Опасность прорыва и затопления

1.4 Опасность прорыва и затопления

Опасность прорыва плотин.

Создание водохранилищ с площадью водного зеркала более 100 кв. км началось после 1915 г. и стало возможным в результате изменений в технологии земляных и бетонных работ, позволивших возводить крупные и сравнительно дешевые сооружения. Но бум гидротехнического строительства приходится на последние 30-40 лет, когда было построено более 85 % всех существующих в мире плотин. Водохранилища стали неотъемлемой чертой ландшафта многих стран мира, важным элементом их национальной экономики.

Всего в мире построено более 100 тыс. подпорных гидротехнических сооружений, а общая площадь водохранилищ превосходит акваторию десяти Азовских морей. В настоящее время общий объем водохранилищ на Земле составляет 6500 куб. км, что в три раза больше объема пресной воды всех рек.

Конец нашего столетия характеризуется значительными темпами освоения гидроэнергоресурсов и переходом от строительства преимущественно крупных водохранилищ энергетического значения к средним и даже малым. Сегодня не так уж много рек, на которых не было бы хоть одного водохранилища. В России построено и находится в эксплуатации свыше 3 тыс. водохранилищ.

Подпорные гидротехнические сооружения доказали свою надежность и долговечность – многие из них функционируют десятки и даже сотни лет. Особенно надежны в эксплуатации гидросооружения, построенные в последние годы. Однако материалы мировой статистики и события недавних лет свидетельствуют о том, что аварии на гидроузлах возможны, они могут привести к повреждению и разрушению плотин и примыкающих к ним сооружений.

По данным Комитета по авариям и разрушениям Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ), ежегодно в мире происходит более 3 тыс. аварий, нередко с большим материальным ущербом и человеческими жертвами.

Наиболее надежны бетонные плотины. Им примерно в 3 раза уступают каменно-земляные и арочные. Из 55 высоких бетонных плотин, сооруженных на территории бывшего СССР после 1926 г., 7 гидроузлов являются особо крупными, а 41 водохранилище имеет объем более 1 куб. км. Большая часть их функционирует 20-30 лет и более. Это значит, что они входят в период «старения» и нуждаются в особом внимании.

В последнее столетие в мире произошло более 1 тыс. случаев разрушения гидротехнических сооружений. Причинами были факторы не только природного, но и антропогенного характера. К первым относятся экстремальный сток, ледовые явления, нагоны, опасные метеорологические явления (бури, ураганы, ливни, снегопады, смерчи), изменения климата, землетрясения, цунами, оползни, обвалы, снежные лавины и сели, подвижки ледников, вулканические извержения.

Так, при подвижках ледников и перекрытии ими рек и ручьев образуются ледниково-подпрудные озера, которые затем изливаются, формируя мощные волны прорыва. Такое неоднократно происходило в районе ледника Федченко (сток воды увеличился в 10 и более раз, формируя катастрофические наводнения).

Прорыв горного Саргазонского водохранилища объемом 2,7 млн. куб. м и высотой плотины в 23 м в Таджикистане в 1987 г. явился причиной гибели 32 человек и нанес большой материальный ущерб.

Из «обвальных» озер наиболее известно Сарезское на Памире, возникшее в 1911г. вследствие землетрясения 9 баллов. Состояние естественной запруды этого озера, особенно в последние годы, вызывает большие опасения.

Антропогенный фактор заключается, главным образом, в недостаточном гидрологическом и инженерно-геологическом обосновании проектов. К аварии могут привести занижение возможных экстремальных расходов воды и размеров водосбросов, неправильный выбор места и неверная оценка условий для сооружения оснований плотин. Другие причины – износ оборудования, организационно-технические неполадки, некомпетентность и даже халатность эксплуатационного персонала. Достаточно вспомнить аварию 7 августа 1994 г. на плотине Тирлянского водохранилища в бассейне реки Белой в Башкортостане, когда после интенсивных дождей из-за изношенности механизмов не удалось открыть все отверстия берегового водосброса (работало только одно) и вода из переполненного водохранилища устремилась через гребень земляной плотины, которую разрушило в течение нескольких часов (семиметровая волна прорыва снесла пос. Тирлян, погибли 28 человек).

Кроме аварии на реке Белой прорывы плотин, сопровождающиеся человеческими жертвами, огромным материальным ущербом, произошли за последние годы в Свердловской (Кисилевское водохранилище), Калужской (Людовинское водохранилище), Ростовской и Волгоградской областях, в Калмыкии (многочисленные прорывы плотин прудов), на шлюзе Камского гидроузла.

Угроза прорыва плотин возросла также из-за ликвидации некоторых органов управления водным хозяйством, передачи ряда гидротехнических объектов различным собственникам.

Обследование водохранилищ и прудов-накопителей отходов, проведенное совместно с Министерством по чрезвычайным ситуациям в трех областях России, показало, что 12 % водохранилищ и 20 % прудов-накопителей отходов находятся в аварийном или предаварийном состоянии.

Гидротехнические сооружения, как правило, располагаются в черте или выше крупных населенных пунктов, и в случае аварии представляют большую опасность для населения и хозяйственных объектов. Так, в случае прорыва плотины в г. Пензе в зоне затопления может оказаться 75 тыс. человек, в г. Челябинск – 170 тыс. человек, а в случае прорыва плотины Волжского каскада – несколько миллионов человек. Между тем, сохраняется тенденция застройки нижних бьефов плотин в зонах возможного затопления.

Тревожная ситуация сложилась в 1998 г. в ряде регионов России. Небывалым оказалось весеннее наводнение в Краснодарском крае, причинами которого явились не только повышенные зимние осадки и раннее снеготаяние, но и бесконтрольное, без соответствующего инженерного обоснования массовое сооружение небольших прудов, плотин, запруд. Все эти емкости не были «сработаны» к весне новыми хозяевами с тем, чтобы задержать часть паводочных вод.

Опасными были половодья на Северной Двине, Мезени, Печоре, Урале, реках Волжского бассейна, Кольского полуострова. А города Великий Устюг, Ленск, Якутск в мае 1998 г. затопило почти полностью. [1, c. 1-3].

Возросшая опасность повреждения и разрушения хозяйственных объектов, в том числе гидротехнических сооружений, вследствие воздействия стихийных и антропогенных факторов заставила человеческое сообщество обратить особое внимание на проблему их безопасности и объединить усилия в деле защиты от стихийных и других бедствий.

В 1987 г. Генеральная ассамблея ООН объявила о проведении международного десятилетия по уменьшению опасности стихийных бедствий. При этом особое внимание уделяется проблеме безопасности плотин. Этим вопросам были посвящены два Конгресса Международной Комиссии по большим плотинам, а в сентябре 1992 г. Комиссия организовала симпозиум «Плотины и экстремальные паводки», уделивший проблеме изучения причин прорыва больших плотин серьезное внимание. [8, с. 67-68].

Ликвидация последствий повреждения подпорных гидротехнических сооружений требует больших материальных затрат и времени. Но невосполнимы людские потери и опасны морально-психологические травмы. Поэтому усилия должны быть направлены на предвидение, предупреждение и прогноз последствий возможных аварийных ситуаций на гидроузлах. [9, с. 36-37]

Использование гидротехнических сооружений в ходе военных действий.

В 1938 г. во время войны с Китаем японские войска захватили столицу провинции Хэнань – г. Кайфын и были готовы к дальнейшему наступлению. Тогда китайцы разрушили одну из дамб, сооруженных на крупнейшей в стране реке Хуанхэ. Вода устремилась по старому руслу на юго-восток и быстро затопила обширную территорию, нанеся большой урон врагу. При этом, правда, погибли и 16 млн. своих же китайцев.

В 1944 г. немецкие самолеты уничтожили в Голландии дамбы, ограждавшие сушу от моря. В результате значительная часть территории этой страны оказалась затопленной морскими водами.

Еще один пример. Во время войны с Ираном Ирак начал сооружать дамбу и канал для перехвата воды из иранской реки с целью устранить мешающую военным действиям водную преграду. При этом преследовалась также цель обезводить один из районов Ирана с засушливым климатом и использовать воды реки для орошения земель в Ираке.

В ходе военных действий или террористического акта «искусственное» наводнение может быть вызвано и преднамеренным характером попуска вод. Такой прием был использован финнами на Карельском перешейке в советско-финляндскую войну, затопившими местность и превратившими ее в труднопреодолимую полосу для наступающих войск Красной армии. В Великую Отечественную войну и наши войска при обороне Москвы зимой 1941 г. затопили местность водами из Истринского водохранилища.

Крупные гидроузлы во время военных действий в стратегических целях разрушались специально. Наиболее известный пример – разрушение Днепрогэса.

В последние годы угрозу нормальному функционированию гидроузлов создают военные действия и террористические акты в зонах этно-социальных конфликтов. Например, существовала реальная опасность разрушения Дубоссарской ГЭС в период конфликта в Приднестровье, когда во время ракетно-артиллерийского обстрела была повреждена турбина ГЭС и создалась угроза затопления 60 населенных пунктов левобережья Днестра. Известна также попытка захвата оппозиционными силами Нурекской ГЭС в Таджикистане.

Сооружение гидротехнических объектов на реках может воздействовать на изменение направления, скорости течения и привести к изменению береговой линии или фарватера, который обычно является пограничной линией, разделяющей соседние государства. Изменение фарватера в ту или иную сторону вызывает искусственную подвижку границы, что имело место на некоторых рукавах Амура на границе России с Китаем. Известна также «война дамб» между Китаем и Вьетнамом на пограничной реке Думно, приведшая в 1979 г. к вооруженному конфликту. [1, c. 3].

Затопления местности, вызванные авариями на гидротехнических сооружениях.

К основным гидротехническим сооружениям, разрушение которых приводит к гидродинамическим авариям, относятся плотины, водозаборные и водосборные сооружения (шлюзы). Катастрофическое затопление, являющееся следствием гидродинамической аварии, заключается в стремительном затоплении местности волной прорыва. Масштабы последствий гидродинамических аварий зависят от параметров и технического состояния гидроузла, характера и степени разрушения плотины, объемов запасов воды в водохранилище, характеристик волны прорыва и катастрофического наводнения, рельефа местности, сезона и времени суток происшествия и многих других факторов. Особенно большие потери населению и значительный ущерб народному хозяйству может быть причинен при каскадном расположении гидроузлов, так как в результате разрушения вышележащего гидроузла образующаяся волна будет приводить к разрушению плотин гидроузлов, расположенных ниже по течению реки.

Прорыв гидротехнических сооружений может произойти из-за воздействия сил природы (землетрясения, урагана, обвала, оползня и т.п.), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания плотины и т.д., а в военное время – как результат воздействия по ним средств поражения.

Однако, как правило, такие наводнения возникают из-за несвоевременного опорожнения малых водохранилищ, неготовности водоприемников, захламления русел, особенно у мостовых переходов. Из 300 аварий плотин в различных странах за период с 1902 г. по 1977 г. в 35 % случаев причиной аварии было превышение расчетного максимального сбросного расхода, т.е. перелив воды через гребень плотины. Образующаяся при этом волна имеет большую высоту и скорость движения. Для равнинных районов скорость такой волны колеблется в пределах 3..25 км/ч, а для горных и предгорных районов достигает величины порядка 100 км/ч.

Этот тип наводнений близок по своему характеру к наводнениям, вызванным выходом рек из своих берегов из-за продолжительных и сильных дождей (паводкам). Отличия заключаются в большей скорости распространения наводнения, а следовательно более сжатых сроках затопления территорий и внезапности, что влечет за собой разрушение мостов, дорог, зданий, а также гибель людей и скота.

Плотины и дамбы являются гидротехническими сооружениями напорного фронта, создающими разницу уровней воды.

В зависимости от времени опорожнения водохранилищ различают два вида речного стока: волну попуска (образуется при медленном опорожнении водохранилища) и волну прорыва (образуется при быстром или мгновенном опорожнении водохранилища).

Гидротехнические сооружения напорного фронта являются гидродинамически опасными объектами (ГОО).

При прорыве ГОО образуется проран, через который происходит излив воды из верхнего бьефа в нижний и образование волны прорыва. Волна прорыва – основной поражающий фактор этого вида аварий. Воздействие волны прорыва на объекты подобно воздействию воздушной ударной волны взрыва, но отличается от него тем, что действующим телом в этом случае является вода.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются: волна прорыва (высота волны, скорость движения) и длительность затопления.

Волна прорыва – волна, образующаяся во фронте устремляющегося в пролом потока воды, имеющая, как правило, значительную высоту гребня и скорость движения и обладающая большой разрушительной силой.

Волна прорыва, с гидравлической точки зрения, является волной перемещения, которая, в отличие от ветровых волн, возникающих на поверхностях больших водоемов, обладает способностью переносить в направлении своего движения значительные массы воды. Поэтому волну прорыва следует рассматривать как определенную массу воды, движущуюся вниз по реке и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость.

Продольный разрез такой сформировавшейся волны показан на рис. 1.4.1.

h - бытовой уровень воды в реке; H_B - высота волны; Н - высота потока

Рис. 1.4.1. Схематический продольный разрез волны прорыва

Волна прорыва (попуска) по своей физической сущности представляет собой неустановившееся движение потока воды, который, как уже было сказано выше, в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры (см. рис. 1.4.2). Она имеет фазы подъема уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсивного подъема уровня воды называется фронтом волны прорыва. Фронт волны прорыва может быть крутым при перемещении волны прорыва по участкам русла, близким к разрушенному ГОО, и относительно пологим – на значительном удалении от него.

Вслед за фронтом волны прорыва высота ее начинает интенсивно возрастать, достигая через некоторый промежуток времени максимума, называемого гребнем волны прорыва, который движется, как правило, медленнее ее фронта. В результате подъема волны происходит затопление поймы и прибрежных участков местности.

Площадь и глубина затопления зависят от параметров волны прорыва и топографических условий местности. После прекращения подъема наступает более или менее длительный период движения потока, близкий к установившемуся. Этот период тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней воды. Хвост волны (конец волны) двигается еще медленнее, чем ее гребень.

Вследствие различия скоростей трех характерных точек (фронта, гребня и хвоста) волна постепенно «распластывается» по длине реки, уменьшая свою высоту и увеличивая длительность прохождения в очередном створе.

После прохождения волны прорыва русло реки обычно сильно деформируется вследствие большой скорости течения воды в волне прорыва.

Разрушительное действие волны прорыва является результатом резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах при разрушении напорного фронта и образования потока, перемещающегося с большой скоростью, изменения под его воздействием прочностных характеристик грунта.

Основные оценочные параметры волны прорыва (попуска):

·  максимальная в данном створе высота волны Нв и глубина потока Н=Нв + hб (hб – глубина реки до прохождения волны или бытовая глубина);

·  скорость движения Сфр, Сгр, Схв и времена добегания tфр, tгр, tхв характерных точек волны прорыва до различных створов, расположенных ниже гидроузла;

·  длительность прохождения волны Тв в выделенных створах, равную сумме времени подъема Тпод и спада Тсп уровня воды в них;

·  средние Vср и поверхностные Vпов скорости течения в различных створах;

·  наибольшая ширина В затопления речной долины.

Масштабы чрезвычайных ситуаций при аварии на ГОО, сопровождающиеся образованием волны прорыва, зависят от типа и класса гидротехнического сооружения напорного фронта, от вида аварии (главным образом от размеров прорана), от параметров водохранилища и плотины (дамбы), от характеристик русла в нижнем бьефе, а также от топографических и гидрографических условий местности, подвергаемой затоплению. Поэтому прогнозирование возможного масштаба такой чрезвычайной ситуации должно осуществляться еще на стадии проектирования ГОО.

Так, например, от прорыва плотины Череповецкой ГЭС на реке Шексне (Вологодская область) возможно образование трех зон катастрофического затопления с общей площадью 0,5 тыс. кв. км, в которые попадают один город (Череповец - частично), один поселок городского типа (Шексна – частично), один сельский населенный пункт с проживающим в них населением общей численностью 3,6 тыс. человек.

Чрезвычайные ситуации, возникающие в результате разрушения сооружений напорного фронта и характеризующиеся основным поражающим фактором – волной прорыва и, соответственно, катастрофическим затоплением местности, нередко сопровождаются вторичными поражающими факторами:

·  пожарами – вследствие обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов;

·  оползнями, обвалами – вследствие размыва грунта;

·  инфекционными заболеваниями – вследствие загрязнения питьевой воды, продуктов питания и др.

Причины аварий, сопровождающихся прорывом гидротехнических сооружений напорного фронта и образованием волны прорыва, могут быть различны, как говорилось выше, но чаще всего такие аварии происходят по причине разрушения основания сооружения и недостаточности водосбросов. Процентное соотношение различных их причин приведено в таблице 1.4.1.

Таблица 1.4.1.

Частота различных причин аварий гидротехнических сооружений, сопровождающихся образованием волны прорыва

Причина разрушения	Частота, %
Разрушение основания	40
Недостаточность водосбросов	23
Конструктивные недостатки	12
Неравномерная осадка	10
Высокое пороговое (капиллярное) давление в намытой плотине	5
Военные действия	3
Сползание откосов	2
Дефекты материалов	2
Землетрясения	1
Неправильная эксплуатация	2
ВСЕГО:	100

Процентное соотношение аварий для различных типов плотин представлено в таблице 1.4.2.

Таблица 1.4.2.

Частота аварий для различных типов плотин

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

Основной причиной прорыва естественных плотин, образованных при образовании запруд в речном русле обрушившимися массами горных пород (при землетрясениях, обвалах, оползнях), либо массами льда (при движении ледников), является их перелив через гребень такой плотины и размыв ее.

Устойчивость и прочность гидротехнических сооружений напорного фронта задается по максимальным расчетным значениям уровня воды, скорости ветра, высоты волны, определяемым в соответствии со СниП 2.01.14-88.

Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений осуществляется в соответствии с общими требованиями Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений», принятого Государственной Думой 23 июня 1997 года:

·  обеспечение допустимого уровня риска аварий гидротехнических сооружений;

·  представление деклараций безопасности гидротехнических сооружений;

·  разрешительный порядок осуществления деятельности, указанной в статье 12 настоящего Федерального закона;

·  непрерывность эксплуатации гидротехнических сооружений;

·  осуществление мер по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений, в том числе установление критериев их безопасности, оснащение гидротехнических сооружений техническими средствами в целях постоянного контроля за состоянием, обеспечение необходимой квалификации работников, обслуживающих гидротехническое сооружение;

·  необходимость заблаговременного проведения комплекса мероприятий по максимальному уменьшению риска возникновения чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях;

·  достаточное финансирование мероприятий по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений;

·  ответственность за действия (бездействие), которые повлекли за собой снижение безопасности гидротехнических сооружений ниже допустимого уровня. [10, с. 24-32].

Аварийный сброс водохранилища.

При опорожнении водохранилища прежде всего активизируются экзогенные процессы, имевшие место до и после заполнения водохранилища, а также при его эксплуатации. Спуск водохранилища и отступание уреза воды вызовут оживление оползней, обвалов, осыпей. Возможно даже возникновение пыльных бурь на обнажающихся склонах.

Ученые все больше внимания в последние годы обращают на последствия паводочных сбросов и сбросов воды через плотины в чрезвычайных ситуациях – не исключена активизация эндогенных процессов. Так, мощные сбросы воды в нижний бьеф могут спровоцировать «местные» землетрясения силой 1-2 балла.

Спуск водохранилища вызовет также образование мелководных застойных зон, которые опасны как источники неблагоприятных бактериологических ситуаций.

Последствия повреждения плотин для верхних бьефов гидроузлов сходны с последствиями искусственного сброса воды. В этом случае существенными могут быть не прямые, а косвенные потери, связанные с нарушениями водоснабжения и электроснабжения, водных путей, вынужденной переориентацией энергоемких производств. Но главные беды будут связаны с поступлением в нижний бьеф загрязненных вод, с необходимостью очистки ложа водохранилища от различных отложений, содержащих токсичные соединения, тяжелые металлы, пестициды, нефть и другие виды органических веществ, накапливающихся на дне. При этом отложения сорбируют токсические вещества до уровней, намного превышающих содержание их в водной толще. [1, с. 6-7].

Основные параметры оценки последствий разрушения гидроузлов в нижнем бьефе.

Наряду с расчетами последствий разрушения плотин, выполненными НИИ «Гидропроект», в лаборатории гидрологии Института географии РАН были разработаны основные методические подходы к расчету параметров волны прорыва, ее картографированию и оценке последствий. Благодаря разработанным критериям остроты ситуации установлены зоны различной степени опасности последствий разрушительного воздействия волны прорыва. Они ранжировались следующим образом: катастрофические, значительные, ощутимые и незначительные. Каждая из названных градаций характеризуется конкретными параметрами волны прорыва и, соответственно, разными последствиями (таблица 1.4.3). Сочетание значений критериев остроты, определяющих ситуации в нижних бьефах поврежденных гидроузлов, может быть различным и зависит в первую очередь от уклонов, геоморфологических особенностей долины, величины прорана, времени года (половодье на реке или межень). [1, с. 3-4].

Таблица 1.4.3.

Основные параметры оценки последствий разрушения гидроузлов в нижнем бьефе

Градация последствий	Характеристика последствий	Критерии остроты:
		высота волны прорыва в % к высоте (h) плотины	время добегания волны прорыва (t, час)
Катастрофические	Затопления больших территорий, паралич хозяйственной деятельности, полное изменение уклада жизни, огромный материальный ущерб, гибель людей	примерно 100	менее 1
Значительные	Частичное или полное затопление долины реки, существенные нарушения производственной деятельности и резкие изменения уклада жизни, массовая эвакуация населения и материальных ценностей, значительный материальный ущерб	75 - 100	1 - 4
Ощутимые	Затопления сравнительно больших участков речных долин, отдельные нарушения уклада жизни и производственной деятельности людей, частичная эвакуация населения, ощутимый материальный ущерб	50 - 75	4 - 24
Незначительные	Небольшие подъемы уровней воды и площади затоплений, сохранение режима жизни и производственной деятельности, незначительный материальный ущерб	менее 50	более 24

Влияние на обстановку в населенных пунктах и повреждения, возникающие в результате воздействия.

Обстановка в населенных пунктах существенно зависит от морально-психологического состояния населения, а также инженерной обстановки. На морально-психологическое состояние населения влияют степень и сроки оповещения, уровень заблаговременной подготовки населения к действиям в случае прорыва плотины или наводнения, время года и суток, скорость и высота волны прорыва, скорость подъема воды и другие факторы.

Если заблаговременная подготовка не проводилась, то возникает паника, неорганизованное отступление и бегство от стихии, которые приводят к заторам и пробкам на путях эвакуации, дополнительным жертвам даже в результате образовавшейся давки. Усугубляют эту обстановку холодная, ненастная погода и темное время суток.

При заблаговременном оповещении и подготовке населения идет оперативная организованная эвакуация населения и материальных ценностей, мобилизуются органы управления и спасательные команды с техникой.

Оценка обстановки складывается из оценки параметров волны прорыва или возникающего в результате прорыва плотины наводнения и их влияния на здания, сооружения, почву, систему жизнеобеспечения.

Воздействие волны прорыва и возникающего в результате этого резкого подъема воды на населенный пункт может быть следующим:

·  гидродинамический удар, воздействующий на здания и сооружения и приводящий к их разрушению;

·  затопление водой жилищ, промышленных и сельскохозяйственных объектов, полей с выращенным урожаем, гибель скота;

·  потеря капитальности зданий и сооружений;

·  повреждение и порча оборудования предприятий;

·  разрушение гидротехнических сооружений и коммуникаций, расположенных ниже разрушенного гидроузла;

·  длительное гидравлическое давление на элементы мостов (опоры и т. п.);

·  затопление и разрушение дорог и др. [11, с. 71-79]

Статистика и причины аварий плотин.

Из достоверно известных 40 веков испытания человечеством водных ресурсов на Земле, ХХ век можно считать периодом наиболее активного освоения пресных вод, в течение которого из 37,3 тыс. куб. км годового объёма стока рек в мире оказались зарегулированными около 6 тыс. куб. км. При росте населения Земли за период с 1,65 млрд. человек в 1900 г. до 5,2 млрд. человек в 1990 г. в ряде регионов Земного шара водные ресурсы оказались на пределе испытания, возникала серьёзная озабоченность состояния окружающей среды.

Регулирование 6 тыс. куб. км объёма воды речного стока потребовало возведения 36 235 высоких плотин всех типов, тогда как на начало ХХ века насчитывалось порядка 1000 плотин. Возведение ГТС, как правило, в густо населённых районах всегда выдвигало ряд проблем, важнейшей из которых являлось обеспечение надёжности сооружений и безопасности населения на участке его расположения. Безопасность плотин беспокоила уже первых гидростроителей древности: почти 5 тыс. лет назад при создании водохранилища для водоснабжения столицы Египта г. Мемфиса проблемы безопасности плотины были важнейшими, а успешная эксплуатация сооружения на протяжении последних двух тысячелетий служит примером обеспечения долговечности плотин и сегодня.

По данным Международной комиссии по большим плотинам, из 36 235 плотин, эксплуатируемых в странах – членов СИГБ (Международная комиссия по большим плотинам – Society International grand barrage) на 1105 из них были отмечены аварии. Стоимость ремонта одной только арочной плотины Кельнбрайн в Австрии в 1985-1991 гг. составила 191 млн. долларов.

На территории бывшего СССР эксплуатируется более 2500 водохранилищ объёмом более 1 млн. куб. м. Проблема обеспечения безопасности плотин, как показали аварии Киселёвской и Тирлянской плотин в 1993-1994 гг., весьма актуальна.

Из 36,2 тыс. существующих высоких плотин, эксплуатируемых в настоящее время, 6,3 тыс. являются бетонными или каменными, 29,9 тыс. – грунтовыми. Из указанных выше 1105 аварий число аварий бетонных плотин составляет – 380, грунтовых – 664. Анализ отказов показывает, что надёжность этих типов сооружений различна и зависит от безотказной работы отдельных подсистем. Для грунтовых плотин наибольшее число отказов связано с фильтрационными проблемами в теле и основании плотины при чрезвычайных паводках. Для бетонных плотин отказы вызваны преимущественно проблемами оснований. Расчётные нагрузки на плотины этого типа также различны.

Поскольку статистика отказов представляет интерес не только с целью оценки значимости отдельных факторов, но и для установления физических причин разрушений и повреждений, рассмотрим надёжность одного из указанных типов плотин – бетонных на скальных основаниях. Для ответа на вопрос, вызвано ли большинство аварий плотин чрезвычайными внешними воздействиями, не учтёнными при проектировании сооружения, или недооценкой его свойств под нагрузкой, рассмотрим взаимодействие подсистем «плотина» и «основание» в системе «сооружение – внешняя среда» (рис. 1.4.3) при отказах. Такое изучение может заключаться в анализе данных нормально эксплуатируемых сооружений или сооружений, претерпевших аварию.

В настоящей статье оценка надёжности выполнена по данным сооружений, претерпевших аварию. Причины двух форм аварии – разрушения или повреждения определяются с позиции возможного внешнего воздействия f (L) или недостаточной сопротивляемости подсистемы «плотина» или «основание» f(R) (рис. 1.4.4). При этом отказы будут иметь место в случае L > R (заштрихованная область на рис. 1.4.4). Кроме того, не следует забывать, что сооружения стареют, а требования к их надёжности (безопасности) – повышаются. Аварии техногенных систем – всегда ошибка специалиста вне зависимости от того, вызвана ли она недооценкой внешней нагрузки или недостаточной сопротивляемостью, допущенная в период изысканий, проектирования, строительства или эксплуатации.

Многофакторность анализа причин заключается в последовательном рассмотрении различных внешних воздействий и факторов сопротивляемости им для каждого сооружения в отдельности. Важным в этой части работы является выделение реальных моделей отказов, оценка вклада данных моделей в общее число отказов сооружения, изучение характера протекания физических процессов взаимодействия в системе «внешняя среда – сооружение» при отказах в зависимости от свойств основания, скорости протекания процессов отказа.

В многофакторной модели надежности бетонных плотин по данным фактических отказов выделены две группы факторов.

1)  внешние воздействия (f (L) на рис. 1.4.4):

ü  давление воды при заполнении и эксплуатации водохранилища в пределах нормального подпорного горизонта;

ü  объем паводка выше расчетной величины;

ü  сейсмические;

ü  температурные;

ü  другие, в том числе строительного периода, когда допускается более высокий риск отказа.

2)  группа факторов, характеризующих сопротивляемость скальных оснований бетонных плотин (f (R) на рис. 1.4.4):

ü  чрезмерная проницаемость основания (фильтрация и противодавление);

ü  деформационная неоднородность массива основания;

ü  недостаточная прочность на сдвиг в основании плотины или в береговых примыканиях;

ü  размываемость пород в нижнем бьефе.

В таблице 1.4.4. представлены результаты анализа аварий 240 (разница между упомянутым числом 380 аварий бетонных плотин, учтенных в работе СИГБ, или 240 – в таблице 1.4.4. составляет число аварий, связанных с телом плотины) бетонных плотин, рассматриваемых в соответствии с многофакторной методикой.

Приведенные в таблице 1.4.4. данные показывают, что наибольшее число аварий связано с действием постоянного для гидротехнических сооружений фактора – давления воды при заполнении водохранилища. На долю других внешних воздействий приходится 22,5 % аварий, из которых большая часть (63%) связана с действием чрезвычайных паводков. Наибольшее число аварий произошло в процессе первоначального наполнения водохранилища или в первые годы эксплуатации сооружения, т.е. в условиях, которые должны быть учтены при проектировании. Это свидетельствует о существенной значимости оценки свойств системы «сооружение», в том числе ее подсистемы «основание» при расчетных нагрузках, и должно учитываться инженерами, собирающимися сэкономить на изыскательных работах.

Таблица 1.4.4.

Значимые свойства	Значимые внешние воздействия
	заполнение водохранилища	паводки	сейсмические	другие	всего
Чрезмерная проницаемость	110	6	2	2	120
Деформационная неоднородность	42	2	3	2	49
Недостаточная прочность на сдвиг	24	2	4	5	35
Размываемость	7	24	--	1	32
Другие	3	--	1	--	4
ВСЕГО:	186	34	10	10	240

Уровень годовой интенсивности отказов бетонных плотин с учётом фактической наработки на отказ составляет:

-  по разрушению – 0,34Е-04

-  по повреждению – 0,45Е-03.

Негативные социальные последствия катастроф плотин – наиболее чувствительный индикатор отношения общества к плотиностроению требует наиболее осторожных оценок, а открытая публикация и оценка этих данных является признанием вероятного характера аварий и катастроф.

В таблице 1.4.5. приведены данные по числу человеческих жертв в результате разрушения плотин. Годовая величина риска гибели людей в результате разрушения плотин всех типов может быть оценена – 1,4Е-07 – 5,1Е-08.

Различные внешние силовые воздействия имеют независимую природу и проявляются во время эксплуатации сооружения. Анализ этих воздействий следует производить раздельно. Это необходимо для оценки возможного риска отказа в пределах расчётного периода времени эксплуатации сооружения. В таблице 1.4.6. дано распределение 240 рассмотренных отказов скальных оснований бетонных плотин во внешних воздействий по уровням значимости.

По данным таблицы 1.4.6. следует, что отказы при заполнении водохранилищ составляют 78% от общего числа отказов, в том числе – 45% разрушений.

								Таблица 1.4.5.
Последствия наиболее крупных катастроф плотин.
№№ пп	Наименование плотины, страна		Год катастрофы		Объем водохранилища, млн. куб. м		Число жертв, чел.	Убытки
1	Пуэнтес, Испания		1802		52		680	--
2	Шеффилд, Англия		1864		3		238	--
3	Хабра, Алжир		1881		30		209	--
4	Саут Форк, США		1889		18,5		2209	150 млн. долларов
5	Бузи, Франция		1894		7		156	40 млн. марок
6	Байлес, США		1911		1		75	--
7	Тигра, Индия		1917		126		1000	--
8	Глено, Италия		1923		5		500	150 млрд. лир
9	Эйджи, Англия		1925		4,5		16	--
10	Сен Френсис, США		1928		46		428	100 млн. долларов
11	Зербино, Италия		1935		18		130	25 млрд. лир
12	Вега де Терра, Испания		1959		8		144	--
13	Мальпассе, Франция		1959		47		421	68 млн. долларов
14	Вайонт, Италия		1963		168		1899	100 млн. долларов
15	Койна, Индия		1967		2780		216	--
16	Титон, США		1976		308		11	1 млрд. долларов
17	Мачху II, Индия		1979		100		2000	--
18	Тоус, Испания		1982		50		28	360 млн. долларов
19	Кисилевское, Россия		1993		32		16	40 млрд. рублей
Распределение отказов скальных оснований бетонных плит вследствие внешних воздействий
№№ пп		Внешние воздействия		Всего отказов		В том числе разрушений			%	%
1		Заполнение и эксплуатация водохранилища		186		8			0,78	0,45
2		Паводки		34		7			0,14	0,39
3		Сейсмические воздействия		10		2			0,04	0,11
4		Другие (температурные, заиление идр.)		10		1			0,04	0,05
		ВСЕГО:		240		18			1	1

Поскольку гидростатическое давление воды при заполнении водохранилища является расчётной нагрузкой и должно учитываться при проектировании сооружения, очевидно, что отказы в этих случаях являются следствием недостаточной сопротивляемости системы «сооружение», в том числе его подсистемы «основание».

В таблице 1.4.7. дан перечень 18 разрушившихся бетонных плотин с выделением причин их аварий по многофакторной модели.

				Таблица 1.4.7.
Причины разрушения бетонных плотин на скальном основании
№№ пп	Название плотины, страна	Тип*; высота плотины, м	Причины разрушения
			внешние воздействия	сопротивляемость
1	Аустин, США	Г; 18,3	Паводок	Сдвиг
2	Байлес, США	Г; 15,2	Наполнение водохранилища	Сдвиг, фильтрация
3	Бузи, Франция	Г; 22	Наполнение водохранилища	Сдвиг, противодавление
4	Зербино, Италия	Г; 16,5	Паводок	Размыв основания
5	Каньон дель Пато, Перу	Г; 20	Землетрясение	--
6	Коморо, Япония	Г; 16	Наполнение водохранилища	Фильтрация
7	Ламер, США	А; 19	Паводок	Фильтрация
8	Мальпассе, Франция	А; 66,5	Наполнение водохранилища	Противодавление, сдвиг
9	Мое Ривер, США	А; 16	Паводок	Размыв примыкания
10	Понтеба, Алжир	Г; 10	Землетрясение	Сдвиг
11	Рутта, Италия	А; 15	Наполнение водохранилища	Фильтрация
12	Свитуотер, США	Г; 39	Паводок	Размыв примыкания
13	Стони, США	К; 16	Наполнение водохранилища	Размыв, фильтрация
14	Сен Френсис, США	Г; 62,5	Наполнение водохранилища	Деформационная неоднородность, фильтрация
15	Тигра, Индия	Г; 27,5	Паводок	Сдвиг
16	Хиригуэра, Испания	Г; 42	--	Сдвиг
17	Хиронаи, Япония	Г; 14	Наполнение водохранилища	Размыв в нижне бьефе
18	Эль Хабра, Алжир	Г; 34	Паводок	Размыв основания
* Г - гравитационная; А - арочная; К - контрфорсная.

Ниже рассмотрены аварии плотин с катастрофическими последствиями, связанные с недооценкой отдельных факторов.

Гравитационная плотина Сан-Френсис в Калифорнии, США, высотой 62,5 м, длиной по гребню 186 м, объёмом водохранилища 46 млн. м3 была построена в период, когда оценке свойств основания уделялось мало значения. Основание плотины было сложным по строению и свойствам: на левом берегу и русловой части каньона залегали сланцы с прочностью на сжатие 25-77 МПа (исследования пород основания были проведены только после аварии), правобережное примыкание представлено конгломератами с включениями гипса, прочными в сухом состоянии (прочность на сжатие составила 4,2-13,2 МПа). После замачивания прочность образцов снизилась до 1,5-3,8 МПа, а два образца распались. Причиной низкой прочности водонасыщенных конгломератов послужил гипс. Контакт обоих типов пород в основании плотины был представлен разломом, являвшимся оперением известного калифорнийского разлома Сан-Андреас. Активность разлома при строительстве отмечена не была.

При проектировании плотины расчётное давление на конгломераты было принято 1,3 МПа, поскольку показатели породы до аварии не изучались. Цементация основания проектом предусмотрена не была, а дренаж был выполнен в центральной части плотины, сохранившейся неразрушенной. Наполнение водохранилища было начато в 1926 г. и к марту 1928 г. было завершено. С начала наполнения водохранилища в основании плотины была зафиксирована фильтрация с расходом 56 л/с, которая с течением времени возрастала. Осмотр плотины главным инженером 12 марта 1928 года за день до катастрофы не привел к выявлению опасных дефектов в состоянии сооружения. Ночью 13 марта 1928 года произошло разрушение плотины. Число погибших составило 428 человек, убытки от действия волны прорыва в 10 раз превысили затраты на возведение сооружения и составили 150 млн. долларов в ценах 1975 года. По заключению многочисленных комиссий специалистов, расследовавших аварию, причиной ее было недостаточно прочное правобережное примыкание, сложенной конгломератами, и уменьшение их прочности под действием воды.

Авария плотины послужила причиной принятия Закона о федеральном контроле за строительством плотин в штате Калифорния, в соответствии с которым все плотины высотой более 6 футов и объемом водохранилища более 18,5 тыс. кв. м подлежат контролю их состояния. В целом в США в настоящее время Федеральной энергетической комиссией (ФЕРГ) контролируется состояние более 2000 крупных водохранилищ из учтенных в кадастре более 67 тыс./ч.

Катастрофой современной бетонной плотины, связанной с недоучетом особенностей строения скального основания, является разрушение и арочной плотины Мальпасе во Франции в 1959 году. Плотина Мальпасе высотой 66,5 м, длиной по гребню 222 м, водохранилищем объемом 51 млн. куб. м была возведена на реке Рейран на южном побережье Франции. Основание плотины, изучение свойств которого произведено после аварии, представлено гнейсами с модулем деформации 0,38 – 1,8 ГПа, прочностью на сжатие 32-42 МПа. Проницаемость породы не превышала 2 Люжон (единица водопроницаемости скальных пород, 1 Люжон равен расходу 1 л/с при давлении 1 МПа, поддерживаемого в течение 10 мин). Строительство этой тонкой арочной плотины было окончено в 1955 году, однако наполнение водохранилища производилось медленно. В процессе заполнения водохранилища один раз в год, в период постоянного уровня водохранилища, производились измерения деформаций плотины по реперам, забетонированным на низовой грани. За несколько недель до катастрофы, в октябре 1959 года, в днище гасителя водосброса были зафиксированы трещины, распространившиеся вдоль русла реки. 2 декабря 1959 года в 21.00 плотина разрушилась. В результате катастрофы погиб 421 человек, убытки в два раза превысили все затраты на строительство плотины и составили 68 млн. долларов. Комиссии, расследовавшие причины аварии, установили, что разрушение началось в левобережном примыкании, сложенном гнейсами, имевшими падение в нижнем бьефе, и тектоническое нарушение мощностью 80 см, заполненное глиной, секущее эти слои. Нарушение простиралось в основании левобережного примыкания на глубине 15 м под основанием плотины и выходило на поверхность ущелья в 30 м ниже плотины. Строение скального массива способствовало обжатию гнейсов при передаче нагрузки от водохранилища в примыкания и уменьшению водопроницаемости пород на два порядка по сравнению с естественным состоянием. Это послужило причиной передачи полного противодавления воды на обжатый скальный массив и его перемещению под действием этих нагрузок.

Авария плотины Мальпасе послужила толчком повсеместного внедрения в практику плотиностроения дренажа скальных массивов и изучения поведения скальных массивов под нагрузкой в полевых условиях.

Аварии плотин Вега де Терра в Испании в 1959 году, плотины Вайонт в Италии в 1963 году, привели к введению в практику натурных наблюдений за состоянием сооружения, детальных исследований свойств основания плотины до начала строительства.

Другой по значимости внешней нагрузкой, вызвавшей отказы, в том числе и в последнее время, являются паводки вероятностью ниже расчетной величины. Анализ показывает, что всегда имеется риск превышения поверочного расхода на водосливе в течение расчетного срока службы сооружения. Для бетонных плотин эта вероятность, по нашим данным, составляет 8,9Е+04. На грунтовой плотине Мачху II в Индии определенный на основании 90-летних наблюдений расчетный расход 5,7 тыс. куб. м/с оказался превзойденным дважды в течение четырех лет эксплуатации, а в 1979 году – в 4,7 раза и достиг 26,6 тыс. куб. м/с. Это свидетельствует об исключительной важности правильной оценки расчетного водосбросного расхода. В разное время подобные катастрофы имели место на плотинах: Саут Форк в США, Зербино в Италии, Тоус в Испании и недавнее разрушение плотины Кулекхани в Непале.

Сейсмические воздействия – сравнительно недавно учитываемый фактор при расчетах плотин, на который обратили внимание, по-видимому, после разрушения грунтовой плотины Шеффилд высотой 7,5 м в Калифорнии в 1925 году. Катастрофического разрушения крупной плотины в результате сейсмического воздействия не зарегистрировано, однако разрушения небольших плотин имели место. Так, бетонная гравитационная плотина Каньон дель Пато высотой 20 м в Перу в результате катастрофического 10-бального землетрясения с магнитудой 7 ¾ с эпицентром в 25 км от гор. Чимботе, в результате которого лавина скальных обломков перекрыла русло реки Санта, оказалась разрушенной. В катастрофическом Спитакском землетрясении в Армении в 1988 году интенсивностью 10 баллов небольшие гидроэлектростанции ДзораГЭС и Ленинаканская, расположенные в 20 км от эпицентра, получили повреждения в виде трещин. Неопределенность этого фактора и высокий социальный риск в случае аварии заставили отказаться от возведения в 1967-1970 гг. арочной плотины Оберн в Калифорнии, несмотря на то, что уже было израсходовано 360 млн. долларов.

Отказы от других внешних воздействий составляет 4%. Так, ежегодно из-за затопления водохранилищ теряется 1% полезной ёмкости водоёмов. С введением ранней диагностики состояния плотин после серии катастроф в 60-е годы путём измерения и контроля потенциально опасных факторов риска вероятность разрушения плотин снизилась до 0,1% при росте риска повреждения. Затраты на ликвидацию таких повреждений значительны. Для многоарочной плотины Даниель Джонсон высотой 210 метров в провинции Квебек в Канаде, построенной по проекту французской фирмы «Коин и Белье», перепад температуры более в 50С вызвал трещинообразование в плотине и основании и потребовал проведения ремонтных работ по созданию теплозащитного экрана и укрепления основания стоимостью в 144 млн. долларов. [12, с. 40-50]