Імовірнісна оцінка надійності і безпеки гідротехнічних споруд каскадів гідроелектростанцій

Abstract

UA: Дисертація присвячена математичному моделюванню міцності і стійкості гідротехнічних споруд каскаду гідроелектростанцій та їх основ імовірнісними методами в рамках системної теорії надійності. Метод граничних станів, незважаючи на цілий ряд переваг, в деяких випадках не дає змоги об’єктивно оцінити ресурс узагальненої несучої здатності об’єкта за рахунок того, що значення нормативних коефіцієнтів не завжди є об’єктивними і носять умовний характер. Імовірнісні методи дають більш об’єктивну оцінку надійності і безпеки гідротехнічних споруд каскадів гідроелектростанцій і здатні ураховувати навантаження і впливи в усьому діапазоні їх дії, у тому числі  видатні значення малої повторюваності. Поряд з широким запровадженням імовірнісних методів оцінки надійності об’єктів гідротехнічного будівництва не сформульовані керівні принципи щодо оцінки надійності складних технічних систем з урахуванням багатофакторних впливів. В існуючих нормах відсутні імовірнісні методики моделювання поведінки гідросистем, оцінки надійності і безпеки каскадів гідроелектростанцій, підходи щодо урахування кореляційних зв’язків між природними факторами впливу. На підставі аналізу статистичних даних підібрано функції розподілів випадкових величин природних факторів впливу на гідротехнічні споруди: сейсмічних, температурних, вітрових впливів, льодового режиму по гідровузлах Дніпровського каскаду, а також досліджено кореляційні зв’язки між ними. Отримані дані свідчать про тісну, а іноді, практично функціональну залежність між випадковими величинами природних факторів. За результатами імовірнісної оцінки надійності гідротехнічних споруд гідровузлів Дніпровського каскаду гідроелектростанцій в рамках параметричної теорії надійності із застосуванням принципу слабкої ланки розроблено узагальнене дерево відмов і несправностей Дніпровського каскаду гідроелектростанцій. Із застосуванням алгоритму імовірнісної оцінки надійності і безпеки гідротехнічних споруд Дніпровського каскаду гідроелектростанцій в рамках системної теорії надійності отримано розрахункове значення ризику виникнення аварії на Дніпровському каскаді, яке дорівнює Pus = 4.710-4 1/рік. Результати дисертаційної роботи впроваджено в практику проектування об’єктів гідротехнічного будівництва, а також у навчальному процесі. RU: В представленной работе выполено математическое моделирование прочности и устойчивости гидротехнических сооружений каскада гидроэлектростанций и их оснований вероятностными методами в рамках системной теории надежности. Актуальность работы обусловлена тем, что вероятностные методы, в отличие от детерминистических, дают более объектвную оценку ресурса обобщенной несущей способности, а соответственно, надежности и безопасности гидротехнических сооружений каскадов гидроэлектростанций. Во введении представлена общая характеристика работы, приведены актуальность, связь с научными темами, сформулированы цель и задачи исследований, описаны практическая значимость и научная новизна. В первом разделе рассмотрены основне аспекты параметрической и системной теории надежности, которые используются для оценки надежности и безопасности гидротехнических объектов. Не смотря на широкое использование вероятностных методов оценки надежности объектов гидротехнического строительства не сформулированы основные принципы оценки надежности сложных технических систем с учетом многофакторных воздействий. В современных нормах отсутствуют вероятностные методики моделирования поведения гидросистем, оценки надежности и безопасности каскадов гидроэлектростанций. Показано, что без внимания остались вопросы, присущие именно каскадам гидроэлектростанций, связанные с учетом корреляционных связей между природными факторами. Во втором разделе подобраны функции распределения случайных величин природних факторов: ежегодной максимальной бальности землетрясений, ежегодной максимально низкой среднемесячной температуры, ежегодной максимальной амплитуды среднемесячных температур, ежегодных максимальных скоростей ветра, ежегодной максимальной толщины льда в створах гидроузлов Днепровского каскада гидроэлектростанций. В третьем разделе исследованы корреляционные связи между следующими случайными величинами: ежегодными максимальными расходами р. Днепр, ежегодными максимально низкими среднемесячными температурами, ежегодными максимальными амплитудами среднемесячных температур, ежегодной максимальной толщиной льда в створах гидроузлов Днепровского каскада. В результате расчетов определены параметры функций линейной регрессии, коэффициенты корреляции указанных случайных величин для пар гидроузлов Днепровского каскада гидроэлектростанций. Полученные данные свидетельствуют о тесной, а иногда, практически функциональной зависимости между случайными величинами природных факторов. В четвертом разделе в рамках параметрической теории надежности выполнена вероятностная оценка надежности общих гидротехнических сооружений гидроузлов Днепровского каскада: плотин из грунтовых материалов, бетонных водосливных плотин, гравитационных устоев по критериям граничных состояний, регламентированных нормами проектирования. При выполнении расчетов рассмотрены скальне и нескальные основания гидротехнических сооружений в местах расположения гидроузлов. Учтен случайный характер гидрологического режима реки Днепр, случайный характер сейсмических, температурних и ветровых воздействий, случайный характер ледового режима, случайный характер свойств основания. В пятом разделе в рамках параметрической теории надежности выполнена вероятностная оценка надежности специальных гидротехнических сооружений гидроузлов Днепровского каскада: зданий гидроэлектростанций, зданий монтажных площадок, камер и голов шлюзов по критериям граничных состояний, регламентированных нормами проектирования. При выполнении расчетов рассмотрены скальне и нескальные основания гидротехнических сооружений в местах расположения гидроузлов. Учтен случайный характер гидрологического режима реки Днепр, случайный характер сейсмических, температурних и ветровых воздействий, случайный характер ледового режима, случайный характер свойств основания. В шестом разделе предлагаются подходы, позволяющие учесть корреляционные связи между случайными величинами, описывающими разнообразные воздействия на гидротехничекие сооружения пар гидрузлов каскада гидроэлектростанций. В результате вероятностной оценки надежности гидротехнических сооружений гидроузлов Днепровского каскада гидроэлектростанций в рамках параметрической теории надежности в соответствии с принципом слабого звена разработано расчетное обобщенное дерево отказов и неисправностей Днепровского каскада гидроэлектростанций. По предложенному алгоритму вероятностной оценки надежности и безопасности гидротехнических сооружений гидроузлов Днепровского каскада гидроэлектростанций в рамках системной теории надежности получено расчетное значение риска возникновения аварии на Днепровском каскаде гидроэлектростанций, которое составило Pus = 4.710-4 1/год. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования объектов гидротехнического строительства, а также в учебный процесс. EN: In the presented work, a mathematical modeling of the strength and stability of hydraulic structures of the cascade of hydropower plants and their bases by probabilistic methods in the framework of the system reliability theory was performed. Despite the wide application of probabilistic methods for assessing the reliability of hydraulic structures, guidelines for assessing the reliability of complex technical systems, taking into account multifactorial influences, are not formulated. It is shown that modern literary sources overlook correlations between natural factors of influence, obviously inherent to hydropower plants, in particular. Based on the above, main objectives of the study were formulated. Distribution functions for the annual maximum earthquake magnitudes are selected. On the basis of the analysis of statistical data of temperature influences in hydropower schemes of the Dnipro Cascade, distribution functions for the annual lowest average monthly temperature and the annual maximum amplitude of the average monthly temperatures are selected. On the basis of the analysis of statistical data of annual maximum wind speeds in the geographical locations of hydropower plants of the Dnipro Cascade, distribution functions for the annual maximum wind speeds are selected. On the basis of analysis of statistical data, distribution functions for the annual maximum ice thickness in reservoirs of the Dnipro Cascade are selected. On the basis of processing statistical data of natural factors, correlations between the following random variables are investigated: between annual maximum flood flows, between annual maximum ice thickness, between annual maximum maximum average monthly temperatures, between annual maximum amplitudes of average monthly temperatures on the sites of hydropower schemes of the Dnipro Cascade. The obtained data testify to the close, and sometimes, practically functional dependence between random variables of natural factors. According to the probabilistic assessment of the reliability of hydraulic structures in hydropower schemes of the Dnipro Cascade of hydropower plants, in the framework of the parametric theory of reliability using a weak link principle, a block diagram of subsystems of the analytical generalized tree of failures and malfunctions, as well as a generalized tree of failures and malfunctions of the Dnipro Cascade of hydropower plants, is developed. An algorithm of probabilistic assessment of reliability and safety of hydraulic structures of the Dnipro Cascade of hydropower plants in the framework of the system reliability theory is developed. A design value of the risk of an accident on the Dnipro Cascade is obtained, which is equal to Pus = 4.710-4 1/year. The results of the dissertation work are introduced into the practice of designing of hydraulic structures, as well as in the educational process.