Гидродинамические аварии

Содержание

1. Основные характеристики  гидродинамической аварии

Сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов (рек, озер, морей, грунтовых вод) или для борьбы с разрушительным действием водной стихии называются гидротехническими. Они могут быть:

• общие - применяемые почти для всех видов использования вод;
• специальные - возводимые для какой-либо отрасли водного хозяйства.

К общим гидротехническим сооружениям относят:

• водопроводные сооружения - создают напор или разность уровней воды перед сооружением и за ним (плотины, дамбы, запруды и т.д.);
• водопроводящие (водоводы) - для переброски воды в заданные пункты: каналы, гидротехнические туннели, лотки, трубопроводы;
• регуляционные (выправительные) - для изменения и улучшения естественных условий протекания водотоков и защиты русел рек от размывов, отложения наносов, воздействие льда и др.;
• водозаборные (водоприемные) - устраивают для забора воды из водоисточника и направления ее в водовод;
• водосбросные - служат для пропуска излишков воды из водохранилищ, каналов и напорных бассейнов.

К специальным гидротехническим сооружениям относят:

• сооружения для использования водной энергии - здания гидроэлектрических станций, напорные бассейны и др.;
• сооружения водного транспорта - судоходные шлюзы, судоподъемники, маяки и др., сооружения по обстановке судового хода, плотоходы, бревноспуски и пр.;
• мелиоративные - магистральные и распределительные каналы, шлюзы- регуляторы на оросительных и осушительных системах;
• рыбохозяйственные - рыбоходы, рыбоподъемники, рыбоводные пруды т.п.

При осуществлении водохозяйственных мероприятий гидротехнические сооружения, объединенные общей целью и располагаемые в одном месте, составляют комплексы, называемые узлами гидротехнических сооружений или гидроузлами. Несколько гидроузлов образуют водохозяйственные системы: энергетические, воднотранспортные, ирригационные, водозаборные и т.д.

Сооружения, входящие в состав гидроузла, подразделяются на основные и вспомогательные.

Основные сооружения в свою очередь делятся на:

• общие сооружения, обеспечивающие необходимые напор и емкость водохранилища, а также для поддержания гидравлических условий, режима реки (плотины, поверхностные и глубинные водосбросы, сооружения для удаления льда, наносов, шуги, регуляционные, сопрягающие и др.);
• специальные сооружения, выполняющие те функции, для которых был создан гидроузел (ГЭС, судоходные шлюзы, судоподъемники, бревноспуски, плотоходы, рыбоходы).

К вспомогательным сооружениям относятся жилые и производственно-вспомогательные здания и их комплексы с соответствующими инфраструктурами.

Место расположения гидроузла, т.е. тех его сооружений, которые образуют, так называемый, напорный фронт, называют створом.

Основным сооружением гидроузла является плотина.

Плотина - это гидротехническое сооружение, которое перегораживает русло реки (или другого водотока) для подъема уровня воды перед ним, сосредоточения напора в месте расположения сооружения и создания водохранилища.

С точки зрения жизнеобеспечения, водохозяйственное значение плотин многообразно:

• подъем уровня воды и увеличение глубины в верхнем бъефе благоприятствуют судоходству, лесосплаву, а также водозабору для нужд орошения и водоснабжения;
• сосредоточение напора у плотины создает возможность энергетического использования стока реки;
• наличие водохранилища позволяет регулировать сток, т.е. увеличивать расход воды в реке в меженные периоды и уменьшает максимальный расход в паводок, способный привести к разрушительным наводнениям.

Бъеф - это часть водоема, реки или канала, примыкающая к водоподпорному сооружению (плотине).

Различают: верхний бъеф, расположенный выше по течению, перед водоподпорным сооружением (плотиной, шлюзом) и нижний бъеф, который находится ниже по течению, по другую сторону водоподпорного сооружения (плотины или шлюза).

Плотины могут быть земляные, каменные, каменно-земляные, бетонные. Станционная, шлюзовая, рыбоходная и водосбросная части плотины выполняются, как правило, из гидротехнического бетона, остальная часть – бетонная или земляная, каменно-земляная.

Водохранилище - искусственный водоем, образованный, как правило, в долине реки водоподпорным сооружением (плотиной) для накопления и хранения воды в целях ее хозяйственного использования. Для водохранилища характерны возрастание глубины по направлению к плотине, весьма замедленные, по сравнению с рекой, водообмен и скорость течения, неустойчивость летней термической и газовой стратификации (распределение плотности и температуры воды по вертикали).

На водохранилище различают:

• нормальный подпорный уровень (НПУ) или нормальный подпорный горизонт (НПГ) – высший подпорный уровень, который плотина может поддерживать в течение длительного времени при обеспечении нормальной эксплуатации всех сооружений гидроузла;
• форсированный подпорный уровень (ФПУ) – наивысший подпорный уровень, который плотина может поддерживать недолгое время в период пропуска паводка, обеспечивая сохранность сооружений;
• сниженный подпорный уровень (СПУ) или уровень мертвого объема (УМО) – минимальный уровень, допустимый в условиях нормальной эксплуатации.

Плотина и водохранилище существенно воздействуют на реку и прилегающие территории:

• изменяются режим стока реки, температура воды, продолжительность ледостава; затрудняется миграция рыбы; берега реки в верхнем бьефе затопляются;
• меняется микроклимат прибрежных территорий;
• уменьшаются половодья, в результате чего ухудшаются условия нереста рыб и произрастание трав на пойменных лугах;
• уменьшение скорости течения вызывает выпадение наносов и заиливание водохранилища;
• биомассы в водохранилище образуются интенсивнее, меняется видовой состав флоры и фауны и т.п.

Гидродинамическая авария – это чрезвычайное событие, связанное с выводом из строя (разрушением) гидротехнического сооружения или его части и неуправляемым перемещением больших масс воды, несущих разрушения и затопление обширных территорий.

2. Причины возникновения  гидродинамической аварии

Причинами разрушения (прорыва) ГТС могут быть природные явления или стихийные бедствия (землетрясения, обвалы, оползни, паводки, размыв грунтов, ураганы и т.п.) и техногенные факторы (разрушение конструкций сооружения, эксплуатационно-технические аварии, конструктивные дефекты или ошибки проектирования, нарушение режима водосбора и др.), а также в ЧС военного времени – современные средства поражения (ССП) и террористические акты.

Прорыв плотины является начальной фазой гидродинамической аварии и представляет собой процесс образования прорана и неконтролируемого потока воды водохранилища из верхнего бьефа в нижний бьеф, который устремляется через проран.

Проран – отверстие (брешь), образовавшееся при прорыве водным потоком напорного гидротехнического сооружения (плотины) или под воздействием внешних факторов.

Волна прорыва – волна, образующаяся во фронте проходящего в проран потока воды, имеющего значительную скорость движения и обладающего большой разрушительной силой.

Следовательно, поражающее действие волны прорыва ГА связано с распространением с большой скоростью воды, создающей угрозу возникновения ЧС.

3. Поражающие факторы  гидродинамической аварии

Устремляющийся в проран поток воды образует волну прорыва, имеющую значительную высоту гребня, скорость движения и обладающая большой разрушительной силой. Скорость движения гребня волны прорыва составляет: для равнинных рек (8-10 км/ч), для горных рек (12-20 км/ч), высота гребня волны (2-12м).

Последствия прорыва плотины характеризуется в стремительном затоплении местности, прилегающей к реке, волной прорыва и возникновения наводнения. Затопленную часть местности глубиной потока hn >0,5 называют зоной возможного затопления.

В зависимости от последствий воздействия гидропотока в зоне возможного затопления выделяют зону катастрофического затопления, в пределах которой распространяется волна прорыва, вызывающая массовые потери людей, разрушения зданий и сооружений, уничтожение других материальных ценностей.

Для равнинных рек ориентировочные границы участков зон возможных затоплений по степени опасности воздействия волны прорыва на наземные объекты удалены от плотины: чрезвычайно опасных участков 3-4 км, для опасных участков на 8-20 км.

Участки зоны чрезвычайно опасного затопления характеризуются возможными полными и сильными разрушениями наземных зданий и сооружений на большей его части при условии: глубина потока hn ≥4 м, скорость потока Vn ≥2,2 м/с.

Участки зоны опасного затопления характеризуются возможными средними и слабыми разрушениями наземных зданий и сооружений на большей его части при условии: глубина потока hn =(1 - 3) м, скорость потока Vn =(1-1,5) м/с.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются разрушительная волна прорыва, водяной поток и спокойные воды, которые затопили сушу и объекты экономики, жилищно-коммунального и сельского хозяйства и др.

Степень и характер разрушений при прорывах плотины зависят от следующих факторов:

• удаленности объекта от плотины;
• величины динамического воздействия волны прорыва на объекты,

которые будут на пути её движения;

• скоростным напором водяного потока;
• высоты уровня воды на территории объекта;
• продолжительности затопления.

Чрезвычайные ситуации в зоне затопления часто сопровождаются вторичными поражающими факторами:

• пожарами из-за обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов,
• оползнями и обвалами в результате размыва грунта,
• инфекционными заболеваниями по причине загрязнения питьевой воды и резкого ухудшения санитарно-эпидемиологического состояния в зоне затопления и вблизи неё, особенно в летнее время.

4. Профилактика гидродинамических аварий

Зоны возможного катастрофического затопления определяются заблаговременно на стадии проектирования гидроузла. Эти зоны и характеристики волны прорыва отображаются на картах и в специальных атласах, которые составляются для гидроузлов и больших плотин. Держателями этих документов являются штабы Гражданской защиты, министерства, ведомства и их службы на местах, которые возводят и эксплуатируют гидротехнические сооружения.

Время, в течение которого затопленные территории могут находиться под водой, колеблется от 4 часов до нескольких суток.

Размеры затопления определяются исходя из объема водохранилища, способов попуска воды и характеристики реки ниже плотины.

При открытии затворов или частичном разрушении гидроузлов наиболее значительное затопление будет в тех случаях, когда объем водохранилища составит не менее 5 млн. м3. Но и при этом размеры волны попуска будут редко выходить за пределы влияния паводков.

При полном и мгновенном разрушении плотин водохранилищ объемом в десятки и сотни миллионов кубометров будут возникать большие волны прорыва часто катастрофического характера. В результате этого произойдет затопление пойм, долин и разрушение искусственных сооружений, находящихся ниже гидроузла. Влияние таких волн прорыва следует учитывать, прежде всего, при прогнозировании размеров затопления.

В том случае, когда гидроузлы имеют земляную плотину, расчет нужно вести на полное ее разрушение, так как прорыв воды через небольшую брешь приведет к быстрому размыву плотины.

Предложенная ниже методика прогнозирования последствий при прорывах плотин водохранилищ позволяет получить только ориентировочные данные о масштабах затопления. Более качественные результаты прогноза можно получить с использованием электронно-вычислительной техники по специально разработанным программам.

Масштабы последствий гидродинамических аварий зависят от параметров и технического состояния гидроузла, характера и размеров разрушенной плотины (ширины прорана), объема запасов воды в водохранилище, характеристик волны прорыва и катастрофического затопления, рельефа местности, времени года и суток.

Прогнозирование времени  прорыва естественных плотин базируется на прогнозе уровня воды до  80- 85 % высоты  перемычки водохранилища с учетом данных прогноза ближайшей метеостанции.

Сведения о характеристиках волны прорыва  и  последующего затопления местности  необходимы для принятия решений для проведения спасательных работ.

Последовательность прогнозирования масштабов затопления при прорывах плотин. Исходными данными являются: объём водохранилища, W, м3, глубина водохранилища перед плотиной, Н, м, ширина прорана (разрушенного участка), В, м, расстояние от объекта до плотины, R, км, отметка уровня воды в реке в районе объекта или в расчетном створе до подхода волны прорыва, время года и суток.

1. Определяется время  опорожнения водохранилища по  формуле:

, час,

где: В – ширина водохранилища в створе разрушенного гидроузла или ширина прорана, м; - удельный расход воды на 1 м ширины прорана, м3/с; Н – глубина воды перед плотиной, м.

2. Определяется глубина  водяного потока (высота волны  затопления) hп в заданном створе на расстоянии R от гидроузла (по таблице 1) в зависимости от глубины водохранилища перед плотиной, Н.

3. Определяется высота  гребня волны Hв у разрушенного гидроузла (плотины) по формуле:

, м 

В нижних створах в зонах чрезвычайно опасного и опасного затопления на расстояниях до 20 км от плотины высота гребня волны попуска уменьшается и может быть определена из выражения:

, м,

где: hп – глубина потока (затопления) на заданном расстоянии, определяется по таблице1.

Таблица 1. Глубина водяного потока и продолжительность затопления

4. Определяется продолжительность  затопления Тзат территории на заданном расстоянии R(из таблицы 1)

, час 

5. Определяется возможная  глубина затопления территории  объекта:

, м,

где: Dh – глубина затопления рассматриваемой территории, м; hув – геодезическая отметка уровня воды в реке до затопления, м; hп – расчетная глубина волны потока, м; hоб – геодезическая отметка территории рассматриваемого объекта, м.

На топографических картах масштаба 1:100000, 1:50000, 1:25000 по величине hп и горизонтальным геодезическим линиям (отметкам высот) наносятся зоны катастрофического затопления и на основании этого производится оценка масштабов последствий.

6. Определяется время  подхода волны попуска к заданному  створу (объекту) по формуле:

, час,

где: W – скорость движения волны прорыва, км/час, которая принимается из выражения или задается; R – расстояние от плотины до рассматриваемого створа (объекта), км.

7. По величине Dh и W  определяются степени разрушения элементов объекта.

8. Определяется степень  поражения объекта в целом по рекомендациям.

Как естественная, так  и искусственная плотины должны находиться под пристальным внимание гидрологов и специальных служб.  
          В случае  опасности прорыва искусственной плотины необходимо принять меры к его недопущению. 

Например: 
- регулирование стока воды; 

- форсированная сработка  водохранилища; 

- транзитный пропуск воды  и др. 

Если существует опасность прорыва естественного  водохранилища, то необходимо  принять  меры  по укреплению стенок плотины, либо вызвать прорыв в менее опасном направлении. 

Для предотвращения   возможных  внезапных  прорывов  плотин, защиты людей и материальных ценностей заблаговременно  выполняется ряд мер. К числу таковых относятся:

а) административные:

- ограничение строительства  жилых домов и объектов народного хозяйства в местах, подверженных действию возможной  волны прорыва и последующего наводнения; 

- эвакуация населения, причем  в зонах где  время  добегания прорывной волны  после разрушения плотины составляет до 4 часов;

-  немедленно, а на остальных территориях -  по мере  возникновения угрозы затопления.  
           б) инженерно- технические:

- обвалование населенных  пунктов  и  сельскохозяйственных угодий; 

- создание надежных дренажных  систем; 

- берегоукрепительные работы  для  предотвращения   оползней, обрушений и пр.; 

- устройство гидроизоляции  и  специальных  укреплений  на зданиях и сооружениях;  
- насаждение низкоствольных лесов  из  тополей, ив, ольхи  и березы,  что  увеличивает  шероховатость поверхности и способствует уменьшению скорости волны прорыва.

Основные поражающие факторы катастрофического затопления – разрушительная волна прорыва, водный поток и спокойные воды, затопившие территорию суши и объекта.

         Таким образом, основным следствием гидродинамической аварии (ГА) является образование зоны катастрофического затопления местности. Поражающий фактор ГА – волна прорыва. 

5. Алгоритм безопасного поведения при гидродинамических авариях

Основным средством защиты населения от катастрофического затопления является их эвакуация.

Эвакуация населения из населенных пунктов, расположенных в зоне возможного катастрофического затопления в пределах 4-часового добегания волны прорыва плотин гидротехнических сооружений, проводится заблаговременно при объявлении общей эвакуации, а за этими пределами – при непосредственной угрозе затопления. Эвакуируемое из зон возможного катастрофического затопления население расселяется на не затапливаемой территории.

Перед эвакуацией для сохранности своего дома (квартиры) следует отключить воду, газ, электричество, потушить горящие печи отопления (водонагреватели и т.п.), перенести на верхние этажи (чердаки) ценные вещи, закрыть окна первых этажей досками, фанерой, взять запас продуктов питания, медикаменты, документы и убыть по указанному маршруту.

При внезапном наводнении (затоплении) надо срочно покинуть дом и занять безопасное ближайшее возвышенное место, вывесить сигнальное белое или цветное полотнище.

После спада воды при возвращении домой необходимо соблюдать меры безопасности: не соприкасаться с электропроводкой; не использовать продукты питания, попавшие в воду. При входе в дом провести проветривание, запрещается включение газа и электричества.

Спасение людей и имущества при катастрофических затоплениях включает: поиск их на затопленной территории, погрузку на плавсредства или вертолеты и эвакуацию в безопасные места. В случае необходимости пострадавшим оказывают первую медицинскую помощь. Только после этого приступают к спасению и эвакуации животных, материальных ценностей и оборудования. Порядок спасательных работ зависит от того, произошло катастрофическое затопление внезапно или до этого заранее были проведены соответствующие мероприятия по защите населения и материальных ценностей.

Разведывательные звенья, действующие на быстроходных катерах и вертолетах, прежде всего, определяют места наибольшего скопления людей. Небольшие группы людей разведчики спасают самостоятельно. Для вывоза людей используются теплоходы, баржи, баркасы, катера, лодки, плоты.

При поиске людей на затопленных территориях экипажи плавсредств периодически подают звуковые сигналы.

После завершения основных работ по эвакуации населения патрулирование в зонах затопления не прекращается. Вертолеты и катера продолжают поиск.

Для обеспечения посадки и высадки людей сооружают временные причалы, а плавсредства оборудуют сходнями. Подготавливают и другие приспособления для снятия людей с полузатопленных зданий, сооружений, деревьев и других предметов. Спасатели должны иметь багры, веревки, спасательные круги и другие необходимые средства и приспособления, а личный состав, принимающий участие в спасении людей на воде, должен быть в спасательных жилетах.

Во время эвакуации необходимо помнить, что входить в лодку, катер следует по одному, ступая на середину настила. Во время движения запрещается меняться местами, садиться на борта, толкаться. После причаливания один из спасателей выходит на берег и держит лодку за борт до тех пор, пока все эвакуируемые не окажутся на суше.

В зонах вероятных катастрофических затоплений руководителей предприятий и жилищных органов, а также население обязательно знакомят с границами возможных зон затопления и его продолжительностью, с сигналами и способами оповещения об угрозе затопления или наводнения, а также местами, куда должны эвакуироваться люди.

6. Последствия гидродинамических аварий

Разрушение гидротехнических сооружений, расположенных в черте населенных пунктов, может привести к катастрофическому затоплению обширных территорий, значительного числа населенных пунктов, массовой гибели людей, длительному прекращению судоходства, сельскохозяйственного и рыбопромыслового производства.

Аварии на гидротехнических сооружениях вызывают:

• повреждение и разрушение ГТС и гидроузлов и кратковременное или долговременное прекращение выполнения ими своих функций;
• поражение людей;
• разрушение сооружений волной прорыва;
• затопление обширных территорий.