13.3. Состояние гидротехнических сооружений Российской Федерации

В мире построено свыше 100 тыс. подпорных гидротехнических сооружений, в том числе около 35 тыс. больших и малых плотин. Многие крупные подпорные сооружения эксплуатируются длительное время (30-50 лет и более), а согласно статистическим данным, именно после этого срока возрастает вероятность аварии и разрушения плотины. Увеличение числа и размеров гидротехнических соружений обусловливает возрастающее значение проблемы безопасности населения, проживающего ниже напорных фронтов и дамб, и предотвращения крупных экологических катастроф.

Практика показывает, что невозможно со стопроцентной вероятностью гарантировать безаварийную эксплуатацию напорных гидротехнических объектов. В соответствии с графиком Минтопэнерго РФ в 1993 г. было проведено централизованное обследование состояния гидротехнических сооружений 26 тепловых и 9 гидравлических электростанций. По результатам обследования было выявлено около 20 гидротехнических сооружений, состояние которых не обеспечивает надежность и безопасность их дальнейшей эксплуатации. Наибольшее количество нарушений отмечается на водосбросных и водопропускных сооружениях электростанций. Основным видом повреждений является разрушение бетонных поверхностей конструктивных элементов сооружений, расположенных в зоне переменного уровня воды, нарушение целостности водогасительных устройств и креплений в нижних бьефах, в отдельных случаях с подмывом и опусканием бетонных плит и крепления откосов. Далее приводятся краткие характеристики технического состояния некоторых из обследованных гидротехнических сооружений. Волжская ГЭС (г. Волгоград). Мощность — 2541 МВт. В состав гидроузла входят . водохранилище полным объемом 31 450 млн м3 и бетонная плотина общей длиной 3249 м и максимальной высотой 47 м. Общее состояние гидротехнических сооружений удовлетворительное. Вместе с тем в блоках, эксплуатируемых более 30 лет, отмечается образование трещин (ширина раскрытия трещин до 0,3 мм), прогрессирует разрушение бетонных поверхностей водосливной плотины в зонах переменного уровня воды. Повреждена водосливная поверхность на участках строительных швов, глубина разрушений достигает 20-40 см с обнажением рабочей арматуры. Поверхности быков имеют повреждения площадью до 1 м3 и глубиной 15-20 см.

Череповецкая ГРЭС. Мощность 630 МВт. Отмечается повреждение бетонных подводных частей водозаборного ковша блочной насосной станции и небольшие разрушения поверхностного бетона быков водосливной плотины.

Орловская ТЭЦ. Мощность 330 МВт. Водохранилище объемом 3,96 млн. м3. На момент обследования в аварийном состоянии была водосливная плотина гидроузла.

Бетонные поверхности имеют разрушения глубиной более 10 см и многочисленные трещины с раскрытием до 5 мм.

Подобные повреждения конструкций отмечены и на многих других плотинах.

13.4. Аварии на гидротехнических сооружениях

Нарушения целостности конструкций плотин неизбежно приводят к различного рода авариям. Гидродинамическая авария — это происшествие, связанное с выходом из строя (разрушением) гидротехнического сооружения или его частей с последующим неуправляемым перемещением больших масс воды. На территории России эксплуатируется более 30 000 водохранилищ и несколько сотен накопителей промышленных стоков и отходов. Гидротехнические сооружения на 200 водохранилищах и 56 накопителях отходов эксплуатируются без реконструкции более 50 лет, некоторые находятся в аварийном состоянии. По мнению специалистов, общее число гидродинамически опасных объектов составляет 815, численность населения, проживающего в зонах непосредственной угрозы жизни и здоровью при возможных авариях на этих объектах, превышает 7 млн. человек. Однако прежде чем говорить об авариях, необходимо познакомиться с некоторыми специальными терминами.

Проран — узкий проток в теле (насыпи) плотины, косе, отмели в дельте реки или спрямленный участок реки, возникший в результате размыва излучины в половодье.

Прорыв плотины — начальная фаза гидродинамической аварии, то есть процесса образования прорана и неуправляемого потока воды, устремляющегося из верхнего бьефа через проран в нижний бъеф.

Бьеф — участок реки между двумя соседними плотинами на реке или участок канала между двумя шлюзами.

Вехний бьеф — часть реки выше подпорного сооружения (плотины, шлюза). Нижний бьеф — часть реки ниже подпорного сооружения.

Рисберма — укрепленный участок русла реки в нижнем бьефе водосбросного гидротехнического сооружения. Она защищает русло от размыва, выравнивает скорость потока и т. д.

Приведем несколько примеров аварий на гидротехнических сооружениях.

Лужская ГЭС-2 (р. Быстрица Ленинградской области). 1апреля 1956 г. произошла авария —разрушилась русловая земляная плотина, которая строиласьв 1954-1955 гт. Прорывом вынесено 500 м3 грунта, а ширина размыва достигла 32 м. Водохранилище было полностью опорожнено, подмыта бетонная опора, которая оторвалась от устоя здания станции по осадочному шву:

Осенью 1962 г. на реке Оке размыло 80 погонных метров земляной дамбы Кузьминского гидроузла. Авария произошла потому, что своевременно не подняли затворы и не уложили конструкции плотины. Быстро и в большом количестве образовался внутриводный лед, который закупорил водосливную часть плотины, и вода поднялась выше нормального подпорного уровня на 2 м.

Для обеспечения водой нижнего бьефа Иркутской ГЭС и лесосплава в период строительства гидроэлектростанции, после перекрытия Ангары проводились холостые сбросы воды из водохранилища. Объем сбросов доходил до 1700-2200 м3/с. 1 июля 1958 г. для холостого сброса открыли пять отверстий водосбросов совмещенных агрегатов, а 2 июля в связи с неожиданной остановкой работы одного агрегата открыли еще одно отверстие. Сбрасываемый расход был неравномерно распределен по фронту водобойного колодца, что создало большой водоворот, направленный в сторону берега отводящего канала. В результате произошел подмыв откоса канала, который еще не был закреплен.

При строительстве Новосибирской ГЭС 25 октября 1956 г. начались работы по перекрытию реки Обь 27 октября в створе перекрытия у наплавною моста со стороны левого берега создались очень тяжелые гидравлические условия. В результате ураганного ветра и скорости течения 4 м/с сильно возросли гидравлические сопротивления, а следовательно, и нагрузка на оттяжки понтонного моста, которые не выдержали и лопнули. Наплавной понтонный мост был сорван, унесен водой и затонул. Понтоны затонули на расстоянии 200 м ниже створа, а настил был унесен вниз по течению на 10 км.

Для сравнения приведем характеристики крупнейших катастроф гидротехнических сооружений, произошедших за рубежом в 1918-1960 гг. (табл. 13.2).

Таблица 13.2. Основные характеристики крупнейших катастроф 1918-1960 гг.

Название гидроузла,	Высота	Число	Причины разрушения
страна, тип плотины	плотины, м жертв, ч
Глено, Италия,	50	600	Ошибки расчета, плохое качество
многоарочная			работ
Франсисквито, США,	63	400	Геологическая трещина в основании
Гравитационная,
криволинейная в плане
Моларе, Италия,	47,5	100	Расходы воды 2200 м3/с при
гравитационная			водосбросе, рассчитанном на 800 м3/о
Хабра, Алжир,	35	—	Расход воды при водосбросе
гравитационная			значительно превышал расчетный
Рибаделаго, Испания,	33,5	140	Нарушение швов, неравномерная
контрфорсная			осадка контрфорсов
Мальпассе, Франция,	60	400	Разрушение гнейсов левобережного
тонкая арка			примыкания
Орос, Бразилия,	54	40	Катастрофический паводок в период
земляная(недостроенная)			строительства

В результате повышенных нагрузок на основание водохранилищ при их наполнении, а также воздействия воды как смазки на тектонические трещины в районах водохранилищ может повыситься сейсмическая активность. Подобные явления отмечались в период наполнения водохранилищ Боулдер (США) — объем 41,5 млрд м3,

Кариба (Замбия) — объем 175 000 млн м3 и др Землетрясение в районе г. Кайнан-гар (Индия), последовавшее за наполнением водохранилища Койна (2780 млн м3), привело к гибели

200человек.

13.5.Причины и виды гидродинамических аварий

На ГТС постоянно воздействуют водный поток, колебания температур, льды, наносы, статистические и гидродинамические нагрузки, происходят стирания поверхности, коррозия металлов, выщелачивание бетона, гниение деревянных конструкций.

Разрушение (прорыв) гидротехнических сооружений происходит в результате:

∙действия сил природы (землетрясений, ураганов, размыва плотин);

∙износа и старения оборудования;

∙конструкторских ошибок;

∙некачественного выполнения строительных работ;

∙нарушения правил эксплуатации;

∙воздействия человека (нанесение ударов различными видами оружия).

Разрушения ГТС можно классифицировать следующим образом:

∙Разрушения конструкций, находящихся в верхнем бьефе, подходящим потоком воды и ледоходом.

∙Размыв земляных плотин переливающимся потоком.

∙Размыв откосов русла реки и поймы в результате перепада воды, вызванного стеснением сечения поймы.

∙Разрушение конструкций и местный размыв в русле реки потоком, сбрасывае мым через водосброс.

∙Повреждение деревянных сооружений фильтрующимся потоком.

∙Разрушение земляных сооружений и склонов берегов в результате изменения

геологических условий.

Причиной 35% из 300 аварий плотин (сопровождающихся их прорывом), произошедших в различных странах за 175 лет, было превышение расчетного максимального сбросного расхода, то есть перелив воды через гребень плотины. Причины аварий, сопровождающихся прорывом гидродинамических сооружений напорного фронта и образованием волны прорыва, могут быть различными, но чаще всего они происходят из-за разрушения основания сооружения и недостаточности водосбросов (табл. 13.3).

Земляные и каменно-земляные плотины разрушаются, как правило, не полностью. Чаще всего возникает проран шириной 0,20-0,35 м в зависимости от длины 4 плотины. Ширина прорана зависит также от типа реки. Относительный размер прорана Впр (отношение ширины прорана к ширине плотины) для различных типов плотин (кроме арочных) в зависимости от типа реки обычно принимается еледующим: для равнинных рек Впр = 0,2 м; для предгорных рек Впр = 0,25 м и для горных рек Впр = 0,5 м. Для арочных плотин ориентировочно принимают Впр, = 1,0 м.

Таблица 13.3. Причины аварий гидротехнических сооружений
Причина разрушения	Частота, %
Разрушение основания	40
Недостаточность водосброса	23
Конструктивные недостатки	12
Неравномерная осадка	10
Высокое пороговое (капиллярное) давление (в намытой плотине)	5
Военные действия	3
Сползание откосов	2
Дефекты материалов	2
Землетрясение	1
Неправильная эксплуатация	2

Количество аварий на плотинах различных типов представлено в табл. 13.4.

Таблица 13.4. Частота аварий для различных типов плотин

Тип плотины	Количество аварий, %
Земляная плотина	53
Защитные дамбы из местных материалов	4
Бетонная гравитационная	23
Арочная железобетонная	3
Плотины других типов	17
Всего	100

13.6. Последствия гидродинамических аварий и меры защиты населения

Последствиями гидродинамических аварий являются:

∙повреждение и разрушение ГТС и кратковременное или долговременное прекращение выполнения ими своих функций;

∙поражение людей и разрушение сооружений волной прорыва;

∙затопление обширных территорий.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются:

∙разрушительная волна прорыва;

∙водный поток;

∙спокойные воды, затопляющие территорию суши и хозяйственные объекты.

Воздействие волны прорыва во многом аналогично воздействию воздушной ударной волны, образующейся при взрыве, но отличается от нее тем, что действующим фактором в этом случае является вода.

Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Она имеет фазы подъема уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсивного подъема уровня воды является фронтом волны прорыва. Вслед за фронтом волны прорыва высота ее начинает интенсивно возрастать, достигая через некоторый промежуток времени максимума, называемого гребнем волны прорыва. В результате подъема воды 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 уровня воды.

После прохождения волны прорыва русло реки обычно сильно деформируется из-за его размыва быстрым течением. Волна прорыва может разрушить большое количество зданий и сооружений, находящихся в зоне ее действия. Степень их разрушения зависит от высоты подъема уровня воды и скорости течения, а также от характеристик самого здания (сооружения) и его основания.

Из-за крупных гидродинамических аварий гибнут люди, прерывается подача электроэнергии в энергетические системы. Кроме того, разрушаются или оказываются под водой населенные пункты, выводятся из строя коммуникации и другие элементы инфраструктуры, нарушается жизнедеятельность населения и производственно-экономическая деятельность предприятий, наносится большой ущерб природной среде, в том числе в результате изменений ландшафта.

Вторичными последствиями гидродинамических аварий являются загрязнения осадочными веществами из разрушенных (затопленных) хранилищ воды и местности, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, массовые заболевания людей и животных. Вторичными последствиями также могут быть пожары — вследствие обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов; оползни, обвалы в результате размыва грунта и т.д.

Долговременные последствия гидродинамических аварий связаны с остаточными факторами затопления — наносами, загрязнениями, изменением ландшафта и других элементов природной среды.

Последствия аварий выражаются с помощью показателей материального ущерба. Материальный ущерб оценивается числом разрушенных, поврежденных, вышедших из строя объектов и сооружений, а также в денежном выражении.

Кпрямому ущербу относят:

∙повреждение и разрушение ГТС, жилых, производственных зданий, железных и автомобильных дорог, ЛЭП и линий связи, мелиоративных систем;

∙гибель скота и сельскохозяйственных культур;

∙уничтожение и порча сырья, топлива, продуктов питания, кормов, удобрений;

∙затраты на временную эвакуацию населения и перевозку материальных ценностей в незатапливаемые места;

∙смыв плодородного слоя почвы и занесение ее песком, глиной и камнями.

Ккосвенному ущербу относят:

∙затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы продуктов питания, одежды, медикаментов, строительных материалов и техники, кормов для скота;

∙сокращение выработки промышленной и сельскохозяйственной продукции, замедление темпов развития народного хозяйства;

∙ухудшение условий жизни местного населения;

∙невозможность рационального использования территории, находящейся в зоне

возможного затопления.

Важными мерами защиты от гидродинамических аварий являются:

∙уменьшение максимального расхода воды путем перераспределения стока во

времени;

∙регулирование паводковых стоков с помощью водохранилищ; укрепление и своевременный ремонт ГТС и ограждающих дамб (валов);

∙проведение берегоукрепительных и дноуглубительных работ, подсыпка низких

мест.

Коперативным предупредительным мерам относятся: