Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях Павловской ГЭС

в) ухудшение работы ранее построенных водозаборов.

После строительства плотины существенно меняется и ледово-термический режим на участке реки, оказавшейся в зоне распространения подпора. В верхнем бьефе вследствие резкого замедления скоростей течения быстрее наступает ледостав, ледяной покров достигает большей толщины, чем имел место до строительства сооружения, затягиваются сроки вскрытия, что отрицательно сказывается на условиях судоходства и даже может оказать влияние на микроклимат прилегающей территории.

Накопление больших объемов воды способствует аккумуляции в водохранилищах дополнительного тепла (впрочем, мало влияющего на ледовый режим верхнего бьефа). Это тепло, поступая с водой в нижний бьеф, вместе с высокими скоростями потока зимой замедляет формирование за плотиной ледяного покрова, приводя к образованию полыней. Последние при определенных метеорологических условиях являются «фабриками шуги». Шуга же, перемещаясь водным потоком в больших количествах на нижележащие участки реки, где установился ледяной покров, способствует образованию зажоров, приводящих к зимним наводнениям и образованию обширных наледей, иногда приносящих значительный ущерб народному хозяйству (выход из строя дорог, мостов и линий связи и т.п.). [1, с. 21-23].

Фильтрация воды под плотиной. Причины и последствия.

Основания плотин – различные горные породы – обычно в той или иной степени проницаемы для воды (в том числе и скальные). [2, с. 21-23]. Это происходит вследствие пористости грунтов, слагающих основание плотин, берега рек, поймы и речные долины - вода из верхнего бьефа под действием напора фильтрует в основание плотины и в берега в обход её. [2, с.317]. Естественно, что после поднятия плотиной уровня воды в реке основание сооружения насыщается водой, которая движется по порам и трещинам из зоны большего давления в зону меньшего давления, т. е. из верхнего бьефа в нижний бьеф. Это движение называется фильтрационным или фильтрацией воды.

Область фильтрации под напорным гидротехническим сооружением ограничивается сверху поверхностями сооружения, которыми оно соприкасается с грунтом основания и берегов, а снизу – кровлей водоупора (иногда водоупор отсутствует на практически достижимой глубине). Входной поверхностью фильтрационного потока является дно верхнего бьефа, выходной – дно нижнего бьефа и проницаемые для воды части сооружения (рисберма, дренажные устройства и пр.).

Фильтрация воды под сооружением является напорной, т. к. свободная поверхность фильтрационного потока отсутствует. Линия контакта сооружения с грунтом основания по направлению продольной оси потока называется подземным или фильтрационным контуром, который обычно представляет собой ломаную линию (на рис. 1.3.2 линия ABCDEFGKL).

Фильтрация воды под напорными гидротехническими сооружениями имеет следующие последствия:

1)                происходит потеря (утечка) воды из водохранилища в нижний бьеф;

2)                фильтрующаяся вода оказывает гидростатическое давление на подошву сооружения, направленное снизу вверх и называемое обычно противодавлением ввиду направленности его противоположно силе тяжести. Противодавление как бы облегчает сооружение, уменьшает его вес и сопротивление сдвигающим сооружение горизонтальным силам;

3)                фильтрующаяся вода может механически и химически действовать на грунт, слагающий основание сооружения, увлекая за собой мелкие частицы, а соли растворяя и унося их в нижний бьеф. В первом случае процесс называется механической суффозией грунта, а во втором – химической суффозией. Начавшаяся суффозия делает грунт основания проницаемым для воды, скорости фильтрации возрастают, фильтрующийся поток оказывается способным выносить частицы большего размера и при дальнейшем развитии явления может закончиться разрушением основания и аварией сооружения.

Таким образом, борьба с последствиями фильтрации конкретно направлена на сокращение потерь воды из верхнего бьефа, на уменьшение противодавления, на снижение скоростей фильтрационного потока.

Априори можно утверждать, что при одном и том же напоре на плотине фильтрация под сооружением и её последствия будут тем меньше, чем больше путь фильтрации, т.е. длина фильтрационного контура.

Удлинение путей фильтрации создаётся устройством перед плотиной водонепроницаемого покрытия, называемого понуром, а под понуром и сооружением - вертикальных преград в виде шпунтовых стенок в мягких грунтах, либо в виде цементных, битумных и других завес в скальных основаниях.

Аналогичный процесс фильтрации совершается и в берегах русла или долинах, к которым примыкает подпорное сооружение. Борьба с этим явлением также ведётся в основном удлинением путей фильтрации.

Для обоснованного определения размеров противофильтрационных элементов плотины и полного учёта стока в створе гидроузла необходимо уметь рассчитывать значения основных параметров фильтрационного потока: его скорости, расходы и противодавления. [1, с. 23-24].

Бетонные и железобетонные плотины.

Плотины по конструктивным признаками и условиям статической работы различают:

·                   гравитационные массивные (рис. 1.3.4 а), т.е. плотины, устойчивость которых обеспечивается их собственным весом – горизонтальному сдвигающему гидростатическому давлению воды в данном случае противостоит сила трения (а иногда и сила сцепления), действующая по подошве плотины, которая зависит от веса плотины и коэффициента трения тела плотины по основанию;

·                   контрфорсные (рис. 1.3.4 б), устойчивость которых обеспечивается не только весом самой плотины, но и весом воды в объеме призмы АВС; эти плотины имеют большой уклон верховой грани со стороны верхнего бьефа;

·                   арочные (рис. 1.3.4 в), работающие как свод, «положенный на бок» и упирающийся своими пятами в берега;

·                   гравитационные облегченные, т.е. такие плотины, в которых предпринят ряд конструктивных мер с целью экономии дорогостоящего бетона, разумеется при сохранении необходимой устойчивости сооружения.

Среди наиболее известных бетонных гравитационных плотин на скальном основании следует назвать плотины:

·                    Гранд-Диксанс на р. Диксанс (наибольшая высота – 281 м, Швейцария),

·                    Гувер (Боулдер) на р. Колорадо (наибольшая высота – 222 м, США),

·                    Шаста на р. Сакраменто (наибольшая высота – 184 м, США),

·                    Братская на р. Ангаре (наибольшая высота – 124 м, Россия),

·                    Элефант Бьют на р. Рио-Гранд (наибольшая высота – 94 м, США) и др.

Плотины из грунтовых материалов.

К грунтовым материалам относятся:

·                    нескальные грунты (глинистые, песчаные, крупнообломочные);

·                    естественный камень, получаемый путем разработки скального грунта.

Плотины из грунтовых материалов почти всегда бывают глухими: перелив воды через их гребень допускается только как исключение для плотин малой высоты (при условии принятия соответствующих мер).

Плотины из грунтовых материалов оказываются весьма экономичными конструкциями, если вблизи места строительства имеется соответствующий грунт или камень. Существенным положительным качеством рассматриваемого типа плотин является их долговечность, простота конструкции и производства работ по их осуществлению, в связи с чем для сооружения таких плотин не требуется, в частности, большого количества квалифицированной рабочей силы.

Земляные плотины, являясь древнейшим типом плотин, и в настоящее время имеют самое широкое распространение. Эти плотины можно троить практически на всех основаниях, что является их крупнейшим преимуществом. Среди наиболее известных земляных плотин следует назвать:

·                    Андерсон Рэнч (наибольшая высота – 139 м, США),

·                    Плотина ГАЭС (наибольшая высота – 125 м, Люксембург),

·                    Сер-Понсон (наибольшая высота – 122 м, Франция),

·                    Барири (наибольшая высота – 112 м, Бразилия) и др.

По способам постройки земляные плотины делятся на насыпные, возводимые путем отсыпки грунта в тело плотины (насухо или в непроточную воду) и намывные, возводимые средствами гидромеханизации земляных работ.

Способ постройки плотины существенно влияет на ее конструктивные особенности.

Земляные насыпные плотины по конструктивным признакам принято разделять на следующие основные типы (рис. 1.3.5):

·                   плотины из однородного грунта, т.е. выполненные из одного вида слабоводопроницаемого грунта (рис. 1.3.5 а);

·                   плотины из неоднородного грунта, т.е. выполненные из разных грунтов; часто отдельные грунты в теле плотины располагают так, чтобы водопроницаемость плотины увеличивалась по направлению от верхнего бьефа к нижнему (рис. 1.3.5 б), иногда же наиболее водонепроницаемый грунт помещают в центральной части профиля плотины (рис. 1.3.5 в);

·                   плотины с наружной (верховой) маловодопроницаемой или водонепроницаемой противофильтрационной преградой в виде экрана, выполненного из маловодопроницаемого грунта (рис. 1.3.5 г, е), асфальтобетона, полиэтиленовой пленки и т.п. (рис. 1.3.5 д);

·                   плотины с внутренней (центральной) маловодопроницаемой или водонепроницаемой преградой в виде ядра, образованного маловодопроницаемым грунтом (рис. 1.3.5 ж), или диафрагмы (рис. 1.3.5 з) из негрунтовых материалов – бетона, железобетона, асфальтобетона, полиэтиленовой пленки, металла и т.п.

Деревянные плотины.

Деревянными плотинами называются такие, в которых нагрузка от воды и других факторов воспринимается в основном деревянными конструкциями, а устойчивость против сдвига обеспечивается закреплением деревянных частей в основании, нагрузкой их балластом в виде земли, камня и другими средствами.

Деревянные плотины, как правило, устраивают водопропускными (водосливными); глухие деревянные плотины применяются очень редко, так как они оказываются даже в лесистых местностях дороже глухих земляных или каменно-набросных плотин. Рассматриваемые плотины сооружаются:

·                    главным образом в целях улучшения лесосплава на небольших лесосплавильных реках;

·                    иногда в связи с устройством небольших ГЭС или тех или других интересах сельского хозяйства.

Основной породой дерева в плотиностроении является сосна как наиболее распространенная и стойкая в условиях переменной влажности.

Положительными качествами древесного строительного материала, содействовавшими широкому применению его в плотиностроении, являются: легкость обработки и простота конструкции, упругость, малая чувствительность к колебаниям температуры, хорошая сопротивляемость размывающему действию воды, сравнительная дешевизна.

Недостатком дерева являются: деформативность древесины (усушка, коробление и снижение ее прочности под влиянием влажности); трудность конструирования элементов, работающих на растяжение; сгораемость; подверженность гниению и разрушению вредителями. Последнее обстоятельство наиболее важно, так как до 10-15 лет сокращает срок надежной службы сооружения, хотя при своевременном ремонте верхних частей плотины срок этот может быть доведен до 25 лет и более. В целях борьбы с гниением дерево в соответствующих местах конструкции пропитывается антисептиками.

Плотины из прочих строительных материалов.

Особое место занимают небольшие плотины временного типа, выполняемые или из подручного материала или разборчатые.

К числу первых, в частности, относятся плотины из хвороста, устраиваемые до напоров 2-3 м; плотины, выполняемые из свежесрубленных деревьев с ветвями и листвой (высотой до 5,0 м); габионные плотины, образованные из проволочных (сетчатых) «ящиков», заполненных камнем, называемых габионами (высота достигает 5 метров и более).

Разборчатые плотины используются для производства ремонтных работ на шлюзах, в доках и для создания на небольших водотоках сезонных водохранилищ с целью удовлетворения разнообразных потребностей сельского хозяйства. Раньше такие плотины применялись и для улучшения судоходных условий на реках. [2, с. 23-24].

1.4 Опасность прорыва и затопления

Опасность прорыва плотин.

Создание водохранилищ с площадью водного зеркала более 100 кв. км началось после 1915 г. и стало возможным в результате изменений в технологии земляных и бетонных работ, позволивших возводить крупные и сравнительно дешевые сооружения. Но бум гидротехнического строительства приходится на последние 30-40 лет, когда было построено более 85 % всех существующих в мире плотин. Водохранилища стали неотъемлемой чертой ландшафта многих стран мира, важным элементом их национальной экономики.

Всего в мире построено более 100 тыс. подпорных гидротехнических сооружений, а общая площадь водохранилищ превосходит акваторию десяти Азовских морей. В настоящее время общий объем водохранилищ на Земле составляет 6500 куб. км, что в три раза больше объема пресной воды всех рек.

Конец нашего столетия характеризуется значительными темпами освоения гидроэнергоресурсов и переходом от строительства преимущественно крупных водохранилищ энергетического значения к средним и даже малым. Сегодня не так уж много рек, на которых не было бы хоть одного водохранилища. В России построено и находится в эксплуатации свыше 3 тыс. водохранилищ.

Подпорные гидротехнические сооружения доказали свою надежность и долговечность – многие из них функционируют десятки и даже сотни лет. Особенно надежны в эксплуатации гидросооружения, построенные в последние годы. Однако материалы мировой статистики и события недавних лет свидетельствуют о том, что аварии на гидроузлах возможны, они могут привести к повреждению и разрушению плотин и примыкающих к ним сооружений.

По данным Комитета по авариям и разрушениям Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ), ежегодно в мире происходит более 3 тыс. аварий, нередко с большим материальным ущербом и человеческими жертвами.

Наиболее надежны бетонные плотины. Им примерно в 3 раза уступают каменно-земляные и арочные. Из 55 высоких бетонных плотин, сооруженных на территории бывшего СССР после 1926 г., 7 гидроузлов являются особо крупными, а 41 водохранилище имеет объем более 1 куб. км. Большая часть их функционирует 20-30 лет и более. Это значит, что они входят в период «старения» и нуждаются в особом внимании.

В последнее столетие в мире произошло более 1 тыс. случаев разрушения гидротехнических сооружений. Причинами были факторы не только природного, но и антропогенного характера. К первым относятся экстремальный сток, ледовые явления, нагоны, опасные метеорологические явления (бури, ураганы, ливни, снегопады, смерчи), изменения климата, землетрясения, цунами, оползни, обвалы, снежные лавины и сели, подвижки ледников, вулканические извержения.

Так, при подвижках ледников и перекрытии ими рек и ручьев образуются ледниково-подпрудные озера, которые затем изливаются, формируя мощные волны прорыва. Такое неоднократно происходило в районе ледника Федченко (сток воды увеличился в 10 и более раз, формируя катастрофические наводнения).

Прорыв горного Саргазонского водохранилища объемом 2,7 млн. куб. м и высотой плотины в 23 м в Таджикистане в 1987 г. явился причиной гибели 32 человек и нанес большой материальный ущерб.

Из «обвальных» озер наиболее известно Сарезское на Памире, возникшее в 1911г. вследствие землетрясения 9 баллов. Состояние естественной запруды этого озера, особенно в последние годы, вызывает большие опасения.

Антропогенный фактор заключается, главным образом, в недостаточном гидрологическом и инженерно-геологическом обосновании проектов. К аварии могут привести занижение возможных экстремальных расходов воды и размеров водосбросов, неправильный выбор места и неверная оценка условий для сооружения оснований плотин. Другие причины – износ оборудования, организационно-технические неполадки, некомпетентность и даже халатность эксплуатационного персонала. Достаточно вспомнить аварию 7 августа 1994 г. на плотине Тирлянского водохранилища в бассейне реки Белой в Башкортостане, когда после интенсивных дождей из-за изношенности механизмов не удалось открыть все отверстия берегового водосброса (работало только одно) и вода из переполненного водохранилища устремилась через гребень земляной плотины, которую разрушило в течение нескольких часов (семиметровая волна прорыва снесла пос. Тирлян, погибли 28 человек).

Кроме аварии на реке Белой прорывы плотин, сопровождающиеся человеческими жертвами, огромным материальным ущербом, произошли за последние годы в Свердловской (Кисилевское водохранилище), Калужской (Людовинское водохранилище), Ростовской и Волгоградской областях, в Калмыкии (многочисленные прорывы плотин прудов), на шлюзе Камского гидроузла.

Угроза прорыва плотин возросла также из-за ликвидации некоторых органов управления водным хозяйством, передачи ряда гидротехнических объектов различным собственникам.

Обследование водохранилищ и прудов-накопителей отходов, проведенное совместно с Министерством по чрезвычайным ситуациям в трех областях России, показало, что 12 % водохранилищ и 20 % прудов-накопителей отходов находятся в аварийном или предаварийном состоянии.

Гидротехнические сооружения, как правило, располагаются в черте или выше крупных населенных пунктов, и в случае аварии представляют большую опасность для населения и хозяйственных объектов. Так, в случае прорыва плотины в г. Пензе в зоне затопления может оказаться 75 тыс. человек, в г. Челябинск – 170 тыс. человек, а в случае прорыва плотины Волжского каскада – несколько миллионов человек. Между тем, сохраняется тенденция застройки нижних бьефов плотин в зонах возможного затопления.

Тревожная ситуация сложилась в 1998 г. в ряде регионов России. Небывалым оказалось весеннее наводнение в Краснодарском крае, причинами которого явились не только повышенные зимние осадки и раннее снеготаяние, но и бесконтрольное, без соответствующего инженерного обоснования массовое сооружение небольших прудов, плотин, запруд. Все эти емкости не были «сработаны» к весне новыми хозяевами с тем, чтобы задержать часть паводочных вод.

Опасными были половодья на Северной Двине, Мезени, Печоре, Урале, реках Волжского бассейна, Кольского полуострова. А города Великий Устюг, Ленск, Якутск в мае 1998 г. затопило почти полностью. [1, c. 1-3].

Возросшая опасность повреждения и разрушения хозяйственных объектов, в том числе гидротехнических сооружений, вследствие воздействия стихийных и антропогенных факторов заставила человеческое сообщество обратить особое внимание на проблему их безопасности и объединить усилия в деле защиты от стихийных и других бедствий.

В 1987 г. Генеральная ассамблея ООН объявила о проведении международного десятилетия по уменьшению опасности стихийных бедствий. При этом особое внимание уделяется проблеме безопасности плотин. Этим вопросам были посвящены два Конгресса Международной Комиссии по большим плотинам, а в сентябре 1992 г. Комиссия организовала симпозиум «Плотины и экстремальные паводки», уделивший проблеме изучения причин прорыва больших плотин серьезное внимание. [8, с. 67-68].

Ликвидация последствий повреждения подпорных гидротехнических сооружений требует больших материальных затрат и времени. Но невосполнимы людские потери и опасны морально-психологические травмы. Поэтому усилия должны быть направлены на предвидение, предупреждение и прогноз последствий возможных аварийных ситуаций на гидроузлах. [9, с. 36-37]

Использование гидротехнических сооружений в ходе военных действий.

В 1938 г. во время войны с Китаем японские войска захватили столицу провинции Хэнань – г. Кайфын и были готовы к дальнейшему наступлению. Тогда китайцы разрушили одну из дамб, сооруженных на крупнейшей в стране реке Хуанхэ. Вода устремилась по старому руслу на юго-восток и быстро затопила обширную территорию, нанеся большой урон врагу. При этом, правда, погибли и 16 млн. своих же китайцев.

В 1944 г. немецкие самолеты уничтожили в Голландии дамбы, ограждавшие сушу от моря. В результате значительная часть территории этой страны оказалась затопленной морскими водами.

Еще один пример. Во время войны с Ираном Ирак начал сооружать дамбу и канал для перехвата воды из иранской реки с целью устранить мешающую военным действиям водную преграду. При этом преследовалась также цель обезводить один из районов Ирана с засушливым климатом и использовать воды реки для орошения земель в Ираке.

В ходе военных действий или террористического акта «искусственное» наводнение может быть вызвано и преднамеренным характером попуска вод. Такой прием был использован финнами на Карельском перешейке в советско-финляндскую войну, затопившими местность и превратившими ее в труднопреодолимую полосу для наступающих войск Красной армии. В Великую Отечественную войну и наши войска при обороне Москвы зимой 1941 г. затопили местность водами из Истринского водохранилища.

Крупные гидроузлы во время военных действий в стратегических целях разрушались специально. Наиболее известный пример – разрушение Днепрогэса.

В последние годы угрозу нормальному функционированию гидроузлов создают военные действия и террористические акты в зонах этно-социальных конфликтов. Например, существовала реальная опасность разрушения Дубоссарской ГЭС в период конфликта в Приднестровье, когда во время ракетно-артиллерийского обстрела была повреждена турбина ГЭС и создалась угроза затопления 60 населенных пунктов левобережья Днестра. Известна также попытка захвата оппозиционными силами Нурекской ГЭС в Таджикистане.

Сооружение гидротехнических объектов на реках может воздействовать на изменение направления, скорости течения и привести к изменению береговой линии или фарватера, который обычно является пограничной линией, разделяющей соседние государства. Изменение фарватера в ту или иную сторону вызывает искусственную подвижку границы, что имело место на некоторых рукавах Амура на границе России с Китаем. Известна также «война дамб» между Китаем и Вьетнамом на пограничной реке Думно, приведшая в 1979 г. к вооруженному конфликту. [1, c. 3].

Затопления местности, вызванные авариями на гидротехнических сооружениях.

К основным гидротехническим сооружениям, разрушение которых приводит к гидродинамическим авариям, относятся плотины, водозаборные и водосборные сооружения (шлюзы). Катастрофическое затопление, являющееся следствием гидродинамической аварии, заключается в стремительном затоплении местности волной прорыва. Масштабы последствий гидродинамических аварий зависят от параметров и технического состояния гидроузла, характера и степени разрушения плотины, объемов запасов воды в водохранилище, характеристик волны прорыва и катастрофического наводнения, рельефа местности, сезона и времени суток происшествия и многих других факторов. Особенно большие потери населению и значительный ущерб народному хозяйству может быть причинен при каскадном расположении гидроузлов, так как в результате разрушения вышележащего гидроузла образующаяся волна будет приводить к разрушению плотин гидроузлов, расположенных ниже по течению реки.

Прорыв гидротехнических сооружений может произойти из-за воздействия сил природы (землетрясения, урагана, обвала, оползня и т.п.), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания плотины и т.д., а в военное время – как результат воздействия по ним средств поражения.

Однако, как правило, такие наводнения возникают из-за несвоевременного опорожнения малых водохранилищ, неготовности водоприемников, захламления русел, особенно у мостовых переходов. Из 300 аварий плотин в различных странах за период с 1902 г. по 1977 г. в 35 % случаев причиной аварии было превышение расчетного максимального сбросного расхода, т.е. перелив воды через гребень плотины. Образующаяся при этом волна имеет большую высоту и скорость движения. Для равнинных районов скорость такой волны колеблется в пределах 3..25 км/ч, а для горных и предгорных районов достигает величины порядка 100 км/ч.

Этот тип наводнений близок по своему характеру к наводнениям, вызванным выходом рек из своих берегов из-за продолжительных и сильных дождей (паводкам). Отличия заключаются в большей скорости распространения наводнения, а следовательно более сжатых сроках затопления территорий и внезапности, что влечет за собой разрушение мостов, дорог, зданий, а также гибель людей и скота.

Плотины и дамбы являются гидротехническими сооружениями напорного фронта, создающими разницу уровней воды.

В зависимости от времени опорожнения водохранилищ различают два вида речного стока: волну попуска (образуется при медленном опорожнении водохранилища) и волну прорыва (образуется при быстром или мгновенном опорожнении водохранилища).

Гидротехнические сооружения напорного фронта являются гидродинамически опасными объектами (ГОО).

При прорыве ГОО образуется проран, через который происходит излив воды из верхнего бьефа в нижний и образование волны прорыва. Волна прорыва – основной поражающий фактор этого вида аварий. Воздействие волны прорыва на объекты подобно воздействию воздушной ударной волны взрыва, но отличается от него тем, что действующим телом в этом случае является вода.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются: волна прорыва (высота волны, скорость движения) и длительность затопления.

Волна прорыва – волна, образующаяся во фронте устремляющегося в пролом потока воды, имеющая, как правило, значительную высоту гребня и скорость движения и обладающая большой разрушительной силой.

Волна прорыва, с гидравлической точки зрения, является волной перемещения, которая, в отличие от ветровых волн, возникающих на поверхностях больших водоемов, обладает способностью переносить в направлении своего движения значительные массы воды. Поэтому волну прорыва следует рассматривать как определенную массу воды, движущуюся вниз по реке и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость.

Продольный разрез такой сформировавшейся волны показан на рис. 1.4.1.

h - бытовой уровень воды в реке; HB - высота волны; Н - высота потока

Рис. 1.4.1. Схематический продольный разрез волны прорыва

Волна прорыва (попуска) по своей физической сущности представляет собой неустановившееся движение потока воды, который, как уже было сказано выше, в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры (см. рис. 1.4.2). Она имеет фазы подъема уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсивного подъема уровня воды называется фронтом волны прорыва. Фронт волны прорыва может быть крутым при перемещении волны прорыва по участкам русла, близким к разрушенному ГОО, и относительно пологим – на значительном удалении от него.

Вслед за фронтом волны прорыва высота ее начинает интенсивно возрастать, достигая через некоторый промежуток времени максимума, называемого гребнем волны прорыва, который движется, как правило, медленнее ее фронта. В результате подъема волны происходит затопление поймы и прибрежных участков местности.

Площадь и глубина затопления зависят от параметров волны прорыва и топографических условий местности. После прекращения подъема наступает более или менее длительный период движения потока, близкий к установившемуся. Этот период тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней воды. Хвост волны (конец волны) двигается еще медленнее, чем ее гребень.

Вследствие различия скоростей трех характерных точек (фронта, гребня и хвоста) волна постепенно «распластывается» по длине реки, уменьшая свою высоту и увеличивая длительность прохождения в очередном створе.

После прохождения волны прорыва русло реки обычно сильно деформируется вследствие большой скорости течения воды в волне прорыва.

Разрушительное действие волны прорыва является результатом резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах при разрушении напорного фронта и образования потока, перемещающегося с большой скоростью, изменения под его воздействием прочностных характеристик грунта.

Основные оценочные параметры волны прорыва (попуска):

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

·                    скорость движения Сфр, Сгр, Схв и времена добегания tфр, tгр, tхв характерных точек волны прорыва до различных створов, расположенных ниже гидроузла;

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

·                    средние Vср и поверхностные Vпов скорости течения в различных створах;

·                    наибольшая ширина В затопления речной долины.

Масштабы чрезвычайных ситуаций при аварии на ГОО, сопровождающиеся образованием волны прорыва, зависят от типа и класса гидротехнического сооружения напорного фронта, от вида аварии (главным образом от размеров прорана), от параметров водохранилища и плотины (дамбы), от характеристик русла в нижнем бьефе, а также от топографических и гидрографических условий местности, подвергаемой затоплению. Поэтому прогнозирование возможного масштаба такой чрезвычайной ситуации должно осуществляться еще на стадии проектирования ГОО.

Так, например, от прорыва плотины Череповецкой ГЭС на реке Шексне (Вологодская область) возможно образование трех зон катастрофического затопления с общей площадью 0,5 тыс. кв. км, в которые попадают один город (Череповец - частично), один поселок городского типа (Шексна – частично), один сельский населенный пункт с проживающим в них населением общей численностью 3,6 тыс. человек.

Чрезвычайные ситуации, возникающие в результате разрушения сооружений напорного фронта и характеризующиеся основным поражающим фактором – волной прорыва и, соответственно, катастрофическим затоплением местности, нередко сопровождаются вторичными поражающими факторами:

·                    пожарами – вследствие обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов;

·                    оползнями, обвалами – вследствие размыва грунта;

·                    инфекционными заболеваниями – вследствие загрязнения питьевой воды, продуктов питания и др.

Причины аварий, сопровождающихся прорывом гидротехнических сооружений напорного фронта и образованием волны прорыва, могут быть различны, как говорилось выше, но чаще всего такие аварии происходят по причине разрушения основания сооружения и недостаточности водосбросов. Процентное соотношение различных их причин приведено в таблице 1.4.1.

Таблица 1.4.1.

Частота различных причин аварий гидротехнических сооружений, сопровождающихся образованием волны прорыва

Процентное соотношение аварий для различных типов плотин представлено в таблице 1.4.2.

Таблица 1.4.2.

Частота аварий для различных типов плотин

Основной причиной прорыва естественных плотин, образованных при образовании запруд в речном русле обрушившимися массами горных пород (при землетрясениях, обвалах, оползнях), либо массами льда (при движении ледников), является их перелив через гребень такой плотины и размыв ее.

Устойчивость и прочность гидротехнических сооружений напорного фронта задается по максимальным расчетным значениям уровня воды, скорости ветра, высоты волны, определяемым в соответствии со СниП 2.01.14-88.

Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений осуществляется в соответствии с общими требованиями Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений», принятого Государственной Думой 23 июня 1997 года:

·                    обеспечение допустимого уровня риска аварий гидротехнических сооружений;

·                    представление деклараций безопасности гидротехнических сооружений;

·                    разрешительный порядок осуществления деятельности, указанной в статье 12 настоящего Федерального закона;

·                    непрерывность эксплуатации гидротехнических сооружений;

·                    осуществление мер по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений, в том числе установление критериев их безопасности, оснащение гидротехнических сооружений техническими средствами в целях постоянного контроля за состоянием, обеспечение необходимой квалификации работников, обслуживающих гидротехническое сооружение;

·                    необходимость заблаговременного проведения комплекса мероприятий по максимальному уменьшению риска возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях;

·                    достаточное финансирование мероприятий по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений;

·                    ответственность за действия (бездействие), которые повлекли за собой снижение безопасности гидротехнических сооружений ниже допустимого уровня. [10, с. 24-32].

Аварийный сброс водохранилища.

При опорожнении водохранилища прежде всего активизируются экзогенные процессы, имевшие место до и после заполнения водохранилища, а также при его эксплуатации. Спуск водохранилища и отступание уреза воды вызовут оживление оползней, обвалов, осыпей. Возможно даже возникновение пыльных бурь на обнажающихся склонах.

Ученые все больше внимания в последние годы обращают на последствия паводочных сбросов и сбросов воды через плотины в чрезвычайных ситуациях – не исключена активизация эндогенных процессов. Так, мощные сбросы воды в нижний бьеф могут спровоцировать «местные» землетрясения силой 1-2 балла.

Спуск водохранилища вызовет также образование мелководных застойных зон, которые опасны как источники неблагоприятных бактериологических ситуаций.

Последствия повреждения плотин для верхних бьефов гидроузлов сходны с последствиями искусственного сброса воды. В этом случае существенными могут быть не прямые, а косвенные потери, связанные с нарушениями водоснабжения и электроснабжения, водных путей, вынужденной переориентацией энергоемких производств. Но главные беды будут связаны с поступлением в нижний бьеф загрязненных вод, с необходимостью очистки ложа водохранилища от различных отложений, содержащих токсичные соединения, тяжелые металлы, пестициды, нефть и другие виды органических веществ, накапливающихся на дне. При этом отложения сорбируют токсические вещества до уровней, намного превышающих содержание их в водной толще. [1, с. 6-7].

Основные параметры оценки последствий разрушения гидроузлов в нижнем бьефе.

Наряду с расчетами последствий разрушения плотин, выполненными НИИ «Гидропроект», в лаборатории гидрологии Института географии РАН были разработаны основные методические подходы к расчету параметров волны прорыва, ее картографированию и оценке последствий. Благодаря разработанным критериям остроты ситуации установлены зоны различной степени опасности последствий разрушительного воздействия волны прорыва. Они ранжировались следующим образом: катастрофические, значительные, ощутимые и незначительные. Каждая из названных градаций характеризуется конкретными параметрами волны прорыва и, соответственно, разными последствиями (таблица 1.4.3). Сочетание значений критериев остроты, определяющих ситуации в нижних бьефах поврежденных гидроузлов, может быть различным и зависит в первую очередь от уклонов, геоморфологических особенностей долины, величины прорана, времени года (половодье на реке или межень). [1, с. 3-4].

Таблица 1.4.3.

Основные параметры оценки последствий разрушения гидроузлов в нижнем бьефе

Влияние на обстановку в населенных пунктах и повреждения, возникающие в результате воздействия.

Обстановка в населенных пунктах существенно зависит от морально-психологического состояния населения, а также инженерной обстановки. На морально-психологическое состояние населения влияют степень и сроки оповещения, уровень заблаговременной подготовки населения к действиям в случае прорыва плотины или наводнения, время года и суток, скорость и высота волны прорыва, скорость подъема воды и другие факторы.

Если заблаговременная подготовка не проводилась, то возникает паника, неорганизованное отступление и бегство от стихии, которые приводят к заторам и пробкам на путях эвакуации, дополнительным жертвам даже в результате образовавшейся давки. Усугубляют эту обстановку холодная, ненастная погода и темное время суток.

При заблаговременном оповещении и подготовке населения идет оперативная организованная эвакуация населения и материальных ценностей, мобилизуются органы управления и спасательные команды с техникой.

Оценка обстановки складывается из оценки параметров волны прорыва или возникающего в результате прорыва плотины наводнения и их влияния на здания, сооружения, почву, систему жизнеобеспечения.

Воздействие волны прорыва и возникающего в результате этого резкого подъема воды на населенный пункт может быть следующим:

·        гидродинамический удар, воздействующий на здания и сооружения и приводящий к их разрушению;

·        затопление водой жилищ, промышленных и сельскохозяйственных объектов, полей с выращенным урожаем, гибель скота;

·        потеря капитальности зданий и сооружений;

·        повреждение и порча оборудования предприятий;

·        разрушение гидротехнических сооружений и коммуникаций, расположенных ниже разрушенного гидроузла;

·        длительное гидравлическое давление на элементы мостов (опоры и т. п.);

·        затопление и разрушение дорог и др. [11, с. 71-79]

Статистика и причины аварий плотин.

Из достоверно известных 40 веков испытания человечеством водных ресурсов на Земле, ХХ век можно считать периодом наиболее активного освоения пресных вод, в течение которого из 37,3 тыс. куб. км годового объёма стока рек в мире оказались зарегулированными около 6 тыс. куб. км. При росте населения Земли за период с 1,65 млрд. человек в 1900 г. до 5,2 млрд. человек в 1990 г. в ряде регионов Земного шара водные ресурсы оказались на пределе испытания, возникала серьёзная озабоченность состояния окружающей среды.

Регулирование 6 тыс. куб. км объёма воды речного стока потребовало возведения 36 235 высоких плотин всех типов, тогда как на начало ХХ века насчитывалось порядка 1000 плотин. Возведение ГТС, как правило, в густо населённых районах всегда выдвигало ряд проблем, важнейшей из которых являлось обеспечение надёжности сооружений и безопасности населения на участке его расположения. Безопасность плотин беспокоила уже первых гидростроителей древности: почти 5 тыс. лет назад при создании водохранилища для водоснабжения столицы Египта г. Мемфиса проблемы безопасности плотины были важнейшими, а успешная эксплуатация сооружения на протяжении последних двух тысячелетий служит примером обеспечения долговечности плотин и сегодня.

По данным Международной комиссии по большим плотинам, из 36 235 плотин, эксплуатируемых в странах – членов СИГБ (Международная комиссия по большим плотинам – Society International grand barrage) на 1105 из них были отмечены аварии. Стоимость ремонта одной только арочной плотины Кельнбрайн в Австрии в 1985-1991 гг. составила 191 млн. долларов.

На территории бывшего СССР эксплуатируется более 2500 водохранилищ объёмом более 1 млн. куб. м. Проблема обеспечения безопасности плотин, как показали аварии Киселёвской и Тирлянской плотин в 1993-1994 гг., весьма актуальна.

Из 36,2 тыс. существующих высоких плотин, эксплуатируемых в настоящее время, 6,3 тыс. являются бетонными или каменными, 29,9 тыс. – грунтовыми. Из указанных выше 1105 аварий число аварий бетонных плотин составляет – 380, грунтовых – 664. Анализ отказов показывает, что надёжность этих типов сооружений различна и зависит от безотказной работы отдельных подсистем. Для грунтовых плотин наибольшее число отказов связано с фильтрационными проблемами в теле и основании плотины при чрезвычайных паводках. Для бетонных плотин отказы вызваны преимущественно проблемами оснований. Расчётные нагрузки на плотины этого типа также различны.

Поскольку статистика отказов представляет интерес не только с целью оценки значимости отдельных факторов, но и для установления физических причин разрушений и повреждений, рассмотрим надёжность одного из указанных типов плотин – бетонных на скальных основаниях. Для ответа на вопрос, вызвано ли большинство аварий плотин чрезвычайными внешними воздействиями, не учтёнными при проектировании сооружения, или недооценкой его свойств под нагрузкой, рассмотрим взаимодействие подсистем «плотина» и «основание» в системе «сооружение – внешняя среда» (рис. 1.4.3) при отказах. Такое изучение может заключаться в анализе данных нормально эксплуатируемых сооружений или сооружений, претерпевших аварию.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5