ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ БЕЗОПАСНОСТЬ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ: ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

2020-01-18 14:17:56

Проблемой многих водохранилищ, особенно созданных в горных и предгорных районах, является процесс аккумуляции насосов (заиления), оказывающее заметное отрицательное влияние на различные аспекты эксплуатации ГТС. На некоторых водохранилищах заиление сопровождается и аккумуляцией в опасных объемах различных загрязнителей (химического, биологического, органического и другого происхождения).

Основные факторы заиления водохранилищ. Выделяются следующие основные негативные эффекты заиления водохранилищ, существенные как для верхнего, так и для нижнего бьефов:

- уменьшается полезная емкость, водохранилища с соответствующими убытками участников водохозяйственного комплекса;

- увеличиваются нагрузки на напорные ГТС и МО донных водосбросов;

- происходит распространение отложений насосов вверх по реке с последующим подъемом уровней воды в зоне выклинивания подпора с угрозами подтопления и затопления обжитых территорий при прохождении паводков;

- усиливается поступление токсических и других растворимых веществ из накопленных осадков в воду;

- происходит осветление потока, поступающего в нижний бьеф, приводящее к эрозии русла и берегов реки в нижнем бьефе и понижению уровней воды, что может неблагоприятно сказаться на социально-экологической обстановке;

- происходит засорение (может занесение аванкамер ГЭС) сороудерживающих решеток, что сказывается на выработке электроэнергии на гидроэлектростанциях;

- происходит аккумуляция наносов у плотины, приводящая к занесению донных водосбросов, прежде всего тех, которые часто не используются, при этом создается угроза безопасности плотины и нарушения ее нормальной эксплуатации;

- происходит интенсивное зарастание периферии водохранилища водной растительностью;

- ухудшаются условия для воспроизводства рыбных ресурсов в бьефах;

- возникает угроза загрязнения воды водохранилища сине-зелеными водорослями с последующим ухудшением ее качества и угрозой потери биологического разнообразия;

- снижается рекреационная ценность водоема.

В условиях регулирования стока процесс накопления веществ всегда преобладает над процессами перемещения и разложения. По мере старения водохранилища в его донных отложениях происходит аккумуляция больших масс органического материала, что становится одним из определяющих факторов влияния на трофический уровень водоема. Накоплению питательных веществ в донных отложениях глубоких водохранилищ способствует и термическая стратификация. Она приводит к образованию слоев эпилимниона и гиполимниона, между которыми почти полностью прекращается водообмен. Термическая стратификация оказывает значительное влияние на эволюцию биологических процессов и качества воды, приводя к росту биомассы водорослей в эпилимнионе и дефициту растворенного кислорода в гиполимнионе.

Все большую роль в развитии экосистем водохранилищ играет интенсификация антропогенной деятельности в бассейнах рек (промышленность, сельское хозяйство, рекреация, урбанизация, в том числе прямо и косвенно связанные с гидротехническим строительством), которая способствует увеличению поступлений в водоемы питательных веществ и ускорению процессов эвтрофикации водохранилищ, что часто вызывает быстрый переход водных экосистем через стадию равновесия. Особенно опасными являются поступление фосфора и азота, которые существенно влияют на увеличение продуктивности водоемов, вызывает рост биомассы, в частности, сине-зеленых водорослей. В результате может произойти ускоренная деградация водохранилища с упрощением биоценозов и развитием нежелательных эффектов, определяющих качество воды в водоеме (по дефициту растворенного кислорода, цвету, вкусу, запаху и др.).

Сезонная термическая стратификация развивается в водохранилищах со значительной глубиной в регионах с умеренным климатом. В полузасушливых регионах наряду с сезонной термической стратификацией может наблюдаться и не менее опасная для жизнедеятельности видов соляная стратификация.

Влияние фильтрации на безопасность ГТС. Одним из наиболее характерных последствий наполнения водохранилищ является фильтрация. Фильтрация оказывает как непосредственное силовое воздействие на гидросооружения, вызывая механическую и химическую суффозию грунтов, выщелачивание бетона, так и приводит к потерям воды из водохранилища, подъему уровня грунтовых вод и подтоплению в прилегающих к водохранилищу зонах.

В частности, частой причиной аварий на грунтовых плотинах признается механическая суффозия. По некоторым оценкам из-за механической суффозии произошло около 60% всех разрушений грунтовых гидросооружений, в том числе их пятая часть – после 50 лет эксплуатации. Отмечен случай разрушения грунтовой плотины в результате суффозии спустя 116 лет службы (плотина Эмери в США).

Зафиксирован также ряд крупных аварий на бетонных плотинах, связанных с химической суффозией оснований.

Увеличение проницаемости пород, рост фильтрации и противодавления, является важными причинами аварий бетонных плотин на скальном основании (до 40% всех аварий и 57% аварий, связанных с основаниями). При этом чаще всего повреждались основания, сложенные метаморфическими и осадочными породами.

Избыточная фильтрация часто отражалась на выработке электроэнергии и водоснабжении и справедливо вызывала опасения за устойчивость сооружений. Ликвидация протечек требовала значительных затрат времени и ресурсов. В 4 из 10 случаев избыточная фильтрация стала причиной крушения крупных бетонных плотин.

С повышенным противодавлением связывают около 24% случаев аварий на бетонных гидросооружениях. В начале эксплуатации плотин на рост противодавления существенное влияние оказывают дефекты противофильтрационных завес, спустя 20 – 30 лет службы плотин – выход из строя дренажных систем.

При наличии в основаниях и берегах растворимых пород, в особенности содержащих сульфиды и другие соли металлов (железа, марганца, алюминия, ртути, кадмия), существует опасность химического загрязнения фильтрующих вод, попадание загрязнителей в нижний бьеф и грунтовые воды. Химическое загрязнение грунтовых вод может иметь тяжелые социальные последствия, особенно в сельских районах, сказываясь на питьевом водоснабжении населения и сельскохозяйственном производстве.

Следует также учитывать характер взаимодействия фильтрующей воды, в частности, обладающей высокой жесткостью, с материалами конструкций ГТС. В качестве примера здесь можно привести события в нижнем бьефе плотины на реке Гриндстоун Крик (США), построенной из укатанного бетона. Смешение профильтровавшейся через бетон воды с водами реки вызвало бурное выпадение белого осадка и образование белых потоков по всей речной системе Рио Рекос вплоть до реки Рио Гранде. Несмотря на отсутствие токсичности в осадке, его наличие в реках вызвало панические настроения у населения, настороженность и опасения у многих специалистов.

Для предотвращения опасных последствий фильтрации особую роль играет работоспособность противофильтрационных и дренажных устройств. Дренажные устройства являются одними из наиболее часто используемых средств борьбы с подтоплением и заболачиванием территорий, и от качества их исполнения в значительной мере зависит решение проблем, связанных с фильтрацией из водохранилищ.

Особые факторы воздействий на ГТС при их эксплуатации. Среди особых эксплуатационных воздействий выделяются наполнение и аварийная (так называемая «быстрая») сработка водохранилища, представляющие наиболее ответственные (критические) стадии в жизненном цикле ГТС. Так около 13% всех аварий на грунтовых плотинах произошли при указанных режимах. Аккумуляция наносов в водохранилище приводит к тому, что в некоторых случаях приходится осуществлять их удаление путем промывок, которые также связаны с особыми воздействиями на сооружение и окружающую среду.

При сбросе наносов на обтекаемых потоком поверхностях водосбросов быстрыми темпами развивается абразивная эрозия. Эрозии подвергаются как бетон, так и стальная облицовка затворных камер и закладные детали, в результате чего усиливается обходная фильтрация. Тяжелым абразивным повреждениям подвергаются водобойные колодцы и гасители энергии.

При сбросах нанососодержащего потока через гидроэлектростанцию возникают серьезные угрозы для гидросилового оборудования. В результате поступления наносов в турбинные камеры усиливается их износ и уменьшается выдаваемая мощность. Сильной абразивной эрозии подвергаются направляющий аппарат и лопасти турбин.

Промывки водохранилищ, работающих в каскаде, имеют свою уникальную специфику. Сброс наносов из вышележащего водохранилища неминуемо ведет к их накоплению в нижележащем.

Среди сооружений и объектов, выполняющих особые функции в составе гидроузлов, выделяются водосбросные сооружения и их МО. Водосбросные сооружения (водосбросы) относятся к гидросооружениям, обеспечивающим при выполнении заданных функций надежность и безопасность других гидротехнических объектов в верхнем и нижнем бьефах. В общем случае, с точки зрения обеспечения надежности и безопасности ГТС, других защищаемых объектов должна рассматриваться схема резервирования по пропуску избыточных расходов воды с учетом работоспособности всех водопропускных сооружений (гидроэлектростанций, водосбросов, водовыпусков, водоспусков). Возможность многофункционального применения и перераспределения функциональных заданий между различными структурными единицами водосбросного фронта может иметь не только экономические выгоды, но и способствовать повышению надежности и безопасности ГТС.

Особенности отказов водосбросных сооружений ГТС.

Особенностью отказов водосбросных сооружений ГТС является возникновение угроз для других объектов, причем эти угрозы могут быть вызваны как неспособностью водосброса выполнять свои функции в результате различных нарушений работоспособности, повреждений разрушений конструкции, так и определенными обстоятельствами его использования. Среди последствий неисправностей, отказов и аварий на водосбросных сооружениях выделяются:

- неконтролируемые переливы воды через гребень подпорных сооружений;

- затопления и подтопления объектов в верхнем бьефе;

- местные размывы русла и подмывы гидросооружений, берегов и хозяйственных объектов в нижнем бьефе;

- непредусмотренные проектом гидродинамические нагрузки, с которыми могут быть связанны повреждения конструкций гидросооружений и объектов в районе гидроузла, разжижение грунтов и обрушение грунтовых откосов;

- завалы русла, образование бара и сопутствующее им подтопление гидросооружений со стороны нижнего бьефа;

- образование облаков водяной пыли, насыщение воздуха водой и нарушения в работе электротехнического оборудования, обводнение грунтовых откосов с потерей их устойчивости, обледенение территорий и объектов.

Специфическим вопросом анализа, оценки и обеспечения надежности и безопасности водосбросных сооружений является и учет надежности МО, устанавливаемого на них. Зафиксирован ряд крупных аварий, связанных с неисправностями и отказами МО (разрушением и заклиниванием затворов, выходом из строя подъемных механизмов), с катастрофическими последствиями для напорных сооружений ГТС и объектов в нижнем бьефе.

Среди непосредственных причин аварий на водосбросных сооружениях выделяются:

- несоответствие расчетной пропускной способности водосбросного сооружения параметрам максимального притока воды в водохранилище из-за недостоверности гидрологического прогноза, прорывов вышерасположенных плотин, оползней и обвалов в водохранилище и пр.;

- несоответствие действительной пропускной способности водосбросного сооружения расчетной из-за засорения отверстий, нарушений гидравлического режима и других неблагоприятных отличий режимов его работы от проектных;

- заклинивание затворов водосбросного сооружения и неисправность подъемных механизмов, в том числе и в результате отсутствия их электропитания;

- кавитационная эрозия материалов конструкций и конструктивных элементов водосбросного сооружения;

- абразивная эрозия материалов конструкций и конструктивных элементов водосбросного сооружения;

- гидродинамические нагрузки на конструкции водосбросного сооружения, превышающие расчетные, и связанные с ними резонансные и усталостные явления;

- эрозионное и силовое действие скоростного потока на концевых и отводящих участках водосбросов, размывы русел, разрушения креплений и основания в нижних бьефах;

- выветривание бетона водосбросных трактов в результате процессов замораживания / оттаивания и других факторов окружающей среды, коррозия закладных частей и т. п., ведущие к износу конструкций;

- неготовность водосбросного сооружения к использованию из-за невыполнения требуемых ремонтно-восстановительных и ремонтно-профилактических работ.

Особо опасные разрушения конструкций водосбросов наблюдаются при совместном воздействии нескольких из вышеперечисленных причин, либо когда повреждения, вызванные одной причиной, становятся источником возникновения другого опасного явления.

Характерным видом повреждения поверхностей высоконапорных водосбросов является кавитационная эрозия. Особенно увеличилось за последние десятилетия (примерно на 25%) число тяжелых кавитационных повреждений водосбросных трактов, что, прежде всего, связывают с ростом напоров на ГТС.

Кавитационная эрозия на водосбросах возможна в результате общей и местной кавитации. Общая кавитация наблюдается на входных оголовках поворотах, диффузорных участках, раздельных бычках и обычно определяется недостатками конструкции водосброса или же неблагоприятными отличиями режимов его работы от проектных. Местная кавитация чаще всего наблюдается в водобойных колодцах на гасителях энергии, в затворных камерах, водосбросных трактах и носках-трамплинах и приурочивается к тем или иным конструктивным (пазы затворов, переломы) и технологическим неровностям обтекаемой поверхности. Если возникновение общей кавитации чаще всего вызывается нарушениями проектных условий эксплуатации водосброса, то возникновение местной – дефектами проекта и производства работ.

С технологическими и конструктивными неровностями обтекаемых поверхностей связано около одной трети случаев возникновения кавитационной эрозии. При этом кавитационные повреждения составляют около 40% от общего числа тяжелых повреждений на водосбросах. Повреждения от кавитационной эрозии элементов камер затворов составляют четвертую часть от общего числа аварий. Опасность развития тяжелых последствий в данном случае составляет около 40%.

Достаточно часто (до 20% от общего числа случаев) подвергаются эрозии элементы гасящих устройств водосбросов, однако случаи опасных повреждений при этом сравнительно редки. Меньше подвержены эрозии входные оголовки, выходные порталы и сопряжения ниток водопропускных сооружений, но опасность развития тяжелых последствий в данном случае весьма высока (свыше 50%).

Кавитационная эрозия на современных водосбросах усугубляется и развивается существенно интенсивнее в случае, когда не обеспечена достаточная подача воздуха в кавитационно-опасные зоны аэраторами, выполняющими функцию защиты.

В зависимости от причин возникновения, кавитационную эрозию можно разделить на первичную и вторичную, где последняя обусловливается повреждениями, вызванными другими воздействиями на элементы конструкции. Среди таких воздействий выделяются абразия и гидродинамические нагрузки.

Абразивная эрозия элементов конструкций водосбросов чаще всего встречается при их расположении на низких отметках. Она зафиксирована в донных трубчатых и туннельных водосбросах, на водосливных плотинах с низким флютбетом и в пределах концевых устройств. Концевые устройства обычно подвергаются воздействию абразивной эрозии при несимметричных режимах работы водосброса, способствующих поступлению с нижнего бьефа продуктов размыва несвязных грунтов и разрушения скалы.

В зависимости от причин возникновения, абразивную эрозию также можно разделить на первичную (насосы, поступающие из верхнего бьефа, строительный мусор) и вторичную (продукты разрушения элементов конструкции водосброса и размывов в нижнем бьефе).

Опасные гидротехнические нагрузки (осредненные и пульсационные) возникают преимущественно там, где течение сопровождается отрывом потока от стенок водовода с образованием замкнутых водоворотов областей высокой турбулентности и при различного рода переходных режимах. Причины их возникновения могут быть самые разные. Среди первичных причин выделяются ошибки в проекте, обусловливаемые несовершенством знаний о каком-либо виде нагрузки, и эксплуатация сооружения по схеме, не предусмотренной проектом. Среди вторичных причин – возникновение повреждений, вызванных кавитационной и абразивной эрозией, и вибрации других гидросооружений и оборудования.

Опасные разрушения и размывы скальных пород в нижнем бьефе наблюдаются, как правило, при сопряжении бьефов отбросом струи. При донном сопряжении бьефов значительные местные размывы отводящего русла возможны в тех случаях, когда не происходит достаточного гашения кинетической энергии потока в пределах водобоя и рисбермы, или же (вторичные нарушения) при разрушении водобоя (рисбермы) в результате других воздействий. Так 10% аварий бетонных сооружений связывают с размывом пород основания поверхностным потоком и подмывом сооружений.

Характерной особенностью ГТС являются разные сроки службы отдельных элементов и подсистем. При современном уровне проектирования, строительства и эксплуатации длительность надежной и безопасной службы основных сооружений ГТС (плотин, зданий ГЭС и т. п.) может быть практически неограниченной, если решаются проблемы надежного контроля за состоянием объекта, профилактики, ремонта и реконструкции. Для относительно тонкостенных гидротехнических конструкций, отдельных конструктивных элементов гидросооружений (дренажных и противофильтрационных устройств, креплений, облицовок и т. п.) оборудования, устанавливаемого на ГТС, всегда существует предел износа, связанный с потерей прочности, устойчивости, вибрационной стойкости и других полезных свойств во времени, который может быть достигнут значительно раньше истечения срока службы гидроузла либо плотины в целом, но и здесь после соответствующих ремонтно-восстановительных работ, вплоть до замены поврежденного либо разрушенного элемента, возможно полное восстановление эксплуатационных свойств объекта.

В этой связи, особую роль в обеспечении эксплуатационной надежности и безопасности гидротехнических объектов играет: характер возможных эксплуатационных отказов и аварий на ГТС; резервы времени на предотвращение аварий и динамика протекания аварийных процессов на объекте; вероятные объемы ремонтных и восстановительных работ; резервы времени на ремонт и восстановление; обеспеченность объекта материально-техническими и социальными ресурсами, которые необходимы для проведения профилактических и ремонтно-восстановительных работ.

Среди других эксплуатационно-технологических факторов, которые в значительной мере могут определять надежность и безопасность ГТС, следует также выделить опасности нарушения электроснабжения, отказа средств связи, ошибки прогноза воздействия объекта на окружающую среду и т. п.

Информационная служба