УДК 627.8.059
DOI: 10.15587/1729-4061.2022.255167
Удосконалення системи технічної діагностики та екологічно безпечної експлуатації ґрунтових гідротехнічних споруд на малих річках
Г. В. Гапіч, Д. С. Пікареня, О. В. Орлінська, В. В. Коваленко, Л. М. Рудаков, І. В. Чушкіна, Н. М. Максимова, Т. К. Макарова, В. В. Кацевич
Представлені результати досліджень ґрунтових гідротехнічних споруд (ГТС) класу наслідків (відповідальності) СС1 на малих річках. Репрезентатив- ність отриманих результатів для вітчизняної і світової практики подальшої експлуатації таких споруд забезпечується типовістю технічних і технологіч- них підходів до будівництва, матеріалу та умов їх роботи. Греблі зведені з ґру- нтових матеріалів, експлуатуються значні терміни часу та вичерпали норма- тивний термін експлуатації, що посилює екологічну та технічну небезпеку їх подальшої роботи. Проведені візуальні обстеження, інструментальна діагно- стика технічного стану геофізичним методом природного імпульсного елект- ромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ) та математичний аналіз отриманих даних спостережень. Представлена можливість встановлення в тілі ГТС ділянок підвищеної фільтрації води крізь споруду, обводнення, розущільнення та суфо- зії, визначення потенційно небезпечних зон формування зсувів, тріщин та мо- жливих проранів. Виконано оцінювання імовірності ризику виникнення аварії на дамбах при їх каскадному розташуванні внаслідок фільтраційних деформацій тіла та основи споруди. За сучасних умов експлуатації розрахована можливість пропуску водоскидними пристроями нормативних та понаднормових (форсова- них) витрат води внаслідок опадів або прориву розташованої вище за течією споруди. Запропонований підхід надає можливість управління каскадом гідротех- нічних споруд на різних стадіях експлуатації: планової, оперативного прийняття рішень, прогнозування. Це дозволяє виконувати діагностичні обстеження з ме- тою виявлення споруд, які потребують першочергового залучення коштів на про- ведення ремонтно-відновлювальних робіт або знесення (демонтажу).
Ключові слова: гідротехнічна споруда, ґрунтова дамба, мала річка, геофі- зичні методи досліджень, фільтраційні деформації.
1. Вступ
Динамічне зростання усіх сфер економіки потребувало залучення значних об’ємів водних ресурсів для галузей промисловості, сільського господарства та комунально-побутових цілей. Це сприяло активному розвитку гідротехнічного будівництва та водогосподарського комплексу в усьому світі. За даними [1] на- лічується більше ніж півмільйона ставків і водосховищ. Найбільш активне на- копичення великих обсягів водних ресурсів відбувалось у степових, маловод- них та промислово розвинутих регіонах світу. Внаслідок цього, водогосподар- ський комплекс має у своєму складі велику кількість ґрунтових гідротехнічних споруд (ГТС) побудованих на малих та середніх річках. В переважній своїй бі-
Not
a reprint
льшості, такі споруди зведені в минулому сторіччі та відносяться до класу нас- лідків (відповідальності) СС1 [2].
Саме будівництво (створення) ставків і є надзвичайно великою проблемою зарегулювання малих річок та водотоків. Це призводить до фрагментації їх рус- ла; зниження самоочисної здатності; погіршення якості води; накопичення тве- рдого стоку; значного забруднення водойм хімічними сполуками; має екологіч- ну небезпеку використання таких водних ресурсів. Без попереднього поліпшен- ня якості води, її досить обмежено можна використовувати для цілей зрошення, риборозведення, водопостачання чи рекреації [3–5].
Переважна більшість малих річок перетворились з природних водотоків у каскади штучних водойм. За тривалої експлуатації гідротехнічних споруд у по- над 50–70 років, одним з важливих питань, також, є безпека і надійність роботи цих об’єктів. Найбільш небезпечним фактором у даному аспекті є каскадне роз- ташування дамб. Незначна відстань між спорудами за течією річки та різні за об’ємом акумульованої води, здебільшого не розраховані на утримання надлиш- кових вод у випадку прориву розташованої вище споруди. Через це, під час ава- рії на одній з дамб, можливе руйнування декількох споруд каскаду за «принци- пом доміно» [6]. Ситуація щодо екологічно безпечної експлуатації та надійності подальшої роботи всіх ґрунтових ГТС старої побудови викликає значну зацікав- леність даним питанням багатьох вчених [7–9].
Актуальність даного питання на сьогодні підсилюється значним розвитком у світовій практиці застосування дистанційних (геофізичних) методів досліджень технічного стану ґрунтових ГТС [10]. Їх достовірність дозволяє під час експлуа- тації приймати термінові ефективні управлінські рішення та прогнозувати стан споруди у часі. Одними з найбільш поширених геофізичних методів є дослі- дження питомого електричного опору [11–13], сейсмоакустичні методи тощо.
Але запропоновані методи і методики є доволі дорогими та трудомісткими. Це потребує пошуку ефективних та недорогих експрес-методів. У роботах [14, 15]
автори висвітлюють можливість широкого застосування сучасних систем геоін- формаційного забезпечення і нової апаратурної бази. За даними [16], велику роль у впровадженні комплексного підходу під час оцінювання технічного стану спо- руд та можливих ризиків виникнення і наслідків аварійних ситуацій мають екс- пертні оцінки фахівців. Сукупний перелік наведених факторів надає змогу під- вищити безпеку та надійність роботи таких гідроспоруд, що підкреслює актуаль- ність відповідних досліджень.
2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми
Статистика гідродинамічних аварій на греблях і дамбах з ґрунтових мате- ріалів [17] свідчить, що серед переважаючих факторів ризику виникнення ава- рійних ситуацій є фільтраційні деформації основи та тіла ГТС. Додатковими чинниками є утворення внутрішніх поздовжніх і поперечних тріщин та розущі- льнення ґрунтів. Однак їх виявлення на початкових стадіях розвитку є склад- ною задачею та не ідентифікується шляхом візуального обстеження, що потре- бує пошуку нових підходів під час діагностики та експлуатації таких споруд. В роботі [18] зазначається, що кількість аварійних ситуацій значно збільшується
For
reading
only
через 50 років експлуатації. Це обґрунтовує актуальність питання забезпечення безпеки всіх ґрунтових ГТС старої побудови. Але досі не реалізований систем- ний підхід до оцінювання технічного стану та екологічних ризиків виникнення аварій при управлінні каскадами таких споруд. За даними [6] встановлено, та- кож, невідповідність конструктивних параметрів водоскидів на пропуск макси- мальних витрат води при дощових (зливових) паводках або весняного снігота- нення, а також неспроможність витримати перелив води через гребінь споруди.
Посилюючими чинниками, що впливають на безпеку експлуатації ґрунтових ГТС та ведуть до відмов і гідродинамічних аварій є тривалий термін експлуата- ції та низький рівень інженерно-технічної якості будівництва за відсутності на- лежної проєктної документації [19]. Відмічається недостатність або відсутність моніторингових спостережень і діагностики технічного стану споруд [9]. Як правило, це викликано фінансовими труднощами та трудоємністю проведення таких досліджень, а також незначною застосовністю закладної контрольно- вимірювальної апаратури (КВА). Вирішенням цього може бути застосування дистанційних методів контролю.
Слід відмітити, що у відповідності до [2] ГТС поділяються на 3 класи нас- лідків (відповідальності): СС3, СС2, СС1. Даним стандартом регламентується:
«застосування технічних і програмних засобів систем моніторингу технічного стану ГТС лише для споруд класу СС2 та СС3». Разом з тим, майже 99 % спо- руд, що формують каскади водойм на малих річках, відносяться до класу СС1, для яких не передбачаються ні експлуатуючий штат працівників, ні технічні засоби контролю, ні система моніторингових спостережень.
Додатковим чинником небезпеки експлуатації таких споруд є надзвичайно стрімка тенденція зміни клімату. В роботах [20, 21] авторами констатується пе- рерозподіл кількості опадів у часі, тобто загальна їх річна кількість майже не змінюється, а спостерігається понаднормове випадіння опадів у короткі терміни часу в теплі періоди року. Таким чином, сучасні кліматичні зміни вносять коре- ктиви до розрахункових підходів під час проєктування та експлуатації ГТС, що були 50 років тому але, по суті, є діючими. Але окрім самих споруд, застаріли- ми з технічної та технологічної точки зору, залишаються проєкти водоскидних пристроїв. В більшості своїй вони частково зруйновані, засмічені та неспромо- жні пропускати понаднормові об’єми дощових і паводкових вод. Це, в свою чергу, призводить до підвищення рівня води зі сторони верхнього б’єфу спору- ди, збільшує градієнти напору, поровий тиск тощо. Сукупність таких небезпеч- них інженерно-геологічних явищ спричиняє фільтраційні деформації в тілі та основі споруди і може спровокувати як прорив (проран) ГТС, так і перелив во- ди через гребінь [22]. Але дієвої системи діагностування та попередження таких негативних явищ для ґрунтових споруд класу СС1 немає. Саме попередження та запобігання прояву негативних природних і техногенних процесів дозволить підвищити ефективність роботи цих споруд на різних рівнях експлуатації.
Поряд з переліченими факторами, актуальності набуває питання екологіч- ної та експлуатаційної безпеки подальшої роботи всіх ГТС. Науковці працюють над перспективами використання сучасних геоінформаційних технологій [23]
та ефективного забезпечення надійності роботи низьконапірних ГТС [9]. Але
Not
a reprint
недостатньо вирішеними залишаються питання комплексності підходів під час управління та експлуатації ґрунтових ГТС при їх каскадному розташуванні.
Зважаючи на незначну відстань між спорудами у каскадах, аварія на одній з дамб у верхів’ях за течією може спровокувати поступове руйнування розташо- ваних нижче споруд внаслідок надходження значних об’ємів води та мулу. В зв’язку з цим, майже усі ґрунтові ГТС потребують виконання ремонтно- відновлювальних заходів та впровадження постійно діючої системи моніторин- гу їх технічного стану. Одночасно виконати ці роботи неможливо, тому необ- хідне поступове застосування обґрунтованого комплексу діагностичних обсте- жень та визначення споруд, які в першу чергу потребують ремонту або посту- пового демонтажу споруд, які не відповідають критеріям надійності тощо. Оці- нювання технічного стану (ТС) та відповідності комплексу показників безпеч- ної експлуатації таких дамб здійснюється, як правило, лише візуально. Це надає змогу встановити лише проявлені ззовні (наочно) небезпечні інженерно- геологічні процеси та конструктивні недоліки і порушення параметрів роботи споруд. За даними [17] на греблях, які мають експлуатуючий персонал, вико- нуються геодезичні спостереження за осадками та переміщеннями, а також ко- нтролюється положення рівня води (депресійної кривої) в тілі ГТС. Але такі систематичні дослідження ведуться лише на середньо- та високонапірних ГТС і спорудах, що відносяться до класу наслідків (відповідальності) СС2 та СС3.
Для діагностичних обстежень технічного стану гребель класу СС1 сільськогос- подарського призначення такі дослідження недостатньо застосовуються або не застосовуються взагалі.
В роботі [24] запропоновано вдосконалений алгоритм та складові діагнос- тичного контролю ГТС. Але невирішеним залишається питання розробки діє- вою системи такого контролю для споруд класу СС1. Таким чином, актуальни- ми завданнями, яке вирішуються даним дослідженням, є наступні. По-перше – це удосконалення технічного діагностування стану споруд класу СС1 із засто- суванням геофізичних методів. По-друге – спроба розробки алгоритму безпеч- ної експлуатації ґрунтових гідротехнічних споруд при каскадному розташуван- ні на малих річках.
3. Мета та задачі дослідження
Метою дослідження є удосконалення існуючих підходів до системи управ- ління та оцінювання технічного стану гідротехнічних споруд з ґрунтових мате- ріалів класу наслідків (відповідальності) СС1. Це дасть можливість підвищити експлуатаційний рівень управління каскадом гідротехнічних споруд на різних стадіях експлуатації: планової, оперативного прийняття рішень, прогнозування.
Досягнення поставленої мети здійснюється через реалізацію ряду завдань:
– провести візуальне оцінювання та інструментальну діагностику техніч- ного стану ґрунтових дамб і водоскидів, які мають каскадне розташування й оцінити ефективність застосування геофізичного методу природного імпульс- ного електромагнітного поля Землі;
– виконати гідрологічні розрахунки та уточнити гідравлічні параметри робо- ти водоскидних пристроїв на випадок проходження зливових (дощових) паводків;
For
reading
only
– встановити імовірність руйнування та втрати стійкості тіла гідротехніч- них споруд і їх підвалин внаслідок фільтраційних деформацій;
– запропонувати алгоритм управління та екологічно безпечної експлуатації каскадами гідротехнічних споруд класу СС1 на малих річках.
4. Матеріали та методи досліджень
Об’єктом дослідження є процеси і явища природного і техногенного хара- ктеру, що призводять до зниження рівня екологічно безпечної експлуатації та надійності роботи ґрунтових ГТС на малих річках.
Предметом дослідження виступає каскад гідротехнічних споруд, які побу- довані на одній з малих річок степової зони України – річці Нижня Терса.
Дана річка протікає у Синельниківському районі Дніпропетровської області (рис. 1). ЇЇ довжина складає 39 км, а площа водозбірного басейну 312 км2. Долина річки переважно трапецієподібна, шириною до 1,5–2,0 км, похил становить 2 м/км. У басейні р. Нижня Терса побудовано 61 ставок. Безпосередньо на самій річці розташовані 19 водойм. Найбільше зарегулювання штучними водоймами відмічається на ділянці довжиною близько 15 км від витоку річки з площею во- дозбору ~105 км2. Далі річка протікає у природному руслі.
Рис. 1. Оглядові карти території досліджень – басейн річки Нижня Терса (точ- ками позначені водойми; водоскидні споруди – авторське фото)
Not
a reprint
Наявні у каскаді ґрунтові гідротехнічні споруди мають наступні технічні па- раметри: довжина ~600 м, висота споруд не перевищує 15 м, ширина по гребеню – 6–15 м. Площі ставків і водосховищ коливаються в межах від 1∙105 до 1∙106 м2, се- редня глибина – 3–4 м. Акумулюючі об’єми водойм не перевищують 1∙106 м3. ГТС побудовані з використанням місцевих будівельних матеріалів: суглинків і глин.
Слід зазначити, що спорудження ГТС і будівництво водойм розміщених нижче по течії виконувалось без належного гідрологічного обґрунтування вна- слідок неповного врахування регулюючої ємності ставків і водосховищ розмі- щених вище за течією.
Досліджувані об’єкти є аналогічними по відношенню до переважної біль- шості гребель і дамб, побудованих на річках степової зони країни. Вони мають спільні конструктивні параметри роботи, умови експлуатації, технологію і спо- соби зведення, складені з місцевих ґрунтових матеріалів та експлуатуються тривалий термін часу (50–70 років), що обґрунтовує високу репрезентативність проведених досліджень.
Для визначення загального рівня технічної експлуатації ГТС та розробки алгоритму управління і екологічно безпечної експлуатації гідроспоруд при кас- кадному розташуванні, використовувались декілька методів. Виконані візуальні обстеження та інструментальна діагностика із використанням геофізичного ме- тоду ПІЕМПЗ [25], гідравлічні розрахунки параметрів водоскидних пристроїв та математичне моделювання імовірності виникнення аварійних ситуацій вна- слідок фільтраційних деформацій.
Природне імпульсне електромагнітне поле є одним з природних геофізич- них полів Землі та характеризується нестаціонарним станом у часі [26–28]. По- ле ПІЕМПЗ добре поширюється в земній корі завдяки хвильовій природі. Енер- гія електромагнітного випромінювання (ЕМВ) значно розсіюється (знижується) в газі або поглинається рідиною. Оскільки ГТС складені з ґрунтових матеріалів, то для ПІЕМПЗ такі споруди є умовно прозорими. При утворені тріщини або надмірному обводненні ґрунтів усередині тіла споруди і її підвалині, інтенсив- ність поля різко знижується. Така закономірність обґрунтовує зниження щіль- ності потоку імпульсів магнітної складової ПІЕМПЗ [25], що відповідає кілько- сті імпульсів, які реєструються приладом за певний часовий інтервал вимірю- вання (як правило 0,5–1,0 с). В цьому випадку за імпульс приймається будь-яке перевищення частотно-хвильової амплітуди або ЕМВ ПІЕМПЗ над деяким за- даним значенням рівнем дискримінації. Таким чином, величина щільності по- току імпульсів лежить в основі інтерпретації досліджень ПІЕМПЗ.
Спостереження ПІЕМПЗ виконувались за загальноприйнятими методика- ми проведення геофізичних досліджень. Під час польових робіт на ґрунтових ГТС враховували їх конструктивні параметри. У зв’язку із незначною шириною гребеня споруди по відношенню до загальної довжини, профілі спостережень були закладені вздовж осі гребеня ГТС. Відстань між профілями складала від 2 до 5 м один від одного залежно від ширини споруди. Вимірювання та фіксація щільності потоку імпульсів магнітної складової ПІЕМПЗ виконувались геофі- зичним пристроєм «СІМЕЇЗ». Даний прилад є авторською розробкою ТОВ
«Слов’янський міст» (м. Дніпро, Україна). Комплектація приладу наступна: мо-
For
reading
only
дуль реєстрації електромагнітних імпульсів, переносна карта пам’яті для запису сигналів, три високочутливі антени [25]. Прилад дозволяє фіксувати щільність потоку імпульсів магнітної і електричної складових ПІЕМПЗ в діапазоні низь- ких частот 1–50 кГц. Апаратура «СІМЕЇЗ» дозволяє реєструвати значення щіль- ності потоку ПІЕМПЗ в режимі безперервного запису сигналу з частотою відліку від 0,1 секунди і більше. Приймачем імпульсних електромагнітних сигналів слу- гують виносні антени. Перевагою «СІМЕЇЗу» є вбудований частотний фільтр, що дозволяє в процесі спостережень «відсікати» електромагнітні поля техногенного походження, які викликані впливом ліній електропередач, підземними комуніка- ціями, системами зв’язку, зокрема стільникового (мобільного) тощо.
Вимірювання електромагнітних імпульсів ПІЕМПЗ на дамбах виконували в точках на профілях з кроком 2–5 м одночасно із застосуванням трьох антен в діапазоні низьких частот від 1 до 25 кГц. Одна з антен розташовувалась верти- кально вниз. Дві інші антени направлені горизонтально вздовж і у поперек дам- би на відстані 0,2–0,4 м від поверхні споруди. Дане розташування геофізичної мережі спостережень пов’язане з припущенням про розмір порушених ділянок.
Наприклад, параметри зони зосередженого фільтраційного потоку води крізь тіло ґрунтової дамби або тріщини, які знаходяться на початкових стадіях фор- мування, можуть бути незначної ширини у декілька метрів. Це обґрунтовує ви- бір відстані між профілями та кроку точок спостережень на них, щоб зафіксува- ти ділянку аномальних значень та порушену зону ГТС декількома профілями і точками (рис. 2).
Рис. 2. Схема до методики досліджень технічного стану ґрунтової гідротехніч- ної споруди геофізичним методом: фрагмент гідротехнічної споруди на водоймі
з розташуванням мережі точок спостережень природного імпульсного електро- магнітного поля Землі (ПІЕМПЗ)
За результатами геофізичної зйомки були побудовані карти-схеми щільності потоку імпульсів магнітної складової ПІЕМПЗ. Інтерпретація отриманих карт ви-
Not
a reprint
конувалась із застосуванням відомих критеріїв та ознак характерних зонам тріщи- нуватостей і розущільнення, розроблених для геофізичних полів Землі.
Оцінювання технічного стану ГТС проведено шляхом узагальнення ре- зультатів візуальних обстежень та даних інструментального спостереження за ПІЕМПЗ. Виявленні ділянки розвитку небезпечних інженерно-геологічних процесів в тілі та основі споруди, були винесені в натуру безпосередньо на об’єкті дослідження. За малюнком (контуром) поля ПІЕМПЗ додатково встано- влювались місця різнонапруженого стану ґрунтів, якими складена дамба. Це враховувалось під час діагностики та прогнозуванні можливих зон формування зсувів і утворення тріщин відриву на спорудах, які візуально оцінюються задо- вільним технічним станом та не мають наочних ознак прояву цих процесів.
Згідно діючих нормативів [2] систематичні моніторингові спостереження, технічні і програмні засоби систем моніторингу технічного стану гідротехніч- них споруд даного класу (СС1) непередбачені взагалі. Геофізичний метод ПІ- ЕМПЗ є загальноприйнятим та стандартизованим для виконання різного виду інженерно-геологічних завдань згідно низки діючих нормативних стандартів.
Важливим елементом, що підтверджує достовірність досліджень із застосуван- ням ПІЕМПЗ є ряд відомих науково-практичних досліджень щодо можливості його застосування під час діагностики технічного стану ґрунтових ГТС [4, 29].
Наступним кроком у реалізації поставлених завдань є визначення макси- мальних витрат і об’єму стоку води під час дощових (зливових) паводків, які виконані за емпіричною редукційною формулою при відсутності матеріалів гі- дрометричних спостережень:
% 2 0 0 % 1 2
2 0 0
,
p p
n
Q q F
F
(1) де Qр % – миттєва витрата 1 %-вої забезпеченості; q200 – модуль максимальної (миттєвої) витрати (м3/с·км2) імовірністю перевищення 1 %, яка приведена до водозбору площею 200 км2; λр % – коефіцієнт переходу від 1 %-вої імовірності перевищення до заданої імовірності; δ1 – коефіцієнт врахування зарегульовано- сті максимальної витрати проточними (природними) озерами (δ1=1,0); δ2 – кое- фіцієнт, що враховує зменшення витрат води в умовах залісених та заболочених водозбірних басейнів (δ2=1,0); n – показник зменшення модуля розрахункової витрати; F – площа водозбірного басейну, км2.
Об’єм стоку дощового паводку розрахункової забезпеченості встановле- ний за виразом:
3
% % 1 0 ,
p p
W F h (2)
де hр % – шар стоку води при розрахунковій забезпеченості, мм.
Гідравлічні розрахунки водоскидних споруд виконані за умови досягнення рівня води зі сторони верхнього б’єфу (ВБ) відміток форсованого підпірного
For
reading
only
горизонту (ФПГ). Розрахункову зарегульовану витрату для створу кожної окремої споруди визначено за формулою:
% 1 ,
r
r p
p
Q Q W
W
(3)
де Qр % – витрата розрахункової забезпеченості, м3/с; Wr – об’єм регулювання, м3; Wp – об’єм паводка, м3.
Пропускна спроможність водоскидів розрахована для дощових (зливових) паводків різної забезпеченості від Р=0,5 % до Р=25 %. Відповідно до [2] регла- ментуються два розрахункових випадки пропуску максимальних витрат: основ- ний та перевірочний: 5,0 %-вої та 1,0 %-вої забезпеченості відповідно.
В залежності від типу конструкції водоскиду, розрахунок їх пропускної спроможності виконано за наступними виразами:
3
2 2,
Q m b g H (4)
2 ,
r p
Q g H z (5)
де μ, m – коефіцієнт витрати водоскиду (в залежності від типу); b – периметр вхідної частини водоскиду, м; ω – площа живого перерізу відвідної труби водо- скиду, м2; H, Zrp – напір, м.
Оцінювання імовірності ризику виникнення аварії на дамбах каскаду вна- слідок фільтраційних деформацій тіла та основи споруди проведенні за методи- кою [30]. Загальна розрахункова схема наступна (рис. 3).
Загальна умова утворення фільтраційних деформацій ґрунту тіла дамби і основи має вигляд:
, ,
1 ,
e s t m c r m
n
J J (6)
де Jest,m – діючий середній градієнт напору; Jcr,m – критичний середній градієнт напору; γn – коефіцієнт надійності, що приймається відповідно до класу ГТС.
Оцінка ризику руйнування тіла дамби та основи внаслідок процесів надмі- рної фільтрації визначається за формулою:
( )
,
( ) г а р ,
T O
e s t m
n
T O H
KH j
(7)
де γn – коефіцієнт надійності; λн – нормативний ризик, який визначається в залежності від наслідків (відповідальності) споруди для основного випадку
Not
a reprint
навантажень; Кг а рН – гарантований коефіцієнт надійності тіла і основи спору- ди відповідно.
Рис. 3. Схема до розрахунку імовірнісного ризику виникнення аварії внаслідок фільтраційних деформацій ґрунтової дамби: ГГ – гребінь греблі (гідротехнічної
споруди) ГТС; ФПГ – рівень води на відмітці форсованого підпірного горизон- ту; НПГ – нормальний підпірний горизонт; Н, Н/ – діючий напір води на спору- ду; Т – потужність шару водопроникної основи ГТС; bгр – ширина по гребню споруди; d, d/ – перевищення гребня ГТС над розрахунковим рівнем води; qт – величина питомої витрати фільтраційних вод крізь тіло ґрунтової споруди; qо –
величина питомої витрати води в підвалині споруди; hо, ho/ – глибина води зі сторони верхнього б’єфу; h1 – висота виходу депресійної кривої зі сторони ни- зового укосу; Ко – коефіцієнт фільтрації ґрунтів основи дамби; Кт – коефіцієнт
фільтрації ґрунтів тіла споруди; mв, mн – коефіцієнти закладання верхового та низового укосів відповідно.
З метою реалізації і впровадження комплексного підходу до оцінювання загального рівня безпеки при експлуатації ГТС у каскаді запропонований підхід на основі експертних оцінок за різними групами показників (категорій). Ці по- казники характеризують як умови роботи (екологічні ризики, які можуть вини- кнути у випадку аварійної ситуації), так і технічний стан споруд [16]. Оцінку рівня небезпеки експлуатації «R» та невідповідності показників технічного ста- ну «ТС» нормативним умовам роботи, запропоновано виражати у відсотках за формулою:
For
reading
only
m a x 1
1 1 0 0 % ,
n
i i
R T C N
N k
(8)
де Nmax – максимальний можливий бал при оцінюванні; k – кількість показників, за якими здійснюється оцінювання; Ni – бал оцінки окремого і-го показника; n – загальна кількість показників (критеріїв) оцінки.
Узагальнення всіх результатів досліджень надає змогу оцінити можливі негативні наслідки прориву каскаду водойм. В цьому випадку основна увага приділяється показникам рівня технічного стану ГТС і забезпечення безпеки їх подальшої надійної експлуатації, а також можливих ризиків та екологічних на- слідків руйнування споруд на оточуюче середовище. За основу прийнято анало- гічний досвід країн ЄС щодо підвищення рівня безпеки експлуатації хвостосхо- вищ різного призначення [31]. Удосконалено даний підхід та адаптовано його до умов роботи каскаду ГТС на малих річках. Це дозволило розробити алго- ритм оцінювання та ранжування споруд за принципом поділу на декілька лока- льних зон забезпечення екологічно безпечної експлуатації (рис. 4).
а
б
Рис. 4. Схеми до наочного представлення результатів оцінювання безпеки екс- плуатації гідротехнічної споруди під час управління каскадом гідроспоруд: а –
досвід Європейського Союзу [30]; б – розроблений авторами алгоритм
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100
Відповідність вимогам безпеки,%
Достовірність,%
високий рівень безпеки низький
рівень безпеки
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100
Рівень небезпеки (екологічні ризики та наслідки аварії) під час експлуатації гідротехнічної споруди (R), %
Рівень невідповідності технічного стану гідротехнічної споруди нормам експлуатації, ТС %
Зона ІІ Зона І
Зона ІІІ
max ризик
Not
mina reprint
У цьому випадку «зона І» відповідає небезпечному рівню, а «зона ІІ» – за- довільним умовам роботи. Умовна «зона ІІІ» задовольняє показники рівня тех- нічної експлуатації ГТС, але потребує значної уваги щодо моніторингу техніч- ного стану споруди. Це обґрунтовується високим рівнем небезпеки та можли- вих негативних екологічних наслідків у разі прориву або аварії на дамбі.
5. Результати досліджень щодо управління та екологічно безпечної експлуатації ґрунтових гідротехнічних споруд
5. 1. Результати візуального та інструментального оцінювання техніч- ного стану гідротехнічних споруд
Результати оцінювання рівня технічної експлуатації ґрунтових ГТС пред- ставлено на прикладі однієї із досліджуваних дамб. На споруді проведені діаг- ностичні візуальні обстеження та польові дослідження із застосуванням методу ПІЕМПЗ за вищезазначеною методикою. За даними вимірів побудована карта- схема щільності потоку імпульсів магнітної складової ПІЕМПЗ (рис. 5).
За результатами візуальних обстежень виявлено ділянку просідання тіла да- мби у центральній частині, а також зону зосередженого фільтраційного потоку крізь тіло споруди у її правій частині (рис. 5, а). Після інтерпретації карти-схеми та її аналізу за результатами геофізичних досліджень встановлено додаткові не- доліки технічного стану. В тілі ґрунтової ГТС, окрім візуально діагностованих порушених ділянок, виявлено локальні зони фільтрації води крізь тіло споруди та водонасичення ґрунтів (рис. 5, б, позиція 3 і 4). Геофізичними дослідженнями ПІЕМПЗ зафіксовано зону обводнення та розмиву частини гребня дамби (рис. 5, б, позиція 5), яка підтверджується виходом фільтраційного потоку води зі сторони нижнього б’єфу (рис. 5, а, фото праворуч).
Таким чином, загальні результати обстеження на всіх досліджуваних об’єктах показали, що переважна більшість споруд знаходиться у незадовільному технічному стані. Окрім порушених частин, які діагностуються візуально, на всіх гідротехнічних спорудах додатково, за даними інструментальних спостережень, встановлюються ділянки зосередженої фільтрації та зсувонебезпечні зони. Врахо- вуючи, що вниз по течії кожної з водойм розташовані не лише ставки і водосхо- вища, а й населені пункти, каскадне руйнування ГТС може мати значні екологічні ризики, негативні наслідки і збитки соціально-економічні характеру.
а
For
reading
only
б
Рис. 5. Приклад дослідження водогосподарського об’єкту: а – супутниковий знімок водойми та зона виходу фільтраційного потоку води крізь тіло гідротех- нічної споруди; б – карта-схема щільності потоку імпульсів магнітної складової
ПІЕМПЗ. Примітка: застосована умовна система координат в метрах; вісь Х – напрямок на схід; вісь Y – орієнтування на північ; кольорова шкала праворуч показує градацію щільності потоку імпульсів магнітної складової природного імпульсного електромагнітного поля Землі; прямокутниками показані зони роз-
ривних порушень та розущільнення ґрунту; синьою лінією відмічена ділянка водонасичення і розмиву гребня
5. 2. Гідравлічний розрахунок пропускної спроможності водоскидів Для пропуску надлишкових витрат води при дощових (зливових) паводках або весняного сніготанення, ГТС обладнані скидними пристроями. У зв’язку з тим, що проєктна документація відсутня або частково втрачена, за результатами візуального обстеження встановлено, що переважна більшість конструкцій водо- скидів виконані у вигляді переливних залізобетонних труб або шахтних колодя- зів. Водоскидні пристрої мають низку конструктивних і технічних недоліків. Во- ни частково зруйновані, відсутні сміттєзатримуючі грати, засмічені уламками залізобетонних елементів конструкцій та деревиною, замулені тощо.
Результати гідрологічних розрахунків зарегульованої витрати води у ство- рі досліджуваних гідротехнічних споруд наведені в табл. 1.
Оцінювання гідравлічних параметрів і пропускної здатності водоскидів (табл. 2) виконані для основного і перевірочного випадків.
Розрахунками визначається невідповідність нормативним вимогам щодо пропуску максимальних витрат і об’ємів паводкових (дощових) вод заданої за- безпеченості, які регламентуються чинним державним стандартом [2]. Встанов- лено, що незадовільний технічний стан водоскидних пристроїв суттєво знижує гідравлічні параметри їх пропускної здатності. При проходженні паводків висо- кої забезпеченості існує потенційна небезпека досягнення рівня води до відмі- ток гребня споруд з подальшим переливом. У випадку формування прорану у тілі дамби, обсяги води, які накопичені у верхніх водоймах і раптово надійдуть до розташованих нижче ставків, значно ускладнюють пропускну спроможність водоскидів. За таких умов роботи імовірність переливу води через гребінь ґрун- тових дамб з подальшим їх руйнуванням зростає.
Not
a reprint
Таблиця 1
Розрахунок зарегульованої витрати Р1 %-вої забезпеченості на водоскидах у кас- каді гідротехнічних споруд на р. Нижня Терса
№ водоскиду Параметри та показники гідрологічних розрахунків Q1 %, м3/с Wr, ×106 м3 Wp, ×106. м3 Qr, м3/с
1 38,20 2,286 3,26 11,41
2 35,02 0,035 2,44 34,51
3 34,27 0,570 2,27 25,68
4 31,96 0,065 1,80 30,81
5 31,48 0,350 1,71 25,04
6 28,33 0,115 1,20 25,62
7 24,56 0,143 0,75 19,86
8 17,72 0,074 0,25 12,52
Таблиця 2
Визначення параметрів пропускної спроможності водоскидних пристроїв у кас- каді гідротехнічних споруд на р. Нижня Терса
№ ГТ С у ка ск аді
Клас нас- лідків
(від- пові- даль- ності)
ГТС
Об’є м води
W,
×106. м3
Пло ща во- доз- бір- ного
ба- сей- ну F,
га
Нормативні показни- ки ймовірності Р, %,
перевищення розра- хункових максима- льних витрат води за
основним (перевіро- чним) розрахунко-
вими випадками
Теоретична (6) та фактична (7) витрати водос-
кидів Q, м3/с (забезпеченість
Р, %)
Відпові- дність розра- хунко- вих па- раметрів
норма- тивним значен-
ням 1 СС1 0,993 8150 5,0 (1,0) 8,3 7,0 (2,0) + 2 СС1 0,594 6320 5,0 (1,0) 14,2 12,7 (10,0) - 3 СС2-2 1,050 5680 3,0 (0,5) 45,0 45,0 (0,5) + 4 СС1 0,120 4340 5,0 (1,0) 7,0 7,0 (15,0) - 5 CC1 0,534 4280 5,0 (1,0) 6,8 5,6 (8,0) - 6 СС1 0,165 3010 5,0 (1,0) 1,1 1,1 (20,0) - 7 СС1 0,187 2270 5,0 (1,0) 5,8 3,1 (10,0) - 8 СС1 0,184 1870 5,0 (1,0) 2,8 2,3 (7,0) -
5. 3. Розрахунок імовірнісного ризику виникнення аварії внаслідок фі- льтраційних деформацій тіла і основи дамб
На основі встановлених експлуатаційних недоліків конструкції водоскидів та їх гідравлічних параметрів роботи виконаний розрахунок імовірнісного ри- зику виникнення аварії внаслідок фільтраційних деформацій тіла і основи дамб.
Такі розрахунки проведені на відмітках нормального підпірного горизонту, фо- рсованого підпірного горизонту та гребня споруди (табл. 3) до переливу води через нього, що для ґрунтових ГТС має фактично безповоротну руйнацію.
