Прорывы плотин

Техногенные опасности

Прорывы плотин

Подготовлен GHHD — European Centre on Geodynamical Risks of High Dams (Tbilisi, Georgia) & the Editorial Board

Share on facebook
Share on twitter
Share on pinterest
Share on linkedin
Share on email

В течение следующего столетия, вода будет оставаться жизненно важным ресурсом для человеческой цивилизации. Адекватное и безопасное водоснабжение является важным для нашего здоровья, окружающей среды, общества и экономики. Два основных фактора повышают значение этого: грядущие изменения климата делают водные ресурсы более нерегулярными, тенденции к засухе требуют большего внимания хранению воды, кроме того рост населения рождает повышение спроса на бытовые, сельскохозяйственные и промышленные водные ресурсы с акцентом на использование орошения для производства продуктов питания. Таким образом, важная роль плотин на протяжении всей человеческой истории будет продолжаться и в течение 21-го века. На протяжении всей истории мира, плотины играли важную роль в хранении и управлении водными ресурсами, необходимыми для поддержания цивилизации. (Плотины и воды мира. Международная комиссия по большим плотинам, 2007).

В то же время, как и любое критическое инженерное сооружение, возведение плотин является потенциальным источником опасности: «разрушение крупных плотин может вызвать огромный ущерб для инфраструктуры, окружающей среды и общества, приведет к отступлению в развитии региона. Таким образом, безопасность плотин — это важнейшая предпосылка для устойчивого развития проектов водохранилищ или для устойчивого функционирования существующих. В самом деле, технология, которая опасна, не имеет будущего, и история строительства плотин, охватывающая более 2000 лет, показывает, что безопасность является основой устойчивого развития. Поддержание безопасность плотин требует надлежащего управления всеми элементами безопасности, в частности, технического обслуживания различных структур, восстановления выявленных недостатков и стареющих компонентов, модернизации и замены приборов, где необходимо, и периодического пересмотра концепции аварийных мер»(Виланд, 2009).

Плотины — это искусственные барьеры, которые могут содержать воду или любую жидкость для хранения или контроля уровня. Плотины известны многие тысячи лет. Они были построены ранними цивилизациями в древнем Китае, Месопотамии, Персии, Египте и Индии. Плотины, а также дайки (длинные насыпи земли), также используются для защиты мест обитания от наводнений, таким образом уменьшая опасность бедствий.

Помимо своей традиционной роли в орошении, дамбы приносят человечеству большую пользу в таких важных областях, как:

i. Водоснабжение для бытового и промышленного использования.

Надежный источник воды необходим как для поддержания существующей цивилизации, так и для ее дальнейшего развития. Плотины существенно способствуют выполнению наших требований к водоснабжению, они помогают учесть изменения в гидрологическом цикле и избежать исчезновения грунтовых вод. Плотины и водохранилища необходимы для хранения воды, а затем обеспечивают более стабильное снабжение во время дефицита воды.

ii. Удовлетворение потребностей сельского хозяйства для орошения и продовольственного снабжения.

«Пища растет там, где течет вода» — это хорошо известная поговорка во многих регионах мира. По оценкам, 80% дополнительного производства продуктов питания к 2025 году потребует орошаемых земель.

iii. Контроль наводнений.

Плотины и водохранилища могут эффективно использоваться для регулирования уровней рек и затопления вниз по течению от плотины, временно сохраняя объем воды и выпуская его позже. Снижение уровня водохранилища до сезона дождей позволяет сохранить большее количество воды и уменьшает риск наводнений.

iv. Гидроэлектроэнергия

Вода использовалась с древних времен для привода водяных колес в различных механических процессах, таких как измельчение кукурузы, распиловка древесины или на текстильных фабриках. С середины 19-го века, вода стала использоваться для производства электроэнергии. Поскольку источником энергии является вода, гидроэнергетика является возобновляемым и широко используемым источником электроэнергии. Очень важно, что это чистый источник энергии, поскольку он не включает сжигание топлива, которое может загрязнять окружающую среду.

v. Другие цели

Отдых, улучшение навигации, рыбоводство.

Плотине необходимы несколько компонент для правильной работы: резервуар (озеро), в котором хранится вода, водосброс (структура через которую поток выгружается из резервуара, чтобы предотвратить переполнение плотины), обводной канал и средства контроля. В нормальных условиях эксплуатации уровень озера управляется средством управления, которое регулирует сбросы в обводной канал, состоящий из туннеля или трубопровода с управляющими воротами. В условиях наводнений уровень воды поддерживается как водосбросом, так и обводным каналом.

Следовательно, чрезвычайной ситуацией, связанной с плотиной, является ситуация, когда основное использование плотины (а именно, сохранение воды) больше не обеспечивается.

Существует несколько различных типов плотин:

  1. насыпные плотины, построенные из земли или горных пород (75% всех дамб этого типа),
  2. гравитационные плотины, построенные из бетона, камня или другой кладки,
  3. арочные или опорные плотины.

Выбор участка и типа плотины включает детальную оценку таких факторов, как геология, топография, подстилающие породы, гидрология, сейсмические условия и потребность в строительных материалах. В узких долинах со скалистым грунтом предпочтительно строить бетонную плотину, а в широких долинах с менее твердым грунтом предпочтительны насыпные дамбы. Земляные насыпные дамбы являются наиболее распространенными типами, поскольку они частично используют материал, извлеченный из подстилающей породы.

Из-за опасности для людей, имущества, систем или других элементов в опасных зонах, могут быть потери — это рассматривается как уязвимость. Риск катастрофы — это продукт опасности и воздействия — источник человеческих и экономических потерь.

Опасность присущая большим плотинам (Risque de rupture de barrage,French Ministry of Sustainable Development, 2003).

Существуют различные типы источников опасности для крупных водохранилищ (подробный обзор можно найти в окончательном отчете, опубликованном Всемирной комиссией по плотинам в 2000 году):

  • Землетрясения
  • Оползни
  • Наводнения
  • Старение плотин и ее компонентов

Мы должны различать следующие основные типы опасностей, связанных с плотинами: сильные землетрясения, избыточные осадки или таяние снега, появление оползней, которые могут повредить систему или вызвать переполнение воды из-за падения скал или оползня в водохранилище.

Искусственные или человеческие ошибки в эксплуатации (чрезмерное выведение воды через водосброс и внезапные колебания выведения воды при эксплуатации электростанции); терроризм; ошибки на этапах проектирования или строительства; недостатки в строительных материалах; старение установок и плотины; проблемы с качеством воды в водохранилище (болезни, передающиеся через воду, ухудшение качества воды за счет органического вещества, выброс опасных веществ, отходы от аквакультур и т. д.), затрагивающие людей, рыболовство и т. д.

Естественные опасности происходят из-за естественных крупномасштабных процессов (таких как землетрясения, которые происходят из-за движения огромных тектонических плит), их невозможно (как в случае землетрясений) или очень сложно (в случае оползней и наводнений) предотвратить их.

Опасности, связанные с природной средой, зависят от места нахождения плотины, тогда как антропогенные опасности зависят в основном от действий людей и обычно не зависят от конкретного участка. В дополнение к этому существует ряд специфических для конкретного проекта опасностей, которые зависят от типа плотины, конструкции плотины, формы и высоты плотины, состояния основания, контроля просачивания, возраста плотины, объема резервуара и глубины воды и т.п.

Результатом опасного события может быть разрушение плотины и волна наводнения (последняя в основном связана либо с разрушением плотины, либо переполнением водохранилища). Необходимо также учесть различия между техническими опасностями, ожидаемыми в новом проекте, и опасностями, связанными с существующим проектом.

В мире в настоящее время около 50 000 крупных плотин с водохранилищами. Определены большие плотины: они имеют высоту более 15 метров от фундамента или, если высота составляет от 5 до 15 метров, имеют емкость водохранилища более 3 миллионов кубических метров.

Самая большая плотина в мире, в которой хранится огромный объем воды, — плотина Три ущелья (Китай):

Плотина Три ущелья (Китай)
Плотина Гувера в США и самая высокая плотина Ингури в Грузии — уникальные плотины.Плотина Гувера (слева) и Ингури (справа).

Таким образом, бедствия, связанные с большими плотинами, могут происходить повсюду в мире, где они возводятся.

Многие плотины возводятся в узких каньонах, которые, как правило, являются результатом активного тектонического движения. В свою очередь, активная тектоника означает, что площадь (и плотины) может быть подвержена воздействию землетрясений, крупных оползней и тектонической ползучести.

Большие наводнения также могут повредить плотины, как и человеческая деятельность. Например, в Вайонте (Италия) произошла крупная катастрофа из-за оползня, разрушение плотин имело место во время Второй мировой войны в Германии, а ряд дамб разрушились в Индии и Китае из-за больших наводнений.

Однако сегодня существует ряд новых проектов с гораздо большим потенциалом разрушений, чем упомянутые выше плотины. Из-за роста населения, экономического развития и т. д. риски неуклонно растут, а безопасность остается неизменной.

Причины наибольших аварий с плотинами до 2000 года представлены в следующей таблице:

Разрушение плотины Ши-Кан из-за землетрясения Чи-Чи 1999 (Китай)
Разрушение плотины из-за землетрясения в Сан-Фернандо 1971 года.

С 2000 года произошло несколько крупных аварий с плотинами во всем мире:

  • Чрезвычайные осадки во время европейских наводнений 2002 года повредили плотину в Собенове (Чешская Республика)
  • Неожиданно сильный дождь в 2005 году повредили плотину Шакидор (Пакистан)
  • Ошибка компьютера / оператора (датчики, предназначенные для заполнения плотины, не работали и плотина продолжала заполняться) в 2005 году привели к повреждению плотины Лестервиля (Миссури, США)
  • Плохое обслуживание и тяжелые муссонные дожди в 2009 году привели к повреждению резервуара Таим Сук в Тангеранге, Индонезия
  • В 2009 году авария турбины привели к повреждению Саяно-Шушенской плотины, Россия

Разрушение плотин имеет целый ряд последствий и создает новые виды опасностей, таких как экологические, экономические, социальные, социально-экономические, политические, культурные, расселение коренных народов и т. д.

Повреждение плотин приводит, как правило, к большим человеческим потерям, потому что область ниже плотины имеет высокую плотность населения. В приведенной ниже таблице упоминаются некоторые связанные с плотинами чрезвычайные ситуации с наибольшими человеческими потерями:

Воздействие разрушения плотин на окружающую среду может быть значительным: паводковые воды могут покрывать большие площади, разрушая естественные условия для растений и фауны. Должны быть предусмотрены оперативные правила регулирования потоков вниз по течению в критические моменты для защиты среды обитания.

Экологические опасности, связанные с возведением плотины в речном бассейне, еще более серьезны, поскольку могут затронуть естественный водный цикл. Поэтому при разработке проекта следует принять предупредительные меры:

  • растительность в зоне затопления должна быть расчищена,
  • конструкция должна оптимизировать температуру и качество воды ниже по течению для сохранения естественных условий,
  • должны быть реализованы меры по обеспечению миграции рыбы и других водных организмов.

Такие чрезвычайные ситуации также вызывают большие социально-экономические потери: потеря собственности, потеря производства, потери из-за отсутствия водохранилища, безработица, замедление экономического развития и т. д.

Могут возникнуть и другие последствия, такие как нехватка воды для ирригационных и бытовых целей, политические беспорядки и т. д. Памятники культурного наследия также могут быть повреждены из-за сильной волны паводков.

Наконец, создание резервуара может также вызвать землетрясения из-за дополнительного давления воды на земную кору или увеличение порового давления в породах; этот эффект (сейсмичность, вызванная резервуаром) может быть определен как инициирование естественного события путем вмешательства человека.

Природные опасности вызваны крупномасштабными процессами, и очень трудно предотвратить опасные последствия для плотин. Единственный реальный метод снижения риска бедствий — это проектирование плотины таким образом, чтобы они могли противостоять или уменьшать воздействие разрушительных природных сил. В случае землетрясения это делается путем детального изучения строительной площадки — активных разломов, их сейсмического потенциала, периода повторения землетрясений, геотехнических свойств участка и возведения конструкции, чтобы она выдерживала сейсмическое встряхивание без существенного ущерба.

В отличие от крупномасштабных стихийных бедствий, антропогенные опасности могут быть уменьшены путем своевременного вмешательства. Например, хорошая сеть мониторинга в реальном масштабе времени, измеряющая плотину и деформации фундамента, может сигнализировать о том, что деформации в системе близки к теоретически прогнозируемым критическим значениям, оцененным в процессе проектирования плотины. В этом случае рабочий персонал плотины может принять меры, чтобы уменьшить скорость деформации.

Одной из важных опасностей, для плотины, связанной с деятельностью человека, является сейсмичность, вызванная весом воды в водохранилище (reservoir-induced seismicity — RIS). Существуют две основные модели RIS:

  • i. прямое воздействие веса воды водохранилища на земную кору;
  • ii. увеличение порового давления жидкости в пористой геологической формации.

В первом случае нагрузка может вызывать напряжение на некоторых типах тектонических разломов, тем самым уменьшая сопротивление трения для тектонических напряжений и облегчая скольжение вдоль разлома, то есть инициируя землетрясение.

Во втором случае сопротивление трения уменьшается из-за увеличения порового давления. По мере того как давление воды в порах горных пород увеличивается, оно «смазывает» плоскости скольжения. Это активирует повреждения, которые уже находятся под тектоническим напряжением, но не могут скользить вследствие трения поверхностей горных пород.

Пока неясно, можно ли прогнозировать RIS с достаточной точностью, необходимой для проведения активных действий.

В приведенной ниже таблице представлены основные опасности и соответствующие защитные меры:

(A) Внутреннее предупреждение, вызванное необычной ситуацией, может управляться и контролироваться персоналом плотины.

(B) Развивающаяся ситуация, когда наблюдаемый инцидент, очевидно, имеет тенденцию превратиться в серьезную угрозу безопасности плотины и населения ниже по течению. На этом этапе пока неизвестно, может ли ситуация быть под контролем.

(C) Неизбежная ситуация, когда стало ясно, что прогресс инцидента или угрозы не может быть прекращен, но его последствия могут быть смягчены, например, эвакуацией населения.

Самая важная задача заключается в защите людей и предотвращении их гибели; поэтому главное — иметь безопасные плотины. Все другие вопросы гораздо менее актуальны, если жизнь людей не подвергается опасности. Вот почему при проектировании и эксплуатации плотин следует учитывать все возможные опасности.

С помощью полноценной действующей системы охранной сигнализации и аварийного планирования потери жизни могут быть сведены к минимуму в случае разрушения плотины.

Таким образом, опасность, связанная с плотиной, может быть уменьшена путем наблюдения за безопасностью:

  • регулярный визуальный осмотр поверхностей плотины, фундамента, водохранилища и других приспособлений;
  • непрерывный инструментальный мониторинг плотины и фундамента.

В 1970-е годы трудоемкое ручное получение и обработка инструментальных данных было улучшено разработкой цифровых регистраторов, хранением данных и компьютерами. Последний шаг в автоматизации систем мониторинга был сделан недавно через телеметрические системы для удаленного сбора инструментальных данных- Автоматические системы сбора данных (ADAS). Идея использования систем мониторинга для оценки безопасности плотин заключается в том, что непрерывный мониторинг позволяет выявлять отклонения деформаций (наклонов) в корпусе плотины и ее фундаменте от значений, обеспечивающих стабильность и рассчитанных теоретически при проектировании плотины.

Тренировка по управлению чрезвычайными ситуациями будет, безусловно, полезна. Для этой цели организации гражданской обороны и другие учреждения, отвечающие за управление чрезвычайными ситуациями, должны проводить регулярные тренинги, и люди должны знать, что они должны делать в случае чрезвычайной ситуации.

Все другие последствия могут быть эффективно уменьшены при планировании землепользования.

Наконец, экономический ущерб может быть застрахован, даже если страхование не является лучшим решением, оно помогает справиться с одним из многих последствий отказа плотины.

Существуют различные способы прогнозирования опасности, а именно: независимые от времени и зависящие от времени. Независимые от времени прогнозы дают информацию о районах, подверженных опасности, их ожидаемых интенсивностях и времени повторения.

Например, сейсмическая опасность прогнозируется таким образом- статистические расчеты позволяют оценить вероятность возникновения опасного события с заданной интенсивностью в данном месте за определенный промежуток времени- проектное землетрясение (ПЗ) с интервалом повторения 237 лет, то есть структура должна безопасно выдерживать такое землетрясение без ущерба. Риск опасности наводнения для плотины может быть предсказан аналогичным образом- проектное наводнение (ПН) используется для проектирования и / или модификации конкретной плотины, особенно для определения размеров водосброса и отвода. Все эти оценки повышают устойчивость к экстремальным явлениям.

К сожалению, надежный прогноз времени возникновения землетрясения по-прежнему невозможен. Прогнозирование наводнения является более осуществимым, поскольку мониторинг метеорологических параметров (данные о осадках, температуре, снежном покрове и т. д.) позволяет рассчитать объем выпавших осадков. Затем специальные работы могут регулировать сброс паводковой воды.

Опасность оползней также может контролироваться с помощью современных технологий (Глобальная система позиционирования или GPS, системы детектирования и анализа света или LIDARS, радар с обратной синтезированной апертурой или INSAR), которые определяют смещение точек поверхности; регулярный мониторинг скорости движения массы дает прочную основу для прогнозирования критического состояния, что может быть вызвано сильными дождями, интенсивным таянием снежного покрова и т. д.

Подобно сейсмическому районированию, «зонирование наводнений» (построение карт наводнения) очень полезно для прогнозирования степени потенциального затопления и высоты воды, времени прихода фронта. Можно более точно рассчитать сценарий наводнения, используя подробные цифровые карты высот.

Многие опасные явления, связанные с плотинами, можно избежать с помощью надлежащих геологических, геофизических и инженерных исследований расположения плотины.Наиболее важные вопросы для оценки опасностей:

  • активные тектонические разломы,
  • оползни и устойчивость склонов,
  • высокая проницаемость окружающей плотину породы,
  • пиковые уровни наводнений,
  • заиление резервуара,
  • воздействие на жилые помещения,
  • негативное воздействие на рыболовство, леса и дикую природу.

Разумеется, нельзя предотвратить крупномасштабные стихийные бедствия (например, землетрясения), но, тем не менее, можно обеспечить устойчивость конструкции плотины к ожидаемому сильному встряхиванию. Те же превентивные меры могут быть реализованы против технологических опасностей путем регулярных проверок или специальных систем мониторинга.

Смягчить последствия землетрясений и наводнений для плотин можно, учитывая при проектировании плотины ожидаемую интенсивность сейсмического встряхивания (проектное землетрясение, ПЗ) и вероятность сильного наводнения (проектное наводнение, ПН).

Планирование населенных пунктов также следует делать с учетом возможного воздействия волн наводнений. Установка систем мониторинга и сигнализации значительно снижает риск человеческих потерь.

Конечно, правильный страховой полис очень важен для смягчения последствий, связанных с бедствиями.

До аварии:

  1. Раннее выявление признаков бедствия имеет решающее значение для эффективной защиты плотин. Если ослабление структуры обнаружено на очень ранней стадии, могут быть предприняты корректирующие меры для ее устранения и предотвращения ее возникновения. Даже если обнаружение структурных проблем происходит относительно поздно, можно предпринять меры для смягчения его эффектов, например, путем снижения уровня воды. Даже если он обнаружен всего за несколько часов до нарушения, это все равно позволит действовать для спасения жизней и имущества.
  2. Знать потенциальную зону затопления. Как и все виды моделирования, моделирование наводнений является реалистичным приближением и дает нам общую картину. Программное обеспечение моделирования для моделирования наводнений используется для расчета глубин и скоростей воды в случае разрушения плотины. Результаты могут быть использованы для анализа коллапса плотин, борьбы со стихийными бедствиями, планирования эвакуации, оценки ущерба от наводнений, анализа рисков и ландшафта, инфраструктуры и городского планирования.
  3. Необходимо знать возвышенные места, где можно искать убежище (холмы, верхние этажи капитальных зданий)
  4. Знать предупредительные сигналы тревоги.

Во время аварии:

Достичь как можно скорее возвышенного участка.

b) International special sign for dangerous works and installations .

During the accident:

Reach as soon as possible the elevated sites.

Для выявления опасностей, которым подвержена данная плотина, применимы карты следующих типов:

  1. Цифровые карты высот для моделирования потенциальных эффектов наводнений;
  2. Геологические карты, показывающие породы, на котором возводится плотина;
  3. Карты активных тектонических разломов как возможные источники землетрясений и медленной деформации;
  4. Карты сейсмической опасности, представляющие для данного участка ожидаемое воздействие землетрясения;
  5. . Геоморфологические карты, очерчивающие возможные источники массового движения (оползни, камнепады и т. д.);

Карта моделирования наводнений показывает высоту и скорость волны паводков и динамику паводков во времени.

Основными опасностями, связанными с плотинами, являются сейсмическое встряхивание и перелив из-за оползня или большого наводнения. Плотина должна быть спроектирована таким образом, чтобы противостоять выбранной интенсивности тряски (т. е. к так называемому максимальному расчетному землетрясению). Для расчета потенциального сейсмического воздействия, во-первых, скомпилированы карты активных тектонических разломов области. Затем оценивается интенсивность и повторяющийся интервал землетрясений, вызванных этими разломами, и, наконец, рассчитывается влияние землетрясения (так называемое спектральное ускорение земли) на площадь плотины. Важно также учитывать условия площадки (почвы) и знать собственную частоту плотины, так как на этой частоте встряхивания плотина наиболее уязвима.

Если вся эта информация учитывается при проектировании и строительстве плотины, гарантируется сейсмостойкость структуры плотины.