеченностях отклонений от средних значений на определенный доверительный интервал (например, 2s или 3s), как регламентируется нормами при определении расчетных величин нагрузок и характеристик материалов. В статье проиллюстрировано, что имеющиеся средства для вероятностных расчетов и анализа риска позволяют провести исследование аварийных ситуаций, оценить риск возможной аварии на грунтовых сооружениях и назначить критерии безопасности даже при отсутствии значительного объема статистических данных, что, несомненно, увеличит возможности обеспечения безопасности гидротехнических сооружений.

Благодарности Автор благодарит руководство Экспериментальной ТЭЦ. Acknowledgement I thank the management of the Experimental Thermal Power Plant.
Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Федеральный закон РФ от 21.07.1997 №117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений».
  2. СП 58.13330.2019 Гидротехнические сооружения. Основные положения. – М.: Минрегион России. – 2019.
  3. Беллендир Е. Н.Вероятностные методы оценки надежности грунтовых гидротехнических сооружений / Е. Н. Беллендир Д. А. Ивашинцов, Д. В. Стефанишин и др. – Т.1 -СПб.: Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева». – 2003– 556 с.
  4. Иващенко И. Н. Вероятностнаяоценка риска аварий плотин по результатам их мониторинга и обследований / И. Н. Иващенко, Д. Б. Радкевич, К. И. Иващенко // Гидротехническое строительство. – 2012. – № 7. – C. 22—28.
  5. Ростовское отделение «Теплоэлектропроект». Существующий и проектируемый золотовалы Несветай ГРЭС. Рабочие чертежи. Материалы изысканий. Ростов-на-Дону. – 1969. – 196 с.
  6. Желанкин В. Г. К нормированию уровня надежности и коэффициентов безопасности грунтовых плотин / В. Г. Желанкин // Сборник научных трудов МИСИ им.В.В.Куйбышева «Надежность работы элементов гидротехнических и гидроэнергетических комплексов». – М.: Издательство МИСИ, 1990. – С. 138 – 143.
  7. Рассказов Л. Н. Подход к нормированию критериев надежности грунтовых плотин в увязке с нормативными коэффициентами метода предельных состояний / Л. Н. Рассказов, В. Г. Желанкин // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. – 1993. – №9. – С. 68 – 73.
  8. Желанкин В.Г. Совершенствование методов определения критериев безопасности гидротехнических сооружений на примере водосливной плотины с анкерным понуром / В.Г. Желанкин // Материалы 11-й научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Гидротехника. Новые разработки и технологии». – Санкт-Петербург: Издательство АО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева». – 2018. – С. 203 – 208.
  9. Желанкин В.Г. Грунтовые плотины малых ГЭС: методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию / В.Г. Желанкин. – М.: Издательство МЭИ (ТУ). – 1997. – 47 с.
  10. Желанкин В.Г. Определение устойчивости откосов грунтовых плотин на ЭВМ с использованием расчетного программного комплекса: методические указания к лабораторной работе №1 по курсу «Энергетические сооружения» / В.Г. Желанкин. – М.: Издательство МЭИ (ТУ). – 1997. – 25с.
  11. ГОСТ Р55260.1.4-2012.Часть 1-4. Гидроэлектростанции. Сооружения ГЭС гидротехнические. Общие требования по организации и проведения мониторинга.
  12. СТО РусГидро 02.03.131-2015 Гидроэлектростанции. Методика определения критериев безопасности для декларируемых гидротехнических сооружений. – М.: Издательство 2015. – 25 с.
  13. ГОСТ Р 55260.1.9-2013 Часть 1-9. Гидроэлектростанции. Сооружения ГЭС гидротехнические. Требования безопасности при эксплуатации.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Federal'nyj zakon RF ot 21.07.1997 № 117-FZ «O bezopasnosti gidrotehnicheskih sooruzhenij» [Federal Law of the Russian Federation No. 117-FZ Dated 21.07.1997 “On the Safety of Hydraulic Structures”]. [in Russian]
  2. SP 58.13330.2019 Gidrotehnicheskie sooruzhenija. Osnovnye polozhenija. [Hydraulic Structures. The Main Provisions.] – M.: Minregion Rossii. – 2019. [in Russian]
  3. Bellendir E. N. Verojatnostnye metody ocenki nadezhnosti gruntovyh gidrotehnicheskih sooruzhenij [Probabilistic Methods for Assessing the Reliability of Ground Hydraulic Structures] / E. N. Bellendir, D. A. Ivashincov, D. V. Stefanishin et al. // – Vol. 1 - SPb.: Publishing house OAO «VNIIG im. B.E.Vedeneeva». – 2003– p. 556 [in Russian]
  4. Ivashhenko I. N. Verojatnostnaja ocenka riska avarij plotin po rezul'tatam ih monitoringa i obsledovanij [Probabilistic Assessment of the Risk of Dam Accidents Based on the Results of Their Monitoring and Surveys] / I. N. Ivashhenko, B. Radkevich, K. I. Ivashhenko // Gidrotehnicheskoe stroitel'stvo [Hydrotechnical Construction]. – 2012. – № 7. – pp. 22—28. [in Russian]
  5. Rostovskoe otdelenie «Teplojelektroproekt». Sushhestvujushhij i proektiruemyj zolotovaly Nesvetaj GRJeS. Rabochie chertezhi. Materialy izyskanij. [Rostov Branch “Teploelektroproekt”. The Existing and Projected Zolotovaly Nesvetay Gres. Working Drawings. Research Materials] Rostov-na-Donu. – 1969. – p. 196 [in Russian]
  6. Zhelankin V. G. K normirovaniju urovnja nadezhnosti i kojefficientov bezopasnosti gruntovyh plotin [On Rationing the Level of Reliability and Safety Coefficients of Ground Dams] / V. G. Zhelankin // Sbornik nauchnyh trudov MISI im. V.V.Kujbysheva «Nadezhnost' raboty jelementov gidrotehnicheskih i gidrojenergeticheskih kompleksov» [Collection of Scientific Papers of the v.v.kuibyshev Misi “Reliability of the Elements of Hydraulic Engineering and Hydropower Complexes”]. – M.: Publishing house MISI, 1990. – pp. 138 – 143. [in Russian]
  7. Rasskazov L. N. Podhod k normirovaniju kriteriev nadezhnosti gruntovyh plotin v uvjazke s normativnymi kojefficientami metoda predel'nyh sostojanij [Approach to the Rationing of Criteria for the Reliability of Ground Dams in Conjunction With the Normative Coefficients of the Method of Limit States] / L. N. Rasskazov, V. G. Zhelankin // Izvestija VUZov. Stroitel'stvo i arhitektura. [Bulletin of Universities. Construction and Architecture.] – 1993. – №9. – pp. 68 – 73. [in Russian]
  8. Zhelankin V.G. Sovershenstvovanie metodov opredelenija kriteriev bezopasnosti gidrotehnicheskih sooruzhenij na primere vodoslivnoj plotiny s ankernym ponurom [Improvement of Methods for Determining the Safety Criteria of Hydraulic Structures on the Example of a Spillway Dam With an Anchor Ponur] / V.G. Zhelankin // Materialy 11-j nauchno-tehnicheskoj konferencii «Gidrojenergetika. Gidrotehnika. Novye razrabotki i tehnologii» [Proceedings of the 11th Scientific and Technical Conference “Hydropower. Hydraulic Engineering. New Developments and Technologies”]. – 2018. – pp. 203 – 208. [in Russian]
  9. Zhelankin V.G. Gruntovye plotiny malyh GJeS: metodicheskoe posobie po kursovomu i diplomnomu proektirovaniju [Soil Dams of Small Hydroelectric Power Plants: A Methodological Guide for Course and Diploma Design] / V.G. Zhelankin // – M.: Publishing house MJeI (TU). – 1997. – p. 47 [in Russian]
  10. Zhelankin V.G. Opredelenie ustojchivosti otkosov gruntovyh plotin na JeVM s ispol'zovaniem raschetnogo programmnogo kompleksa: metodicheskie ukazanija k laboratornoj rabote №1 po kursu «Jenergeticheskie sooruzhenija» [Determination of Stability of Slopes of Soil Dams on a Computer Using a Computational Software Package: Guidelines for Laboratory Work No. 1 on the Course “Power Structures”] / V.G. Zhelankin // – M.: Publishing house MJeI (TU). – 1997. – 25 [in Russian]
  11. GOST R 55260.1.4-2012. Chast' 1-4. Gidrojelektrostancii. Sooruzhenija GJeS gidrotehnicheskie. Obshhie trebovanija po organizacii i provedenija monitoringa. [GOST R 55260.1.4-2012. Part 1-4. Hydroelectric Power Plants. Hydroelectric Power Plant Structures Are Hydrotechnical. General Requirements for the Organization and Conduct of Monitoring.] [in Russian]
  12. STO RusGidro 02.03.131-2015 Gidrojelektrostancii. Metodika opredelenija kriteriev bezopasnosti dlja deklariruemyh gidrotehnicheskih sooruzhenij. [STO RusHydro 02.03.131-2015 Hydroelectric Power Plants. Methodology for Determining Safety Criteria for Declared Hydraulic Structures.] – M.: Publishing house 2015. – p. 25 [in Russian]
  13. GOST R 55260.1.9-2013 Chast' 1-9. Gidrojelektrostancii. Sooruzhenija GJeS gidrotehnicheskie. Trebovanija bezopasnosti pri jekspluatacii. [GOST R 55260.1.9-2013 Part 1-9. Hydroelectric Power Plants. Hydroelectric Power Plant Structures Are Hydrotechnical. Safety Requirements During Operation.] [in Russian]