ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АВАРИИ И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ .

В России довольно поздно появилась необходимость в строительстве гидротехнических сооружений. В отличие от других стран из-за богатства водных ресурсов Русь не испытывала дефицита воды. Многочисленные полноводные реки и озёра вполне удовлетворяли потребность населения в воде. Ещё одна особенность Руси – утоление жажды из родника, колодца. Поэтому очень многие поселения имели свои родники, которые служили для людей главным источником водоснабжения. Первые гидротехнические сооружения, в основном, возводились как оборонительные сооружения, в виде каналов вокруг крепостей и городов. Учитывая огромные пространства России и удалённость многих областей от морских путей, реки явились связующими водными путями, которые позволили самым отдалённым уголкам участвовать в жизни страны. Те богатства, которыми владела Русь, встречались именно на реках, по которым шли караваны с грузом, товарами. Судоходство на Руси требовало улучшать имеющиеся водные пути или искать новые. Такие работы проводились уже в XII веке. В основном каналы строились, чтобы миновать коварные пороги на реках, которые невозможно было преодолеть гружёным кораблям, или для соединения бассейнов рек. Учитывая, что в те времена судоходство осуществлялось волоком, бурлаками, предпринимались попытки спрямить русла рек для уменьшения пути следования товаров. В настоящее время гидродинамические сооружения – это объекты, создаваемые с целью:

 использования кинетической энергии воды (ГЭС);

 охлаждения технологических процессов;

 мелиорации;

 защиты прибрежных территорий (дамбы);

 забора воды для водоснабжения и орошения;

 рыбозащиты;

 регулирования уровня воды;

 обеспечения деятельности морских и речных портов;

 для судоходства (шлюзы).

Крупномасштабные гидроэлектрические системы являются хорошо разработанными технологиями по получению электричества благодаря энергии воды. В некоторых странах, например, в Бразилии и Норвегии, очень большая доля получаемой электроэнергии вырабатывается гидроэнергетическими системами. Эти системы могут использовать бурные горные реки или основываться на массивных программах строительства плотин и затопления. Есть множество способов использования энергии воды, из которых одни являются коммерческими и испытанными, в то время как другие, основанные на энергии океанов, остаются в стадии развития, но показывают огромный потенциал.

Гидротехнические сооружения напорного типа – это плотины, создающие подъём и, следовательно, напор воды, который затем используется для вращения каких-либо механизмов: турбин, лопастей мельниц. Здесь следует различать три термина: запруда, плотина, гидроузел.

Запруда обычно создаёт подъём воды, но не имеет стока или он весьма ограничен.

Плотина – сооружение, тоже создающее напор воды, но почти с постоянным её стоком.

Гидроузел – система сооружений и водохранилища, связанных единым режимом водоперетока. Устойчивость и прочность гидротехнических сооружений напорного фронта задаётся по максимальным расчётным значениям уровня воды, скорости ветра, высоты волны. Социальное и экологическое воздействие гидроэнергетических технологий. Гидроэнергетические технологии имеют много преимуществ и, по крайней мере, в том, что касается крупномасштабных схем, несколько крупных недостатков. Там, где дожди сезонны, низкие водные ресурсы во время засух могут серьёзно затрагивать мощности по выработке электроэнергии. Это может стать значительной проблемой там, где гидроэнергия составляет солидную долю в выработке страны. Крупные схемы плотин вызывают хорошо освещённые в прессе проблемы: переселение местных жителей, пересыхание природных русел, заиление водохранилищ, водные споры между соседними странами и огромная стоимость финансирования этих проектов. Более локальные вопросы относятся к способности рыбы попасть на свои места нереста выше по течению и визуальное воздействие в местах ошеломляющей красоты природы. Волновым технологиям приходится бороться с очень агрессивной средой и, вероятно, что стоимость таких технологий будет высокой. Потенциальные ресурсы практически неограниченны, и исследования продолжаются.

Около 44 тыс. высоких плотин, эксплуатирующихся в настоящее время во всём 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 8000 км3 речного стока, зарегулированного с их помощью, используется для орошения 270 млн га земель, выработки почти 2460 млрд. кВтч (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, влечёт 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 объекта обеспечить оптимальную выгоду в течение заданного периода времени. Социальный, материальный, экологический риски, как правило, возникают в результате реализации конструктивного риска, поэтому в первую очередь необходимо учитывать все факторы, обеспечивающие требуемую надёжность сооружения. Под конструктивным риском понимается свойство сооружения претерпевать отказы при внешних воздействиях и реакции сооружения на них при невыполнении требований технической документации. Характерными моделями конструктивного риска являются следующие:

1. Первоначальное наполнение водохранилища (около 80% от общего числа отказов). При этом основными факторами риска будут чрезмерная проницаемость тела плотины, деформационная неоднородность, трещинообразование в основании плотины при взаимодействии с напорным потоком.

2. Гидрологический риск – размыв основания в нижнем бьефе плотины.

3. Геодинамический, в том числе сейсмический риск, - реализуется в недостаточной прочности плотины на сдвиг, трещинообразовании, значительных колебаниях пьезометрического уровня воды в основании.

4. Другие риски – заиление, недостаточная прочность на сдвиг и др. Анализ катастрофических разрушений ряда плотин, их последствий, изучение причин и закономерностей различных рисков, их учёт и регулирование имеют большое практическое значение.

Обеспечение безопасности и надёжности – главное условие возведения плотин, являющихся гидродинамически опасными объектами.

Гидродинамически опасные объекты (ГОО) – сооружение или естественное образование, создающее разницу уровней воды до (верхний бьеф) и после (нижний бьеф) него. К ним относятся гидротехнические сооружения напорного фронта: плотины, запруды, дамбы, водоприёмники и водозаборные сооружения, напорные бассейны и уравнительные резервуары, гидроузлы, малые гидроэлектростанции, сооружения, входящие в состав инженерной защиты городов и сельскохозяйственных угодий, а также естественные объекты, препятствующие свободному течению воды. Особенностью разрушения таких препятствий является образование волны прорыва (попуска). Гидродинамическая авария – это чрезвычайное событие, связанное с выходом из строя (разрушением) гидротехнического сооружения (ГТС) или его части и неуправляемым перемещением больших масс воды, несущих разрушения и затопления обширных территорий. К основным потенциально опасным гидротехническим сооружениям относятся плотины, водозаборные и водосборные сооружения (шлюзы). В горных районах в результате землетрясений, обвалов, оползней образуются естественные плотины (запруды), которые почти всегда представляют опасность для нижерасположенных населённых пунктов, объектов промышленности и сельского хозяйства. Весьма опасно разрушение плотин, которое может повлечь за собой крайне негативные последствия для экономики и окружающей природной среды, а ущерб – превысить затраты на строительство. При разрушении плотин вода с большой высоты и с огромной скоростью устремляется в нижний бьеф, заливая всё на своём пути. Вероятность аварий плотин начинает неуклонно повышаться при возрасте сооружений более 30-40 лет, о чём свидетельствует накопленная информация. За последние 70 лет в мире произошло более 1 тыс. аварий крупных гидротехнических сооружений. Анализ показывает, что основные их причины – разрушение основания и недостаточная пропускная способность водосброса, когда вода переливается через гребень плотины. В таких случаях вода с большой высоты и с огромной скоростью устремляется в нижний бьеф, заливая всё на своём пути. В таких случаях действуют два фактора: волна прорыва и зона затопления, каждый из которых имеет свою характеристику и для людей представляет опасность.

С 1902 по 1977 гг. из 300 аварий в различных странах в 35% случаев причиной было превышение расчётного максимального сбросового расхода, т. е. перелив воды через гребень плотины, который, в том числе приводил и к разрушению основания плотины. Соотношение аварий на различных типах плотин показано в следующей таблице (источник: Всемирная комиссия по плотинам):

Тип плотины Частота аварий, %

Земляная 53

Бетонная гравитационная 23

Защитные дамбы из местных материалов4

Арочная железобетонная 3

Плотины других типов 17

Зоной затопления при разрушении ГТС называется часть прилегающей к реке (озеру, водохранилищу) местности, затопляемой водой. В зависимости от последствий воздействия потока воды из-за разрушения ГТС на территории возможного затопления выделяют зону катастрофического затопления (ЗКЗ). Это часть зоны затопления, в пределах которой распространяется волна прорыва, вызывающая массовые потери людей, разрушения зданий и сооружений, уничтожение других материальных ценностей. На её внешних границах высота гребня волны прорыва превышает 1 м, а скорость её движения – более 10 м/с. Время, в течение которого затопленные территории могут находиться под водой, колеблется от 4 ч. до нескольких суток.

Параметры зоны затопления зависят от размеров водохранилища, напора воды и других характеристик конкретного гидроузла, а также от гидрологических и топографических особенностей местности. Зона катастрофического затопления определяется заранее на стадии проектирования ГТС. В границах этой зоны выделяют участок возможного (вероятного) чрезвычайно опасного затопления, т. е. территорию, через которую волна прорыва проходит в течение 1 ч. после аварии на ГТС. На этой территории возможны наибольшие потери среди населения, сильные разрушения ОЭ и жилых построек.

Катастрофы на реках РФ:

1993 г. Прорыв плотины Киселёвского водохранилища (Свердловская обл.) на р. Каква (общий ущерб – 63,3 млрд руб.)

1994 г. Разрушение плотины Тирлянского водохранилища (Башкирия) на притоке р. Белой (суммарный ущерб 52,3 млрд руб.)

Сентябрь 1994 г. Наводнение в Приморье 1999 г. и 2001 г.

Наводнение в Якутии Июль 2002 г.

Наводнение в Краснодарском крае привело к разрушению его гидроузла, унесло жизни 114000 человек и причинило материальный ущерб на сумму в 15 млрд руб.