Экологические последствия аварий на гидротехнических сооружениях

Все ГТС являются потенциально опасными источниками поражения (воздействия) на население, объекты экономики  и окружающую среду в результате аварийного сброса огромных водных масс.

ГТС в зависимости от степени  опасности разрушений и масштабов  их последствий подразделяются на 4 класса.

Класс ГТС может определяться: по показателю технического назначения сооружения,  по показателю динамических возможностей сооружения и  по показателю масштабов народно-хозяйственного назначения (табл. 1.1).

Таблица 1.1  Класс основных гидродинамических сооружений напорного типа в зависимости от технического назначения сооружения

Объект защиты	Высота сооружения, (м) при их классе
		1	2	3	4
Подпорные стены	А	Более 40	от 25 до 40	от 15 до25	менее 15
	Б	Более 30	от 20 до 30	от 12 до 20	менее 12
	В	Более 25	от 18 до 25	от 10 до 18	менее 10
Оградительные сооружения (молы, волноломы  и дамбы)	А, Б, В	Более 25	от 25	менее 5	-
Плотины на грунтовых основаниях	А	Более 100	от 75 до 100	от 25 до 75	менее 25
	Б	Более 75	от 35 до 100	от 15 до 35	менее 15
	В	Более 50	от 25 до 50	от 15 до 35	менее 15
Плотины бетонные и железобетонные, подводные конструкции здании гидроэлектростанций. Шлюзы	А	Более 100	от 60 до 100	от 25 до 65	менее 25
	Б	Более 50	от 25 до 50	от 10до25	менее 10
	В	Более 25	от 20 до 25	от 10до20	менее 10

 

В экстремальных условиях гидрологического режима (скоротечный  паводок, аварийный сброс вод  свыше расположенного по течению  реки ГТС и др.) возможны ситуации, когда гидродинамическое воздействие  вод превысит расчетные показатели устойчивости и прочности ГТС. Такие  отклонения от проектных величин  должны быть не более: для сооружений 1 класса - 1% (1 раз в 100 лет), 2 и 3 классов - 5% (1 раз в 20 лет), 4 класса - 10% (1 раз  в 10 лет). Превышение ветровых волн и  ветрового нагона над расчетными для сооружений 1 и 2 классов - 2% и 3,4 класса - 4%.

Установлено, что основными  причинами разрушения ГТС являются: горизонтальные подвижки и вертикальные смещения под основанием ГТС. Вовремя  не замеченные, они начинают проявляться  в снижении устойчивости конструкции, что может привести к аварии или  полному разрушению. Из статистического  анализа отказов ГТС, произошедших в двадцатом веке на примере 240 аварий, приведенных в таблице 1.2, видно, что большинство отказов плотин произошло в результате паводковых воздействий и чрезмерной проницаемости грунтовых оснований, а также недостаточной прочности сооружения.

Таблица 1.2

Таблица статистического анализа  отказов на гидротехнических сооружениях  напорного типа на территории бывшего  СССР за период 1990 - 2000 гг.
Причинные свойства грунтовых оснований	Причины аварий
	Штатные условия эксплуатации	Паводки	Сейсм	Другие	Всего
Чрезмерная проницаемость	110	6	2	2	120
Деформационная неоднородность	42	2	3	2	49
Недостаточная прочность на сдвиг	24	3	4	5	36
Размываемость	7	23	-	1	31
Другие	3	-	1	-	4
Всего	186	34	10	10	240

 

По данным статистического  учёта установлено, что чрезмерные фильтрационные расходы, связанные  с трещинами плотин в зоне основания, являются причинами 50% всех отказов, в  том числе 28% из них сопровождались разрушением плотин

По статистике отказов  влияние сейсмических явлений на ГТС занимает   17-е место  в зависимости от устройства плотины. Наиболее надёжными являются контрфорсные плотины. В таблице 1.3 показаны весовые  критерии отказов ГТС от факторов влияния.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.3

Факторы влияния на отказы работы ГТС

Факторы влияния	Вес ф-ра	Время и количество отказов
		0	4	10
Неустойчивость основания	20	30	30	----
Температура и усадки	12	30	----	----
Фильтрация в теле плотины	15	30	----	----
Фильтрация в основании	14	30	----	----
Агрессивность воды	12	----	----	6
Повременное замораживание	15	----	----	----
Неправильная эксплуатация	1	4	----	----
Землетрясения	3	9	----	----
Разные не выявленные факторы	8	4	----	----

 

Материалы статистики эксплуатации гидротехнических сооружений показывают, что с годами начинают появляться естественные динамические процессы в  опорных грунтах, приводящие к изменениям деформационной прочности оснований  и разрушению плотины. Для повышения  эффективности своевременных мер  по снижению данного негативного  фактора целесообразно применять  методы раннего обнаружения процессов  сдвига.

Последствия прорыва  гидродинамического объекта связаны  с распространением с большой  скоростью воды, создающей угрозу возникновения чрезвычайной техногенной  ситуации. Поражающий фактор - волна  прорыва, возникающая при разрушении гидротехнического сооружения. Параметры  поражающего воздействия волны  прорыва: скорость волны прорыва, глубина  волны прорыва, температура воды, время существования волны прорыва. Минимальные значения параметров поражающего  воздействия волны прорыва (ГОСТ  22.9-03-95), которые сохраняют поражающий эффект: - статическое давление потока воды не менее 0,2 кг/см² (20 кПа) с продолжительностью действия не менее 0,25 ч и скоростью потока не менее 2 м/с. На параметры волны прорыва влияют как начальные размеры прорана (ширина и глубина), так и интенсивность его размыва, зависящая от плотности сцепления с грунтом и других качеств материала плотины. Характер воздействия поражающего фактора определяется гидродинамическим давлением потока воды, уровнем и временем затопления, деформацией речного русла, загрязнением гидросферы, почв, грунтов, размыванием и переносом грунтов. Объектами  поражающего воздействия волны прорыва могут быть: население, городские и сельские строения, сельскохозяйственные и промышленные объекты, элементы инфраструктуры, домашние и дикие животные, окружающая природная среда. Показатели волны прорыва представлены на схеме (рис. 2).

Рис.2 Схема волны прорыва

h - уровень реки в момент образования прорана; h_Нб - глубина реки в нижнем бьефе; h_cp - высота затопления участка местности при его полном формировании; h_зат -максимальная высота затопления участка местности по створу; h_M - высота участка местности к уровню воды в реке в межень; Ф -фронт волны прорыва; L - расстояние от плотины до створа; h_вб - глубина водоема перед плотиной в момент ее разрушения; i - уклон водной поверхности.

 

 

На основе обобщения большого фактического (статистического) материала  о техническом состоянии и аварийности гидросооружений напорного типа установлено, что основными причинами отказа (аварийности) являются: чрезмерная проницаемость грунтов оснований, деформационная неоднородность оснований и недостаточная прочность оснований на сдвиг. Поэтому основным объектом исследования аварийности среди всех типов гидросооружений должны быть гидросооружения напорного типа на грунтовых основаниях.

Геоэкологические последствия аварий на гидросооружениях напорного типа определяются величиной гидродинамического давления потока воды, особенно во фронте действия волны прорыва, уровнем и временем затопления, деформацией речного русла, загрязнением гидросферы, почв, размыванием и переносом грунтов.

Современные методы дистанционного зондирования позволяют на стадии раннего  развития рисковых ситуаций устойчивости ГТС в условиях экстремально изменяющейся внешней среды определять: границы  береговой линии водоема и  динамику ее изменения, наличие и  характер увлажнения почв, и подтопление  территорий, динамику движения водных масс и наполнение водоема, характер и зоны затопления, техническое состояние  плотины и динамику аварийного сброса вод, наличие и состояние геологических  аномалий непосредственного в зоне ГТС (см. табл. 3.1).

Возможности методов  дистанционного зондирования по идентификации  рисковых ситуаций в зоне функционирования гидротехнического сооружения

Методы зондиро вания	Фактор  состояния объекта	Причины возникновения фактора	Признак рисковой ситуации	Спектор съемки, мкм	Факторы ограничения съемки	Применимость метода
Фотосъемка в видимом диапазоне	Увеличение площади  водоема, изменение очертания береговой  линии. Увеличение сброса вод через  водо- сбросную систему сооружения. Разрушение плотины.	Обильные осадки, паводки           Обильные осадки, паводки         Деформация опорных конструкций  сооружения	Увеличение напора вод  на стенки сооружения, переувлажнение грунтов в осно вании плотины. Увеличение напора вод на стенки сооруже ния, затопление территории ниже бьефа. Возникновение  волны прорыва, затопление территории	0,4– 0,78             0,4– 0,78           0,4-0,78	Темное (ночное) время суток, облачность.       Темное (ночное) время суток, облачность     Темное (ночное) время суток, облачность	Ограничено             Ограничено           Ограничено
Многозональная фотосъемка	Мутность вод       Глубина водоема   Влажность почв	Увеличение лив невых стоков с прилегающей территории Обильные осадки, паводки   Обильные осадки, паводки	Переувлажнение грунтов, увели чение объема водоема Повышение на пора вод на стен ки сооружения Снижение устой чивости осно ваний плотины	0,4-0,48       0,48-0,64     0,7-0,92	Темное (ночное) время суток   Темное (ночное) время суток Темное (ночное) время суток	Ограничено       Ограничено     Ограничено
Мультиспектральная съемка	Мутность и заг рязненность вод   Аномалии в береговой линии   Влажность почв     Зоны затопления	Паводки, пром. сбросы,   Обильные осадки, паводки   Обильные осадки, паводки   Обильные осад ки, аварийные сбросы	Увеличение напора вод  на стенки плотины Снижение уст ойчивости основ аний плотины Снижение уст ойчивости основ аний плотины Затопление территорий	0,4-0,8     0,4-0,8     0,4-0,8     0,4-0,8	Темное (ночное) время суток Темное (ночное) время суток Темное (ночное) время суток Темное (ночное) время суток	Ограничено   Ограничено   Ограничено   Ограничено
Инфракрасная (тепловая) съемка	Переувлажнение очв   Техногенные и ливневые сбросы, эрозия почв Деформация грунтов, развитие карста, суффозии, соли флюкции	Обильные осадки, паводки   Обильные осадки, павод ки, аварии на пром. объектах Длительные и обильные осад ки, сейсмичес кие аномалии	Снижение устой чивости основа ний плотины Снижение устойчивости оснований  плотины Снижение устойчивости оснований  плотины	3,0-5,0 8,0-12,0   3,0-5,0 8,0-12,0     3,0-5,0 8,0-12,0		Без ограничения Без ограничения   Без ограничения
Радиосъемка	Загрязнение вод     Влажность почв   Очертания береговой линии	Паводки, лив невые и техно генные сбросы Обильные осад ки, паводки   Обильные осадки, паводки	Увеличение напора вод  на стенки плотины Снижение усто йчивости осно ваний плотины Переполнение водоема	1мм-10м     1мм-10м     1мм-10м		Без ограничения Без ограничения Без ограничения
Телевизионная съемка	Загрязнение вод     Влажность почв     Очертания береговой линии водоема	Ливневые и аварийные  пром. сбросы Обильные осадки, паводки   Обильные осадки, паводки	Увеличение напора вод  на стенки плотины Снижение устой чивости основа ний плотины Переполнение водоема	0,5-0,75     0,5-0,75     0,5-0,75	Темное  время суток, облачность Темное время суток, облачность Темное время суток, облачность	Ограничено     Ограничено     Ограничено
Лазерная съемка	Загрязнение вод     Влажность почв	Ливневые и ава рийные сбросы   Обильные осадки, паводки	Увеличение  объема вод водоема Снижение уст ойчивости осно ваний плотины	10-720 нм   10-720 нм		Без ограничений   Без ограничений

 

 

Современные методы прогноза аварийности

 

Наибольшей информативностью по идентификации рисковой ситуации в зоне функционирования ГТС обладают такие методы дистанционного зондирования как: инфракрасная (тепловая) съемка и  съемка в видимом диапазоне спектра. Вследствие возможного проявления различных  негативных факторов природного и техногенного происхождения, изменяющих прочностные  характеристики сооружения, отдельные  элементы сооружения могут испытывать различного рода  деформации. Для  установления причин и прогноза развития этих деформаций применяются геодезические  методы наблюдения за деформациями. Наиболее распространены геодезические наблюдения за вертикальными смещениями (осадками). Состояние сооружения оценивают  по величинам деформаций, наблюдаемых  во времени по положению контрольных  точек, фиксированных в характерных  местах гидросооружения. Мониторинг технического состояния несущих конструкций плотин осуществляется с целью обеспечения их безопасного функционирования и является основой эксплуатационных работ на этих объектах.

Для достижения наибольшей эффективности в раннем обнаружении  деформационных процессов в основании  плотины разработана методика наклономерных наблюдений за смещениями в основании сооружения. Согласно этой методики в основание ГТС и вокруг него закладывается сеть наклономерных станций и реперов, с помощью которых определяются вектора смещения основания сооружения по границам скольжения, а также количественные величины и направления смещений.

В целях практической реализации  методики наклономерных наблюдений предлагается метод оценки точности и достоверности измерений и рекомендации по его применению.

Комплексное применение методов  дистанционного зондирования и геодезических  измерений позволяет достичь  максимальных результатов раннего  обнаружении рисковых ситуаций в  зоне функционирования ГТС  и своевременно принимать управленческие решения  на снятие напряженности в развитии  риска.

 

 

Авария  на Саяно-Шушенской ГЭС

 

Авария на Саяно-Шушенской  ГЭС — индустриальная техногенная  катастрофа, произошедшая 17 августа 2009 года. В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции нанесён серьёзный ущерб. Работа станции по производству электроэнергии приостановлена. Последствия аварии отразились на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, на социальной и экономической сферах региона. В результате проведённого расследования непосредственной причиной аварии было названо усталостное разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата, что привело к её срыву и затоплению машинного зала станции (рис 3).