Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях Павловской ГЭС

результате подтопления их водохранилищем;

изменение качества вод (содержание растворенного кислорода, эвтрофикация и т.д.);

изменение термического и ледового режимов;

аккумуляция в донных отложениях токсичных веществ;

изменение уровневого и скоростного режимов;

отчленение плотиной нерестилищ проходных и полупроходных рыб.

В нижнем бьефе:

переосушение поймы в результате изменения водного режима;

изменение качества вод;

увеличение эрозионной способности благодаря осветлению воды в верхнем бьефе;

изменение термического и ледового режимов;

уменьшение частоты формирования руслоформирующего и поймоформирующего расходов;

изменение местных климатических условий (увеличение влажности, скорости ветра и т.п.).

Таким образом, при строительстве водохранилища для минимизации негативного воздействия на природную среду необходимо использовать критерии для выбора места для постройки (такие как коэффициенты использования земельной площади водохранилищем, расширения водной поверхности, падения растворенного кислорода в водохранилище во все месяцы года, коэффициент эвтрофирования, мелководности, термической стратификации, водообмена, выравнивания максимального расхода воды, экологический сток или экологически необходимые расходы и уровни воды во все фазы водного режима в годы различной обеспеченности, коэффициент развитости поймы). [10], [23, с. 75-76].

1.6 Контроль, безопасность, законодательство (по зарубежным и российским примерам)

Аварии, произошедшие во многих странах, стимулировали принятие законодательных мер по безопасности плотин, включающих постоянные наблюдения за состоянием объектов, контроль за соблюдением норм и правил эксплуатации, выявление и устранение повреждений, выполнение в срок профилактических ремонтов, проведение регулярных инспекций (не реже одного раза в 5 лет).

Во Франции с 1966 г. все плотины, выше 20 м и образующие водохранилище объемом более 15 млн. куб. м, поставлены под особый контроль государства. Кроме обычных мер, обеспечивающих безопасность гидротехнических сооружений, контроль предусматривает испытания водосбросных устройств и полное опорожнение водохранилища один раз в 10 лет.

В Швейцарии система контроля, принятая в 1957 г., обеспечивает наблюдение за всеми плотинами выше 10 м, за плотинами высотой 5-10 м, образующими водохранилища объемом более 50 тыс. куб. м, и за плотинами ниже 5 м, если их разрушение представляет опасность для территорий в нижних бьефах.

В большинстве штатов США законодательство по безопасности плотин было принято в последнее десятилетие. В соответствии с законом инспекции подлежат все русловые плотины высотой более 1,83 м с водохранилищами объемом 61 667 куб. м, или высотой более 4,57 м с водохранилищами объемом 18 500 куб. м. В 1963 г. после аварии на плотине Болдуин Хиллз закон был распространен и на все плотины наливных водохранилищ.

Разрушение плотины Тетон в 1976 г. так всколыхнуло американскую общественность, что вопросом безопасности гидросооружений заинтересовался президент США Джимми Картер. Его интерес еще более усилился после аварии во время урагана на небольшой частной плотине (ноябрь 1977 г.) в его родном штате Джорджия, в результате чего погибли 38 человек. Был созван специальный Межведомственный совет по безопасности плотин, в состав которого вошли федеральные агентства, занимающиеся проектированием, строительством и эксплуатацией этих сооружений.

В 1979 г. Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям опубликовало «Директивы по безопасности плотин». Наиболее важной частью этого документа является раздел, в котором детально расписаны планы действий во время аварийных ситуаций. Они включают:

анализ причин и способов разрушения плотины (постепенное или внезапное),

восстановительные работы (меры по возмещению ущерба),

карты затоплений,

оповещение и предупреждение властей и населения,

планы эвакуации.

В России в 1997 г. вступил в силу Федеральный закон «О безопасности гидротехнических сооружений», предусматривающий не только меры, осуществляемые и контролируемые государством, но и порядок обеспечения безопасной эксплуатации сооружений их собственниками и эксплуатирующими организациями. Обязательным является выполнение диагностического контроля за состоянием гидротехнических сооружений, их оснований с применением современной контрольно-измерительной аппаратуры и компьютерных систем мониторинга.

Аварийное состояние многих гидротехнических объектов вызвало повышенное внимание со стороны водохозяйственных органов. Ведомства приняли конкретные шаги, обеспечивающие нормальное функционирование подпорных сооружений. В ежегодных отчетах МЧС России стали отмечаться наиболее опасные ситуации на гидросооружениях, обнародован справочный материал «Об экологических угрозах, связанных с техническим состоянием гидроузлов России».

Для совершенствования систем контроля за опасными проявлениями стихийных и антропогенных факторов при эксплуатации гидросооружений Министерством топлива и энергетики и его подразделениями созданы комиссии. Образован Межведомственный комитет по контролю за их состоянием, в который вошли представители Минтопэнерго, Минприроды и МЧС, а в РАО «ЕЭС» функционирует Главный Энергонадзор.

Как показывает практика, ущерб от аварий во много раз превышает стоимость сооружения. В то же время контроль, хотя бы в объеме 1-2 % его стоимости, значительно снижает вероятность аварий. Вот почему за состоянием плотин, шлюзов, дамб и других устанавливается жесткий мониторинг. Он подразумевает систему мер по наблюдению, оценке, контролю и управлению за состоянием гидротехнических объектов в целях предотвращения или уменьшения вероятности аварий и их катастрофических последствий. Эта система должна включать и фундаментальные исследования, в том числе:

новые разработки по прогнозированию факторов риска, меры по соблюдению норм безопасности, корректировку инженерных решений на всех этапах создания и эксплуатации гидроузлов;

разработку системы по раннему оповещению и защите населения, природных и хозяйственных объектов от катастроф;

обучение населения поведению и действиям при авариях;

разработку сценариев реагирования во время и после катастроф;

оказание помощи пострадавшим;

ликвидацию последствий. [1, с. 7-8]

2. Описание предприятия

2.1 Общие сведения по Павловской ГЭС

Гидротехнические сооружения Павловской ГЭС расположены правом притоке реки Белой - на реке Уфе, и находятся в 177 км выше по течению г. Уфы. [13, с. 8]. Согласно [14, с. 71], можно привести некоторые параметры водотока (реки Уфы):

«Площадь водосброса – 46 500 кв. км. Среднемноголетний сток – 10,5 куб. км. Среднемноголетний расход – 336 куб. м/сек. Максимально наблюденный расход – 4 800 куб. м/сек (май 1979 г.). Расчетный максимальный расход воды обеспеченностью

0,1 % - 8 050 куб. м/сек (основной расчетный случай);

0,1 % - 8 200 куб. м/сек (проверочный расчетный случай);

1,0 % - 6 140 куб. м/сек;

5,0 % - 4 880 куб. м/сек;

10,0 % - 4 300 куб. м/сек.

Средний расход летней межени – 285 куб. м/сек. Средний расход зимней межени – 125 куб. м/сек.»

Павловская ГЭС является филиалом ОАО «Башкирэнерго». Генеральным директором ОАО «Башкирэнерго» является Салихов А. А. Главным инженером – Пискунов А. А.

Полный почтовый адрес Павловской ГЭС: 452432, Республика Башкортостан, Нуримановский район, пгт. Павловка. Телефон: (3472) 31-54-95, 29-37-73. E-mail: postmasterpges bashen.elektra. Директором Павловской ГЭС является Можаев Борис Иванович, главным инженером – Садретдинов Флюр Альмухаматович.

Строительство Павловской ГЭС началось в 1950 г. и осуществлялось УфаГЭСстроем по проекту Московского отделения «Гидроэнергопроекта» («Мосгидэп»). 24 апреля 1959 г. состоялась приемка в эксплуатацию первой очереди электростанции, а приемка полностью законченного строительством гидроэнергетического узла в эксплуатацию государственной комиссией состоялась уже в июне 1961 г. [13, с. 8-9].

Все гидросооружения по ГОСТ 3315-46 отнесены ко второму классу.

Тип гидроэлектростанции – русловая. Расчетный напор – 22,00 м. Расчетный расход через один гидроагрегат (4 шт.) – 221 куб. м / с. Установленная мощность ГЭС – 166,4 МВт. Среднемноголетняя выработка электроэнергии – 590 млн. кВт*ч.

В состав гидроузла входят:

здание ГЭС совмещенное с водосливом;

подводящий канал;

отводящий канал;

глухие русловая и левобережная грунтовые плотины

шлюз – водосброс, находящийся на балансе Павловского района гидросооружений

водохранилище.

Длина напорного фронта гидротехнических сооружений – 810 м.

Расчетный сбросной расход воды через водопропускные сооружения при нормальном (НПУ=140, 00) – 6515 куб. м/сек и форсированном (ФПУ=142, 00) – 8035 куб. м/сек подпорных уровнях соответственно. Максимальный сбросной расход через гидроузел, определенный Правилами эксплуатации Павловского водохранилища (1995 г.), составляет 8050 куб. м/сек. [13, с. 9-10; 14, с. 1-2].

Сведения по структуре и размещению персонала Павловской ГЭС.

Согласно [13, с. 10], «для Павловской ГЭС, как филиала Башкирского акционерного общества энергетики и электрификации «Башкирэнерго», предусмотрено следующее распределение и размещение штатов (по состоянию на 1 апреля 1999 г.) »:

№№ п.п.	Перечень рабочих мест	Количество штатных единиц
1	Управление	27 человек
2	Электротехнический цех	37 человек
3	Гидротурбинный цех	49 человек
4	Транспортный цех	35 человек
5	Ремонтно-строительный цех	28 человек
	ВСЕГО	176 человек

2.2 Сооружения ГЭС

Тип плотины – водослив с широким порогом, водобоем, рисбермой, подводящим и отводящим каналами. Материал – железобетон. Грунты основания – разборная скала (известняки). Основные размеры плотины:

длина по гребню – 119,0 м;

ширина по гребню – 30,0 м;

ширина по подошве – 67,0 м;

отметка гребня – 144,50 м;

отметка порога водослива – 127,70 м.

Количество пролетов – 4 шт. Ширина пролета – 16 м.

Максимальный напор на плотину (при НПУ=140,00) – 33,25 м.

Расчетные расходы через водосливные отверстия: пропускная способность одного отверстия при НПУ (НПУ=140,00) – 1150 куб. м/сек (4600 всех отверстий), при ФПУ (ФПУ=142,00) – 1350 куб. м/сек (5400 всех отверстий).

В состав ГТС Павловской ГЭС входят здание ГЭС совмещенное с водосливом, подводящий и отводящий каналы, глухие русловая и левобережная грунтовые плотины, шлюз-водосброс, водохранилище.

Водохранилище.

Водохранилище Павловского гидроузла расположено на территории четырех районов: Караидельском, Покровском, Нуримановском и Аксинском. Водохранилище образовано в долинах реки Уфы и ее притоках: Юрюзань, Урюш, Тюй, Байки и других.

Основные показатели водохранилища [13, с. 17-19]:

№№ п.п.	Характеристики	Значения
1	Отметка нормального подпорного уровня (НПУ)	140
2	Отметка форсированного подпорного уровня (ФПУ)	142
3	Отметка уровня мертвого объема (УМО)	128,5
4	Площадь зеркала при НПУ, кв. км	115,9
5	Полный объем, млн. куб. м при НПУ
	* по проекту (1960 г.)	1410
	* по данным съемки 1997 г.	1410
6	Полезный объем, млн. куб. м
	* по проекту (1960 г.)	895
	* по данным съемки 1997 г.	895
7	Характер регулирования бытового стока реки	суточный недельный сезонный

Водоподпорные сооружения – земляные плотины: русловая и левобережная.

Русловая грунтовая плотина намывная с ядром.

Материалы плотины:

ядро – мелкозернистый песок;

боковые призмы – аллювиальные отложения на известняках.

Длина по гребню – 232,0 м.

Ширина по гребню – 8,0 м. Ширина по подошве – 250,0 м.

Наибольшая высота – 43,0 м.

Максимальный напор на плотину – 35 м.

Отметки гребня – 143,0-144,5.

Противофильтрационные устройства:

ядро по оси плотины;

над ядром возведена буробетонная стенка;

двухрядная цементационная завеса в основании.

Левобережная плотина насыпная, укатанная, из местных материалов (суглинки).

Длина по гребню – 397,0 м.

Ширина по гребню: от 8,0 м до 40 м (в примыканиях к зданию ГЭС).

Ширина по подошве – 250 м.

Наибольшая высота – 46,0 м.

Максимальный напор на плотину – 35 м.

Отметки гребня – 143,0-144,5.

Противофильтрационные устройства: цементационная завеса, смещенная от оси плотины в сторону НБ на 5,1 м.

Дренажные устройства: в основании лоток с выпуском воды в отводящий канал. [13, с. 14-16].

Здание ГЭС.

Здание электростанции разделено на две секции, в каждой из которых расположено по два гидроагрегата и два водосливных пролета.

Надводная часть здания выполнена из железобетона с машинным залом гидроэлектростанции. Основные размеры надводной части, м:

длина – 120,0

ширина по верху – 30,0, по низу – 67,0

высота – 40,0.

В щитовом отделении верхнего бьефа размещены пазы сороудерживающих решеток.

Подводная часть здания выполнена из железобетона и конструктивно представляет собой монолитную фундаментную плиту. В фундаментной плите располагается 3 потерны (цементационная, водоприемная, служебная) и 4 отсасывающие трубы.

Противофильтрационные устройства: понур перед зданием ГЭС – железобетонная плита длиной 16 м, цементационная завеса глубиной 56 м.

Основные размеры подводной части, м:

длина – 123,0

ширина – 67,0

высота – 13,5.

Здание гидроэлектростанции сопрягается в верхнем бьефе гидроузла с левобережной грунтовой плотиной. Грузоподъемное оборудование для обслуживания механического оборудования здания ГЭС со стороны верхнего бьефа – 2 крана (150 т), со стороны нижнего бьефа – 1 кран (150 т).

Подводящий канал ограничен левобережной подпорной стенкой пирсом шлюза. Длина – 80 м, ширина – 79 м.

Отводящий канал.

Отметки уровней НБ:

наивысшего – 114,80 при Q=5250 куб. м / с;

наинизшего – 106,75 при Q=160 куб. м / с.

Канал общей длиной 300 м, состоит из 2-х участков: 100 м первый и 200 м второй.

Судоходный шлюз-водосброс.

Шлюз – водосброс, шахтного типа, находящийся на балансе Павловского района гидросооружений может служить, как для целей судоходства, так и для пропуска катастрофического паводка.

Число камер – 1.

Размеры камеры:

длина – 120 м;

ширина – 15 м.

Строительная высота – 44,5 м.

Глубина воды на короле – 1,75 м.

Система питания – через продольные галереи с поперечными выпусками.

Объем воды сливной призмы – 57 600 куб. м.

Пропускная способность при пропуске катастрофического паводка – 1410 куб. м/с.

Правая стенка камеры шлюза является упором русловой плотины, левая – общая со зданием ГЭС. Оборудование по маневрированию затворами со стороны ВБ и НБ находится в помещениях нижней и верхней голов шлюза.

В настоящее время однокамерный шлюз Павловского гидроузла является самым высоконапорным (32,9 м) в Российской Федерации. [13, с. 11-19].

Сведения о границах и размерах территории Павловской ГЭС, границах запретных и санитарно-защитных зон.

Длина напорного фронта гидротехнических сооружений Павловской ГЭС составляет 810 км. Подпор от Павловского гидроузла распространяется по водохранилищу на 150 км.

Запретной зоной Павловской ГЭС, которая огорожена и охраняется, является вся территория комплекса гидротехнического узла.

В соответствии с «Положением о водоохранных зонах водных объектов и их прибрежных защитных полосах», утвержденным Постановлением Правительства РФ от 23 ноября 1996 г №1404, минимальная ширина водоохранной зоны

реки Уфы на участке расположения гидроузла, составляет 300 м;

Павловского водохранилища составляет 55 – 100 м (в зависимости от крутизны склонов бортов водохранилища и вида угодий).

По Акту отвода земель №93 утвержденному Постановлением главы администрации Нуримановского района от 07.03.95 Дирекции Павловской ГЭС предоставлено в пользование

18,0 га земли под территории станционного узла с хоздвором и здания управления;

1184 га – площадь водного фонда;

9,08 га – под базу отдыха «Бирючево поле»;

площади производственного фонда (2,66 га) в поселке Павловка;

площади ведомственного фонда (120,8 га) в поселке Павловка. [13, с. 17-19].

3. Уязвимые места ГТС Павловской ГЭС

3.1 Краткая характеристика основных положений проекта гидротехнических сооружений

Проектирование ГТС выполнялось исходя из требований комплексного использования водных ресурсов. Выбор типа сооружений и компоновка гидроузла были произведены на основании технико-экономических показателей, разработанных с учетом:

природных условий района и места возведения сооружений (инженерно-геологических, топографических, гидрогеологических и других факторов окружающей среды);

перспективного развития энергопотребления;

изменения условий рыбного хозяйства и судоходства;

требований санитарной подготовки и санитарной охраны зоны водохранилищ;

условий производства работ, временной и постоянной эксплуатации ГТС и т.д.

При проектировании гидроузла Павловской ГЭС выбирался вариант из 4-х основных компоновочных решений:

Левобережная компоновка с водосливной ГЭС в русле реки и пятиступенчатым шлюзом.

Пойменная компоновка с водосливной ГЭС на надпойменной террасе и пятиступенчатым шлюзом.

Левобережная компоновка с водосливной ГЭС в русле реки и одноступенчатым шлюзом.

Пойменная компоновка с водосливной ГЭС на надпойменной террасе и одноступенчатым шахтным шлюзом.

Наиболее экономичным по условиям производства работ был признан 4-й вариант компоновочного решения, который представлен в следующем виде:

здание ГЭС совмещенное с водосливом расположено на надпойменной террасе реки Уфа в 20 м от старого русла;

с левой стороны к нему примыкает монтажный блок ГЭС и справа – однокамерный шлюз;

напорный фронт сооружений в левом плече завершается левобережной насыпной плотиной, а в русловой части - намывной плотиной.

Окончательная компоновка гидроузла была проверена лабораторией ВОДГЕО на жесткой модели на открытой площадке в масштабе 1:100, включающей в себя все элементы гидросооружений, а также русло и пойму реки на участке 2-5 км в районе створа.

Гидростатическое давление на плотину и давление волн учитывалось по ГОСТ 3255-46.

Давление фильтрационных вод определялось по методу, изложенному в приложении №7 к Техническим Условиям 24-104-40 Главгидроэнергостроя.

Сейсмические силы при расчёте не учитывались.

Статическое давление льда на сооружения – по ГОСТ 1664-42.

Ветровое давление – по ГОСТ 1664-42.

Нагрузки от судов – по ГОСТ 3439-46.

Расчёт общей устойчивости производился на следующие случаи работы:

на опрокидывание;

на сдвиг по основанию;

на сдвиг по криволинейным плоскостям (глубокий сдвиг);

на устойчивость грунта в основании;

на осадку основания.

Общая устойчивость проверялась на чрезвычайные (катастрофические) условия эксплуатации. Исследовался случай наиболее невыгодной комбинации сил и нагрузок.

Применялись следующие коэффициенты запаса для сооружений 2-го класса:

в нормальных эксплуатационных условиях –1,40;

для строительного случая – 1,20;

для чрезвычайных (катастрофических) условий эксплуатации – 1,10.

Гидравлические характеристики водосбросных сооружений приняты по результатам лабораторных исследований на модели гидроузла масштаба 1:100 и отдельных сооружений в масштабе 1:65. [13, с. 20-23].

3.2 Обоснование о включении Павловского гидроузла в перечень объектов электроэнергетики, на которые распространяются требования Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений»

Павловский гидроузел был запроектирован и построен в целях комплексного использования водных ресурсов реки Уфы, с учетом перспективного развития энергопотребления, водоснабжения и судоходства.

В комплекс Павловского гидроузла входят водоподпорные, водопроводящие, судоходные и другие сооружения (см. раздел 2 «Описание предприятия»), повреждения которых могут привести к возникновению чрезвычайных ситуаций, поскольку от их надежности зависит не только работа Павловской ГЭС, но и функционирование хозяйственных и промышленных объектов региона.

Ниже створа водоподпорных сооружений головного узла, в 5-10 км от створа расположены населенные пункты Красный Ключ, Нижняя Павловка, Яман-Елгинский ЛПХ, Кировка.

Учитывая вышеизложенное и во исполнение требований Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений», Павловская ГЭС была включена в перечень объектов электроэнергетики, подлежащих декларированию безопасности в 1998 году (см. совместный приказ Минтопэнерго России и МЧС России от 31 декабря 1997 г. №461/792).

Сведения о возможных материальных, социальных и экологических последствиях аварии ГТС для объектов жизнеобеспечения и хозяйственных объектов, об уровне освоения зоны расположения гидротехнических сооружений (использование территории гидротехнического сооружения и русла водотока в хозяйственных целях, наличие промышленной и гражданской застройки, затапливаемой в нижнем бьефе при образовании волны прорыва) являются секретными и имеются в ОАО «Башкирэнерго». [13, с. 30-31].

3.3 Характеристика факторов, определяющих уровень безопасности гидротехнических сооружений

Фактические условия эксплуатации ГТС удовлетворяют требованиям действующих норм и правил.

В соответствии с картами оценки сейсмического районирования (ОСР – 97), применяемым с 1998 года в качестве НТД, для района расположения Павловской ГЭС, подтверждена сейсмическая активность 5 баллов.

Селевой и оползневой опасности, в том числе опасности обрушения береговых склонов в водохранилище не имеется.

За весь период эксплуатации Павловского гидроузла максимальный расход паводка отмечался 7 мая 1979 г. и составил 4800 куб. м/сек. При этом величина приточности с большим запасом не превышала расчетные максимальные расходы обеспеченностью Р=0,1% - 8200 куб. м/сек и Р=1% - 6140 куб. м/сек.

Изменений расчетных значений механических и фильтрационных характеристик материалов сооружений и конструкций, а также свойств пород оснований не имеется.

Павловская ГЭС находится в эксплуатации свыше 40 лет. За этот период случаев аварий на ГТС зарегистрировано не было, что свидетельствует о достаточной степени надежности сооружений и приемлемых условиях эксплуатации на всех этапах деятельности структурных образований.

Показатели состояния гидротехнических сооружений соответствуют критериям безопасности, установленным для сооружений Павловской ГЭС.

Водопропускные сооружения гидроузла полностью обеспечивают пропуск паводковых расходов расчетной обеспеченности.

Гидротехнические сооружения и их механическое оборудование в целом находятся в работоспособном состоянии.

Фильтрационный режим сооружений, согласно визуальным и инструментальным наблюдениям, носит в целом установившийся характер. [13, с. 38-41].

3.4 Сведения о нарушениях, допущенных в процессе строительства и эксплуатации ГТС

Проектные решения сооружений можно считать удачными, но отступления от них при строительстве сделали эксплуатацию затруднительной в связи с необходимостью проведения значительных реконструктивных и ремонтных работ для повышения надежности сооружений.

Строительство Павловской ГЭС осуществлялось в установленном порядке, в соответствии с проектом Мосгидэпа – генерального проектировщика гидроузла. К наиболее серьезным нарушениям, зарегистрированным при строительстве гидроузла, относятся отступления от проекта, допущенные при возведении русловой плотины:

не удален аллювий (толщиной до 2-х м) под основанием плотины и плотина намыта на фильтрующее основание;

не выполнен бетонный зуб, перекрывающий аллювиальный слой и и сопрягающий цементационную завесу с ядром плотины;

не выдержаны размеры и состав ядра плотины, нет четкой границы между ядром и боковыми призмами: выше отметки 137, 00 возведение плотины продолжалось сухой отсыпкой негабаритным камнем, щебнем, гравийно-галечной смесью;

намыв между отметками 126, 00 и 132, 00 проводился в зимнее время и выполнен некачественно;

искажены проектные очертания откосов плотины, низовой откос недосыпан.

Кроме того,

Не оформлена рисберма отводящего канала.

Не укреплен левый берег отводящего канала.

Перед затоплением котлована не разобрана низовая перемычка.

В соответствии с уточненным сейсмическим районированием основные сооружения Павловской ГЭС попадают в зону пятибалльного землетрясения, проект был выполнен без учета сейсмического воздействия.

В средней части русловой грунтовой плотины на отметке 110, 00 отмечается ряд сосредоточенных выходов фильтрационных вод.

В процессе эксплуатации имели место отдельные случаи нарушений (см. раздел 5 «Сценарии возможных аварий»). [13, с. 29, 39-41].

4. Сейсмоустойчивость ГТС

Район расположения гидротехнических сооружений Павловской ГЭС отнесен к зоне пятибалльного землетрясения в соответствии с уточненным сейсмическим районированием. Поскольку основные сооружения Павловской ГЭС построены без учета сейсмического воздействия на них, а также учитывая тот факт, что при мощном сбросе воды из водохранилища в нижний бьеф существует возможность спровоцировать «местные» землетрясения силой 1-2 балла, необходимо рассмотреть сейсмоустойчивость ГТС.

4.1 Воздействие землетрясения на поверхность земли и некоторые инженерные сооружения

Общее действие землетрясений различной степени балльности на поверхность земли и некоторые инженерные сооружения следующее:

6 баллов. В немногих случаях оползни, на сырых грунтах возможны видимые трещины шириной до 1 см, в горных районах отдельные случаи оползней. Возможны изменения дебита источников и уровня воды в колодцах.

7 баллов. В отдельных случаях оползни проезжей части дорог на крутых склонах и трещины на дорогах. Нарушения стыков трубопроводов. В отдельных случаях изменения дебита источников и уровня воды в колодцах. В немногих случаях возникают новые или пропадают существующие источники воды. Отдельные случаи оползней на песчаных или гравелистых берегах рек.

8 баллов. Небольшие оползни на крутых откосах выемок и насыпей дорог, трещины в грунтах достигают нескольких сантиметров. Возможно возникновение новых водоемов. Во многих случаях изменяется дебит источников и уровень воды в колодцах. Иногда пересохшие колодцы наполняются водой или существующие иссякают.

9 баллов. Значительные повреждения берегов искусственных водоемов, разрывы частей подземных трубопроводов. В отдельных случаях – искривление рельсов и повреждение проезжих частей дорог. На равнинах наводнения: часто заметны наносы песка и ила. Трещины в грунтах достигают 10 см, а по склонам и берегам – свыше 10 см. Кроме того, большое количество тонких трещин в грунтах. Частые оползни грунтов, обвала горных пород. На поверхности воды большие волны.

10 баллов. Опасные повреждения плотин и дамб. Серьезные повреждения мостов. Искривление железнодорожных рельсов. Разрывы или искривления подземных трубопроводов. Дорожные покрытия и асфальт образуют волнообразную поверхность.

Трещины в грунте шириной несколько десятков сантиметров и в некоторых случаях до одного метра. Параллельно руслам водных потоков появляются широкие разрывы. Осыпание рыхлых пород с крутых склонов. Возможны большие оползни на берегах рек и крутых морских побережьях. В прибрежных районах перемещаются песчаные и илистые массы. Выплескивание воды в каналах, озерах, реках. Возникновение новых озер.

11 баллов. Серьезные повреждения мостов, плотин и железнодорожных путей. Шоссейные дороги приходят в негодность. Разрушение подземных трубопроводов.

Значительные деформации почвы в виде широких трещин, разрывов и перемещений в вертикальном и горизонтальном направлениях. Многочисленные горные обвалы.

12 баллов. Изменение рельефа местности. Сильное повреждение или разрушение практически всех наземных и подземных сооружений. Радикальное изменение земной поверхности. Наблюдаются значительные трещины в грунтах с обширными вертикальными и горизонтальными перемещениями. Горные обвалы и обвалы берегов рек на больших площадях. Возникают озера, а иногда и водопады. Изменяются русла рек.

При землетрясениях интенсивностью 8 и более баллов возможно возникновение пожаров, поскольку разрушаются печи, падают бытовые нагревательные приборы и происходит замыкание электропроводки. Особенно опасно образование искр от ударов или коротких замыканий в нефте- и газохранилищах.

Вторичные пожары возникают в результате повышенной плотности застройки городов, нарушения или отсутствия системы тушения пожаров, большого количества сгораемых материалов в конструкциях зданий, паники населения и неблагоприятной погоды.

Риск массовых пожаров может быть значительно снижен при заблаговременном оборудовании на объектах резервуаров с водой и современных насосных установок с электропитанием от передвижных электростанций. За рубежом практикуется применение резервуаров с водой под улицами вблизи пожароопасных объектов.

Количество вторичных пожаров при высокой плотности застройки города сгораемыми зданиями может во много раз повысить число первичных пожаров. При этом убытки от пожаров могут намного превысить убытки от механических повреждений и разрушений. [11, с. 24-26]

4.2 Наиболее распространенный характер повреждений плотин из грунтовых материалов при воздействии землетрясения

Наиболее характерный и распространенный вид повреждений – оползания откосов. Формы правления повреждения этого вида различны и зависят от особенностей конструкции и размеров сооружения, типа основания, характера сейсмического воздействия.

Учитывая накопленный опыт, все повреждения откосов целесообразно разделить на два типа:

первый, когда при подвижках материала откосов возможность возникновения явления разжижения исключена;

второй, при котором она существует и проявляется при землетрясениях.

Первый тип повреждений наиболее распространен. Повреждения низовых призм, в которых поровая вода либо отсутствует, либо имеет весьма низко расположенную кривую депрессии, всегда происходят по первому типу, независимо от крупности слагающих призму материалов. К этому же типу относятся повреждения верховых призм, если они сложены в пределах активной зоны крупнообломочным материалом, или имеют верховой экран и неводонасыщены.

Повреждения второго типа (до полного разрушения) более редки и имеют место только в верховых откосах, если они сложены мелкозернистым водонасыщенным материалом, при потере устойчивости структуры которого явление разжижения возникает.

Обрушение или оползание откосов, как правило, начинается с образования продольных трещин, с появлением которых сопротивление сдвигу боковых призм снижается. Наиболее типичными примерами повреждений плотин из грунтовых материалов из практики последних лет являются повреждения земляной плотины Чир-Юртской ГЭС (быв. СССР) высотою 37,5 м, спроектированной на 7 баллов по действовавшим тогда СН – 8 – 57 (8-ми балльное землетрясение 14 мая 1970 г.);

повреждения плотины Лоуэр Сан-Фернандо (США) высотою 43 м с проверенной расчетом сейсмостойкости (землетрясение 9 февраля 1971 г.).

Следует заметить, что каменно-набросные и каменно-земляные плотины обладают значительно более высокой сейсмостойкостью, чем земляные. Большие плотины этих типов более чем в 25 случаях испытали сильные землетрясения (8-9 баллов по шкале ММ) и ни одна из них не получила существенных повреждений, хотя незначительные в ряде случаев наблюдались.

Также, во многих источниках отмечается, что плотины из грунтовых материалов на нескальных основаниях обладают меньшей сейсмостойкостью, чем возведенные на скальных. Сильных повреждений в результате землетрясений земляные плотины на скальных основаниях обычно не получают, тогда как случаи значительных повреждений плотин, построенных на мягких грунтах, многочисленны (в виду большой деформируемости нескального основания).

Особым видом повреждений плотин из грунтовых материалов является разрушение водопропускных устройств. Примером аварии, связанной с разрушением этого вида, является авария на плотине Тарбела высотой 145 м (Пакистан, 7-ми балльное землетрясение).

Кроме повреждений, отмеченных выше, имеются другие примеры разрушений, встречающихся при землетрясениях менее часто:

осадки оснований из оттаявших грунтов, например, крупное землетрясение в мае 1964 г. вызвало оседание незамерзающих ледниковых отложений, составляющих подстилающий слой плиты водослива земляной плотины Эклуфа (США), в результате под этой частью плотины образовалась каверна;

разрушение плотин после образования трещин и последующего быстрого размыва тела плотины; такие разрушения, например, имели место в плотинах Колеман, Роджерс, Болдуин Хилз.

4.3 Повреждения бетонных плотин

Воздействие землетрясений различной интенсивности испытали более 100 плотин и гидротехнических сооружений из бетона. Известны лишь 15 случаев повреждений этих сооружений, причем более половины из них получили повреждения в виде трещин. Повреждения бетонных плотин наблюдаются лишь от землетрясений интенсивностью 7 баллов и более. Несколько водопропускных сооружений, небольшие плотины из каменной кладки, располагающиеся на мягких грунтах, были полностью разрушены сильными землетрясениями.

В общем случае наибольшей повреждаемостью обладают низкие сооружения высотой до 20 м, а также контрфорсные плотины (три из восьми были повреждены). Наиболее сейсмостойкими оказались бетонные гравитационные и арочные плотины, испытавшие сильные землетрясения интенсивностью 8-9 баллов, но не получившие значительных повреждений.

В ряде случаев землетрясения были вызваны заполнением водохранилищ (возбужденная сейсмичность), например, контрофорсная плотина Хсинфенгкьнг (КНР) – землетрясение с магнитудой 6,1.

Наиболее сильные повреждения среди высоких плотин были получены плотиной Койна (Индия), испытавшей воздействие ряда землетрясений при наполнении водохранилища.

Повреждения разделяются в основном по следующим видам:

видимые трещины (через трещины на различных уровнях плотины происходит сильная фильтрация);

повреждения и разрушения устройств (трещины на водосливе, башне, деформационных швах и др.);

местные выкрашивания и дробление бетона. [16, с. 5-21]

4.4 Плотины, испытавшие сейсмическое воздействие

Самые крупные и известные плотины, испытавшие сейсмическое воздействие, а некоторые и являющиеся причиной землетрясения, можно представить в таблице 4.4.1.[16, 17]:

Таблица 4.4.1.

Название плотины, страна	Объем водохранилища, куб. км	Высота (макс. глубина), м
Койна, Индия	2,78	103
Кариба, Замбия	175	128
Кремаста, Греция	4,75	120
Мид, США	35	142
Талбинго, Австралия	0,935	162
Хендрик - Фервурд, Южная Африка	5	66
Вайонт, Италия	150 млн. куб. м	266
Монтэнар, Франция	275 млн. куб. м	130
Гран-Валь, Франция	292 млн. куб. м	78
Нурекская ГЭС, СССР	11	250 (300)
Куробе, Япония	149 млн. куб. м	180
Уэд-Фодда, Алжир	225 млн. куб. м	89
Бенмор, Нов. Зеландия	2,04	96

4.5 Сейсмостойкость гидротехнических сооружений

В вопросе сейсмостойкости особое внимание следует уделять плотинам. Это объясняется следующими причинами:

особой важностью плотин, являющихся главнейшим средством управления реками, аккумуляции водной энергии, а также направления воды для целей водоснабжения, орошения и обводнения;

большим объемом