Пути повышения безопасности водохранилищ Южного Урала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пути повышения безопасности водохранилищ Южного Урала

Р.Ф. Абдрахманов, А.Р. Хафизов, Д.Н. Кутлияров

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 2002-2004 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 , интегральным коэффициентом и коэффициентом сопротивления грунтовой среды тела грунтовой плотины и её основания фильтрационному потоку ₀. 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]

УП = АГВБ + В, (1)

где ГВБ - отметка горизонта воды в верхнем бьефе; УП - уровень воды в пьезометре. Тогда = 1/А, ₀= В/А.

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

. (2)

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

безопасность водохранилище плотина гидротехнический

Интегральные характеристики режимов фильтрации (тело плотины Акъярского водохранилища)

Используя предлагаемую методику, удобно осуществлять контроль над состоянием фильтрационного режима плотина - основание ГТС. Отклонения значений , , ₀, вычисленных по наблюдаемым УП, 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. Абдрахманов Р.Ф., Лемешева Д.А., Хафизов А.Р., Кутлияров Д.Н. 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. Хафизов А.Р., Кутлияров Д.Н. 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. Павчич М.П., Стулькевич А.В. Метод 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, 1989. 391 с.

7. Абдрахманов Р.Ф. Влияние техногенеза на качество воды Павловского водохранилища. Уфа: БНЦ УрО АН СССР. 1991. 28 с.

Размещено на Allbest.ru