Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Прогнозирование и оценка обстановки при чрезвычайных ситуациях


УДК 614.8.084
     М31



Рецензент
д-р техн, наук, проф. Б.Е. Прусенко




     Мастрюков Б.С., Овчинникова Т.И.
М31 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Прогнозирование и оценка обстановки при чрезвычайных ситуациях: Учеб.-метод. пособие. - М.: МИСиС, 2004. - 102 с.




          Пособие содержит методики расчета и численные примеры расчета последствий чрезвычайных ситуаций природного (землетрясения, ураганы, наводнения и лесные пожары) и техногенного (взрывы, пожары, химические, радиационные и гидротехнические аварии) характера. Большой объем приложений позволяет выполнять необходимые расчеты, не прибегая к дополнительной справочной литературе.
          Пособие предназначено для выполнения раздела «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей природной среды» дипломных проектов всех металлургических специальностей, дипломных проектов, курсовых работ и практических занятий по специальности 330100 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и 333000 «Безопасность жизнедеятельности».
          Пособие может быть полезно для студентов, аспирантов и преподавателей всех специальностей и всех кафедр института как в учебном процессе, так и при проведении научно-исследовательских работ и КИПР.














                                   © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..................................................4
1. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций природного характера.....................................7
  1.1. Прогнозирование и оценка последствий землетрясений.7
  1.2. Прогнозирование и оценка последствий ураганов......И
  1.3. Прогнозирование и оценка последствий наводнений...15
  1.4. Прогнозирование и оценка обстановки при лесном пожаре................................................18
2. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций техногенного характера...................................22
  2.1. Прогнозирование и оценка последствий аварий, связанных с взрывами...................................22
  2.2. Прогнозирование и оценка последствий аварий, сопровождающихся пожарами..............................47
  2.3. Прогнозирование и оценка последствий химических аварий.................................................64
  2.4. Прогнозирование и оценка последствий радиационных аварий................................................76
  2.5. Прогнозирование и оценка последствий гидротехнических аварий...............................81
Приложения...............................................86
Библиографический список................................101

3

ВВЕДЕНИЕ
   Прогнозирование и оценка обстановки при чрезвычайных ситуациях проводятся для заблаговременного принятия мер по предупреждению чрезвычайных ситуаций, смягчению их последствий, определению сил и средств, необходимых для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
   Целью прогнозирования и оценки последствий чрезвычайных ситуаций является определение размеров зоны чрезвычайной ситуации, степени разрушения зданий и сооружений, а также потерь среди персонала производственных объектов и населения.
   Как правило, эта работа проводится в три этапа:
   I - прогнозирование последствий наиболее вероятных чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, осуществляемое для среднестатистических условий (среднегодовые метеоусловия; среднестатистическое распределение населения в домах, на улице, в транспорте, на работе и т.п.; средняя плотность населения и т.д.); этот этап работы проводится до возникновения чрезвычайных ситуаций;
   II - прогнозирование последствий и оценка обстановки сразу же после возникновения источника чрезвычайных ситуаций по уточненным данным (время возникновения чрезвычайной ситуации, метеорологические условия на этот момент и т.д.).
   III - корректировка результатов прогнозирования и фактической обстановки по данным разведки, предшествующей проведению аварийных и других неотложных работ.
   В пособии рассматриваются методы прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций, соответствующие I этапу.
   Независимо от источника чрезвычайной ситуации можно выделить шесть основных поражающих факторов, воздействующих на людей, животных, окружающую природную среду, инженернотехнические сооружения и т.д.:
   1   - барическое воздействие (взрывы взрывчатых веществ, газовоздушных облаков, технологических сосудов под давлением, взрывы обычных и ядерных средств массового поражения и т. д.);
   2   - термическое воздействие (тепловое излучение при техногенных и природных пожарах, огненный шар, ядерный взрыв и т.д.);
   3   - токсическое воздействие (техногенные аварии на химически опасных производствах, шлейф продуктов горения при пожарах, по

4

следствия использования химического оружия, выбросы токсических газов при извержениях вулканов и т.д.);
   4    - радиационное воздействие (техногенные аварии на радиационно опасных объектах, ядерные взрывы и т.д.);
   5    - механическое воздействие (осколки, обрушения, сели, оползни и т.д.);
   6    - биологическое воздействие (эпидемии, последствия использования бактериологического оружия и т.д.).
   При прогнозировании последствий чрезвычайных ситуаций, как правило, используют детерминированные или вероятностные методы.
   При детерминированных методах прогнозирования определенной величине негативного воздействия поражающего фактора источника чрезвычайной ситуации соответствует вполне конкретная степень поражения людей, инженерно-технических сооружений и т.п.
   Так, например, величина избыточного давления на фронте ударной волны АРф = 10 кПа принимается безопасной для человека. При величине избыточного давления на фронте ударной волны ЛРф >100 кПа будет иметь место смертельное поражение людей.
   При токсическом воздействии такими пороговыми величинами являются пороговая токсодоза /Эпор и летальная токсодоза LDVᵢ. мг ■ мин/л, при которой летальное (смертельное) поражение получит 50 % людей, подвергшихся воздействию токсиканта.
   Область, ограниченная линией, соответствующей определенной степени негативного воздействия, носит название зоны воздействия этого уровня (летального, среднего, порогового и т.п.).
   В действительности при воздействии одной и той же дозы негативного воздействия на достаточно большое количество людей, зданий и сооружений, компонентов окружающей природной среды и т.д. поражающий эффект будет различен, поэтому приведенные выше значения соответствуют математическому ожиданию данной степени негативного воздействия.
   Другими словами, негативное воздействие поражающих факторов носит вероятностный характер и при вероятностных методах прогнозирования обычно используют понятие поражающего фактора Рпор (%, доли), являющегося функцией «пробит-функции» Рг:

^пор = /(Рг) ■                     (1)

   Зависимость (1) в виде таблицы представлена в прил. I.


5

   В общем виде пробит-функция Рг имеет вид

Рг = а + Л1п /Д


(2)

где а,Ъ- константы, зависящие от вида и параметров негативного воздействия;
    D - доза негативного воздействия, равная

         33                                           q ...............при  термическом воздействии;

   п                 ....при  барическом воздйствии;

        спт..............при  токсическом воздействии;
        /Ээф.............при  радиационном воздействии,
здесь q - плотность теплового потока, Вт/м²;
     т - время воздействия, с или мин;
     с - концентрация токсоканта, ppm;
АРф- избыточное давление на фронте ударной волны, кПа;
     1₊   - импульс фазы сжатия ударной волны, кПа ■ с;
     Лэф - эффективная доза ионизирующего излучения, Зв.
   Поскольку чрезвычайные ситуации природного характера и техногенные чрезвычайные ситуации имеют свою специфику, рассмотрим методики прогнозирования их последствий раздельно.

6

1.  ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ПРИРОДНОГО ХАРАКТЕРА


1.1. Прогнозирование и оценка последствий землетрясений
   Интенсивность землетрясения J(R) определяется по формуле


                J(R) = 3 + 1,57И -3,5д/(Я² + А²),             (3)
где R - расстояние от эпицентра землетрясения, км;
    h - глубина гипоцентра землетрясения, км;
    М - магнитуда землетрясения

M = \%Zₘ- 1,321g R,                      (4)
здесь Zₘ - амплитуда земных колебаний, мкм.

   Сила землетрясения исчисляется в баллах, причем обычно применяется либо шкала Рихтера, в которой используется величина магнитуды (1 < М< 9), либо международная шкала MSK (или близкая к ней шкала Меркалли), в которых используется величина интенсивности землетрясения (1< J < 12). Соотношение между величинами М и J (и соответствующими шкалами) представлено в табл. 1.

Таблица 1

Соотношение между величинами MuJ

Магнитуда М Интенсивность Упри глубине очага h, км   
              5           15               45       
7,5 <М<8,5   ---          10             9...10     
6,5 <М<7,5    10        9...10           7...8      
5,5 <М<6,5  9...10      7...8            5...7      
4,5 <М<5,5  7...8       5...7            4...5      
3,5 <М<4,5  5...6       4...5            2...3      

   Реальная интенсивность землетрясения и степень разрушений зданий и сооружений будет зависеть от типа грунта как под застройкой, так и на остальной окружающей местности:

                             '-^реал —             ( ^Лтост ^о.м ) ’


(5)

где AjₙₒcT- приращение балльности для грунта (по сравнению с гранитом), на котором построено здание;
   Д7ОМ - приращение балльности для грунта в окружающей местности (табл. 2).

7

Таблица 2

Значения А/пост и Д JₐM

    Тип грунта      ^ЛгОСТ? ^Л).М   Тип грунта    ‘AlOCT, ^Л).М
      Гранит              0          Песчаные          1,6     
     Известняк          0,52         Глинистые        1,61     
  Щебень, гравий        0,92      Насыпные рыхлые      2,6     
Полускальные грунты     1,36                                   

   Все здания и типовые сооружения традиционной постройки (без применения антисейсмических мероприятий) подразделяются на три группы, каждой из которых свойственна определенная сейсмостойкость (табл. 3).


Таблица 3

Классификация зданий и сооружений по сейсмостойкости

Группа                    Характеристика здания                   .Л, баллы
А А]    Бескаркасные здания из местного материала, без фундамента     4    
  а2    Здания из сырцового кирпича на фундаменте                 4,5      
Б Б,    Здания с деревянным каркасом, с легкими перекрытиями          5    
  Б,    Здания из жженого кирпича или бетонных блоков             5,5      
В в.    Деревянные дома, рубленные в «лапу»                           6    
  в2    Железобетонные каркасные и крупнопанельные здания         6,5      

   Состояние зданий и сооружений после землетрясения, оцениваемое степенью повреждения i (табл. 4), зависит от их сейсмостойкости ./с и реальной интенсивности землетрясения ./реал (табл. 5 и табл. II. 1 прил. II).


Таблица 4

Степени разрушения зданий

Степень                     Характеристика повреждений                    
повреж-                                                                   
 дения                                                                    
1       Легкие повреждения (трещины в штукатурке, между панелями, возможно
        откалывание небольших кусков штукатурки). Достаточен текущий ре-  
        монт                                                              
2       Умеренные разрушения (значительные разрушения ограждающих конст-  
        рукций, откалывание больших кусков штукатурки, сквозные трещины в 
        перегородках, слабые повреждения несущих стен. Необходим капиталь        ный ремонт                                                        
3       Тяжелые повреждения (разрушение ограждающих конструкция зданий,   
        обрушение дымовых труб, значительная деформация каркасов. Необхо- 
        дим восстановительный ремонт                                      
4       Разрушительные повреждения (частичное разрушение несущих конст-   
        рукций, нарушение связей между частями здания, обрушение крупных  
        частей здания. Здание не восстанавливается и подлежит сносу       
5       Полное разрушение здания                                          

8

Таблица 5

Зависимость средней степени поражения зданий icₚ от интенсивности землетрясения (I - 1С)

J-Jc  0   1    2   3   4   5   6 
^ср  0,1 0,50 1,5 2,5 3,5 4,5 4,9

   Люди, находящиеся в момент землетрясения внутри зданий, поражаются преимущественно обломками строительных конструкций. Вероятность общих и безвозвратных потерь в зависимости от степени повреждения зданий представлена в табл. 6.
Таблица б

Вероятность общих (Pj общ) и безвозвратных (Pj безв) потерь в зависимости от степени повреждения зданий i

  i    1 2  3    4    5  
Р общ                    
  г'   0 0 0,05 0,5  0,95
р безв 0 0 0,01 0,17 0,65

   Так как степени повреждения зданий (см. табл. II. 1 прил. II) и потери населения (см. табл. 6) являются величинами случайными, то их следует оценивать математическими ожиданиями рассматриваемых событий, вычисляемыми по следующим формулам:
   -  общие потери населения
            Гбщ = (0,05 Л=з + 0,50 Л-4 + 0,95 Л-₅);            (6)
   -  безвозвратные потери
            рбезв ₌ ₍₀ ₀₁ р₊ оду р.^ ₊ ₀ ₆₅ р.^.               (7)

   -  санитарные потери
рсан _ робщ Q _ рбс -.i-j                  )

где Лбезв - вероятность z-й степени повреждения зданий
                (табл. II. 1 прил. II);
    Лбезв, Р°⁵щ - вероятности общих и безвозвратных потерь, определяемых по табл. 6.
   По своей физической сущности величины Робщ, рбезв и Лан представляют собой относительные потери населения, под которыми понимается отношение абсолютных потерь населения (№от) к его общей численности в зданиях (7V). Абсолютные потери населения в зданиях при землетрясении определяются по формуле

9

NT^PjNj,                           (9)
где индекс j определяет вид потерь (общие, безвозвратные или санитарные).
   Пример 1. Населенный пункт с числом жителей N = 50000 человек расположен на песчаном грунте и имеет малоэтажные кирпичные здания (до 4 этажей), крупнопанельные здания, построенные на по-лускальных грунтах, и бескаркасные здания из местного материала, без фундамента. На расстоянии R = 50 км находится эпицентр землетрясения силой 7 баллов по шкале Рихтера, гипоцентр которого расположен на глубине Н = 30 км.
   Определить степень разрушения зданий и потери среди населения города.
  Решение
  По формуле (3) определяем интенсивность землетрясения J(R):
         J(R) = 3 + 1,5 ■ 7 - 3,5 lg(50² + 30²) = 7,3 балла.
   Определим реальную интенсивность землетрясения, степень разрушения зданий и сооружений и людские потери в зависимости от типа грунта по формуле (5).
  Для бескаркасных зданий из местного материала, без фундамента:
Деш = 7,3 - (1,6 - 1,6) = 7,3 балла.
   Для зданий рассматриваемого типа параметр сейсмостойкости ./с = 4,0 (см. табл. 3), J-Jc = 7,3 - 4,0 = 3,3 и, согласно табл. 5, i = 2,8.
   Согласно табл. II. 1 прил. II при разности величин J- Jc = 3,3 (принимаем J-Jc = 3,0) вероятность повреждения зданий 1-й степени будет не ниже 0,1; 2-й степени - 0,3, 3-й степени - 0,5 и 4-й степени - 0,1.
   Характеристика повреждений, соответствующих каждой степени разрушения зданий, приведена выше в табл. 4.
   Общие потери населения в домах рассматриваемого типа составят (см. табл. 6) Р°⁵щ = 0,05, а безвозвратные Рг безв = 0,01.
   Согласно формулам (6) и (7)
   Робщ = (0,05 ■ 0,5 + 0,5 ■ 0,1) = 0,075;
   Рбезв = (0,01 ■ 0,5 + 0,17 ■ 0,1) = 0,022;
   Рсш = 0,075 -0,022 = 0,053.
   Примем для определенности, что землетрясение произошло ночью, когда, согласно данным табл. VI.7 прил. VI, 94 % населения находится в жилых домах, тогда получим

10

   Д7°бщ = 10 000 ■ 0,94 ■ 0,075 = 705 человек.
   Здесь принято, что в бескаркасных зданиях из местных материалов проживает 20 % жителей населенного пункта (0,2 ■ 50 000 = = 10 000 человек);
   #езв = 10 000 ■ 0,94 ■ 0,022 = 207 человек;
   №н = 705 - 207 = 498 человек.
   Для кирпичных малоэтажных зданий на полускалъных грунтах:
   Деш ~   ~ (1,36 - 1,6) = 7,54 балла.
   Для зданий рассматриваемого типа параметр сейсмостойкости Jc = 5,5, J-Д = 7,54 - 5,5 = 2,04 и, согласно табл. 5, i = 1,5.
   В соответствии с данными табл. II. 1 прил. II при разности величин J - Д- 2,04 вероятность повреждения зданий 1 -й степени будет равна 0,3; 2-й степени - 0,5; 3 степени - 0,1.
   Общие потери населения в домах рассматриваемого типа составят (см. табл. 6) Д’⁶"¹- 0 и Рбсзв = 0, т.е. люди не пострадают.
   Для крупнопанельных зданий, построенных на полускалъных грунтах:
   Деал ~  ~ (1,36 - 1,6) = 7,54 балла.
   Для зданий рассматриваемого типа параметр сейсмостойкости Jc = 6,5, J -Д~ 7,54 - 6,5 = 1,04 и, согласно табл. 5, i = 0,5.
   Легко убедиться в том (см. табл. II. 1 прил. II), что при J- Д = 1,04 40 % зданий рассматриваемого типа вообще не получат повреждений, 50 % зданий получат повреждения первой степени, 10 % - второй. Людских потерь не будет.
   Таким образом, наибольшую опасность при землетрясении представляют бескаркасные здания без фундамента из местных материалов, жители которых могут серьезно пострадать.

   1.2. Прогнозирование и оценка последствий ураганов
   Под ураганом понимается гигантский атмосферный вихрь с убывающим к центру давлением воздуха с очень высокой (более 32 м/с) скоростью воздушного потока. Воздействие ураганов на здания, сооружения и людей определяется скоростным напором воздушного потока и продолжительностью его действия. Частота возникновения на территории России бурь и ураганов с различной скоростью ветра приведена в табл. III. 1 прил. III.
   Различают четыре степени разрушения зданий и сооружений (слабая, средняя, сильная и полная), характеристики трех из которых приведены в табл. 7.

11

Таблица 7

Характеристика степеней разрушения зданий и сооружений

    Здания,                                                                   
  сооружения                        Степень разрушения                        
и оборудование                                                                
и оборудование         слабая         средняя               сильная          
Производствен-  Разрушение наименее   Разрушение перегоро-  Значительные     
ные и админист- прочных конструкций   док, кровли, части    деформации не-   
ративные здания зданий и сооружений:  оборудования; боль-   сущих конструк-  
                заполнений дверных и  шие и глубокие тре-   ций; сквозные    
                оконных проемов;      щины в стенах, паде-  трещины и про-   
                небольшие трещины в   ние дымовых труб,     ломы в стенах,   
                стенах, откалывание   разрушение оконных и  обрушения час-   
                штукатурки, падение   дверных заполнений,   тей стен и пере- 
                кровельных черепиц,   появление трещин в    крытий верхних   
                трещины в дымовых     стенах                этажей, деформа- 
                трубах или падение их                       ция перекрытий   
                отдельных частей                            нижних этажей    
Технологическое Повреждение и де-     Повреждение шесте-    Смещение с фун-  
оборудование    формация отдельных    рен и повреждение     даментов и де-   
                деталей, электропро-  передаточных меха-    формация станин, 
                водки, приборов авто- низмов, обрыв махо-   трещины в дета-  
                матики                виков и рычагов       лях, изгиб валов 
                                      управления, разрыв    и осей           
                                      приводных ремней                       
Подъемно-       Частичное разрушение  Повреждение наруж-    Опрокидывание,   
транспортные    и деформация обшив-   ного оборудования,    срыв отдельных   
механизмы, кра- ки, повреждение сте-  разрыв трубопроводов  частей, общая    
новое оборудо-  кол и приборов        систем питания, смаз- деформация рамы  
вание                                 ки и охлаждения                        
Газгольдеры,    Небольшие вмятины,    Смещение на опорах,   Срыв с опор,     
резервуары для  деформация трубопро-  деформация оболочек,  опрокидывание,   
нефтепродуктов  водов, повреждение    подводящих трубо-     разрушение обо-  
и сжиженных     запорной арматуры     проводов, поврежде-   лочек, обрыв     
газов                                 ние запорной армату-  трубопроводов и  
                                      ры                    запорной армату- 
                                                            ры               
Трубопроводы    Повреждения стыко-    Разрывы стыковых      Переломы труб    
                вых соединений, час-  соединений, повреж-   на вводах. Разрыв
                тичное повреждение    дения КИП и запорной  и деформация     
                КИП                   арматуры, переломы    труб. Сильные    
                                      труб на вводах в от-  повреждения      
                                      дельных местах        арматуры         

   Степень разрушения зданий и сооружений зависит от скорости ветра, этажности сооружений, места их расположения (табл. III.2 прил. III).

12