CC BY
114
ГИДРАВЛИКА И ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 627.82.042
ПРОБЛЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОСООРУЖЕНИЙ В РОССИИ
Ю.П. Ляпичев
Российский университет дружбы народов 117198, ул. Миклухо-Маклая, д. 6, г. Москва, Россия
Нынешнее состояние большинства гидросооружений в России и особенно крупных плотин — Саяно-Шушенской и Богучанской ГЭС оценивается как опасное. Кратко рассмотрены основные причины такого положения и пути выхода из него. Одним из срочных необходимых мероприятий является подготовка высококвалифицированных инженеров-исследователей в области оценки безопасности гидросооружений. Перечислены основные направления магистерской программы «Безопасность гидросооружений» в РУДН.
Ключевые слова: Саяно-Шушенская ГЭС, программа «Безопасность гидросооружений» в РУДН.
В России построено 9 высоких (свыше 100 м) бетонных плотин ГЭС, в том числе Саяно-Шушенская, Чиркейская, Бурейская, Братская, Красноярская и др. Все они уникальны по своей конструкции, геологическим условиям основания, особенностям воздействий и условиям эксплуатации. Среди них одной из самых уникальных в мире высоких плотин, отличающихся сложностью конструкции, является арочно-гравитационная Саяно-Шушенская (242 м) плотина.
Из 30 самых мощных ГЭС мира 6 построены в Российской Федерации, из них Саяно-Шушенская (6400 МВт) занимает 7-е место. По мощности ГЭС России — на 5-м месте. Плотины большинства ГЭС России мощностью более 10 мВт имеют большую высоту (50—100 м и более) и расположены в горных или предгорных районах, равнинные ГЭС имеют плотины высотой до 50 м.
Чрезвычайную опасность представляют аварии и разрушения больших плотин, так как с увеличением высоты плотин и объемов водохранилищ повышается степень риска, которому подвергаются население, хозяйственные и природные объекты в нижних бьефах (НБ) гидроузлов. Анализ последней мировой статистики (2001 г.) аварий плотин, построенных современными методами, говорит о невозможности достижения их абсолютной безопасности. Вероятность аварий
порядка 0,0001—0,00001 допускают зарубежные, в том числе российские нормы, т.е. риск аварий гидросооружений (ГС) существует всегда, и определенный уровень риска заложен в нормы их безопасности. Важно знать, какой уровень риска допустим и обеспечивает достижение максимальной выгоды при минимальной опасности.
Нормирование ГС осуществляется двумя путями. Первый предусматривает разделение ГС в зависимости от их капитальности на классы. Каждому классу соответствуют определенные требования по безопасности, которые обеспечиваются регламентацией нагрузок и воздействий на ГС и системой нормативных коэффициентов. Это путь установления нормативной технической безопасности ГС, т.е. отнесение ГС к тому или иному классу должно обеспечивать требуемый уровень безопасности.
Второй путь — регламентация риска как вероятности аварии ГС. Нормативное значение риска может устанавливаться в целом для отрасли. Например, 10-7 (т.е. 0,0000001) аварий на один ядерный реактор в год в атомной энергетике, 10-9 аварий на один час полета в авиации и т.д. В гидротехнике значения нормативного риска согласуются со статистическими данными аварий ГС (плотин), т.е. 10-3—10-5 аварий в год в зависимости от типа ГС и других факторов. Число аварий плотин (в основном земляных) в мире за последние 10—20 лет имеет тенденцию к росту наряду с ростом крупных техногенных аварий на других объектах. Из этих данных следует, что при разного рода катастрофах (в авиации, при пожарах, выбросах хлора, авариях реакторов АЭС), исключая дорожные происшествия (ДП), чаще всего чрезвычайные ситуации возникают в авиации, реже — при пожарах, третье место по частоте событий с летальными случаями занимают прорывы плотин, затем выбросы хлора и аварии на 100 реакторах АЭС. Наибольшее число летальных исходов — при прорыве плотин и выбросах хлора, затем при пожарах, авиационных катастрофах и авариях АЭС.
В Российской Федерации и бывшем СССР пока не было случаев разрушения крупных плотин, но аварийные ситуации возникали неоднократно, особенно на дамбах хвостохранилищ предприятий горнорудной и металлургической промышленности.
Крупные гидроузлы в СССР создавались согласно нормам (СНиП), отличавшимся высокими требованиями к расчетам максимальных расходов паводков различной обеспеченности и другим разделам проектов. Однако сейчас состояние многих крупных плотин и ГЭС не удовлетворяет возросшим требованиям безопасной эксплуатации, что подтвердила катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС. Не вдаваясь в непосредственную причину этой катастрофы, следует особо отметить, что подобная авария ГЭС никогда в мире не происходила и сценарий ее развития не укладывается в рамках нормальной эксплуатации ГЭС. Очевидно, что наряду с известными причинами, увеличивающими риск аварии плотин и ГЭС, существует ряд факторов, характерных в большей степени сейчас для России и относящихся к разряду организационных, социальных и экономических. К этим факторам относятся: превышение нормативных сроков эксплуатации целого ряда
плотин, ГС и ГЭС, нарушение работы отдельных узлов их технологического оборудования, отсутствие профилактических ремонтов и проверок оборудования ГЭС и систем АСУ ГЭС в связи с финансовыми трудностями или часто желанием дирекции ГЭС и вышестоящей организации (компании «РусГидро») «не тратиться и выжать максимум» из самой высокодоходной ГЭС страны путем ее эксплуатации в последние годы в нерасчетных предельных режимах, недостаточная профессиональная квалификация не только недавней дирекции этой ГЭС, но и руководящего состава «РусГидро» и Минэнерго России, состоящего в основном из топ-менеджеров и финансистов.
Технологическая катастрофа Саяно-Шушенской ГЭС серьезно увеличивает риск ее гидрологической аварии (перелива воды через гребень плотины при малом риске ее разрушения), так как в ближайшие 2—3 года пропускная способность гидроузла после окончания строительства берегового водосброса, рассчитанного на пропуск 4000 м3/с, в связи с невозможностью использования гидроагрегатов ГЭС для пропуска расчетных 2300 м3/с и постоянным разрушением водобойного колодца водослива плотины ввиду огромной скорости потока (55 м/с) и вызванного этим ограничением его пропускной способности с 7000 до 4500 м3/с не может превышать в сумме 8500 м3/с, что намного меньше максимального расчетного паводка в 13 800 м3/с.
Что касается форсирования строительства самой крупной строящейся Богучанской ГЭС (3000 МВт) на р. Ангара и пуска ее первых агрегатов в 2011 г., то ее строительство замедлилось не только из-за финансового банкротства ее второго (после «РусГидро») инвестора — компании «РусАл», но и из-за постоянных ремонтных работ по исправлению ряда дефектов каменно-набросной плотины с диафрагмой из литого асфальтобетона и нежелания нынешних авторов ее проекта и ОАО ВНИИГ отказаться от своей порочной технологии строительства этой диафрагмы в пользу надежной современной технологии послойной укатки жесткого асфальтобетона в этой плотине, широко используемой во многих странах мира. Автор, как научный консультант проекта этой плотины от управляющей энергостроительной компании (ЭСКО) РАО ЕЭС России в 2001—2007 гг., вместе с другими нашими специалистами неоднократно выступал на конференциях в Российской Федерации и за рубежом в пользу изменения этого проекта. К сожалению, наши рекомендации не были полностью выполнены, а главная рекомендация в части перехода на надежную технологию укатанного асфальтобетона вначале была принята Гидропроектом для плотины 1-й очереди строительства, но в 2007 г., когда появился второй инвестор («РусАл») и было открыто финансирование проекта плотины на полную высоту, руководство «РусГидро» под нажимом ВНИИГ отказалось от ранее принятого решения, заменило авторов этого проекта и руководство компании ЭСКО, поддержавших наши рекомендации.
В 2006 г. почти все ГС и ГЭС перешли в подчинение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор). Но большое число малых ГС в сельской местности стали бесхозными и перешли в управление местных органов власти, которые не имеют достаточных средств
для их требуемого обслуживания. Бесхозные малые и средние водохранилища представляют серьезную опасность, так как велика угроза прорыва их плотин при интенсивном снеготаянии и продолжительных летне-осенних осадках. По данным МЧС России эти водохранилища расположены в Ульяновской, Волгоградской и Ростовской областях, Краснодарском, Красноярском и Приморском краях.
Особое беспокойство вызывают возможные аварии гидроузлов комплексного назначения, где шлюзы, дамбы обвалования, различные водозаборы принадлежат разным собственникам. Контроль за этими ГС находится на низком уровне, что может привести к их аварии, прекращению работы ГЭС или снижению выработки энергии. Такие последствия отмечались на шлюзах Волжско-Камского каскада, на Павловской, Цимлянской, Новосибирской, Волховской, Свирских ГЭС, дамбах обвалования и насосных станциях Чебоксарской ГЭС. Но самое плохое состояние дамб золошлаковых отвалов ТЭС и особенно хвостохранилищ многих горнорудных предприятий. Низкое качество строительства, слабый контроль, плохое их обслуживание создают высокий риск их аварий.
Угрожает безопасности ГС, плотин и ГЭС их старение. Большинство из них эксплуатируется более 30—40 лет. После 40—50 лет срока службы вследствие старения плотин заметно возрастает вероятность их аварий. Эта проблема приобрела особую актуальность в связи с введением в 1997 г. в действие Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений». Сейчас 12 ГЭС России уже перешли рубеж 50-летней эксплуатации, а скоро перейдут еще 20 ГЭС. Эти 32 ГЭС имеют общую мощность 94 млн кВт и годовую выработку 40 млрд кВт-ч, что составляет треть общего числа ГЭС, 20% их мощности и 25% выработки энергии.
Помимо возраста ГС, на снижение их безопасности влияет несоответствие старых ГС введенному в 2003 г. СНиП «Основные положения проектирования ГС». Согласно этому СНиП во многих построенных гидроузлах и ГЭС включая крупнейшую Саяно-Шушенскую ГЭС (6400 МВт), построенную в 1978 г., и достраивающуюся сейчас в России крупнейшую Богучанскую ГЭС (3000 Мвт) на р. Ангаре, занижены максимальные расчетные сбросные расходы, принятые 30—70 лет назад на основе коротких гидрологических рядов наблюдений, что обусловило неправильный выбор модели расчетного гидрографа и других гидрологических характеристик. Новые гидрологические данные, накопившиеся за время эксплуатации ГЭС, позволяют откорректировать значения максимальных расходов обычно в сторону их увеличения, что требует увеличения пропускной способности имеющихся водосбросов. Результаты таких проверок показали, что 22 ГЭС имеют ограничения пропускной способности водосбросов, в том числе Саяно-Шушенская, Богучанская, Вилюйская, Усть-Хантайская, Саратовская, Майнская, Миат-линская и другие ГЭС. Актуальность проблемы гидрологической безопасности ГС усугубляется потеплением климата во многих районах Российской Федерации, ростом плотности населения, размещением поселков и предприятий в НБ, в зоне прохождения волны прорыва напорного фронта, старением ГС, износом технологического оборудования и др.
В связи с введением в нормы проектирования и строительства Российской Федерации новой карты максимальных возможных землетрясений, составленной Институтом физики Земли РАН в 2003 г., ряд районов Европейской части Российской Федерации, включая Среднее и Нижнее Поволжье, ранее не считавшиеся сейсмичными, сейчас считаются таковыми (7 баллов); районы Северного Кавказа с умеренным уровнем сейсмичности (7 баллов) попали в зону 8 и даже 9-балльных землетрясений, причем последняя расширилась и включает северо-восточные районы Сибири (Забайкалье, Чукотка) и Приморский край, а Камчатка и Сахалин попали в зону 10-бальных землетрясений. Это потребовало переоценки сейсмических аспектов безопасности ряда крупных ГЭС и плотин.
Со времени принятия Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений» ответственные за его исполнение организации (Миниэнерго России, гидроэнергокомпания «РусГидро», ее многочисленные дочерние предприятия — дирекции большинства ГЭС страны, проектно-изыскательский институт Гидропроект, в том числе ответственные за безопасность ГС научные институты НИИЭС и ВНИИГ) провели большую работу по реализации основных направлений обеспечения безопасности ГС. Главные проблемы, возникшие с реализацией этого закона, связаны с недостаточностью финансирования научно-проектных работ по обеспечению безопасности ГС, отсутствием опыта разработки и эксплуатации современных информационно-диагностических систем автоматизированного мониторинга состояния ГС и дефицитом гидротехников-исследова-телей, имеющих требуемую подготовку в этой важной области.
В учебных магистерских программах ведущих университетов России (МГУ, МГСУ, РУДН, МГУП и др.) и Европы отсутствует тематика по безопасности ГС, несмотря на очевидную ее актуальность.
В связи с этим весьма своевременна инициатива кафедры гидротехники и гидротехнических сооружений РУДН разработать и создать в 2008 г. в рамках национального проекта «Образование» научно-учебную лабораторию (НЛ) «Гидрологическая и техническая безопасность ГС» (далее «Безопасность ГС») и учебно-методический комплекс (УМК) с этим же названием, включающий описание курса, программу и электронный учебник (научный руководитель НЛ и разработчик УМК — автор статьи).
Основные научные направления работы НЛ и программы «Безопасность ГС»:
— численные и модельные исследования гидрологической и технической (статической и сейсмической) безопасности плотин и водосбросов (табл.);
— численные исследования устойчивости грунтовых плотин и откосов при статических и сейсмических воздействиях (табл.);
— численные исследования статической и сейсмической устойчивости и прочности плотин из укатанного бетона на скальных и грунтовых основаниях (табл.);
— теория расчета и модельные исследования водосбросов и условий сопряжения сбрасываемого потока с нижним бьефом;
— модельные и численные исследования взаимодействия водного потока с деформируемым руслом (русловые процессы, эрозия дна, берегов, устья рек).
Таблица
Список программ расчетов ГС и подземных сооружений
Код и название программы Владелец программы, ее статус Операционная среда (пред- и постпроцессорная обработка)
PL-STRESS. Расчеты НДС грунтовых сооружений с помощью упругопластической модели Ляпичев Ю. П. (РУДН), свободный Windows 98 (ввод данных в Excell обработка, результаты расчетов с помощью Surfer)
Пакет CADAM. Расчеты статической и сейсмической прочности и устойчивости бетонных гравитационных плотин Политехнический университет Монреаля (Канада), свободный Windows XP (пред- и постпроцессорная обработка, визуализация, печать всех данных)
Пакет PLAXIS (основной, фильтрационный и динамический модули). Расчеты НДС в подземных и грунтовых сооружениях Компания PLAXIS (Голландия), лицензионный То же
Пакет FLAC-5 (2D). Расчеты статического и сейсмического НДС и фильтрации в грунтовых и подземных сооружениях Корпорация ITASCA (США), лицензионный То же
Пакет FLAC/Slope. Расчеты статической и сейсмической устойчивости грунтовых откосов То же То же
Пакет ADINA. Расчеты статического, сейсмического и температурного НДС бетонных и грунтовых сооружений Компания ADINA (США), учебный То же
Пакет MIKE-11. Одномерные гидравлические и гидрологические расчеты волны прорыва и ее последствия в НБ Компания DHI Water and Environmental (Дания), лицензионный То же
Программа «Безопасность ГС» кроме проведения учебно-научных модельных гидравлических, фильтрационных и русловых исследований на одних из лучших в мире гидравлических лотках и установках фирмы АгшАеИ (Англия), предусматривает широкое применение современных компьютерных программ численных расчетов поведения ГС, информационных технологий и знакомство с информационно-диагностическими системами мониторинга состояния как плотин, защитных дамб, водосбросов и хвостохранилищ, так и русловых процессов на реках, разработанных в наших институтах-партнерах: ОАО НИИЭС, ИВП РАН, ОАО НИИ ВОДГЕО.
PROGRAM SAFETY OF HYDRAULIC STRUCTURES
Yu.P. Lyapichev
Peoples’ Friendship University of Russia Mikluho-Maklaja str., 6, Moscow, Russia, 117198
The main aspects of the urgent problem of safety of hydraulic structures in Russia is reviewed including the recent catastrophic failure of the Sayano-Shushensk hydropower plant (6400 MW) in Siberia. The main features of the innovative program «Safety of Hydraulic Structure» is presented aimed for teaching and training of students of Peoples’ Friendship of Russia (PFUR) for degree of Master of Science in Hydraulic and Dam Engineering.
Key words: Sayano-Shushensk HPP failure, program Safety of Hydraulic Structure in PFUR.
