Чрезвычайные ситуации, связанные с гидротехническим строительством ретроспективный обзор

Во всем мире отмечается тенденция роста ущербов при экстремальных наводнениях в силу целого ряда причин, несмотря на повышение изученности этих явлений и предпринимаемые усилия по их предотвращению и смягчению последствий. Главным фактором непрекращающегося роста ущерба от наводнений признается в первую очередь влияние заселения паводкоопасных территорий и усиление на них хозяйственной деятельности. По подсчетам А.Б. Авакяна [8], на паводкоопасных территориях проживает 1 млрд. человек, а их площадь составляет около 3 млн. км².

Наиболее распространенным типом наводнений в Российской Федерации являются наводнения, связанные с интенсивным таянием снежного покрова и подъемами уровней воды на равнинных реках. Они могут приобрести катастрофический характер, если сочетаются с весенними дождями и обильным предзимним увлажнением почвогрунтов. Одна из причин подобных наводнений, наряду с гидрометеорологическими факторами (повышенные зимние осадки и раннее снеготаяние), бесконтрольное, без соответствующего инженерного обоснования массовое сооружение небольших прудов, плотин, запруд. Все эти емкости не всегда бывают «сработаны» к весне с тем, чтобы задержать часть паводочных вод. Но возможны и зимние наводнения от таяния снега в период оттепелей. Повторяемость выдающихся наводнений этого типа оценивается в 1 раз в 10-25 лет.

Бедствием сибирских рек являются заторные подъёмы уровней, повторяющиеся почти ежегодно и вызывающие большие затопления.

Наибольшая интенсивность, повторяемость и распространение заторных наводнений наблюдается в бассейне Лены — от верховьев до дельты и на ее притоках. Длина заторов на Лене, может достигать 50-100 км, подъемы уровней — более 10 м. Последствия подобных наводнений – разрушения хозяйственных объектов и многочисленные жертвы.

По материалам А. Б. Авакяна и А. А. Полюшкина [9], возможны наводнения, вызванные заторами льда, формирующимися на самих водохранилищах. Это связано с более ранним установлением ледостава в зоне выклинивания подпора водохранилища по сравнению с расположенным выше речным участком, где еще продолжается шугоход. Шуга заносится под лед и уплотняет ледяной покров в этой зоне, разрушающийся весной гораздо медленней, чем в русле реки. Образующийся по этой причине затор может вызвать значительное повышение уровня и затопление прилегающих территорий. Подобное наводнение произошло в 1968 г. на водохранилище Плявиньской ГЭС.

Особое место занимают паводки и наводнения с человеческими жертвами и большим материальным ущербом, являющиеся следствием воздействия целого ряда взаимосвязанных факторов — аномального развития гидрометеорологических процессов, активного проявления экзогенных процессов, переполнения и прорыва плотин водохранилищ, размыва хозяйственных и рекреационных объектов, разрушения предприятий — источников химического и биологического загрязнения поверхностных и грунтовых вод.

Подобный многоплановый катаклизм наблюдался летом 2002 г. на Кавказе и Черноморском побережье, выразившийся в катастрофических паводках и наводнениях, активизации русловой эрозии, усиливавшихся и развивавшихся за счет активного проявления селевых процессов. Немаловажную роль при таком развитии событий сыграл человеческий фактор — неготовность спецорганов и исполнительной власти к чрезвычайным ситуациям подобного масштаба, несогласованность действий различных ведомств, беспечность населения, не покинувшего опасные места, несмотря на предупреждения.

К созданию ЧС может привести конкуренция в использовании водных ресурсов между различными отраслями хозяйства и пограничными территориями, особенно во время пропуска половодий и паводков и сброса воды из водохранилищ, при сработке уровней в летне-осенний сезоны, при установлении режимов накопления водных ресурсов в водохранилищах и т. д. Например, неконтролируемые, несогласованные сбросы воды из водохранилищ пограничных территорий Украины и Китая. К сожалению, нет четких нормативно-правовых критериев для разрешения конфликтных гидроэкологических ситуаций не только вне, но и внутри Российской Федерации. Так, не разрешен до сих пор спор между Чувашской республикой и соседними территориями. Республика заинтересована в увеличении выработки энергии на ГЭС, вызывающей однако подъем уровней грунтовых вод и подтопление территорий в республике Марий Эл и Нижегородской области.

Другой пример. В 1984 году Средний Енисей в районе Лесосибирска подвергся зимнему затоплению из-за резкого увеличения выработки энергии на Красноярской ГЭС в связи с аварией на Экибастузской ГРЭС в период зимних холодов. Сброс воды взломал лёд, подтопил и нанёс большой ущерб лесоэкспортным организациям. Было нарушено электроснабжение ряда предприятий, вода сорвала запани с подготовленной для переработки и экспорта древесиной, снесла ограждающие дамбы затонов в ряде портов, в том числе в г. Красноярске, разметала караваны барж, стоящих на ремонте, и.т.д.

Убытки были бы значительно меньше, если бы энергетики предупредили местные власти и дали разрешение Красноярскэнерго на постепенное увеличение сброса воды через донные отверстия плотины.

.Наиболее эффективным способом борьбы с природными наводнениями является перераспределение стока путем создания водохранилищ, возможности регулирования водных ресурсов которыми определяются в основном отношением полезного объема к среднему годовому стоку реки. В бывшем СССР водохранилища по некоторым данным ликвидировали к началу 1988 г. ущерб от наводнений в среднем за год на сумму 150 млн. рублей. С их помощью была решена в основном проблема наводнений и связанных с ними бедствий на Волге, Днепре, Дону..

Однако создание водохранилищ не всегда снижает риск прохождения катастрофических наводнений, что связано с природными особенностями местности и режима реки. Так, в начале 1950-х гг. в Азербайджане для борьбы с наводнениями в бассейнах Куры и Аракса были сооружены Мингечаурский и Бахрамтапинский гидротехнические комплексы. Но после их ввода в эксплуатацию на реках произошло десять разрушительных наводнений (в 1961, 1967, 1969, 1976, 1982 и др. годах) и проведенные противопаводковые мероприятия оказались неэффективными, т. к. реки протекают по слабо наклоненным равнинам и несут большое количество взвешенных наносов, осаждающихся в их руслах. В результате на ряде участков русла рек располагаются выше прилегающей местности, и водохранилища в годы с осадками выше нормы не снимают проблему наводнений.

Спасая в большинстве случаев обширные территории от наводнений, гидроузлы однако сами могут стать источником катастрофических затоплений в нижних бьефах в случае повреждения плотин и формирования волны прорыва. Этим вопросам, в частности, факторам риска повреждений и прогнозам, посвящены многие специальные публикации, в том числе сотрудников Лаборатории гидрологии Института географии РАН (из последних — [9]).

Наводнения ниже плотин могут быть связаны не только с их повреждениями, но и с незапланированными сбросами излишних масс воды через гидросооружения. Можно привести ряд примеров наводнений, вызванных сверхрасчетными попусками. Один из последних — активный сброс воды из Новосибирского водохранилища 18 июня 2001 г., приведший к затоплению около 1300 садовых участков.

Особенно опасны наводнения, вызванные зимними попусками из водохранилищ, формирующими подвижки льда и ледоход в нижнем бьефе, сопровождающиеся подтоплением прибрежных участков. Так, зимой 1956-1957 гг. из Камского водохранилища были вдвое против нормативных увеличены попуски, вызвавшие ледоход на протяжении 60 км нижнего бьефа, и затем образование затора. В районе г. Краснокамска лед был поднят и перемещен сплошным полем, наводнением был причинен большой ущерб [3].

Напомним также о наводнении в 1988 г. в нижнем бьефе Красноярской ГЭС, вызванным рядом факторов, детально проанализированных автором — свидетелем этого наводнения в период полевых работ в бассейне Енисея.

Ошибки синоптиков и гидрологов при прогнозе характера половодья на Енисее летом 1988 г., неподготовленность ложа Саяно-Шушенского водохранилища к затоплению паводочными водами, неполное обустройство русла Енисея ниже плотины Красноярской ГЭС, вынужденные запоздавшие холостые сбросы через пять водосливных сооружений плотины Красноярской ГЭС – всё это обусловило в короткое время подъём уровня воды в нижнем бьефе Красноярской ГЭС на 4 м и наводнение с большим материальным ущербом. Рассмотренное событие ещё раз свидетельствует о необходимости соблюдения главного правила — в нижних бьефах гидроузлов и на территориях, подвергающихся периодическим затоплениям паводочными водами не должно быть важных, недостаточно защищенных хозяйственных объектов и жилых построек, стесняющих поток воды и могущих быть разрушенными. Но продолжает нарастать тенденция все большей освоенности, застроенности и заселенности нижних бьефов и паводкоопасных территорий, несмотря на печальный исторический опыт и предупреждения специалистов. Так, по данным Роскомвода при прорыве плотин в г. Пензе в зоне затопления может оказаться 75 тысяч человек, в г. Челябинске — 170 тысяч, а в случае прорыва плотины Волжского каскада — несколько миллионов человек.

Особенно велики жертвы и ущербы в период экстремальных гидрометеорологических событий на Урале при разрушении многих плотин водохозяйственного назначения, что связано с высокой освоенностью и заселённостью этого промышленного района и расположением заводов и прилегающих к ним населённых пунктов в нижних бьефах гидроузлов.

В период строительства и эксплуатации подпорных гидротехнических сооружений нередко проявляются неблагоприятные геодинамические процессы, создающие чрезвычайные ситуации и формирующие экстремальные геоэкологические проблемы. Выделяют следующие виды геодинамических процессов: землетрясения, приводящие к обрушениям, обвалам, оползням, деформациям геологических пород и при сильных динамических воздействиях – к повреждению и разрушению гидроузлов; гравитационные процессы – обвалы, осыпи, просадки, вызывающие деформации дневной поверхности, повреждения водохозяйственных сооружений и коммуникаций; гидрогеологические особенности территории и карстово-суффузионные процессы, вызывающие размывы тела и основания плотин, образование пустот, карстовые проявления, заиления; криогенные процессы в зоне многолетнемёрзлых пород, выражающиеся в их оттаивании, развитии термокарста, пучениях, приводящие к деформациям оснований и самих плотин, особенно земляных.

Землетрясения представляют наибольшую опасность для гидроузлов. Статистика свидетельствует, что аварии на подпорных сооружениях в связи с сейсмическим фактором насчитывают десятки, а с учетом земляных дамб – многие сотни случаев, включая высокие плотины различных конструкций.

Только за последние 30-40 лет серьезные аварии и повреждения, вызванные сейсмическим воздействием, произошли на бетонных плотинах – Понтебо (высота 10 м, Алжир), Каньон Дель Пато (20 м, Перу), Синьфынцзян (105 м, Китай), Койна (103 м, Индия), Пакойма (113 м, США), Сефидруд (106 м, Иран), Шикань (25 м, Тайвань); на грунтовых плотинах – Хебген (высота 35 м), Сан-Фернандо Лоуэр (43 м), Сан-Фернандо Аппер (25 м) и Лос-Анджелес (40 м) – все в США, а также Эль-Инфирнильо (148 м) и Ла Виллита (60 м) – в Мексике, Сердже (57 м, Турция) и др. При этом плотины Каньон Дель Пато, Шикань, Сан-Фернандо Лоуэр были разрушены, а повреждения плотин Синьфынцзян, Койна, Сан-Фернандо Аппер могли бы иметь катастрофические последствия, если бы уровни верхних бьефов не были в момент землетрясения существенно ниже нормальных подпорных уровней [10].

Впервые вопрос о необходимости учета сейсмической опасности при проектировании и эксплуатации плотин ГЭС возник в 20-х годах прошлого века после разрушения грунтовой плотины Шеффилд (США) высотой 7,5 м при землетрясении 29 июня 1925 г. силой 6,3 балла. Но серьезные исследования фактора сейсмичности при гидротехническом строительстве начались лишь в 1950-60-е гг. после целого ряда аварий и повреждений на перечисленных выше крупных плотинах.

В бывшем СССР в 1970-1980 гг. большой группой специалистов из различных организаций – Минэнерго СССР, Академии наук, ВУЗов, были разработаны и реализованы научные основы проектирования и строительства больших плотин в районах с высокой сейсмичностью. Это дало возможность начать широкомасштабное строительство мощных гидроэнергообъектов с высокими плотинами в сейсмически активных районах Кавказа, Средней Азии и Дальнего Востока (Токтогульская, Нурекская, Чарвакская, Курпсайская, Рогунская, Чиркейская, Ингурская, Зейская ГЭС). Но фактических сведений о состоянии плотин при сильных землетрясениях в бывшем СССР очень мало.

Наиболее серьёзные инциденты произошли на энергетических объектах Армении в районе Спитакского землетрясения в 1988 году с интенсивностью в эпицентре в 10 баллов, а также в 1976 году на плотине Чир-Юрт в Дагестане, где в результате землетрясения силой 8 баллов образовались три трещины шириной до 400 мм.

В результате Ташкентского землетрясения 26 апреля 1966 г. произошло проседание гребня плотины озера Яцинкуль, затем ее разрушение в центральной части и формирование волны прорыва. В 1,5 км от плотины вследствие размыва около 3 млн. м³ грунта сформировался водокаменный сель высотой 12 м, обрушившийся в долину реки Тегермеч.

Многие землетрясения за рубежом и особенно в Армении показали важность обеспечения сейсмостойкости не только крупных энергообъектов, но и безаварийной работы других источников энергии, энергетического оборудования, подстанций, линий электропередачи и т. д.

Так, большой ущерб экономике Армении в период Спитакского землетрясения был нанесен в результате прекращения подачи электроэнергии из-за повреждения подстанций и линий электропередачи. Коммунальное хозяйство городов Спитак и Ленинакан было полностью выведено из строя, а в городе Степанакерте разрушены все электростанции.

Известны также катастрофические последствия Калифорнийского землетрясения в США 17 октября 1989 г., когда были разрушены коммунальные энергетические системы трех районов, перебои в снабжении электроэнергией вызвали выход из строя современного компьютерного оборудования на базе ВВС США в Силиконовой долине. Ущерб, который нанесен энергетике от этого землетрясения, был оценен в 8-10 млн. долл.

Особого внимания заслуживают сейсмические события ХХI века в Китае, где 12 мая 2008 года в провинции Сычуань произошло сильнейшее за последние более чем три десятилетия землетрясение силой 8 баллов, вызвавшее чрезвычайные разрушения и гибель более 80 тысяч человек.

Провинция Сычуань (юго-запад Китая) обладает значительными водными ресурсами и обширной сетью гидротехнических и гидроэнергетических объектов, среди которых четыре крупных гидроузла с высокими плотинами: плотина Зипингну высотой 156 м, Шэйпай – 132, Бику – 105,3 м, Баоцуси – 132 м.

Несмотря на близость плотин к эпицентру землетрясения (12-17 км), эти плотины выдержали сотрясения, за исключением значительных и незначительных повреждений (нарушение облицовочного бетона и разрыхление каменнонабросной плотины Зипингну, смещение плотины Бику на 30 см, разрывы облицовочных плит и стен парапетов, трещины зданий ГЭС и т. д.). Сохранность плотин была обеспечена высоким качеством проектирования, правильной эксплуатацией и своевременным принятием необходимых мер в критической ситуации.

Кроме рассмотренных четырёх крупных плотин, большому числу менее масштабных объектов землетрясением был нанесён значительный ущерб. Пострадали многие водохранилища и ГЭС, нарушена инфраструктура, водоснабжение, возникла угроза потери контроля за безопасностью и распространением водных потоков. Всего были повреждены 1583 плотины и водохранилища, из них 3 больших, 57 средних и 1523 малых водоёмов.

В связи с распространением из-за землетрясения оползней появились опасные вторичные последствия – запруды, их прорыв и затопления расположенной ниже местности [11].

Произошедшие в России землетрясения (на Кавказе, Алтае, в Хабаровском крае и др.), показали, что во многих случаях была недостаточно оценена сейсмическая опасность.

Первым этапом в уточнении сейсмической активности явилось создание новой карты сейсмического районирования РФ (СР-97)» в масштабе 1: 8000000, составленной в объединённом институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта при участии большого числа соисполнителей.

Как показывает карта, территория России очень сложна в сейсмическом отношении. Около четверти ее находится в зонах повышенной сейсмической опасности, оцениваемой 7 баллами и выше, более 5% - опасные в сейсмическом отношении зоны (горные территории).

Сопоставление старых данных с новой картой показывает, что значительная часть крупных гидроузлов расположена в зонах с более высокой сейсмичностью, чем принималась при их проектировании или строительстве. Многие энергообъекты находятся в районах с максимально возможными по силе землетрясениями интенсивностью 9-10 баллов.

В девятибалльной зоне расположены Билибинская АЭС, Саяно-Шушенская, Белореченская, Иркутская, Колымская и Усть-Среднеканская ГЭС, в десятибалльной – Чиркейская, Миатлинская, Чирюртская гидроэлектростанции.

Однако, далеко не все землетрясения вызывают катастрофические последствия. Как правило, если соблюдаются нормы антисейсмического строительства, плотины противостоят стихии.

При создании водохранилищ, преимущественно крупных, возможно возникновение возбуждённых землетрясений, вызванных самими водохранилищами в результате давления больших масс воды или ее фильтрации по разломам и изменения порового давления. Эти явления стали отмечаться в первой половине ХХ столетия.

Впервые связь вынужденной сейсмичности с заполнением водохранилища была установлена в районе озера Марафон (Греция) спустя два года после начала его заполнения в 1931 г. и достижения максимального уровня воды. Подземные толчки стали ощущаться с начала заполнения водохранилища, но в 1938 г. произошло разрушительное землетрясение.

Проявления возбуждённой сейсмичности были детально описаны Кальдером в 1945 г. после землетрясения в районе арочной плотины Гувер на р. Колорадо, зафиксированного сразу же после заполнения водохранилища в 1939 г. Начавшиеся наблюдения показали, что 10 из 68 построенных в США водохранилищ вызвали наведенную сейсмичность.

К настоящему времени считается установленной связь между сейсмической активностью в отдельных районах и наполнением больших водохранилищ. Проявления возбужденной сейсмичности, как правило, совпадают с катастрофическими наводнениями, быстрым наполнением водохранилищ, с работой водосбросов и отмечаются во многих странах – во Франции (арочная плотина Монтейнар и плотина Гранваль), в Южной Америке (плотина Хендрик Фервуд), в Австралии (Толбинго), в Греции (Кремаста), в США (Гувер), в Китае (Синьфын), в Пакистане (Мангла), в Швейцарии (Контра), в Алжире (Уэд-Фодд) и т. д. [12].

Самым сильным землетрясением, связанным с возведением плотин, является катастрофическое землетрясение в Индии в 1967 г. в связи с сооружением бетонной гравитационной плотины высотой 103 м на р. Койна в районе, считавшимся малосейсмичным. Но начиная с 1962 г. в процессе наполнения водохранилища под ним на небольшой глубине начали регистрировать местные сотрясения. В сентябре 1967 г. произошло около 700 подобных толчков, в том числе несколько крупных, завершившихся катастрофическим землетрясением силой 8 баллов. Почти полностью был разрушен г. Койнанагар (1,5 км от плотины), погибло 177, ранено 1500 человек, несколько тысяч остались без крова

Исследования показали, что частота и повторяемость возбужденных землетрясений обычно возрастает с увеличением высоты подпора воды плотиной и объема водохранилища. Но не только эти факторы определяют возбужденную сейсмичность – существует много высоких плотин и больших водохранилищ, где подобные явления не происходят. Например, водохранилище Поуэлл объемом 120 км³ и глубиной 140 м, созданное плотиной Глен-Каньон на р. Колорадо, Серре-Понсо во французских Альпах и ряд других, не изменили локального сейсмического режима. Общим фактором для случаев возбуждения сейсмичности является наличие специфических геологических и гидрогеологических условий и тектонической обстановки. Водохранилища являются как бы спусковым механизмом для критически напряженной среды.

Не всегда изменения сейсмичности коррелируют с изменением уровня, что наблюдалось, например, при заполнении Токтогульского водохранилища (1974-1992 гг). По данным наблюдений Института сейсмологии Национальной Академии наук Кыргызской Республики, в первые годы интенсивного заполнения водоёма (1985-1980 гг.) установлена достаточно отчётливая связь между уровнем воды и числом землетрясений. В последующие годы после начала непрерывной эксплуатации водохранилища связь колебаний уровня и числа сейсмических возбуждений прослеживается не все годы [13]

По данным Института экологии Волжского бассейна РАН и Саратовского университета, даже в равнинной местности, в зонах слабой сейсмической активности, мощные сбросы воды в нижний бьеф через плотины каскада ГЭС на Волге могут также спровоцировать местные землетрясения силой 1-2 балла в радиусе 3-4 км от плотин. Возможность проявления «наведенной» сейсмичности отмечалась и при экспертизе проектов ГЭС на сибирских реках, например, Мокской ГЭС. Следствием землетрясений являются обрушения горных пород в долинах рек и образование «завальных» (плотинных) озёр, спуск которых сопровождается прорывной волной с большой скоростью прохождения и может спровоцировать формирование селей. Так, прорыв подпрудного моренного озера Туюксу в верховьях Малой Алмаатинки в 1973 г. вызвал грязекаменный поток огромной разрушительной силы — 15-метровый вал двигался со скоростью 10 м/с, максимальный расход воды достигал 5200 м³/с, поток нес валуны весом до 300 т и был остановлен 110-метровой плотиной у пос. Медео.

Из завальных озёр наиболее известно высокогорное Сарезское озеро в Таджикистане в долине р. Мургаб, возникшее в 1911 г. вследствие 9 балльного землетрясения, сопровождавшегося обвалом 2,2 млрд. т. горных пород.

Выше уже приводились примеры аварий при переливе воды через гребень плотин. Они связаны не только с нерасчетными паводками, но и с еще рядом причин, в том числе с оползнями и обрушением в водохранилища массивов неустойчивых горных пород на значительных участках их берегов. Следствием этого являлось формирование волн вытеснения и перехлёст воды через плотину. Самые трагические последствия (большие разрушения и человеческие жертвы) были вызваны волной вытеснения, образовавшейся в результате обрушения в 1963 г. в водохранилище Вайонт на р. Пьяве (Италия) скального оползня — массы меловых пород объемом 260-300 млн. м³, оторвавшихся от горы Ток на левом берегу долины. Высота всплеска у берегов водохранилища достигла при этом 270 м, а толщина слоя воды, переливающейся через гребень плотины — 70 м. Бетонная плотина выдержала перегрузки, но волна вытеснения объемом 25 млн.м³ почти полностью разрушила г. Лангароне, ряд деревень и унесла более 3000 человеческих жизней Катастрофа была связана с фактором наведенной сейсмичности при заполнении водохранилища. В 1853, 1874, 1899 и 1936 гг. оползни имели следствием обрушение пород в водохранилище Лития Бей на Аляске. Причем, в 1936 г. подводный оползень вызвал всплеск воды у берегов водохранилища высотой 30,5 м. В 1949 г. сдвиг и обрушение рыхлых пород был причиной всплеска воды высотой 19,8 м у берегов водохранилища Хоук Крик (США). Неоднократно возникали опасные волны вытеснения из-за оползней на водохранилище Лейк Леон в Норвегии и т.д. [14].

В 1959 г. оползень разделил водохранилище Понтезей в Италии на две части, значительно уменьшив его объем. В 1982 г. возник оползень на откосе деривационного канала гидроузла Вэло в Новой Зеландии, который полностью разрушил здание ГЭС. В 1990 г. в Колумбии оползень, перекрывший русло р. Ареноза, после сильного ливня перерос в селевую лавину и накрыл ГЭС Кальдерас и подстанцию слоем ила и камней толщиной 15 м. Погибло 20 человек, повреждены 8 деревень, 8 мостов, 20 км дорог и небольшой город Сан-Карлос. Крупная авария произошла в 1991 г. в Румынии, когда ГЭС Клэбучет была выведена из строя оползнем, образовавшимся после прорыва воды из напорного туннеля и перекрывшим долину реки. При этом было нарушено водоснабжение Бухареста.