Глава 5

ОПАСНОСТИ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

5.1. Водное хозяйство и гидротехнические объекты

Вода играет большую роль в народном хозяйстве и жизни человека. Но вода рас­пределяется неравномерно по земной поверхности и во времени. Имеются засуш­ливые районы и районы, страдающие от переувлажнения земли. В одной и той же местности временами может быть избыток воды, причиняющий ущерб народному хозяйству, а в другое время года — ее недостаток. Для решения этих проблем при­ходится создавать сложные инженерно-технические (гидротехнические) сооруже­ния для того, чтобы удерживать воду в необходимом количестве и использовать ее в определенный момент времени. Однако увеличение числа и размеров гидротехни­ческих сооружений увеличивает риски опасностей для населения, проживающего ниже плотин и дамб. Чем больше масса удерживаемой воды, тем больше потенци­альной энергии в ней и разрушительнее сила волны в случае прорыва дамбы или плотины.

На территории России эксплуатируется более 30 тыс. водохранилищ и несколько сотен накопителей промышленных стоков и отходов. Многие из них являются объ­ектами повышенного риска, эксплуатируются без ремонта более 50 лет. Согласно статистическим данным, именно после этого периода возрастает вероятность разру­шения плотины. Численность населения, проживающего в зонах непосредственной опасности при возможных авариях на таких объектах, достигает 7 млн человек.

Водохранилища, русла, водные потоки могут быть применены в народном хозяй­стве многосторонне: как источник энергии, как водный путь сообщения, для ведения рыбного хозяйства, для орошения земель и т.д. Поэтому многие водохозяйственные проблемы должны решаться комплексно и в соответствии с запросами данной тер­ритории. Однако на практике этими вопросами занимаются несколько отраслей на­родного хозяйства, что приводит к возникновению противоречий.

Различают четыре основных направления (вида) ведения водного хозяйства:

1. Гидроэнергетика, т.е. использование движущей силы воды как источника энергии.

2. Водный транспорт, т.е. использование воды в качестве путей сообщения.

3. Водоснабжение и канализация населенных мест.

4. Водные мелиорации, т.е. улучшение плодородия земель путем их орошения или осушения:

а) использование воды для орошения земель (ирригация);

б) отвод избыточных грунтовых вод с территории (осушение);

в) использование воды для обводнения земель, т.е. устройство отдельных водое­мов сельскохозяйственного назначения.

Центральным техническим средством для реализации всех этих направлений хо­зяйствования является гидротехническое сооружение — инженерное сооружение, построенное для решения вышеназванных водохозяйственных задач.

Гидротехнические сооружения (ГТС) — это объекты, создаваемые с целью использования кинетической энергии воды, охлаждения технологических процес­сов, мелиорации, защиты прибрежных территорий, забора воды для водо­снабжения и орошения, рыбозащиты, регулирования уровня воды, обеспе­чения деятельности речных и морских портов, для судоходства (шлюзы). Это естественные плотины, шлюзы, дамбы, оросительные системы, перемычки, за­пруды, каналы, ливневая канализация и пр., которые имеются в любом регионе, городе, районе. Все ГТС относятся к гидродинамически опасным объектам (ГДОО), поскольку они создают разницу уровней воды до и после него, и их разру­шение вызывает гидродинамические аварии.

ГТС имеет множество видов. Все ГТС делят на 2 категории:

• общие, применяемые в интересах двух или нескольких отраслей водного хо­зяйства;

• специальные, используемые только в одной отрасли водного хозяйства.

Общие ГТС:

1. Водоподпорные. Они создают подпор воды, например, в русле реки. К ним от­носят плотины и некоторые дамбы, работающие как плотины. Дамба — это вал для предохранения от затопления водой низких мест, для ограждения водохранилища.

2. Водопроводящие. Это искусственные русла (каналы, туннели, лотки и трубо­проводы).

3. Регуляционные. Их устраивают для регулирования режима водного потока, для защиты дна и берегов от размыва и т.д.

Специальные ГТС:

1. Гидроэнергетические — здания ГЭС, уравнительные резервуары, строящиеся при ГЭС, и др.

2. Гидросооружения водного транспорта — судоходные шлюзы, судоподъемни­ки, пристани, набережные, маяки, лесосплавные лотки и т.д.

3. Гидросооружения водоснабжения и канализации — особые водоподъемники, насосные станции, очистные сооружения и т.д.

4. Гидросооружения для целей ин­женерных мелиораций — особые водо­подъемники, шлюзы-регуляторы, дре­нажные устройства и т.д.

5. Сооружения рыбного хозяйства— рыбоходы, рыбоводные пруды и т.д.

ГТС различают также по другим признакам:

а) по месту расположения — на­земные (прудовые, речные, озерные, морские) и подземные трубопроводы, туннели;б) по характеру и цели использования — водно-энергетические, для водоснаб­жения, мелиоративные, канализационные, воднотранспортные, декоративные, лесо­сплавные, спортивные, рыбохозяйственные;

в) по функциональному назначению:

• водоподпорные сооружения, создающие напор или разность уровней воды пе­ред сооружением и за ним (плотины, дамбы);

• водопроводящие сооружения (водоводы), служащие для переброски воды в за­данные пункты: каналы, туннели, лотки, трубопроводы, шлюзы, акведуки;

—регуляционные (выправительные) сооружения, предназначенные для улучше­ния условий протекания водотоков и защиты русел и берегов рек: щиты, дам*» бы, полузапруды, берегоукрепительные, льдонаправляющие сооружения;

• водосбросные сооружения, служащие для пропуска излишков воды из водо­хранилищ, каналов, напорных бассейнов. Они бывают русловые, береговые, поверхностные и глубинные и позволяют частично или полностью опорожнять водоемы.

Гидросооружения напорного типа — это плотины, создающие подъем и, сле­довательно, напор воды, который затем используется для вращения каких-либо ме­ханизмов: турбин, лопастей, мельниц.

Следует различать три вида сооружений: запруда, плотина, гидроузел. Запруда обычно создает подъем воды, но не имеет стока или он весьма ограничен. Плоти­на — сооружение, тоже создающее напор воды, но с почти постоянным ее стоком. Гидроузел — система сооружений и водохранилища, связанных единым режимом водоперетока.

В горных районах в результате землетрясений, обвалов, оползней образуются естественные плотины (запруды), которые почти всегда представляют опасность для нижерасположенных населенных пунктов, объектов промышленности и сельского хозяйства.

Плотина с водопропускными и другими устройствами, создаваемыми при ней, является наиболее важным и распространенным типом общего гидросооружения.

Плотина — это искусственное водоподпорное сооружение или природное (естественное) препятствие на пути водотока, создающее разницу уровней в своем верхнем и нижнем бьефе по руслу реки. Искусственные плотины — сооружения, созданные человеком для своих нужд: плотины гидроэлектростанций, водозаборов и т.д.

Естественные плотины создаются в результате действий природных сил: ополз­ней, селей, лавин, обвалов, землетрясений.

Бьеф — участок реки между двумя соседними плотинами или участок канала между двумя шлюзами.

Верхний бъеф плотины — это часть реки выше подпорного сооружения (плоти­ны, шлюза).

Нижний бъеф — часть реки ниже подпорного сооружения.

Рисберма — укрепленный участок русла реки в нижнем бьефе водосбросного гидротехнического сооружения. Защищает русло от размыва, выравнивает скорость потока.

Водохранилища могут быть долговременными или кратковременными.

Долговременное естественное водохранилище образуется из-за перекрытия рек обвалом твердых скальных пород (горы Тянь-Шаня, Памира и др.).

Кратковременные искусственные плотины сооружают для временного измене­ния направления русла реки при строительстве ГЭС или других гидротехнических сооружений. Они возникают также в результате перекрытия реки рыхлым грунтом, снегом или льдом (заторы, запоры).

Как правило, искусственные и естественные плотины имеют водостоки: для ис­кусственных плотин — направленные, для естественных — стихийные.

Цели устройства плотин:

1. Поднятие уровня воды в реке и регулирование этого уровня, что является не­обходимым в следующих случаях:

при устройстве ГЭС;

для отвода воды из реки каналом для орошения земель с более высоких от­меток;

для улучшения условий судоходства;

для увеличения глубины в местах устройства водоподъемников гидромелиора­тивных систем водоснабжения, чем облегчается забор воды из реки;

по санитарным соображениям и т.д.

Плотины, построенные для поднятия воды в реке, называют водоподъемными.

2. Создание водохранилища (искусственного моря), преследующее такие цели:

• получить водоем, служащий для регулирования стока реки: в периоды много­водья вода скапливается в водохранилище, а в засушливое время она расходу­ется из водохранилища; при этом расход воды выравнивается во времени;

• получить водоем, необходимый для работы гидроаккумулирующих установок, в целях рыбного хозяйства и др. Уровень воды в них может изменяться. Такие плотины называются водохранилищными.

В некоторых случаях необходимо добиться обеих целей, и тогда построенная плотина будет одновременно и водоподъемной, и водохранилищной.

ГТС напорного типа в зависимости от вероятных последствий при разрушении подразделяются на четыре класса (табл. 5.1).

Независимо от назначения плотины делятся на две основные группы.

1. Глухие плотины — это ГТС, непосредственно через которые воду не сбрасы­вают. При необходимости пропуск воды осуществляют береговые водопропускные сооружения или он производится через небольшие отверстия, сделанные в теле пло­тины либо у ее основания.

Глухие плотины классифицируются по материалу, из которого возводится тело плотины (из обычного грунта или камней, из бетона, из железобетона и др.) и по конструктивным признакам и условиям работы {гравитационные, устойчивость которых обеспечивается благодаря их собственному весу; контрфорсные, устойчи­вость которых обеспечивается благодаря не только весу самой плотины, но и весу воды; арочные, работающие как свод, поставленный на торец и упирающийся пят­ками в скальные берега).

2. Водосбросные плотины — это плотины, по длине которых устраивают доста­точно широкие (по сравнению с длиной сооружения) водопропускные отверстия. Они могут быть двух типов в зависимости от характера пропуска воды через них:

водосливные плотины, водосбросный фронт которых образован поверхност­ными отверстиями; такие плотины в основном и сооружаются;