Чрезвычайные ситуации, связанные с гидротехническим строительством ретроспективный обзор

Формированию оползней и связанных с ними ЧС способствует ряд природных и техногенных факторов: рельеф, своеобразная структура и состав пород, гидрогеологические, гидрометеорологические и сейсмотектонические условия, а также техногенные нагрузки — подрезка нижних участков склонов, изменения гидрогеологических условий в процессе строительных работ и заполнения водохранилищ, сработка уровней в процессе их эксплуатации, буровзрывные работы и т.д. Последнее наблюдалось у ряда гидросооружений: Ташлыкской ГЭС-ГАЭС, шлюза Днепрогэс-2, Колымской ГЭС, а также ГЭС Хоабинь во Вьетнаме и т.д. Нередко экзогенные процессы проявляются в результате активизации древних оползней. Например, на плотину Миатлинской ГЭС, построенную в 1977 г., с 1978 г. со стороны правого берега движется оползень объемом 3 млн. м³, он уже «прошел» путь более чем в 30 м. Оползень объемом около 10 млн. м³ в районе правого берега плотины Мингечаурской ГЭС на р. Куре активизировался спустя 35 лет после начала ее эксплуатации. Провоцирующим фактором был сильный ливень (за сутки выпало около 80 мм осадков) и развитие глиняного карста из-за подмыва рекой толщи глинистых песчаников. Немаловажным дополнительным фактором явилось падение слоев коренных пород согласно склону, а также сейсмичность территории. Формированию оползневого участка длиной 500 м способствовал также режим сработки водохранилища, переработка нижней части склона и, что очень существенно, подрезка склона дорожными выемками [15]..

В ноябре 1991 г. (спустя 15 лет после начала эксплуатации) на левобережном примыкании плотины Чиркейской ГЭС произошло обрушение породы объемом около 5 тыс. м³, 3 ноября 1992 г. обрушилась часть левобережного откоса объемом 500 м³ у примыкания плотины Саяно-Шушенской ГЭС. В этих двух случаях провоцирующими факторами явились предшествующие периоды высокой сейсмической активности, вызвавшие максимальные арочные напряжения плотин в зоне обрушения в холодное время с обильными осадками.

Строительство и эксплуатация крупных гидроузлов на Волге, Днепре, Дону, Оби, Енисее и Ангаре и других реках сопровождалось абразией берегов и активизацией оползней, осыпей, сколов и т. д. В настоящее время протяженность абразионных берегов составляет значительную часть береговой линии современных водохранилищ России. Наиболее активно эродируемые берега — на водохранилищах юга Сибири; здесь величина абразии и скорость отступания бровки береговых уступов (до 150 м за сутки у пос. Артумей на Братском водохранилище) превысили все известные ранее в нашей стране (в среднем в интервале 3-6 м/год, максимум 15-20 м/год). Из общей протяженности берегов существующих и строящихся водохранилищ Сибири (30 тыс. км) около 10 тыс. км затронуты процессами переработки. Наибольшая протяженность обрушаемых берегов наблюдается на Братском, Красноярском и Иркутском водохранилищах и составляет соответственно 20, 30 и 60% от общей длины береговой линии. Наименее распространены абразионные берега на Хантайском, Усть-Каменогорском и Мамаканском водохранилищах.

Вопреки прогнозам, спустя 15-20 лет после заполнения водохранилищ стабилизация берегов не наступила, а, напротив, ранее нейтральные берега стали со временем абразионными (например, на Новосибирском и Усть-Каменогорском водохранилищах). Активизации процессов абразии способствуют изменения уровней водохранилищ, связанные с колебаниями водности рек, сработкой водохранилищ для нужд различных водопользователей и водопотребителей и с недостатками планирования наиболее экономичных вариантов использования водных ресурсов.

Значительная часть крупных ГЭС России расположена в суровых по природным условиям регионах, в зоне многолетнемёрзлых пород (ММП). Это Вилюйская, Хантайская, Колымская, Курейская, Зейская, Мамаканская ГЭС, а на юге криогенных областей – крупнейшие гидроузлы Ангаро-Енисейского каскада . Функционирует также целая сеть небольших искусственных водоёмов, образуемых плотинами. Все перечисленные гидросооружения активно эксплуатируются и являются надёжными источниками водо-, электро- и теплоснабжения.

Плотины ГЭС и водохранилища являются одними из наиболее крупных инженерных сооружений в зоне многолетнемёрзлых пород и активно с ними взаимодействуют. Около 50% аварий на гидроузлах происходит в зоне ММП вследствие неучёта криогенных процессов в теле плотин, их основаниях и в районах примыкания. Главными факторами развития таликов в районе гидроузлов, деградации мерзлоты и создания аварийных ситуаций является влияние водных масс водохранилищ, изменение гидрогеологических условий в основании плотин и на прилегающих участках, изменений микроклимата и условий теплообмена, физико-технических свойств мёрзлых пород и др. Всё это приводит к развитию на берегах водохранилищ термокарста, термоэрозии, солифлюкции, изменению наледообразования. За счёт просадок дна при оттаивании мёрзлых пород происходит увеличение объёмов водохранилищ на 15% и более, что задерживает достижение НПУ, осложняет условия эксплуатации водохранилищ, снижает выработку энергии.

Увеличение объёма за счёт термопросадок впервые было установлено у Усть-Хантайского водохранилища, НПУ которого был достигнут лишь спустя 20 лет после заполнения водоёма, при этом его объём увеличился на 14%.

Термопросадки наблюдались и у Вилюйского гидроузла: в первые четыре года многолетнемерзлые породы протаяли под плотиной, где ощущалось наибольшее воздействие на ММП, на глубину в 9 м, в остальные годы – на 6-9 м, а наибольшая величина протаивания достигала 14 м.

Аналогичные последствия прогнозируются, например, на Селемджинском водохранилище, где термопросадки в течение 5-10 лет могут вызвать приращения мертвого объема на 5%, требующие дополнительных водных ресурсов.

В процессе строительства и эксплуатации были обнаружены просадки в теле плотины Усть-Илимской ГЭС. Это происходило в связи с тем, что в каменной наброске плотины образовался клин мерзлого тела, который затем растаял. Т. е. в условиях суровых зим оказалось возможным образование временного слоя мерзлых пород, дающих осадку плотин.

Оттаивание мерзлых пород и последующий вынос материала волнением и течением обусловили существенное увеличение глубин водохранилищ в прибрежной зоне. Таким образом, приглубость берегов – характерная черта водохранилищ зоны ММП.

Катастрофическими могут быть в условиях сурового климата последствия зимней сработки уровней и обнажения значительных площадей мелководий в хвостовой части водохранилищ – мест зимовки, нагула и нереста рыб. Эти обстоятельства ухудшают условия жизни водных животных, лишающихся свободного выхода в воду подо льдом. Кроме того, значительная зимняя сработка, например, Зейского водохранилища, способствует морозным деформациям мелководий, промерзает до 65% площади наиболее продуктивных мелководий Хантайского водохранилища – места нагула и нереста сиговых рыб.

Ранее упоминались аварийные ситуации на каменно-земляной плотине Колымской ГЭС в 1988 году и прорыв напорного фронта с выносом значительного объёма грунта у плотины Курейской ГЭС в 1992 году. В обоих случаях были недостаточно учтены особенности геологических условий основания и самих плотин в процессе изысканий в зоне ММП.

Можно привести еще ряд примеров, иллюстрирующих чрезвычайные ситуации при создании плотин в зонах с суровым климатом и распространением ММП. Многие из них связаны с недостаточным опытом прогноза последствий создания ГЭС в зоне ММП и свидетельствуют о необходимости накопления и систематизации наблюдений на функционирующих гидроузлах в криолитозоне и разработки специальных методов прогноза взаимодействия геокриологических условий с подпорными сооружениями.

К сожалению, нередко в процессе изысканий не учитывается ряд обстоятельств, очень важных для оценки инженерно-геологических условий строительства гидроузлов, отражающихся на их безопасности. Специалистами отмечается необходимость повышения качества изысканий и уточнения проектных решений в процессе строительства энергообъектов. Такие уточнения были осуществлены на ряде ГЭС – Колымской, Вилюйской, Курейской, Бурейской, Богучанской, а также Рогунской, Ташкумырской и др.

Нельзя не сказать о таком явлении в нижних бьефах ГЭС, как образование полыньи, размеры которой зависят от емкости и термического режима водохранилищ, величины зимних попусков, метеорологических условий зимы (температуры воды и воздуха), гидравлических характеристик нижнего бьефа. Это негативное последствие создания ГЭС свойственно всем крупным водохранилищам. Так, большая полынья образуется у Волжской ГЭС. Но в наибольшей степени ее влияние проявляется у сибирских водохранилищ, в зоне сурового климата, особенно в нижнем бьефе Красноярской ГЭС, где длина полыньи колеблется от 50 до 500 км. Полынья является источником формирования шуги, скопления которой осложняют работу водозаборов, формирует зажоры, ухудшает метеорологические условия, вызывает частые туманы, что отрицательно сказывается на условиях жизни и здоровье населения, затрудняет рекреационное использование прибрежных районов, может создавать помехи в работе наземного и воздушного транспорта, нарушать ледовые переправы, способствовать обмерзанию проводов, усугублять явления смога в крупных промышленных центрах, т. к., концентрация промышленных выбросов в тумане возрастает в 2-3 раза.

ЧС могут возникнуть вследствие недостаточного инженерно-геологического обоснования проектов, приводящего к неверной оценке надежности оснований плотин и фильтрационных свойств слагающих материалов, нередко влекущей за собой неправильный выбор местоположения гидросооружения, его тип, параметры и технологические особенности строительных работ. Аварии на гидроузлах, связанные с этим фактором, угрожают их безопасности и требуют скорейших, а на некоторых сооружениях – незамедлительных действий.

В США, в бассейне р. Тенесси, была построена плотина Хейлс-Бор на известняках, содержащих много карстовых пустот. Для их заполнения было истрачено 5000 тонн цемента, однако фильтрация под плотиной продолжалась. Были неудачные попытки заполнить полости цементом, глиной и другими материалами. В конечном итоге пробурили скважину глубиной 27 м, через которую закачали 1300 м³ горячего жидкого асфальта.

Наличие закарстованных пород привело к ЧС ещё на ряде гидроузлов. По материалам Говорушко О.С., на юге Испании была возведена плотина Монте-Хаке высотой 72 м. Однако водохранилище не удалось заполнить в связи с распространением сильно трещиноватых закарстованных юрских известняков.

Аналогичные события произошли с плотиной Сен-Гильельм-Ле-Дезер на р. Эро во Франции.

Авария, связанная с недооценкой геологических условий и дефектами строительства, явилась причиной прорыва плотины Курейской ГЭС. Недостаточная изученность геологического строения, пород и их свойств привела к затоплению деривационного туннеля Ингурской ГЭС (не были учтены карстовые проявления слоистых известняков). Плохо выполненная гидроизоляция стала причиной фильтрации в деривационном туннеле Храмской ГЭС, дефекты в зоне сопряжения грунтовой плотины с основанием у Кривопорожской ГЭС в Карелии и, наконец, проявления фильтрации в плотине Саяно-Шушенской ГЭС.

Аварийные ситуации на различных участках гидроузлов возникают в результате несоблюдения проектных отметок уровней и нестандартных условий эксплуатации в течение длительного времени. Нижнекамская ГЭС эксплуатируется при несоответствующей проектной подпорной отметке. Поэтому Воткинская ГЭС функционирует при отсутствии подпора со стороны водохранилища Нижнекамской ГЭС. Кроме того, вследствие трансформации русла Камы уровни нижнего бьефа Воткинской ГЭС оказались на 1 м ниже проектных. Эти обстоятельства, а также работа Воткинской ГЭС со значительными суточными изменениями нагрузки и, соответственно, со значительными колебаниями уровней нижнего бьефа, вызвали размыв и разрушения слабо закрепленных участков в зоне переменного подпора. А именно, значительные деформации левобережного откоса отводящего канала (просадки и разрушения плит крепления) и местные деформации дна.

В некоторых случаях возможные ЧС, в том числе неготовность ГЭС работать в нештатных или аварийных ситуациях, были «заложены» в проект. Так, на многих гидроузлах России и стран бывшего СССР из-за отсутствия глубинных водосбросов невозможна глубокая сработка водохранилищ в случае экстренной необходимости. Это заставляет прибегать к рискованным решениям, как было, например, при необходимости глубокой сработки Токтогульского водохранилища. А именно, раскрывать с помощью взрыва уже заделанные отверстия временных водосбросов строительного периода [16].

Другой пример - Плявиньская ГЭС на моренных отложениях. В случае начавшегося суффозионного размыва в нижнем бьефе ГЭС предотвратить развитие аварии на плотине практически невозможно из-за использованной компановки основных сооружений гидроузла, т. к. в этом случае необходима сработка воды водохранилища для подавления суффозионного размыва. Но техническое устройство гидроузла таково, что сброс воды будет происходить на повреждённый участок нижнего бьефа. Здесь мог бы помочь дополнительный водосброс, отводящий воду ниже по течению.

Кроме плотин и водохранилищ, в состав гидроузлов входят судоходные каналы и шлюзы, аварии на которых имеют свои специфические особенности. Наиболее ранняя из известных нам аварий произошла в 1962 году на шлюзе Воткинской ГЭС, когда во время шлюзования упала секция подпорной стенки шлюза из-за неполной засыпки её грунтом. В камере шлюза находился теплоход с 400 пассажирами, 21 человек погиб. Только благодаря своевременным и решительным мерам, предпринятым капитанами всех судов, находившихся также в камере шлюза, удалось избежать ещё более тяжких последствий [4].

Особое внимание функционированию подпорных гидротехнических сооружений уделяется в последние годы не только из-за их неудовлетворительного во многих случаях технического состояния, возраста, но и опасения возникновения чрезвычайных ситуаций в условиях глобального потепления климата (ГПК) и изменения водных ресурсов.

Детально эти вопросы обсуждались автором в ряде специальных публикаций, в том числе в этом журнале [17]. Напомним, в условиях ГПК прогнозируются следующие возможные трансформации водных ресурсов – увеличение стока основных рек, рост его изменчивости в течение года и в многолетнем ряду, увеличение экстремальных значений, сокращение весеннего стока и рост зимнего; изменение качественных показателей водных ресурсов вследствие увеличения растворимости многих загрязняющих веществ, снижение разбавляющей способности вод и способности рек и водоёмов к самоочищению, рост безморозного периода, приводящего к изменению сроков вскрытия и замерзания рек и водоёмов, а также к увеличению мощности ледяного покрова, повторяемости заторов, изменению подземного стока и стока межени. Возможно ухудшение медико-биологической обстановки, рост вероятности и площадей распространения стихийных явлений, увеличение повторяемости и мощности наводнений, активизация геодинамических процессов и т. д.

Перечисленные изменения водных ресурсов в условиях ГПК отразятся на размерах, структуре и характере водопотребления и водопользования, с которыми связаны проблемы управления водными ресурсами, экономические, экологические и демографические потери. Смягчение неблагоприятных последствий возможно путем создания управляемого водного режима рек с помощью водохранилищ, т. к. бассейны рек с регулируемым стоком (с контролем за потреблением или распределением воды) более мягко реагируют на климатические изменения, чем бассейны, где регулирования стока нет.

Важным последствием прогнозируемого роста стока рек России в связи с глобальным потеплением климата является увеличение выработки электроэнергии гидроэлектростанциями. О масштабах увеличения производительности ГЭС можно судить по наблюдающимся изменениям соотношения стока и выработки в современных условиях. Так, в январе-феврале 2007 г. объём производства электроэнергии в России составил 185 млрд. кВч, что оказалось на 2,1% ниже аналогичного периода 2006 года. Причём, в это время снизилась выработка на АЭС на 3,9% и у ТЭС – на 3,4%, а на ГЭС увеличилась на 18,4%, что связано с аномальными погодными условиями на всей территории страны и с увеличением в последнем случае притока воды в водохранилища. На Волжско-Камском каскаде (на водохранилищах Иваньковском, Угличском, Рыбинском, Горьковском, Чебоксарском и Жигулёвском) приток был наибольшим за всю историю наблюдений – в январе 2007 г. 19,5 км³ при норме 7,1 км³, в феврале 12,8 км³. Количество поступившей воды в водохранилища каскада было сопоставимо с весенними паводочными расходами, что вызвало зимние попуски и наводнения, открытие донных водосбросов у большинства водохранилищ для освобождения «места» для весеннего половодья.

На востоке страны приток воды к водохранилищам также превысил норму: у Саяно-Шушенской ГЭС – на 40%, Новосибирской ГЭС – на 20%, Бурейской ГЭС – на 70%. За счёт повышенной водности рек ГЭС выработали более высокие объёмы электроэнергии. В январе-феврале выработка на Волжско-Камском каскаде была на 60% выше плановых показателей, а в целом для всех станций, контролируемых ОАО «Гидро ОГК» - на 24% выше плана. На Саратовской ГЭС выработка в феврале 2007 г. была наивысшей за всю 40-летнюю историю её эксплуатации.

Рассмотренные ЧС, связанные с созданием плотин и водохранилищ,приурочены в значительной степени к периодам многоводных лет или сезонов. Но маловодные периоды оказывают нередко не меньшее влияние на функционирование гидротехнических систем.

Роль маловодья в создании ЧС наиболее остро проявилась в Сибири в 1976-1982 гг., а также в 1982-1984 маловодных годах, когда происходили нарушения нормального электроснабжения на значительных территориях. Электроснабжение на многих промышленных предприятиях лимитировалось в связи с этим специальными постановлениями Совмина СССР.

Главная причина сложившейся ситуации - в длительном маловодье, охватившем верхние участки бассейнов рек Енисея и Ангары и бассейн оз. Байкал, начавшемся в зимнюю межень 1975-1976 гг. и длившемся до весеннего половодья 1982 г. Расходы воды в этот период оказались существенно ниже расходов за расчётный период 1922-1929 гг., положенных в основу проектов ГЭС и определяющих гарантированную мощность и бесперебойное электроснабжение. Подобная чрезвычайная ситуация была определена гидротехниками как «гидрологическая авария».

Наиболее сложная ситуация сложилась в 1981-1982 гг., т. к. к концу 1981 года все водохранилища Ангаро-Енисейского каскада были опорожнены, в том числе в связи с необходимостью ускоренного заполнения вводимого в строй Усть-Илимского водохранилища.

Экономические ущербы вследствие маловодья были весьма существенны На всех водохранилищах Ангаро-Енисейского каскада были снижены санитарные и судоходные попуски, на Братском водохранилище в межень нарушена работа всех водозаборов, ограничились сроки судоходства, из-за снижения выработки энергии остановился ряд предприятий или работал с недогрузкой, произошёл размыв сложившегося профиля равновесия береговой зоны водохранилищ.

В маловодные годы так же, как на Ангаре, был введён в эксплуатацию ещё ряд водохранилищ – Верхнее-Волжские, Бухтарминское, Вилюйское, что намного снизило их энергоэффективность в период заполнения водоёмов и некоторые последующие годы.

Критическая ситуация со снабжением потребителей электроэнергией и водой явилась следствием крена в Сибири в сторону гидроэнергетики, что обусловило нерациональную структуру генерирующих мощностей и привело в период маловодья к лимитированию использования электроэнергии потребителями или даже её отключению. И, наоборот, в последующие многоводные годы производились «холостые» сбросы воды, вызвавшие недовыработку миллиардов кВт/ч электроэнергии, т.е. большие экономические потери.

Всё это свидетельствует о том, что при оценке надёжности электроснабжения следует учитывать экстремальные ситуации – крайние маловодья (непредусмотренные проектом), использование водных ресурсов водохранилищ не по проектному назначению («смена лидера» в использовании водных ресурсов водохранилища), а главное, гипотетическую возможность аварий и катастроф на гидросооружениях.

Заключение

1. 
   Вопросы безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений
   

2. 
   Разделение катастроф на природные и антропогенные в большинстве
   

3. 
   ЧС, независимо от их характера, вызывают экологические последствия,
   

4. 
   Необходима разработка нескольких «сценариев»прогноза ЧС и
   

5. 
   Опыт эксплуатации ГЭС в различных странах свидетельствует о том, что
   

6. 
   С целью прогноза ЧС необходим непрерывный мониторинг, включающий
   

7. 
   Прогноз и заблаговременное предупреждение ЧС позволяют (при
   

8. 
   Необходимо соблюдение требований к обеспечению безопасности всех
   

9. 
   Использование эффективных механизмов предотвращения ЧС на гидроузлах и обеспечения их безопасности представляет собой существенный аспект проблемы национальной безопасности Российской Федерации.
   

1. 
   Семёнов А.Н. 68-й Исполком и 20-й Конгресс Международной комиссии по большим плотинам. // Гидротехническое строительство, 2001, № 4, с. 48-56.
   
2. 
   Dams and development. The Report of the World Commission on Dams. EARTHSCAN. London and Sterling, VA. November 2000. P. 404.
   
3. 
   Авакян А.Б., Полюшкин А.А. Антропогенные факторы наводнений // Водные ресурсы, 1989, № 3, с. 5-13.
   
4. 
   Радкевич Д.Б. О реализации Федерального Закона «О безопасности гидротехнических сооружений». // Безопасность гидротехнических сооружений, НТФ «Энергопрогресс», Гидротехническое строительство, 2000, вып. 1, 55 с.
   
5. 
   Бобков С.Ф. Боярский В.М. и др. Основные факторы учёта пропускной способности гидроузлов при декларировании их безопасности // Гидротехническое строительство, 1999, №4, с.2-9.
   
6. 
   Асарин А.Е., Семенков В.М. Расчётные паводки и безопасность плотин // Гидротехническое строительство, 1992, №8, с.55-57.
   
7. 
   Каганов Г.М., Волков В.И., Секисова И.В. Результаты предпаводкового обследования 2006 г. гидроузлов Московской области // Гидротехническое строительство, 2007, №4, с.2-9.
   
8. 
   Авакян А.Б. Наводнения в прошлом, настоящем и будущем: концепция защиты. // Бюллетень «Использование и охрана водных ресурсов в России», 2001, № 10, с. 43-52.
   
9. 
   Малик Л.К. Факторы риска повреждения гидротехнических сооружений. Проблемы безопасности. М: Наука, 2005, 354 с.
   
10. 
    Савич А.И., Бронштейн В.И. Современное состояние и пути обеспечения сейсмостойкости и гидродинамической безопасности крупных энергообъектов // Гидротехническое строительство, 2000, № 8-9, с. 60-70.
    
11. 
    Жиа Жинсенг, Си Зепинг, Чен Хоукун. Землетрясение в Китае и его воздействие на безопасность плотин (Китайский национальный комитет по большим плотинам) // Гидротехническое строительство, 2008, №12, с.43-47.
    
12. 
    Гупта .К., Расторги Б. Плотины и землетрясения. М: Мир, 1979, 251 с.
    
13. 
    Камчибеков М.П., Егембердиева К.А. Сейсмичность территории Тактогульского водохранилища за 1961-2006 гг. // Гидротехническое строительство, 2007, №9, с.28-34.
    
14. 
    Дерюгин Г.К., Наумов О.С. Разрушение плотин в связи с пропуском сбросных расходов // Гидротехническое строительство, 1995, №7, с.30-33.
    
15. 
    Марчук А.Н., Марчук Н.А. Плотины и геодинамика. Опыт натурных наблюдений. МИФЗ РАН, 2006, с.
    
16. 
    Носова О.Н., Александровская Э.К. К вопросу контроля за надёжностью и безопасностью эксплуатируемых гидротехнических сооружений // Метеорология и гидрология, 1999, № 1, с.21-26.
    
17. 
    Малик Л.К. Возможное влияние глобального потепления климата на водные ресурсы и объекты энергетики//Гидротехническое строительство, 2005, № 5.