3.1.1. При эксплуатации гидротехнических сооружений

3.1.1. При эксплуатации гидротехнических сооружений дол­жны быть обеспечены надежность и безопасность их работы, а также бесперебойная и экономичная работа технологического оборудования электростанций при со­блюдении положения по охране окружающей среды. Особое внимание должно быть уделено обеспечению надежности работы противофильтрационных и дренаж­ных устройств.

Гидротехнические сооружения должны удовлетво­рять нормативной документации по устойчивости, проч­ности, долговечности.

Сооружения и конструкции, находящиеся под на­пором воды, а также их основания и примыкания дол­жны удовлетворять нормативным (проектным) показа­телям водонепроницаемости и фильтрационной проч­ности.

Гидротехнические сооружения должны предохра­няться от повреждений, вызываемых неблагоприятны­ми физическими, химическими и биологическими про­цессами, воздействием нагрузок и воды. Повреждения должны быть своевременно устранены.

Все напорные гидротехнические сооружения, нахо­дящиеся в эксплуатации более 25 лет, независимо от их состояния должны периодически подвергаться много­факторному исследованию с оценкой их прочности, ус­тойчивости и эксплуатационной надежности с привле­чением специализированных организаций. По резуль­татам исследований должны быть приняты меры к обес­печению технически исправного состояния гидротех­нических сооружений и их безопасности.

 

В 1997 г. введен в действие федеральный закон «О безопасности гидротехнических сооружений» . Глав­ная цель введения закона — обеспечение защиты жиз­ни, здоровья и имущества граждан, а также имущества предприятий, предотвращение разрушения зданий и со­оружений, размыва почвы, опасных изменений уровня подземных вод и нанесения иного вреда вследствие ава­рий гидротехнических сооружений. Действие Федераль­ного закона распространяется на все гидротехнические сооружения, аварии которых могут создать чрезвычай­ные ситуации, сопровождающиеся угрозой жизни и здо­ровью людей, нарушением условий их труда и жизнеде­ятельности.

Обеспечение безопасности гидротехнических сооруже­ний является обязанностью собственника этого сооруже­ния и эксплуатирующей организации. Основные требова­ния к обеспечению безопасности сооружений и важней­шие обязанности собственников и эксплуатирующих орга­низаций сформулированы в статьях 8 и 9 Федерального закона. Обязательным условием утверждения проекта гид­ротехнического сооружения, ввода сооружения в эксплу­атацию, эксплуатации и вывода его из эксплуатации явля­ется декларирование безопасности. Понятие «деклариро­вание» включает разработку декларации безопасности гид­ротехнического сооружения, представление ее в органы государственного надзора, проведение государственной экспертизы декларации безопасности и ее утверждение. Декларация безопасности является основным документом, обосновывающим безопасность гидротехнических соору­жений, их соответствие критериям безопасности, проек­ту, действующим техническим нормам и правилам, а так­же определяющим характер и масштаб возможных ава­рийных ситуаций и меры по обеспечению безопасной эк­сплуатации.

Гидротехнические сооружения электростанций вклю­чают большое число разнообразных по конструкции и назначению сооружений, используемых для создания подпора и запасов воды, для подвода воды к технологическо­му оборудованию и отвода от него, для очистки и охлаж­дения воды и для других целей. Гидротехнические соору­жения электростанций определяют условия работы основ­ного оборудования. На гидроэлектростанциях они созда­ют напор воды, необходимый для работы гидротурбин, и обеспечивают условия для регулирования бытового стока реки. На тепловых электростанциях гидротехнические сооружения обеспечивают забор и подвод охлаждающей воды к конденсаторам паровых турбин, ее последующий отвод и охлаждение. Естественно, что от состояния гидро­технических сооружений зависит экономичность работы электростанций, а при серьезных повреждениях гидротех­нических сооружений электростанции могут полностью выйти из строя.

Особенностью большей части гидротехнических соору­жений является то, что они возводятся на участках мест­ности со сложными геологическими и гидрогеологически­ми показателями, подвержены воздействию громадных сил напора воды (например, плотина Саяно-Шушенской ГЭС испытывает нагрузку от воды в 15 млн. т), ее размываю­щему, воздействию, действию льда и волн, фильтрацион­ных потоков и т.п. Эти условия требуют особого внима­ния при проектировании, строительстве и эксплуатации. Опыт мирового гидротехнического строительства показы­вает, что ослабление внимания приводит к повреждению и разрушению гидротехнических сооружений, для круп­ных гидроузлов это связано с катастрофическими послед­ствиями. Крупнейшими авариями в мировой практике яв­ляются: обрушение скального массива в водохранилище Вайонт (Италия, 1963 г.) с переливом воды через гребень плотины, гибелью свыше 2000 чел. и полным разрушени­ем 4 населенных пунктов; подвижка основания и разру­шение арочной плотины Мальпассе (Франция, 1959 г.) с гибелью 421 чел. и разрушением большей части города Фрежюс; разрушение под воздействием фильтрации грун­товой плотины Титон (США, 1976 г.) с гибелью 200 чел., принесшее ущерб, оцениваемый суммой до 1 млрд. долла­ров; разрушение плотины Мачху— II (Индия, 1979 г.) с гибелью тысяч жителей и полным разрушением 68 дере­вень, 12700 домов. Крупные аварии гидротехнических со­оружений имели место и на отечественных объектах: при пропуске нерасчетного паводка произошло разрушение Тирляндской плотины в Башкирии и перелив воды через гребень плотины Серовского водохранилища; в 1999 г. произошла авария дамбы Качканарского ГОК — аварии сопровождались человеческими жертвами и значительным материальным ущербом.

Основными причинами аварий гидротехнических сооружений являются: неустойчивость основания, недо­статочная пропускная способность водосбросов, недоста­точная прочность различных конструктивных элементов, фильтрация воды через тело грунтовых сооружений. Иног­да повреждения и аварии гидротехнических сооружений возникают в начальный период их эксплуатации вслед­ствие незавершенности строительных работ: на это об­стоятельство должно быть обращено особое внимание при приемке гидротехнических сооружений в эксплуатацию. Известны случаи аварий гидротехнических сооружений через 30 лет и более после окончания строительства, ког­да сооружение, казалось бы, подтвердило полностью свою надежность.

Федеральный закон «О безопасности гидротехничес­ких сооружений»  и ПТЭ требуют, чтобы гидро­технические сооружения соответствовали критериям бе­зопасности, нормативным (проектным) показателям по устойчивости, прочности, долговечности, а также водонеп­роницаемости и фильтрационной прочности.

Под устойчивостью сооружения понимается его со­противление сдвигу или опрокидыванию под воздействи­ем внешних сил (воды, грунта, льда), в том числе в услови­ях проявления сейсмических сил. Следует иметь в виду, что слабым сечением может быть не только контакт подошвы сооружения с основанием, но и сечения в толще ос­нования при наличии в последнем слоев грунта с низким коэффициентом трения или при наличии системы трещин, выделяющих участок скального основания из основного массива (рисунок 3.1.1). При эксплуатации важно знать коэффициенты запаса для данного сооружения при раз­личном сочетании нагрузок и контролировать эти нагруз­ки путем сопоставления данных натурных наблюдений с критериями безопасности, утвержденными в органе госу­дарственного надзора.

Под прочностью сооружения понимается способность каждой его конструкции (элемента) воспринимать действующие на него нагрузки с допустимой при этом де­формацией, не приводящей к повреждению конструкции. Допустимые нагрузки на конструкции должны быть изве­стны персоналу и контролироваться им.

Требования к долговечности гидротехнических со­оружений можно разделить на две группы.

Первая группа — требования к долговечности сооружения в целом, определяемой сроком его аморти­зации. Современный взгляд на амортизацию основных фондов заключается в стремлении сократить ее срок из-за морального старения объекта. Этот взгляд не может быть распространен на такие сооружения, как плотины, крупные каналы, здания электростанций и т.п. Офици­альный срок их амортизации — до 100 лет; практически этот срок может быть существенно большим. Поддер­жание сооружений в работоспособном состоянии тре­бует постоянного контроля за их состоянием, своевременного устранения повреждений и проведения профилактических ремонтов.

Рисунок 1 – Схема трещинообразований в основании плотины

1 — арочная плотина; 2 — водосброс; 3 — развитая трещина (разлом) в основании плотины, заполненная породой-водоупором; 4 — система трещин, подрезающих основание; 5 — участок основания, выделенный трещинами

Вторая группа — требования к долговечности отдель­ных конструкций гидротехнических сооружений (транс­портных путей, ограждений, затворов, сороудерживающих решеток, подъемных механизмов, а также трубопроводов, уравнительных резервуаров и др.), которая может быть существенно меньшей, чем долговечность сооружения в целом. Срок службы этих конструкций определяется их физическим износом, наступающим быстрее, чем у основ­ных несущих узлов сооружения. Срок службы систем кон­троля и управления гидротехнических сооружений опре­деляется их моральным износом.

Задача эксплуатационного персонала заключается в под­держании гидротехнических сооружений в работоспособ­ном состоянии в течение всего срока службы; при этом необходимо своевременно заменять или реконструировать отдельные конструкции и системы с учетом объективных оценок их физического и морального износа.

Экологические требования к гидротехническим соору­жениям неотделимы от требований к гидроузлу в целом. Технологически гидроэлектростанции являются экологи­чески чистыми предприятиями, так как на них отсутству­ют вредные загрязняющие выбросы в атмосферу и в вод­ные источники, не потребляется атмосферный кислород.

Однако начиная со строительного периода влияние гидроэлектростанции на природу становится ощутимым из-за уничтожения растительности в пределах водохрани­лища, затопления земель, создания крупных и малых во­доемов, изменения условий обитания водной фауны и флоры, изменения условий жизни на берегах водоемов. В дальнейшем в период эксплуатации постепенно начинают проявляться такие факторы, как изменение микроклима­та, гидрологического и гидрогеологического режимов, пе­реработка берегов, изменение качества воды и др. В ряде случаев имеет место интенсификация сейсмической ак­тивности в районе создаваемого водохранилища. Имеется также вероятность растворения и размыва горных пород, появления выходов в водохранилище ранее скрытых геологических структур, содержащих вещества, влияющие на изменение микроэлементного состава воды. Но наи­больший отрицательный эффект на экологическое состо­яние водохранилищ оказывает антропогенное воздействие. После создания водохранилища на его берегах начинают строиться водозаборные и сбросные сооружения промыш­ленного, сельскохозяйственного и коммунального назна­чения. Сброс сточных вод в водоемы, достигающий в це­лом по стране полутора сотен кубокилометров в год, со­провождается поступлением нефтепродуктов, соединений металлов, фенолов, сульфатов, хлоридов и других химиче­ских вредных веществ, а также органических веществ сельскохозяйственного происхождения. В условиях него­товности или недостаточной производительности очист­ных сооружений происходит интенсивное загрязнение водоемов.

При эксплуатации гидроузла и гидросооружении необходимо учитывать все перечисленные условия. На водохранилищах должны быть организованы постоянные наблюдения за экологическими показателями (экологичес­кий мониторинг), о чем более подробно говорится в пояс­нениях к главе 3.2. Режим попусков воды из водохранили­ща, маневрирование затворами должны учитывать усло­вия размывов дна и берегов. Вероятно расширение ис­пользования на электростанциях селективных водозабо­ров и водосбросов, позволяющих регулировать температуру воды, забираемой из водохранилища и сбрасываемой в нижний бьеф.

Важной профессиональной задачей работников электро­станций является изучение экологических условий райо­на гидроузла, выявление факторов, отрицательно воздей­ствующих на природу, и причин их возникновения, про­ведение активной разъяснительной работы среди населе­ния, выступления в прессе с объективной оценкой проис­ходящих процессов и мер, принимаемых энергетиками для охраны природы. Следует иметь в виду, что во многих слу­чаях создание гидроузлов и водоемов положительно отра­жается на экологии района.

Под требованием водонепроницаемости гидротех­нических сооружений, их оснований и примыканий прак­тически понимается их безопасная водопроницаемость, поскольку полная водонепроницаемость сооружений, на­ходящихся под постоянным напором воды, не может быть обеспечена. Водопроницаемость гидротехнических соору­жений не должна приводить к снижению их устойчивос­ти и прочности, вызывать существенные деформации и разрушать материал сооружения. Организованная, предус­мотренная проектом разгрузка фильтрационных вод зави­сит от состояния водоупорных устройств (ядер, экранов, Диафрагм, завес, уплотнений) и дренажей, поэтому необ­ходимо уделять контролю за работой этих конструкций особое внимание при эксплуатации.

Весьма важным показателем надежности гидротехни­ческих сооружений является фильтрационная прочность самих сооружений, а также их оснований и примыканий. Под фильтрационной прочностью понимается способность естественного или уложенного в тело сооружения грунта сопротивляться воздействию фильтрационного потока (фильтрационного напора), не. деформируясь, сохраняя равновесное состояние, не меняя своих основных свойств, фильтрационная прочность грунтов связана с их физи­ческими характеристиками, такими как гранулометричес­кий (зерновой) состав, плотность частиц, пористость, влаж­ность, влагоемкость, пластичность, сцепление при разры­ве грунта и некоторые другие. При проектировании обыч­но производятся достаточно подробные расчеты фильтра­ционной прочности.

Нарушение фильтрационной прочности сопровождает­ся деформациями грунта, часть которых может быть об­наружена при первом же осмотре, а часть является скры­той и становится видимой лишь на более поздних стадиях развития. Основные виды деформаций следующие.

Выпор — разрушение непригруженного грунта, сопровождающееся перемещениями некоторого его объе­ма целиком, совместно и одновременно всеми фракция­ми, образующими этот объем. Выпор возможен на низо­вых откосах плотин, в основании сооружений, береговых примыканиях. Выпор обычно сопровождается повышен­ной сосредоточенной фильтрацией.

Суффозия — вынос или перемещение фильтрацион­ным потоком мелких фракций из толщи грунта. Различа­ется как разновидность химическая суффозия — раство­рение фильтрационным потоком растворимых солей, со­держащихся в грунте. Суффозия может быть внутренней и внешней (с выносом частиц наружу).

Контактный выпор, вынос — разрушение грунта на контакте с более крупнозернистым материалом под воздей­ствием фильтрационного потока, направленного под пря­мым углом к поверхности контакта.

Контактный размыв — то же, что и предыдущий вид, но образуемый под воздействием фильтрационного пото­ка, направленного вдоль поверхности контакта.

Кольматация — отложение в порах грунта частиц, пе­ремещенных фильтрационным потоком; при кольматации происходит закупорка путей фильтрации, повышается фильтрационный напор, что создает опасность более круп­ных деформаций. Особенно опасна кольматация в дрена­жах, так как при этом снижается эффект организованно­го сбора и отвода фильтрационных вод.

Отслаивание— отрыв фильтрационным потоком час­тиц и более крупных образований глинистого грунта над порами фильтра.

Несмотря на самые тщательные проектные расчеты всегда возможны случаи нарушения фильтрационной проч­ности из-за неучтенной неравномерной осадки сооруже­ния и других факторов, носящих сугубо местный и не­предсказуемый характер. Поэтому тщательные наблюде­ния за фильтрационным режимом сооружений, их осно­ваний и примыканий составляют важную задачу эксплуа­тационного персонала. Следует помнить, что нарушение фильтрационной прочности грунта при непринятии про­филактических или защитных мер всегда влечет за собой образование путей сосредоточенной фильтрации, интен­сивную внутреннюю и внешнюю суффозию, приводит к разрушению сооружения.

Соблюдение всех перечисленных требований к эксплуатации гидротехнических сооружений должно обес­печиваться организацией надзора за ними, включающего контроль за состоянием и работой гидротехнических со­оружений, своевременное выявление изменений в их со­стоянии и разработку мер по предупреждению поврежде­ний, включая своевременное выполнение ремонтных и Реконструктивных работ и иных эксплуатационных ме­роприятий, обеспечивающих безопасное состояние и на­дежную работу гидротехнических сооружений.

Как показывает опыт эксплуатации гидротехнических сооружений в нашей стране и за рубежом, по истечении определенного периода (в среднем 25 лет) процессы ста­рения на ряде сооружений могут приобретать интенсив­ный характер, что в свою очередь может привести соору­жение к полному разрушению. Интенсивность старения сооружений зависит от следующих факторов:

—способа возведения и особенностей конструкции;

—качества выполненных строительных работ;

—воздействия нагрузок на сооружение;

—качества эксплуатации: эксплуатационного ухода, проведения профилактических ремонтных работ;

—длительности эксплуатации.

При многофакторном анализе состояния гидротехни­ческих сооружений необходимо прежде всего обратить внимание на:

—изменение условий эксплуатации за прошедший период: нагрузки, уровни, расходы;

—соответствие сооружений современным требовани­ям и действующим нормативным документам;

—состояние и достаточность контрольно-измеритель­ной аппаратуры (КИА);

—состояние дренажных и водоотводящих устройств;

—состояние тела плотины, видимые дефекты и нару­шения, наличие просадок и трещин, необратимые дефор­мации.

В отдельных случаях для оценки состояния сооруже­ний необходимо привлекать специализированные органи­зации для определения напряженно-деформированного со­стояния напорного сооружения, состояния и прочности бетона, динамических и сейсмических воздействий на со­оружение.

Проведение ремонтных и восстановительных работ, а при необходимости и реконструкции должно осуществ­ляться на основе специальных проектов.