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) гидроiчехнического 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. Гидротехначеские 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 ироран в нижний бьеф.

Бьеф — участок реки между двумя соседними плотинами на реке или участок канала между двумя шлюзами. Верхний бьеф — часть реки выше подпорного сооружения (плотины, шлюза). Нижний бьеф — часть реки ниже подпорного сооружения.

Рысберма — укрепленный участок русла реки в иижнем бьефе водосбросного гидротехнического сооружения. Она защищает русло от размьгва, выравнивает скорость потока и т. д.

Приведем несколько примеров аварий на гидротехнических сооружениях.

Лужская ГЭС-2 (р. Выстрица Ленинградской области). 1 апреля 1956 г. произошла авария — разрушилась русловая земляная плотина, которая строилась в 1954—1955 гг. 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 р. 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 закупорал водосливную часть плотины, и вода поднялась выше нормального подпорного уровня на 2 м.

для обеспечения водой нижнего бьефа Иркутской [ЭС и лесосплава в период строительства гидроэлектростанции, после перекрьпия 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 р. Обь. 27 октября в створе перекрытия у наплавного 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).

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 водохранялищ Боулдер (США) — объем 41 500 млн м3, Кариба (Замбия) — объем 175 000 млн м3 и др. Землетрясение в районе г. Кайнангар (Индия), последовавшее за наполнением водохракнлиша Койна (2780 млн м3), привело к гибели 200 человек. 13.5. Причины и виды гидродинамических аварий

На ГТС постоянно воздействуют водный поток, колебания температур, льды, на-

носы, статистические и гидродинамические нагрузки, происходят стирания поверхности, коррозия металлов, вьтщелачивание бетона, гниение деревянных конструкций.

Разрушение (прорыв) гвдротехнкческих сооружений происходит в результате:

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

о износа и старения оборудования;

о конструкторских ошибок;

о некачественного выполнения строительных работ;

Щ нарушения правил эксплуатации;

о воздействия человека (нанесение ударов различными видами оружия).

Разрушения ГГС можно классифицировать следующим образом:

Разрушения конструкций, находящихся в верхнем бьефе, подходящим пото

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

Размыв земляных плотин переливающимся потоком. Таблица 13.3. Причины аварий гидротехнических сооружений

Причина разрушения

Разрушение основания

Недостаточиость водосброса

Конструктивные недостатки

Неравномерная осадка

Высокое пороговое (капиллярное) давление (в намытой плотине)

Военные действия

‚,ползание откосов дефекты материалов Пел равильная эксплуатация Землетрясение

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

Земляные и каменно-земланьге плотины разруiчаются, как правило, не полнотью. Чаще всего возникает проран шириной 0,20—0,35 м в зависимости от длины

4.

5.

б.

Разрушение конструкций и местный размыв в русле реки потоком, сбрасы ваемьтм через водосброс.

Повреждение деревянных сооружений фнльтрующимся потоком.

Разруяiеiяе 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).

%

таблица 1 ЗА. Частота аварий для различных типов плотин

Ю:

Земляная плотина

Бетонная гравитационная

Плотины других типов

Защитные дамбы из местных материалов

Арочная железобетонная

арплотины. Ширина прорана зависит также от типа реки. Относительный размер

прорана В (Отношение ширины прорана к ширине плотины) для различных

ТИПОВ ПЛОТИН (кроме арочных) в зависимости от типа реки обычно принимает-

ся следующим: для равнинных рек В.ф 0,2 м, для предгорных рек В = 0,25 М

и для горных рек В = 0,5 М. для арочных плотин ориентировочно принимают

1,0 .

13.6. Последствия гидродинамических

аварий и меры защиты населения

Последствиями гидродинамических аварий являются:

Щ повреждение и разрушение ГТС и кратковременное или долговременное пре-

кращение выполнения ими своих функций;

i поражение людей и разрушение сооружений волной прорыва;

ц затопление обширных территорий.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются:

ц разрушительная волна прорыва;

i водный поток;

ц спокоиные воды, затопляющие территорию суши и хозяиственные объекты.

Воздеиствие волны прорыва во многом аналогично воздеиствию воздушнои удар

ной волны, образующейся при взрыве, но отличается от него тем, что действу-

ющим фактором в этом случае является вода.

Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высо-

ту, скорость движения, ширину и другие параметры. Она имеет фазы подъема

уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсивного подьема уровня

воды является фронтом волны прорыва. Вслед за фронтом волны прорыва высо

та 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 топогра-

ф ических условий местности. После прекращения подьема наступает более или

менее длительный период движения потока, близкий к установившемуся. Этот

период тем длительнее, чем больше обьем водохранилища. Последней фазой об-

разования 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 здании и сооружении, находящихся в зоне ее деиствия. Степень их

разрушения зависит от высоты подьема уровня воды и скорости течения, а так

же от характеристик самого здания (сооружения) и его основания.

Из-за крупных гидродинамических аварии гибну-г люди, прерывается подача элек

троэнергии в знгергетические системы. Кроме того, разрушаются или оказыва-ются под водой населенные пункi, 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; оползии, 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.

К прямому ущербу относят:

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

гибель скота и сельскохозяйственных культур;

Щ уничтожение и порчу сырья, топлива, продуктов питания, кормов, удобрений;

затраты на временную эвакуацию населения и перевозку материальных цен-

сокращение выработки промышленной и сельскохозяйственной продукции

замедление темпов развития народного хозяйства;

1 невозможность рационального использования территории, находящейся в зоне

О уменьшение максимального расхода воды путем перераспределения стока во