Прогнозування наслідків надзвичайних ситуацій на гідротехнічних спорудах Павлівської ГЕС

Федеральне агентство з освіти

Державна освітня установа вищої професійної освіти

Кафедра безпеки життєдіяльності

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до випускної кваліфікаційної роботи

Прогнозування наслідків надзвичайних ситуацій на гідротехнічних спорудах Павлівської ГЕС

Уфа 2006

Введення

Батьківщиною найперших гідротехнічних споруд (ГТС) можна назвати Стародавній Єгипет, де до наших днів збереглися залишки однієї з ранніх гідротехнічних споруд - дамби Сад Ель-Кафаров, яка була побудована приблизно між 2950 і 2750 рр.. до н. е.. Ще в древніх цивілізаціях життєво важливим фактором було управління водними ресурсами з метою забезпечення зрошення та водопостачання. Тому площа водного дзеркала створюються водосховищ постійно збільшувалася, а після 1915 р. стало можливим створення водосховищ з площею водного дзеркала понад 100 кв. км, в результаті змін у технології земляних і бетонних робіт, дозволили зводити великі і порівняно дешеві споруди. Але бум гідротехнічного будівництва припадає на останні 30-40 років, коли було побудовано більше 85% всіх існуючих у світі гребель.

Щорічно на земній кулі вступають в експлуатацію кілька сотень нових водойм - водосховищ із загальною площею, яка перевершує акваторію десяти Азовських морів. Зараз не так вже й багато річок, на яких немає хоча б подібної споруди. Так, «в Росії збудовано та знаходиться в експлуатації понад 3 тис. водосховищ». [1, с.1] Щорічно в дію вступає від 300 до 500 нових водосховищ. Багато великих річки планети - Волга, Ангара, Міссурі, Колорадо, Парана та ін - перетворені в каскади водосховищ.

Проте створення водосховищ має негативну сторону. З одного боку, вони об'єктивно потрібні для соціально-економічного розвитку суспільства, для постачання населення водою, продовольством, енергією, у боротьбі з повенями і т.д. З іншого - мають негативний вплив на природу і господарство річкових долин вище і нижче створу гребель, а також є джерелом можливої ​​загрози життю населення, що проживає нижче створу гідровузла, і нанесення великої матеріальної шкоди, тобто є потенційно небезпечними об'єктами.

Підпірні гідротехнічні споруди досить надійні і довговічні - багато хто з них функціонують десятки і навіть сотні років. Однак матеріали світової статистики та події недавніх років свідчать про те, що аварії на гідровузлах можливі, вони можуть призвести до пошкодження і руйнування гребель і прилеглих до них споруд.

Наслідки аварії водосховища (наприклад, прорив великий греблі на річці) можуть бути винятково великі. На відміну від промислових, транспортних та інших споруд, збиток від аварій яких у багатьох випадках оцінюється вартістю відновлення зруйнованих частин самої споруди, збиток від аварії підпірного гідроспоруди зазвичай у багато разів перевершує його вартість. Це пояснюється тим, що при цьому, крім людських жертв, руйнуються й інші споруди на річці та її берегах, паралізується діяльність підприємств цілих районів, що базувалися на даному гідроспоруді, відновлення ж останнього вимагає зазвичай ряду років. Ця обставина змушує вважати гідроспоруди вельми відповідальними спорудами, проектування, будівництво і експлуатація яких потребує виняткової уваги.

Як часто все ж відбувається аварія з гідротехнічними спорудами? «Французькі фахівці дають таку відповідь на це питання. Починаючи з VIII ст. кожні 5 років руйнувалася 1 гребля. За сорокарічний строк, що передував 1975 р., кількість аварій значно збільшилася і становила приблизно 1 катастрофу в середньому з 50 людськими жертвами кожні 15 місяців. Причиною цього є будівництво все більш високих гребель з великими водосховищами в складних природних умовах ». [2, с. 15]

Гідротехнічні об'єкти можуть бути джерелом колосальних лих і не через безпосереднього руйнування споруд. Наприклад, через кілька років після закінчення будівництва висотної греблі і заповнення водою водосховища «Вайонт» в Італії, 9 жовтня 1963 240 млн. куб. м крейдяних порід відірвалися від гори Струм і змістилися у водосховище. Тільки 15 сек. знадобилося для повного заповнення грунтом чаші водосховища, вихлюпування води на протилежний схил на висоту 260 і 100 м над греблею. Гребля залишилася стояти, але ... тільки мертвим пам'ятником трьом тисячам жертв, загиблих у цій катастрофі. У результаті зруйновано р. Лонжерон.

Створення та експлуатація водосховищ викликають також значні зміни в природі і господарстві річкових долин, на прилеглих до них територіях, у долинах нижче гребель і в пригирлових ділянках морів і озер, в які впадають зарегульовані водосховищами річки. Однак слід зазначити, що значні або помітні зміни в навколишньому середовищі викликають переважно великі й деякі середні водосховища. Вплив невеликих і малих водосховищ на природу і господарство території, зазвичай невелика, а нерідко і позитивно.

«Проблема потенційної небезпеки гідротехнічних споруд в Башкортостані вельми актуальна. У республіці близько 1500 різних гідротехнічних споруд; деякі з них знаходяться в аварійному стані або просто безгоспними ». [3, с. 13]

Так, 7 серпня 1994 р. відбулося аварія на греблі Тірлянського водосховища в басейні річки Білої в РБ, коли після інтенсивних дощів через зношеність механізмів не вдалося відкрити всі отвори берегового водоскиду (працювало тільки одне) і вода з переповненого водосховища кинулася через гребінь земляний греблі, яку зруйнував протягом декількох годин (семиметрова хвиля прориву знесла селище Тірлян, загинули 28 осіб). У результаті, жителі населених пунктів, розташованих в районі будь-яких ГТС, стали з деяким побоюванням і панічним недовірою ставиться до даного виду споруд на річках.

Як вже говорилося вище, бум будівництва ГТС припав на останні 30-40 років. У цей же період, з 1950 - 1961рр., Були побудовані і ГТС Павлівської ГЕС.

Павловський гідровузол був побудований з метою комплексного використання водних ресурсів річки Уфи, з урахуванням перспективного розвитку енергоспоживання, водопостачання і судноплавства. Водосховище використовується для перевезення пасажирів, суховантажів, нафтопродуктів, лісу, лісоматеріалів і з метою рекреації. На його берегах розташовано 11 закладів відпочинку: турбази, бази відпочинку, дитячі та спортивні табори.

У комплекс Павловського гідровузла входять водопідпірні, водопроводящие, судноплавні та інші споруди, пошкодження яких можуть призвести до виникнення надзвичайних ситуацій, оскільки від їх надійності залежить не тільки робота Павлівської ГЕС, а й функціонування господарських і промислових об'єктів регіону. Нижче створу водопідпірних споруд головного вузла, в 5-10 км від створу, розташовані населені пункти Червоний Ключ, Нижня Павлівка, Яман-Елгінскій ЛПГ, Кіровка.

Відповідно до статті 21 п.2 Федерального закону «Про безпеку гідротехнічних споруд» [4] прийнятого Державною Думою 23 червня 1997 року "гідротехнічні споруди, які знаходяться в експлуатації при вступі в силу цього Закону, вносяться в Російський регістр гідротехнічних споруд в безумовному порядку без подання декларацій безпеки гідротехнічних споруд ». Отже, гідротехнічні споруди Павлівської ГЕС знаходяться в російському регістрі ГТС з моменту вступу в силу вищезгаданого Федерального закону і на них поширюються вимоги, що пред'являються цим законом до ГТС.

Однією з вимог до ГТС, пропонованих Законом, є надання Декларації безпеки - основного документа, який містить відомості про відповідність гідротехнічної споруди критеріям безпеки. «Декларація необхідна для організації контролю за дотриманням заходів безпеки, оцінки достатності та ефективності заходів щодо попередження та ліквідації НС на промисловому об'єкті. Він є документом, де відображаються характер і масштаби небезпек на промисловому об'єкті та заходи щодо забезпечення промислової безпеки та готовності до дій в техногенних надзвичайних ситуаціях. Обов'язковому декларуванню безпеки підлягають проектуються та діючі промислові об'єкти, що мають у складі особливо небезпечні виробництва, а також гідротехнічні споруди, хвостосховища (відходи виробництв) і шламонакопичувачі, на яких можливі гідродинамічні аварії ». [5, с.7-8]

Враховуючи вищевикладене та на виконання вимог ФЗ «Про безпеку ГТС», Павловська ГЕС була включена до переліку об'єктів електроенергетики, які підлягають декларуванню безпеки в 1998 році (спільний наказ Мінпаливенерго Росії та МНС Росії від 31 грудня 1997 р. № 461/792), і до 29 вересня 1999 Декларація безпеки ГТС Павлівської ГЕС була розроблена.

З відомостей, представлених у декларації, можна зробити висновок, що гідротехнічні споруди знаходяться в працездатному стані і умови їх експлуатації відповідають чинним нормам і правилам. Рівень безпеки ГТС оцінюється як «нормальний». Представлена ​​інформація про заходи щодо локалізації та ліквідації надзвичайних ситуацій, захисту від них населення і територій дозволяє зробити висновок, що Павловська ГЕС готова в разі необхідності до ліквідації і локалізації надзвичайних ситуацій.

Павловська ГЕС має в необхідному обсязі ліцензії на здійснення видів діяльності, пов'язаних із забезпеченням безпеки. На гідровузлі існує група спостережень за станом ГТС в кількості 3 чоловік, яка здійснює нагляд за безпекою ГТС в обсязі та терміни задовольняють вимогам керівних документів, а також рятувальна група в кількості 50 чоловік.

Однак проблема підвищення стійкості функціонування будь-яких ГТС в сучасних умовах набуває все більшого значення у зв'язку з:

• зниженням трудової і технологічної дисципліни на всіх рівнях;

• високим виробничим зносом основних фондів, з одночасним зниженням темпів їх оновлення (Павловська ГТС експлуатується вже понад 40 років, а фактична реалізація ремонтних робіт стримується через фінансових можливостей ВАТ «Башкіренерго»);

• слабкою нормативно-правовою базою, що забезпечує страхування об'єкта на випадок збитку (договору страхування Павлівської ГЕС на випадок збитків від стихійного лиха немає, у зв'язку з відсутністю нормативно-технічної документації з визначення збитку та страхування ГТС);

• відставанням вітчизняної практики від зарубіжної в галузі використання наукових основ проблемного ризику в управлінні безпекою та попередженням НС;

• підвищення ймовірності виникнення військових конфліктів і терактів.

У сценарії можливої ​​аварії на гідровузлі, викладеному в Декларації безпеки Павлівської ГЕС, а також в результатах розрахунку можливого збитку від цієї аварії, рівень безпеки оцінюється як нормальний, а можливий збиток від аварії не підлягає обов'язковому обліку для споруд 2-го класу. Тому в дипломній роботі розрахунок можливих наслідків від аварії здійснювався не за запропонованим сценарієм у декларації безпеки, а за сценарієм з великою рідкістю, а, отже, і збитком.

Велика частина багатьох сучасних ГТС функціонує 20-30 років (Павловський гідровузол - 40 років). Це означає, що вони входять в період «старіння» і потребують особливої ​​уваги. У зв'язку з цим необхідно розглянути різні сценарії можливих аварій, в тому числі спорожнення водосховищ, передбачити оцінку наслідків і складання карт наслідків руйнування ГТС (можливого проходження хвиль прориву), а також розробити рекомендації щодо оповіщення та порятунку людей.

У даному дипломної роботи в розділі 1 представлені коротка інформація про гідроспорудах, а також дані про різні аварії, що сталися на гідровузлах.

У розділах 2, 3 проведений аналіз безпеки гідротехнічних споруд Павлівської ГЕС, дано короткий опис Павловського гідровузла та розглянуто вразливі місця гідротехнічних споруд Павлівської ГЕС.

У розділі 4 розглянуто питання сейсмостійкості ГТС, наведені основні принципи сейсмостійкого будівництва різних типів гребель.

У розділі 5, 6 наведено відомості про які мали місце аварійних ситуаціях на Павлівському гідровузлі, сценарій можливої ​​аварії на Павлівському гідровузлі, а також оцінка величини збитку.

У розділі 7 розглянуто заходи щодо забезпечення безпеки об'єкта, а Додатку проведено розрахунок проходження хвилі прориву і затоплення місцевості в результаті аварії на Павлівському гідровузлі з використанням програми «ХВИЛЯ 2.0».

1. Надзвичайні ситуації, характерні для даного об'єкта та їх наслідки.

1.1 Загальні відомості про гідротехнічних спорудах

Особливості та умови роботи гідротехнічних споруд.

Основна особливість гідротехнічних споруд і відмінність їх від інших видів інженерних споруд полягає в тому, що вони працюють (експлуатуються), перебуваючи в стоячій або рухається воді, яка надає на них силове (механічне), фізико-хімічне та біологічне впливу.

Механічне вплив води на спорудження позначається у вигляді тиску - гідростатичного і гідродинамічного. Тиск води є основним навантаженням більшості гідротехнічних споруд, визначає їх розміри і форми.

Але вода надає механічний тиск на гідротехнічні споруди не тільки як рідина. У холодний період крижаний покрив, що утворюється у водоймах, може виробляти статичний тиск при підвищенні температури льоду і динамічне - у вигляді ударів пливуть крижин.

Наноси, ваблені потоком, осідаючи перед гідроспорудами, також створюють на них статичний тиск, що діє в ту ж сторону, що і натиск води.

Фізико-хімічна дія води позначається на матеріалі споруди та на водонепроникному грунті основи. Так, що рухається з великими швидкостями вода, особливо якщо вона тягне з собою наноси, стирає поверхні споруди, руйнує річкове ложе; металеві частини піддаються корозії, внаслідок чого корисна товщина їх поступово зменшується. Бетонні частини споруд, перебуваючи під дією фільтрується через них води, можуть руйнуватися в результаті вилуговування з них незв'язною (вільно) вапна, якщо вода має агресивними (по відношенню до бетону) властивостями.

Біологічна дія позначається в руйнівній діяльності живуть у воді різних мікроорганізмів. Остання виражається в гнитті дерева і істачіваніі його морської шашіль, в руйнуванні каменю в морській воді камнеточцем. [2, с. 13-14]. Крім того, в певних умовах (у глибоких водосховищах) наявність деяких мікроорганізмів призводить до появи органічної сірки (сірководню), яка в присутності води перетворюється в сірчану кислоту, що руйнує бетон. [6, с. 19].

Класифікація гідротехнічних споруд.

Гідротехнічні споруди класифікують за кількома ознаками.

У залежності від того, чи сприймають вони напір води, їх ділять на напірні і безнапірні. У напірних споруд рівень води перед спорудою завжди вище, ніж за ним; цю різницю рівнів називають напором. У безнапірних споруд рівні води перед спорудою та за ним практично рівні.

У частині річки чи водойми по той бік напірного споруди, де рівень води вищий, називають верхнім бьефом (скорочено - в. Б.), А по інший бік - нижнім бьефом (н. б.); В деяких випадках вода в нижньому б'єфі може відсутні.

Одні гідротехнічні споруди застосовують у всіх галузях водного господарства, інші тільки в деяких з них. Залежно від цього їх поділяють на споруди загального та спеціального призначення.

До гідротехнічним спорудам про б щ о г о призначення належать наступні.

Водопідпірні (водопідіймальні) споруди, створюють і підтримують підпір води, тобто піднімають рівень у річках та озерах до заданих відміток; до них відносяться всі типи гребель і дамб, якими перегороджують природні та штучні водотоки, пригреблева будівлі ГЕС, напірні водозабори.

Водозабірні (водоподводящих) споруди будуються для подачі води з річок, озер, водосховищ, ставків до місць її споживання і використання; в залежності від природних умов вони бувають у вигляді каналів, лотків різних перетинів і конструкцій, трубопроводів тунелів.

Регуляційні і берегоукріплювальні споруди призначені для регулювання річкових русел з метою створення сприятливих умов для протікання в них водного потоку і запобігання його руйнівної дії на русло, захисту населених пунктів та земельних угідь від затоплень; поліпшення умов пропуску шуги, внутрішньоводного та поверхневого льоду на зажорно-заторних ділянках річок і селів на селенебезпечних ділянках річок; поліпшення умов підходу водних потоків до отворів мостових переходів і дорожніх труб. До цих споруд відносяться струмененапрямлені дамби, загати і напівзагати, траверси, прокопи, а також підпірні стінки, огорожі і укріплення для запобігання берегів від розмиву і ін

Сполучають споруди служать для безпечного сполучення потоків, озер, водосховищ, розташованих на різних відмітках, при їхньому з'єднанні між собою; для сполучення з нижнім бьефом потоків, що протікають через водоскиди гребель. Ці споруди зводять при прокладанні каналів у місцях зосередженого падіння місцевості, де виникає загроза розмиву русел. Сполучають споруди влаштовують при деяких типах ГЕС, використовуючи як аварійні скиди води.

Водоскидні (водозливні) споруди призначені для скидання надлишків води з водосховищ у н. б. Щоб уникнути їх переповнення в періоди повеней і паводків, а також для спорожнення водосховищ.

До гідротехнічних споруд загального призначення можуть бути віднесені такі типи, зрідка зустрічаються в основних галузях водного господарства. Це ледосбросние споруди (ледосброси і шугосброси) застосовують у складі гідровузлів на річках з важкими умовами льодоходу і шугоносних річках при необхідності пропуску льоду та шуги з верхніх б'єфів (при малій їх ємності) в нижні; відстійники і промивні пристрої, що служать для уловлювання річкових наносів перед входами в водозабірні споруди і для видалення промиву затриманих наносів з відстійників у нижній б'єф; рибопропускних споруд (рибоходу, рибопідйомник), службовці для забезпечення проходу риб до нерестовищ через напірні споруди. [6, с. 20-24]

Гідроенергетичні (будівлі ГЕС, зрівняльні резервуари, що будуються при деяких ГЕС і т.п.).

Воднотранспортні (судноплавні шлюзи, суднопідіймачі, пристані, лесоплавільние лотки тощо).

Гідроспоруди водопостачання і каналізації (насосні станції, очисні споруди тощо).

Гідромеліоративні, призначені для цілей інженерних меліорацій (шлюзи-регулятори, дренажні пристрої тощо).

Гідроспоруди рибного господарства (рибоходу, рибоводні ставки і т.п.).

Гідротехнічні споруди, які виконують захисні функції (від повеней, селів, ерозії, зсувів тощо).

Особливу групу спеціальних гідротехнічних споруд становлять гідрологічні витратоміри, тобто пристрої для вимірювання витрат води на малих і середніх водотоках.

За основним будівельним матеріалом, який використовується при створенні гідроспоруд, вони поділяються на споруди:

а) з місцевих будівельних матеріалів (земляні, дерев'яні, кам'яні);

б) з дальнепрівозних матеріалів (бетонні, залізобетонні, металеві).

Гідровузли.

Широко практикується в нашій країні комплексне використання водних ресурсів призводить до того, що перераховані вище різні з водогосподарського призначенням гідротехнічні споруди зазвичай групуються в ті чи інші комплекси по кілька споруд для спільного виконання ряду водогосподарських функцій. Такі комплекси називаються гідровузлами. [2, с. 10-11].

За величиною напору гідровузли ділять на низьконапірні (з напором 2-10 м), що перегороджують річкові русла і заплави, средньонапорною (з напором 10-40 м) і високонапірні (з напором понад 40 м), що перегороджують річкові русла, заплави і долини.

Постійні гідротехнічні споруди за значенням і ролі в гідровузлах поділяють на основні та другорядні. До перших належать споруди, припинення роботи яких у разі аварії або капітального ремонту призводить до повної зупинки або значного зниження потужності гідроелектростанції, пропускної здатності водозаборів, водопровідних споруд, скорочення судноплавства, лісосплаву, водопостачання. При будівництві до них пред'являються підвищені вимоги.

Другорядні - це споруди, припинення роботи яких не приносить значного збитку водному господарству. До них відносяться підпірні і роздільні стінки, облицювання каналів і берегів, струмененапрямлені дамби, ледозащітние споруди. [6, с. 25-26].

Якщо кілька гідровузлів спільно і взаємопов'язано вирішують комплекс водогосподарських проблем на значній території, тобто є об'єднаними (географічно, економічно, організаційно) в загальну систему або гідросистеми. Яскравим прикладом гідросистеми може служити ріка Волга з розташованими в її басейні великими гідротехнічними комплексами. [2, с.11]. (Схеми гідровузла представлені на рис. 1.1.1, 1.1.2)

1.2 Загальна характеристика водосховищ

Водосховища і їх відмінності від інших типів водойм.

З усього різноманіття перетворюючої діяльності людини як за своїми масштабами, так і за значенням у глобальних екологічних системах планети особливо виділяються два процеси: освоєння нових територій для сільськогосподарського виробництва, промислового і цивільного будівництва й перетворення річкового ланки гідросфери на величезних просторах суші шляхом гідротехнічного будівництва.

Гідротехнічне будівництво здійснюється на всіх континентах планети. Найбільше значення мають різного роду меліорації (осушення і зрошення) і створення нових водних об'єктів - водосховищ і каналів. Водосховища - ключові, базові елементи гідротехнічних та водогосподарських систем будь-якого рангу, оскільки саме вони дозволяють здійснити регулювання водних ресурсів, перетворення гідросфери в бажаному для суспільства напрямку.

До внутрішніх водойм відносять озера, лимани, водосховища, ставки. Водосховища і ставки - дуже схожі об'єкти. Різниця між ними в розмірах, але мають значення і менш очевидні ознаки.

Водосховищами слід вважати штучно створені долинні, улоговинні і природні озерні водойми з уповільненим водообміном, повним обсягом більше 1 млн. куб. м, рівень режим яких постійно регулюється (контролюється) гідротехнічними спорудами в цілях накопичення і подальшого використання запасів вод для задоволення господарських і соціальних потреб.

Необхідно зазначити, що використання водосховищ пов'язано не тільки з безповоротним вилученням води. Для рибного господарства, рекреації, охолодження агрегатів електростанцій, підтримки гарантованих судноплавних глибин в межах водоймища і т.п. потрібна акваторія і водна маса в цілому, а не тільки корисний об'єм, тобто щорічно витрачається запас води (рис. 1.2.1, 1.2.2).

У водосховищ немає природних аналогів. Лише за формою чаші з ними подібні завально-запрудниє озера. Тут слід відзначити найбільш важливі особливості водосховищ.

1. Водосховища - антропогенні, керовані людиною об'єкти, але вони відчувають і великий вплив природних (насамперед гідрометеорологічних) факторів, тому як об'єкти вивчення, використання та управління займають проміжне положення між «чисто природними» і «чисто технічними" утвореннями. Це дає їм право іменувати їх природно-технічними системами.

2. Водосховища помітно, а нерідко і значно впливають на навколишнє середовище, викликаючи зміни природних і господарських умов на прилеглих територіях. Природно, що поряд із заздалегідь запланованими сприятливими наслідками виникають також і наслідки негативного, несприятливого характеру.

3. Водосховищам властива особлива система так званих внутріводоемних процесів - гідрологічних, гідрофізики-хімічних і гідробіологічних.

4. Водосховища - водойми, найбільш інтенсивно використовуються різними галузями господарства. На кожному значному водосховище формується водогосподарський комплекс (ВГК). Серед компонентів ВГК, тобто всіх галузей господарства, що використовують водосховище і річку в нижньому б'єфі, виділяють галузі, зацікавлені у створенні водосховища та фінансують його. Решта галузей використовують водосховище, оскільки воно існує. Учасники ВГК пред'являють різні, а часом суперечливі вимоги до режиму використання водосховищ.

5. Для водоймищ як природно-господарських об'єктів характерна надзвичайно висока динамічність розвитку (еволюції).

Розглянемо коротко ці принципові особливості.

Водосховища - керовані об'єкти. Це означає, що основні параметри водосховища (об'єм, площа, місце розташування і режим регулювання), а разом з ними і багато інших характеристик визначаються людиною на стадії проекту; у складі гідровузлів є спеціальні технічні системи, споруди, та устаткування (гідротурбіни, водоскидні отвори з затворами), які дозволяють змінювати обсяг і рівень води у водосховищі. Головна особливість рішень, пов'язаних з експлуатацією водоймищ, - деяка невизначеність, обумовлена ​​стохастичним характером спрямованості та інтенсивності гідрометеорологічних процесів у водозбірному басейні.

Водосховища слід розглядати як природно-технічні системи, комплекси, які складаються з природної та технічної підсистем, діалектично пов'язаних між собою. Облік цієї взаємодії може істотно збільшити можливості раціонального і комплексного використання водосховищ, а ігнорування - привести до значних втрат. Керуючи технічної підсистемою водосховищ, людина може викликати розвиток таких процесів, явищ і ефектів у природній підсистемі, які він поки не в змозі запобігти, або їх подолання вимагає значних витрат трудових і матеріальних ресурсів. Тому керованими об'єктами водосховища можна вважати лише частково. Безпосередньо і повністю людина керує лише запасами води, а екосистемою і геосистеми водосховища - частково і побічно.

При створенні водосховищ відбуваються різноманітні зміни природних і господарських умов на територіях, як безпосередньо прилеглих до нового водойми, так і на віддалених від нього вниз за течією річки. Масштаби, глибина і спрямованість цих змін визначаються розмірами нового водойми (площа, обсяг водної маси, довжина, ширина) і своєрідністю природних умов району, які можуть послабляти або, навпаки, посилювати вплив водосховища.

Коли говорять, що водосховищам притаманна особлива система внутріводоемних процесів, мають на увазі, що властиві їм гідрологічні, гідрофізики-хімічні і гідробіологічні процеси не ідентичні тим, які спостерігаються в інших водних об'єктах - озерах, річках і каналах. Провідними факторами, що визначають специфіку взаємопов'язаних і взаємообумовлених внутріводоемних процесів у водосховищах, служать водообмін і рівень режим водойми. Один з показників водообміну - період, протягом якого відбувається повна зміна водної маси: для водосховищ різного типу він може становити від кількох днів до кількох років.

Амплітуда коливань рівня води в різних водоймищах змінюється також в широких межах - від кількох десятків сантиметрів для рівнинних водосховищ, до багатьох десятків і навіть більше 100 м для гірських водосховищ (рис. 1.2.3).

Саме ці фактори і відрізняють умови розвитку внутріводоемних процесів у водосховищах від тих, які характерні для озер і річок. Проявляється це в тому, що у водосховищах створюються активні гідродинамічні зони транзитного стоку, тобто спрямованого руху води до греблі, і утворюються зони водоворотних циркуляцій, коли частки води переміщуються за дуже складним замкнутим траєкторіями. Наявність такої складної гідродинамічної структури визначає багато важливих для водойм особливості: формування та рух водних мас; термічний, газовий і біогенний режими; переміщення і осадження мінеральних та органічних суспензій; процеси самоочищення води і, нарешті, життєво важливі умови проживання бактерій, організмів, що живуть в товщі води (планктон), донних організмів (бентос), водна рослинність, риб.

Процеси трансформації речовини та енергії у водосховищах мають інші, ніж в озерах та річках, масштаби, спрямованість, інтенсивність і тривалість. Це виражається в показниках якості води, у структурі та продуктивності водних систем. У цілому водосховища можна розглядати як своєрідні величезні перетворювачі та акумулятори речовини і енергії, але тільки не автономні, як, наприклад, озера. Річках ж, на відміну від водойм з уповільненим водообміном, навпаки, властивий потоковий механізм перетворення речовини та енергії.

Цей накопичувальний ефект водосховищ має як позитивні (освітлення води, зниження її кольоровості, зменшення вмісту шкідливих бактерій), так і негативне значення (зменшення самоочищаються здатності води, утворення застійних зон, більше, ніж у річках, прогрівання води, особливо на мілководдях, і як наслідок - евтрофірованіе нових водойм). Характерні приклади евтрофірованія водосховищ: надлишковий розвиток синьо-зелених водоростей (цвітіння води), надмірне продукування біомаси водної рослинності (заболочування акваторій).

Дедалі більше економічне значення водосховищ виражається у формуванні водогосподарських комплексів - вони виявляються залученими в систему зв'язків і відносин не тільки власне водогосподарських, а й соціально-економічних, тому що з часом і інші галузі господарства виявляються зацікавленими в його використанні.

І, нарешті, кілька слів ще про одну принципову особливості водосховищ - високої їх динамічності як природно-господарських об'єктів. Ця динамічність обумовлена ​​трьома чинниками:

1. мінливістю гідрометеорологічних процесів, що визначають гідрологічний режим водойми;

2. стрімкою зміною впливу господарства на природне середовище, в тому числі і на водойми;

3. змінами з різних причин режиму експлуатації водосховищ.

Сукупний вплив зазначених чинників призводить до того, що водосховища вкрай рідко можна вважати стаціонарними об'єктами, еволюцію яких легко і однозначно визначити на основі минулого передісторії. Тому якщо і йдеться про будь-яке рівноважному стані водосховищ, то завжди мається на увазі динамічну рівновагу їх як природно-господарських об'єктів, яке може різко порушиться при зміні будь-якого із зазначених вище факторів. Динамічність водосховищ проявляється у всіх їхніх характеристиках, але, мабуть, найбільш яскраво - у процесах формування берегів, зміни якості води, структури і продуктивності водних і наземних (в береговій зоні) екосистем. У спеціальній літературі іноді навіть вживається термін «еволюція водосховищ», однак якщо еволюція озер триває протягом багатьох сотень і тисяч років, то у водосховищах суттєві зміни основних процесів і явищ відбуваються принаймні на порядок швидше. Якщо в озерах зміна носить статечний і направлений («правильний») характер, то водосховища розвиваються циклічно і стрибкоподібно відповідно до співвідношення змін провідних факторів. [7, с.9-13].

Класифікація водосховищ.

Більше 30 тис. водосховищ земної кулі, які експлуатуються в даний час, істотно різняться між собою за параметрами, режимним характеристикам, напрямку господарського використання і впливу на навколишнє середовище.

Для вирішення багатьох не тільки наукових, але і практичних питань проектування, створення і використання водосховищ особливого значення набуває упорядкування і систематизація колосального обсягу різноманітних відомостей і даних про водосховищах. Необхідний початковий етап універсальної систематизації водосховищ - розробка приватних (за окремими критеріями, параметрами і ознаками) класифікацій та типізації. Тут слід охарактеризувати найбільш важливу з них - типізацію за генезисом.

Типізація за генезисом. В основу типізації водосховищ може бути покладено, перш за все, ознака генезису, що вказує на спосіб їх утворення. Природничі ємності, в яких акумулюється вода, прийнято називати чашами водосховищ (рис. 1.2.6). Використовуючи цю ознаку, слід розрізняти

• водосховища в долинах річок, перегороджених греблями, в тому числі і на тимчасових водотоках;

• наливні водосховища;

• зарегульовані озера;

• водосховища в місцях виходу грунтових вод і в карстових районах;

• водосховища прибережних ділянок моря і естуаріїв, відокремлених від відкритого моря дамбами. [7, с.18-19].

Типи, параметри і характеристики водосховищ.

Водосховища можуть бути у вигляді критих резервуарів, відкритих басейнів типу ставків-Копаней, лиманів, і водойм, утворених греблями (греблі водосховища).

Криті резервуари, відкриті басейни і лимани зазвичай відрізняються незначним обсягом і знаходять собі застосування у водопостачанні та обводнюванні в якості резервуарів добового регулювання. Відкриті басейни, утворені обвалуванням, використовуються також і для добового регулювання на ГЕС.

Гребля водосховища (рис. 1.2.4) відрізняються значним об'ємом і дозволяють здійснювати сезонне і багаторічне регулювання стоків. Вони отримали широке поширення в практиці водогосподарського будівництва.

Водосховище гребле типу має такі елементи:

• гребля,

• водозабірні споруди для вилучення необхідної кількості води,

• водоскидні пристрої для скидів надлишків води,

• пристрої для промивання насосів при значній кількості останніх.

Крім цього, греблі водосховища характеризуються величиною корисного обсягу, або так званої зливний призмою, величиною мертвого обсягу (МО) та відповідними характерними рівнями води. [6, с. 316].

Головна мета створення водосховищ - регулювання стоку. Воно робиться в основному на користь енергетики, іригації, водного транспорту, водопостачання і в цілях боротьби з повенями.

Для цього у водосховищах акумулюється стік в одні періоди року і віддається в інші періоди.

Період акумуляції стоку називається наповненням водосховища, а процес віддачі накопиченої води - спрацювання водосховища. Як наповнення водосховища, так і його спрацювання виробляються завжди до більш-менш визначених рівнів (рис. 1.2.5). Вищий проектний рівень водосховища (верхнього б'єфу греблі), який підпірні споруди можуть підтримувати в нормальних експлуатаційних умовах протягом тривалого часу, називається нормальним підпірним рівнем (НПУ). На нормальний підпірний рівень розраховуються як споруди інженерного захисту, так і всі промислові, транспортні, комунальні та інші споруди, розташовані на берегах водосховища. Мінімальний рівень водосховища, до якого можлива його спрацювання в умовах нормальної експлуатації, називається рівнем мертвого об'єму (УМО). Обсяг води, укладений між НПУ та УМО, називається корисним, так як саме цим обсягом води і можна розпоряджатися в різних господарських та інших цілях. Обсяг же води, що знаходиться нижче УМО, називається мертвим, оскільки використання його в нормальних умовах експлуатації не передбачається.

Пропускна здатність гідровузла (його турбін, водозливних прольотів, донних отворів, шлюзів) з економічних і рідше технічних міркувань обмежена. Тому коли по водосховищу йде витрата рідкісної повторюваності (раз на сто, тисячу, а то й десять тисяч років), гідровузол не в змозі пропустити всю масу води, що йде по ріці. У цих випадках рівні води на всьому водосховище і біля греблі підвищуються, збільшуючи його обсяг іноді на значну величину, одночасно збільшується пропускна здатність гідровузла. Такий підйом рівня вище НПУ у період проходження високих повеней рідкісної повторюваності називається форсуванням рівня водосховища, а сам рівень - форсованим підпірним (ФПУ), або рівнем катастрофічного паводку. На водосховищах, використовуваних для водного транспорту або лісосплаву, спрацювання рівня в період навігації обмежується рівнем, при якому річковий флот за станом глибин може продовжувати нормальну роботу. Цей рівень, що знаходиться між НПУ та УМО, називається рівнем навігаційної спрацювання (УНС). Рівні води, особливо при НПУ і ФПУ, біля греблі, в середній і верхній зонах водосховища не однакові. Якщо у греблі рівень відповідає позначці НПУ, то в міру віддалення від неї він підвищується спочатку на сантиметри, а потім і на десятки сантиметрів, а в окремих випадках і на один-два метри. Це явище носить назву кривої підпору. [7, с.13-15].

Для виконання водогосподарських розрахунків потрібно наявність топографічної (крива залежності площ дзеркала водосховища від його наповнення), об'ємної і економічної (зміна вартості водосховища зі зміною глибини (наповнення)) характеристик водосховища, складаються після остаточного визначення місця розташування греблі. [6, с.317].

1.3 Взаємодія греблі з річкою і річковим руслом

Класифікація гребель.

Греблі є загальними гідроспорудами, за цільовим призначенням відносяться водопідпірних споруд і є серед них найбільш важливими.

Водопідпірною називається спорудження, що утримує з одного боку воду на більш високому рівні, ніж з іншого. Як зазначалося вище, частина водного об'єкта по той бік водопідпірної споруди, де є більш високий рівень води, називається верхнім (підпертий) бьефом, а по інший бік - нижнім бьефом. Різниця рівнів верхнього та нижнього б'єфів називається напором на споруді. Греблею називається водопідпірних споруд, що перегороджує русло чи долину річки. Водопідпірні споруди ж, влаштовуються по берегах річок для захисту земель від затоплення, носять назву дамб або валів.

До підпірним споруд відносяться також ряд спеціальних споруд, наприклад, судноплавні шлюзи і шлюзи-регулятори на зрошувальних і осушувальних системах, плотоходи і деякі інші.

Греблі прийнято класифікувати за кількома ознаками.

За мети пристрою. Розрізняють дві основні мети пристрою греблі: а) підняття рівня води в річці на деяку висоту і регулювання цього рівня, що досягається будівництвом водопідпірних греблі; б) створення сховища води, що досягається будівництвом водохраніліщного греблі. У багатьох випадках одну і ту ж греблю влаштовують і для підняття рівнів води в річці, і для освіти водосховища. Така гребля буде і водопод'емной, і водохраніліщного.

По можливості пропуску води. У залежності від пропуску води через створ греблі розрізняють: глухі дамби і водоскидні греблі.

За основним матеріалу: із грунтових будівельних матеріалів, бетонні греблі, залізобетонні греблі, дерев'яні греблі, греблі з міцних матеріалів (сталі, синтетичної плівки і т. д.) і комбіновані.

По висоті створюваного напору. Прийнято виділяти низьконапірні греблі з напором менше 25 м, средньонапорною - з напором від 25 до 75 м і високонапірні - з напором понад 75 м.

За характером підстави. Розрізняють греблі, побудовані на м'яких грунтах (проникних, нескельних) і на скельних грунтах (від виду грунту основи залежить характер фільтрації води під греблею). [2, с. 16-18].

Дія річкового потоку на греблю.

Крім тих видів впливу, які вода робить на будь гідроспоруду (див. п. 1.1), греблі зазнають з боку водного потоку ряд додаткових дій, наслідки яких враховуються в конструкціях розглянутих споруд.

У верхньому б'єфі біля греблі потік має звичайно швидкості течії менше, ніж вони були до створення підпору. Проте на підході до водоскидних отворів місцеві швидкості зростають і при відомому їх значенні можливі розмиви русла, можуть призвести до порушення стійкості греблі (рис. 1.3.1). Для захисту русла від розмиву перед греблею встановлюється спеціальне покриття, що носить назву понуро. Інше призначення Понура - боротьба з фільтрацією води під спорудою.

У межах греблі вода рухається з дуже великими швидкостями (іноді понад 20 м / с), надаючи на спорудження динамічний вплив на увазі виникають пульсацій потоку, місцевих опорів і пр. Зведення цих впливів до можливого мінімуму досягається шляхом підбору плавних форм тих поверхонь споруди, за якими рухається потік.

У нижньому б'єфі за греблею значна кінетична енергія потоку, пропорційна витраті води і квадрату швидкості, неминуче руйнує русло, викликає глибокі розмиви навіть скельного грунту дна річки, що буде загрожувати цілості греблі. Тому вживаються заходи гасіння надлишкової кінетичної енергії та захисту русла від руйнування спеціальними покриттями.

Для цього безпосередньо за водозливом укладають масивну плиту, звану водобоем. На ньому втрачається основна частина кінетичної енергії шляхом утворення вальців при сполученні потоку з водою нижнього б'єфу, а також завдяки розщепленню потоку на окремі струмені і взаємною перемішуванню струменів, для чого на водобое ​​часто влаштовують спеціальні виступи, пороги, стінки. За водобоем слід зазвичай гнучке, проникне для води покриття, зване рісбермой, на якій швидкості потоку доводяться до величин, безпечних для грунтів русла (рис. 1.3.2). [2, с. 18-21].

Замулення водосховищ. Ваблені і зважені наноси, потрапляючи у водосховищі, внаслідок малих швидкостей течії в ньому починають осідати і відкладатися на дні. При осадженні більші наноси відкладаються у верхній (хвостовий) частині водосховища, більш дрібні зносяться нижче і найдрібніші, зважені, розносяться течією по всій частині водосховища. При спрацюванні водосховища наноси, відклалися в його хвостової частини, поступово змиваються вниз і більш рівномірно розподіляються по всій чаші. Змивши наносів припиняється нижче рівнів мертвого обсягу, і тому останній поступово і безперервно заповнюються наносами. Наноси, що залишаються у водосховищі в підвішеному стані, частково видаляються через водозабірні та водоскидні споруди разом з водою. При заповненні мертвого обсягу подальше відкладення наносів приводить до зменшення корисного об'єму водосховища і порушення його роботи. Розрахунок замулення водосховищ і визначення терміну їх служби є одним з основних і ще недостатньо розроблених питань гідрології [6, С.320].

Дія греблі на річковий потік.

Греблі, що утворюють водосховища, особливо великі, приводять до корінних перетворень водного режиму, зволоженості та мікроклімату, прилеглих до них територій, викликаючи зміну їх флори і фауни. Зупинимося на основних змінах, що відбуваються вище і нижче греблі в річці і річковому руслі.

Підпір, створений греблею, поширюється на значні відстані, викликаючи збільшення глибин в річці і зменшення швидкості течії, що призводить до різноманітних наслідків. Так, підвищуються рівні грунтових вод у річкових заплавах, долинах і в прибережній зоні водосховищ. Це явище в більшості випадків негативно позначається на навколишньому середовищі, тому що супроводжується заболочуванням території, випаданням лісів по берегах водоймищ у північних районах, засоленням грунтів в південних районах, випливання торфовищ та ін (рис. 1.3.3).

У зв'язку зі зменшенням у міру наближення до греблі швидкості течії потоку у водосховищі відбувається випадання з води наносів, які сортуються по крупності згідно зі швидкостями течії, тобто з поступовим зменшенням величини по напрямку до греблі.

Крім наносів, принесених річкою, твердий матеріал надходить у водосховищі за рахунок обвалень берегів внаслідок розмиваючого дії хвиль, внаслідок зсувів, осипів і обвалів крутих берегів. Всі ці процеси призводять до так званого переформовування берегів водосховищ та освіти пологих "пляжів" в прибережній зоні.

У зв'язку з відкладенням наносів ємність водосховища зменшується, причому темпи такого зменшення залежать від кількості наносів, від ємності водосховища, умов роботи останнього та інших факторів. Відзначаються випадки, коли побудоване водосховище заіляется за відносно короткий термін - за кілька років; наприклад, підпірний б'єф Земо-Авчальской ГЕС на річці Курі протягом 5 років був замулений на 60%, Штерівська водосховище на річці Міус (Донбас) за такий же період на 85%. Разом з тим в літературі наводяться також приклади водосховищ, які майже не заіляются; до них відноситься водосховище однією з найвищих у світі гребель Боулдер (на р.. Колорадо), яка відповідно до проведених розрахунків повинно заповнитися мулом тільки через 445 років.

Відкладаються наноси не тільки зменшують корисну ємність водосховища і створюють у хвостовій його частини труднощі для судноплавства, а й призводять до поступового підйому рівня води у верхньому б'єфі, а також більш далекому від греблі поширенню кривої підпору, що викликає збільшення затоплень земель. Зокрема, в зоні зразкового підпору може виявитися гідрологічний (водомірний) пост, який до будівництва греблі і наповнення водою водосховища знаходився на вільній ділянці річки.

Тому при проектуванні та експлуатації водосховищ на річках з підвищеним вмістом наносів доводиться цікавитися питаннями замулення водосховищ, а в ряді випадків намічати відповідні заходи по боротьбі з цим явищем.

Якщо ситуація така, що насиченість водного потоку завдають значно зменшується за рахунок осадження їх у зоні водосховища, то тоді в нижній б'єф водопідпірної споруди надходить освітлена вода. У результаті стійкість русла в нижньому б'єфі, що встановилася в попередній будівництва греблі період, порушується, тому що потік починає інтенсивно розмивати русло й наситишся наносами відповідно до своєї «транспортує здатністю». При цьому дно русла нижнього б'єфу буде кілька знижуватися, іноді на значну відстань від греблі (десятки і навіть сотні кілометрів). Зниження дна русла в нижньому б'єфі може викликати:

а) порушення стійкості мостових опор;

б) зниження рівня грунтових вод в берегах, що супроводжується, зокрема, обсихання колодязів;

в) погіршення роботи раніше побудованих водозаборів.

Після будівництва греблі істотно змінюється і льодово-термічний режим на ділянці річки, що опинилася в зоні поширення підпору. У верхньому б'єфі внаслідок різкого уповільнення швидкостей течії швидше настає льодостав, крижаний покрив досягає більшої товщини, ніж мав місце до будівництва споруди, затягуються терміни розтину, що негативно позначається на умовах судноплавства і навіть може вплинути на мікроклімат прилеглої території.

Накопичення великих обсягів води сприяє акумуляції у водосховищах додаткового тепла (втім, мало впливає на льодовий режим верхнього б'єфу). Це тепло, потрапляючи з водою в нижній б'єф, разом з високими швидкостями потоку взимку уповільнює формування за греблею крижаного покриву, приводячи до утворення ополонок. Останні при певних метеорологічних умовах є «фабриками шуги». Шуга ж, переміщаючись водним потоком у великих кількостях на нижні ділянки річки, де встановився крижаний покрив, сприяє утворенню зажорів, що призводять до зимових повеней і утворення великих полоїв, іноді приносять значної шкоди народному господарству (вихід з ладу доріг, мостів та ліній зв'язку і т . п.). [1, с. 21-23].

Фільтрація води під греблею. Причини і наслідки.

Підстави гребель - різні гірські породи - зазвичай в тій чи іншій мірі проникні для води (в тому числі і скельні). [2, с. 21-23]. Це відбувається внаслідок пористості грунтів, що складають основу гребель, береги річок, заплави і річкові долини - вода з верхнього б'єфу під дією напору фільтрує в основу греблі і в берега в обхід її. [2, с.317]. Природно, що після підняття греблею рівня води в річці основу споруди насичується водою, яка рухається по порах і тріщинах з зони більшого тиску в зону меншого тиску, тобто з верхнього б'єфу в нижній б'єф. Цей рух називається фільтраційним або фільтрацією води.

Область фільтрації під напірним гідротехнічною спорудою обмежується зверху поверхнями споруди, якими воно стикається з грунтом основи і берегів, а знизу - покрівлею водоупора (іноді водоупор відсутній на практично досяжною глибині). Вхідний поверхнею фільтраційного потоку є дно верхнього б'єфу, вихідний - дно нижнього б'єфу і проникні для води частини споруди (рісберма, дренажні пристрої та інші).

Фільтрація води під спорудою є напірної, тому що вільна поверхня фільтраційного потоку відсутня. Лінія контакту споруди з грунтом основи у напрямку поздовжньої осі потоку називається підземним або фільтраційним контуром, який зазвичай являє собою ламану лінію (на рис. 1.3.2 лінія ABCDEFGKL).

Фільтрація води під напірними гідротехнічними спорудами має такі наслідки:

1. відбувається втрата (витік) води з водосховища в нижній б'єф;

2. фільтра вода надає гідростатичний тиск на підошву споруди, спрямоване знизу вгору і зване зазвичай протитиском зважаючи спрямованості його протилежно сили тяжіння. Протитиск як би полегшує споруда, зменшує його вагу й опір зрушуючим спорудження горизонтальним силам;

3. фільтра вода може механічно і хімічно діяти на грунт, з якого складається основу споруди, тягнучи за собою дрібні частки, а солі розчиняючи і несучи їх у нижній б'єф. У першому випадку процес називається механічної суфозії грунту, а в другому - хімічної суфозії. Розпочата суфозія робить грунт підстави проникним для води, швидкості фільтрації зростають, фільтрівний потік виявляється здатним виносити частки більшого розміру і при подальшому розвитку явища може закінчитися руйнуванням підстави і аварією споруди.

Таким чином, боротьба з наслідками фільтрації конкретно спрямована на скорочення втрат води з верхнього б'єфа, на зменшення протитиску, на зниження швидкостей фільтраційного потоку.

Апріорі можна стверджувати, що при одному і тому ж натиску на греблі фільтрація під спорудою і її наслідки будуть тим менше, чим більше шлях фільтрації, тобто довжина фільтраційного контуру.

Подовження шляхів фільтрації створюється пристроєм перед греблею водонепроникного покриття, званого понуро, а під понуро і спорудженням - вертикальних перешкод у вигляді шпунтових стінок в м'яких грунтах, або у вигляді цементних, бітумних та інших завіс в скельних підставах.

Аналогічний процес фільтрації відбувається й у берегах русла або долинах, до яких примикає підпірні споруди. Боротьба з цим явищем також ведеться в основному подовженням шляхів фільтрації.

Для обгрунтованого визначення розмірів протифільтраційних елементів греблі і повного обліку стоку в створі гідровузла необхідно вміти розраховувати значення основних параметрів фільтраційного потоку: його швидкості, витрати і протитиску. [1, с. 23-24].

Бетонні і залізобетонні греблі.

Греблі за конструктивними ознаками та умовами статичної роботи розрізняють:

• гравітаційні масивні (рис. 1.3.4 а), тобто греблі, стійкість яких забезпечується їх власною вагою - горизонтальному зсувними гідростатичного тиску води в даному випадку протистоїть сила тертя (а іноді і сила зчеплення), що діє по підошві греблі, яка залежить від ваги греблі і коефіцієнта тертя тіла греблі по підстави;

• контрфорсні (рис. 1.3.4 б), стійкість яких забезпечується не тільки вагою самої греблі, але й вагою води в обсязі призми АВС; ці греблі мають великий ухил верхової межі з боку верхнього б'єфа;

• аркові (рис. 1.3.4 в), що працюють як звід, «покладений на бік» і упирається своїми п'ятами в береги;

• гравітаційні полегшені, тобто такі греблі, в яких здійснено ряд конструктивних заходів з метою економії дорогого бетону, зрозуміло при збереженні необхідної стійкості споруди.

Серед найбільш відомих бетонних гравітаційних гребель на скельній основі слід назвати греблі:

• Гранд-Діксанс на р.. Діксанс (найбільша висота - 281 м, Швейцарія),

• Гувер (Боулдер) на р.. Колорадо (найбільша висота - 222 м, США),

• Шаста на р.. Сакраменто (найбільша висота - 184 м, США),

• Братська на р.. Ангарі (найбільша висота - 124 м, Росія),

• Елефант Б'ють на р.. Ріо-Гранд (найбільша висота - 94 м, США) і ін

Греблі з грунтових матеріалів.

До грунтових матеріалів відносяться:

• нескельних грунтах (глинисті, піщані, великоуламкові);

• природний камінь, який отримують шляхом розробки скельного грунту.

Греблі з грунтових матеріалів майже завжди бувають глухими: перелив води через їх гребінь допускається тільки як виняток для гребель малої висоти (за умови прийняття відповідних заходів).

Греблі з грунтових матеріалів виявляються досить економічними конструкціями, якщо поблизу місця будівництва є відповідний грунт або камінь. Суттєвим позитивним якістю розглянутого типу гребель є їх довговічність, простота конструкції і виконання робіт по їх здійсненню, у зв'язку з чим для спорудження таких гребель не потрібно, зокрема, великої кількості кваліфікованої робочої сили.

Земляні греблі, будучи найдавнішим типом гребель, і в даний час мають найширше розповсюдження. Ці греблі можна троить практично на всіх підставах, що є їх найбільшим перевагою. Серед найбільш відомих земляних гребель слід назвати:

• Андерсон Ренч (найбільша висота - 139 м, США),

• Гребля ГАЕС (найбільша висота - 125 м, Люксембург),

• Сер-Понсон (найбільша висота - 122 м, Франція),

• Барірі (найбільша висота - 112 м, Бразилія) та ін

За способами споруди земляні греблі діляться на насипні, що зводяться шляхом відсипки грунту в тіло дамби (насухо або в непротічних воду) і намивні, зводяться засобами гідромеханізації земляних робіт.

Спосіб побудови греблі істотно впливає на її конструктивні особливості.

Земляні насипні греблі по конструктивних ознаках прийнято розділяти на такі основні типи (рис. 1.3.5):

• греблі з однорідного грунту, тобто виконані з одного виду слабоводопроніцаемого грунту (рис. 1.3.5 а);

• греблі з неоднорідного грунту, тобто виконані з різних грунтів; часто окремі грунти в тілі греблі розташовують так, щоб водопроникність греблі збільшувалася у напрямку від верхнього б'єфу до нижнього (рис. 1.3.5 б), іноді ж найбільш водонепроникний грунт поміщають в центральній частині профілю греблі (рис. 1.3. 5 в);

• греблі з зовнішньої (верхова) маловодопроніцаемой або водонепроникною протифільтраційному перешкодою у вигляді екрану, виконаного з маловодопроніцаемого грунту (рис. 1.3.5 г, е), асфальтобетону, поліетиленової плівки тощо (Рис. 1.3.5 д);

• греблі з внутрішньої (центральною) маловодопроніцаемой або водонепроникною перешкодою у вигляді ядра, утвореного маловодопроніцаемим грунтом (рис. 1.3.5 ж), або діафрагми (рис. 1.3.5 з) з негрунтові матеріалів - бетону, залізобетону, асфальтобетону, поліетиленової плівки, металу і т.п.

Дерев'яні греблі.

Дерев'яними греблями називаються такі, в яких навантаження від води та інших факторів сприймається в основному дерев'яними конструкціями, а стійкість проти зсуву забезпечується закріпленням дерев'яних частин в основі, навантаженням їх баластом у вигляді землі, каменю та іншими засобами.

Дерев'яні греблі, як правило, влаштовують водопропускними (водозливними); глухі дерев'яні греблі застосовуються дуже рідко, так як вони виявляються навіть в лісистих місцевостях дорожче глухих земляних або кам'яно-накидних гребель. Розглянуті греблі споруджуються:

• головним чином з метою поліпшення лісосплаву на невеликих лесосплавільних річках;

• іноді у зв'язку з влаштуванням невеликих ГЕС або тих чи інших інтересах сільського господарства.

Основною породою дерева в плотіностроеніі є сосна як найбільш поширена і стійка в умовах змінної вологості.

Позитивними якостями деревного будівельного матеріалу, що сприяли широкому застосуванню його в плотіностроеніі, є: легкість обробки і простота конструкції, пружність, мала чутливість до коливань температури, хороша опірність розмиває дії води, порівняльна дешевизна.

Недоліком дерева є: деформативність деревини (усушка, викривлення і зниження її міцності під впливом вологості); труднощі конструювання елементів, що працюють на розтяг; спаленність; схильність до гниття і руйнування шкідниками. Остання обставина найбільш важливо, так як до 10-15 років скорочує термін надійної служби споруди, хоча при своєчасному ремонті верхніх частин греблі термін цей може бути доведений до 25 років і більше. З метою боротьби з гниттям дерево у відповідних місцях конструкції просочується антисептиками.

Греблі з інших будівельних матеріалів.

Особливе місце займають невеликі греблі тимчасового типу, що виконуються або з підручного матеріалу або разборчатие.

До числа перших, зокрема, відносяться греблі з хмизу, що влаштовуються до напорів 2-3 м; греблі, що виконуються з свіжозрубаних дерев з гілками і листям (висотою до 5,0 м); габіонні греблі, утворені з дротяних (сітчастих) «ящиків », заповнених каменем, званих габіонами (висота досягає 5 метрів і більше).

Разборчатие греблі використовуються для виробництва ремонтних робіт на шлюзах, у доках і для створення на невеликих водотоках сезонних водосховищ з метою задоволення різноманітних потреб сільського господарства. Раніше такі греблі застосовувалися і для поліпшення судноплавних умов на річках. [2, с. 23-24].

1.4 Небезпека прориву і затоплення

Небезпека прориву гребель.

Створення водосховищ з площею водного дзеркала понад 100 кв. км почалося після 1915 р. і стало можливим в результаті змін у технології земляних і бетонних робіт, дозволили зводити великі і порівняно дешеві споруди. Але бум гідротехнічного будівництва припадає на останні 30-40 років, коли було побудовано більше 85% всіх існуючих у світі гребель. Водосховища стали невід'ємною рисою ландшафту багатьох країн світу, важливим елементом їхньої національної економіки.

Всього в світі побудовано більше 100 тис. підпірних гідротехнічних споруд, а загальна площа водосховищ перевершує акваторію десяти Азовських морів. В даний час загальний обсяг водосховищ на Землі становить 6500 куб. км, що в три рази більше обсягу прісної води всіх річок.

Кінець нашого століття характеризується значними темпами освоєння гідроенергоресурсів і переходом від будівництва переважно великих водосховищ енергетичного значення до середніх і навіть малим. Сьогодні не так вже й багато річок, на яких не було б хоч одного водосховища. У Росії побудовано і знаходиться в експлуатації понад 3 тис. водосховищ.

Підпірні гідротехнічні споруди довели свою надійність і довговічність - багато хто з них функціонують десятки і навіть сотні років. Особливо надійні в експлуатації гідроспоруди, побудовані в останні роки. Однак матеріали світової статистики та події недавніх років свідчать про те, що аварії на гідровузлах можливі, вони можуть призвести до пошкодження і руйнування гребель і прилеглих до них споруд.

За даними Комітету щодо аварій та руйнувань Міжнародної комісії з великим греблям (Сігбі), щорічно в світі відбувається більше 3 тис. аварій, нерідко з великими матеріальними збитками і людськими жертвами.

Найбільш надійні бетонні греблі. Їм приблизно в 3 рази поступаються кам'яно-земляні та арочні. З 55 високих бетонних гребель, споруджених на території колишнього СРСР після 1926 р., 7 гідровузлів є особливо великими, а 41 водосховище має обсяг більше 1 куб. км. Велика частина їх функціонує 20-30 років і більше. Це означає, що вони входять в період «старіння» і потребують особливої ​​уваги.

В останнє сторіччя в світі відбулося понад 1 тис. випадків руйнування гідротехнічних споруд. Причинами були чинники не тільки природного, але і антропогенного характеру. До перших відносяться екстремальний стік, льодові явища, нагони, небезпечні метеорологічні явища (бурі, урагани, зливи, снігопади, смерчі), зміни клімату, землетрусу, цунамі, зсуви, обвали, снігові лавини і сіли, зрушення льодовиків, вулканічні виверження.

Так, при переміщеннях льодовиків і перекритті ними річок і струмків утворюються льодовиково-подпрудних озера, які потім виливаються, формуючи потужні хвилі прориву. Таке неодноразово відбувалося в районі льодовика Федченко (стік води збільшився в 10 і більше разів, формуючи катастрофічні повені).

Прорив гірського Саргазонского водосховища об'ємом 2,7 млн. куб. м і висотою греблі в 23 м в Таджикистані в 1987 р. став причиною загибелі 32 людей і завдав великої матеріальної шкоди.

З «обвальних» озер найбільш відомо Сарезьке на Памірі, що виникло в 1911р. внаслідок землетрусу 9 балів. Стан природної загати цього озера, особливо в останні роки, викликає великі побоювання.

Антропогенний фактор полягає, головним чином, у недостатній гідрологічному та інженерно-геологічному обгрунтуванні проектів. До аварії можуть призвести заниження можливих екстремальних витрат води і розмірів водоскидів, неправильний вибір місця і невірна оцінка умов для спорудження підстав гребель. Інші причини - знос обладнання, організаційно-технічні неполадки, некомпетентність і навіть недбалість експлуатаційного персоналу. Досить згадати аварію 7 серпня 1994 на греблі Тірлянського водосховища в басейні річки Білої в Башкортостані, коли після інтенсивних дощів через зношеність механізмів не вдалося відкрити всі отвори берегового водоскиду (працювало тільки одне) і вода з переповненого водосховища кинулася через гребінь земляної греблі , яку зруйнував протягом декількох годин (семиметрова хвиля прориву знесла сел. Тірлян, загинули 28 осіб).

Крім аварії на річці Білій прориви гребель, супроводжуються людськими жертвами, величезним матеріальним збитком, відбулися за останні роки в Свердловській (Кисилевск водосховище), Калузької (Людовінское водосховище), Ростовській і Волгоградській областях, в Калмикії (численні прориви дамб ставків), на шлюзі Камського гідровузла.

Загроза прориву гребель зросла також через ліквідацію деяких органів управління водним господарством, передачі ряду гідротехнічних об'єктів різним власникам.

Обстеження водосховищ і ставків-накопичувачів відходів, проведене спільно з Міністерством з надзвичайних ситуацій у трьох областях Росії, показало, що 12% водосховищ і 20% ставків-накопичувачів відходів знаходяться в аварійному або передаварійному стані.

Гідротехнічні споруди, як правило, розташовуються в межах або вище великих населених пунктів, і у випадку аварії становлять велику небезпеку для населення і господарських об'єктів. Так, у разі прориву греблі в м. Пензі в зоні затоплення може опинитися 75 тис. осіб, у м. Челябінськ - 170 тис. чоловік, а в разі прориву греблі Волзького каскаду - кілька мільйонів чоловік. Між тим, зберігається тенденція забудови нижніх б'єфів гребель у зонах можливого затоплення.

Тривожна ситуація склалася в 1998 р. у ряді регіонів Росії. Небувалим виявилося весняна повінь в Краснодарському краї, причинами якого з'явилися не тільки підвищені зимові опади і раннє сніготанення, але і безконтрольне, без відповідного інженерного обгрунтування масове спорудження невеликих ставків, гребель, загат. Всі ці ємності не були «спрацьовані» до весни новими господарями з тим, щоб затримати частина повеневих вод.

Небезпечними були повені на Північній Двіні, Мезені, Печорі, Уралі, річках Волзького басейну, Кольського півострова. А міста Великий Устюг, Ленськ, Якутськ в травні 1998 р. затопило майже повністю. [1, c. 1-3].

Зросла небезпека пошкодження і руйнування господарських об'єктів, у тому числі гідротехнічних споруд, внаслідок впливу стихійних і антропогенних чинників примусила людське співтовариство звернути особливу увагу на проблему їх безпеки і об'єднати зусилля в справі захисту від стихійних і інших лих.

У 1987 р. Генеральна асамблея ООН оголосила про проведення міжнародного десятиріччя зменшення небезпеки стихійних лих. При цьому особлива увага приділяється проблемі безпеки гребель. Цим питанням були присвячені два Конгресу Міжнародної Комісії з великим греблям, а у вересні 1992 р. Комісія організувала симпозіум «Греблі та екстремальні паводки», приділив проблемі вивчення причин прориву гребель серйозну увагу. [8, с. 67-68].

Ліквідація наслідків пошкодження підпірних гідротехнічних споруд потребує великих матеріальних витрат і часу. Але непоправні людські втрати і небезпечні морально-психологічні травми. Тому зусилля повинні бути спрямовані на передбачення, попередження та прогноз наслідків можливих аварійних ситуацій на гідровузлах. [9, с. 36-37]

Використання гідротехнічних споруд в ході військових дій.

У 1938 р. під час війни з Китаєм японські війська захопили столицю провінції Хенань - м. Кайфин і були готові до подальшого наступу. Тоді китайці зруйнували одну з дамб, споруджених на найбільшій в країні річці Хуанхе. Вода вернулася на старому руслу на південний схід і швидко затопила велику територію, завдавши великої шкоди ворогові. При цьому, щоправда, загинули і 16 млн. своїх же китайців.

У 1944 р. німецькі літаки знищили в Голландії дамби, ограждавшие сушу від моря. У результаті значна частина території цієї країни виявилася затопленою морськими водами.

Ще один приклад. Під час війни з Іраном Ірак почав споруджувати дамбу і канал для перехоплення води з іранської річки з метою усунути заважає військовим діям водну перешкоду. При цьому ставилася також мету збезводнити один з районів Ірану з посушливим кліматом і використовувати води річки для зрошування земель в Іраку.

У ході військових дій або терористичного акту «штучне» повінь може бути викликано і навмисним характером мiстi вiддiлу державної вод. Такий прийом був використаний фінами на Карельському перешийку в радянсько-фінської війни, що затопили місцевість і перетворили її у труднопреодолімим смугу для наступаючих військ Червоної армії. У Велику Вітчизняну війну і наші війська при обороні Москви взимку 1941 затопили місцевість водами з Істрінського водосховища.

Великі гідровузли під час військових дій в стратегічних цілях руйнувалися спеціально. Найбільш відомий приклад - руйнування Дніпрогесу.

В останні роки загрозу нормальному функціонуванню гідровузлів створюють військові дії та терористичні акти у зонах етно-соціальних конфліктів. Наприклад, існувала реальна небезпека руйнування Дубосарської ГЕС у період конфлікту в Придністров'ї, коли під час ракетно-артилерійського обстрілу була пошкоджена турбіна ГЕС і створилася загроза затоплення 60 населених пунктів лівобережжя Дністра. Відома також спроба захоплення опозиційними силами Нурекської ГЕС у Таджикистані.

Спорудження гідротехнічних об'єктів на річках може впливати на зміну напряму, швидкості течії і привести до зміни берегової лінії або фарватеру, який зазвичай є прикордонною лінією, що розділяє сусідні держави. Зміна фарватеру в ту чи іншу сторону викликає штучну зрушення кордону, що мало місце на деяких рукавах Амура на кордоні Росії з Китаєм. Відома також «війна дамб» між Китаєм і В'єтнамом на прикордонній річці Думний, що привела в 1979 р. до збройного конфлікту. [1, c. 3].

Затоплення місцевості, викликані аваріями на гідротехнічних спорудах.

До основних гідротехнічних споруд, руйнування яких призводить до гідродинамічним аварій, відносяться греблі, водозабірні та водозбірні споруди (шлюзи). Катастрофічне затоплення, що є наслідком гідродинамічної аварії, полягає в стрімкому затопленні місцевості хвилею прориву. Масштаби наслідків гідродинамічних аварій залежать від параметрів і технічного стану гідровузла, характеру і ступеня руйнування греблі, обсягів запасів води у водосховищі, характеристик хвилі прориву та катастрофічного повені, рельєфу місцевості, сезону і часу доби події і багатьох інших факторів. Особливо великі втрати населенню і значного збитку народному господарству може бути заподіяна при каскадному розташуванні гідровузлів, тому що в результаті руйнування вищерозміщеного гідровузла утворюється хвиля буде призводити до руйнування гребель гідровузлів, розташованих нижче за течією річки.

Прорив гідротехнічних споруд може статися із-за дії сил природи (землетруси, урагану, обвалу, зсуву тощо), конструктивних дефектів, порушення правил експлуатації, впливу паводків, руйнування основи греблі і т.д., а у воєнний час - як результат впливу по них засобів ураження.

Однак, як правило, такі повені виникають через несвоєчасне спорожнення малих водосховищ, неготовність водоприймачів, захаращення русел, особливо у мостових переходів. З 300 аварій гребель в різних країнах за період з 1902 р. по 1977 р. в 35% випадків причиною аварії було перевищення розрахункового максимального скидного витрати, тобто перелив води через гребінь греблі. Утворюється при цьому хвиля має велику висоту і швидкість руху. Для рівнинних районів швидкість такої хвилі коливається в межах 3 .. 25 км / год, а для гірських і передгірських районів досягає величини порядку 100 км / ч.

Цей тип повеней близький за своїм характером до повеней, викликаних виходом річок із своїх берегів через тривалі і сильних дощів (паводків). Відмінності полягають у більшій швидкості поширення повені, а отже більш стислі терміни затоплення територій і раптовості, що тягне за собою руйнування мостів, доріг, будівель, а також загибель людей і худоби.

Греблі та дамби є гідротехнічними спорудами напірного фронту, що створюють різницю рівнів води.

У залежності від часу випорожнення водосховищ розрізняють два види річкового стоку: хвилю мiстi вiддiлу державної (утворюється при повільному спорожнюванні водосховища) і хвилю прориву (утворюється при швидкому або миттєвому спорожнюванні водосховища).

Гідротехнічні споруди напірного фронту є гідродинамічно небезпечними об'єктами (МГО).

При прориві ГОО утворюється проран, через який відбувається вилив води з верхнього б'єфу в нижній і освіта хвилі прориву. Хвиля прориву - основний вражаючий фактор цього виду аварій. Вплив хвилі прориву на об'єкти подібно впливу повітряної ударної хвилі вибуху, але відрізняється від нього тим, що чинним тілом у цьому випадку є вода.

Основними вражаючими чинниками катастрофічного затоплення є: хвиля прориву (висота хвилі, швидкість руху) і тривалість затоплення.

Хвиля прориву - хвиля, що утворюється у фронті устремляющегося в пролом потоку води, що має, як правило, значну висоту гребеня і швидкість руху і володіє великою руйнівною силою.