5

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Кафедра безопасности жизнедеятельности

Тактика спасательных работ и ликвидации последствий при прорыве плотины водохранилища

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к выпускной квалификационной работе

Уфа 2006

Аннотация

Пояснительная записка к дипломной работе по дисциплине «Тактика спасательных работ и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (СД.03) специальности «Защита в чрезвычайных ситуациях» на тему «Тактика спасательных работ и ликвидации последствий при прорыве плотины водохранилища».

ЧРЕЗВЫЧАЙНАЯ СИТУАЦИЯ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ, ПЛОТИНА, ВОЛНА ПРОРЫВА, АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫЕ И ДРУГИЕ НЕОТЛОЖНЫЕ РАБОТЫ, ЗАТОПЛЕНИЕ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ СИТУАЦИИ, ЗОНА БЕДСТВИЯ.

В дипломной работе приведено описание и расчет чрезвычайной ситуации на гидротехнических сооружениях (прорыв плотины с последующим прохождением волны прорыва и затоплением). На основании исходных данных и результатов прогнозирования показано инженерное обеспечение предупреждения и ликвидации данной чрезвычайной ситуации, его особенности и управление, приведены способы борьбы с факторами, приводящими к ЧС. Кроме того, проведено планирование аварийно-спасательных и других неотложных работ в зоне ЧС (перечень АСДНР, технология спасательных работ, подготовка документов, обеспечение безопасности), показана организация взаимодействия работы спасательных, аварийно-восстановительных формирований РСЧС с силами Министерства обороны, Министерства внутренних дел и Федеральной службы безопасности Российской Федерации.

В заключение работы приведены предложения по повышению устойчивости функционирования объекта.

Пояснительная записка на стр. 59, табл. 11, использованных источников - 15.

Содержание

Аннотация

Введение

1. Аварии на гидротехнических сооружениях (прорывы плотин)

1.1.Описание рассматриваемой чрезвычайной ситуации

1.2.Основные принципы и требования к организации аварийно-спасательных и других неотложных работ в рассматриваемой зоне поражения

1.3.Основные понятия, термины и определения

1.4.Природа возникновения и классификация факторов чрезвычайной ситуации

1.5.Анализ рассматриваемой чрезвычайной ситуации в сравнении с реально происшедшими авариями в истории

2. Исходные данные для проектирования

2.1.Характеристика чрезвычайной ситуации

2.2.Характеристика населенного пункта, состояние дорожной сети

2.3.Прогнозирвоание чрезвычайной ситуации

2.3.1.Прогнозирование развития факторов чрезвычайной ситуации

2.3.2.Прогнозирование последствий воздействия факторов чрезвычайной ситуации

3. Организация инженерного обеспечения предупреждения и ликвидации чрезвычайной ситуации

3.1. Цели и задачи инженерного обеспечения, его организационные, правовые и экономические нормы

3.2. Особенности организации и управления инженерным обеспечением

4. Способы борьбы с факторами, приводящими к чрезвычайной ситуации

5. Планирование аварийно-спасательных и других неотложных работ в зоне чрезычайной ситуации

5.1.Перечень аварийно-спасательных и других неотложных работ, необходимых для ликвидации чрезвычайной ситуации

5.2.Основные мероприятия по защите населения при катастрофических затоплениях, выбор оптимального варианта

5.3.Расчет необходимых сил и средств формирований

5.4.Подбор спасательной техники для выполнения работ в зоне чрезвычайной ситуации и их выдвижение на место

5.5.Планирование необходимых аварийно-восстановительных в зоне чрезвычайной ситуации (восстановление дорог, мостов)

5.6.Меры безопасности при выполнении аварийно-восстановительных и других неотложных работ

6. Организация взаимодействия работы спасательных и аварийно-восстановительных формирований с силами Министерства обороны, Министерства внутренних дел и Федеральной службы безопасности РФ

7. Предложения по повышению устойчивости функционирования объекта и населенного пункта

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Створы реки Уфа с параметрами волны прорыва и затопления

Приложение 2. Иллюстрации

Приложение 3. Расчет убежища гражданской обороны, размещенного в зонах возможного затопления

Введение

В древних цивилизациях жизненно важным фактором было управление водными ресурсами с целью обеспечения орошения и водоснабжения. Древний Египет можно назвать родиной первых гидротехнических сооружений, где до наших дней сохранились остатки одного из самых ранних ГТС - плотины Сад Эль-Кафар, построенной приблизительно между 2950 и 2750 гг. до н. э. Но бум гидротехнического строительства пришелся на последние 30-40 лет, когда было построено более 85% всех существующих в мире плотин. Водохранилища стали неотъемлемой чертой ландшафта многих стран мира, важным элементом их национальной экономики, в т.ч. и России [1].

Сегодня в Российской Федерации не так уж много рек, на которых не было бы хоть одного водохранилища. На территории России на данном этапе проблема обеспече-ния безопасности гидротехнических сооружений является достаточно острой, т.к. сохраняется опасность гидроди-намических аварий. В стране эксплуатируется более 30 тыс. водохранилищ и не-сколько сотен накопителей промышленных стоков и отходов. Имеется около 60 крупных водохранилищ емкостью более 1 млрд. м³. Гидротехнические сооруже-ния на 200 водохранилищах и 56 накопителях отходов эксплуатируются без рекон-струкции более 50 лет и находятся в аварийном состоянии. Например, особенно остро стоят проблемы состояния бетона первых столбов плотины Саяно-Шушенской ГЭС, ремонта плотины и берегоукрепления Боткинского водохранилища в Пермской области, реконструкции берегозащитной дамбы в г. Юрьевце Ивановской облас-ти, замены затворов шлюзов и укрепления ограждающих дамб на Волго-Донском судоходном канале, укрепления стен камер и замены ворот шлюзов на водных путях Волжского и Камского бассейнов.

При проведении приватизации крупных промышленных предприятий часто не учитывалось, что в их состав входят водохранилища. Это привело к появлению около тысячи потенциально опасных водоемов, не имеющих официальных вла-дельцев. Такие и другие водохранилища промышленных объектов чреваты высо-кой гидродинамической опасностью. В аварийном и предаварийном состоянии находится ряд гидроузлов в Челябинс-кой области, в нижних бьефах которых проживает свыше 65 тыс. человек. Не луч-шее положение дел на гидротехнических сооружениях еще 14 водохранилищ.

Находясь, как правило, в черте крупных населенных пунктов или выше их и являясь объектами повышенного риска, гидротехнические сооружения, главным образом плотины, при разрушении могут привести к образованию волн прорыва, катастрофическому затоплению обширных территорий, населенных пунктов, объек-тов экономики, гибели людей, длительному прекращению судоходства, сельско-хозяйственного и рыбопромыслового производства. Гидродинамические аварии с прорывами плотин на Киселевском и Тирлянском водохранилищах показали, ка-кие тяжелые последствия могут иметь подобные происшествия.

Подобная ситуация сложилась и в Республике Башкортостан. Уникальность ее территории по разнообразию природно-климатических и геологических условий, значительному промышленному потенциалу со сложной транспортной инфраструктурой и, как следствие, наличие большего количества источников повышенной опасности позволяют отнести её к территориям, к которым должны предъявляться особые требования с позиции безопасности. В том числе гидродинамической, ведь в Башкортостане эксплуатируется 444 гидротехнических сооружения, а возможные зоны затопления при прорывах только водохранилищ могут иметь площадь 2,7 тыс. кв. км, что соответствует 1,9% территории республики [2].

В общем же подпорные гидротехнические сооружения доказали свою надежность и долговечность - многие из них функционируют десятки и даже сотни лет. Особенно надежны в эксплуатации современные гидросооружения. В то же время материалы мировой статистики и события недавних лет свидетельствуют о том, что аварии на гидроузлах возможны, они могут привести к повреждению и разрушению плотин и примыкающих к ним сооружениям. По данным Комитета по авариям и разрушениям Международной Комиссии по большим плотинам (СИГБ), ежегодно в мире происходит более 3 тысяч аварий, нередко с большим материальным ущербом и человеческими жертвами [1].

По сведениям, приведенным в [1] общая площадь затоплений в случае прорыва в республике составляет 1273,9 км², численность населения, проживающего в зонах возможного затопления - 271,1 тыс. человек. И хотя данные приведены только для гидротехнических сооружений, имеющих расчет волны прорыва плотин при возможных авариях на них, цифры велики. Поэтому в случае чрезвычайной ситуации только умелые действия по спасению людей, оказанию им необходимой помощи и приведению аварийно-спасательных работ в очагах поражений при чрезвычайной ситуации позволят сократить количество погибших, сохранить здоровье пострадавшим, сократить материальные потери.

Все это означает, что необходимо рассмотреть сценарии возможных аварий, предусмотреть оценку и составление карт последствий разрушения ГТС, разработать рекомендации по оповещению и спасению людей, заранее планировать аварийно-спасательный и другие неотложные работы, организацию обеспечения населения и формирований, а также координацию взаимодействия работы Министерства по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий РФ с другими ведомствами.

Целью данной дипломной работы является организация спасательных, аварийно-восстановительных и других неотложных работ при ликвидации последствий прорыва плотины гидроузла, а объектом исследования явились гидротехнические сооружения ГЭС и два поселка городского типа, расположенных ниже створа плотины, с населением 3,9 и 3,1 тыс. человек.

1. Аварии на гидротехнических сооружениях (прорывы плотин)

Серьезную опасность для населения, техносферы и природной среды пред-ставляют аварии на гидротехнических сооружениях. В соответствии с Федеральным законом «О безопасности гидротехнических сооружений» [5] такими сооружениями являются: плотины, здания гидроэлектростанций, водосбросные, водоспускные и водовыпускные сооружения, туннели, каналы, насосные станции, судоходные шлюзы, судоподъемники; сооружения, предназначенные для защиты от наводне-ний и разрушений берегов водохранилищ, берегов и дна русел рек; сооружения (дамбы), ограждающие хранилища жидких отходов промышленных и сельскохо-зяйственных организаций; устройства от размывов на каналах, а также другие сооружения, предназначенные для использования водных ресурсов и предотвра-щения вредного воздействия вод и жидких отходов.

1.1. Описание рассматриваемой чрезвычайной ситуации

Аварии на гидротехнических сооружениях многообразны. Наиболее опасные из них -- гидродинамические аварии. Гидродинамическая авария -- это авария на гидротехническом сооружении связанная с распространением с большой скоростью воды и создающая угрозу возникновения техногенной чрезвычайной ситуации (ГОСТ Р22.05-94). К основным гидротехническим сооружениям, разруше-ние (прорыв) которых приводит к гидродинамическим авариям, относятся пло-тины и шлюзы.

Плотины -- это гидротехнические сооружения (искусственные плотины) или природные образования (естественные плотины), создающие разницу уровней по руслу реки. Искусственные плотины представляют собой гидротехнические соору-жения, созданные человеком для своих нужд и включающие плотины гидроэлек-тростанций, водозаборов в ирригационные системы, дамбы, перемычки, запруды и др. Естественные плотины возникают в результате действия сил природы, например, в результате оползней, селей, лавин, обвалов, землетрясений. Перед пло-тиной вверх по водотоку накапливается вода и образуется искусственное или есте-ственное водохранилище.

Участок реки между двумя соседними плотинами на реке или участок канала между двумя шлюзами называется бьефом. Верхним бьефом плотины является часть реки выше подпорного сооружения (плотины, шлюза), а часть реки ниже подпор-ного сооружения называется нижним бьефом.

Водохранилища могут быть долговременными или кратковременными. Долго-временным искусственным водохранилищем является, например, водохранили-ще верхнего бьефа плотины гидроэлектростанции, оросительной системы. Долго-временное естественное водохранилище может образоваться в результате пере-крытия реки после обвала твердых скальных пород. Кратковременные искусствен-ные плотины создаются для временного изменения направления течения реки при строительстве гидроэлектростанций (ГЭС) или других гидротехнических сооружений. Кратковремен-ные естественные плотины возникают в результате перекрытия реки рыхлым грун-том, снегом или льдом.

Прорыв плотины является начальной фазой гидродинамической аварии и представляет собой процесс образования прорана и неуправляемого потока воды водохранилища из верхнего бьефа через проран в нижний бьеф. Проран -- узкий проток в теле (насыпи) плотины, косе, отмели или спрямленный участок реки, образовавшийся в результате размыва излучины в половодье.

В результате прорыва плотины возникает волна прорыва, образующаяся во фронте устремляющегося в проран потока воды, имеющая, как правило, значительные высоту гребня и скорость движения и обладающая большой разрушитель-ной силой. Высота волны прорыва и скорость ее распространения зависят от раз-мера прорана, разницы уровней воды в верхнем и нижнем бьефе, гидрологических и топографических условий русла реки и ее поймы. Скорость продвижения волны прорыва колеблется в пределах от 3 до 25 км/ч (для горных и предгорных районов -- порядка 100 км/ч). Высота волны прорыва находится в диапазоне от 2 до 12 м, а иногда и более.

Основным следствием прорыва плотины при гидродинамических авариях является катастрофическое затопление местности.

Катастрофическое затопление -- это гидродинамическое бедствие, являюще-еся результатом разрушения искусственной или естественной плотины и заключа-ющееся в стремительном затоплении волной прорыва нижерасположенной мест-ности и возникновении наводнения. Потенциальное катастрофическое затопление характеризуется следующими параметрами:

- максимально возможными высотой и скоростью волны прорыва;

- расчетным временем прихода гребня и фронта волны прорыва в соответствующий створ;

- границами зоны возможного затопления;

- максимальной глубиной затопления конкретного участка местности;

- длительностью затопления территории.

Затопление, вызванное прорывом плотины, распространяется вначале со скоростью волны прорыва и приводит через некоторое время после него к затопле-нию обширных территорий слоем воды от 0,5 до 10 м и более. Образуются зоны затопления. Зоной возможного затопления при разрушении гидротехнических сооружений называется часть прилегающей к реке (озеру, водохранилищу) местности, затопляемой в этом случае водой. В зависимости от последствий воздействия гидропотока, образующегося при разрушении гидротехнических сооружений, на территории возможного затопления следует выделить зону вероятного катастро-фического затопления. Этой зоной является зона вероятного затопления, на которой ожидается или возможна гибель людей, сельскохозяйственных животных или растений, повреждение или уничтожение материальных ценностей, а также ущерб окружающей природной среде (ГОСТ Р22.0.03-95). Зоны вероятного катастрофи-ческого затопления определяются заранее на стадии проектирования гидротехни-ческого сооружения. Параметры зоны зависят от размеров водохранилища, напора воды и других характеристик конкретного гидроузла, а также от гидрологических и топографических особенностей местности. Зоны вероятных, в том числе катаст-рофических, затоплений и характеристики волны прорыва отражаются на картах или в специальных атласах, составляемых для гидроузлов и крупных плотин.

К катастрофическим затоплениям местности могут привести и прорывы есте-ственных плотин, например прорывы озер, подпруженных ледником, прорывы моренных озер.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления явля-ются динамическое воздействие волны прорыва и водного потока, а также воз-действие спокойных вод, затопивших территорию и объекты. Воздействие волны прорыва во многом аналогично действию воздушной ударной волны, образую-щейся при взрыве. Существенными отличиями этих поражающих факторов явля-ются гораздо меньшая скорость и более высокая плотность вещества у волны прорыва.

В результате крупных гидродинамических аварий могут прерываться подача электроэнергии, прекращаться функционирование ирригационных или других водохозяйственных систем, а также объектов прудового рыбного хозяйства, раз-рушаться или оказываться под водой населенные пункты и промышленные пред-приятия, выводиться из строя коммуникации и другие элементы инфраструкту-ры, гибнуть посевы и скот, выводиться из хозяйственного оборота сельскохозяй-ственные угодья, нарушаться жизнедеятельность населения и производственно-экономическая деятельность предприятий, утрачиваться материальные, культур-ные и исторические ценности, наноситься ущерб природной среде, в том числе в результате изменений ландшафта, гибнуть люди.

Вторичными последствиями гидродинамических аварий являются загрязнения воды и местности веществами из разрушенных (затопленных) хранилищ про-мышленных и сельскохозяйственных предприятий, массовые заболевания людей несельскохозяйственных животных, аварии на транспортных магистралях, ополз-ни, обвалы.

Долговременные последствия гидродинамических аварии связаны с остаточ-ными факторами затопления -- наносами, загрязнениями, изменением элементов природной среды [2].

Согласно международной классификации различается по последствиям пять типов аварий на плотинах.

Тип разрушения	Характер разрушения и его последствий
Разрушение Р-1	Значительное разрушение катастрофического характера, в результате которого восстановление сооружения невозможно
Разрушение Р-2	Разрушение, после которого можно восстановить и эксплуатировать плотину.
Повреждение П-1	Плотина не разрушилась благодаря своевременно принятым мерам.
Повреждение П-2	Авария при первом наполнении водохранилища, не сопровождающаяся разрушением плотины благодаря сработке водохранилища и другим своевременно принятым мерам.
Повреждение П-3	Повреждение плотины во время ее строительства, не помешавшее заполнению водохранилища после принятых мер при завершении строительства.

Примечание:

1. При разрушениях типа Р-1 и Р-2 образуется волна прорыва и затопляется территория, характеризующаяся низменностями.

2. При авариях типа П-1, П-2 и П-3 затопления, как правило, не происходит.

В связи с этим существует три состояния гидротехнического сооружения: нет повреждения, повреждение и разрушение. Следует учесть, что катастрофическое затопление может быть только при разрушении гидротехнического сооружения [6].

1.2. Основные принципы и требования к организации аварийно-спасательных и других неотложных работ в рассматриваемой зоне поражения.

С возникновением угрозы затопления приводятся в готовность органы управления и организуется разведка и наблюдение, задача которых - контроль за развитием природных явлений и информирование об обстановке соответствующих должностных лиц.

С целью предотвращения или уменьшения последствий затопления организуется выполнение следующих мероприятий:

· укрепление гидротехнических сооружений, устройство дамб, валов и др. сооружений для задержки водных и селевых потоков, а также для сбора ими стоков;

· разрушение заторов;

· снижение интенсивности таяния снега и льда;

· накопление аварийных материалов для заделывания пробоин, прорывов и для наращивания высоты дамб.

Тщательно проверяется готовность средств и системы оповещения, подготовки транспортных средств для эвакуации населения, оборудование посадки и выгрузки.

В целях выполнения спасательных работ в зонах затопления приводятся в готовность невоенизированные формирования и другие силы и средства РСЧС.

Во всех населенных пунктах и на объектах, которым угрожает затопление, выставляются спасательные посты из состава формирований. При угрозе затопления проводятся эвакомероприятия населения из районов, которым угрожает опасность, мероприятия по вывозу материальных ценностей и сельскохозяйственных животных.

Все мероприятия проводятся с соблюдением мер безопасности.

Личный состав, привлеченный для этих целей, должен быть обучен правилам по соблюдению мер безопасности и приемам спасения утопающих и оказания им первой медицинской помощи.

1.3. Основные понятия, термины и определения

Чрезвычайная ситуация (ЧС): состояние, при котором в результате возникновения источника чрезвычайной ситуации на объекте, определенной территории или акватории нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, возникает угроза их жизни и здоровью, наносится ущерб имуществу населения, народному хозяйству и окружающей природной среде.

Зона чрезвычайной ситуации (зона ЧС): территория или акватория, на которой в результате возникновения источника чрезвычайной ситуации или распространения его последствий из других районов возникла чрезвычайная ситуация.

Зона бедствия: часть зоны чрезвычайной ситуации, требующая дополнительной и немедленно предоставляемой помощи и материальных ресурсов для ликвидации чрезвычайной ситуации.

Пострадавшее население: часть населения, оказавшегося в зоне чрезвычайной ситуации, перенесшая воздействие поражающих факторов источника чрезвычайной ситуации, приведших к гибели, ранениям, травмам, нарушению здоровья, понесшая материальный и моральный ущерб.

Половодье: фаза водного режима реки, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким длительным подъемом воды, выходом ее из русла на пойму в результате весеннего таяния снега и ледников в горах (на реках, берущих начало в высокогорье).

Затопление: Покрытие территории водой в период половодья или паводков.

Подтопление: Повышение уровня грунтовых вод, нарушающее нормальное использование территории, строительство и эксплуатацию расположенных на ней объектов.

Зона затопления: Территория, покрываемая водой в результате превышения притока воды по сравнению с пропускной способностью русла.

Зона вероятного затопления: Территория, в пределах которой возможно или прогнозируется образования зоны затопления.

Зона катастрофического затопления: Зона затопления, на которой произошла гибель людей, сельскохозяйственных животных и растений, повреждены или уничтожены материальные ценности, а также нанесен ущерб окружающей природной среде.

Зона вероятного катастрофического затопления: Зона вероятного затопления, на которой ожидается или возможна гибель людей, сельскохозяйственных животных и растений, повреждение или уничтожение материальных ценностей, а также ущерб окружающей природной среде.

Источник чрезвычайной ситуации; источник ЧС: Опасное природное явление, авария или опасное техногенное происшествие, широко распространенная инфекционная болезнь людей, сельскохозяйствен-ных животных и растений, а также применение современных средств поражения, в результате чего произошла или может возникнуть чрез-вычайная ситуация.

Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях; обеспечение безопасности в ЧС: Принятие и соблюдение правовых норм, выполнение эколого-защитных, отраслевых или ведомственных требований и правил, а также проведение комплекса организацион-ных, экономических, эколого-защитных, санитарно-гигиенических, санитарно-эпидемиологических и специальных мероприятий, напра-вленных на обеспечение защиты населения, объектов народного хо-зяйства и иного назначения, окружающей природной среды от опасно-стей в чрезвычайных ситуациях.

Зона вероятной чрезвычайной ситуации; зона ВЧС: Территория или акватория, на которой существует либо не исключе-на опасность возникновения чрезвычайной ситуации.

Зона временного отселения: Территория, откуда при угрозе или во время возникновения чрезвычайной ситуации эвакуируют или временно выселяют проживающее на ней население с целью обеспечения его безопасности.

Чрезвычайный режим деятельности РСЧС: Режим функционирования РСЧС, территориальных, функциональных и отраслевых ее подсистем или звеньев, вводимый при возникновении чрезвычайной ситуации на подведомственной территории и особо важных объектах различного назначения или в связи с возникновением зоны чрезвы-чайной ситуации крупного масштаба.

Режим повышенной готовности РСЧС: Режим функционирования РСЧС, территориальных, функциональных и отраслевых ее отдель-ных подсистем или звеньев, вводимый при угрозе возникновения чрезвычайной ситуации или получении прогноза о вероятности ее возникновения на определенной части территории России или в от-дельной местности.

Режим повседневной деятельности РСЧС: Порядок функционирования РСЧС, ее территориальных, функциональных и отраслевых подсистем, при нормальной производственно-промышленной деятель-ности, радиационной, химической, биологической, сейсмической и гидрометеорологической обстановке, отсутствии эпидемий, эпизоотий и эпифитотий на подведомственной территории.

1.4.Природа возникновения и классификация факторов чрезвычайной ситуации

Затопление прибрежных территорий, с находящимися на них населенными пунктами, хозяйственными объектами, может наступить в результате антропогенных причин: разрушения гидротехнических сооружений или несанкционированных действий человека при эксплуатации этих сооружений (плотин; дамб; перемычек, расположенных выше по течению реки, или системы ирригационных сооружений в орошаемых районах).

Особенно большие потери населению и значительный ущерб народному хозяйству может быть причинен при каскадном расположении гидроузлов, так как в результате разрушения вышележащего гидроузла образующаяся волна будет приводить к разрушению плотин гидроузлов, расположенных ниже по течению реки.

Прорыв гидротехнических сооружений может произойти из-за воздействия сил природы (землетрясения, урагана, обвала, оползня и т.п.), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания плотины и т.д., а в военное время - как результат воздействия по ним средств поражения.

Однако, как правило, такие наводнения возникают из-за несвоевременного опорожнения малых водохранилищ, неготовности водоприемников, захламления русел, особенно у мостовых переходов. Из 300 аварий плотин в различных странах за период с 1902 г. по 1977 г. в 35 % случаев причиной аварии было превышение расчетного максимального сбросного расхода, т.е. перелив воды через гребень плотины. Образующаяся при этом волна имеет большую высоту и скорость движения. Для равнинных районов скорость такой волны колеблется в пределах 3..25 км/ч, а для горных и предгорных районов достигает величины порядка 100 км/ч.

Этот тип наводнений близок по своему характеру к наводнениям, вызванным выходом рек из своих берегов из-за продолжительных и сильных дождей (паводкам). Отличия заключаются в большей скорости распространения наводнения, а следовательно более сжатых сроках затопления территорий и внезапности, что влечет за собой разрушение мостов, дорог, зданий, а также гибель людей и скота.

Плотины и дамбы являются гидротехническими сооружениями напорного фронта, создающими разницу уровней воды.

В зависимости от времени опорожнения водохранилищ различают два вида речного стока: волну попуска (образуется при медленном опорожнении водохранилища) и волну прорыва (образуется при быстром или мгновенном опорожнении водохранилища).

Гидротехнические сооружения напорного фронта являются гидродинамически опасными объектами (ГОО).

При прорыве ГОО образуется проран, через который происходит излив воды из верхнего бьефа в нижний и образование волны прорыва. Волна прорыва - основной поражающий фактор этого вида аварий. Воздействие волны прорыва на объекты подобно воздействию воздушной ударной волны взрыва, но отличается от него тем, что действующим телом в этом случае является вода.

Волна прорыва (попуска) по своей физической сущности представляет собой неустановившееся движение потока воды, который в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры (см. рис). Она имеет фазы подъема уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсивного подъема уровня воды называется фронтом волны прорыва. Фронт волны прорыва может быть крутым при перемещении волны прорыва по участкам русла, близким к разрушенному ГОО, и относительно пологим - на значительном удалении от него.

Вслед за фронтом волны прорыва высота ее начинает интенсивно возрастать, достигая через некоторый промежуток времени максимума, называемого гребнем волны прорыва, который движется, как правило, медленнее ее фронта. В результате подъема волны происходит затопление поймы и прибрежных участков местности.

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=Н_в + h_б (h_б - глубина реки до прохождения волны или бытовая глубина);

· скорость движения С_фр, С_гр, С_хв и времена добегания t_фр, t_гр, t_хв характерных точек волны прорыва до различных створов, расположенных ниже гидроузла;

· длительность прохождения волны Т_в в выделенных створах, равную сумме времени подъема Т_под и спада Т_сп уровня воды в них;

· средние V_ср и поверхностные V_пов 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].

1.5.Анализ рассматриваемой чрезвычайной ситуации в сравнении с реально происшедшими авариями в истории

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.

2. Исходные данные для проектирования

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].

2.1.Характеристика чрезвычайной ситуации

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.

Общий коэффициент разрушения плотины с учетом сейсмовоздействия и перелива через гребень и размыва составляет 0,3.

Время года: 26 апреля (весеннее половодье).

Время суток: 12.00.

Температура воздуха - +15-17 С.

Температура воды - + 5-7С.

Активное снеготаяние, в результате чего в некоторых районах на асфальтированных дорогах лужи, грязь, грунтовые дороги труднопроходимы.

На рисунке 1 приведена карта местности района гидроузла.



2.2.Характеристика населенного пункта

Гидроузел запроектирован и построен в целях комплексного использования водных ресурсов реки Уфы, с учетом перспективного развития энергопотребления, водоснабжения и судоходства. Водохранилище используется для перевозки пассажиров, сухогрузов, нефтепродуктов, леса, лесоматериалов и в целях рекреации. На берегах водохранилища расположено 11 учреждений отдыха: туристические базы, базы отдыха, детские и спортивные лагеря.

Ниже створа водоподпорных сооружений головного узла, в 5-10 км от створа расположены два поселка городского типа с населением 3,9 и 3,1 тыс. человек.

В пгт. Павловка (3.9 тыс. человек) преимущественно стоят кирпичные малоэтажные (одно- трехэтажные), а также деревянные дома (одно- двухэтажные). Редко - дома кирпичные малоэтажные здания (одно- трехэтажные). В пгт. Красный Ключ (3,1 тыс. человек) картина та же, однако присутствуют два промышленных здания с легким металлическим каркасом.

В обоих поселках стенки, набережные и пирсы на железобетонных и металлических сваях. Присутствуют также трансформаторные подстанции.

Дороги в обоих населенных пунктах в основном асфальтированные, однако на окраинах (ближе к реке) - дороги с гравийным (щебеночным) покрытием. Использование железнодорожного транспорта невозможно ввиду отсутствия проложенных путей. Ширина дорог внутри населенных пунктов обеспечивает пропускную способность в 400-900 машин в час. Автомобильная трасса, соединяющая населенные пункты с городом Уфой, проходит по плотине, что, при разрушении последней, отрезает основной путь спасательных и восстановительных формирований. К створу гидроузла существуют и другие подъездные дороги с твердым покрытием с левого и правого берегов; таким образом, подъезд к створу обеспечивается в любое время года. Параметры потока, вызывающие разрушения данных зданий и сооружений приведены в таблице 2.2.1.

Таблица 2.2.1.

Параметры потока, вызывающие разрушения зданий и сооружений

Тип здания и сооружения	Полное и сильное	Среднее	Слабое
	h, м	V, м/с	h, м	V, м/с	h, м	V, м/с
Деревянные дома (одно- двухэтажные)	3,5	2	2,5	1,5	1	1
Кирпичные малоэтажные здания (одно- трехэтажные)	4	2,5	3	2	2	1
Промышленные здания с легким металлическим каркасом и здания бескаркасной постройки	5	2,5	3,5	2	2	1,5
Стенки, набережные и пирсы на железобетонных и металлических сваях	6	6	3	4	1	2
Трансформаторные подстанции	5	2	4	2	2	1
Дороги с гравийным (щебеночным) покрытием	2,5	2	1	1,5	0,5	0,5
Шоссейные дороги с асфальтобетонным покрытием	4	3	2	1,5	1	1
Автомашины	2	2	1,5	1,5	1	1

2.3. Прогнозирование чрезвычайной ситуации

Прогнозирование данной чрезвычайной ситуации проводилось на основе программы «Волна 2.0», разработанной ВНИИ ГОЧС в 1998 году.

2.3.1. Прогнозирование развития факторов чрезвычайной ситуации

При расчет использовались следующие исходные данные (таблица 2.3.1):

Таблица 2.3.1.

Характеристика створа Павловского гидроузла

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТВОРА ГИДРОУЗЛА	0-створ
1. Объём водохранилища при НПУ	Wв	млн.м3	1410
2. Глубина водохранилища у плотины при НПУ	Hв	м	35
3. Площадь зеркала водохранилища при НПУ	Sв	млн.м2	115,9
4. Ширина водохранилища у плотины при НПУ	Bв	м	810
5. Глубина реки в нижнем бьефе гидроузла	Hбо	м	1,0
6. Ширина реки в нижнем бьефе гидроузла	Bбо	м	67
7. Скорость течения в нижнем бьефе гидроузла	Vбо	м/с	1,0
8. Глубина водох. у плотины на момент разр. ГУ	Hp	м	35
9. Степень разрушения гидроузла	Ep		0,3
10. Высота порога бреши	p	м	15
11. Отметка уреза воды водохранилища ( НПУ )	Zв	м	140
12. Количество постоянных створов по длине реки	N		2

По створам двух поселков городского типа (таблица 2.3.2):

Таблица 2.3.2.

Характеристика рассматриваемых створов (по населенным пунктам)

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТВОРОВ \\ № СТВОРА	1- створ пгт. Павловка	2 - створ пгт. Кр. Ключ
Удаление i-го створа от створа гидроузла	Lci	км	5	8
БЫТОВОЙ ПОТОК:
Отметка уреза воды	Zбi	м	105,5	100,3
Глубина	Hбi	м	1,5	3,0
Ширина	Bбi	м	60	80
Скорость течения	Vбi	м/с	2,0	4,0
ЛЕВЫЙ БЕРЕГ
Высота бровки берега	Hm	м	0	0
Ширина поймы реки	Bп	м	0	0
Отм. 1-й горизонтали местности	z1	м	105,55	100,4
Расстояние от оси реки до 1-й гм	B1	м	220	265
Отм. 2-й горизонтали местности	z2	м	106,0	101,0
Расстояние от оси реки до 2-й гм	B2	м	223	268
Отм. 3-й горизонтали местности	z3	м	106,5	0
Расстояние от оси реки до 3-й гм	B3	м	230	0
ПРАВЫЙ БЕРЕГ
Высота бровки берега	Hm	м	0	0
Ширина поймы реки	Bп	м	0	0
Отм. 1-й горизонтали местности	z1	м	106,0	101,0
Расстояние от оси реки до 1-й гм	B1	м	60	100
Отм. 2-й горизонтали местности	z2	м	106,5	101,5
Расстояние от оси реки до 2-й гм	B2	м	75	102
Отм. 3-й горизонтали местности	z3	м	107,0	0
Расстояние от оси реки до 3-й гм	B3	м	80	0

Параметры волны прорыва и времени затопления (результаты расчета) следующие (таблица 2.3.3):

Таблица 2.3.3.

Параметры волны прорыва по трем створам

ПАРАМЕТРЫ ПРОРЫВА \\ № СТВОРА	0 ст.	1 ст.	2 ст.
Удаление створа от гидроузла	Lci	км	0,00	5,00	8,00
Максимальный расход воды в створе	Qi	тыс.м3/с	8,40	7,91	8,30
ВРЕМЯ
Добегания фронта волны	Tфi	мин	0,00	16,16	27,51
Добегания гребня волны	Tгi	мин	0,00	13,35	18,83
Добегания хвоста волны	Txi	мин	5458,34	5500,01	5512,51
Затопления	Tзт	мин	5458,34	5483,85	5485,00
Максимальная скорость течения	Vi	м/c	7,71	5,72	4,54
Высота волны	Hгi	м	9,31	5,74	3,44
Максимальная глубина затопления	Hi	м	10,31	7,24	6,44
Максимальная отметка затопления	Zi	м	115,31	106,07	100,64
МАКСИМАЛЬНАЯ ШИРИНА ЗАТОПЛЕНИЯ
По Левому берегу	м	171,92	224,16	266,22
По Правому берегу	м	171,92	62,23	69,51

В Приложении 1 приведены рисунки створов №1 (пгт. Павловка) и №2 (пгт. Красный Ключ).

Основные параметры волны прорыва и затопления сведем в таблицу 2.3.4.

Таблица 2.3.4.

Основные параметры волны прорыва

Параметр	Створ №1 - пгт. Павловка	Створ - №2 - пгт. Красный Ключ
Высота волны прорыва, h	5,74 м	3,44 м
Максимальная скорость течения, V	5,72 м	4,54 м
Время затопления, tзат	91 час.	91,4 час.
Время добегания фронта волны, tпр	16,16 мин	27,51 мин

Таким образом, из таблицы видно, что:

1. Высота волны прорыва h>h_кр.зд (а, следовательно, и критической высоты волны прорыва для населения).

2. V>V_кр.зд (а, следовательно, и критической скорости течения для населения).

3. При рассматриваемых метеоусловиях длительность затопления превышает допустимое время пребывания человека в воде t_зат>T_{преб.вод}.

4. При условии нахождения человека на незатапливаемой территории или незатапливаемых частях неразрушаемых волной прорыва зданий и сооружений длительность затопления (3,8 суток) в принципе для неподготовленного населения в условиях шока и стресса превышает допустимое время их пребывания в этих местах без задействования соответствующих систем жизнеобеспечения при рассматриваемых метеоусловиях t_зат>T_{преб.незат}.

5. Время до прихода волны прорыва в пгт. Павловка не достаточно для экстренной документации населения, укрытия его на незатапливаемых местах или неразрушаемых и незатапливаемых зданиях и сооружениях, но для пгт. Красный Ключ - достаточно, но мало для того, чтобы осуществить это организованно с помощью транспортных средств. Однако оповещение населения близрасположенных населенных пунктов начинается ранее самого разрушения. Это связано с тем, что решение об оповещении населения на гидроузле принято на этапе перелива воды через гребень. В соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 1 марта 1993 г. №178 «О создании локальных систем оповещения в районах размещения потенциально опасных объектов» 888 зона ответственности локальной системы на гидросооружениях принята равной 6 км ниже плотины. В связи с этим время на оповещение населения данных пгт мало и принимаем, что в обоих населенных пунктах время до прихода волны прорыва достаточно для экстренной эвакуации населения, укрытия его на незатапливаемых местах или неразрушаемых и незатапливаемых зданиях и сооружениях, но мало для того, чтобы осуществить это организовано с помощью транспортных средств.

2.3.2. Прогнозирование последствий воздействия факторов чрезвычайной ситуации

Поражающее действие при сложившейся чрезвычайно ситуации проявляется в виде непосредственного воздействия массы воды, движущейся с большой скоростью, перемещения обломков разрушенных зданий и сооружений, других предметов и таранного действия непосредственно для людей, а также на здания, где они могут находиться. Помимо этого угрозу жизни и здоровья людей представляет аспирация воды, пребывание в холодной воде, нервно-психическое перенапряжение, а также затопление (разрушение) систем жизнеобеспечения (особенно систем водоснабжения и канализации).

Кроме того, к основным последствиям катастрофического затопления в пгт. Павловка и Красный Ключ относятся:

- иммобилизация сооружений, имеющих экономическое значение (систем водоснабжения, электростанции, транспортные системы и т.д.);

- затопление или разрушение продовольственных складов, гибель посевов, садов, скота;

- разрушение зданий, в результате чего население остается без жилья в холодных климатических условиях;

- загрязнение водных ресурсов органическими остатками, которые могут вызвать рост бактерий и вирусов;

- опасность инфекционных заболеваний, переносимых дикими грызунами, проникающими в пгт. из зоны затопления;

- общее ухудшение состояния здоровья пострадавших при затоплении.

Таким образом, возникает необходимость защиты населения не только от непосредственного воздействия волны прорыва, но и от последствий ее воздействия на окружающую среду. Последствия катастрофического затопления могут усугубляться авариями на энергонасыщенных и потенциально опасных объектах, оказавшихся в зоне затопления.

Согласно, п.п. 2.2 и 2.3 разрушения близрасположенных к реке зданий и сооружений будут полные, в ряде случаев сильные, требующие капитального восстановления или сноса. Не пострадают только хорошо укрепленные набережные, которые уменьшат воздействие волны прорыва на здания и сооружения поселков. Также будет разрушено шоссе как параметрами волны прорыва, так и тем, что само шоссе проходит по плотине. Полные и средние разрушения будут вызваны и на дорогах самих населенных пунктов, что затрудняет проведение восстановительных дорог, а длительное затопление требует использования плавательных средств.

3. Организация инженерного обеспечения предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций

Мероприятия по защите от наводнения, вызванного прорывом гидросооружений, подразделяются на оперативные и предупреждающие. Оперативные выполняются в режиме ЧС, т.е. после разрушения плотины, а предупреждающие заблаговременно на случай ЧС.

Успешное выполнение мероприятий направленных на эффективное действие сил и средств по предупреждению и ликвидации наводнения, а также по снижению возможного ущерба зависит от различных видов обеспечения.