Площадь и глубина затопления зависят от параметров волны прорыва и топографических условий местности. После прекращения подъема наступает более или менее длительный период движения потока, близкий к установившемуся. Этот период тем длительнее, чем больше объем водохранилища. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней воды. Хвост волны (конец волны) двигается еще медленнее, чем ее гребень.
Вследствие различия скоростей трех характерных точек (фронта, гребня и хвоста) волна постепенно «распластывается» по длине реки, уменьшая свою высоту и увеличивая длительность прохождения в очередном створе.
После прохождения волны прорыва русло реки обычно сильно деформируется вследствие большой скорости течения воды в волне прорыва.
Разрушительное действие волны прорыва является результатом резкого изменения уровня воды в нижнем и верхнем бьефах при разрушении напорного фронта и образования потока, перемещающегося с большой скоростью, изменения под его воздействием прочностных характеристик грунта.
Основные оценочные параметры волны прорыва (попуска):
· максимальная в данном створе высота волны Нв и глубина потока Н=Нв + hб (hб – глубина реки до прохождения волны или бытовая глубина);
· скорость движения Сфр, Сгр, Схв и времена добегания tфр, tгр, tхв характерных точек волны прорыва до различных створов, расположенных ниже гидроузла;
· длительность прохождения волны Тв в выделенных створах, равную сумме времени подъема Тпод и спада Тсп уровня воды в них;
· средние Vср и поверхностные Vпов скорости течения в различных створах;
· наибольшая ширина В затопления речной долины.
Масштабы чрезвычайных ситуаций при аварии на ГОО, сопровождающиеся образованием волны прорыва, зависят от типа и класса гидротехнического сооружения напорного фронта, от вида аварии (главным образом от размеров прорана), от параметров водохранилища и плотины (дамбы), от характеристик русла в нижнем бьефе, а также от топографических и гидрографических условий местности, подвергаемой затоплению. Поэтому прогнозирование возможного масштаба такой чрезвычайной ситуации должно осуществляться еще на стадии проектирования ГОО.
Так, например, от прорыва плотины Череповецкой ГЭС на реке Шексне (Вологодская область) возможно образование трех зон катастрофического затопления с общей площадью 0,5 тыс. кв. км, в которые попадают один город (Череповец - частично), один поселок городского типа (Шексна – частично), один сельский населенный пункт с проживающим в них населением общей численностью 3,6 тыс. человек.
Чрезвычайные ситуации, возникающие в результате разрушения сооружений напорного фронта и характеризующиеся основным поражающим фактором – волной прорыва и, соответственно, катастрофическим затоплением местности, нередко сопровождаются вторичными поражающими факторами:
· пожарами – вследствие обрывов и короткого замыкания электрических кабелей и проводов;
· оползнями, обвалами – вследствие размыва грунта;
· инфекционными заболеваниями – вследствие загрязнения питьевой воды, продуктов питания и др.
Причины аварий, сопровождающихся прорывом гидротехнических сооружений напорного фронта и образованием волны прорыва, могут быть различны, как говорилось выше, но чаще всего такие аварии происходят по причине разрушения основания сооружения и недостаточности водосбросов. Процентное соотношение различных их причин приведено в таблице.
Частота различных причин аварий гидротехнических сооружений, сопровождающихся образованием волны прорыва
| Причина разрушения | Частота, % |
| Разрушение основания | 40 |
| Недостаточность водосбросов | 23 |
| Конструктивные недостатки | 12 |
| Неравномерная осадка | 10 |
| Высокое пороговое (капиллярное) давление в намытой плотине | 5 |
| Военные действия | 3 |
| Сползание откосов | 2 |
| Дефекты материалов | 2 |
| Землетрясения | 1 |
| Неправильная эксплуатация | 2 |
| ВСЕГО: | 100 |
Процентное соотношение аварий для различных типов плотин представлено в таблице.
Частота аварий для различных типов плотин
| Тип плотины | Аварии, % |
| Земляная плотина | 53 |
| Защитные дамбы из местных материалов | 4 |
| Бетонная гравитационная | 23 |
| Арочная железобетонная | 3 |
| Плотины других типов | 17 |
| ВСЕГО: | 100 |
Основной причиной прорыва естественных плотин, образованных при образовании запруд в речном русле обрушившимися массами горных пород (при землетрясениях, обвалах, оползнях), либо массами льда (при движении ледников), является их перелив через гребень такой плотины и размыв ее основания.
Устойчивость и прочность гидротехнических сооружений напорного фронта задается по максимальным расчетным значениям уровня воды, скорости ветра, высоты волны, определяемым в соответствии со СНиП 2.01.14-88 [3].
Все основные причины разрушений и аварий плотин можно классифицировать, разделив на четыре группы:
1. Недостаточная прочность (или устойчивость сооружений, оснований и берегов на сдвиг), а также большие деформации – осадки, смещения, пучения, необратимые деформации.
2. Длительное воздействие поверхностного и фильтрационного потоков, вызывающих механическую суффозию, эрозию материалов сооружений и оснований; старение материала сооружения, ухудшение его свойств, выветривание пород, засорение дренажей.
3. Нарушение нормального функционирования сооружений гидроузлов при отказе затворов или засорения водопропускных отверстий плавающими предметами, донными наносами и др.
4. Экстраординарные воздействия типа землетрясения, взрыва, различных природных катастроф, а также при перегрузках, вызванных авариями на гидроузлах, расположенных выше по течению.
Основная причина аварий – перелив воды через гребень плотины, который может быть вызван недостаточной пропускной способностью или неисправностью водосливов, прорывом вышерасположенной плотины, неправильной ее эксплуатацией, ледовыми нагрузками, наблюдаемыми во время ледохода и др [6].
Разрушение плотины в рассматриваемой чрезвычайной ситуации произошло по следующему сценарию:
- прохождение паводка редкой повторяемости с обеспеченностью от 0,1 до 0,01%;
- неполная готовность механического оборудования к пропуску паводковых вод;
- заполнение водохранилища выше отметки ФПУ = 142,00;
- перелив воды через гребень плотины;
- размыв гребня и низового откоса плотины, начало образования прорана;
- резкий сброс воды;
- землетрясение мощностью 3-4 балла как результат гидравлического удара;
- частичное разрушение плотины.
Анализ данного сценария развития аварии показывает, что в данном случае имел место комплекс наиболее распространенных причин: разрушение основания (размыв гребня и низового откоса – 40%), конструктивные недостатки (плотина построена без учета сейсмического воздействия – 12%), неправильная эксплуатация (неподготовленность к пропуску паводка, допущение резкого сброса – 2%) и землетрясение (1%). Таким образом, рассматриваемая чрезвычайная ситуация отражает причины и последствия наиболее повторяющихся аварий, происшедших на гидротехнических сооружениях.
Гидротехнические сооружения расположены на реке Уфе. Площадь водосброса – 46 500 км2. Расчетный максимальный расход воды обеспеченностью 0,1% - 8 200 м3/сек (проверочный расчетный случай).
Строительство началось в 1950 г., завершилось в 1961 г. Все гидросооружения по ГОСТ 3315-46 отнесены ко второму классу. В состав гидроузла входят: здание ГЭС совмещенное с водосливом, подводящий канал, отводящий канал, глухие русловая и левобережная грунтовые плотины, шлюз-водосброс, водохранилище. Длина напорного фронта гидротехнических сооружений – 810 м.
Расчетный сбросной расход воды через водопропускные сооружения при нормальном (НПУ=140, 00) – 6515 куб. м/сек и форсированном (ФПУ=142, 00) – 8035 куб. м/сек подпорных уровнях соответственно. Максимальный сбросной расход через гидроузел, определенный Правилами эксплуатации Павловского водохранилища (1995 г.), составляет 8050 куб. м/сек.
Полный объем водохранилища – 1 410 млн. м3. Полезный объем водохранилища – 895 млн. м3. В соответствии с картами оценки сейсмического районирования (ОСР-97), применяемыми с 1998 года в качестве нормативно-технических документов, для района расположения гидроузла подтверждена сейсмическая активность 5 баллов [4].
В результате паводка редкой повторяемости (0,1- 0,01 % обеспеченности) уровень воды в водохранилище увеличивается с большой скоростью. Вследствие неподготовленности механического оборудования, в том числе шлюза-водосброса, постепенный сброс паводковых вод не проводился. Происходит переполнение водохранилища выше отметки ФПУ=142,00, после которого произошел перелив воды через гребень, его размыв и размыв низового откоса, начинается образование прорана.
Во избежание разрушения плотины производится резкий сброс воды, т.к. техническое состояние шлюза-водосброса не позволяет сделать это постепенно. Гидравлический удар вызывает землетрясение мощностью 3-4 балла, которое, вследствие того, что строительство плотины проводилось без учета сейсмического воздействия, разрушает плотину.