В статье проведен анализ методов оценки инженерной обстановки при разрушении гидротехнического сооружения.
Ключевые слова: гидродинамическая авария, волна прорыва, катастрофическое затопление, инженерная обстановка, сооружение, возможное затопление, гидротехническое сооружение.
За последние 10–15 лет на водохозяйственных объектах России отмечалось значительные снижение уровня надежность и увеличение опасности возникновения аварийных ситуаций в связи с общим снижением уровня надзора за их безопасностью, сокращением объемов и снижением качества ремонтных работ.
К основным гидротехническим сооружениям относятся плотины (естественные, искусственные), водозаборные и водосборные сооружения (шлюзы), разрушение которых приводит к гидродинамической аварии.
Следствием данной аварии является катастрофическое затопление.
Под инженерной обстановкой, сложившейся в результате ЧС мирного времени, понимают характер и степень разрушений зданий, сооружений, коммунально-энергетических систем (КЭС) и других устройств, обуславливающих объемы и последовательность ведения аварийно-спасательных и других неотложных работ (АС и ДНР), ликвидацию последствий чрезвычайных ситуаций (ЧС).
Метод оценки инженерной обстановки ГТС — мониторинг.
Исходными данными для оценки инженерной обстановки:
- Сведения о наиболее вероятных стихийных бедствий, аварий и намерениях и возможностях противника по применению ССП.
- Характеристики (параметры) первичных и вторичных факторов поражения.
- Характеристики зданий, сооружений и элементов инфраструктуры.
- Характеристики защитных сооружений для укрытия персонала.
Факторами, влияющими на повреждение или разрушение инженерных защитных сооружений, влияют:
экстремальные расходы воды;
недостаточная пропускная способность водосбросных сооружений;
неисправность механического оборудования;
нарушение прочности (устойчивости) сооружений;
нарушение фильтрационной прочности различных частей гидроузлов, большие потери на фильтрацию.
Повышение требований к мерам по предотвращению или смягчению последствий наводнений делает актуальным совершенствование традиционных методов оценки параметров речного стока в различные фазы гидрологического режима рек.
В настоящее время в России, как и в ряде других стран применяются физико-математические модели формирования стока, частным случаем которых являются динамико-стохастические модели. Такого типа математические модели успешно применяются в исследовательских работах в основном при решении фундаментальных задач. Для их использования необходимо иметь большое количество параметров, характеризующих водный бассейн, что существенно усложняет задачу моделирования и ограничивает ее применение на больших по площади водных бассейнах.
Начальной фазой гидродинамической аварии (ГА) является прорыв плотины, который представляет собой процесс образования прорана и неуправляемого потока воды водохранилища из верхнего бъефа через проран в нижний бъеф. Во фронте устремляющегося в проран потока воды образуется волна прорыва.
Проран — узкий проток в теле (насыпи) плотины, косе, отмели, в дельте реки, или спрямленный участок реки, образовавшийся в результате размыва излучины в половодье. Волна прорыва — волна, образующаяся во фронте проходящего в проран потока воды, имеющего значительную скорость движения и обладающего большой разрушительной силой. Следовательно, поражающее действие волны прорыва ГА связано с распространением с большой скоростью воды, создающей угрозу возникновения ЧС. Поражающий фактор ГА — волна прорыва гидротехнического сооружения. Основными параметрами ее поражающего действия являются скорость, высота и глубина волны прорыва, температура воды, время существования волны прорыва. По своей физической сущности волна прорыва представляет собой неустановившееся движение потока воды, при котором глубина, ширина, уклон поверхности и скорость течения изменяются во времени (рис.1).
Рис.1. Волна прорыва и ее сущность
Высота волны прорыва и скорость ее распространения зависят от объема и глубины водохранилища, площади зеркала водного бассейна, размеров прорана, разницы уровней воды в верхнем и нижнем бъефах, гидрологических и топографических условий русла реки и ее поймы. В районе нулевого створа (тела плотины) высота волны прорыва ( Н вп ) определяется по формуле:
Н вп =0,6( Н — Н нб ), (1)
где Н — глубина водохранилища у плотины, м; Н нб — высота нижнего бъефа, м.
Высота волны прорыва, как правило, находится в пределах 2–12м и может достигать 10–30м. Скорость распространения волны прорыва составляет 3–25 км/ч, а для горных и предгорных районов — до 100 км/ч.
Примечание. Скорость движения волны прорыва V =2,7–6 м/с принимается для зон катастрофического затопления и опасного затопления, а для участков возможного затопления — V =1,5–2,5 м/с.
При этом статическое давление потока воды — не менее 20 кПа (0,2 кгс/см 2 ) с продолжительностью действия не менее 0,28 ч.
Характер воздействия на объект поражающего фактора определяется гидродинамическим давлением потока воды (гидропотоком), высотой, глубиной и скоростью потока воды, уровнем и временем затопления, деформацией речного русла, загрязнением гидросферы, почв, грунтов, размыванием и переносом грунтов.
Основным последствием гидродинамической аварии является катастрофическое затопление местности.
Катастрофическое затопление распространяется со скоростью волны прорыва и приводит через некоторое время после прорыва плотины к затоплению обширных территорий слоем воды более 0,5–10м. При этом образуются зоны затопления. Так, в РФ при разрушениях или авариях на ГТС (плотины, дамбы, перемычки, шлюзы и т. п.) в зоне затопления окажутся десятки миллионов человек, тысячи населенных пунктов, предприятий, сооружений, сельскохозяйственных земель и др. Возможный ущерб от такой гидродинамической аварии в РФ составит 250 млрд рублей.
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). Часть зоны затопления, в пределах которой распространяется волна прорыва, вызывающая массовые потери людей, разрушения зданий и сооружений, уничтожение других материальных ценностей и называется зоной катастрофического затопления. На ее внешних границах высота гребня волны прорыва ( Н вп ) превышает 1м (рис.1), а скорость ее движения — более 10 м/с. Время, в течение которого затопленные территории могут находиться под водой, колеблется от 4ч 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 1ч после аварии на ГТС. На этой территории возможны наибольшие потери среди населения, сильные разрушения ОЭ и жилых построек. Параметры волны прорыва на данном участке принимаются: высота гребня волны (рис. 1) — более 4м, а скорость движения — свыше 2,5 м/с. Для каждого водохранилища (особенно объемом 50 млн м 3 ), на котором авария приводит к высоте подъема воды более 1м, по результатам прогноза разрабатываются атласы или карты затопления и характеристики волны прорыва.
Весьма важным является прогнозирование развития и масштабов возможных последствий гидродинамических аварий на подпорных ГТС. Перечень основных прогнозируемых параметров аварии (волны прорыва) на водоподпорных ГТС, определяющих размеры бедствия и ущерб в зоне возможного затопления, приведен в табл. 6.
Чрезвычайную ситуацию, вызванную гидродинамической аварией, относят к федеральным ЧС.
Наиболее предпочтительный способ определения параметров волны прорыва — использование ЭВМ и программного обеспечения “Волна — 2”, разработанного во ВНИИ ГОЧС. Это позволяет спрогнозировать последствия прорыва гидроузлов, сопровождающегося образованием волны прорыва. Последствиями такой гидродинамической аварии станут разрушения зданий, сооружений, дорог, мостов, потенциально опасных объектов (ПОО) и др., находящихся в зоне воздействия этой волны. По результатам анализа и оценки возможной обстановки, используя программу “Волна — 2”, органом управления ГОЧС могут быть представлены предложения по профилактике и предупреждению гидродинамической аварии.
Существующая экспертная оценка риска аварий ГТС позволяет в достаточной простой и ясной форме дать сопоставительную оценку риска аварий ГТС, на основе экспертного анализа всей совокупности факторов, влияющих на надежность и безопасность работы, включая возможный ущерб при аварии.
В заключении необходимо отметить:
Изложенные методы являются теоретической основой прогнозирования последствий ЧС мирного и военного времени.
Приведенные подходы дают возможность создавать математические модели прогнозирования последствий конкретных ЧС на основе единой научно-методической базы.
Аналитические зависимости позволяют учитывать пространственно-временные факторы, включая особенности воздействия поражающих факторов, плотности застройки, тип застройки, условия размещения населения.
В основу прогнозирования последствий положен вероятностный подход учитывающий случайный характер воздействия поражающих факторов и случайность процессов, характеризующих физическую устойчивость сооружений к опасным воздействиям
Литература:
- СП 58.13330.2012. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33–01–2003. — Минрегион РФ, 2013.
- Богучанская ГЭС на реке Ангаре: проект первой очереди с отметкой ПУ водохранилища 185,00 м / Институт Гидропроект. — Москва, 2004.
