Гідродинамічні аварії. Методика оцінки інженерного cтану при них і заходи захисту населення та території

Гідротехнічна споруда - об'єкт господарювання, який знаходиться поблизу водної поверхні і призначений: для використання кінетичної енергії води, що рухається, з метою перетворення її в інші види енергії; охолодження відпрацьованого пару ТЕС і АЕС; захисту прибережної території від води; забору води для зрошення і водозабезпечення; осушення; рибозахисту; регулювання рівнів води; забезпечення діяльності річкових і морських портів, суднобудівельних і судноремонтних підприємств, судноплавства; підводного видобування, зберігання і транспортування, корисних копалин (нафти та газу).

До основних гідротехнічних споруд відносяться: греблі, водозабірні і водоскидні споруди (шлюзи), загати, дамби.

Гребля - гідротехнічна споруда або природні утворення, які обмежують стік води, створюють водосховища і різницю рівнів води уздовж русла річки.

Гідродинамічні аварії – це події, пов’язані з виходом із ладу (руйнуванням) гідротехнічного спорудження або його частини, та некерованим переміщенням великих мас води, що спричиняють руйнування та затоплення значних територій.

Гідродинамічно небезпечний об'єкт – штучна споруда або природні утворення, які створюють різницю рівнів води до і після нього.

Чинниками гідродинамічної небезпеки (порушення стану гідротехнічних споруд) можуть бути як техногенні (наприклад, руйнування дамб через зменшення їх міцності), так і гідрометеорологічні фактори (сильні зливи, паводки). Руйнування (прорив) гідротехнічної споруди виникає внаслідок дії сил природи (землетрус, буревій, розмив дамби, греблі) або діяльності людини, а також через конструктивні дефекти або помилки проектування. Основним чинником гідродинамічної небезпеки останніх років залишається стан гідротехнічних споруд - гребель, дамб, шлюзів, тобто інженерних споруд, за допомогою яких створені та утримуються певні об'єми води.

Основним наслідком прориву греблі при гідродинамічних аваріях є катастрофічне затоплення місцевості.

Катастрофічне затоплення характеризується:

– максимально можливими висотою та швидкістю хвилі прориву;

– розрахунковим часом приходу гребеня і фронту хвилі прориву у відповідний створ;

– кордонами зони можливого затоплення;

– максимальною глибиною затоплення конкретної ділянки місцевості;

– тривалістю затоплення території.

Катастрофічне затоплення поширюється зі швидкістю хвилі прориву від 3.0 до 25 км/год та призводить до затоплення великих територій шаром води від 0.5 до 10 м і більше. Утворюються зони затоплення.

Зоною можливого затоплення при руйнуванні гідротехнічних споруд називається частина прилеглої до річки (озера, водоймища) місцевості, затоплена водою.

Зона катастрофічного затоплення – частина зони можливого затоплення, у межах якої поширюється хвиля прориву, яка викликає масові втрати людей, руйнування будинків і споруд, знищення матеріальних цінностей.

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 гідровузла, а також від гідрологічних і топографічних особливостей місцевості.

Зони можливих, у тому числі катастрофічних, затоплень і характеристики хвилі прориву відображаються на картах і в спеціальних атласах, які складаються заздалегідь на стадії проектування гідротехнічного об'єкта.

2.1. Основні чинники гідродинамічної небезпеки в Україні

В Україні налічується 63119 річок, у тому числі великих (площа водозабору понад 50 тис. км²) - 9; середніх (від 2 до 50 тис. км²) - 81 і малих (менше, як 2 тис. км²) - 63029. Загальна довжина річок становить 206,4 тис. км, 90% припадає на малі річки.

Усунення територіальної і часової нерівномірності розподілу стоку водозабезпечення на території України здійснюється за допомогою 1160 водосховищ (загальним об'ємом майже 55 км³), понад 28 тис. ставків, 7 великих каналів (загальною довжиною 1021 км та пропускною здатністю 1000 м³/с), 10 великих водоводів, якими вода подається у маловодні райони.

Найбільшу потенційну гідродинамічну небезпеку для населення і навколишнього середовища може становити каскад Дніпровських водосховищ (Київське, Канівське, Кременчуцьке, Дніпродзержинське, Дніпровське, Каховське водосховища), параметри якого подані у табл. 5,Дністровський та Південно-Бузький каскади гідроспоруд, а також хвостосховища та шламонакопичувачі великих підприємств.

Таблиця 5

Параметри водосховищ Дніпровського каскаду ГЕС

і зон можливого катастрофічного затоплення

№ пп	Найменування параметрів водосховищ, гребель і зон можливого затоплення	Київ-ська ГЕС	Канів-ська ГЕС	Кремен-чуцька ГЕС	Дніпро-дзержи-нська ГЕС	Дніп-ровсь-ка ГЕС	Кахов-ська ГЕС
А. Греблі і водосховища
1.	Відстань між осями гребель, км	-
2.	Об’єм водосховища, км3	3,7	2,6	13,9	2,4	3,3	18,2
3.	Площа дзеркала, км2
4.	Довжина водосховища, км
5.	Глибина максимальна, м	14,5	21,0	20,0	16,0	53,0	22,0
6.	Протяжність гребель, км	40,9		10,7	8,1		3,2
7.	Ширина гребня греблі, м
Б. Зони затоплення
8.	Площа затоплення, км2	150,0	335,0	2250,0	840,0	342,0	640,0
9.	Можливе затоплення населених пунктів, од
10.	Чисельність населення, яке мешкає у зоні затоплення, тис.чол.	590,8	73,0	540,0	363,0	195,0	101,0

Будівництво малих ГЕС в Україні, в основному, здійснювалося наприкінці 40-х, а також у 50-х роках. По завершенні цього періоду кількість ГЕС сягала близько 900 одиниць. Проте поступово більшість малих ГЕС припинила свою роботу. Нині загальна кількість працюючих ГЕС в Україні становить близько 50 одиниць.

У комплексі водозахисних споруд країни налічується 3,5 тис. км дамб, 1,2 тис. км берегоукріплення, понад 600 насосних та компресорних станцій для перекачування надлишків води. Через певний брак коштів на їх експлуатацію та ремонт вони нерідко втрачають надійність, що посилює загрозу виникнення надзвичайних ситуацій.

Виникнення катастрофічних затоплень на території країни можливо в результаті руйнування гребель, дамб, водопропускних споруд на 12 гідровузлах та 16 водосховищах річок Дніпро, Дністер, Південний Буг, Сіверський Донець. Їх загальна площа може досягнути 8294 км², до якої потрапляють 536 населених пунктів та 470 промислових об'єктів різноманітного призначення. В Україні побудовано близько 1 тис. водосховищ об'ємом більше 1 млн. м³ і площею водного дзеркала біля 1 млн. га та 24 тис. ставків. Більшість гребель земляні (з місцевих матеріалів або намивні). Характерним для катастрофічного затоплення при руйнуванні гідроспоруд є значна швидкість розповсюдження (3-25 км/год.), висота (10-20 м) та ударна сила (5-10 т/м²) хвилі прориву, а також швидкість затоплення всієї території. Катастрофічне затоплення місцевості може виникнути внаслідок руйнування значних гідротехнічних споруд. Наприклад, у разі руйнування гребель на всіх гідроспорудах Дніпровського каскаду територія катастрофічного затоплення складає біля 700 тис. га з населенням майже 1,5 млн. осіб. Може бути виведено з ладу 270 промислових підприємств, 14 електростанцій, 2000 км ліній електропередач, численні мережі та споруди газового та водного постачання багатьох міст.

2.2. Прогнозування параметрів прориву греблі гідротехнічних споруд

Прогнозування часу прориву природних гідротехнічних споруд базується на прогнозі підйому рівнів води до 80-85% висоти перемички водосховища з урахуванням прогнозу найближчої метеостанції.

З метою завчасного планування проведення рятувальних та інших невідкладних робіт в зонах катастрофічного затоплення внаслідок можливого прориву гребель (штучних і природних) виконується завчасне прогнозування можливих хвиль прориву та розмірів катастрофічного затоплення.

Вихідними даними для проведення необхідних розрахунків є:

- відстань створу, який розглядається, від греблі (L, км);

- приведений розмір прориву (В = 1; 0,5; 0,25);

- схил водної поверхні (і);

- висота ділянки (h_м, м);

- максимальна висота затоплення ділянки місцевості по створу (h_з, м);

- висота прямокутника, еквівалентного по площі змоченому периметру в створі при максимальній глибині затоплення (h_ср, м);

- висота греблі (Н, м).

Розрахунки максимальної висоти хвилі прориву, максимальної швидкості потоку, середньої швидкості потоку води в точці створу та тривалості затоплення території здійснюється за допомогою формул і таблиць.

В результаті розрахунку повинні визначатися: максимальна висота хвилі прориву (h); максимальна швидкість потоку (V); середня швидкість потоку води у створі, який розглядається (V_ср); тривалість затоплення території (t); час приходу гребеня хвилі прориву (t_гр); час приходу фронту хвилі прориву (t_фр).

Послідовність розрахунку:

1. Визначення висоти і швидкості хвилі прориву:

, м , м/с (4)

де: А₁, B₁, A₂, B₂ - коефіцієнти апроксимації, які залежать від висоти греблі (Н) - гідравлічною схилу водної поверхні (i) і розмірів очікуваного прориву (В) - значення коефіцієнтів наведені у табл. 6.

Таблиця 6

Коефіцієнти апроксимації

В

Н, м

Значення коефіцієнтів при схилах

i = 1·10 -4

i = 5·10 -4

i = 1·10 -3

А1

В1

А2

В2

А1

В1

А2

В2

А1

В1

А2

В2

0,5

0,25

2. Визначення середньої швидкості потоку води:

V _ср= , м/с (5)

де: n_э – еквівалентний коефіцієнт шорсткості по створу

n _э= , м/с (6)

3. Визначення часу затоплення території:

t _зат = β (t _гр - t _ф) (1 - h _м / h), (7)

де: h_m — висота ділянки місцевості від рівня моря у річці в межень, м;

β — коефіцієнт, який залежить від висоти греблі, гідравлічного схилу і інших параметрів. Значення коефіцієнта W визначається за допомогою табл. 7.

Таблиця 7

Значення коефіцієнта β

· L: H	Висота греблі в долях від середньої глибини ріки в нижньому б'єфі (hо)
Н = 10 ho	Н = 20 ho
0,05	15,5	18,0
0,1	14,0	16,0
0,2	12,5	14,0
0,4	11,0	12,0
0,8	9,5	10,8
1,6	8,3	9,9
3,0	7,9	9,6
5,0	7,6	9,3

Величини t_гр і t_фр визначаються за допомогою табл. 8.

Таблиця 8