2.3.5. Гідродинамічні небезпечні об'єкт
В Україні налічується понад 1,1 тис. водосховищ, 28 тис. ставків, 7 великих каналів та 10 великих водоводів у водозабірних басейнах pp. Дні-пра, Дністра, Дунаю, Сіверського Дінця, Південного і Західного Бугу, а та-кож малих річок Приазов'я та Причорномор'я. У гідроенергетичній галу-зі діють 7 великих ГЕС (6 на Дніпрі, 1 на р. Дністерка), Київська ГАЕС та близько 50 малих працюючих ГЕС. На цей час в країні створено комп-лекс водозахисних дамб довжиною 3,8 тис. км, 1,2 тис. км берегоукріплен-ня, понад 600 насосних та компресорних станцій для перекачування над-лишків води. Велика кількість об'єктів через брак коштів на експлуатацію з кожним роком втрачає надійність і створює загрозу виникнення НС.
Спорудження або природні утворення, що створюють різницю рівнів води до (верхній б'єф) і після (нижній б'єф) них є гідродинамічно небезпеч-ними об'єктами. До них відносяться гідротехнічні споруди (ГТС) напірно-го фронту: греблі, загати, дамби, водозабірні і водозбірні споруди (шлюзи), басейни й зрівняльні резервуари, гідровузли, малі гідроелектростанції і водозахисні спорудження, що входять до складу інженерного захисту міст і сільськогосподарських угідь.
Греблі — гідротехнічні споруди (штучні греблі) чи природні утворення (природні греблі), які створюють різницю рівнів по руслу річки.
Штучні греблі — гідротехнічні споруди, створені людиною для своїх потреб, які включають власне греблі гідроелектростанцій, водозаборів в іригаційні системи, дамби, перемички, загати й ін.
Природні греблі створюються дією природних сил, наприклад, у резуль-таті зсувів, селів, лавин, обвалів, землетрусів. Перед греблею вгору по водос-току накопичується вода і утворюється штучне чи природне водоймище.
Ділянка річки між двома сусідніми греблями на річці або ділянка каналу між двома шлюзами називається б’єфом. Верхнім б’єфом греблі називається частина річки вище підпірної споруди (греблі, шлюзу), а частина річки нижче підпірної споруди — нижнім б’єфом.
Водоймища можуть бути довгостроковими чи короткостроковими. Довгостроковим штучним водоймищем є, наприклад, водоймище верхнього б’єфа греблі гідроелектростанції, зрошувальної системи.
Довгострокове природне водоймище може утворитися в результаті перекриття річки після обвалу твердих скельних порід.
Короткострокові штучні греблі створюються для тимчасової зміни напрямку течії річки при будівництві ГЕС або інших гідротехнічних споруд.
Короткочасні природні греблі виникають у результаті перекриття ріки рихлим ґрунтом, снігом чи льодом. Як правило, штучні і природні греблі мають водоспуски: — для штучних гребель — направлені, для природних — випадково утворені.
Гідродинамічна аварія (ГДА) — це надзвичайна подія, пов’язана з ви-ходом з ладу (руйнуванням) гідротехнічної споруди чи її частини і некерова-ним переміщенням великих мас води, що спричиняють руйнування та затоп-лення великих територій. Руйнування (прорив) ГТС може відбуватись внаслідок дії природних стихійних лих (землетрусів, ураганів, обвалів, зсувів, паводків, розмивання гребель), техногенних факторів (руйнування конструкцій спо-руд, експлуатаційно-технічні аварії, конструктивні дефекти або помилки проектування, порушення режиму водозбору тощо), а також терористичних актів та ураження боєприпасами в період воєнного часу (нанесення ударів ядерною чи звичайною зброєю по гідротехнічних спорудах, великих природ-них греблях).
Початковою фазою ГДА є прорив греблі (дамби, шлюзу тощо), що представляє собою процес утворення прорану й некерованого потоку води водоймища з верхнього б'єфа через проран у нижній б'єф. У фронті потоку води, що спрямовується в проран, утвориться хвиля прориву. Проран — вузька протока в тілі (насипу) греблі, (дамби, шлюзу, коси, обмілини тощо). Хвиля прориву має значну швидкість руху й велику руйнівну силу.
Хвиля прориву є вражаючим фактором ГДА ГТС. Основними парамет-рами її вражаючої дії є швидкість, висота й глибина хвилі прориву, темпера-тура води, час існування хвилі прориву. По своїй фізичній сутності хвиля прориву представляє собою несталий рух потоку води, при якому глибина, ширина, ухил поверхні й швидкість плину змінюються в часі (рис. 2.1).
Висота хвилі прориву й швидкість її поширення залежать від обся-гу й глибини водоймища, площі дзеркала водного басейну, розмірів про- рану, різниці рівнів води у верхньому й нижньому б'єфах, гідрологічних і топографічних умов русла ріки і її заплав. У районі нульового створу (тіла греблі) висота хвилі прориву (Нвп) визначається як: Нвп=0,6∙(Н - Ннб), де Н — глибина водоймища в греблі, м; Ннб — висота нижнього б'єфа, м.
Рис. 2.1. Розрахунок висоти хвилі прориву
Висота хвилі прориву, як правило, перебуває в межах 2...12 м, інколи може досягати 30 м. Швидкість поширення хвилі прориву становить 3...25 км/год, а для гірських і передгірних районів — до 100 км/год.
Швидкість руху хвилі прориву V=2,5...5 м/с приймається для зон катас-трофічного й небезпечного затоплення, а для ділянок можливого зато-плення — V= 1,5...2,5 м/с. При цьому статичний тиск потоку води — не менше 20 кПа (0,2 кгс/см2) із тривалістю дії не менше 0,25 год.
Характер впливу на об'єкт вражаючого фактора ГДА визначається гідродинамічним тиском потоку води (гідропотоком), висотою, глибиною й швидкістю потоку води, рівнем і часом затоплення, деформацією річкового русла, забрудненням гідросфери, ґрунтів, розмиванням і переносом ґрунтів.
Основним наслідком ГДА є катастрофічне затоплення місцевості.
Катастрофічне затоплення — це гідродинамічне стихійне лихо, що є результатом руйнування природної чи штучної греблі (дамби, шлюзу тощо) і полягає в стрімкому затопленні хвилею прориву нижче розташованої місцевості і виникненні повені.
Катастрофічне затоплення характеризується такими параметрами:
максимально можливими висотою і швидкістю хвилі прориву;
розрахунковим часом приходу гребеня і фронту хвилі прориву у відповідний створ (місцевість);
межами зони можливого затоплення;
максимальною глибиною затоплення конкретної ділянки місцевості;
тривалістю затоплення території.
Катастрофічне затоплення поширюється зі швидкістю хвилі прориву і призводить через якийсь час після прориву греблі до затоплення великих тери-торій шаром води від 0,5 до 10 м і більше. При цьому утворюються зони затоплення. При руйнуваннях або аваріях на ГТС (греблі, дамби, перемич-ки, шлюзи тощо) у зоні затоплення опиняться десятки тисяч чоловік, деся-тки населених пунктів, підприємств, споруд, сільськогосподарських земель. Така ГДА призведе до значних матеріальних та економічних збитків.
Зоною можливого затоплення при руйнуванні ГТС називається частина прилягаючої до річки (озера, водоймища) місцевості, затоплена водою.
В залежності від наслідків впливу потоку води, утвореного при руйну-ванні ГТС, на території можливого затоплення виділяють зону катастро-фічного затоплення, що є частиною зони можливого затоплення, у межах якої поширюється хвиля прориву, яка викликає масові втрати людей, руйнування будинків і споруд, знищення інших матеріальних цінностей. На її зовнішніх межах висота гребеня хвилі прориву (Нвп) перевищує 1 м (рис. 2.2), а швидкість її руху — більше 10 м/с. Час, протягом якого затоплені території можуть знаходитися під водою, коливається від 4 годин до декількох діб.
Параметри зони затоплення залежать від розмірів водоймища, напору води й інших характеристик конкретного гідровузла, а також від гідроло-гічних і топографічних особливостей місцевості.
До катастрофічних затоплень місцевості можуть призвести і прориви при-родних гребель (проривні селі, прориви озер, льодовиків, прориви моренних озер). Прогнозування часу прориву природних гребель базується на прогнозі підйому рівня води до 80...85 % висоти перемички водоймища з урахуванням даних прогнозу найближчої метеостанції.
Зона катастрофічного затоплення визначається заздалегідь на стадії про-ектування ГТС. У межах цієї зони виділяють ділянки можливого (імовір-ного) надзвичайно небезпечного затоплення, тобто територію, через яку хвиля прориву проходить протягом 1 години після аварії на ГТС. На цій території можливі найбільші втрати серед населення, сильні руйнування об'єктів економіки й житлових будівель. Для кожного водоймища (особли-во обсягом 50 млн. м3 і більше), на якому аварія призводить до висоти підйому води більше 1 м, за результатами прогнозу розробляються атласи або карти затоплення й розраховуються характеристики хвилі прориву. Влас-никами цих документів є штаби ЦЗ, міністерства, відомства та їх служби на місцях, що зводять і експлуатують ГТС (напр., гідровузли і великі греблі).
На затоплюваній території виділяють чотири зони катастрофічного затоплення:
Перша зона безпосередньо примикає до ГТС й простирається на 6...12 км від неї. Висота хвилі може досягати тут декількох метрів. Характерний бурх-ливий потік води зі швидкістю плину 30 км/год і більше. Час проходження хвилі 30 хв.
Друга зона — зона швидкого плину (15...20 км/год). Довжина цієї зони може бути 15...25 км. Час проходження хвилі 50...60 хв.
Третя зона — зона середнього плину (10-15 км/год) довжина до 30-50 км. Час проходження хвилі 2-3 год.
Четверта зона — зона слабкого плину (розливу). Швидкість плину тут може досягати 6...10 км/ год. Довжина зони залежно від рельєфу місцевості може становити 35...70 км.
Наслідками гідродинамічних аварій є:
ушкодження і руйнування гідровузлів та короткочасне чи довгострокове припинення виконання ними своїх функцій;
ураження людей і руйнування споруд хвилею прориву;
затоплення великих територій.
Найтяжчими наслідками супроводжуються ГДА, що викликають катаст-рофічні затоплення. НС, викликану ГДА, за рівнем, як правило, відносять до регіонального або державного.
Масштаби наслідків ГДА залежать від параметрів і технічного стану гідро-вузла, характеру і розмірів руйнувань греблі, обсягу запасів води у водосхо-вищі, характеристик хвилі прориву і катастрофічної повені, рельєфу місцевості, сезону і часу доби події, багатьох інших факторів.
В результаті великих ГДА переривається подача електроенергії в енер-гетичні системи, припиняється функціонування іригаційних та інших водо-господарських систем, а також об’єктів ставкового рибного господарства, руйнуються чи опиняються під водою населені пункти і промислові підпри-ємства, виводяться з ладу комунікації й інші елементи інфраструктури, гинуть посіви і худоба, виводяться з господарського обороту сільськогосподарські угіддя, порушується життєдіяльність населення і виробничо-економічна діяль-ність підприємств, втрачаються матеріальні, культурні та історичні цінності, наносяться великі збитки природному середовищу, в тому числі в результаті змін ландшафту, гинуть люди. Вторинними наслідками ГДА є забруднення во-ди і місцевості речовинами зі зруйнованих (затоплених) сховищ, промислових і сільськогосподарських підприємств, масові захворювання людей і сільськогос-подарських тварин, аварії на транспортних магістралях, зсуви й обвали. Довго-строкові наслідки ГДА пов’язані із залишковими факторами затоплення — наносами, забрудненнями, зміною елементів природного середовища.
В цілому наслідки характеризуються величиною збитків, які наносяться народному господарству і населенню. Прямі збитки, обумовлені руйнуваннями й іншими безпосередніми втратами в результаті гідродинамічних аварій, і непрямі збитки, пов’язані з порушенням нормальної господарської діяльності, становлять 70 % і 30 % від загальних збитків відповідно.
Змішаними природно-техногенними чинниками щодо виникнення НС через гідродинамічну небезпеку є ГТС (дамби, водосховища, греблі, мости тощо), які можуть зазнати руйнувань внаслідок значних паводків, великої кількості опа-дів, селевих потоків, а також через неякісний стан водозахисних або водозбері-гаючих споруд. Додатковим фактором ризику збільшення негативних наслідків, зростанням збитків під час виникнення надзвичайних ситуацій внаслідок ГДА є масове безсистемне будівництво в паводконебезпечних зонах. В Україні не існує жодної території, де б не відчувався час від часу негативний вплив цих чинників (за останні 20 років від 1 до 14 разів території областей країни потерпали від негативного впливу вод річок, озер, ставків).