Аварии на гидродинамически опасных объектах

Гидродинамически опасный объект (ТОО) — сооружение или естественное образование, создающее разницу уровней воды до и после него. К ним относят гидротехнические сооружения напорного типа и естественные плотины. Особенностью таких сооружений является образование волны прорыва при разрушении.

Верхний бьеф — верхний уровень воды и занимаемое им пространство. Нижний бьеф — нижний уровень воды.

Гидротехнические 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, рыбозашиты, регулирования уровня воды, обеспечения деятельности морских и речных портов, для судоходства (шлюзы).

Гидротехнические сооружения напорного типа — это плотины, создающие подъем 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 создает подъем воды, но не имеет стока или он весьма ограничен. Плотина — сооружение, тоже создающее напор воды, но почти с постоянным ее стоком. Гидроузел — система сооружений и водохранилища, связанных единым режимом водоперетока. В горных районах в результате землетрясений, обвалов, оползней образуются естественные плотины (запруды), которые почти всегда представляют опасность для нижерасположенных населенных пунктов, объектов промышленности н сельского хозяйства.

Весьма опасно разрушение плотин. Вода с большой высоты и с огромной скоростью устремляется в нижний бьеф, заливая все на своем пути.

В таких случаях действуют два фактора: волна прорыва и зона затопления, каждый из которых имеет свою характеристику н представляет для людей опасность.

Гидротехнические сооружения напорного типа (фронта) в зависимости от вероятных последствий при разрушении подразделяются на следующие классы:

Гидротехнические сооружения	Класс
Гидротехнические сооружения гидравлических, гидроаккумулирующих и тепловых электростанций при мощности, млн. кет: -1,5 и более -менее 1,5	I II-IV
Гидротехнические сооружения мелиоративных систем при площади орошения, тыс. га: -свыше 300 -от 100 до 300 -от 50 до 100 -50 и менее	I II III IV

Класс основных постоянных гидротехнических сооружений напорного фронта зависит также и от важности объектов, расположенных в нижнем бьефе, и от максимального расчетного напора.

Помимо изложенного, класс зависит также от их высоты и типа

Сооружения	Тип грунтов основания	Высота сооружений, м, при их классе
	II	III	IV
Плотины из грунтовых материалов	А Б В	Более 100 Более 75 Более 50	75-100 35-100 25-50	25-70 15-35 15-25	Менее 25 Менее 15 Менее 15
Плотины бетонные и железобетонные	А Б В	Более 100 Более 50 Более 25	60-100 25-50 20-25	25-60 10-25 10-20	Менее 25 Менее 10 Менее 10

Типы грунтов разделяются так: А — скальные, Б — песчаные, глинистые в твердом и полутвердом состоянии, В — глинистые, водонасыщенные в пластичном состоянии.

Устойчивость и прочность гидротехнических сооружений напорного фронта задается по максимальным расчетным значениям уровня воды, скорости ветра, высоты волны. Так, например, расчетная обеспеченность уровней воды должна быть не более: для сооружений I класса — 1 раз в 100 лет (1 %), II и III классов — 1 раз в 20 лет (5%), IV класса— 1 раз в 10 лет (10%).

Прорыв гидродинамически опасных объектов Прорыв может произойти из-за воздействий сил природы (землетрясения, урагана, обвала, оползня), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания, недостаточности водосбросов, а в военное время — в результате воздействия средств поражения.

При прорыве в плотине или другом сооружении образуется проран, от размеров которого зависят объем, скорость падения воды и параметры волны прорыва — основного поражающего фактора этого вида аварий.

Волна прорыва образуется при одновременном наложении двух процессов: падения воды из водохранилища в нижний бьеф, порождающего волну, и резкого увеличения объема воды в месте падения, что вызывает подъем и переток в низинные места.

Действие волны прорыва на объекты подобно ударной волне воздушного ядерного взрыва, но отличается от него в первую очередь тем, что главным воздействующим телом (фактором) здесь является вода.

Прорыв плотин приводит к затоплению местности и всего того, что на ней находится. Поэтому строить жилые и производственные здания в этой зоне запрещено.

Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. 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 значительном удалении от него.

Вслед за фронтом волны прорыва высота воды начинает интенсивно увеличиваться, достигая через некоторый промежуток времени максимума, превышающего высоту берегов реки, в результате чего и начинается затопление.

После прекращения подъема уровней по всей ширине потока наступает более или менее длительный период движения, близкий к установившемуся. Он будет тем длительнее, чем больше объем водохранилища — пока оттуда вся вода вытечет. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней.

После прохождения волны прорыва остается переувлажненная пойма и сильно деформированное русло реки.

Разрушительное действие волны прорыва заключается главным образом в движении больших масс воды с высокой скоростью и таранного действия всего того, что перемещается вместе с водой (камни, доски, бревна, различные конструкции).

Высота и скорость волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки. Например, для равнинных районов скорость волны прорыва колеблется от 3 до 25 км/ч, а для горных и предгорных мест имеет величину порядка 100 км/ч. Лесистые участки замедляют скорость и уменьшают высоту волны.

За последние 70 лет в мире произошло более тысячи аварий крупных гидротехнических сооружений. Причины их различны, но чаще всего аварии происходят из-за разрушения основания. Процентное соотношение различных причин приведено в таблице.

Причины разрушения	Частота. %
Разрушение основания
Недостаточность водосброса
Слабость конструкции
Неравномерная осадка
Высокое давление на плотину
Военные действия
Оползание откосов
Дефекты материала
Неправильная эксплуатация
Землетрясение

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

Процентное соотношение аварий различных типов плотин приведено ниже.

Тип плотины	Частота аварий, %
Земляная
Защитные дамбы из местных материалов
Бетонная гравитационная
Арочная железобетонная
Плотины других типов

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

В случае прорыва немедленно используются все средства оповещения: сирены, радио, телевидение, телефон и средства громкоговорящей связи.