Прогнозирование безопасности гидротехнических сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование безопасности гидротехнических сооружений

Шайдуллина Е.Г., Сенников М.Н.

Таразский государственный университет имени М.Х. Дулати, г. Тараз

Использование водных ресурсов по масштабам и темпам роста превосходит потребление всех наиболее интенсивно расходуемых природных ресурсов.

Существующий экономический механизм в водном хозяйстве не обеспечивает рационального использования водных ресурсов и не способствует привлечению инвестиций для развития водохозяйственного комплекса.

В зарубежной практике регулирование безопасности гидротехнических сооружений (ГТС) осуществляется в рамках различных законов государственного регулирования безопасности выработанного практикой по категориям и критериям опасности.

Мониторинг технического состояния ГТС должен предопределять риски аварий и оперативно принимать решение по их ремонту и реконструкций.

По данным Министерства по чрезвычайным ситуациям в Казахстане из 653 имеющихся гидросооружений 268, в том числе 28 крупных - нуждаются в срочном ремонте. При этом фактический износ водохозяйственных объектов составляет более 60%. В республиканской собственности находится 24 процента крупных гидротехнических сооружений (61 водохранилище, 91 гидроузлов и магистральных каналов), остальные - на балансе коммунальных, промышленных и сельскохозяйственных предприятий. Серьезной проблемой являются малые гидротехнические сооружения, часть которых заброшена, не имеет владельцев или эксплуатационную службу. Техническое состояние их крайне неудовлетворительное.

Экономика Казахстана и её экологическая безопасность тесно связаны с характером использования водных ресурсов и согласованных действий по совместному управлению трансграничными реками, включая вопросы безопасного содержания расположенных на них водохранилищ. Такие реки, как Иртыш, Или, Урал, Тобол, Сырдарья и Амударья, Чу и Талас и другие, являясь в правовом отношении межгосударственными или международными водотоками, определяют взаимоотношения новых независимых государств в рамках международного права на основе двустороннего и многостороннего сотрудничества. В бассейнах трансграничных рек в период с 1940 г. по 1975 г. достигнут наибольший прирост регулируемых емкостей водохранилищ. Полезная емкость водохранилищ на реке Сырдарья, составляющая 28 км3, позволяет осуществлять многолетнее регулирование стока с 95%-ным использованием водных ресурсов бассейна. В бассейне Сырдарьи построены крупнейшие водохозяйственные и оросительные системы, включающие русловые и наливные водохранилища комплексного назначения, свыше 90 гидроузлов (Кзылординский, Казалинский, Тахиаташский, Каршинский и др.), более 100 магистральных каналов большой протяженности (Большой Ферганский канал, Большой Андижанский канал, Южноголодностепский, Ташсакинский, Вахшский, Кзыл-Ординский, Каракумский а также Аму-Бухарский, Каршинский, Шерабадский и другие каналы с машинным водоподъемом), многие десятки тысяч гидросооружений на оросительной сети. Кроме того, в странах Центральной Азии имеется огромное количество водохранилищ и накопителей, предназначенных для аккумуляции и утилизации промышленных и коммунально-бытовых стоков и также требующих разработки системы обеспечения их безопасной и надежной эксплуатации.

За последние 10 лет в Казахстане зарегистрировано более 300 наводнений различного происхождения, из которых 70% приходится на наводнения, связанные с весенним половодьем, 30% были вызваны дождями и 10% - другими причинами.

В последние десятилетия в странах Центральной Азии было проведено большое количество исследований, выполнены крупные региональные проекты, подготовлены рекомендации по улучшению управления водными ресурсами и состояния окружающей среды в бассейне Сырдарьи и Амударьи.

Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений, с учетом международного опыта, представляется как системный процесс, включающий ряд взаимосвязанных процедур, ориентированных на предотвращение аварийных ситуаций, локализацию аварий при их возникновении, а также устранение их последствий. Крайне важным на сегодня является изучение зарубежного опыта по регистрации разрушений и аварий на гидротехнических объектах различной конструкции и компоновки. К таким источником относятся сведения о 35 тыс. (из более 100 тыс. в мире) сооружений занесенных в Мировой регистр плотин и сведения о эксплуатации гидротехнических объектов собранные Всемирной комиссией по плотинам, созданной в 1998 году. Меры предупреждения аварийных ситуаций на гидротехнических сооружениях должны рассматриваться как совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых этапов проектирования, строительства и эксплуатации и эффективного управления этими объектами.

Долговечность и надежность напорных гидротехнических сооружений - это гарантированная в течение определенного срока исправная их работа в конкретных условиях без нарушения прочности и устойчивости.

В последнее время в гидротехническом строительстве наблюдается устойчивая тенденция возведения плотин большой высоты и длины, создающих водохранилища с колоссальным объемом воды. Вполне понятно, что с увеличением размеров: водохранилищ возрастают и нагрузки на эти плотины, их основания и, как следствие увеличивается вероятность их повреждений.

Разные климатические, топографические и гидрогеологические условия предопределяют различные конструкции грунтовых плотин, их сопряжения с основанием и берегами долин, технологию возведения. Недостаточное внимание к условиям строительства при проектировании и последующей эксплуатации напорных грунтовых сооружений приводит или к раннему их износу (появлению местных дефектов, не влияющих на целостность сооружения, но требующих ремонта), или к полному разрушению.

Известные разрушения и повреждения плотин были вызваны действием объективных и субъективных факторов [1, 2]. В числе первых - природные стихийные явления: ураганы, катастрофические ливни (паводки), оползни, землетрясения и т. п. Аварии в этом случае являются следствием недостаточной изученности и учета климатических, гидрогеологических, геологических и топографических условий в створах плотин и чашах водохранилищ, возможности их неблагоприятных сочетаний. К субъективным факторам относят ошибки в проектировании, низкое качество используемых грунтовых материалов и строительных работ, нарушение технических норм при их проведении, неправильную эксплуатацию сооружений.

Распределение аварий (повреждения и разрушения) по типам основания и типам плотин показывает, что большая их часть также приходится на грунтовые плотины (77,2% общего числа случаев). Из них 28,3% - на нескальном основании, 25,2 - на скальном и в 23,7% случаев нет сведений о типе основания.

Распределение аварий в зависимости от типа плотин и элемента сооружения свидетельствует о том, что преобладающая часть аварий тоже произошла на грунтовых плотинах (77% общего числа рассмотренных случаев). Из них 25% приходится на основание, 38 - на тело плотины, 9 - на водосбросные или водосливные сооружения и 5%- на другие части плотин.

Основными причинами, приводящими к трещинообразованию, нарушению фильтрационной прочности тела плотин, к некачественному сопряжению плотины с основанием, можно считать: недостаточную глубину геологических и гидрогеологических изысканий, а также ошибки в расчетах при проектировании; неправильный выбор створа и конструкции плотины; просчеты в выборе вида грунтовых материалов для строительства, отсутствие исчерпывающих исследований их свойств и некорректное обоснование требований по их укладке в тело плотины; отступление от проектных решений при строительстве, нарушение технических условий укладки грунтов, низкое качество работ и несовершенные методы его контроля; нарушение условий эксплуатации.

Анализ аварий плотин высотой более 30 м, имевших место после 1950 г., показывает, что примерно в равной мере они вызваны ошибками, допущенными при проектировании и строительстве (соответственно 39,6 и 41,7%), и в меньшей степени - нарушениями режима эксплуатации (18,7%).

Отечественный и зарубежный опыт возведения напорных грунтовых сооружений показывает, что, каким бы способом ни устанавливались показатели свойств грунтов на разных стадиях проектирования, неизбежна их неопределенность, поскольку они должны соответствовать плотности уложенного грунта, точное значение которой становится известным только в ходе строительства. Даже опытные укатки, устанавливающие не только технологические параметры укладки грунта, но и геотехнические свойства после уплотнения, не показывают достаточно точно его параметров, так как проводятся в условиях, отличных от основного строительства по масштабности работ, пространственной изменчивости свойств грунтов в карьерах и т. п. безопасность гидротехнический сооружение

Неточность установленных при проектировании параметров грунтовых материалов может быть без особых трудностей исправлена в процессе строительства благодаря четкому представлению о грунте, поступающем на технологические карты, и, как следствие, соответствующей корректировке технологии производства работ. При недостаточном уплотнении грунта, например, в верховой упорной призме плотины с вертикальным противофильтрационным устройством в виде ядра возможна асимметрия напряженно-деформированного состояния в результате двойного эффекта: гидростатического давления на ядро и вследствие этого обжатия низовой упорной призмы и взвешивания грунта верховой упорной призмы. Разгрузка делает верховой откос и ядро менее устойчивыми к сейсмическому воздействию; недостаточное уплотнение низовой упорной призмы плотины с наклонным противофильтрационным устройством приводит к деформации самой упорной призмы и, как следствие, к трещинообразованию в ядре или экране.

При устройстве противофильтрационных элементов плотин очень важно, чтобы параметры укладки, в частности параметры Проктора, отвечали конкретному виду и составу глинистого материала, поступившего в технологические карты. При укладке глинистых грунтов с влажностью ниже оптимальной частицы такого «сухого» грунт из-за сил трения и сцепления оказывают большое сопротивление уплотнению, а при влажности выше оптимальной возникает кратковременное поровое давление, которое также препятствует уплотнению грунта.

Недостаточно уплотненный глинистый грунт в противофильтрационном устройстве может явиться причиной развития высокого порового давления, что ведет к разгрузке скелета грунта и уменьшению эффективных вертикальных напряжений. В такой ситуации даже незначительные касательные напряжения могут вызвать деформацию или разрушение противофильтрационного элемента.

В материалах Комитета по разрушениям и авариям плотин [1, 2] отмечается, что угроза безопасности плотин, помимо плохого качества строительных работ, несоответствия грунтовых материалов проектным условиям, недостаточной пропускной способности водосбросных сооружений, создают деформации плотин и их оснований: осадки, смещения и т. п. Многие аварии явились следствием ошибок или неточностей в расчетах при проектировании, а также в оценке работы системы «основание - плотина» в результате неполно проведенных изысканий или малого объёма исследований.

Для объективного анализа развития или затухания деформаций тела и основания плотины в постстроительный период необходимо иметь их прогнозную оценку на основе данных о степени уплотнения грунтов при укладке и по фактическому сопряжению сооружения с основанием, поскольку они будут отличаться от проектных.

В заключение следует отметить, что перечень имевших место аварий, повреждений и разрушений грунтовых плотин, анализ причин, приведших к таким последствиям, является хорошей основой для решения вопросов их надежности и долговечности.

Литература

1. Проектирование и строительство больших плотин. Аварии и повреждения больших плотин / Н.С. Розанов, А.И. Царев, Л.П. Михайлов и др. / Под ред. А.А. Борового. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Розанов Н.С, Соколов И.Б. и др. Повреждения плотин и исследования по обеспечению их надежности и безопасности // Гидротехническое строительство. - 1979. - №8.

Размещено на Allbest.ru