Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях Павловской ГЭС

Максимальный напор на плотину – 35 м.

Отметки гребня – 143,0-144,5.

Противофильтрационные устройства:

·                                      ядро по оси плотины;

·                                      над ядром возведена буробетонная стенка;

·                                      двухрядная цементационная завеса в основании.

Левобережная плотина насыпная, укатанная, из местных материалов (суглинки).

Длина по гребню – 397,0 м.

Ширина по гребню: от 8,0 м до 40 м (в примыканиях к зданию ГЭС).

Ширина по подошве – 250 м.

Наибольшая высота – 46,0 м.

Максимальный напор на плотину – 35 м.

Отметки гребня – 143,0-144,5.

Противофильтрационные устройства: цементационная завеса, смещенная от оси плотины в сторону НБ на 5,1 м.

Дренажные устройства: в основании лоток с выпуском воды в отводящий канал. [13, с. 14-16].

Здание ГЭС.

Здание электростанции разделено на две секции, в каждой из которых расположено по два гидроагрегата и два водосливных пролета.

Надводная часть здания выполнена из железобетона с машинным залом гидроэлектростанции. Основные размеры надводной части, м:

·                    длина – 120,0

·                    ширина по верху – 30,0, по низу – 67,0

·                    высота – 40,0.

В щитовом отделении верхнего бьефа размещены пазы сороудерживающих решеток.

Подводная часть здания выполнена из железобетона и конструктивно представляет собой монолитную фундаментную плиту. В фундаментной плите располагается 3 потерны (цементационная, водоприемная, служебная) и 4 отсасывающие трубы.

Противофильтрационные устройства: понур перед зданием ГЭС – железобетонная плита длиной 16 м, цементационная завеса глубиной 56 м.

Основные размеры подводной части, м:

·                    длина – 123,0

·                    ширина – 67,0

·                    высота – 13,5.

Здание гидроэлектростанции сопрягается в верхнем бьефе гидроузла с левобережной грунтовой плотиной. Грузоподъемное оборудование для обслуживания механического оборудования здания ГЭС со стороны верхнего бьефа – 2 крана (150 т), со стороны нижнего бьефа – 1 кран (150 т).

Подводящий канал ограничен левобережной подпорной стенкой пирсом шлюза. Длина – 80 м, ширина – 79 м.

Отводящий канал.

Отметки уровней НБ:

-            наивысшего – 114,80 при Q=5250 куб. м / с;

-            наинизшего – 106,75 при Q=160 куб. м / с.

Канал общей длиной 300 м, состоит из 2-х участков: 100 м первый и 200 м второй.

Судоходный шлюз-водосброс.

Шлюз – водосброс, шахтного типа, находящийся на балансе Павловского района гидросооружений может служить, как для целей судоходства, так и для пропуска катастрофического паводка.

Число камер – 1.

Размеры камеры:

длина – 120 м;

ширина – 15 м.

Строительная высота – 44,5 м.

Глубина воды на короле – 1,75 м.

Система питания – через продольные галереи с поперечными выпусками.

Объем воды сливной призмы – 57 600 куб. м.

Пропускная способность при пропуске катастрофического паводка – 1410 куб. м/с.

Правая стенка камеры шлюза является упором русловой плотины, левая – общая со зданием ГЭС. Оборудование по маневрированию затворами со стороны ВБ и НБ находится в помещениях нижней и верхней голов шлюза.

В настоящее время однокамерный шлюз Павловского гидроузла является самым высоконапорным (32,9 м) в Российской Федерации. [13, с. 11-19].

Сведения о границах и размерах территории Павловской ГЭС, границах запретных и санитарно-защитных зон.

Длина напорного фронта гидротехнических сооружений Павловской ГЭС составляет 810 км. Подпор от Павловского гидроузла распространяется по водохранилищу на 150 км.

Запретной зоной Павловской ГЭС, которая огорожена и охраняется, является вся территория комплекса гидротехнического узла.

В соответствии с «Положением о водоохранных зонах водных объектов и их прибрежных защитных полосах», утвержденным Постановлением Правительства РФ от 23 ноября 1996 г №1404, минимальная ширина водоохранной зоны

·        реки Уфы на участке расположения гидроузла, составляет 300 м;

·        Павловского водохранилища составляет 55 – 100 м (в зависимости от крутизны склонов бортов водохранилища и вида угодий).

По Акту отвода земель №93 утвержденному Постановлением главы администрации Нуримановского района от 07.03.95 Дирекции Павловской ГЭС предоставлено в пользование

·        18,0 га земли под территории станционного узла с хоздвором и здания управления;

·        1184 га – площадь водного фонда;

·        9,08 га – под базу отдыха «Бирючево поле»;

·        площади производственного фонда (2,66 га) в поселке Павловка;

·        площади ведомственного фонда (120,8 га) в поселке Павловка. [13, с. 17-19].

3. Уязвимые места ГТС Павловской ГЭС

3.1 Краткая характеристика основных положений проекта гидротехнических сооружений

Проектирование ГТС выполнялось исходя из требований комплексного использования водных ресурсов. Выбор типа сооружений и компоновка гидроузла были произведены на основании технико-экономических показателей, разработанных с учетом:

·                    природных условий района и места возведения сооружений (инженерно-геологических, топографических, гидрогеологических и других факторов окружающей среды);

·                    перспективного развития энергопотребления;

·                    изменения условий рыбного хозяйства и судоходства;

·                    требований санитарной подготовки и санитарной охраны зоны водохранилищ;

·                    условий производства работ, временной и постоянной эксплуатации ГТС и т.д.

При проектировании гидроузла Павловской ГЭС выбирался вариант из 4-х основных компоновочных решений:

1.            Левобережная компоновка с водосливной ГЭС в русле реки и пятиступенчатым шлюзом.

2.            Пойменная компоновка с водосливной ГЭС на надпойменной террасе и пятиступенчатым шлюзом.

3.            Левобережная компоновка с водосливной ГЭС в русле реки и одноступенчатым шлюзом.

4.            Пойменная компоновка с водосливной ГЭС на надпойменной террасе и одноступенчатым шахтным шлюзом.

Наиболее экономичным по условиям производства работ был признан 4-й вариант компоновочного решения, который представлен в следующем виде:

·                    здание ГЭС совмещенное с водосливом расположено на надпойменной террасе реки Уфа в 20 м от старого русла;

·                    с левой стороны к нему примыкает монтажный блок ГЭС и справа – однокамерный шлюз;

·                    напорный фронт сооружений в левом плече завершается левобережной насыпной плотиной, а в русловой части - намывной плотиной.

Окончательная компоновка гидроузла была проверена лабораторией ВОДГЕО на жесткой модели на открытой площадке в масштабе 1:100, включающей в себя все элементы гидросооружений, а также русло и пойму реки на участке 2-5 км в районе створа.

Гидростатическое давление на плотину и давление волн учитывалось по ГОСТ 3255-46.

Давление фильтрационных вод определялось по методу, изложенному в приложении №7 к Техническим Условиям 24-104-40 Главгидроэнергостроя.

Сейсмические силы при расчёте не учитывались.

Статическое давление льда на сооружения – по ГОСТ 1664-42.

Ветровое давление – по ГОСТ 1664-42.

Нагрузки от судов – по ГОСТ 3439-46.

Расчёт общей устойчивости производился на следующие случаи работы:

-                      на опрокидывание;

-                      на сдвиг по основанию;

-                      на сдвиг по криволинейным плоскостям (глубокий сдвиг);

-                      на устойчивость грунта в основании;

-                      на осадку основания.

Общая устойчивость проверялась на чрезвычайные (катастрофические) условия эксплуатации. Исследовался случай наиболее невыгодной комбинации сил и нагрузок.

Применялись следующие коэффициенты запаса для сооружений 2-го класса:

-                      в нормальных эксплуатационных условиях –1,40;

-                      для строительного случая – 1,20;

-                      для чрезвычайных (катастрофических) условий эксплуатации – 1,10.

Гидравлические характеристики водосбросных сооружений приняты по результатам лабораторных исследований на модели гидроузла масштаба 1:100 и отдельных сооружений в масштабе 1:65. [13, с. 20-23].

3.2 Обоснование о включении Павловского гидроузла в перечень объектов электроэнергетики, на которые распространяются требования Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений»

Павловский гидроузел был запроектирован и построен в целях комплексного использования водных ресурсов реки Уфы, с учетом перспективного развития энергопотребления, водоснабжения и судоходства.

В комплекс Павловского гидроузла входят водоподпорные, водопроводящие, судоходные и другие сооружения (см. раздел 2 «Описание предприятия»), повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций, поскольку от их надежности зависит не только работа Павловской ГЭС, но и функционирование хозяйственных и промышленных объектов региона.

Ниже створа водоподпорных сооружений головного узла, в 5-10 км от створа расположены населенные пункты Красный Ключ, Нижняя Павловка, Яман-Елгинский ЛПХ, Кировка.

Учитывая вышеизложенное и во исполнение требований Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений», Павловская ГЭС была включена в перечень объектов электроэнергетики, подлежащих декларированию безопасности в 1998 году (см. совместный приказ Минтопэнерго России и МЧС России от 31 декабря 1997 г. №461/792).

Сведения о возможных материальных, социальных и экологических последствиях аварии ГТС для объектов жизнеобеспечения и хозяйственных объектов, об уровне освоения зоны расположения гидротехнических сооружений (использование территории гидротехнического сооружения и русла водотока в хозяйственных целях, наличие промышленной и гражданской застройки, затапливаемой в нижнем бьефе при образовании волны прорыва) являются секретными и имеются в ОАО «Башкирэнерго». [13, с. 30-31].

3.3 Характеристика факторов, определяющих уровень безопасности гидротехнических сооружений

Фактические условия эксплуатации ГТС удовлетворяют требованиям действующих норм и правил.

В соответствии с картами оценки сейсмического районирования (ОСР – 97), применяемым с 1998 года в качестве НТД, для района расположения Павловской ГЭС, подтверждена сейсмическая активность 5 баллов.

Селевой и оползневой опасности, в том числе опасности обрушения береговых склонов в водохранилище не имеется.

За весь период эксплуатации Павловского гидроузла максимальный расход паводка отмечался 7 мая 1979 г. и составил 4800 куб. м/сек. При этом величина приточности с большим запасом не превышала расчетные максимальные расходы обеспеченностью Р=0,1% - 8200 куб. м/сек и Р=1% - 6140 куб. м/сек.

Изменений расчетных значений механических и фильтрационных характеристик материалов сооружений и конструкций, а также свойств пород оснований не имеется.

Павловская ГЭС находится в эксплуатации свыше 40 лет. За этот период случаев аварий на ГТС зарегистрировано не было, что свидетельствует о достаточной степени надежности сооружений и приемлемых условиях эксплуатации на всех этапах деятельности структурных образований.

Показатели состояния гидротехнических сооружений соответствуют критериям безопасности, установленным для сооружений Павловской ГЭС.

Водопропускные сооружения гидроузла полностью обеспечивают пропуск паводковых расходов расчетной обеспеченности.

Гидротехнические сооружения и их механическое оборудование в целом находятся в работоспособном состоянии.

Фильтрационный режим сооружений, согласно визуальным и инструментальным наблюдениям, носит в целом установившийся характер. [13, с. 38-41].

3.4 Сведения о нарушениях, допущенных в процессе строительства и эксплуатации ГТС

Проектные решения сооружений можно считать удачными, но отступления от них при строительстве сделали эксплуатацию затруднительной в связи с необходимостью проведения значительных реконструктивных и ремонтных работ для повышения надежности сооружений.

Строительство Павловской ГЭС осуществлялось в установленном порядке, в соответствии с проектом Мосгидэпа – генерального проектировщика гидроузла. К наиболее серьезным нарушениям, зарегистрированным при строительстве гидроузла, относятся отступления от проекта, допущенные при возведении русловой плотины:

·                   не удален аллювий (толщиной до 2-х м) под основанием плотины и плотина намыта на фильтрующее основание;

·                   не выполнен бетонный зуб, перекрывающий аллювиальный слой и и сопрягающий цементационную завесу с ядром плотины;

·                   не выдержаны размеры и состав ядра плотины, нет четкой границы между ядром и боковыми призмами: выше отметки 137, 00 возведение плотины продолжалось сухой отсыпкой негабаритным камнем, щебнем, гравийно-галечной смесью;

·                   намыв между отметками 126, 00 и 132, 00 проводился в зимнее время и выполнен некачественно;

·                   искажены проектные очертания откосов плотины, низовой откос недосыпан.

Кроме того,

ü          Не оформлена рисберма отводящего канала.

ü          Не укреплен левый берег отводящего канала.

ü          Перед затоплением котлована не разобрана низовая перемычка.

В соответствии с уточненным сейсмическим районированием основные сооружения Павловской ГЭС попадают в зону пятибалльного землетрясения, проект был выполнен без учета сейсмического воздействия.

В средней части русловой грунтовой плотины на отметке 110, 00 отмечается ряд сосредоточенных выходов фильтрационных вод.

В процессе эксплуатации имели место отдельные случаи нарушений (см. раздел 5 «Сценарии возможных аварий»). [13, с. 29, 39-41].

4. Сейсмоустойчивость ГТС

Район расположения гидротехнических сооружений Павловской ГЭС отнесен к зоне пятибалльного землетрясения в соответствии с уточненным сейсмическим районированием. Поскольку основные сооружения Павловской ГЭС построены без учета сейсмического воздействия на них, а также учитывая тот факт, что при мощном сбросе воды из водохранилища в нижний бьеф существует возможность спровоцировать «местные» землетрясения силой 1-2 балла, необходимо рассмотреть сейсмоустойчивость ГТС.

4.1 Воздействие землетрясения на поверхность земли и некоторые инженерные сооружения

Общее действие землетрясений различной степени балльности на поверхность земли и некоторые инженерные сооружения следующее:

6 баллов. В немногих случаях оползни, на сырых грунтах возможны видимые трещины шириной до 1 см, в горных районах отдельные случаи оползней. Возможны изменения дебита источников и уровня воды в колодцах.

7 баллов. В отдельных случаях оползни проезжей части дорог на крутых склонах и трещины на дорогах. Нарушения стыков трубопроводов. В отдельных случаях изменения дебита источников и уровня воды в колодцах. В немногих случаях возникают новые или пропадают существующие источники воды. Отдельные случаи оползней на песчаных или гравелистых берегах рек.

8 баллов. Небольшие оползни на крутых откосах выемок и насыпей дорог, трещины в грунтах достигают нескольких сантиметров. Возможно возникновение новых водоемов. Во многих случаях изменяется дебит источников и уровень воды в колодцах. Иногда пересохшие колодцы наполняются водой или существующие иссякают.

9 баллов. Значительные повреждения берегов искусственных водоемов, разрывы частей подземных трубопроводов. В отдельных случаях – искривление рельсов и повреждение проезжих частей дорог. На равнинах наводнения: часто заметны наносы песка и ила. Трещины в грунтах достигают 10 см, а по склонам и берегам – свыше 10 см. Кроме того, большое количество тонких трещин в грунтах. Частые оползни грунтов, обвала горных пород. На поверхности воды большие волны.

10 баллов. Опасные повреждения плотин и дамб. Серьезные повреждения мостов. Искривление железнодорожных рельсов. Разрывы или искривления подземных трубопроводов. Дорожные покрытия и асфальт образуют волнообразную поверхность.

Трещины в грунте шириной несколько десятков сантиметров и в некоторых случаях до одного метра. Параллельно руслам водных потоков появляются широкие разрывы. Осыпание рыхлых пород с крутых склонов. Возможны большие оползни на берегах рек и крутых морских побережьях. В прибрежных районах перемещаются песчаные и илистые массы. Выплескивание воды в каналах, озерах, реках. Возникновение новых озер.

11 баллов. Серьезные повреждения мостов, плотин и железнодорожных путей. Шоссейные дороги приходят в негодность. Разрушение подземных трубопроводов.

Значительные деформации почвы в виде широких трещин, разрывов и перемещений в вертикальном и горизонтальном направлениях. Многочисленные горные обвалы.

12 баллов. Изменение рельефа местности. Сильное повреждение или разрушение практически всех наземных и подземных сооружений. Радикальное изменение земной поверхности. Наблюдаются значительные трещины в грунтах с обширными вертикальными и горизонтальными перемещениями. Горные обвалы и обвалы берегов рек на больших площадях. Возникают озера, а иногда и водопады. Изменяются русла рек.

При землетрясениях интенсивностью 8 и более баллов возможно возникновение пожаров, поскольку разрушаются печи, падают бытовые нагревательные приборы и происходит замыкание электропроводки. Особенно опасно образование искр от ударов или коротких замыканий в нефте- и газохранилищах.

Вторичные пожары возникают в результате повышенной плотности застройки городов, нарушения или отсутствия системы тушения пожаров, большого количества сгораемых материалов в конструкциях зданий, паники населения и неблагоприятной погоды.

Риск массовых пожаров может быть значительно снижен при заблаговременном оборудовании на объектах резервуаров с водой и современных насосных установок с электропитанием от передвижных электростанций. За рубежом практикуется применение резервуаров с водой под улицами вблизи пожароопасных объектов.

Количество вторичных пожаров при высокой плотности застройки города сгораемыми зданиями может во много раз повысить число первичных пожаров. При этом убытки от пожаров могут намного превысить убытки от механических повреждений и разрушений. [11, с. 24-26]

4.2 Наиболее распространенный характер повреждений плотин из грунтовых материалов при воздействии землетрясения

Наиболее характерный и распространенный вид повреждений – оползания откосов. Формы правления повреждения этого вида различны и зависят от особенностей конструкции и размеров сооружения, типа основания, характера сейсмического воздействия.

Учитывая накопленный опыт, все повреждения откосов целесообразно разделить на два типа:

·                   первый, когда при подвижках материала откосов возможность возникновения явления разжижения исключена;

·                   второй, при котором она существует и проявляется при землетрясениях.

Первый тип повреждений наиболее распространен. Повреждения низовых призм, в которых поровая вода либо отсутствует, либо имеет весьма низко расположенную кривую депрессии, всегда происходят по первому типу, независимо от крупности слагающих призму материалов. К этому же типу относятся повреждения верховых призм, если они сложены в пределах активной зоны крупнообломочным материалом, или имеют верховой экран и неводонасыщены.

Повреждения второго типа (до полного разрушения) более редки и имеют место только в верховых откосах, если они сложены мелкозернистым водонасыщенным материалом, при потере устойчивости структуры которого явление разжижения возникает.

Обрушение или оползание откосов, как правило, начинается с образования продольных трещин, с появлением которых сопротивление сдвигу боковых призм снижается. Наиболее типичными примерами повреждений плотин из грунтовых материалов из практики последних лет являются повреждения земляной плотины Чир-Юртской ГЭС (быв. СССР) высотою 37,5 м, спроектированной на 7 баллов по действовавшим тогда СН – 8 – 57 (8-ми балльное землетрясение 14 мая 1970 г.);

повреждения плотины Лоуэр Сан-Фернандо (США) высотою 43 м с проверенной расчетом сейсмостойкости (землетрясение 9 февраля 1971 г.).

Следует заметить, что каменно-набросные и каменно-земляные плотины обладают значительно более высокой сейсмостойкостью, чем земляные. Большие плотины этих типов более чем в 25 случаях испытали сильные землетрясения (8-9 баллов по шкале ММ) и ни одна из них не получила существенных повреждений, хотя незначительные в ряде случаев наблюдались.

Также, во многих источниках отмечается, что плотины из грунтовых материалов на нескальных основаниях обладают меньшей сейсмостойкостью, чем возведенные на скальных. Сильных повреждений в результате землетрясений земляные плотины на скальных основаниях обычно не получают, тогда как случаи значительных повреждений плотин, построенных на мягких грунтах, многочисленны (в виду большой деформируемости нескального основания).

Особым видом повреждений плотин из грунтовых материалов является разрушение водопропускных устройств. Примером аварии, связанной с разрушением этого вида, является авария на плотине Тарбела высотой 145 м (Пакистан, 7-ми балльное землетрясение).

Кроме повреждений, отмеченных выше, имеются другие примеры разрушений, встречающихся при землетрясениях менее часто:

·                   осадки оснований из оттаявших грунтов, например, крупное землетрясение в мае 1964 г. вызвало оседание незамерзающих ледниковых отложений, составляющих подстилающий слой плиты водослива земляной плотины Эклуфа (США), в результате под этой частью плотины образовалась каверна;

·                   разрушение плотин после образования трещин и последующего быстрого размыва тела плотины; такие разрушения, например, имели место в плотинах Колеман, Роджерс, Болдуин Хилз.

4.3 Повреждения бетонных плотин

Воздействие землетрясений различной интенсивности испытали более 100 плотин и гидротехнических сооружений из бетона. Известны лишь 15 случаев повреждений этих сооружений, причем более половины из них получили повреждения в виде трещин. Повреждения бетонных плотин наблюдаются лишь от землетрясений интенсивностью 7 баллов и более. Несколько водопропускных сооружений, небольшие плотины из каменной кладки, располагающиеся на мягких грунтах, были полностью разрушены сильными землетрясениями.

В общем случае наибольшей повреждаемостью обладают низкие сооружения высотой до 20 м, а также контрфорсные плотины (три из восьми были повреждены). Наиболее сейсмостойкими оказались бетонные гравитационные и арочные плотины, испытавшие сильные землетрясения интенсивностью 8-9 баллов, но не получившие значительных повреждений.

В ряде случаев землетрясения были вызваны заполнением водохранилищ (возбужденная сейсмичность), например, контрофорсная плотина Хсинфенгкьнг (КНР) – землетрясение с магнитудой 6,1.

Наиболее сильные повреждения среди высоких плотин были получены плотиной Койна (Индия), испытавшей воздействие ряда землетрясений при наполнении водохранилища.

Повреждения разделяются в основном по следующим видам:

·                   видимые трещины (через трещины на различных уровнях плотины происходит сильная фильтрация);

·                   повреждения и разрушения устройств (трещины на водосливе, башне, деформационных швах и др.);

·                   местные выкрашивания и дробление бетона. [16, с. 5-21]

4.4 Плотины, испытавшие сейсмическое воздействие

Самые крупные и известные плотины, испытавшие сейсмическое воздействие, а некоторые и являющиеся причиной землетрясения, можно представить в таблице 4.4.1.[16, 17]:

Таблица 4.4.1.

4.5 Сейсмостойкость гидротехнических сооружений

В вопросе сейсмостойкости особое внимание следует уделять плотинам. Это объясняется следующими причинами:

особой важностью плотин, являющихся главнейшим средством управления реками, аккумуляции водной энергии, а также направления воды для целей водоснабжения, орошения и обводнения;

большим объемом материальных и денежных затрат на постройку плотины;

громадной ответственностью такого сооружения, поскольку его разрушение может принести ущерб ниже расположенным населенным пунктам, промышленным предприятиям и сельскохозяйственным угодьям.

Кроме того, опыт разрушительных землетрясений показал, что сооружения типа плотин, построенные без учета сейсмического фактора, нередко подвергались частичному или полному разрушению.

Основные принципы сейсмостойкого строительства.

При землетрясении частицы грунта движутся в пространстве по сложной траектории и в сооружении возникают инерционные силы, величина и направление действия которых резко меняются во времени. По той же причине деформации сооружения и его элементов могут носить сложный характер. В самом деле, при указанных условиях сооружение может претерпевать совокупность деформаций осевого растяжения, сжатия, изгиба, сдвига и кручения. Помимо этого, соответствующие усилия действуют динамически, т.е. возникают толчкообразные и колебательные движения сооружения в целом и его элементов.

Анализ данных о поведении зданий и сооружений при разрушительных землетрясениях указывает на целесообразность соблюдения ряда принципов сейсмостойкого строительства.

Ввиду динамического характера сейсмического воздействия (внезапное приложение усилий и знакопеременность действия их при колебаниях сооружения) рекомендуется возводить сооружения из достаточно прочных и монолитных материалов. С целью демпфирования сейсмических толчков отдается предпочтение материалам, которые, кроме того, в той или иной степени обладают пластическими свойствами. Для уменьшения сейсмических инерционных нагрузок рекомендуется применять материалы с малым объемным весом.

Большое значение имеет также однородность материала, т.к. в местах контактов материалов, обладающих различными физико-механическими свойствами, или в местах нарушения сплошности материала происходит расслоение тела сооружения при сейсмических воздействиях.

Поскольку сооружение и его элементы, в том числе всякие выступы сооружения в плане, плохо сопротивляться крутящим усилиям, следует стремиться проектировать сооружение так, чтобы массы в нем были распределены симметрично относительно центра тяжести всего сооружения, что практически в известной мере достигается упрощением формы сооружения в плане (приближением к форме квадрата). Если достигнуть этого трудно, то рекомендуется разбивать сооружение на отдельные отсеки, имеющие указанное выше простейшее очертание в плане.

Всякие горизонтальные усилия, в том числе сейсмические, распределяются между отдельными несущими элементами сооружения или здания (опоры моста, контрфорсы в железобетонных плотинах, поперечные стены и простенки каменных зданий и т.п.) пропорционально их жесткости. Следовательно, во избежание перегрузки отдельных элементов сооружения необходимо проектировать его так, чтобы в отношении жесткости его элементы не отличались резко друг от друга.

Всякое сооружение представляет собой пространственную систему, часто состоящую из связанных между собой более простых несущих элементов. Поэтому для обеспечения сохранности сооружения при землетрясении важно обеспечить прочность связей, например, сопряжений между капитальными стенами каменного здания. Кроме того, следует стремиться к тому, чтобы связи для смягчения динамического воздействия землетрясения обладали пластическими свойствами.

В соответствии с указанными принципами целесообразно при проектировании и разработке технологии строительного производства предусматривать ряд антисейсмических мероприятий.

Необходимая прочность и монолитность материала, например, каменной кладки, достигается применением прочных камней правильной формы, при тщательном соблюдении правил перевозки, с использованием растворов, обладающих хорошим сопротивлением нормальному и тангенциальному воздействиям. Предусматривают меры против образования в швах кладки усадочных трещин, для придания раствору пластичности в него вводят специальные добавки.

Для достижения однородности строения тела сооружения стремятся применить один и тот же материал в пределах каждого отсека сооружения, обеспечивать необходимую перевязку, например, нового бетона со старым в швах бетонирования сооружения. Чтобы обеспечить сохранность связей между несущими элементами (например, между стенами каменных зданий), армируют углы здания путем укладки стальных стержней в горизонтальных швах кладки. Для разбивки здания или сооружения на отдельные отсеки в плане устраивают антисейсмические швы, совмещенные с осадочными и температурными швами.

В целях обеспечения оптимальной пространственной жесткости рекомендуется между несущими элементами делать проемы и простенки одинаковой ширины, а поперечные стены – сквозными, располагая их, по возможности, на равных расстояниях друг от друга. Для равномерного распределения сейсмических усилий между несущими элементами здания рекомендуется перекрытия делать монолитными и жесткими в такой мере, чтобы они представляли собой неизменяемые горизонтальные диафрагмы.

Обеспечение прочности и, в известной мере, пластического деформирования сопряжений стен здания достигается, кроме того, устройством замкнутых железобетонных антисейсмических поясов, укладываемых по всему периметру капитальных стен. Наконец, требуется замоноличивание сборных железобетонных конструкций, что можно осуществить путем укладки в стыках специальных стержней арматуры или закладных стальных частей с последующим соединением их петлями или электросваркой; при этом должна быть обеспечена равнопрочность сечения сборного элемента и стыка замоноличивания.

Сейсмические нагрузки на гидротехнические сооружения.

Сейсмические нагрузки на гидросооружения можно разделить на следующие:

·                   сейсмические инерционные нагрузки;

·                   сейсмическое давление воды на напорную грань сооружения (плотина, перемещаясь при землетрясении в сторону верхнего бьефа, будет встречать сопротивление воды и тем самым испытывать давление гидродинамического характера);

·                   сейсмическое давление грунта на сооружения типа подпорной стенки (сейсмические инерционные силы, возникающие в грунте засыпки в связи с возникновением активного давления на стенку);

·                   сейсмическое давление воды в напорном сооружении

Мероприятия по обеспечению сейсмостойкости земляных плотин.

Земляные плотины находят широкое применение в сейсмических районах главным образом вследствие возможности использования местных строительных материалов, а также механизации строительного производства.

Для обеспечения сейсмостойкости плотины необходимо, кроме осуществления расчета ее на сейсмостойкость, предусмотреть специальные мероприятия в части ее конструкции и технологии строительных работ, что возможно путем рассмотрения физической картины воздействия землетрясения и анализа эмпирических данных. [18, с. 24-150]

Так как плотины гидротехнических сооружений Павловской ГЭС являются грунтовыми, то о мероприятия по обеспечению сейсмоустойчивости земляных плотин буду подробно рассмотрены в разделе 7.

Мероприятия по обеспечению сейсмостойкости плотин из каменной наброски и кладки насухо.

Набросные плотины имеют много общего с земляными с точки зрения конструкции, а также условий работы, поэтому некоторые антисейсмические мероприятия для земляных плотин сохраняют силу и в отношении каменно-набросных плотин. Однако специфичность материала таких плотин требует несколько иного подхода к вопросу обеспечения их сейсмостойкости. [18, с. 24-150].

Грунтовые плотины гидротехнических сооружений Павловской ГЭС выполнены с каменной наброской, поэтому мероприятия по обеспечению сейсмостойкости плотин из каменной наброски и кладки насухо будут более подробно рассмотрены в разделе 7.

Мероприятия по обеспечению сейсмостойкости бетонных гравитационных плотин.

Бетонные гравитационные плотины находят в настоящее время широкое применение вследствие того, что сейсмически активные зоны, как правило, приурочены к горным местностям, а для более или менее высоких гравитационных плотин требуется скальное основание.

При проектировании гравитационных плотин, возведенных из бетона, важной особенностью будет тот факт, что учет сейсмического фактора будет заключаться в повышении тех требований, которые предъявляются к прочности и устойчивости гравитационных плотин.

Для данного вида плотины приобретает особое значение тщательность работ по подготовке основания с целью повышения устойчивости сооружения на сдвиг (снятие выветренного слоя скалы, тщательная очистка поверхности основания перед бетонированием плотины и т.п.).

Прямое отношение к задаче обеспечения сейсмостойкости гравитационной плотины имеют также мероприятия конструктивного и технологического характера,предотвращающие неблагоприятное влияние на прочность плотины усадочных и температурных усилий: устройство конструктивных швов, охлаждение бетона в процессе его твердения и т.п.

Всякое отверстие в теле гравитационной плотины, имеющее более или менее значительные размеры и расположенное в периферийной зоне ее поперечного сечения, могут стать причиной возникновения трещин в теле плотины при концентрации высоких сейсмических напряжений. Поэтому необходимо принять меры по приданию этим отверстиям плавного очертания и армированию бетона в зоне влияния местных напряжений.

Мероприятия по обеспечению сейсмостойкости железобетонных и бетонных контрфорсных плотин.

В районах с высокой сейсмической активностью могут найти применение и контрфорсные плотины, которые, являясь одним из экономичных типов плотин, позволяют вести строительные работы индустриальными методами с применением сборных железобетонных элементов.

Так же как в случае гравитационных плотин, следует придать плавное очертание отверстиям, устраиваемым в контрфорсах, а материал контрфорса усилить специальным армированием в зоне концентрации напряжений. Примером того, что такая мера обоснована, может служить плотина Бек-Ходжес (США), в контрфорсах которой возникали трещины даже в обычных условиях эксплуатации.

Сохраняют силу также ряд остальных антисейсмических мероприятий, указанных для гравитационных плотин.

Сейсмостойкость арочных плотин.

У арочных плотин существует ряд положительных сторон для обеспечения сейсмостойкости:

·                    монолитность и компактность всей конструкции

·                    высокая прочность применяемого материала

·                    безупречность основания и бортов плотины.

Для примера можно привести сохранность арочной бетонной плотины Корфино в Италии, подвергшейся разрушительному землетрясению. Однако указанная плотина характеризуется небольшой высотой (40 м) при небольшом радиусе кривизны арки (23,5 м). Поэтому для обеспечения сейсмостойкости современных арочных плотин не достаточно лишь произвести расчет их на действие сейсмических нагрузок (сейсмического давления воды и инерционных сил), а также необходимо осуществление специальных мероприятий (указанных выше). [18, с. 24-150]

5. Сценарии возможных аварий

5.1 Сведения об имевших место аварийных ситуациях на гидроузле и ходе выполнения неотложных (противоаварийных) работ

Согласно [13, с. 44], «на протяжении всего периода эксплуатации Павловской ГЭС аварий и аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях не было, но случались ситуации, квалифицированные как нарушения (близкие к аварийным)».

В 1959 году, когда предприятие вступило в начальный период эксплуатации, выход воды на низовой откос русловой плотины на отметках 121,00 – 122,00.

Наращено ядро плотины в 1964 году, достигнута локализация негативных процессов и последствий.

В 1960 году обнаружена сильная фильтрация по плохо проработанным строительным швам здания ГЭС.

Произведена инъекция трещин цементом и карбомидной смолой.

В 1959 и 1970 гг. произошел размыв дна отводящего канала за зубом водобоя из-за неоформления рисбермы.

Уложены бетонные тетраэдры, весом 15 т каждый, в количестве 442 штук. Проводимые в процессе эксплуатации ремонтно-восстановительные работы не сняли создавшуюся проблему в целом.

Примечание. Более полная информация по имевшим место нарушениям на ГТС Павловской ГЭС и сведения о планировавшихся и невыполненных мероприятиях, направленных на обеспечение безопасности ГТС приведены в «Акте обследования ГТС Павловской ГЭС» [14] и «Справке о состоянии ГТС Павловской ГЭС ОАО «Башкирэнерго»[21]».

5.2 Сценарии возможных аварий на гидроузле с оценкой уровня риска различных сценариев аварий и уровня безопасности объекта в целом

Основные положения методики оценки уровня риска различных сценариев аварий и уровня безопасности объекта.

Для оценки уровня риска и общего уровня безопасности объекта была применена, разработанная в 1997 году ОАО «НИИЭС», Методика оперативной оценки безопасности гидротехнических сооружений, находящихся в длительной эксплуатации.

Основные положения Методики сводятся к выполнению следующих этапов формализованной оценки безопасности ГТС:

1.                 определению состава объектов ГТС, для которых осуществляется оценка уровня безопасности и соответствующих «сценариев» возможных аварий;

2.                 определению набора факторов безопасности, соответствующих выбранным «сценариям»;

3.                 уточнению иерархической структуры фактора безопасности;

4.                 назначению ранжированных оценок факторов безопасности;

5.                 выбору метода учета взаимовлияния факторов безопасности, в том числе расчетных формул, применяемых на разных уровнях иерархической структуры факторов безопасности;

6.                 оценке уровня безопасности отдельных объектов и ГТС в целом;

7.                 анализу полученных результатов, корректировке (в случае необходимости) обнаруженных неточностей и повторению процедуры формализованной оценки безопасности ГТС.

Для оценки уровня безопасности I Методикой предусмотрен учет двух основных групп факторов безопасности, характеризующих:

·                                            состояние эксплуатируемого ГТС (фактор I1);

·                                            ущерб от возможной аварии или разрушения ГТС (фактор I2).

Эти две группы факторов безопасности в последующем разбиваются на более низкие уровни иерархии, включающие в себя:

-                     фактор I1.1, характеризующий изменения нормативных оценок состояния ГТС и ранжируемой непосредственно на факторы а1(а1.1-а1.4), а2(а2.1-а2.4) и а3(а3.1-а3.5);

-                     фактор I1.2, учитывающий отклонения конструктивных показателей состояния и условий эксплуатации ГТС от требований ПТЭ и ранжируемой на факторы а4(а4.1-а4.3), а5(а5.1-а5.14) и а6(а6.1-а6.21);

-                     факторы а7-а9, входящие в состав группы I2 и характеризующие ущерб от возможной аварии или разрушения ГТС.

Для осуществления комплексного учета вышеперечисленных факторов безопасности (итоговой оценке уровня безопасности ГТС) предусмотрено приведение их к единому масштабу на основе ранжирования по единой шкале, значения которой изменяются от 0 до 6 (см. таблицы 5.2.1. и 5.2.2).

Таблица 5.2.1.

Ранжирование уровня безопасности ГТС (фактор I), факторов I1, I2, I1.1 и I1.2.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5