Пути повышения безопасности водохранилищ южного Урала

УДК 556.55(470.57)

Пути повышения безопасности водохранилищ Южного урала

, ,

Башкирский государственный аграрный университет, г. Уфа, Россия

Обеспеченность региона водными ресурсами неравномерная. Решение проблем водоснабжения населения осуществляется путем регулирования стока рек малыми, средними и большими водохранилищами. Общая регулируемая емкость всех 436 водохранилищ составляет 2525 млн. м3. Наиболее крупные водохранилища – Павловское на реке Уфа (объем 1,41 км3), Нугушское на реке Нугуш (0,41 км3), Кармановское на реке Буй (0,13 км3) – зарегистрированы в кадастре Российской Федерации. Завершается строительство Юмагузинского водохранилища (0,6 км3) на реке Белая, являющейся единственной в России стройкой такого масштаба в настоящее время. В 2003 г. перекрыто русло реки, начато наполнение водохранилища и введен в эксплуатацию донный водовыпуск Юмагузинской ГЭС. Построены водохранилища: Слакское на реке Курсак (20 млн. м3), Таналыкское на реке Таналык (14,2 млн. м3), Маканское на реке Макан (9,3 млн. м3), Акъярское на реке Ташла (49,4 млн. м3). В настоящее время строится Сакмарское водохранилище на реке Сакмара (30,6 млн. м3), Шаранское на реке Сюнь [1].

За последние 10…15 лет на водохозяйственных объектах России отмечалось значительное снижение уровня надежности и увеличение опасностей возникновения аварийных ситуаций в связи с общим снижением уровня надзора над их безопасностью, сокращение объемов и снижение качества ремонтных работ. Результаты проведенного в июле 1994 г. МЧС России совместно с Роскомводом обследования ГТС в Пермской, Свердловской и Челябинской областях показали, что в аварийном и предаварийном состоянии находятся плотины 12% водохранилищ и 20% накопителей стоков вследствие повреждения ответственных элементов водосбросов, затворов, усиленной фильтрации, переполнения и других причин [2].

По итогам инвентаризации ГТС водохранилищ Республики Башкортостан установлено, что 14% из них находятся в аварийном состоянии, 43% требуют капитального и 41% - текущего ремонта [3]. На начало 2001 г., по данным Бельского БВУ, эксплуатируются 62 потенциально опасных водохранилища. Большинство из них (80%) – малые водохранилища с объемом до 1 млн. м3. Проблема безопасности гидротехнических сооружений становится все более острой в связи с тем, что у большинства существующих ГТС износ основных узлов приближается к 50%.

Известно, что в большинстве случаев аварии плотин происходят в период их строительства или в начальный период эксплуатации – в течение 5…7 лет после наполнения водохранилища. За это время полностью проявляются дефекты производства работ, стабилизируются фильтрационный режим и деформации сооружения. Затем наступает длительный период – около 40…50 лет, когда состояние сооружения стабилизируется, и аварии маловероятны. После этого опасность аварии вновь увеличивается в результате развития анизотропии свойств, старения материалов и пр.

Благодаря принятым законам Российской Федерации «О безопасности гидротехнических сооружений» и «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера» вопросы безопасности ГТС теперь решаются на государственном уровне. Безопасность ГТС, по принятому закону, - это свойство ГТС, позволяющее обеспечивать защиту жизни, здоровья и законных интересов людей, окружающей среды и хозяйственных объектов. По закону безопасность ГТС должна подтверждаться декларацией безопасности ГТС, то есть основным документом, в котором обосновывается безопасность гидротехнического сооружения с учетом его класса.

Одним из основных требований к обеспечению безопасности ГТС является обеспечение допустимого уровня риска аварии ГТС. С целью определения уровня риска аварии ГТС в гг. велись обследования ряда водохранилищ Южного Урала.

На трех горных водохранилищах (Кагинское на реке Кага с объёмом 1,08 млн. м3, Узянское на реке Узян - 4,05 млн. м3 и Авзянское на реке Бол. Авзян – 0,82 млн. м3) проводились натурные наблюдения (визуальные и инструментальные) земляных плотин гидроузлов. Они являются важным средством контроля работы сооружения и позволяют выявлять возникновение различных опасных явлений и процессов в сооружении, определить причины, снижающие безопасность грунтовых плотин.

Процессы, приводящие к существенным изменениям состояния и свойств грунтов в основаниях и в различных элементах плотин, а также снижающие безопасность гидротехнических сооружений, могут быть подразделены на две группы. К первой группе относятся естественные процессы, проявляющиеся в экстремальных ситуациях, например при паводках, вероятность прохождения которых меньше расчетной, или при карстово-суффозионных процессах с интенсивностью, которая ранее не отмечалась в данном районе. Ко второй групп относятся процессы техногенного происхождения, возникающие вследствие проектных, строительных и эксплуатационных отклонений и вызывающие:

дополнительные силовые и химические воздействия воды на тело и основание плотины;

изменение прочностных и деформационных характеристик грунтов тела и основания плотины;

дополнительные фильтрационные давления и расходы воды в теле и противодавление в основание плотины;

недопустимые деформации и осадки конструктивных элементов плотины.

Негативные проявления инженерно-геологических процессов зависят в значительной степени от состава, состояния, свойств грунтов и их местоположения (основание, примыкания, тело сооружения и др.). Ливни, вызывающие переувлажнение грунтов в примыканиях к бортам долин, могут спровоцировать оползни и активизацию суффозионных процессов. На откосах грунтовых плотин возможны оползни и эрозионные промоины. В теле плотины могут интенсифицироваться осадки. При температуре воздуха выше прогнозируемой в примыканиях и на откосах сооружения в немерзлых глинистых грунтах нередко образуется сеть трещин усыхания с увеличением потерь на фильтрацию или с формированием осыпей. Особыми причинами развития недопустимых деформаций, в том числе и фильтрационных, приводящими к нарушению безопасного состояния плотин, являются процессы промерзания или оттаивания либо циклического промерзания – оттаивания. При оттаивании мерзлых грунтов как в основании и в примыканиях, так и в теле плотины возрастают потери воды на фильтрацию, а в ряде случаев в основаниях и примыканиях увеличивается противодавление, возникает контурная фильтрация. Кроме того, развиваются осадки, в том числе неравномерные; происходят оползни, обвалы, сплывы, солифлюкция в примыканиях и на откосах плотин.

Воздействие низких температур воздуха и обусловленное им промерзание грунтов формируют криогенные водоупоры, что приводит к росту противодавления, а в скальных, полускальных и несвязных грунтах нередко происходит наледообразование. Для глинистых грунтов, слагающих примыкания и противофильтрационные элементы, очень характерно морозное пучение. При последующем оттаивании промерзших зон грунтов появляются осадки в примыканиях, а на откосах плотины - оползни, обвалы, сплывы в нескальных грунтах и солифлюкция в глинистых разностях. Особенно этому способствует многократное промерзание – протаивание, сопровождаемое криогенным разуплотнением и морозобойным растрескиванием.

Обследование бетонных элементов гидроузлов показало наличие повреждений и разрушений концевой части водосбросов и дна водопроводящего тракта. В связи с тяжелыми условиями работы водосбросных сооружений и из-за недостаточного крепления концевой части происходит разрушение флютбета водосброса, особенно со стороны нижнего бьефа. Причиной является техническое несовершенство конструкции водосбросов и нарушение правил их содержания и эксплуатации. Этот вывод подтверждается и результатами анализа причин возникновения аварийных ситуаций в ГТС, выполненного институтом «Башгипроводхоз».

В декларации безопасности ГТС обязательно должен быть раздел «Анализ условий возникновения и развития гидродинамических аварий». Как показывает практика, подобная авария возможна в результате развития сосредоточенной фильтрации. С целью изучения фильтрации и разработки упрощенного метода определения параметров фильтрации выполнены натурные исследования Акъярского водохранилища. Акъярское водохранилище – самое крупное водохранилище в Зауралье Башкортостана, предназначенное для пополнения используемых для питьевого водоснабжения запасов подземных вод.

На грунтовой плотине Акъярского водохранилища основным элементом контроля фильтрации как в самом сооружении, так и в основании являются пьезометры, образующие пьезометрическую сеть из наблюдательных скважин.

Параметры фильтрации могут характеризоваться коэффициентом фильтрационного сопротивления грунта активной зоны пьезометра l, интегральным коэффициентом a и коэффициентом сопротивления грунтовой среды тела грунтовой плотины и её основания фильтрационному потоку Ñ0. Исследованиями [4] установлено, что эти величины являются постоянными и не зависят от места установки пьезометра. Резкое отклонение замеренного пьезометрического напора от вышеназванного коэффициента свидетельствует лишь об имевших место изменениях в контролируемой области фильтрации: фильтрационном прорыве потока по сосредоточенному ходу фильтрации или трещине, образовавшейся в результате неравномерных осадков грунтового сооружения или его основания, либо о нарушении фильтрационной прочности и сплошности противофильтрационного элемента, а также в результате кольматажа обратного фильтрата, переходной зоны и т. п.

Динамика уровня воды в пьезометре описывается линейным уравнением общего вида [4]

ÑУП = АÑГВБ + В, (1)

где ÑГВБ – отметка горизонта воды в верхнем бьефе; ÑУП – уровень воды в пьезометре. Тогда l = 1/А, Ñ0= В/А.

Интегральный коэффициент a, характеризующий общую фильтрационную картину системы плотина – основание, определяется по формуле

. (2)

По этим зависимостям обработали результаты измерений уровня воды в пьезометрах (таблица).

Интегральные характеристики режимов фильтрации (тело плотины

Акъярского водохранилища)

Используя предлагаемую методику, удобно осуществлять контроль над состоянием фильтрационного режима плотина – основание ГТС. Отклонения значений a, l, Ñ0, вычисленных по наблюдаемым ÑУП, будут характеризовать нарушение фильтрационной прочности грунта системы плотина – основание.

Выполненные исследования показали, что для повышения безопасности ГТС и водо­хранилищ необходимо:

включение в проект мероприятий, которые исключают возникновение процессов, снижающих безопасность ГТС;

совершенствование конструкций и методик расчетов элементов ГТС;

качественное выполнение строительно-монтажных работ;

эксплуатация ГТС и водохранилищ специалистами-гидротехниками.

Так же необходимы организация крупномасштабного мониторинга ГТС с созданием ГИС водохранилищ, проведение комплексного анализа состояния ГТС и обобщение опыта гидротехнического строительства в республике.

Общая безопасность водохранилищ неразрывно связана с экологической безопасностью искусственных водоемов. Нарушение экологической безопасности приводит к ухудшению качества воды, цветению и эвтрофикации водоемов. С этой точки зрения обследовались вышеуказанные водохранилища. Показателями экологической безопасности водохранилищ приняты химический состав воды и содержание в воде биогенных элементов.

Воды Кагинского, Узянского и Авзянского водохранилищ имеют в целом хорошие химико-биологические показатели. Содержание биогенных элементов невысокое (мг/дм3): 2,55-3,75; 0,02-0,45; 0,8-3,15, что свидетельствует о поступлении органических веществ с водосборов в небольших объемах. Концентрация Fe3+ и Fe2+ не превышает 0,28 мг/дм3. По указанным нормативам не отмечается ПДК рыбохозяйственного назначения. В то же время летом на Узянском водохранилище отмечается интенсивное «цветение».

Прогноз качества воды Акъярского водохранилища осуществлен путем математического моделирования процесса трансформации химического состава воды для года 50% и 85% обеспеченности на основе уравнения баланса солей. В качестве показателей использованы общая минерализация и ионы ряда градиентов (HCO3, SO4, Cl, Ca, Mg, Na+K).

По прогнозным расчетам, в изменении концентрации солей в воде Акъярского водохранилища выделяются два периода. Первый – с момента наполнения до конца января. В это время минерализация в водохранилище ниже, чем в р. Ташла. Второй период, когда минерализация в водохранилище прогнозируется близкой к минерализации воды в реке, будет наблюдаться с января и до конца марта.

Во второй год, с сентября, прогнозируется стабилизация концентрации общей минерализации в водохранилище на уровне 700 мг/л. В дальнейшем при самом неблагоприятном сочетании водности года 85 и 50% обеспеченности будет наблюдаться такая же динамика изменения концентрации общей минерализации воды.

Максимальное значение общей минерализации прогнозируется в марте перед паводком 702,8 мг/л (< 1000 мг/л), что меньше ПДК по СанПиН 2.1.4.1074-01 [5].

В результате прогнозных расчетов качества воды Акъярского водохранилища установлено, что химический состав воды удовлетворяет требованиям воды питьевого назначения на период прогноза.

Полученные прогнозные расчетные показатели химического состава воды Акъярского водохранилища сравнили с результатами лабораторных исследований химического состава воды, выполненными институтом «Башгипроводхоз». Измеренные и расчетные показатели химического состава воды подтверждают правильность прогнозных расчетов.

Это также подтверждается схожей динамикой изменения в течение 10 лет химического состава воды аналогового водохранилища – Нурлинского водохранилища на р. Нурлинка.

Анализ химического состава воды водохранилища на р. Нурлинка (объем 10,5 млн. м3) через 10 лет после его создания показывает, что вода речки и водоема близка по составу. Отмечается лишь снижение минерализации воды в водохранилище (0,3…0,4 г/л) относительно речной (0,7 г/л) за счет накопления в нем талых вод. В зимнее время происходит некоторое повышение минерализации воды в водохранилище. В целом наблюдаемый гидрохимический режим характерен как для малых, так и крупных водохранилищ этого региона.

Качество воды водохранилищ определяется как естественной минерализацией аккумулируемой воды, так и влиянием антропогенной нагрузки. Влияние последней рассматривается в основном по биогенным ингредиентам (азоту и фосфору). Основными поставщиками биогенных элементов являются сельскохозяйственные удобрения, животные и коммунально-бытовые стоки. По результатам исследований, приведенных в работах [6, 7], основная часть биогенных элементов (около 85%) будет накапливаться в донных наносах. Биогенные вещества, аккумулирующиеся в наносах, при стабильных гидрологических режимах не оказывают существенного влияния на качество воды водохранилища. Лишь при значительных внешних воздействиях (взрывах, землетрясениях и т. п.) накопленные в наносах биогенные элементы могут снова попасть в воду водохранилища.

Безопасность ГТС – это комплексный показатель, включающий как техническую надежность сооружений, так и экологическую устойчивость водохранилища. Поэтому проектирование, строительство и эксплуатация ГТС и водохранилищ должны осуществляться при обеспечении, в первую очередь, должной технической и экологической безопасности этих сооружений.

Библиографический список

1.  , , 500 хранилищ воды. Табигат, 2003. № 18-20. С. 13-14.

2.  Методические рекомендации по оценке риска аварий гидротехнических сооружений водохранилищ и накопителей промышленных отходов. М., 2000. С. 3-4.

3.  , О безопасности ГТС прудов и водохранилищ аграрного сектора Республики Башкортостан. //Материалы международной научно-практической конференции «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО». Уфа: Изд. БГАУ, 2003. Ч. 1. С.189 – 191.

4.  , Стулькевич определения интегральных параметров местного и общего режимов фильтрации системы плотина – основание с использованием пьезометрических наблюдений. //Гидротехнические сооружения. 2001. №9. С. 39-42.

5.  Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01.

6.  Справочник по гидрохимии. Л.: Гидрометеоиздат, 19с.

7.  Абдрахманов техногенеза на качество воды Павловского водохранилища. Уфа: БНЦ УрО АН СССР. 19с.