В настоящей статье оценка надёжности выполнена по данным сооружений, претерпевших аварию. Причины двух форм аварии – разрушения или повреждения определяются с позиции возможного внешнего воздействия f (L) или недостаточной сопротивляемости подсистемы «плотина» или «основание» f(R) (рис. 1.4.4). При этом отказы будут иметь место в случае L > R (заштрихованная область на рис. 1.4.4). Кроме того, не следует забывать, что сооружения стареют, а требования к их надёжности (безопасности) – повышаются. Аварии техногенных систем – всегда ошибка специалиста вне зависимости от того, вызвана ли она недооценкой внешней нагрузки или недостаточной сопротивляемостью, допущенная в период изысканий, проектирования, строительства или эксплуатации.
Многофакторность анализа причин заключается в последовательном рассмотрении различных внешних воздействий и факторов сопротивляемости им для каждого сооружения в отдельности. Важным в этой части работы является выделение реальных моделей отказов, оценка вклада данных моделей в общее число отказов сооружения, изучение характера протекания физических процессов взаимодействия в системе «внешняя среда – сооружение» при отказах в зависимости от свойств основания, скорости протекания процессов отказа.
В многофакторной модели надежности бетонных плотин по данным фактических отказов выделены две группы факторов.
1) внешние воздействия (f (L) на рис. 1.4.4):
- давление воды при заполнении и эксплуатации водохранилища в пределах нормального подпорного горизонта;
- объем паводка выше расчетной величины;
- сейсмические;
- температурные;
- другие, в том числе строительного периода, когда допускается более высокий риск отказа.
2) группа факторов, характеризующих сопротивляемость скальных оснований бетонных плотин (f (R) на рис. 1.4.4):
- чрезмерная проницаемость основания (фильтрация и противодавление);
- деформационная неоднородность массива основания;
- недостаточная прочность на сдвиг в основании плотины или в береговых примыканиях;
- размываемость пород в нижнем бьефе.
В таблице 1.4.4. представлены результаты анализа аварий 240 (разница между упомянутым числом 380 аварий бетонных плотин, учтенных в работе СИГБ, или 240 – в таблице 1.4.4. составляет число аварий, связанных с телом плотины) бетонных плотин, рассматриваемых в соответствии с многофакторной методикой.
Приведенные в таблице 1.4.4. данные показывают, что наибольшее число аварий связано с действием постоянного для гидротехнических сооружений фактора – давления воды при заполнении водохранилища. На долю других внешних воздействий приходится 22,5 % аварий, из которых большая часть (63%) связана с действием чрезвычайных паводков. Наибольшее число аварий произошло в процессе первоначального наполнения водохранилища или в первые годы эксплуатации сооружения, т.е. в условиях, которые должны быть учтены при проектировании. Это свидетельствует о существенной значимости оценки свойств системы «сооружение», в том числе ее подсистемы «основание» при расчетных нагрузках, и должно учитываться инженерами, собирающимися сэкономить на изыскательных работах.
Таблица 1.4.4.
| Значимые свойства | Значимые внешние воздействия | ||||
| заполнение водохранилища | паводки | сейсмические | другие | всего | |
| Чрезмерная проницаемость | 110 | 6 | 2 | 2 | 120 |
| Деформационная неоднородность | 42 | 2 | 3 | 2 | 49 |
| Недостаточная прочность на сдвиг | 24 | 2 | 4 | 5 | 35 |
| Размываемость | 7 | 24 | -- | 1 | 32 |
| Другие | 3 | -- | 1 | -- | 4 |
| ВСЕГО: | 186 | 34 | 10 | 10 | 240 |
Уровень годовой интенсивности отказов бетонных плотин с учётом фактической наработки на отказ составляет:
- по разрушению – 0,34Е-04
- по повреждению – 0,45Е-03.
Негативные социальные последствия катастроф плотин – наиболее чувствительный индикатор отношения общества к плотиностроению требует наиболее осторожных оценок, а открытая публикация и оценка этих данных является признанием вероятного характера аварий и катастроф.
В таблице 1.4.5. приведены данные по числу человеческих жертв в результате разрушения плотин. Годовая величина риска гибели людей в результате разрушения плотин всех типов может быть оценена – 1,4Е-07 – 5,1Е-08.
Различные внешние силовые воздействия имеют независимую природу и проявляются во время эксплуатации сооружения. Анализ этих воздействий следует производить раздельно. Это необходимо для оценки возможного риска отказа в пределах расчётного периода времени эксплуатации сооружения. В таблице 1.4.6. дано распределение 240 рассмотренных отказов скальных оснований бетонных плотин во внешних воздействий по уровням значимости.
По данным таблицы 1.4.6. следует, что отказы при заполнении водохранилищ составляют 78% от общего числа отказов, в том числе – 45% разрушений.
| Таблица 1.4.5. | |||||||||||
| Последствия наиболее крупных катастроф плотин. | |||||||||||
| №№ пп | Наименование плотины, страна | Год катастрофы | Объем водохранилища, млн. куб. м | Число жертв, чел. | Убытки | ||||||
| 1 | Пуэнтес, Испания | 1802 | 52 | 680 | -- | ||||||
| 2 | Шеффилд, Англия | 1864 | 3 | 238 | -- | ||||||
| 3 | Хабра, Алжир | 1881 | 30 | 209 | -- | ||||||
| 4 | Саут Форк, США | 1889 | 18,5 | 2209 | 150 млн. долларов | ||||||
| 5 | Бузи, Франция | 1894 | 7 | 156 | 40 млн. марок | ||||||
| 6 | Байлес, США | 1911 | 1 | 75 | -- | ||||||
| 7 | Тигра, Индия | 1917 | 126 | 1000 | -- | ||||||
| 8 | Глено, Италия | 1923 | 5 | 500 | 150 млрд. лир | ||||||
| 9 | Эйджи, Англия | 1925 | 4,5 | 16 | -- | ||||||
| 10 | Сен Френсис, США | 1928 | 46 | 428 | 100 млн. долларов | ||||||
| 11 | Зербино, Италия | 1935 | 18 | 130 | 25 млрд. лир | ||||||
| 12 | Вега де Терра, Испания | 1959 | 8 | 144 | -- | ||||||
| 13 | Мальпассе, Франция | 1959 | 47 | 421 | 68 млн. долларов | ||||||
| 14 | Вайонт, Италия | 1963 | 168 | 1899 | 100 млн. долларов | ||||||
| 15 | Койна, Индия | 1967 | 2780 | 216 | -- | ||||||
| 16 | Титон, США | 1976 | 308 | 11 | 1 млрд. долларов | ||||||
| 17 | Мачху II, Индия | 1979 | 100 | 2000 | -- | ||||||
| 18 | Тоус, Испания | 1982 | 50 | 28 | 360 млн. долларов | ||||||
| 19 | Кисилевское, Россия | 1993 | 32 | 16 | 40 млрд. рублей | ||||||
| Распределение отказов скальных оснований бетонных плит вследствие внешних воздействий | |||||||||||
| №№ пп | Внешние воздействия | Всего отказов | В том числе разрушений | % | % | ||||||
| 1 | Заполнение и эксплуатация водохранилища | 186 | 8 | 0,78 | 0,45 | ||||||
| 2 | Паводки | 34 | 7 | 0,14 | 0,39 | ||||||
| 3 | Сейсмические воздействия | 10 | 2 | 0,04 | 0,11 | ||||||
| 4 | Другие (температурные, заиление идр.) | 10 | 1 | 0,04 | 0,05 | ||||||
| ВСЕГО: | 240 | 18 | 1 | 1 | |||||||
Поскольку гидростатическое давление воды при заполнении водохранилища является расчётной нагрузкой и должно учитываться при проектировании сооружения, очевидно, что отказы в этих случаях являются следствием недостаточной сопротивляемости системы «сооружение», в том числе его подсистемы «основание».
В таблице 1.4.7. дан перечень 18 разрушившихся бетонных плотин с выделением причин их аварий по многофакторной модели.
| Таблица 1.4.7. | ||||
| Причины разрушения бетонных плотин на скальном основании | ||||
| №№ пп | Название плотины, страна | Тип*; высота плотины, м | Причины разрушения | |
| внешние воздействия | сопротивляемость | |||
| 1 | Аустин, США | Г; 18,3 | Паводок | Сдвиг |
| 2 | Байлес, США | Г; 15,2 | Наполнение водохранилища | Сдвиг, фильтрация |
| 3 | Бузи, Франция | Г; 22 | Наполнение водохранилища | Сдвиг, противодавление |
| 4 | Зербино, Италия | Г; 16,5 | Паводок | Размыв основания |
| 5 | Каньон дель Пато, Перу | Г; 20 | Землетрясение | -- |
| 6 | Коморо, Япония | Г; 16 | Наполнение водохранилища | Фильтрация |
| 7 | Ламер, США | А; 19 | Паводок | Фильтрация |
| 8 | Мальпассе, Франция | А; 66,5 | Наполнение водохранилища | Противодавление, сдвиг |
| 9 | Мое Ривер, США | А; 16 | Паводок | Размыв примыкания |
| 10 | Понтеба, Алжир | Г; 10 | Землетрясение | Сдвиг |
| 11 | Рутта, Италия | А; 15 | Наполнение водохранилища | Фильтрация |
| 12 | Свитуотер, США | Г; 39 | Паводок | Размыв примыкания |
| 13 | Стони, США | К; 16 | Наполнение водохранилища | Размыв, фильтрация |
| 14 | Сен Френсис, США | Г; 62,5 | Наполнение водохранилища | Деформационная неоднородность, фильтрация |
| 15 | Тигра, Индия | Г; 27,5 | Паводок | Сдвиг |
| 16 | Хиригуэра, Испания | Г; 42 | -- | Сдвиг |
| 17 | Хиронаи, Япония | Г; 14 | Наполнение водохранилища | Размыв в нижне бьефе |
| 18 | Эль Хабра, Алжир | Г; 34 | Паводок | Размыв основания |
| * Г - гравитационная; А - арочная; К - контрфорсная. | ||||
Ниже рассмотрены аварии плотин с катастрофическими последствиями, связанные с недооценкой отдельных факторов.