«Ю.П. ЛЯПИЧЕВ ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ Учебное пособие Москва 2008 Инновационная образовательная программа Российского университета дружбы народов Создание комплекса инновационных ...»

ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «ОБРАЗОВАНИЕ»

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

Ю.П. ЛЯПИЧЕВ

ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ

И ТЕХНИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

ГИДРОСООРУЖЕНИЙ

Учебное пособие

Москва

2008

Инновационная образовательная программа Российского университета дружбы народов «Создание комплекса инновационных образовательных программ и формирование инновационной образовательной среды, позволяющих эффективно реализовывать государственные интересы РФ через систему экспорта образовательных услуг»

Экс пе ртн ое за к лю ч ени е – заведующий лабораторией грунтовых плотин (ОАО «НИИВОДГЕО») доктор технических наук Н.Н. Розанов Ляпичев Ю.П.

Гидрологическая и техническая безопасность гидросооружений: Учеб.

пособие. – М.: РУДН, 2008. – 222 с.

В пособии приводятся нормативные и инженерные методы качественной и количественной оценки безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) комплексных и энергетических гидроузлов. Рассматривается методика оценки уровня и определения критериев безопасности ГТС, включающая в себя два уровня критериальных значений диагностических показателей поведения ГТС.

Дается вероятностная оценка риска аварий ГТС и стоимостная укрупненная оценка основных видов ущерба.

Для магистров, обучающихся по специализации «Гидротехническое строительство» в РУДН и других вузах РФ. Пособие будет также полезно инженерам-гидротехникам, занимающимся вопросами безопасности ГТС.

Учебное пособие выполнено в рамках инновационной образовательной программы Российского университета дружбы народов, направление «Комплекс экспортоориентированных инновационных образовательных программ по приоритетным направлениям науки и технологий», и входит в состав учебно-методического комплекса, включающего описание курса, программу и электронный учебник.

© Ляпичев Ю.П.,

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие……………………………………………………………… Глава 1. Проблемы безопасности гидротехнических сооружений… 1.1. Основные факторы риска аварий ГТС (плотин)……………………. 1.2. Виды и последствия наводнений…………………………………..... 1.3. Способы защиты от наводнений…………………………………….. 1.4. Опасность наводнений при прорыве плотин……………………….. Глава 2. Гидрологическая безопасность гидросооружений………... 2.1. Понятие гидрологически опасных объектов……………………….. 2.2. Аварии на гидрологически опасных гидросооружениях и возникновение наводнений…………………………………………….. 2.3. Риск и надежность при строительстве и эксплуатации плотин…… 2.4. Последствия гидрологических аварий плотин и затоплений НБ….. 2.5. Ликвидация последствий гидрологических аварий (ГЛА) плотин и затоплений НБ…………………………………………………………… 2.6. Оценка обстановки при прохождении волны прорыва….................. 2.7. Пример решения задаче по оценке обстановки при ГЛА…………. 2.8. Задание на контрольную работу…………………………………….. Приложение. Таблицы воздействий потока на здания и сооружения… Глава 3. Методика оценки уровня безопасности гидросооружений …………………………………………………........... Введение

3.1. Термины и определения……………………………………………… 3.2. Общие положения методики………………………………………… 3.3. Структура факторов безопасности гидросооружений…………….. 3.4. Таблицы для ранжированной оценки факторов безопасности и уровня безопасности эксплуатируемых гидросооружений………….. Приложение А. Определение приоритетности количественных и качественных значений факторов безопасности ГТС………………… Приложение Б. Сценарии развития возможных аварий ГТС………….. 3.5. Информационно-диагностическая программа «Гидробезопасность» (опыт применения для оценки состояния Глава 4. Методика определения критериев безопасности ГТС…… 4.3. Определение критериальных значений диагностических 4.4. Прогнозные математические модели ГТС………

4.5. Применение качественных характеристик состояния ГТС при определении критериальных диагностических показателей……… 4.6. Требования к организации натурных наблюдений……………….... 4.7. Применение критериальных значений диагностических показателей при принятии решений по обеспечению безопасности ГТС…………………………………………………………………………. Приложение 1. Порядок разработки и утверждения критериальных значений диагностических показателей состояния ГТС………………. Приложение 2. Перечень контролируемых количественных и качественных показателей состояния, уровня воздействий и условий эксплуатации ГТС…………………………………………….. Приложение 3. Оценка уровня риска аварий эксплуатируемых ГТС…. Приложение 4. Методы определения критериальных значений показателей состояния гидросооружений……………………………….. 5.1. Осадки бетонных плотин и гидросооружений……………………... 5.2. Горизонтальные перемещения гребня бетонных плотин………...... 5.3. Напряжения в бетоне плотин………………………………………… 5.4. Положение пьезометрических уровней в основании бетонных плотин……………………………………………………………………… 5.5. Осадки грунтовых плотин……………………………………………. 5.6. Горизонтальные смещения гребня грунтовой плотины…………… 5.7. Трещинообразование в глинистых ядрах и экранах грунтовых плотин

5.8. Положение поверхности депрессии в грунтовых плотинах……..... 5.9. Фильтрационная прочность грунтовой плотины и ее основании…. 5.10. Фильтрационные расходы в грунтовой плотине и основании…… 5.11. Мутность воды, профильтровавшейся через плотину и ее основание……………………………………………………………... 5.12. Определение критериев безопасности бетонной водосливной плотины Воткинской ГЭС………………………………………………... 5.13. Определение критериев безопасности земляной плотины Воткинской ГЭС……………………………………………

5.14. Определение критериев безопасности бетонной водосливной плотины Волжской ГЭС…………………………………………………... Глава 6. Оценка всестороннего ущерба от аварий ГТС …………… 6.1. Термины и определения……………………………………………… 6.2. Общие положения методики оценки ущерба………………………. 6.2.1. Назначение и условия применения методики……………….. 6.3. Исходные данные для расчета вероятного ущерба………………… 6.3.1. Сценарии аварии ГТС при расчете вероятного ущерба……... 6.3.2. Нарушение водоснабжения (первая и вторая группы сценариев аварий ГТС)………………………………………………. 6.3.3. Определение вероятного вреда проводится для сценария наиболее тяжелой аварии ГТС………………………………………. 6.3.4. Перечень возможных аварий и предаварийных ситуаций на ГТС и их негативных воздействий………………………………. 6.3.5. Оценка параметров негативных воздействий аварии ГТС….. 6.4. Методы ориентировочной оценки ущерба………………………...... 6.5. Метод укрупненных показателей оценки ущерба……

Приложение 1. Декларация безопасности ГТС……

Приложение 2. Форма акта преддекларационного обследования ГТС.. Приложение 3. Методические основы анализа Приложение 4. Список программ расчетов, используемых для оценки безопасности ГТС на кафедре ГиГС РУДН………………... Литература………………………………………………………………... Описание курса и программа …………………………………………..

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие по методике оценки безопасности и риска аварии гидротехнических сооружений (ГТС) разработано для магистров, обучающихся по специализации «Гидротехническое строительство» в РУДН и других вузах России. Необходимость этого учебного пособия вызвана тем, что после 20 лет застоя в России, наконец, возобновилось гидротехническое строительство и появилась потребность в подготовке магистров или инженеров–исследователей в самой сложном виде строительства – гидротехническом. В настоящее время в России состояние многих крупных плотин и ГЭС не удовлетворяет возросшим требованиям безопасной эксплуатации. Наряду с известными причинами, увеличивающими риск аварии плотин, существует ряд факторов, таких, как превышение нормативных сроков эксплуатации целого ряда плотин и ГТС, отсутствие профилактических ремонтов в связи с финансовыми трудностями и другие.

Угрожает безопасности ГТС, плотин и ГЭС их старение. Большинство из них эксплуатируется более 30–40 лет. Эта проблема приобрела особую актуальность в связи с введением в 1997 г. в действие Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений». Сейчас 12 ГЭС РФ уже перешли рубеж 50-летней эксплуатации, а 20 ГЭС перейдут его к 2010 г.

Автор в своем пособии обобщил разработанные в 2000–2007 годах в ОАО «НИИЭС» и «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» методики оценки безопасности гидросооружений ГЭС, эксплуатируемых в системе РАО «ЕЭС России». В пособии использовались также последние (2003 г.) рекомендации Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ), труды последних Международных конгрессов СИГБ и опыт гидроэнергетических компаний Канады, США и Западной Европы по оценке безопасности плотин.

Автор выражает благодарность доктору технических наук Н.Н. Розанову за рецензирование рукописи и ценные замечания, которые помогли улучшить ее содержание.

Глава 1. Проблемы безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) 1.1. Основные факторы риска аварий ГТС (плотин) Плотины и водохранилища, построенные в разных странах, в разных природных условиях, зарекомендовали себя прочными и долговечными сооружениями, многие из них эксплуатируются сотни и даже тысячу лет.

Так, в Англии 50% плотин построено более 80 лет тому назад, в Испании 10 плотин функционируют более 1600 лет. На Рейне до сих пор эксплуатируется старейшая в Европе ГЭС Рейнфельден, построенная в 1880 г.

Большинство плотин построено после 1950 года современными методами и на основе современных проектов. Однако мировая статистика последних 20–30 лет говорит о том, что возможность их повреждений и разрушений исключить нельзя. Более того, вероятность аварий на ГТС и крупных техногенных аварий на других объектах имеет тенденцию роста, особенно после их эксплуатации более 40–50 лет.

По данным Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ) к началу этого века в мире было построено около 46 тысяч больших плотин (согласно критериям СИГБ большой считается плотина высотой 15 и более метров, а также плотины высотой 5–15 м с объемом водохранилища более 3 млн. м3. Из этого числа плотин более 70% являются грунтовыми. Наибольшее их число в Нидерландах (100%) и Англии (67%), наименьшее – в Норвегии (1%) и Австрии (12%). Почти на 20% грунтовых плотин разного типа были зафиксированы повреждения, аварии и разрушения.

Самыми надежными оказались бетонные плотины, примерно в 3 раза менее надежны земляные плотины. Надежность плотин зависит также от их высоты, времени постройки и других факторов. Из общего числа аварий около 37% произошли на земляных и каменно-земляных плотинах вследствие перелива воды через их гребень и последующего их разрушения.

Катастрофические аварии за всю историю эксплуатации плотин наблюдались во многих развивающихся и развитых странах.

В историю гидротехники вошли огромные катастрофы, вызванные прорывом плотин на реках Хуанхе и Янцзы, Миссисипи и Миссури, на Дунае.

Крупные аварии плотин произошли в США, Франции, Италии, Индии, Бразилии, Южной Корее и других странах. Наиболее трагические последствия от аварий плотин имели место в США (плотины Саут Форк, Каньон Лейк, Сан Френсис, Тетон). Ущерб от разрушения каменно-земляной плотины Тетон высотой 93 м в бассейне р. Колорадо превысил 1 млрд. долл.

Масштаб национальных бедствий приобрели крупные аварии плотин в Италии – Грено и Вайонт. В последнем случае в водохранилище обрушился старый оползень, вызвавший перелив волны высотой около 100 м через арочную плотину высотой 262 м (число жертв превысило 3200 человек).

Во Франции в 1959 г. из-за сдвига скального опорного массива была разрушена арочная плотина Мальпассе высотой 180 м, погиб 421 человек, уничтожена военно-воздушная база и ущерб составил 68 млн. долл.

Аварии с большими ущербами были на плотинах в Индии (Мачху-2), в Бразилии (Орос), в Южной Корее (Хаиокири). Перечисленные 10 крупных аварий плотин в разных странах привели к гибели свыше 16500 человек.

Сейчас в России эксплуатируется более 300 тыс. водохранилищ и несколько сотен накопителей стоков и промышленных отходов. Имеется крупных водохранилищ с объемами более 1 км3. Топливно-энергетический комплекс располагает 350 ГТС, среди них 100 ГЭС с наиболее крупными водохранилищами. Для судоходства используются более 700 водохранилищ, в сельском хозяйстве – более 200 ГТС.

В России построено 9 высоких (свыше 100 м) бетонных плотин ГЭС, в том числе Саяно-Шушенская, Чиркейская, Бурейская, Братская, Красноярская и другие (табл. 1.1). Все они уникальны по своей конструкции, геологическим условиям основания, особенностям воздействий и условиям эксплуатации. Среди них одними из самых уникальных в мире высоких плотин, отличающихся сложностью конструкции, являются арочно-гравитационная Саяно-Шушенская (242 м) и арочная Чиркейская (233 м) плотины.

Из 18 крупнейших по объему водохранилищ мира шесть расположены в России (Братское – 169 км3, Красноярское – 73, Зейское – 68, УстьИлимское – 59, Куйбышевское – 58, Рыбинское – 25 км3).

Крупнейшие водохранилища мира: Оуэн Фоллс – 205 км3 в Уганде на озере Виктории (бассейн р. Нила), Кариба – 180 км3 на р. Замбези в Зимбабве. Братское – 169 км3 на р. Ангара в России, Асуанское (озеро Наср) – 164 км3 на р. Нил в Египте.

Плотины разной высоты, входящие в состав 97 ГЭС Саяно-Шушенская 242 м Богучанская 87 м 55 плотин ГЭС, в Красноярская 124 м Серебрянская-I 62 м Усть-Илимская 105 м Вилюйская-I 55 м Ирганайская 101 м Верхнее-Туломская 55 м Из 30 самых мощных ГЭС мира 6 построены в России, из них СаяноШушенская занимает 7-е место. По мощности ГЭС Россия – на 5-ом месте.

Плотины большинства ГЭС России мощностью более 10 мВт имеют большую высоту (50–100 м и более) и расположены в горных или предгорных районах, равнинные ГЭС имеют плотины высотой до 50 м (табл. 1.1).

Чрезвычайную опасность представляют аварии и разрушения больших плотин и водохранилищ, т.к. с увеличением высоты плотин и объемов водохранилищ повышается степень риска, которому подвергаются население, хозяйственные и природные объекты в НБ гидроузлов. Также велики, опасность и ущерб для ВБ, связанные с опорожнением водохранилищ.

Наиболее распространенное определение термина «риск» – это количественная мера опасности. В соответствии с этим риск включает в себя три составляющих – вероятность возникновения неблагоприятного события, возможный ущерб, нанесенный этим событием, и произведение вероятности этого события и размеров ожидаемого ущерба. В гидроэнергетике риск определяется как вероятностная мера опасности, установленная для конкретного гидроузла (ГЭС) в виде возможных потерь за срок его службы.

Для оценки безопасности ГТС применяется стоимость риска: произведение двух величин – вероятности аварии ГТС и ущербов от нее. Нормативные документы допускают применение вероятностных оценок (безопасности (надежности) при обосновании проекта его оптимизации. Применяют и детерминистические оценки безопасности ГТС, учитывающие влияние не столько количественных, сколько качественных факторов (глава 3).

Риск аварий или разрушений различных ГТС может быть локальным, региональным, национальным и глобальным.

Риск аварий крупных ГТС (высоких плотин) можно отнести к национальным, так как последствия разрушения таких ГТС могут затрагивать население, природные и хозяйственные объекты не только больших регионов, где эти ГТС находятся, но и территории соседних регионов и стран.

Управление риском – это заблаговременное его предвидение, выявление влияющих факторов, разработка и принятие мер по его снижению до приемлемого уровня, т.е. осуществление превентивных мер. Иначе говоря, снижение риска аварий и катастроф предполагает три этапа действий – прогноз и предупреждение, реагирование и ликвидация последствий.

Анализ последней статистики СИГБ (2001 г.) аварий и повреждений плотин, даже построенных современными методами, свидетельствует о невозможности достижения их абсолютной безопасности. Вероятность аварий порядка 0,0001–0,00001 допускают современные, в том числе российские нормы, т.е. риск аварий ГТС существует всегда и определенный уровень риска заложен в нормы их безопасности (глава 3). Важно знать, какой уровень риска или безопасности допустим и обеспечивает достижение максимальной выгоды при минимальной опасности.

Нормирование безопасности ГТС осуществляется двумя путями. Первый предусматривает разделение ГТС (плотин) в зависимости от их капитальности на классы. Каждому классу соответствуют определенные требования по безопасности, которые обеспечиваются регламентацией нагрузок и воздействий на ГТС и системой нормативных коэффициентов (по нагрузкам, материалам и грунтам, условиям работы и т.д.). Это путь установления нормативной технической безопасности ГТС (плотин), т.е. отнесение ГТС к тому или иному классу гарантирует требуемый уровень безопасности.

Второй путь – регламентация риска как вероятности разрушения или аварии ГТС. Нормативное значение риска может устанавливаться в целом для отрасли. Например, 10-7 (т.е. 0,0000001) аварий на один ядерный реактор в год в атомной энергетике, 10-9 аварий на один час полета в авиации и т.д. В гидротехнике значения нормативного риска в целом согласуются со статистическими данными аварий ГТС (плотин), т.е. приведенные выше 10-3 – 10-5 аварий в год в зависимости от типа ГТС и других факторов.

Число аварий плотин (в основном земляных) в мире за последние 10– лет имеет тенденцию роста наряду с ростом крупных техногенных аварий на других объектах. На рис. 1.1 приведены кривые социального риска, характеризующие частоту и количество связанных с разными техногенными авариями человеческих потерь. Из рис. 1.1 видно, что при разного рода катастрофах (в авиации, при пожарах, выбросах хлора, авариях реакторов АЭС), исключая дорожные происшествия (ДП), чаще всего чрезвычайные ситуации возникают в авиации, реже – при пожарах, третье место по частоте событий с летальными случаями занимают прорывы плотин, затем выбросы хлора и аварии на 100 реакторах АЭС. Наибольшее число летальных исходов – при прорыве плотин и выбросах хлора, затем при пожарах, в авиационных катастрофах и авариях АЭС.

В России и бывшем СССР не было случаев разрушения крупных плотин, но аварийные ситуации возникали неоднократно, особенно на дамбах хвостохранилищ предприятий горно-металлургической промышленности.

Рис. 1.1. Кривые социального риска при различных катастрофах в мире:

1 – 100 реакторов АЭС; 2 – выбросы хлора; 3 – прорывы плотин; 4 – пожары;

5 – аварии в авиации; б – интегральная кривая техногенных катастроф (без ДП) В бывшем СССР известен прорыв в Таджикистане в 1987 г. Саргазонского хвостохранилища объемом 2,7 млн. м3 и высотой плотины 23 м, вызвавший гибель 32 человек и нанесший большой материальный ущерб. Но в основном небольшие плотины разрушались на малых реках, поскольку они часто сооружались без требуемого обоснования данными гидрологических наблюдений и водосбросные сооружения часто были неспособны пропустить максимальные расходы. В последние годы произошли аварии на небольших плотинах водохозяйственного назначения в Башкортостане, Свердловской, Калужской и Волгоградской областях, Калмыкии, на плотинах малых ГЭС в Ленинградской области, на Алтае и других регионах.

Крупные гидроузлы в бывшем СССР создавались согласно четким нормам (СНиП), отличавшимся высокими требованиями к расчетам максимальных расходов паводков различной обеспеченности и другим разделам проектов. В России сейчас состояние многих крупных плотин и ГЭС не удовлетворяет возросшим требованиям безопасной эксплуатации (глава 2).

Наряду с известными причинами, увеличивающими риск аварии плотин, существует ряд факторов, характерных в большей степени сейчас для России и стран СНГ и относящихся к разряду социально-политических и экономических. К этим факторам относятся превышение нормативных сроков эксплуатации целого ряда плотин и ГТС, нарушение работы отдельных узлов и отсутствие профилактических ремонтов в связи с финансовыми трудностями, эксплуатация ГЭС в нерасчетных режимах и др.

Вероятность разрушения плотин в России выросла в период перестройки экономики, ликвидации некоторых органов управления водным хозяйством и в связи с отсутствием «хозяина» у некоторых водохранилищ и ГЭС.

В 2006 г. почти все ГТС и ГЭС перешли в подчинение единой Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор) и ее Научно-техническому центру (НТЦ) «Энергобезопасность ГТС». Небольшая часть ГТС принадлежит частному сектору – некоторым предприятиям. Но большое число малых ГТС, в основном в сельской местности и Министерстве природных ресурсов (МПР), стали бесхозными и перешли в управление местных органов власти, которые, как правило, не имеют достаточных средств для их требуемого обслуживания.

Бесхозные малые и средние водохранилища представляют серьезную опасность, т.к. велика угроза прорыва их плотин при интенсивном снеготаянии и продолжительных летне-осенних осадках. Незапланированный и несогласованный с общими мероприятиями в период половодий и паводков спуск этих водохранилищ может усугубить последствия наводнений.

Многие малые мелиоративные водохранилища Минсельхоза России находятся в плохом состоянии. По данным МЧС РФ (2002 г.) эти водохранилища расположены в основном в Ульяновской, Волгоградской и Ростовской областях и Краснодарском, Красноярском и Приморском краях.

Безопасность гидроузлов, особенно малых, снижается также в связи с отсутствием у большинства собственников проектной документации, что мешает оценить состояние и безопасность ГТС, установить соответствие обеспеченности расчетных расходов водосбросов классу сооружений.

Особое беспокойство вызывают возможные аварии гидроузлов комплексного назначения, где шлюзы, дамбы обвалования, различные водозаборы принадлежат разным собственникам. Контроль за этими ГТС находится на низком уровне, что может привести к их аварии, прекращению работы ГЭС или снижению выработки энергии. Такие последствия отмечались в 1999 г. на шлюзах Волжско-Камского каскада, на Павловской, Цимлянской, Новосибирской, Волховской, Свирских ГЭС, дамбах обвалования и насосных станциях Чебоксарской ГЭС. Но самое плохое состояние дамб золошлаковых отвалов ТЭС. Низкое качество строительства, слабый контроль, плохое их обслуживание и др. создают высокий риск их аварий.

Угрожает безопасности ГТС, плотин и ГЭС их старение. Большинство из них эксплуатируется более 30-40 лет. Согласно данным СИГБ после 40–50 лет срока службы вследствие старения плотин заметно возрастает вероятность их аварий и повреждений. Эта проблема приобрела особую актуальность в связи с введением в 1997 г. в действие Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» [1].

Сейчас 12 ГЭС России уже перешли рубеж 50-летней эксплуатации, а ГЭС перейдут его к 2010 г. Эти 32 ГЭС имеют общую установленную мощность 94 млн. кВт и годовую выработку 40 млрд. кВт-ч, что составляет треть общего числа ГЭС, более 20% их мощности и более 25% общей выработки энергии. Эти обстоятельства требуют особенно тщательной проверки безопасности плотин и принятия необходимых мер.

Еще в 1994 г. было установлено, что у 60% ГЭС мощностью более МВт гидросиловое оборудование выработало нормативный срок службы.

Анализ разрушения камер рабочих колес, например, на Волжской, Угличской и Колымской ГЭС, показал, что оборудование этих ГЭС выработало не только нормативный срок службы, но и свой полный ресурс, т.к. аварии были вызваны усталостными явлениями в стали. Не менее изношено было механическое оборудование, особенно грузоподъемное на ряде ГЭС Волжского каскада. Однако финансовые трудности не позволили тогда произвести реконструкцию гидроузлов и ее заменили восстановительными ремонтами, продлевающими срок их службы всего на 10–15 лет, а не на 25–30, как требуется. Сейчас положение выправляется и начаты работы по реконструкции и модернизации старых ГЭС Волжско-Камского каскада.

Помимо возраста ГТС, на снижение их безопасности влияет несоответствие старых ГТС введенному в 2003 г. СНиП «Основные положения проектирования ГТС». Согласно этому СНиП во многих построенных гидроузлах и ГЭС, включая крупнейшую Саяно-Шушенскую ГЭС (6400 МВт), построенную в 1978 г., и достраивающуюся сейчас в России крупнейшую Богучанскую ГЭС (3000 Мвт) на р. Ангаре, занижены максимальные расчетные сбросные расходы, принятые 30–70 лет назад на основе коротких гидрологических рядов наблюдений, что обусловило неправильный выбор модели расчетного гидрографа и других гидрологических характеристик.

Новые гидрологические данные, накопившиеся за время эксплуатации ГЭС, позволяют откорректировать значения максимальных расходов, в подавляющем числе случаев, в сторону их увеличения, что требует увеличения пропускной способности имеющихся водосбросов.

Результаты таких проверок показали, что 22 ГЭС имеют ограничения пропускной способности водосбросов, в том числе Саяно-Шушенская, Богучанская, Вилюйская, Усть-Хантайская, Саратовская, Майнская, Ириклинская, Миатлинская и Гергебильская ГЭС.

Повышение безопасности ГТС невозможно без изучения причин, приводящих к повреждению, аварии или разрушению ГТС.

В табл. 1.2 перечислены стихийные и антропогенные факторы, способные вызвать разрушения ГТС, основные виды их аварий, сопутствующие процессы, усиливающие или ослабляющие катастрофы, меры по предупреждению, предотвращению и устранению последствий аварий. Большинство из эти природных факторов риска вызываются климатическими процессами, проявляющимися в виде опасных природных явлений (ураганов, ливней, землетрясений и др.) и нынешнего цикла потепления климата.

Многие стихийные факторы связаны со сложными трудно прогнозируемыми геофизическими и атмосферными процессами. Поэтому перечисленные в табл. 1.2 эти процессы неопределённы по времени, неоднородны по последствиям и трудно предсказуемы. Но общими для них являются значительный размах по территории, сильное влияние на человека, окружающую природную среду и хозяйственные объекты, в том числе ГТС.

Общим является тенденция роста повторяемости и ущерба при всех видах стихийных бедствий (СБ) в связи с ростом численности и плотности населения и объектов повышенного риска, освоением регионов, наиболее часто подвергающихся СБ, и с хозяйственной деятельностью людей в труднодоступных районах, где сила и частота СБ выше, чем в освоенных.

Большую роль в профилактике аварий разных хозяйственных объектов, в том числе гидроузлов, играет прогноз опасных явлений, силы, характера и зоны распространения СБ и связанных с ними аварий.

Во всех случаях предпринимаемые меры должны включать три последовательных этапа – предупредительный, защитно-профилактический и необходимые мероприятия после катастроф, направленные на спасение людей и устранение последствий чрезвычайных ситуаций.

Наиболее опасные природные процессы и антропогенные факторы, угрожающие безопасности ГТС (факторы риска), а также последствия аварий ГТС (плотин) и меры их предупреждения сформулированы в табл. 1.2.

Факторы риска, последствия разрушения ГТС и меры предупреждения Факторы риска Стихийные: экстремальный сток, ледовые явления, нагоны, опасные меопасные явления теорологические явления (бури, ураганы, ливни, снегопады, смерчи и т.д.), долговременные изменения климата, землетрясения, цунами, оползни, обвалы, снежные лавины и сели, подвижки ледников, вулканическое извержение.

Антропогенные: ошибки проектирования, несоблюдение строительных норм и правил эксплуатации ГТС, непрофессионализм, некомпетентность обслуживающего персонала, военные действия, террористические акты.

Вид аварий Сверхнормативный сброс воды.

Повреждение или размыв тела плотины и береговых сооружений.

Нарушение фильтрационной прочности различных частей гидроузла.

Нарушение устойчивости или чрезмерные перемещения сооружений.

Неисправность, повреждение технологического оборудования.

Последствия Формирование волн прорыва, затопление и подтопление местности в НБ.

Вытеснение воды из водохранилищ при оползнях и обвалах, заполнение их наносами. Потери на фильтрацию через тело плотины.

Сопутствующие Активизация экзогенных процессов: интенсивная эрозия процессы в НБ и ВБ, обрушение берегов, деформация русел и пойм. Активизация и возникновение "местных" очагов сейсмической активности.

Залповое поступление загрязняющих веществ и наносов из водохранилища, машинного зала, разрушенных волной прорыва складов, хранилищ токсичных веществ. Формирование застойных зон в мелководных зонах долин, возникновение экстремальных бактериологических ситуаций.

Явления, Число факторов, интенсивность их проявления.

усиливающие Экологическое состояние региона.

(ослабляющие) Тяжелые погодные и климатические условия.

катастрофы Уклон местности, ширина, геоморфологическое строение долины реки.

Время прихода гребня волны прорыва (сезон года, время суток).

Плотность населения. Степень хозяйственной освоенности района, наличие опасных технологических процессов, хранилищ токсичных веществ.

Недооценка последствий стихийных бедствий, техногенных катастроф.

Несовершенство системы обеспечения безопасности. Заблаговременность оповещения населения. Подготовленность населения, государственных служб и общественности к возможным катастрофам.

Меры по пред- Научные исследования, направленные на решение прикладных задач.

отвращению Повышение профессионального уровня, подготовка специалистов в и ликвидации области стихийных бедствий и техногенных катастроф.

последствий Организация служб мониторинга за состоянием гидроузлов и ГТС.

катастроф Прогноз факторов риска и возможных последствий аварий.

Соблюдение норм безопасности, корректировка решений на всех этапах создания и эксплуатации гидроузлов. Усиление охраны ГТС.

Разработка мер по предупреждению и оповещению населения, по защите населения, природных и хозяйственных объектов от катастроф.

Обучение населения поведению и действиям при катастрофах.

Разработка сценариев реагирования во время и после катастроф.

Оказание помощи жертвам катастроф. Ликвидация последствий (возмещение материального ущерба, восстановление разрушений и т.д.).

1.2. Виды и последствия наводнений* По данным ООН за 1963–1992 гг. наибольшее количество стихийных бедствий (СБ), вызывающих гибель 100 человек и более, связано с наводнениями (202 случая), тропическими штормами (153 случая), эпидемиями (133) и землетрясениями (102). В России за это время погибло от СБ около 3 тыс. человек, пострадало 540 тыс., из них – 30% от наводнений.

Нет отраслей хозяйства, на которые не оказали бы влияния наводнения.

Прямой ущерб от наводнений зависит от высоты и скорости подъема уровней воды, продолжительности их стояния, времени года, степени освоенности и экономического развития территории, плотности населения, от своевременности прогноза и принятия предупредительных мер, от эффективности защитных противопаводковых ГТС включая дамбы.

Главным фактором постоянного роста ущерба от наводнений является в основном заселение паводкоопасных территорий и расширение на них хозяйственной деятельности. По разным оценкам на этих территориях площадью около 3 млн. км2 проживает примерно 1млрд. человек.

В США недавнее катастрофическое затопление г. Нью-Орлеана было вызвано не столько прорывами морских волн от урагана Катрина в прибрежную полосу города, сколько размывами длинной противопаводковой земляной дамбы, защищающей город с противоположной стороны от крупного водохранилища. Высокие ветровые волны с этой стороны привели к переливу воды через защитную дамбу, которая оказалась совершенно не подготовленной к этому воздействию, хотя в 1962 году более слабый ураган уже вызывал повреждения и частичные размывы этой дамбы.

* Данные по гидрологическим и другим условиям образования наводнений и связанным с ними чрезвычайным ситуациям, взяты из материалов ряда организаций, в том числе МЧС (обзорные сборники «Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях»), изданий Минтопэнерго, РАО «ЕЭС России», ОАО «Институт Гидропроект», «НИИЭС» (журналы, научно-технический сборник БЭС, информационные обзоры и др.), монографии Малик Л.К. [2], трудов СИГБ [3–5], Интернета и архива автора.

Особенно сильные наводнения и ущербы наблюдаются в Китае, чему способствуют муссонный климат и плоский равнинный рельеф, большие реки в низовьях протекают по ложу, приподнятому над освоенной поймой, например, р. Хуанхе – на 12-15 м, подъемы уровней воды достигают 30 м.

В Западной Европе при катастрофических ливневых наводнениях затапливается около 4% территории. Самые катастрофические последствия имело наводнение летом 2002 г., когда погибло более 100 человек, а общий ущерб составил более 20 млрд. евро. Наводнения с большими потерями и человеческими жертвами охватили не только Центральную, но и Восточную Европу и целый ряд регионов Юго-Восточной Азии (Китай, Индию, Таиланд). В Китае и Индии число жертв превысило 1000 человек.

В России общая площадь земель, подвергающаяся затоплениям при наводнениях, составляет более 800 тыс. км2 (около 5% территории страны).

Угроза существует более чем для 40 крупных городов и нескольких тысяч других населенных пунктов. По данным МЧС РФ (2003 г.), ежегодно со стопроцентной вероятностью в России затапливаются около 50 тыс. км2.

При этом среднестатистическая величина ущерба от наводнений по стране составляет в среднем около 100 млрд. руб. в год. В последние 9 лет особенно частые наводнения наблюдались в Архангельской, Оренбургской, Курганской, Екатеринбургской, Тюменской и Иркутской областях, Красноярском крае, республиках Башкортостан, Якутия–Саха и других.

Катастрофическим наводнениям летом 2002 г. подверглись Краснодарский и Ставропольский края, Дагестан, Ингушетия, Чечня, Северная Осетия. В Ставропольском крае за сутки выпало три месячные нормы осадков.

Общее число погибших, по подсчетам МЧС, составило по Южному Федеральному округу 114 человек, материальный ущерб оценен в 15 млрд. руб.

Наиболее распространенным типом наводнений в России являются наводнения, вызванные интенсивным таянием снега и подъемами уровней воды на равнинных реках. Они приобретают катастрофический характер, если сочетаются с весенними дождями и обильным предзимним увлажнением почвы. Одна из причин подобных наводнений, наряду с гидрометеорологическими факторами (высокие зимние осадки и раннее снеготаяние), бесконтрольное массовое сооружение небольших прудов и плотин.

Часты наводнения, вызванные затяжными дождями и интенсивными ливнями. Угрозе таких наводнений обычно подвержены обширные территории Дальнего Востока, юг Восточной Сибири до Читинской области, куда проникают тихоокеанские муссоны, Северный Кавказ и Закавказье.

Зажорные и заторные наводнения характерны для предгорных и равнинных участков рек. Зажорные подъемы уровней воды в реках, вызванные скоплениями шуги и внутриводного льда, несмотря на зимнее маловодье, могут превышать уровни весенне-летнего половодья, способствовать образованию в районах с суровым климатом сезонных речных наледей.

На реках, текущих на север в европейской части России, особенно на реках Сибири, крупные наводнения формируются в весенний период из-за заторов льда при вскрытии рек с верховьев. Наибольшая интенсивность, повторяемость и распространение заторных наводнений, сопровождающихся катастрофическими последствиями, наблюдается в бассейне р. Лены – от верховьев до дельты и на ее притоках. Длина заторов на р. Лене, может достигать 50–100 км, подъемы уровней – более 10 м. Самые высокие для России заторные уровни зафиксированы на р. Нижней Тунгуске в сужении русла, где они поднимались над меженью на высоту 35–40 м.

Следует отметить, что в Сибири наводнения охватывают слабо заселенные территории, где, однако, до 90% жителей и 75% сельскохозяйственных земель сосредоточены в долинах рек, подвергающихся наводнениям.

Наводнения, приобретающие характер селей, – частое стихийное явление на Северном Кавказе, связанное с ливневыми осадками. До 90% селевых наводнений в Дагестане – результат ливневых дождей с суточным максимумом 50–100 мм. Формированию селей способствуют и антропогенные факторы. Например, селевой паводок, сформировавшийся в июле 1958 г. в бассейне р. Садон (Северная Осетия) в результате ливневых дождей, смывших отвалы горнодобывающего предприятия.

Анализ причин наводнений весной 1998 г. в юго-западных районах России показал, что они были вызваны не только природными факторами – интенсивным ростом в феврале-марте температур воздуха, дождями, быстрым снеготаянием, резким подъемом уровней воды в реках. В значительной степени опасная паводочная ситуация была связана с бесконтрольным возведением плотин на реках с целью создания запасов воды для летнего засушливого периода и как следствие – невозможностью пропуска воды в период половодья, а также с высоким уровнем стояния грунтовых вод. В результате при дождливой весне грунтовые воды вышли на поверхность и подтопили большие территории – в Ростовской области 7675 домов (часть из них разрушена) и 95 тыс. га сельскохозяйственных земель. Чрезвычайной паводочной ситуации способствовал резкий рост неконтролируемого сброса воды из водохранилищ, в том числе с территории Украины.

Высокие паводки в августе 1998 г. на р. Амуре и реках Забайкалья имели серьезные последствия. Опасные гидроэкологические ситуации на реках Дальнего Востока и Хабаровского края, связанные с ливневыми дождями, наблюдались в мае 2000 г. в долине р. Биры (Еврейская автономная область), когда уровни воды были близки к категории особо опасных.

Большой ущерб экономике Приморского края нанесли дожди и наводнение конца июля 2002 г. Уже в первые дни было подтоплено 520 домов и 13 тыс. га сельскохозяйственных земель, без электроэнергии осталось населенных пунктов. Одной из причин быстрого роста уровней являлись также сбросы воды из переполненных водохранилищ в Китае. Однако предупреждения об открытии водосбросов с китайской стороны не поступало.

В связи с обильными ливневыми осадками в октябре 2000 г. создалась экстремальная гидрологическая ситуация в Забайкалье, где на реках Киренга, Калар, Олекма, Чара, Витим и других сформировались дождевые паводки с высотой подъема уровней в 3–9 м и затоплением пойм до глубины более 4 м. Были разрушены мосты, подтоплены дома и дороги.

Высокие летние паводки во время ливневых дождей были характерны в 1998 г. для западных районов страны. На р. Волхове, например, в июле они обеспечили приток воды к Волховской ГЭС, в 6 раз превысивший норму.

На Северном Кавказе экстремальные гидрологические ситуации из-за выпадения летних осадков наблюдались часто. В июле 2000 г. жаркая погода и ливневые дожди привели к бурному таянию льда в горах, высоким уровням р. Баксан и образованию пяти мощных селевых потоков в Тырныаузе.

1.3. Способы защиты от наводнений Одними из видов борьбы с наводнениями являются защитные дамбы. На территории бывшего СССР было создано более 200 систем обвалования общей протяженностью более 12 тыс. км, защищающих свыше 9 млн. га сельскохозяйственных земель. Обвалованы поймы рек Терека, Кубани, Куры, от амурских паводков защищены дамбами города Хабаровск, Благовещенск и Комсомольск-на-Амуре. Обвалования используют для защиты других городов, промышленных и сельскохозяйственных объектов.

Дамбы снижают иногда пропускную способность русел, способствуют образованию «пробок» из льда или приносимого водой материала, их высота бывает недостаточной для предотвращения от затоплений паводкоопасных территорий. Дамбы в районе г. Ленска были разрушены в период катастрофического половодья 2001 г., построены заново, но их высота оказалась недостаточной в половодье 2002 г. Кроме того, дамбы создают иллюзию у населения о полной безопасности, способствуют застройке обвалованных, но паводкоопасных территорий, что значительно увеличивает ущерб от катастрофических наводнений редкой повторяемости, натиска которых не выдерживают защитные сооружения.

Производятся также берегоукрепительные и русловыпрямительные работы, расчистка русла, отводы воды, регулирование стока малых рек, осуществляются лесомелиоративные и агротехнические мероприятия на водосборах. Все эти меры направлены на перевод поверхностного стока в грунтовый и рост подземной составляющей. Защитные дамбы и перечисленные мероприятия не решают полностью задачу борьбы с наводнениями.

Наиболее эффективным способом борьбы с высокими половодьями и паводками является перераспределение стока водохранилищами, возможности регулирования водных ресурсов определяются в основном отношением полезного объема к среднему годовому стоку реки.

Водохранилища для борьбы с наводнениями (обычно комплексного назначения) используются во всех странах мира, что позволяет на территориях ниже плотин полностью или частично избежать чрезвычайных ситуаций и бедствий, связанных с наводнениями, и значительно снизить затраты на строительство хозяйственных объектов.

Стоит напомнить о прохождении на р. Волге до зарегулирования стока катастрофических наводнений с громадными ущербами и людскими потерями. Таким было, в частности, наводнение в 1926 г., когда затопило тыс. км2 территории, а окончательное число жертв до сих пор неизвестно.

Водохранилища на Волге помогли снизить ущерб от наводнений 1994 г., оцениваемый более чем в 2 трлн. рублей. В 1979 г. благодаря Рыбинскому водохранилищу, пропускающему высокий паводок по каскаду Волжских водохранилищ, сброс в НБ Волжского гидроузла был снижен на 2000 м3/с, что сильно уменьшило ущерб на Средней и Нижней Волге.

Водохранилище на р. Зее спасает долину реки от наиболее разрушительных наводнений (например, в 2007 г.). Паводки, которые до строительства гидроузла повторялись каждые 2–4 года, сейчас наблюдаются лишь 1 раз в 10–100 лет. Дальнейшее снижение паводковой опасности на Дальнем Востоке планируется путем строительства водохранилищ в бассейне р. Амура.

1.4. Опасность наводнений при прорыве плотин Спасая обширные территории от наводнений, гидроузлы сами могут стать источником катастрофических затоплений в НБ в случае аварии плотин и образования волны прорыва. По мировой статистике аварий плотин (СИГБ), самым частым видом аварий плотин, особенно земляных, является перелив воды через гребень плотины при пропуске паводковых расходов выше расчетных и недостаточной пропускной способности водосбросов.

В истории мирового плотиностроения есть много примеров разрушения плотин при пропуске паводков крайне редкой, неучтенной в проекте обеспеченности. Как уже упоминалось, в нашей стране не было разрушения крупных плотин благодаря высоким требованиям действующих норм по назначению расчетных максимальных расходов воды. Но небольшие плотины на малых реках разрушались вследствие превышения сбрасываемых паводковых расходов их проектных значений из-за неполноты гидрологических наблюдений в створе гидроузла. В последние годы произошли катастрофы на небольших водохозяйственных гидроузлах (Тирлянском, Кисилевском, Людиновском, Серовском и др.). В Калмыкии, например, в многоводном 1994 г. в паводок было разрушено 40 земляных плотин.

Особенно опасны наводнения, связанные зимними попусками из водохранилищ, формирующими подвижки льда и ледоход в НБ, сопровождающиеся подтоплением прибрежных участков. Зимой 1956–1957 гг. из Камского водохранилища были вдвое против нормативных увеличены попуски, вызвавшие ледоход на протяжении 60 км в НБ и затем образование затора. В районе г. Краснокамска лед был поднят и перемещен сплошным полем, наводнением был причинен большой ущерб.

Можно также вспомнить наводнение в июле 1988 г. в НБ Красноярской ГЭС, вызванным мощным циклоном и ливневыми осадками большой интенсивности и продолжительности, когда в июле количество осадков составило 110–230% нормы. Продолжавшиеся дожди способствовали интенсивному таянию горных снегов в верховьях р. Енисея. Резко поднялся уровень воды в р. Енисей и Красноярском водохранилище, и критическое положение при его переполнении заставило открыть пять из семи затворов водопропускных сооружений. Размеры сброса достигли 12 тыс. м3, около тыс. м3/с сбрасывала недостроенная Саяно-Шушенская ГЭС. Уровень воды в НБ Красноярской ГЭС быстро поднялся на 4 м, что вызвало катастрофическое наводнение с большим материальным ущербом.

Пример этого и других наводнений еще раз свидетельствует о необходимости соблюдения главного правила – в НБ гидроузлов и на территориях, подвергающихся периодическим затоплениям паводочными водами, не должно быть незащищенных хозяйственных объектов и жилых построек, не должно быть объектов, стесняющих поток воды. Но нарастает тенденция роста застройки и заселенности НБ и паводкоопасных территорий, вопреки печальному опыту и предупреждению гидротехников. По данным Роскомвода, при прорыве плотин в г. Пензе в зоне затопления может оказаться 75 тыс. человек, в г. Челябинске – 170 тыс., а в случае прорыва плотин Волжского каскада - несколько миллионов человек.

По данным МЧС (1998 г.) во всем Приволжском регионе (от г. Воркуты до г. Астрахани), включающем большую часть бассейна р. Волги, в случае прорыва плотин будут затоплены территории площадью 8 тыс. км2, на которых проживает до 1,5 млн. человек.

Сейчас оперативный прогноз паводочной опасности осуществляет МЧС России, объединяющей более 30 организаций (головная – ВНИИ ГОЧС).

Центр мониторинга располагает базой данных по опасным уровням, с которыми сравниваются наблюдаемые и прогнозные уровни конкретных водных объектов. Обстановка отслеживается с помощью средств космического и авиационного наблюдений. По данным космических снимков оценивается прямой ущерб от наводнений по методике, разработанной в МЧС.

Глава 2. Гидрологическая безопасность гидросооружений (ГТС) 2.1. Понятие гидрологически опасных объектов Около 45 тыс. больших (высотой более 15 м) плотин, эксплуатирующихся сейчас в мире, из которых 43 тыс. возведены в XX веке, в том числе 37,4 тыс. с 1950 г., являются лучшей характеристикой плотиностроения в обеспечении устойчивого развития цивилизации за 5000 лет. Более км3 речного стока, зарегулированного с их помощью, используется для орошения 270 млн. га земель, выработки почти 2460 млрд. кВтч (18,5% всей потребляемой в мире) электроэнергии, защиты от паводков, обеспечения потребности в технической и питьевой воде, создания зон отдыха и возможности судоходства на ранее недоступных участках рек.

Вместе с тем, наличие водохранилищных плотин, наряду с выгодами, влечет за собой создание различного рода рисков, вероятностных по своей природе, из которых наиболее известными по негативным последствиям являются социальные, материальные (экономические), конструктивные (гидрологические, геодинамические, технические), экологические и др. В широком смысле здесь понимается неспособность гидроузла обеспечить оптимальную выгоду в течение заданного периода времени.

Анализ катастрофических разрушений ряда плотин, их последствий, изучение причин и закономерностей различных рисков, их учет и регулирование имеют большое практическое значение. Обеспечение безопасности (надежности) главное условие возведения плотин, являющихся гидрологически опасными объектами.

Гидрологически опасный объект (ГОО) сооружение или природное образование, создающее разницу уровней воды до и после него. К ним относят напорные гидросооружения и природные образования (различные завалы, запруды), препятствующие свободному течению воды. Особенностью разрушения таких препятствий является образование волны прорыва.

Особенно опасно разрушение больших плотин, когда вода с большой высоты и скоростью устремляется в нижний бьеф (НБ), сметая все на своем пути. Здесь действуют два фактора: волна прорыва и зона затопления, каждый из них имеет свои особенности и для людей представляет опасность.

2.2 Аварии на гидрологически опасных ГТС и возникновение наводнений Гидрологическая авария (ГЛА) – это чрезвычайное событие, связанное с разрушением ГТС (плотины) или его части и неуправляемым перемещением больших масс воды, что приводит к значительным разрушениям и затоплению больших территорий.

Разрушение (прорыв) плотин происходит в результате воздействия природных сил (катастрофических паводков, землетрясений, оползней в ВБ), вследствие конструктивных дефектов и грубых ошибок в проекте (например, недостаточной пропускной способности водосбросов), нарушений правил эксплуатации плотин и действий человека (диверсий, подрывов).

Прорыв плотины является начальной фазой ГЛА и представляет процесс образования прорана и неуправляемого потока воды от ВБ к НБ.

Проран узкий проход (промоина) в теле (насыпи) плотины, через который выходит вода и образует волну прорыва. Волна прорыва образует фронт волны и гребень. При прорыве в плотине образуется проран, от размеров которого зависят объем, скорость падения воды и параметры волны прорыва главного поражающего фактора аварии. Волна прорыва образуется при одновременном наложении двух процессов: падения воды с ВБ в НБ, порождающего волну, и резкого роста объема воды в месте падения, что вызывает быстрый подъем уровня воды и растекание ее в пониженные места. Действие волны прорыва на объекты подобно ударной волне воздушного атомного взрыва, но отличается от него в первую очередь тем, что главным воздействующим фактором здесь является вода.

Прорыв плотины приводит к резкому подъему уровня воды в НБ и затоплению местности и всего того, что на ней находится (наводнению). Поэтому строить жилые и производственные здания в этой зоне запрещено.

В зависимости от скорости опорожнения водохранилища (ВБ) различают два вида волны: волна попуска медленное опорожнение ВБ и волна прорыва быстрое опорожнение. По своей сущности волна прорыва (попуска) представляет собой неустановившееся движение потока воды, при котором глубина, ширина, гидравлический уклон, скорость течения в любом створе изменяются во времени. Поэтому она имеет зоны подъема и зоны спада. Передняя часть движущейся массы воды называется фронтом волны прорыва. Она может быть очень крутой (вблизи прорана) и относительно пологой на большом удалении от него. Вслед за фронтом волны прорыва высота воды быстро возрастает, достигая через некоторое время максимума (гребень волны), превышающего высоту берегов реки, в результате чего начинается затопление прилегающих территорий (наводнение).

После прекращения подъема уровней по всей ширине потока наступает относительно длительный режим движения, близкий к установившемуся (хвост волны). Он тем длительнее, чем больше объем водохранилища или ВБ пока оттуда вся вода не вытечет. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней. После прохождения волны прорыва остается размытая пойма и сильно деформированное (размытое) русло реки.

Разрушительное действие волны прорыва заключается в основном в движении крупных масс воды с большой скоростью и таранного действия всего того, что перемещается вместе с водой (камни, доски, конструкции).

Основными оценочными параметрами волны прорыва являются:

• максимальная в данном створе высота волны h и глубина потока hг, равная сумме высоты волны и глубины реки до прохождения по ней волны прорыва h0 (бытовая глубина);

• скорости движения фронта, гребня и хвоста волны и время добегания Wфр, Wгр, Wхв характерных точек волны до разных створов в НБ;

• длительность прохождения волны зат в выделенных створах, равная сумме времени подъема и спада в них уровня воды;

• средние V и поверхностные Vпов скорости течения в различных створах;

• наибольшая ширина затопления речной долины F.

Высота и скорость волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий. Высота волны прорыва (глубина потока волны) зависит от размеров прорана В, высоты плотины Нп, уклона реки i, высоты места объекта hm. Для равнинных рек h=2–10 м, скорость волны равна 3– км/ч. Для горных и предгорных рек скорость достигает 100 км/ч. Лесистые участки замедляют скорость и уменьшают высоту волны. Время прихода фронта волны прорыва tфр всегда меньше времени прихода гребня tгр.

За последние 70 лет в мире произошло свыше тысячи аварий крупных ГТС (плотин). Анализ аварий ГТС за 70 лет показывает, что основными их причинами являются: разрушение основания и недостаточная пропускная способность водосбросов, то есть перелив воды через гребень плотин.

Процентное соотношение основных причин аварий ГТС дано в табл. 2.1.

Соотношение причин аварий больших плотин За период с 1902 по 1977 гг. из 300 аварий в различных странах в 35% случаев причиной было превышение расчетного максимального сбросного расхода, то есть перелив воды через гребень плотины.

Процентное соотношение аварий разных типов плотин дано в табл. 2.2.

Соотношение аварий плотин различных типов При прорыве плотин значительные участки местности через 15–30 мин обычно оказываются затопленными слоем воды толщиной 0,5–10 м и более. Время, в течение которого территория может находиться под водой, колеблется от нескольких часов до нескольких суток.

Кроме техногенных факторов, на режим рек и возникновение катастрофического затопления оказывают влияние природные факторы. Катастрофическое затопление – гидрологическое бедствие, заключающееся в быстром затоплении местности и возникновении наводнения. Среди других стихийных бедствий в России по повторяемости, площади распространения и материальному ущербу наводнения стоят на первом месте.

Природно-географическими условиями возникновения наводнений являются: выпадение осадков (дождя), таяние снега и льда, цунами, тайфуны.

Наиболее часто наводнения бывают дождевого-речного типа. Другой тип затопление побережья в результате поднятия уровня воды при шторме (нагоны). Наводнения возникают при обильном таянии снега, в связи с заторами при ледоходе, таянием льда при оттепелях. Причиной наводнения может стать недостаточная пропускная способность водосбросов при грозовых ливнях. Выпадающие на большой территории ливневые дожди могут сильно повысить уровень рек, если дожди сопровождаются внедрением теплых масс или воздействием штормового фронта. При этом от разлива реки может быть затоплена вся ее пойма.

При таянии снега вода от снега суммируется с дождевой, что может вызвать наводнение, особенно при внезапной оттепели, ускоряющей таяние снега. Тем не менее, паводки от таяния снега развиваются медленнее, чем дождевые, что позволяет принять упреждающие меры. Положение со снеговыми паводками усугубляется тем, что площадь лесов, являющихся естественным «буфером» водного баланса биосферы, в связи с интенсивными вырубками сильно снижается. При резкой оттепели после холодной зимы лед почти не размягчается и его ломка происходит замедленно. Ледяной слой проламывает вздувшаяся река, и большие глыбы льда образовывают заторы у мостов и в узких местах русла, что приводит к возникновению запруд. Выше затора происходит разлив, а при преодолении водой затора волна прорыва, распространяясь вдоль реки, вызывает разрушения.

На возникновение наводнений большое влияние оказывают геологические факторы. Поэтому важно располагать данными о геологии бассейна, откуда поступает вода в зону затопления. Эти сведения могут быть взяты из геологических и гидрологических данных, включая аэрофотосъемки.

Прочные изверженные породы, метаморфические и плотные осадочные размываются медленно. При этом ГТС, возведенные на этих породах, редко оказываются подмытыми. Рыхлые отложения, выветренные и химически измененные породы менее устойчивы к воздействию воды, и ГТС, возведенные на таких основаниях, могут терять устойчивость.

Наиболее часто на территории России наводнения представляют собой повышение уровней и расходов воды в реке за счет роста ее притока. В зависимости от времени года, источника притока воды в русло и его интенсивности наводнения подразделяют на весеннее половодье и паводок.

Весеннее половодье сопровождается обычно сильным повышением уровней и расходов воды в реке за счет таяния снега. Воды полностью заполняют меженное русло и заливают пойму. В крупных водохранилищах при постоянно залитой пойме весенний паводок может проходить более сглажено. Длительность половодья для малых рек составляет несколько дней, для больших рек 1–3 месяца. Наибольшая высота уровня весеннего паводка зависит от следующих факторов: а) величины запасов воды в снеге в бассейне к началу таяния и характера их распределения в бассейне;

б) интенсивности и одновременности весеннего таяния снега по бассейну;

в) промерзания почв бассейна перед таянием снега; г) насыщенности водой почв бассейна перед таянием снега; д) количества и интенсивности осадков перед весенним наибольшим подъемом уровня воды в реке.

Подъем уровня воды в реках от дождей достигает наибольших размеров при ливневых осадках. В это время реки обладают большой энергией и несут большую массу воды и наносов. Деформируя дно и берега, они представляют серьезную угрозу наводнений в прилегающих районах и промышленных центрах, расположенных обычно вблизи водных объектов.

Большие массы воды грозят разрушением плотин, мостов и других сооружений в береговой зоне, вызывают эрозию незащищенных склонов. Весеннее половодье на ряде водохранилищах уносит до 1 и более метров крутых береговых склонов, сложенных из несвязных грунтов.

Паводковые наводнения обычно скоротечны, возникают внезапно и наносят большой ущерб народному хозяйству. Длительность ливневых паводков доходит до нескольких дней. Особую опасность представляют наводнения от весеннего половодья и одновременно возникшего паводка.

Применительно к наводнениям поверхность любого речного бассейна состоит из множества площадок суши с различными углами наклона к горизонту и отделенными друг от друга микроводоразделами с продольными понижениями разной формы и глубины. Система этих понижений образует гидрографическую сеть, имеющую свой водообмен, зависящий от расположения водного объекта. Гидрографическая сеть собирает воду со склонов и транспортирует ее вниз по уклону к замыкающему створу.

Между площадью водосбора реки S, км2 и ее длиной L, км существует следующее приближенное соотношение:

Суммарный сток за половодье обычно выражается в виде равномерного слоя воды Y, мм на поверхности бассейна:

где Qi сумма средних суточных расходов за половодье, м /сут.

Максимальный расход Mmax, м3/(скм2), половодья выражается в виде Приведенные выражения на основе данных по кривой расхода для конкретной реки Qmax позволяют установить возможные уровни половодья или наводнения. Данные для таких расчетов можно найти в литературе [6, 7].

2.3. Риск и надежность при строительстве и эксплуатации плотин Социальный риск во все времена являлся главным критерием оценки надежности безопасности плотин. Катастрофы являлись своеобразными вехами при пересмотре критериев проектирования и выборе более эффективных способов контроля безопасности плотин, так что использование критерия социального риска в проектной практике давно назрело. Ежегодная частота человеческих жертв при авариях на ГОО имеет постоянный рост, приближающийся к 1000 чел. Однако повышение безопасности плотин ведет к заметному снижению величин этого риска. Если за критерий допустимого социального риска из-за аварии плотин в России принять 10-7, то расчеты показывают, что государственной системой обеспечения безопасности должны быть охвачены не только водохранилища с объемом более 1 млн. м3, но и объекты, находящиеся в зоне действия волны прорыва и катастрофического затопления в НБ с населением выше 1500 человек.

Социальный риск определяется как отношение разности погибших людей до и после чрезвычайного происшествия к количеству людей, которые могут быть подвержены данному фактору риска (негативные факторы, возникающие при разрушении ГТС) на 1000 чел. Величина социального риска и все факторы, требующие рассмотрения уже на стадии проектирования, определяются вероятностью разрушения плотины; заселенностью НБ в различные периоды после постройки плотины; наличием системы аварийного оповещения и планов действий в условиях чрезвычайной ситуации.

Материальный (экономический риск) является весьма существенной величиной. Иногда убытки от разрушения плотины могут быть на порядок выше затрат на строительство и эксплуатацию плотины.

Социальный и экологический риски, как правило, возникают в результате реализации технического (конструктивного) риска, поэтому в первую очередь следует учитывать все факторы, обеспечивающие требуемую надежность ГТС. Под технических риском понимается свойство ГТС претерпевать отказы при внешних воздействиях и реакции ГТС на них при невыполнении требований техдокументации.

Характерными моделями технического риска являются следующие:

1. Начальное наполнение ВБ (примерно 80% от общего числа аварий).

При этом основными факторами риска являются: чрезмерная проницаемость и деформационная неоднородность плотины и ее основания, трещинообразование в плотине и ее основании при воздействии напора воды;

2. Гидродинамический риск размыв крепления НБ и его основания;

3. Сейсмический риск реализуется в снижении устойчивости и прочности плотины, ее трещинообразовании, разжижении песчаных элементов плотины и основании и т.п. при высоком сейсмическом воздействии;

4. Геотехнический риск низкие геотехнические (физико-механические) характеристики грунтов плотины и ее основания (плотность, прочность на сдвиг, сжимаемость, водопроницаемость, суффозионность и др.).

Оценка надежности и риска в вероятностной постановке требует рассмотрения одинаковых по реакции на воздействие типов ГТС, одними из которых являются разные типы крупных бетонных плотин, общее количество которых во всем мире превысило сейчас 7 тыс., а в России 55. Расчетные и натурные данные показывают, что в настоящее время величина суммарного риска аварий на ГТС в ряде случаев почти на порядок превышает допустимый уровень индивидуального риска 510-4 (табл. 2.3).

Риск реализованных отказов бетонных плотин на скальном основании Реакция сооружения Чрезмерная проницаемость Деформационная неоднородность Недостаточная прочность на сдвиг Всего Эти данные Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ) характеризуют средние риски бетонных плотин в мире, для которых, кроме приведенных факторов, большое значение имеет географическое расположение (страна) плотины, ее возраст. Модель риска для конкретной плотины, кроме этих факторов, определяется нагрузками (особенно, сейсмическими), человеческим фактором (опытом проектировщиков, строителей и работников эксплуатирующей организации) и др. Расчет риска аварий бетонных плотин можно выполнить по программе CADAM (Канада) [8].

2.4. Последствия гидрологических аварий плотин и затоплений НБ Основными последствиями гидрологических аварий (ГЛА) являются:

а) долговременное разрушение ГТС, что влечет дефицит электроэнергии и спад производства; б) гибель людей, разрушение сооружений, зданий, дорог, мостов и других элементов прилегающей инфраструктуры прошедшей волной прорыва; в) загрязнение окружающей среды (воды, местности), возможность возникновения эпидемий; г) катастрофическое затопление больших территорий; д) остаточные последствия затопления (наносы, порча материальных ценностей, загрязнение окружающей среды и др.).

Ущерб от ГЛА определяется по следующим показателям: а) численность населения, объектов народного хозяйства в зоне затопления; б) число погибших, раненых и оставшихся без крова людей; в) площадь затопления; г) общий прямой и косвенный ущерб.

Обстановка в населенных пунктах сильно зависит от его моральнопсихологического состояния и инженерной обстановки. На это состояние населения влияют степень и сроки его оповещения о предстоящем наводнении, уровень заблаговременной подготовки людей к действиям в период наводнения, частота наводнений, время года и суток, скорость подъема воды и другие факторы. Если наводнение наступает внезапно и заблаговременная подготовка населения не проводилась, то возникает паника, неорганизованное бегство от стихии, которые приводят к заторам и пробкам на путях эвакуации, и, как следствие, к дополнительным жертвам. Усугубляют эту обстановку холодная, ненастная погода и темное время суток.

При заблаговременном оповещении и подготовке населения идет оперативная организованная эвакуация населения и материальных ценностей, принимаются меры по борьбе со стихией, мобилизуются органы управления и спасательные команды с техникой.

В населенных пунктах, подвергающихся относительно частому затоплению, население, как правило, готово к приходу стихии, проводит заблаговременные организационно-технические мероприятия, направленные на защиту от стихии и снижение возможного ущерба. Паника в таких случаях возникает редко, эвакуация населения и спасение материальных ценностей производится планомерно с достаточной эффективностью.

Поражающее действие наводнения выражается в затоплении жилищ, промышленных и хозяйственных объектов, полей с урожаем, разрушении зданий и сооружений или снижения их капитальности, повреждении и порче оборудования предприятий, разрушении ГТС и коммуникаций.

В перечень основных причин разрушения зданий при затоплениях входит водонасыщение и размыв грунта основания. Водонасыщение приводит к разжижению грунта, потере им прочности. Повреждение газовых и электрических коммуникаций может вызвать взрывы и пожары.

Волна прорыва при движении по руслу реки наносит колоссальный ущерб народному хозяйству. В первую очередь она представляет серьезную опасность для населения в результате внезапного затопления жилых построек и административных зданий. Поэтому вопрос своевременного прогнозирования последствий воздействия волны прорыва и катастрофического затопления чрезвычайно важен.

Эрозийное действие потока зависит от динамики его формирования и спада уровня потока (после прохождения волны прорыва или прекращения ливневых дождей). Эти данные можно прогнозировать на основе физического или математического моделирования.

При физическом моделировании прототип сохраняет физическую природу объекта полностью и часто является его уменьшенной копией. При математическом моделировании прототип полностью заменяется функциональными зависимостями, реализуемыми на ЭВМ. Самым экономичным и эффективным является последний вид моделирования, который быстрыми темпами развивается сейчас. Например, на ЭВМ успешно моделируется динамика формирования пластового потока, стекающего по склону местности и действующего на подстилающие породы. Но повреждения от затоплений средних и крупных зданий определяются не столько энергией водного пластового потока, сколько тем, что вода заливает подвалы и фундаменты домов. Поэтому здесь становится важен режим затопления. Данные прогноза позволяют достаточно достоверно определить глубину (высоту) волны прорыва, ее скорость и продолжительность затопления.

Отдельным вопросом является оценка воздействия волны прорыва на инженерные сооружения, пересекающие русло реки, мосты и дороги.

Воздействие волны на мостовые переходы может быть следующим:

а) удар движущегося фронта волны; б) длительное гидравлическое давление на элементы моста (опоры, береговые устои и пролетные строения);

в) размыв грунта между опорами (общий размыв) и подмыв опор (местный размыв), разрушение регуляционных сооружений и земляных насыпей; г) медленное затопление местности, сооружений и дорог без существенного их разрушения на подходах к мостовому переходу; д) удары больших плывущих предметов по опорам и пролетному строению; е) образование заторов плывущих предметов и образование стеснений потока, что создает дополнительный подпор с верховой стороны моста.

Качественной оценкой при прогнозе последствий волны прорыва на мосты могут стать данные табл. 2.4, из которой видно, что самыми уязвимыми являются сам мост и его защитные элементы. Меньше повреждаются подходы к мостам. Главная причина всех видов разрушений – размыв грунтов.

Статистические данные по разрушению мостов от волн прорыва Общий размыв русел из-за недостаточности отверстия (включая Местный размыв основания регуляционных сооружений и конусов Повреждение регуляционных сооружений продольным течением Оценку параметров разрушений сооружений и зданий от волны прорыва можно получить по табл. 1–3, а плотин и дамб – по табл. 4 Приложения.

Размер ущерба при затоплениях зависит от исходной капитальности здания (сооружения), которому соответствует определенное значение расчетной обеспеченности Р, %. Расчетная обеспеченность это вероятность наступления максимальных уровней воды с определенными величинами.

Проектирование зданий ведется с учетом значений максимума уровней определенной повторяемости. Поэтому ожидаемая величина ущерба может быть оценена по проектному классу капитальности здания. По капитальности жилые здания подразделяют на шесть классов, общественные на девять классов, которым соответствуют нормативные сроки службы (долговечность) основных конструкций (лет). Для первых четырех классов долговечность такова:

Различают прямой и косвенный ущерб от действия волны прорыва.

К прямому ущербу относят: а) повреждения и разрушения жилых, общественных и производственных зданий, железных и автомобильных дорог, линий электропередач и связи, мелиоративных систем; б) гибель скота, урожая сельскохозяйственных культур; в) уничтожение и порчу сырья, топлива, продуктов питания, кормов и удобрений; г) затраты на временную эвакуацию людей и перевозку ценностей в незатопленные места; д) смыв плодородного слоя почвы и замыв ее песком.

К косвенному ущербу относят: а) затраты на приобретение и доставку в пострадавшие районы продуктов питания, строительных материалов и т.п.;

б) сокращение выработки продукции и замедление темпов развития экономики района; в) ухудшение условий жизни населения; г) невозможность рационального использования земель; д) увеличение амортизационных расходов по содержанию зданий в нормальном состоянии.

Подробно методика определения прямого, косвенного и других видов ущерба, включая социальный, по укрупненным единичным показателям при прорыве напорного фронта гидроузла рассмотрена в главе 6 пособия.

Материальный ущерб от наводнений в городе связан, в основном, с площадью, глубиной и, отчасти, длительностью затопления. Для сельского хозяйства главное значение имеют время (сезон) и длительность затопления.

При катастрофических затоплениях, когда водой заливается огромная территория (тысячи км2) с расположенными на ней населенными пунктами, распределение составляющих ущерба может выглядеть следующей:

Прямой и косвенный ущерб находятся в соотношении 70/30%.

В табл. 5 Приложения указаны возможные изменения количества поврежденных объектов (%) в городах на затопленных территориях при длительности воздействия воды от 1 часа до 2-х суток. Данные приведены для скорости потока V=3–4 м/с. Для экстраполяции процента разрушений при других скоростях потока можно использовать переводной коэффициент:

при условии, что произведение Kс и процента разрушений не выше 100%.

Возможные размеры зон поражения и объемы ущерба при затоплении волной прорыва в зависимости от высоты подъема и длительности стояния воды для малых и больших рек даны в табл. 6 и 7 Приложения. Объем ущерба фиксируется по снижению класса капитальности сооружений и зданий в зависимости от значений поражающих факторов затоплений.

2.5. Ликвидация последствий гидрологических аварий плотин и затоплений НБ Борьба с авариями ГТС и ликвидация их последствий делятся на 3 этапа.

I этап: а) прогноз стихийного бедствия и организация работ по снижению возможных чрезвычайных ситуаций; б) оповещение руководителей учреждений, членов постоянной чрезвычайной комиссии (ПЧК), командиров воинских частей, населения; в) приведение в готовность ПЧК, органов управления ГО и воинских частей; анализ обстановки; г) проведение подготовительных мероприятий по снижению потерь и ущерба (обвалование сооружений, укрепление дамб и мостов), приведение в готовность аварийнотехнических средств, уточнение расчета сил и средств на возможную эвакуацию, определение маршрутов эвакуации, организация взаимодействия.

II этап: а) проведение мероприятий по спасению населения – укрепление дамб и других ГТС; наведение переправ; эвакуация в незатопленные районы детских и лечебных учреждений, населения; вывоз материальных и культурных ценностей; поиск и спасение людей и животных; б) жизнеобеспечение населения – снабжение имуществом и продуктами пострадавших; восстановление поврежденных коммуникационных систем (водо-, газо-, тепло-, электроснабжение, связь, транспортные магистрали и мосты).

III этап: а) восстановление жилищного фонда; б) ввод в строй объектов социальной сферы, сетей водо-, тепло-, газо- и электроснабжения взамен утраченных; в) уборка остатков урожая; г) восстановление дорог и мостов.

Объем мер по уменьшению ущерба от затоплений и воздействия волн прорыва, а также эффективность мероприятий по ликвидации последствий в большой степени определяется достоверностью прогноза. В основу планирования мер по уменьшению ущерба должны быть положены научнообоснованные выводы специалистов-гидрологов, гидравликов, гидротехников, гидрометеорологов и других специалистов водного хозяйства.

2.6. Оценка обстановки при прохождении волны прорыва Детальные расчеты образования прорана при прорыве плотин и распространение волны прорыва по территории НБ можно выполнить с помощью имеющихся на кафедре ГиГС программ MIKE 11 и 21 [9, 10].

Ниже приведен упрощенный метод оценки волны прорыва МЧС РФ.

Последовательность оценки обстановки при прохождении волны прорыва (паводка) и катастрофическом затоплении может быть следующей:

1. По данным об основных параметрах прохождения волн прорыва, полученных в результате гидрологических расчетов и справочных материалов (топографических карт, справочных пособий по рекам, гидрографических региональных атласов и т.д.), производится оценка изменения гидрологического режима реки скорости волны, глубины (высоты) и ширины во времени по всему расчетному участку. Исходные данные включают:

L – удаленность створа объектов от ГТС, км;

В – ширина прорана, км или площадь водосбросного отверстия при максимальной отметке уровня воды, м2 (площадь сечения реки, рассчитываемая как трапеция, высотой hmax, шириной основания bmax и углами откоса, определяемыми по гидравлическому уклону нормально течению реки);

h0, hmax – средняя и максимальная глубина реки (в период максимального паводка) в НБ, м (по данным измерений или отметке на карте);

b0, bmax средняя и максимальная ширина реки (в период максимального паводка) в НБ, м (по данным измерений или отметке на карте);

i – гидравлический уклон местности (i=10-3 соответствует превышению в 1 м на L=1000 м и определяется по карте по отметкам уровней местности);

hm – высота места, м (определяется с помощью карты по изолиниям, на которых расположен объект, для которого производится прогноз);

Hp высота плотины, м (разность отметок НБ и гребня плотины).

Порядок упрощенного прогноза параметров волны прорыва (паводка):

1. Определяем гидравлический уклон и расстояние от объектов прогнозирования до ГТС с использованием топографической карты местности ниже гидроузла. Если происходит движение паводковой волны, то ее движение определяют гидрометеопосты, расположенные выше по течению.

2. Определяем время прихода фронта tфр и гребня tгр волны прорыва к объектам по формулам:

где Kif коэффициент гидравлического уклона для определения времени прихода фронта волны, равный:

где Kig коэффициент гидравлического уклона для определения времени прихода гребня волны, равный:

3. Определяем время полного затопления по формуле:

4. Находим высоту h, м, и скорость V, м/с, волны прорыва по формулам:

где Ah, Bh, Av, Bv - коэффициенты, зависящие от Нп, i, В (табл. 8 Приложения).

5. Вычисляем длительность затопления территории объекта по формуле где - коэффициент, зависящий от высоты плотины Hp, глубины реки в НБ h0, гидравлического уклона i и расстояния до объекта L.

6. Находим степень поражения наземных и причальных сооружений (табл. 1 Приложения).

7. Определяем мероприятия по защите людей, техники и объектов в порядке очередности.

2.7. Пример решения задачи по оценке обстановки при ГЛА Условие задачи: на ГТС (плотине) в результате непредвиденного перелива воды через гребень земляной плотины образовался проран. На расстоянии 40 км вниз по течению находится город и машиностроительный завод. Высота плотины 40 м, высота местности 2 м, гидравлический уклон 10-3, проран размером 0,5 км, глубина воды в НБ 4 м.

Оценить степень разрушения зданий в городе и объектов на заводе (корпуса цеха, пирс, кирпичные здания).

Решение 1. Рассчитываем время прихода гребня tгр и фронта волны прорыва tфр по формулам 2.5 и 2.7: tгр = 7 час; tфр = 2 час.

2. Вычисляем высоту h и скорость V волны прорыва по формуле 2.10.

Для В = 0,5 км Н = 40 м, i= 10-3; Ah = 124; Bh = 89; Av = 32; Bv = 44.

h = 124/(89 + 40)1/2 = 11 м; V = 32/(44 + 40)1/2 = 3,4 м/с.

3. Выясняем продолжительность затопления территории города и завода.

Для определения коэффициента по формуле 2.12 вначале находим:

Для H =10h0 и iL/H = 1: = 9; зат = 9(7-2)(1-2/11) 36 час.

4. Находим время полного затопления: п.зат = tгр tфр = 7 2 = 5 час.

5. Определяем степень поражения наземных и причальных сооружений по табл. 1 Приложения. Волна прорыва, высотой 11 м производит полное разрушение зданий и сооружений в городе и на заводе.

6. Намечаем мероприятия по защите людей и техники: За 2 часа произвести эвакуацию населения и материальных ценностей на повышенные участки местности. Организовать спасательные команды, оснащенные плавучими средствами, выезд команд через 7 час.

2.8. Задание на контрольную работу На земляной плотине, расположенной выше по руслу реки от города N, в результате перелива плотины в паводок образовался проран.

Оценить степень разрушения зданий в городе (микрорайоны 1-8) и объектов на заводе (корпус цеха, речной пирс, кирпичные здания, очистные сооружения). Принять решение по защите людей, окружающей среды и материальных ценностей.

ПРИЛОЖЕНИЕ. Таблицы воздействий потока на здания и сооружения Характеристика степени разрушений различных сооружений от волны прорыва воды с пролетом до 100 м дороги Предельно допустимые скорости водного потока, м/с, при которых обеспечивается сохранность объектов при переливе воды через проезжую часть Предельно допустимые скорости воды, м/с, при которых сохраняются элементы мостового перехода при отсутствии перелива воды через проезжую часть Наименование элемента укрепления Скорость Высота волтечения, м/с ны прорыва, м Каменная наброска (размер камня 0,1–0,3 м) 2–3 0,5–1, Зависимость разрушения плотин и дамб от толщины слоя переливающейся воды H и длительности перелива Т Плотины из местных материалов с защитным покровом Примечание.* На верхнем откосе бетонные и железобетонные плиты, асфальтирование; на низовом одерновка, слой гравия или одиночное мощение камнем; ширина гребня 10–12 м с асфальтобетонной дорогой по гребню.

** На верхнем откосе каменная наброска или каменное мощение; на низовом посев трав на слое растительного грунта; ширина гребня 6-8 м.

Доля поврежденных объектов на затопленных территориях (в %) при скорости водного потока 3-4 м/с промоины фундаментов Понижение капитальности на одну ступень:

Распределение индексов объема ущерба при затоплениях различного масштаба фическое Снижение капитальности зданий и сооружений за периоды затоплений при исходных классах капитальности К Коэффициенты А и В для определения высоты и скорости волны прорыва Глава 3. Методика оценки уровня безопасности гидросооружений Введение Настоящая глава составлена на основе методики с аналогичным названием [11], разработанной Центром безопасности и натурных наблюдений сооружений ГЭС (ЦБН) ОАО «НИИЭС» согласно требованиям Федерального закона 1997 г. «О безопасности гидротехнических сооружений» [1] и апробированной в течение последних 10 лет при декларировании безопасности гидросооружений ГЭС, работающих в РАО «ЕЭС России».

В этой главе использовались также последние (2003 г.) рекомендации Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ) [12] и крупная научная монография (2004 г.) ученых и специалистов ряда гидроэнергетических компаний Канады, США и стран Западной Европы под названием «Риск и неопределенность в оценке безопасности плотин» [13].

В настоящей методике установлен порядок, сформулирована терминология и основные методические положения оценки уровня безопасности гидросооружений (ГТС) разных типов и классов в период их эксплуатации.

Эта методика предназначена для детерминированной оценки возможного риска аварий и состояния ГТС при эксплуатации и может применяться при составлении деклараций безопасности ГТС и проведении их обследований.

Основной целью этой методики было обеспечение оперативности и воспроизводимости получаемых оценок уровня безопасности ГТС и учета количественных и качественных факторов при проведении анализа состояния эксплуатируемого ГТС.

Все учитываемые факторы безопасности разделены на 9 групп. Первые 6 групп характеризуют состояние эксплуатируемого ГТС, а последние группы характеризуют значимость ущерба от возникновения возможной аварии. Таким образом, уровень безопасности ГТС определяется в зависимости от факторов, оказывающих наибольшее влияние на возникновение и последствия возможной аварии ГТС.

3.1. Термины и определения методики Федеральным законом «О безопасности гидросооружений» [1] определены следующие два понятия, имеющие прямое отношение к этой методике:

Чрезвычайная ситуация обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате аварии гидросооружения, которая может повлечь или повлекла за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или ущерб окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей.

Безопасность гидротехнических сооружений свойство гидросооружений, позволяющее обеспечить защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйствующих субъектов.

Кроме того, в этой методике используются также следующие понятия:

Авария гидротехнического сооружения (ГТС) разрушение или повреждение ГТС, вызванное непредвиденными (не предусмотренными проектом и правилами безопасности) ситуациями и сопровождаемое неконтролируемым сбросом воды из водохранилища.

Уровень безопасности ГТС детерминированный показатель, в обобщенной форме определяющий степень отклонения состояния эксплуатируемого ГТС от положений проекта и требований норм.

3.2. Общие положения методики 1. В случае оценки риска аварии или текущего состояния эксплуатируемых ГТС при отсутствии необходимых исходных данных для проведения расчетов прочности, устойчивости или вероятностных расчетов риска возможной аварии, а также сложности учета качественных факторов, оказывающих большое влияние на безопасность ГТС, следует оценить уровень безопасности ГТС в детерминированной форме, используя данную методику. Для эксплуатируемого ГТС детерминированные оценки уровня безопасности определяют его текущее состояние и используются для уточнения конечного значения уровня риска аварии. Оценки уровня безопасности ранжируются в диапазоне от «нормального» до «недопустимого».

2. Оценку уровня безопасности в детерминированной форме следует проводить для эксплуатируемых гидроузлов и отдельных ГТС с использованием всей доступной количественной и качественной информации. Количественная оценка уровня безопасности является формализованным и оперативным способом оценки, позволяющим учесть в едином показателе влияние большого числа качественных и количественных факторов, имеющих не только разную природу и значимость, но и разные масштабы.

2.1. Рекомендуемый перечень факторов безопасности представлен в виде иерархической структуры на рис. 3.1. Эта структура факторов безопасности, а также перечень факторов и степень детализации их структуры может уточняться с учетом особенностей эксплуатируемого ГТС.

2.2. Приведение факторов к единому масштабу (ранжирование) выполняется на основе единой непрерывной шкалы, значения которой изменяются от 0 до 6. Итоговая оценка уровня безопасности представляется в таком же масштабе. Ранжирование качественных значений отдельных факторов, как и уровня безопасности I для ГТС в целом, осуществляется на основе таблиц раздела 3.4.

2.3. После процедуры ранжирования факторов безопасности следует уточнить их количественные оценки с учетом приоритета факторов для данного сценария аварии на основе одного из известных методов обработки экспертных оценок (например, на основе метода попарных сравнений факторов, представленного в Приложении А).

2.4. Оценка уровня безопасности ГТС включает следующие этапы:

• определение «сценариев» возможных аварий;

• определение факторов безопасности, соответствующих «сценариев»;

• построение иерархической структуры факторов безопасности;

• учет взаимовлияния факторов безопасности;

• оценку уровня безопасности ГТС в целом.

Рис. 3.1. Структура факторов безопасности и схема оценки их влияния на безопасность эксплуатируемых ГТС Нормальное состояние ГТС и условий эксплуатации определяется количественными значениями итоговой оценки уровня безопасности от 0 до 3.

В ряде случаев эти значения не могут быть ниже трех, а именно:

для факторов группы al:

• величины коэффициентов устойчивости и прочности ГТС ниже нормальных;

• заложения откосов грунтовых плотин меньше установленных в проекте;

• при изменении класса ответственности ГТС коэффициенты запаса устойчивости и прочности становятся меньше нормативных значений, для факторов группы а2:

• увеличение расчетных максимальных расходов воды, превышающих пропускную способность водосбросов;

• рост расчетных сейсмических и статических нагрузок, что снижает коэффициенты запаса устойчивости и прочности ниже нормативных, для факторов группы а4, а5:

• превышение диагностическими показателями состояния установленных критериев безопасности уровня К1 согласно методике главы 3 Пособия;

• при превышении уровня К2 количественное значение фактора безопасности не может быть ниже четырех, для факторов группы a6:

• неудовлетворительные условия эксплуатации гидромеханического и подъемного оборудования, основных затворов паводковых водосбросов;

• отсутствие плана противоаварийных мероприятий;

• грубые отступления от проектных режимов эксплуатации (например, превышение ФПУ, не предусмотренное проектом; эксплуатация ГТС с превышением нормативных нагрузок и режимов).

2.5. Количественную оценку факторов безопасности более высокого уровня (в том числе оценку уровня безопасности I) следует осуществлять с учетом взаимовлияния различных (приведенных к единому масштабу) факторов безопасности более низкого уровня. Такой учет следует выполнять согласно иерархической структуре факторов, показанной на рис. 3.1, на каждом уровне иерархии. При этом используются следующие формулы:

где: Ii – значения факторов безопасности одного иерархического уровня;

Imax, Imin – максимальное и минимальное количественные значения интервала в табл. 3.1 (раздел 3.4), в который попадают качественные оценки факторов; q – величина, вводимая на экспертной основе, которую следует принимать q = 0,1; П – знак произведения.

2.6. Итоговая количественная и качественная оценка безопасности ГТС производится согласно табл. 3.4.

2.7. В расчетах по формулам (3.1), (3.2), (3.3) оценку на каждом уровне иерархии следует осуществлять по факторам, попавшим в интервал (поддиапазон) количественной шкалы, который соответствует наиболее опасному состоянию ГТС. Вычисления ведутся в следующем порядке:

1) среди факторов, стоящих на одном уровне иерархии, выбирают те, которые имеют самые опасные качественные значения (табл. 3.4);

2) для независимых факторов (из числа выбранных по п. 1) выполняются вычисления по формуле (3.1);

3) для факторов, которые не могут быть независимыми, применяют формулу (3.2);

4) осреднение оценок по формуле (3.3) применяется в основном на самых низких уровнях иерархии, например в случае оценки отклонения показателей состояния ГТС от требований ПТЭ (группа факторов I) по датчикам, установленным в локальной зоне контроля.

2.8. После завершения расчетов для всех уровней иерархии (рис. 3.1) и определения уровня безопасности ГТС в целом следует:

• выполнить анализ вклада отдельных факторов и групп факторов;

• при необходимости внести коррективы в набор учитываемых факторов, их иерархию, ранжирование, оценку факторов низших уровней иерархии, выбор расчетных формул;

• повторить процедуру оценки уровня безопасности с использованием уточненных исходных данных и локальных характеристик безопасности;

• сформулировать (при необходимости) выводы о причинах низкого уровня безопасности для разработки организационно-технического мер по предотвращению аварий и разрушения эксплуатируемого ГТС.

2.9. В общем случае вычисление значения фактора «Оценка состояния эксплуатируемого ГТС» следует выполнять на основе оценок этого фактора, полученных для различных «сценариев» аварий или разрушения. При этом итоговая оценка вычисляется по формуле (3.1).

3.3. Структура факторов безопасности ГТС 1. Рекомендуемый для использования при обследованиях и оценке уровня безопасности ГТС перечень факторов безопасности представлен в виде иерархической структуры на рис. 3.1.

2. По аналогии с классической схемой оценки риска при оценке уровня безопасности I эксплуатируемого ГТС следует учитывать две основные группы факторов безопасности, характеризующих: состояние эксплуатируемого ГТС (фактор I1) и ущерб от возможной аварии ГТС (фактор I2).

3. Оценка состояния эксплуатируемого ГТС зависит от изменения оценок его состояния I1.1, выполненных согласно требованиям действующих норм (по сравнению с нормативными оценками, положенными в основу первоначального проекта), а также от отклонений контролируемых показателей состояния и условий эксплуатации сооружения I1.2 от требований правил технической эксплуатации (ПТЭ).

4. Оценку состояния эксплуатируемых ГТС (фактор I1) следует выполнять с учетом следующих количественных и качественных показателей:

al – соответствия конструктивно-компоновочных решений и условий эксплуатации положениям действующих норм и правил, а также современным методам расчетов и методам оценки состояния гидротехнических сооружений; указанное соответствие определяется влиянием показателей более низкого уровня иерархии:

al.1 – изменениями положений норм, методов расчета и методов оценки состояния сооружений, а также изменениями нормативных требований к уровню безопасности сооружений в связи с хозяйственным освоением территорий в нижнем бьефе и повышением ответственности сооружений напорного фронта (оценивается с учетом показателей а7, а8, а9);

al.2 – изменениями принятых в проекте конструктивно-компоновочных решений (согласованных и несогласованных с проектной организацией);

а1.3 – изменениями условий работы гидроузла (работа в каскаде, особенности использования гидроузла, организация транспортных потоков и др.);

al.4 – наличием ошибок, допущенных при строительстве и эксплуатации, и других факторов (кроме природных воздействий), неучтенных в проекте.

а2 – опасности превышения принятых в проекте расчетных уровней возможных природных воздействий:

а2.1 – расчетных максимальных расходов воды (из-за изменения гидрологических характеристик реки и изменения методов их назначения);

а2.2 – расчетных сейсмических воздействий (вследствие более глубокого понимания природы землетрясений и накопления данных сейсмологических наблюдений, включая проявление «наведенной» сейсмичности);

а2.3 – селевой опасности;

а2.4 – гидростатических, ветроволновых и температурных воздействий, фильтрационных сил, нагрузок ото льда и наносов (с учетом данных наблюдений за период эксплуатации) и других нагрузок, а также в связи с изменением методов определения и назначения указанных величин (оценивается с учетом показателей а5.4, а5.9, a5.11, а5.14).

а3 – изменения расчетных значений механических и фильтрационных характеристик материалов ГТС и свойств оснований, определяемых:

а3.1 – изменением методов определения и назначения расчетных значений указанных характеристик;

а3.2 – обнаружением в основании или в береговых примыканиях: открытых трещин, трещин, заполненных эродируемым материалом, тектонических нарушений, слоев (зон) сильно растворимых или сильно деформируемых пород и т.п., а также иных изменений, связанных, в частности, с воздействием на основание нагрузок от сооружения и водохранилища (оценивается с учетом показателей а3.5 и а5.8);