Оценка риска аварии в результате навала судна на ворота шлюза

Список литературы

1. Visual Basic 6.0. Сер. «Мастер» / пер. с англ. Microsoft Visual Basic 6.0 Programmer’s Guide, Microsoft Press, 1998. — СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1998. — 992 с.

2. Чигарев А. В. ANSYS для инженеров: справ. пособие / А. В. Чигарев, А. С. Кравчук, А. Ф. Смалюк. — М.: Машиностроение, 2004. — 510 с.

3. Самарский А. А. Теория разностных схем / А. А. Самарский. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. изд-ва, 1977. — 656 с.

УДК 626.4 Т. Ю. Нычик,

аспирант,

СПГУВК

ОЦЕНКА РИСКА АВАРИИ В РЕЗУЛЬТАТЕ НАВАЛА СУДНА

НА ВОРОТА ШЛЮЗА

DEFINING THE RISK OF ACCIDENT AS A RESULT OF SHIP IMPACT

ON LOCK GATE

Существуют такие явления, результат которых предугадать нельзя. В этих случаях интересующий нас исход опыта зависит от такого большого числа факторов, что почти невозможно зарегистрировать и учесть все эти факторы. В данной статье рассматривается применение вероятностных методов в определении риска аварии на ворота шлюзов в результате навала, с целью дальнейшего создания математической модели измерения числа аварий на предстоящую навигацию.

There are phenomena the result of which is impossible to predict. In this case the result of experiment depends on so many factors that it is almost impossible to register and take into account all these factors. This article considers the application ofprobabilistic approach for determining the risk of an accident at the gate lock due to impact for creation of a mathematical model for calculation of accidents for coming navigation.

Ключевые слова: вероятностные методы в инженерных задачах; риск аварии; априорная вероятность; вероятность навала судна; предстоящая навигация.

Key words: probabilistic methods in engineering problems, risk of accident, a priori probability, vessel impact, forthcoming navigation.

CM

*

U

m

li>

АССМАТРИВАЯ вполне конкретную ситуацию возникновения аварии в шлюзе, представилось возможным из множества случайных факторов, влияющих на возникновение аварийного происшествия в шлюзе, выделить несколько закономерных, от которых зависит интересующий нас исход опыта — шлюзования [3, с. 25-31; 4, с. 21-25]. Деление явлений на закономерные и случайные относительно. Строго говоря, в природе не существует явления, в котором не проявились бы в той или иной мере элементы случайности. Как бы точно ни фиксировались условия опыта, достигнуть их в полной неизменности практически невозможно, а это дает исходу опыта при заданных условиях элемент неопределенности. В силу этого закономерное явление при более глубоком рассмотрении всегда оказывается случайным [2].

Поскольку объектом исследования является гидротехническое сооружение (ГТС), то одной из основных его эксплуатационных характеристик является вероятность потери работоспособности ГТС или, иными словами, вероятность разрушения ГТС или отдельных его составных

элементов (конструкций). Если говорить в предметной области, вероятность повреждения ворот шлюзов (ВПВШ) или, иначе, вероятность аварийной ситуации.

В процесс формализации описания безопасности судоходного шлюза входит определение всех групп факторов, влияющих на нарушение функционирования ГТС. То есть необходимо представить структурную модель ГТС (используя системный подход) и перечень всех влияющих параметров в каждой структурной единице. Отсюда очевидно, что вероятность работоспособного состояния шлюза — Ршл зависит от следующих факторов:

Рщл

где Рсш(0 — безопасность работы системы «шлюз» (гидротехнические конструкции + оборудование);

Р(0 — безопасность работы оператора шлюза (начальник вахты);

Р(0 — безопасность работы системы «судно» (двигатель, движитель, ДАУ);

Ропс(0 — безопасность работы оператора судна (судоводитель).

Теоретически перспективным является вероятностный подход к оценке безопасности ГТС. Однако при таком подходе трудно учесть влияние качественных фактров, нередко играющих основную роль при оценке безопасности эксплуатируемых (в особенности «старых») ГТС [1].

Вероятность отказа существует у каждого технического объекта (нет объектов с нулевой вероятностью отказа), и она существует до начала текущей эксплуатации. Назовем ее априорной вероятностью отказа объекта.

При эксплуатации такого сложного технического сооружения, как ГТС, всегда существует множество внутренних и внешних факторов, которые ухудшают работоспособность сооружения и повышают риск эксплуатации судоходного канала.

Поскольку шлюзованные каналы (ШК) эксплуатируются в течение продолжительного времени и в каждую навигацию насчитывается несколько сот тысяч прохождений судов, можно говорить о соответствующей статистической информации об отказах (авариях) на ГТС по тем или иным причинам.

Через шлюзованные каналы проходят различного типа плавающие средства: от судов (пассажирских, грузовых от 5000 т и меньше) до плотов, то вероятность аварийной ситуации при прохождении через шлюз различного типа судов и плавсредств различна. Естественно, вероятность аварийной ситуации каждым типом судна будет создаваться своя. При эксплуатации ГТС необходимо оценить общую вероятность появления аварийной ситуации (отказа элементов ГТС) от прохождения шлюзованного канала всеми типами судов. Эту вероятность можно вычислить с помощью формулы полной вероятности.

Пусть требуется определить вероятность некоторого события (например, вероятность навала) А, которое может произойти вместе с одним из событий:

Н Н2> Н ,

образующих полную группу несовместимых событий (например, Н1 — прохождение ГТС пятитысячником, Н2 — двухтысячником, Н3 — пассажирским судном и т. д.). Назовем эти события гипотезами, а навал — случайной величиной.

Доказано, что в этом случае [2]:

в(А) = £д(Н)  е(А / Н,), (2) ^

I =1

где Q(HІ) — вероятность гипотезы (или вероятность прохождения ГТС 1-м типом судов), Q(АIH. ) — условная вероятность события А при гипотезе И., то есть вероятность поступления аварийной ситуации при прохождении ГТС 1-м типом судов.

Величины Q(H ), Q(АIH ) вычисляются из статистических данных.

Выпуск 2

Выпуск 2

При комбинаторном подходе к вычислению вероятности Q(HІ ) равна:

?

п

где т — число і-го типа судов прошедших за навигацию через ГТС; п — общее число судов. Например, пятитысячники шлюзовались 20 000 раз, при этом общее число шлюзований составило 210 000, тогда Q(HІ ) = 0,095. Если аварийные ситуации пятитысячниками создавались п =

= 0,095 • 0,0004 = 0,000038 — это вероятность аварии за счет прохождения ГТС только одним пятитысячником. Аналогично вычисляются и другие слагаемые, просуммировав которые определим общую вероятность отказа (аварийной ситуации) для всех ГТС в системе шлюзованных каналов.

Если статистические данные будут определены для отдельного шлюза, участка канала (совокупность шлюзов), пароходства и тому подобного, то вероятность аварийной ситуации можно вычислить для каждого подразделения.

Таким образом, априорная вероятность работоспособного состояния ГТС равна [2]:

Очевидно, что вероятность аварии в результате навала судна на ворота шлюза, полученная по формуле (2), учитывает только интенсивность судопропуска на рассматриваемом участке шлюзованного пути, что, по сути, противоречит выводам в [3; 4], в которых говорится о том, что вероятность навала судна на ворота шлюза зависит как от конструктивных и компоновочных решений шлюзов, так и от человеческого фактора. Из всех факторов, влияющих на возникновение риска, единственным неконтролируемым является человеческий фактор. Это означает, что отразить его влияние на результирующую величину риска аварии не представляется возможным. Следовательно, конечная, рекомендуемая формула для подсчета вероятности аварии в результате навала судна на ворота шлюза должна включать поправочный коэффициент, устанавливающий степень возможности возникновения аварийной ситуации, исходя из соотношения габаритов шлюзуемого судна и камеры шлюза. То есть зависимость для вычисления вероятности аварии при навале судна на ворота шлюза можно представить в следующем виде:

где к — коэффициент, учитывающий соотношение размеров камеры шлюза и размеров шлюзуемого судна;

С. — количество пропущенных судов /-го типа;

Собщ — общее количество пропущенных судов;

А. — число аварий на шлюзе, инициированное /-м типом судна.

Для определения коэффициента, учитывающего соотношение размеров камеры шлюза и размеров шлюзуемого судна, воспользуемся некоторой статистикой об аварийных происшествиях и количестве судопропусков [3], приведенных в табл. 1 и на рис. 1.

п

8 раз, тогда Q{A/Н1) = — = 0,0004. Таким образом, одно из слагаемых в (2) равно Q(HІ ^(Л/И. ) т

п

і=1

Таблица 1

Происшествия в судоходных шлюзах по ГБУВПиС России за 1985-1993 гг.

Наименование ГБУВПиС Годы Число происшествий в шлюзе

Нижняя голова Верхняя голова Камера шлюза

Канал им. Москвы 1985-1998 59 28 33

Волго-Балтийское 1985-1997 21 18 10

Волго-Донское 1985-1997 34 13 3

Волжское 1985-1996 19 11 6

Камское 1985-1997 13 — 7

Беломорско- Онежское 1986-1993 14 1 14

Итого 160 71 70

Обское Северо- Двинское Беломорско - Онежское Азово - Донское Волго - Донское Камское Волжское ФГУП "Канал им. Москвы"

Волго-Балтиское

12009Г 1 20 Юг

Рис. 1. Данные о судопропуске по ГБУВПиС по состоянию на 21.11.2010 г.

Обработав данные табл. 1, можно получить среднее количество аварийных происшествий в навигацию по крупнейшим ГБУВПиС России. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Вероятность возникновения аварии для некоторых судоходных путей России

ЄН

Наименование ГБУВПиС Среднее число аварийных происшествий в навигацию, ед. Количество судопропусков по ГБУВПиС за 2009 г. Вероятность возникновения аварии в шлюзе

Канал им. Москвы 9,0 95 214 0,000095

Волго-Балтийское 4,0 69 802 0,000057

Волго-Донское 4,0 113 444 0,000035

Волжское 3,0 45 184 0,000066

Камское 2,0 13 331 0,000150

Беломорско-Онежское 4,0 10 290 0,000400

Выпуск 2

Поскольку соотношение размеров камеры шлюза с соответствующими размерами шлюзуемого судна, так называемое безопасное расстояние по длине и ширине, оказывает значительное воздействие на наличие или отсутствие аварийного происшествия в шлюзе, то логично предположить, что чем больше эти запасы, тем меньше вероятность возникновения аварии и, следовательно, тем ближе к единице значения коэффициента к.

На основании вышеизложенного для повышения точности определения риска аварии в зависимость (5) вводится коэффициент значимости соотношения размеров камеры шлюза с размерами шлюзуемого судна к. В основу вывода коэффициента положено сопоставление вероятностей возникновения аварий (табл. 2) с интенсивностью судопропуска и размерами камер шлюзов по рассматриваемым ГБУВПиС. В табл. 3 приведены значения коэффициента к для некоторых ГБУВ-ПиС соответственно.

Таблица 3

Значения коэффициента значимости соотношения размеров камеры шлюза и размеров шлюзуемого судна для некоторых ГБУВПиС РФ

ГБУВПиС Значение коэффициента к

Беломорско-Онежское 1,30

Волго-Донское 1,00

Камское 0,80

Волго-Балтийское 0,70

Канал им. Москвы 0,65

Волжское 0,65

2

к

с

В

22]

С целью автоматизации расчета вероятности аварии для судоходных шлюзов автором была разработана программа RISK.EXE, написанная на языке программирования С++. Программа проста в использовании. Для того чтобы получить значение вероятности в RISK.EXE, необходимо следовать следующему алгоритму:

1) ввести значение коэффициента к, соответствующее рассматриваемому судоходному

пути;

2) ввести общее число судопропусков через исследуемый шлюз.

Далее выполнить следующий алгоритм ввода для основных типов шлюзуемых судов (суда-пятитысячники,

нефтеналивные суда, сухогрузные суда, составы, пассажирские суда):

3) ввести количество пропущенных судов .-го типа через шлюз в навигацию;

4) ввести количество аварий, инициированных .-м типом судна (рис. 2).

Рис. 2. Рабочее окно программы RISK.EXE для расчета рисков Таким образом, для того

аварий в судоходных шлюзах чтобы определить значение ве-

C:\Documents апсі 5еШпд5\ТатьянаГ.Рабочий стол\.Ш5К\Д15К.ЕХЕ.ен

Введите коэффициент, учитывающий соотношение размеров камеры ш/ноза и размеров шлюзуемого судна: 1.3

Общее количество пропущенных судов: 750Ш

Введите данные для судов-пятитысячников Количество пропущенных судов: 25ШШ Количество аварий на шлюзе: 3

Введите данные для нефтеналивных судов Количество пропущенных судов: 2Ш00 Количество аварий на шлюзе: 4

Введите данные для сухогрузных судов Количество пропущенных судов: 2000 Количество аварий на шлюзе: 2

Введите данные для составов Количество пропущенных судов: 6Ш0 Количество аварий на шлюзе: 1

Введите данные для пассажирских судов Количество пропущенных судов: 400 Количество аварий на шлюзе: О

Риск аварии при навале судна ворота шлюза: 0.00173333

роятности аварии на навигацию для судоходного канала в целом, необходимо владеть следующей базой статистических данных по исследуемому шлюзу (шлюзованному каналу):

1) общее число пропущенных судов в навигацию;

2) количество судов /-го типа, пропущенных в навигацию;

3) количество аварий, инициированных судами /-го типа;

4) размеры камеры шлюза, для определения коэффициента значимости соотношения размеров камеры шлюза и шлюзуемого судна — к.

Просуммировав вероятности возникновения аварий по каждому шлюзу, входящему в состав водного пути, получим соответственно вероятность возникновения аварии на исследуемом водном пути.

Следовательно, определение априорной вероятности работоспособного состояния для объекта будет выглядеть так:

^ С А

Р.« = 1 - Ра = 1 - к СС- * -•

!=1 С0бщ Ц

Список литературы

1. СТП ВНИИГ 210.02. НТ-04: метод. указ. по проведению анализа риска аварий гидротехнических сооружений. — СПб., 2005.

2. Лебедев А. Н. Вероятностные методы в инженерных задачах / А. Н. Лебедев. — СПб.,

2000.

3. Нычик Т. Ю. Анализ аварийных ситуаций при шлюзовании судов / Т. Ю. Нычик // Журнал университета водных коммуникаций. — СПб., 2011. — Вып. 4.

4. Нычик Т. Ю. Декларирование безопасности судоходных шлюзов / Т. Ю. Нычик // Материалы II межвуз. науч.-практ. конф. студ. и асп. СПГУВК. — СПб., 2011.

УДК 627.2 Т. Ю. Пахоменкова,

аспирант,

СПГУВК

РАЗУПЛОТНЕНИЕ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ШПУНТОВЫХ СТЕНОК ПРИ ВОЛНОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

DECOMPACTION OF SOILS OF SHEET PILE WALLS FOUNDATION

WITH WAVE ACTION

Статья посвящена вопросу устойчивости шпунтовых стенок в период строительства, в частности проблеме разуплотнения грунтов основания при колебаниях сооружений, вызванных циклическим волновым воздействием.

Article is devoted to the stability of sheet pile wall during construction, in particular the problem of soil decompaction of base structures with fluctuations due to cyclic wave action.

Выпуск 2