ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
Введение................................................................. 3
1. Анализ основных причин возникновения чрезвычайных ситуаций на водных объектах Уральского региона.............................................. 6
2. Физико-географическая характеристика бассейнов горных рек
Северного Урала.........................................................11
3. Современное состояние исследований в области расчетов
максимальных расходов воды и слоев стока смешанных паводков.............19
4. Методика расчетов максимальных расходов воды и слоев стока
смешанных паводков......................................................25
4.1 Исходная информация...........:...............................................25
4.2 Параметры взаимосвязи максимальных расходов воды и слоев стока.28
4.3 Максимальные расходы воды.....................................................................39
4.4 Слои стока....................................................................49
4.5 Связь равнообеспеченных максимальных расходов воды и слоев стока. Сопоставление расчетных значений максимальных расходов воды
и слоев стока................................................................ 68
4.6 Рекомендации по расчету характеристик максимального стока воды............... 80
Заключение.................................................................. 84
Список использованных источников............................................. 85
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Аккумулируемый в водохранилищах речной сток обеспечивает повышение надежности хозяйственно - питьевого и производственного водоснабжения. Однако накопление в них больших объемов воды повышает опасность наводнений и затоплений в случае прорыва плотин. По данным Международной комиссии по большим плотинам 138 прорывов произошли на насыпных плотинах, из них 71 плотина была разрушена из-за перелива воды через гребень [8]. В подавляющем большинстве случаев причиной прорывов оказалась недостаточная пропускная способность водосбросных устройств, вследствие заниженной оценки максимального стока. Другой причиной явились ошибки службы эксплуатации. Потенциальная возможность прорыва фунтовых плотин заложена в действующих в России строительных нормах и правилах [53]. Размеры • водосбросов гидроузлов устанавливаются на пропуск максимальных расходов воды определенной повторяемости, зависящей от класса капитальности. Если будет наблюдаться расход воды более редкой повторяемости, то не исключается вероятность переполнения водохранилища, перелив воды через гребень и разрушение плотины.
Несовершенство оценки величины максимального стока, ее занижение часто является следствием слабой изученности водного режима водотока, генезиса формирования максимумов. Наводнения на реках горного Урала в последние десятилетия, особенности времени их наступления (на подошве весеннего половодья или некоторое время спустя) указали на существование в сильно пересеченном рельефе относительно невысоких Уральских гор новой генетической совокупности максимального речного стока -смешанных паводков, в формировании которых участвуют жидкие осадки и остаточные снегозапасы на горной территории. Отсутствие ежегодной повторяемости таких паводков обуславливает более высокие значения коэффициентов вариации и асимметрии их характеристик по сравнению с максимумами снегового и дождевого происхождения. В связи с этим максимальные расходы смешанного происхождения редкой повторяемости являются расчетными не только для малых, но и средних рек в горной местности.
Превышение экстремумов смешанных паводков над максимумами весеннего половодья и дождевых паводков, отсутствие методических рекомендаций по их определению потребовало проведение углубленного исследования условий формирования и расчетов характеристик максимального стока смешанных паводков, необходимых для проектирования и надежной эксплуатации водохозяйственных объектов.
Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы является исследование характеристик максимальных расходов воды и определение слоев стока смешанных паводков для повышения степени безопасности и
-3-
опасность для населения и хозяйственных объектов в случае прорыва плотины.
Чрезвычайные ситуации, связанные с наводнением, нередко создаются в результате недостаточного учета режима рек.
Практика показывает, что затопление жилых и хозяйственных объектов происходит по двум основным причинам: нерациональное размещение их в поймах рек или в результате прорыва подпорных сооружений и резкого повышения уровня воды в нижних бьефах за счет быстрой сработки объемов воды, аккумулированных в водохранилищах.
Имеется много примеров, когда жилые дома, хозяйственные сооружения размещаются в поймах рек, подвергающихся сравнительно частому затоплению в естественных условиях. Кроме того, инженерные сооружения в пойме, стесняя речной поток способствуют повышению уровня воды, усугубляя природные процессы.
Неудачное размещение жилых и хозяйственных объектов в поймах рек может быть представлено на примерах г.г. Ирбита на берегу р. Ницы, Серова на берегу р. Каквы, Сатки на берегу р. Большой Сатки и др.
В отдельных случаях под жилые и хозяйственные постройки отводится территория, повторяемость затопления которой составляет раз в 10-20 лет, что существенно не соответствует требования нормативных документов [54,55].
Мероприятия, предназначенные для защиты этих объектов от затопления и разрушения (строительство дамб, спрямление русла и пр.), требуют огромных капиталовложений, по объему нередко соизмеримых с возможным (ожидаемым) ущербом. Это обстоятельство в немалой степени способствует тому, что результаты проектных решений остаются лишь “на бумаге”.
Наиболее частыми причинами аварии на подпорных гидротехнических сооружениях являются ошибки, допущенные при проектировании, грубые нарушения правил строительства и эксплуатации водохранилищ, низкая эффективность государственного надзора за их безопасностью. Недостатки инженерно-строительных изысканий являются одной из основных причин неправильной оценки максимальных расходов воды и как следствие назначаются заниженные размеры водосбросных сооружений.
Чрезвычайные ситуации, связанные с прорывом грунтовых плотин, в принципе имеют различные причины. Они могут иметь место даже в условиях качественного проектирования и эксплуатации при наступлении событий, повторяемость которых реже, чем заложена в соответствующем классе капитальности сооружений.
Одной из причин возникновения подобной ситуации являются нарушения норм строительства и ошибки технологического персонала, эксплуатирующего гидроузел. В качестве примера можно рассматривать аварию, происшедшую на Тирлянском гидроузле в Башкортостане, в расследовании которой принимал участие автор.
Первоначальное возведение грунтовой плотины из суглинка в XIX веке относится к периоду широкого развития плотиностроения в составе горнозаводских хозяйств Урала. В 1947 г. плотина была реконструирована с установкой двухпролетного водосброса (объем водохранилища ~ 5 млн.м3). В конце 80-х - начале 90-х г.г. в результате обследований были выявлены серьезные повреждения (разрушение бетона, образование полости). В 1993 г. выполнен проект реконструкции гидроузла, который не был реализован, по ряду причин. Имевшие место дефекты к 1994 г. устранены лишь частично. Во время прохождения паводка службой эксплуатации допускались грубые ошибки. Так, подъем сегментного затвора в одном из пролетов производился при уровне воды ~ 4 м над затвором, что послужило причиной его заклинивания и последующего обрыва троса. Экстренные спасательные мероприятия не смогли предотвратить перелив воды через гребень плотины и последующее ее разрушение. Прорывной волной были затоплены значительная часть п. Тирлянский и ряд населенных пунктов в нижнем бьефе (п. Шушпа и др.). Катастрофа сопровождалась человеческими жертвами (22 погибших), убытки превысили 40 млрд.руб. (цены августа 1994 г.). Более тяжелые последствия аварии были предотвращены своевременно сработкой уровня воды в расположенном в ~ 40 км ниже Белорецком водохранилище, позволившей с минимальным ущербом пропустить трансформированный сток воды в нижний бьеф.
Несвоевременная реализация проектов реконструкции водосбросных сооружений, ее перенос на более поздние сроки нередко инициирует появление других трудностей из-за новейшей застройки приплотинных (прибрежных) участков. В качестве примера можно привести реализацию проекта реконструкции гидроузла в г. Сатке Челябинской области.
Детальный анализ методов гидрологических расчетов, применяемых для решения задач по проектированию гидротехнических сооружений,приведен в [8]. Применяющиеся в России достаточно надежные методы обоснования расчетных максимальных расходов воды в частных же случаях не исключают грубых просчетов, обусловленных недоучетом местных условий.
Большая изменчивость водного режима рек, сложность условий формирования максимальных расходов воды, редкая сеть постов наблюдений приводит к тому, что расчетные значения максимумов подсчитываются в ряде случаев весьма приближенно. Ошибки при расчете максимумов возникают как правило по двум причинам:
- недостаточное обобщение имеющихся материалов наблюдений и стремление отдать предпочтение натурным сведениям на данном водотоке или аналоге вблизи створа проектирования;
- недостаточная изученность генезиса формирования максимальных расходов воды.
В качестве примера первой причины можно рассматривать Верхне-Макаровский гидроузел на р. Чусовой. Максимальный расход воды, имевший место в 1979 г., существенно превысил ранее наблюдаемые величины в верховьях реки и показал ошибочность расчетных расходов, при
-8-
- Київ+380960830922