Поражающее действие волны прорыва гидротехнических объектов

Поражающее действие волны прорыва гидротехнического объекта связано с распространением с большой скоростью воды, создающей угрозу возникновения чрезвычайной техногенной ситуации. Поражающий фактор – волна прорыва гидротехнического сооружения. Параметр поражающего воздействия – скорость волны прорыва, глубина волны прорыва, температура воды, время существования волны прорыва. Минимальные значения параметров поражающего действия волны прорыва (ГОСТ р. 22.9-03-95), которые сохраняют поражающий эффект: статическое давление потока воды не менее 0,2 кг/см² (20 кПа), с продолжительностью действия не менее 0,25 часа и скоростью потока не менее 0,2 м/c. На параметры волны прорыва влияют как начальные размеры (ширина и глубина), так и интенсивность его размыва, зависящая от плотности сцепления с грунтом и других качеств материала плотины.

Характер воздействия поражающего фактора определяется гидродинамическим давлением потока воды, уровнем и временем затопления, деформацией речного русла, загрязнением гидросферы, почв, грунтов, размыванием и переносом грунтов.

Объектами поражающего воздействия волны прорыва могут быть: население, городские и сельские строения, сельскохозяйственные и промышленные объекты, элементы инфраструктуры, домашние и дикие животные, окружающая природная среда.

Показателями последствий поражающего действия волны прорыва являются: число погибших, пораженных и пострадавших людей; время поражающего воздействия (мин., час, сутки); площадь зоны воздействия (квадратные километры); площадь зоны отсечения (эвакуации); затраты на проведение аварийно-спасательных работ (миллионы рублей); экономический ущерб (миллионы рублей); социальный ущерб (миллионы рублей); экологический ущерб (миллионы рублей).

Причинами прорыва гидротехнического или естественного сооружения могут быть природные явления (землетрясения, ураганы, обвалы, оползни, паводки, размыв грунта и др.) и техногенные факторы (разрушение конструкций сооружения, эксплутационно-технические аварии, нарушение регламентированного режима пропуска половодья и др.), а так же диверсионные подрывы и применение боевых средств поражения в военное время.

Прорыв плотины может возникнуть в результате наступления половодья с поднятием уровня воды в водоеме выше расчетного, например, если расчетный расход воды определен в проекте по короткому ряду гидрологических наблюдений, либо в результате отказа системы водосброса (авария подъемного крана, обрыв линии электрического питания, перекос затвора и др.). К переполнению водохранилища и прорыву плотины может привести неправильный режим пропуска половодья, например, позднее открытие затворов.

Прорыв возникает в результате возникновения прорана в конструкции (теле) сооружения, через который устремляются потоки воды с верхнего бьефа в нижний. Скорость падения вод и их объем определяется размерами прорана и разницей уровней верхнего и нижнего бьефов. Ниспадающие массы воды образуют волну прорыва – основного поражающего фактора аварии на гидротехническом объекте. Показатели волны прорыва представлены на схеме (рис. 4).

h – уровень реки в момент образования прорана; h_нб – глубина реки в нижнем бьефе; h_ср – высота затопления участка местности при его полоном формировании; h_зат – максимальная высота затопления местности по створу; h_м – высота участка местности к уровню воды в реке в межень; Ф – фронт волны прорыва; L – расстояние от плотины до створа; h_вб – глубина водоема перед плотиной в момент ее разрушения; i – уклон водной поверхности

Рис. 4. Схема волны прорыва

 

Прорыв плотин сопровождается затоплением местности и изменением режима реки. Уровень воды в реке может резко подняться, вследствие чего, скорость ее течения увеличивается, и возникают зоны затопления. На космическом снимке (прил. 1) хорошо наблюдаются зоны затопления и изменения русла реки в результате только паводкового сброса вод водохранилища в Ахтубенской пойме реки Волга. Волна прорыва, двигаясь вдоль русла реки, имеет зоны подъема уровня воды и зоны спада, которые называются фронтом волны прорыва. После установившегося уровня потока воды наступает период движения водных масс, который тем длительнее, чем больше объем водохранилища и может быть в пределах от нескольких минут, до нескольких часов, а на больших водохранилищах до нескольких суток.

После прохождения волны прорыва и спада уровня воды до нормальных показателей остаются участки затопления, переувлажненной поймы и сильно деформированные русло и берега реки.

Характер и масштабы поражающего действия волны прорыва определяются:

- резким изменением уровня воды в верхнем и нижнем бьефах при разрушении напорного фронта сооружения;

- ударным действием масс воды, перемещающихся с большой скоростью;

- ослаблением прочностных характеристик грунта в основании (теле) сооружений вследствие фильтрации и насыщения его водой;

- размывом и перемещением больших масс грунта;

- перемещением с большой скоростью обломков разрушенных зданий и сооружений и их таранного воздействия;

- объемом перемещаемых вод.

В равнинных районах скорость волны прорыва колеблется от 3 до 25 км/час, а в горных и предгорных – до 100 км/час.

Из 300 аварий плотин в различных странах за период с 1802 по 1977 гг. в 35% случаев причиной аварий явилась недостаточная пропускная способность водосбросных сооружений, приводящая к ее последующему размыву.

Обобщенные показатели процентного соотношения аварий для различных типов плотин представлены в таблице 4.

Таблица 4

Частота аварий для различных типов плотин

Тип плотин	Аварии, %
Земляная
Защитные дамбы из местных материалов
Бетонная гравитационная
Арочная железобетонная
Плотины других типов
Всего

Примечание: Частота аварий это число случаев аварий в процентах для данного типа плотин. Чем больше плотин данного типа, тем выше частота аварий, что и наблюдается для земляных плотин (53%).