Чрезвычайные ситуации, связанные с гидротехническим строительством ретроспективный обзор

РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ ОБЗОР

Малик Л.К., кандидат географ. наук

(Институт географии Российской Академии наук)

Конец ХХ и начало ХХ1 века характеризуется в истории развития человеческого общества опасным ростом количества и масштабов различных аварий и катастроф, неблагоприятным проявлением стихийных природных процессов, увеличением риска повреждения экологически опасных сооружений, обострением политических кризисов и этно-социальных конфликтов. Все эти события провоцируют возникновение чрезвычайных ситуаций (ЧС), дестабилизируют экономику стран, приводят к постоянному увеличению пострадавших от различных бедствий людей и росту прямых и косвенных ущербов.

По данным МЧС, за последние 10 лет конца ХХ – начала XXI века в Российской Федерации от опасных природных и техногенных процессов погибло более 3000 человек и пострадало около 200 тысяч.

Наиболее опасен риск аварий и катастроф на крупных экологически уязвимых объектах, к которым относятся многие водохозяйственные сооружения (плотины и водохранилища, дамбы, перемычки, туннели, каналы, берегозащитные и ограждающие сооружения, в том числе сооружения золошлаковых отходов, пруды-накопители и др.). Все они в различных сочетаниях входят в состав электростанций.

17 августа 2009 г. произошла катастрофическая авария на Саяно-Шушенской ГЭС, повлекшая за собой гибель людей, значительные повреждения технологического оборудования и экономические потери. В причинах чрезвычайной ситуации предстоит разобраться специалистам.

Автор статьи считает целесообразным рассмотреть различные причины ранее возникавших ЧС на гидротехнических объектах, приводивших нередко к их повреждениям и даже разрушению.

В настоящей статье основное внимание уделено подпорным гидротехническим сооружениям – плотинам ГЭС и водохранилищам, построенным в различных странах, в разных по природным условиям регионах и в разное время. Многие из них эксплуатируются десятки, сотни и даже тысячи лет и зарекомендовали себя в целом устойчивыми сооружениями. Например, в Англии 50% плотин построено более 80 лет тому назад, в Испании 10 плотин функционируют более 1600 лет. В верховьях Рейна до сих пор эксплуатируется старейшая в Европе ГЭС Рейнфельден, построенная в 1880 г. Китай в течение около 4 тысяч лет имеет опыт конструирования и строительства плотин и использования зарегулированных водных ресурсов. Плотина Дунангдан, созданная 2000 лет назад, регулировала паводки реки Манджианг и позволила использовать её воды для орошения. Построенная на р. Хуанхэ ещё до нашей эры плотина Шан Шуао успешно функционирует и в наше время [1].

Но большинство плотин построено современными методами, на основе современных проектов. Однако мировая статистика и события последних лет свидетельствуют о возможности повреждений и разрушений гидроузлов. Более того, вероятность аварий на гидросооружениях имеет тенденцию роста, особенно после их эксплуатации более 30-40 лет.

По данным Международной комиссии по большим плотинам (СИГБ) в настоящее время в мире построено более 45000 больших плотин, более 60% из них являются грунтовыми. Наибольшее число подобных плотин в Нидерландах (100%) и в Англии (67%), наименьшее — в Норвегии (1%) и в Австрии (12%). Приблизительно на 40% плотин различных типов были зафиксированы аварии, а также прорывы напорного фронта. [2].

Наиболее надежными оказались бетонные плотины, примерно в 3 раза менее надежны каменно-земляные, аварии на которых в большинстве случаев произошли вследствие перелива воды через их гребень.

Катастрофические аварии за всю историю эксплуатации подпорных сооружений наблюдались во многих развитых и развивающихся странах.

В историю гидротехники вошли колоссальные катастрофы, вызванные прорывом дамб на реках Хуанхэ и Янцзы, Миссисипи и Миссури, на Дунае, в Голландии. Крупные катастрофические аварии плотин произошли в США, Франции, Италии, Индии, Бразилии, Южной Корее и других странах. Наиболее трагические последствия от повреждения плотин ГЭС и водохранилищ имели место в США (плотины Биг Томсон, Каньон Лейк, Сен Френсис, Титон). Причиненный ущерб от аварии на плотине Титон в бассейне р. Колорадо превысил 1 млрд. долл. [3].

Масштаб национальных бедствий приобрели аварии плотин в Италии — Грено и Вайонт. В последнем случае из-за подземных толчков в водохранилище на р. Пьяве обрушился оползень, вызвавший перехлест образовавшейся волны через плотину (общее количество пострадавших составило 30000 человек).

Во Франции в 1959 г. из-за горных просадок под фундаментом была разрушена плотина Мальпассе на р. Рейран, погиб 421 человек, уничтожена со всем персоналом военно-воздушная база, ущерб оценен в 68 млн. долл.

Аварии с большими ущербами были на плотинах в Индии (Мачху-II), в Бразилии (Орос), в Южной Корее (Хаиокири) и в других странах. Перечисленные 10 аварий вызвали гибель 8000 чел. [4].

Наиболее опасные по своим последствиям ЧС возникают при прохождении через гидротехнические сооружения сверхрасчётных расходов воды и заниженных размерах водосбросов. Об этом свидетельствуют материалы Международной комиссии по большим плотинам, в соответствии с которыми ежегодно в мире на гидроузлах происходит около 3 тысяч аварий. Из них значительное число повреждений наблюдается в период прохождения катастрофических сверхвысоких половодий и паводков, что связано с недостатками проектно-технических решений при пропуске экстремальных расходов, а также вследствие плохой работы эксплуатационных служб. В результате в период прохождения крупных паводков не удаётся своевременно открыть затворы и сброс воды осуществляется через гребень плотины, что приводит к разрушению конструкций.

В мировой практике при проектировании плотин расчёт ведётся на очень редкие события. Но в истории плотиностроения есть немало примеров разрушения гидроузлов под влиянием паводков крайне редкой обеспеченности.

В публикации С.Ф. Бобкова и др. [5] приводятся примеры таких паводков. На плотине Зербино в Италии высотой 16,5 м (построенной в 1924 г.) максимальный расход водосброса составлял 700 м³/с, а наибольший измеренный расход – не более 400 м³/с. В августе 1935 г. был зафиксирован приток воды к водохранилищу в количестве 2200 м³/с (повторяемость – 1 раз в 200000 лет), слой переливающейся через гребень плотины воды достигал 2,2 м. На гидроузле Ринкон-дель-Боннет (Уругвай) в 1959 г. был отмечен паводок повторяемостью 1 раз в 5000 лет.

В 1889 г. была размыта земляная плотина Соу-Фокс в США в результате перелива через гребень паводочной волны с максимальным расходом в 2 раза превышающим пропускную способность водосброса, погибло 2269 человек. В 1984 г. была прорвана плотина Мачху II в Индии, максимальный расход волны прорыва достигал 14 тыс. м³/с при расчётном 6180 м³/с, было смыто 12 тыс. домов, погибло 2000 человек [6].

Переливы воды из водохранилища через гребень плотины могут быть связаны и с чисто техническими причинами – отказом затворов водосбросных сооружений вследствие редкого использования, отсутствия профилактики, периодической проверки их эксплуатационной надёжности, а также из-за прекращения подачи электроэнергии.

Если 35% случаев разрушения грунтовых плотин вызвано переливом воды через гребень, то 1/3 из них в свою очередь повреждалась из-за отказов в работе затворного оборудования. Подобные отказы приводили к аварийным ситуациям на целом ряде плотин. Так, из-за отсутствия подачи электроэнергии к механизмам управления затворами водосборов в 1958 году был разрушен участок плотины Кадда в Индии длиной 137 м при высоте переливающегося слоя воды в 45 м.

По этой же причине – неисправность электрооборудования и невозможность открыть все 18 пролётов для пропуска паводка (удалось открыть только три) были усугублены последствия аварии в 1979 г. на плотине Мачху II (также в Индии).

В России аналогичная авария произошла 7 августа 1994 г. на плотине Тирлянского водохранилища (высотой 9,9 м и объёмом 7 млн. м³) в бассейне р. Белой, когда после интенсивных дождей, вследствие изношенности механизмов и заваренных для прочности затворов, не смогли открыть все отверстия берегового водосброса(работало только одно из них), и вода из переполненного водохранилища хлынула через гребень земляной плотины. Плотина была разрушена в течение нескольких часов, семиметровая волна прорыва снесла пос. Тирлян, погибло 28 человек.

Неувязки в проекте гидромеханического оборудования и неготовность к работе водосброса вызвали разрушение ограждающей дамбы водохранилища Сургутской ГРЭС, т. к. в паводок не удалось полностью открыть затворы.

Перебои с электроснабжением явились причиной аварий и на грунтовых плотинах Тоус (Испания) в 1984 г. и Бельцы (Румыния) в 1991 г. В обоих случаях был нанесён большой ущерб расположенным ниже территориям, погибли люди.

В период паводка 1985 г. разрушилась плотина Ноппинкоски в Швеции высотой в 7,5 м из-за того, что для пропуска сбросных расходов был поднят лишь один из двух затворов. В 1986 г. была частично смыта плотина Лутуфаллст (Норвегия) после заклинивания затворов.

Пропуск расчётных расходов может быть ограничен из-за неблагополучного состояния водосбросов, разрушения их отдельных элементов и размывов в нижних бьефах. В некоторых случаях перелив через гребень плотин происходит при засорении водосбросных отверстий плавающим лесом, древесиной, всплывающими торфяными массивами и т.д. Так, в паводок июля 1997 г. в Квебеке произошёл перелив через несколько гравитационных плотин слоем воды до 2 м. Бетонные плотины устояли, но были прорваны земляные участки плотин и береговые примыкания. Ущерб составил 800 млн. канадских долларов, погибло 10 человек. Одной из причин аварии явилась забивка водосбросных отверстий плавающим мусором.

На территории России и стран СНГ эксплуатируется более 300 тыс. водохранилищ и несколько сотен накопителей стоков и промышленных отходов. Имеется около 60 крупных водохранилищ с объемами более 1 км³. Топливно-энергетический комплекс располагает 350 гидротехническими сооружениями, среди них 100 ГЭС с наиболее крупными водохранилищами. Для судоходства используются более 700 водохранилищ, в сельском хозяйстве — более 200 гидротехнических сооружений. Функционируют для различных целей более двух десятков тысяч мелких водохранилищ и прудов.

Наибольшую опасность представляют, конечно, повреждения и разрушения больших плотин и водохранилищ, т.к. с увеличением высоты плотин и объемов водохранилищ повышается степень риска, которому подвергаются население, хозяйственные и природные объекты в нижних бьефах гидроузлов. Также велики, но менее изучены, опасность и ущерб для верхних бьефов, связанные с опорожнением водохранилищ.

В РФ повреждения и нестандартные аварийные ситуации на гидроузлах возникали неоднократно. Например, в бывшем СССР в марте 1971 г. была разрушена перемычка при строительстве гидроузла на р. Аракс. Известен также прорыв в Таджикистане в 1987 г. небольшого горного Саргазонского водохранилища объемом 2.7 млн. м³ и высотой плотины 23 м, вызвавший гибель 32 человек и большой материальный ущерб.

Чрезвычайно опасным было появление в 1985 г. трещины в бетоне напорной грани плотины Саяно-Шушенской ГЭС и сильной фильтрации, подавленной с помощью новейших технологических средств. За все годы эксплуатации этой ГЭС трижды происходили аварии, связанные с пропуском паводочных вод (в 1979, 1985 и 1988 гг.). В последнем случае водобойный колодец был сильно повреждён, и принято решение строить ещё один водосброс.

Аварийная ситуация на каменно-земляной плотине Колымской ГЭС в 1988 году была вызвана рядом причин, основная из них – мёрзлая каменная упорная призма, в которой происходила фильтрация воды, потребовавшая осуществления аварийно-восстановительных работ.

Суффозионные нарушения фильтрационной прочности контакта ядра плотины со скальным основанием явились причиной прорыва 2 июля 1992 года напорного фронта каменно-земляной плотины Курейской ГЭС. Для устранения аварии потребовалось создание противофильтрационной стены длиной 94 м.

Чрезвычайные ситуации возникали нередко в период строительства гидроузлов. Например, спровоцированный землетрясением в середине 1970 года оползень при строительстве Чиркейской ГЭС, крупнейшей на Северном Кавказе, перекрыл русло р. Сулак. Размыв завала водами реки вызвал образование волны прорыва, превысившей расход воды однопроцентной обеспеченности, но перемычка не была разрушена.

Нельзя не упомянуть также об опасности повреждения гидротехнических сооружений в связи с военными действиями в зонах этносоциальных конфликтов и возможными террористическими актами (например, повреждение турбины Дубоссарской ГЭС при артобстреле во время вооружённого конфликта в Приднестровье и опасности затопления многих населённых пунктов.

Можно привести ещё ряд примеров, иллюстрирующих чрезвычайные ситуации при создании плотин в РФ и других странах. Многие из них связаны с недостатками прогноза возможных последствий создания ГЭС в различных зонах, но немаловажным фактором являются, очевидно, и недостаточные наблюдения за состоянием гидроузлов с помощью системы мониторинга.

В нашей стране повреждалось большое количество плотин и запруд на малых реках, которые часто сооружались без необходимого обоснования данными гидрологических наблюдений и для расчетов которых принимались сечения русел рек, чаще всего недостаточные для пропуска максимальных расходов воды. В конце прошлого века произошли аварии на небольших плотинах водохозяйственного назначения в Башкортостане, Свердловской и Калужской областях, в Калмыкии, Волгоградской области, а также на плотинах малых ГЭС в Ленинградской области, на Алтае и в других регионах.

Авария, связанная с недооценкой максимальных расходов воды, произошла на плотине высотой 18 м на небольшой реке Какве на Урале в марте 1971 г. Водосбросы плотины были рассчитаны на пропуск расхода воды в 560 м³/с с обеспеченностью 0,1%. Расход переливающейся воды составил 1000 м³/с, плотина полностью разрушилась, что привело к гибели 15 человек, затоплению 1200 домов. ЧС была связана в значительной степени с наложением дождевых паводков на волну весеннего половодья.

Крупные гидроузлы в России и бывшем СССР создавались в соответствии с четко разработанным нормативом строительного проектирования, отличающимся высокими требованиями к расчетам максимальных расходов половодий и паводков различной обеспеченности. Однако в настоящее время состояние ряда крупных подпорных сооружений не полностью удовлетворяет требованиям надежной эксплуатации.

Наряду с многими причинами, увеличивающими риск повреждения или разрушения дамб и плотин, существует ряд факторов, характерных в большей степени в настоящее время только для России и стран СНГ и относящихся к разряду социально-политических и экономических. К этим факторам относится превышение нормативных сроков эксплуатации целого ряда подпорных сооружений, нарушение работы отдельных узлов и запаздывание или отсутствие профилактических ремонтов в связи с финансовыми трудностями, эксплуатация ГЭС в нерасчетных режимах и многое другое.

Вероятность разрушения подпорных сооружений в Российской Федерации выросла в период перестройки экономики, ликвидации некоторых органов управления водным хозяйством и в связи с отсутствием «хозяина» у некоторых водохранилищ.

Бесхозные малые и средние по размерам водохранилища представляют серьезную опасность, т.к. велика угроза их переполнения и прорыва плотин при интенсивном снеготаянии и продолжительных летне-осенних осадках. Незапланированный и несогласованный с общими мероприятиями в период половодий и паводков спуск этих водохранилищ может усугубить последствия наводнений.

Весной 2006 года была проведена проверка степени готовности к пропуску паводочных расходов у 280 низконапорных гидроузлов Московской области. При этом учитывались такие факторы, как состояние плотин и водосбросов, предпаводочная сработка водоёма, наличие дежурного персонала, систем оповещения о ЧС, наличие аварийных материалов и т.д. Из обследованных гидротехнических сооружений различного назначения у 67% была установлена недостаточная степень готовности к пропуску паводка. Причем, в зависимости от форм собственности наименьшая готовность была обнаружена у бесхозных объектов, затем у сооружений различных АО, ООО и т.д. Но высокий уровень неготовности имели также и гидроузлы федеральной собственности, городских и сельских муниципальных образований [7].

Безопасность гидроузлов, особенно небольших, снижается также в связи с отсутствием у большинства собственников гидротехнических сооружений проектной документации, что мешает оценить их состояние и безопасность, установить соответствие обеспеченности расчетных расходов водосбросов классу сооружений.

Особое беспокойство вызывают возможные аварии ГЭС у гидроузлов комплексного назначения, где составные части (шлюзы, дамбы обвалования, различные водозаборы) принадлежат различным собственникам. Контроль за этими сооружениями находится на невысоком уровне, что может привести к их повреждению, прекращению работы ГЭС или снижению выработки энергии. Такие ограничения в 1999 г. отмечались на шлюзах Волжско-Камского каскада, на Павловской, Цимлянской, Новосибирской, Волховской, Свирских ГЭС, дамбах обвалования и насосных станциях Чебоксарской ГЭС. Но самое неблагополучное положение дел у дамб золошлаковых отвалов ТЭС. Низкое качество строительства, слабый контроль, неудовлетворительное обслуживание и др. создают риск их повреждения.

В годы перестройки резко сократилась гидрометеорологическая сеть наблюдений Росгидромета в бассейнах рек, что значительно снизило достоверность гидрологических прогнозов и затруднило работу по оперативному регулированию водохозяйственных систем и своевременному предупреждению чрезвычайных ситуаций. Кроме того, невелика также сеть государственного мониторинга Министерства природных ресурсов на поверхностных водных объектах — всего 314 наблюдательных пунктов.

Угрожает безопасности гидросооружений их старение. Большинство из них эксплуатируется более 30 лет. Согласно данным мировой статистики именно в этот период возрастает вероятность аварий и повреждений гидроэнергообъектов.

Между тем, 18 ГЭС Российской Федерации в 2006 году уже перешли рубеж пятидесятипятилетней эксплуатации, а 20 ГЭС — перейдут его к 2010 г. Среди них – Волховская, Нижнее-Свирская, Нижнее-Туломская, Нива-ГЭС-2, Углическая , Рыбинская, Лесогорская ГЭС .

Средний износ гидротехнических сооружений, определяемый по сроку службы, на самых крупных Российских ГЭС мощностью более 2000 МВт составляет 38%, а по ГЭС с мощностью от 300 до 2600 МВт – 45%. Выработка нормативного срока службы, а в ряде случаев полного ресурса, несоответствие большого числа давно эксплуатируемых сооружений действующим современным нормативам – серьёзная опасность повреждения гидроузлов и возникновения ЧС.

Важным фактором является также занижение максимальных расчетных сбросных расходов в проектах, принятых и выполненных несколько десятков лет тому назад на основании непродолжительных гидрологических рядов наблюдений. Краткость рядов по стоку обусловила неправильный выбор модели расчетного гидрографа и других гидрологических характеристик. Гидрологические данные, накопившиеся за время эксплуатации ГЭС, свидетельствуют о необходимости откорректировать значения многих характеристик режима рек, особенно максимальных расходов, наиболее существенно отличающихся от принятых ранее и определяющих пропускную способность водосбросов. Так, результаты проверок показали, что 20 ГЭС РФ имеют ограничения пропускной способности сооружений, в том числе Вилюйская, Усть-Хантайская, Саратовская, Майнская, Ириклинская, Миатлинская и Гергебильская.

Повышение надежности гидротехнических сооружений и безопасная их эксплуатация невозможны без изучения прежде всего конкретных причин, приводящих к их повреждению или разрушению.

В табл. 1 перечислены стихийные и антропогенные факторы, способные вызвать разрушения гидроузлов, основные виды аварий, сопутствующие процессы, явления, усиливающие или ослабляющие катастрофы, перечень мер по предупреждению, предотвращению и устранению последствий разрушения гидротехнических сооружений. Большинство из перечисленных природных факторов риска в свою очередь вызываются климатическими процессами, проявляющимися как в виде кратковременных и опасных метеорологических явлений (ураганов, ливней, снегопадов, смерчей и т.д.), так и в виде периодически повторяющихся или однонаправленных, долговременных изменений климата.

Значительная часть природных стихийных факторов инициирует другие их проявления. Например, цунами, ураганы и землетрясения сопровождаются наводнениями, которые в свою очередь вызывают вспышки эпидемий и т.д.

Наиболее опасно инициирование экстремальными природными явлениями техногенных катастроф, например, разрушение атомного реактора или плотин гидротехнических сооружений. В первом случае следствием разрушения будет радиоактивное загрязнение местности, во втором — ее затопление. Очевидно, что в обоих случаях произойдет дальнейшее инициирование неблагоприятных событий, могущих создать ЧС в масштабах государства и более.

Проявления многих стихийных факторов бывают связаны со сложными труднопрогнозируемыми геофизическими и атмосферными процессами, поэтому перечисленные в табл. 1 спонтанные природные процессы неопределенны во времени, неоднородны по последствиям и трудно предсказуемы. Но общими для них являются значительный размах по территории, большое влияние на человека, окружающую его природную среду и хозяйственные объекты, в том числе гидросооружения. Общим является также тенденция роста повторяемости и ущерба при всех видах стихийных бедствий, в связи с общим ростом численности и плотности населения, прогрессом техники и усложняющейся структурой общества, увеличением объектов повышенного риска, освоением регионов, наиболее часто подвергающихся стихийным бедствиям, а также с проникновением хозяйственной деятельности людей в опасные, труднодоступные районы, где сила и частота проявления стихийных процессов выше, чем в освоенных районах.

Таблица 1.

Факторы риска, последствия разрушения гидротехнических сооружений и меры предупреждения.