Научная статья на тему 'Анализ деформаций каменно-набросной плотины Малоульбинского водохранилища и возможные последствия ее катастрофического разрушения'

Анализ деформаций каменно-набросной плотины Малоульбинского водохранилища и возможные последствия ее катастрофического разрушения Текст научной статьи по специальности «Геофизика»

145
99
Поделиться
Область наук

Похожие темы научных работ по геофизике , автор научной работы — Хасенов К.Б., Гета Р.И., Хахулина Н.Б., Калеева К.М.,

Текст научной работы на тему «Анализ деформаций каменно-набросной плотины Малоульбинского водохранилища и возможные последствия ее катастрофического разрушения»

УДК 528.2:556.06

К.Б. Хасенов, Р.И. Гета, Н.Б. Хахулина, К.М. Калеева ВКГТУ, Усть-Каменогорск

АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ КАМЕННО-НАБРОСНОЙ ПЛОТИНЫ МАЛОУЛЬБИНСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА И ВОЗМОЖНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЕЕ КАТАСТРОФИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ

Мало-Ульбинское водохранилище (Западный Алтай, Республика Казахстан) находится в 35 км к юго-востоку от г. Риддера ВосточноКазахстанской области, в верховьях р. Малой Ульбы, на высоте свыше 1500 м над уровнем моря. Водохранилище было создано в 1930-е годы (введено в эксплуатацию в 1938 г.) для покрытия дефицита воды Риддерского промышленного узла, коммунального водоснабжения г. Риддера и энергетики.

Малая Ульба - левый крупнейший приток р. Ульбы, который последняя принимает на расстоянии 25 км от устья. Длина реки 119 км, площадь

л

бассейна - 2 300 км , лесистость достигает 50%. Истоки Малой Ульбы лежат вблизи горного узла Западного Алтая с высотами 2 300 - 2 500 м. В самом верховье Малая Ульба представляет собой горный ручей, скатывающийся с почти отвесного склона. Затем склоны уменьшаются, и река выходит на безлесное холмистое плато (район водохранилища). На этом участке река близко подходит к Левой Громотухе, одному из истоков р. Ульбы, отделяясь от нее невысоким водоразделом. Ниже водохранилища оно входит в узкое ущелье и около 7 км течет бурным потоком с большими уклонами. В среднем течении ее неширокая долина неоднократно сужается подступающими горами. Средневзвешенный уклон потока из исток до устья составляет 7,7%.

Бассейн Малой Ульбы имеет развитую речную сеть, чему благоприятствует горный рельеф территории и высокие атмосферные осадки (до 2 000 мм в год, толщина снежного покрова на водохранилище в отдельные годы достигает 6 м).

л

Коэффициент густоты речной сети в бассейне составляет в среднем 0,47 км/км ,

л

достигая местами 0,84 км/км .

Главным источником питания являются талые воды, пик половодья чаще всего приходится на май. Его максимум за период наблюдений у с. Горная Ульбинка (2130 км ) составил 1060 м /с (29 мая 1979г.), наивысший расход

-5

дождевого паводка - 516 м/с, отмечен 21 сентября 1970 года.

Водохранилище образовано в русле Малой Ульбы каменно-набросной плотиной высотой 34,5 м и длиной по гребню 367 м. Ширина гребня 5 м, наибольшая ширина плотины по низу - 74,5 м. Отметка гребня - 1574,00 БС. В плане плотина имеет криволинейное очертание и крутую напорную грань. Помимо каменно-набросной плотины, в понижениях водораздельного хребта между бассейном Малой Ульбы и Левой Громотухи возведены две земляные, в одной из которых устроен тоннельный водоспуск для сброса воды из водохранилища в Левую Громотуху. Высота первой плотины 15 м. протяженность по гребню 310 м, высота второй 14 м, протяженность 195,5 м. Проектные отметки гребней 1575,00 БС. Между собой плотины разделены небольшой песчаной грядой.

Площадь зеркала водохранилища при НПУ 1 572,00 БС составляет 6,5 км , длина 5 км, наибольшая ширина 3 км. Средняя глубина водоема 13,4 м,

Л

наибольшая глубина 31,5 м. Площадь водосбора 40,5 км . Расчетный объем

-5

водохранилища при НПУ 88,3 млн. м , минимальный уровень сработки -

-5

1549,00, полезный объем составляет 84,2 млн. м .

Для предотвращения фильтрации через каменно-набросную плотину в ее основании заложен бетонный зуб, заглубленный в скалу на глубину 6 -11 м. под которым устроена цементная завеса. В верховой стенке плотины до отметки 1569,00 первый метр кладки выполнен на цементном растворе. Водонепроницаемость плотины обеспечивается деревянным экраном из трех взаимно перпендикулярных слоев досок из лиственницы, уложенных по напорному откосу плотины. Между слоями досок уложены два слоя битумных матов. Доски с обеих сторон сжаты брусьями, стянутыми прижимными болтами. Внутренние брусья к кладке прикреплены анкерными болтами. Для предотвращения фильтрации через плотину №1 в ее теле заложен экран из суглинка, сопряженный со скалой при помощи зуба глубиной 4 м. Плотина №2 имеет только противофильтрационный экран и понур, выполненные из суглинка.

Заполнение водохранилища происходит в весенне-летний период, а зимой, когда естественный сток падает, накопленные запасы воды через водоспуск сбрасываются в Левую Громотуху, откуда вода поступает на сооружения Ульбинского каскада ГЭС и к другим потребителям г. Риддера.

Практически с самого начала эксплуатации Малоульбинского водохранилища были обнаружены деформации каменно-набросной плотины, проявившиеся в виде осадки и горизонтального смещения гребня. К августу 1980 г. максимальная величина осадки в центральной части плотины (марка15) составила 217 мм. Створные измерения показали, что в центральной ее части (марки 17, 19, 21 и 23) смещение гребня в сторону нижнего бьефа достигло 597662 мм. При этом более значительному смещению подвергся прямолинейный участок плотины (восточное крыло). Основной причиной смещения гребня, по-видимому, следует считать гидростатическое давление водной массы на напорную грань [5].

Исследование состояния сооружения показало также, что сухой откос из каменной наброски, хорошо уложенный при строительстве на многих участках превратился в хаотическое нагромождение камней. Из-за отсутствия капитального ремонта разрушаются многие элементы конструкций плотины. Противофильтрационный деревянный экран, особенно в зоне колебания уровня, сильно поврежден и находится в плохом состоянии.

Величина фильтрации воды через тело плотины невелика, в зависимости от уровня воды в водохранилище она колеблется в пределах 28-68 л/с, с тенденцией к увеличению. Земляные плотины также находятся в неудовлетворительном состоянии.

Из-за неудовлетворительного состояния плотин, особенно

противофильтрационного экрана каменно-набросной плотины, водохранилище заполняется в настоящее время лишь до отметки 1567,00 БС.

Высота напора в этом случае составляет около 28 м, на 5 м меньше проектного.

Хотя специалисты, неоднократно проводившие обследование подпорных сооружений водохранилища, отмечают их надежность, ссылаясь на продолжительный опыт эксплуатации каменно-набросных плотин, все же необходимо признать наличие определенного риска, обусловленного самим существованием водохранилища. Расположенное более чем на 1000 м выше г. Усть-Каменогорска и более чем на 700 м выше г. Риддера, Малоульбинское водохранилище представляет реальную опасность. В случае разрушения одной из плотин, большая масса воды может создать катастрофическую ситуацию для населенных пунктов, расположенных ниже водохранилища.

В мировой практике известны катастрофы, связанные с разрушением плотин. Одна из таких трагедий произошла 31 мая 1889 г на р. Литл-Коунфман (штат Пенсильвания, США). В результате вызванного проливными дождями переполнения водохранилища, образованного на реке 20-метровой каменнонабросной плотиной Саунт-Форк, вода начала переливается через ее гребень, размывая низовой откос. В итоге произошло разрушение плотины и через пролом 20-метровой глубины, мощный поток воды устремился вниз. Был полностью уничтожен расположенный в 16 км ниже по течению городок Джонстаун, погибло 2 209 человек.

Возможность разрушения плотин Малоульбинского водохранилища может быть обусловлено как отдельными причинами (переполнение, вызванное длительными и обильными осадками, землетрясение силой 7-8 баллов), так и их наложением. Несмотря на малую вероятность этих событий, исключать их возможность было бы неверным, учитывая участившиеся в последнее время случаи природных аномалий. В случае катастрофы существенную роль будет играть степень наполнения водохранилища, время года и суток.

Вероятность выпадения в районе водохранилища обильных и длительных осадков достаточно высокая. Средняя многолетняя (19301948 гг.) годовая величина осадков по станциям Малая Ульба (1577 м), приведенная к показаниям приборов и исправленная поправками, составляет 1891 мм [1]. На уровне снеговой границы (2100-2300 м) годовые осадки могут достигать даже 2500 мм.

Максимальная сумма месячных осадков (964 мм) в районе водохранилища зарегистрирована в мае 1971 г., а суточный максимум, обеспеченностью 16%, составил 174,1 мм (29 мая 1979г.). За период 19781987 гг. здесь отмечено 160 случаев выпадения осадков свыше 30 мм, в том числе 56 случаев с осадками от 50 до 100 мм [2].

Хотя полное и мгновенное разрушение водохранилища маловероятно, но, оценивая возможные катастрофические последствия, следует исходить из реальности именно такой ситуации.

В первом приближении максимальный расход воды ^мак) при прорыве плотины можно оценить по формуле, рекомендованной Корпусом американских военных инженеров:

Омак = 0,29 * g * К0,28 * В * Н1,5, (1)

где g - ускорение силы тяжести, фут/с2;

В - ширина прорыва, фут;

Н - глубина в месте прорыва, фут;

К - коэффициент, в случае сплошного прорыва принимается равным

1,00.

В случае сплошного прорыва каменно-набросной плотины Малоульбинского водохранилища, заполненного до проектного уровня, и с учетом коэффициента сжатия потока, принимаемого равным 0,5, величина

-5

расхода прорыва, согласно формулы (1), может достигать 20 000 м/с. Максимальный расход прорыва через земляные плотины будут в пределах 3 000- 4000 м3/с.

Образовавшаяся волна паводка характеризуется неустановившимся режимом движения. В полной форме неустановившийся режим движения воды в русле описывается уравнениями Сен-Венана в частных производных. Решение этих уравнений дает возможность получить значение расхода воды, уровня, площади живого сечения и скорости течения в зависимости от времени и расстояния по длине потока. Однако решение этой системы не линейных дифференциальных уравнений сопряжено с большими трудностями. Среди упрощенных методов расчета, не установившегося движения воды в русле, следует назвать метод Маскингам [3], метод Г.П. Калинина - П.И. Милюкова, метод кривых добеганий, метод соответственных уровней и расходов [4].

На начальном этапе расследования данного вопроса, оценка характеристик движения воды прорыва по руслу Малой Ульбы в первом приближении оценена по формулам гидравлики с использованием в дальнейшем более строгих методов расчета, или же физического моделирования полученных результатов на основе критериев подобия.

Полный сброс воды из водохранилища при среднем расходе прорыва

-5

порядка 7000 - 8000 м /с произойдет за 3 - 4 часа. Рассчитанная по формуле Шези-Маннинга средняя скорость потока по руслу Малой Ульбы составит в среднем 5-6 м/с. Следовательно, устья паводочная волна достигнет примерно за 5 часов. По реке будет двигаться высокий вал воды с относительно крутой фронтальной поверхностью и более пологой тыловой.

Для приближенной оценки величины максимально трансформированного руслом расхода прорыва в устье Малой Ульбы использована формула Г.А. Алексеева. Связывающая скорость течения по длине реки (V ср) с максимальным расходом воды в замыкающем створе и средневзвешенным ^ ср. взв) уклоном потока.

V = я * О 0,25 * 1 0,33

* ср а Q мак 1 ср. взв (2)

При среднем значении а = 0,15 и величине средневзвешенного уклона в нижнем течении Малой Ульбы 2%, средней скорости течения, по Шези-Маннингу, 2,0 м/с, величина максимально трансформированного расхода в

-5

устье реки составит около 10 000- 12 000 м3/с. Движущаяся с большой скоростью такая масса воды, обладающая огромной кинетической энергией,

способна произвести большую разрушительную работу. Поток увлечет вниз по течению камни плотины, донную отмостку русла, продукты выветривания со склонов долины и поймы, обломки деревьев, формируя мощный водно-грязе-каменный поток. При выбросе этой селевой массы в русло р. Ульбы возникнет подпор уже ее течению (что особенно опасно в период паводка или половодья) с последующим прорывом и выносом этой массы отложений и большого количества воды в р. Иртыш.

Следствием катастрофы могут быть повреждения или разрушения производственных и жилых строений, коммуникаций, человеческие жертвы. Последующая аккумуляция выноса в русле Иртыша приведет к нарушению его режима и изменению русла на участке Усть-Каменогорская ГЭС - Шульбинское водохранилище, ухудшению условий судоходства, нанесет ущерб водному хозяйству, гидроэнергетике, создаст экологические проблемы ниже по течению Иртыша. В настоящее время Малоульбинское водохранилище не имеет того водохозяйственного и энергетического значения, которое оно имело в 1930 -1950 гг. С переходом г. Риддер на другие источники водоснабжения и с учетом возможных катастрофических последствий для ниже расположенных населенных пунктов целесообразен его спуск с последующим разрушением каменно-набросной плотины.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Голубцов В.В., Ли В.В, Предварительная оценка элементов водного баланса горных бассейнов Западного Алтая // Тр. Каз. РНИИ. - Вып. 98. - М.: Гидрометеоиздат, 1985.

2. Климат Юго-Западного Алтая / Под ред. А.В. Егориной. - Усть-Каменогорск,

2002.

3. Линслей Р.К., Колер М.А., Паулюс Д.Л. Прикладная гидрология. Перевод с англ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1962.

4. Нежиховский Р.А. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.

5. Хасенов К.Б., Хахулина Н.Б. Отчет по топографо-геодезическим работам, выполненным для наблюдения за каменно-набросной плотиной Мало-Ульбинского водохранилища ВКО, Усть-Каменогорск, 2004.

© К.Б. Хасенов, Р.И. Гета, Н.Б. Хахулина, К.М. Калеева, 2005