Плотина не вечна

Это отличная статья Михаила Юровского. Полностью перепощу к себе в блог.

Представим себе на минуту, что в результате землетрясения, теракта или других причин разрушится Иркутская ГЭС. Что будет, если «прорвет» знаменитую  плотину ? Каковы будут последствия такой трагедии? Давайте попробуем воссоздать такую ситуацию, опираясь на элементарные цифры. Но сначала узнаем, что такое вообще –  плотина ...

 Плотина  – это: Гидродинамически опасный объект (ГОО) – сооружение или естественное образование, создающее разницу уровней воды до и после него. К ним относят гидротехнические сооружения напорного типа и естественные  плотины . Особенностью таких сооружений является образование волны прорыва при разрушении. Верхний бьеф – верхний уровень воды и занимаемое им пространство. Нижний бьеф – нижний уровень воды. Гидротехнические сооружения напорного типа (ГЭС) – это  плотины , создающие подъем и, следовательно, напор воды, который затем используется для вращения каких-либо механизмов: турбин, лопастей мельниц и т.д. Весьма опасно разрушение  плотин . В таких случаях вода с большой высоты и с огромной скоростью устремляется в нижний бьеф, заливая все на своем пути. В таких случаях действуют два фактора: волна прорыва и зона затопления, каждый из которых имеет свою характеристику и для людей представляет опасность.



Прорыв гидродинамически опасных объектов


Прорыв может произойти из-за воздействий сил природы (землетрясения, урагана, обвала, оползня), конструктивных дефектов, нарушения правил эксплуатации, воздействия паводков, разрушения основания, недостаточности водосбросов, а в военное время – в результате воздействия средств поражения. При прорыве в  плотине  или другом сооружении образуется проран, от размеров которого зависят объем, скорость падения воды и параметры волны прорыва – основного поражающего фактора этого вида аварий. Волна прорыва образуется при одновременном наложении двух процессов: падения воды из водохранилища в нижний бьеф, порождающего волну, и резкого увеличения объема воды в месте падения, что вызывает подъем и переток в низинные места. Действие волны прорыва на объекты подобно ударной волне воздушного ядерного взрыва, но отличается от него в первую очередь тем, что главным воздействующим телом (фактором) здесь является вода. Прорыв  плотин  приводит к затоплению местности и всего того, что на ней находится. Поэтому строить любые жилые или производственные здания в этой зоне запрещено. Однако местные власти пренебрегают этим требованием, заведомо подвергая опасности людей. Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высоту, скорость движения, ширину и другие параметры. Поэтому она имеет зоны подъема и зоны спада. Передняя часть движущейся массы воды называется фронтом волны прорыва. Она может быть очень крутой (вблизи прорана) и относительно пологой – на значительном удалении от него.
Вслед за фронтом волны прорыва высота воды начинает интенсивно увеличиваться, достигая через некоторый промежуток времени максимума, превышающего высоту берегов реки, в результате чего и начинается затопление. После прекращения подъема уровней по всей ширине потока наступает более или менее длительный период движения, близкий к установившемуся. Он будет тем длительнее, чем больше объем водохранилища – пока оттуда вся вода вытечет. Последней фазой образования зоны затопления является спад уровней. После прохождения волны прорыва остается переувлажненная пойма и сильно деформированное русло реки. Разрушительное действие волны прорыва заключается главным образом в движении больших масс воды с высокой скоростью и таранного действия всего того, что перемещается вместе с водой (камни, доски, бревна, различные конструкции). Высота и скорость волны прорыва зависят от гидрологических и топографических условий реки. Например, для равнинных районов скорость волны прорыва колеблется от 5 до 50 км/ч, а для горных и предгорных мест имеет величину порядка 100 км/ч. Лесистые участки замедляют скорость и уменьшают высоту волны.

Что же будет завтра с нами?
Уровень водохранилища примерно равен уровню Байкала – 451 метр над уровнем моря. (Уровень Байкала немного выше.) Суммарная площадь зеркала такова, что обеспечит непрерывный поток высотой почти 450 метров очень долгое время.
Сразу за  плотиной  высота Ангары 421 метр. Весь центр находится на высоте 425–435 метров. Академгородок – 440–455 метров. Иркутск-II – 425–440, Первомайский – 440–490 метров. Ниже отметки 423 метра полностью или частично находятся Лисиха, Рабочее, Жилкино, Ново-Ленино, районы близ ЖД, куча дачных посёлков. Перепад  плотины  – порядка 30 метров! Разрушение  плотины  (т.е. моментальное уничтожение объекта по всей длине) создаст сильную ударную волну (фронт), высота которой заметно превысит отметку 30 метров. Сработает закон сохранения импульса, когда большая масса воды будет разгонять фронт. Эта огромная масса высотой 35-40 метров, двигаясь со скоростью 30 –50 км/ч сразу сметет центр города, затем пр. Марата, Рабочее, Жилкино, Иркутск-II, Ново-Ленино…  Самое страшное, что под воздействием огромного давления горловина на месте разрушенной  плотины  будет постоянно расширяться, что вызовет приток еще большего объема воды! Спастись будет трудно даже на крышах 9-этажных зданий. Они попросту будут разрушены. Волна будет двигаться в основном по руслу реки Ангары (вдоль Ангарской горы), попутно заливая все прилегающие низменные участки. Сильно пострадают такие города как Ангарск, Усолье-Сибирское… Так, как скорость потока будет намного превосходить скорость самой реки, произойдет эффект «выдавливания массой» по самому руслу Ангары. Т.е. впереди основного фронта возникнет еще одна волна, а затем и серия волн, которые заставят выйти реку из берегов еще задолго до прихода основного фронта. Кроме того, первые часы поток будет таковым, что на поворотах русла уровень будет ещё выше. То, что останется от города и его обитателей, можно будет увидеть через несколько месяцев, пока не «выльется» весь объем воды Иркутского водохранилища, а Ангара не войдет в свое старое русло, которое было до постройки  плотины . Картина будет не из приятных. К тому же сильно изменится характер и течение подводных вод во всём районе, что вызовет множество провалов и сели.

У ученых свои прогнозы
Вот как прокомментировал наши опасения о возможном будущем Иркутска Кирилл Леви, заместитель директора Института земной коры по науке. Доктор геолого-минералогических наук, профессор, член-корр. РАЕН:
– Долгое время нашему мониторингу сопротивлялись наши энергетики. Но все-таки их удалось в конечном итоге убедить в том, что наблюдения за  плотиной  в плане сейсмики надо вести. Сейчас там установлены сейсмостанции, которых четыре, вдоль всей  плотины . Делалось изначально четыре продольных профиля – по верхнему бьефу, потом по средней части бьефа – уровня  плотины , потом планировались датчики и по самому нижнему бьефу – подошве  плотины 
Тут к нашей беседе с профессором Леви присоединяется Евгений Черных, старший научный сотрудник лаборатории общей и инженерной сейсмологии, посвятивший изучению  плотины  ГЭС годы:
– Нам бы хотелось знать, как  плотина  поведет себя при 5 или 10 баллах землетрясения, и какие могут быть последствия, если что-нибудь там в ней нарушится? – интересуюсь ненавязчиво.
– Что касается сейсмической опасности, то мы провели там чёткое уточнение данных  сейсмического характера в зависимости от местных тектонических и грунтовых условий. Создали карту сейсмики именно для этого участка. На этой карте выделены 7–8-балльные участки на  плотине  Иркутской ГЭС. По проектной мощности она должна 9 баллов колебания коры. К тому же у нас там стоят сейсмостанции, которые с 1997 года регистрируют все землетрясения в ней. Как известно, по руслу Ангары есть масса зон ВОЗ – возможных очагов землетрясения. Цель всех сих наблюдений – оценить и сделать прогноз о том, какой сейсмический эффект будет на  плотине , если на  плотине  в каком-то из участков произойдет землетрясение определенной магнитуды.
К примеру, если на среднем Байкале, в районе Ольхона, произойдет тряска в 8 баллов, то тут будут такие вот ускорения. Скорость воды, смещение пластов и ускорение – вот с какими параметрами мы работаем. Для эксплуатационников важен такой параметр как ускорение. Поэтому мы стремимся набрать статистики подвижек и сделать соответствующий прогноз. Основная оборотная частота гидроагрегатов Иркутской ГЭС 1,39 Герц. Эти низкочастотные вибрации регистрируются по всей территории Иркутска и вносят свой оттенок во всю повседневную жизнь.
Так вот, уровень этих вибраций мы тоже отслеживаем – как он меняется с годами. Потому что там заложены параметры, по которым можно судить, как меняется состояние  плотины  в ту или иную сторону. Что касается техники – то там, в ней, стоит очень большой комплекс сейсмометрической аппаратуры, собственно, находящийся и под наблюдением самих энергетиков. К тому же по всей ее длине набурена масса скважин, так называемые пизометры – те лунки, что отслеживают уровень воды, есть ещё и щелемеры… И, кстати, основную проверку на прочность наша  плотина  прошла при землетрясении 2008 года. По сути, оно было близко к потенциально возможному. То самое Култукское. По мнению экспертов, в эпицентре  плотины  оно было 5-балльным, а по Иркутску доходило до 6–7!

Краткая памятка террористам
 – Насколько знаем, проектировочно  плотина  была построена даже под прямое попадание бомбы…
– В 1960-е годы, когда мы готовились к атомной войне, действительно строились модели мощности. Учитывалось её внезапное и резкое разрушение и то, какая волна цунами падет на город Иркутск, – вновь вступает в беседу Кирилл Леви. – А поскольку 30 метров высоты для каскада вод велика, то нижняя часть города попросту тут же исчезает с лица земли. Но такого мгновенного внезапного разрушения в настоящий момент предвидеть попросту невозможно. Ну, промоет где-то  плотину , но ведь не сразу же ее разорвет. Река ее будет промывать потихоньку, течь себе бурным потоком. Вода к тому же фильтруется в своих боковых частях – по насыпной части. Меняются как-то и условия водообмена. Да и сами-то энергетики за ней следят. Так, они сверлят скважины, особенно зимой, прямо в тело  плотины  – красные столбики вдоль дороги... Они контролируют ее состояние.

Аукаться будет за тысячу км
– Для того чтобы ее взорвать или просто существенную дырку проделать – нужен целый грузовик взрывчатки. Вообще, плотина  разделена на четыре секции. Правобережная часть, левобережная… земляная  плотин . И самая важная – русловая часть, состоящая из заливных бетонных блоков, – дополняет шефа Евгений Черных.
– Вообще, там, где мы живем, лежит толстая – от 200 км – земная плита, а по ту, бурятскую сторону, земля имеет толщину лишь в 150 км. Под самим Байкалом – лишь 60 км прямо до уровня пластичной мантии, – вновь вступает в беседу Кирилл Леви. – Поэтому тот, восточный берег убегает, оттаскивается… а этот более-менее стабильно стоит. А рвется-то внутри Байкала как раз!
Другое дело, что по Ангаре как раз идет и пересекает часть Байкала Ангарский же разлом. Он представляет собой интерес особый, потому что он оказывается волноводом для волн при землетрясениях вблизи этого разлома. Потому что иногда небольшую тряску ощущают аж в Черемхово и даже в Нижнеудинске. Потому что вдоль него волна бежит. Для ГЭС же тоже опасно. Когда же у нас стали сверлить скважины под Новый Ангарский мост, то обнаружили там огромное количество трещин в коренных породах, оползней в земной рыхлятине, тогда начали беспокоиться за общий уровень грунта по всей акватории реки. Но в самой-то  плотине  все стабильно. Геологическая среда ведь меняется очень медленно. Это несколько наших жизней надо, чтобы заметить то, что там произошло. Будущее наше зависит от того, как грамотно спроектировано сооружение любой ГЭС. Если вы посмотрите внимательно на Братскую ГЭС и на отработку этой ГЭС с 72 приточных вод, так вот, с тех самых пор она пережила несколько подъемов уровней воды и резких же спусков уровней воды. Это 11-летний солнечный цикл, на который ещё накладываются и ежегодные полугодовые техногенные циклы перепадов вод,  плотина  и сам водосборник вписался там в природную ритмику. Вот если же он не впишется, то он будет внезапно стерт.

Грязь страшнее земной тряски
И самая главная беда такой  плотины , как наша, в том, что, когда их эксплуатируют, очень активно развиваются экзогенные процессы на берегах. И сами водоемы начинают заиливаться и не принимать тот объем воды, на который они были рассчитаны. Почему европейские гидросооружения регулярно чистят свои водосборники? Зачем плавучие машины выгребают всю грязь оттуда? Иначе мощность ГЭС падает, она попросту становится нерентабельной. У нас пока такого нет, хотя надо сказать, что на Иркутском водохранилище береговая зона уже очень сильно переработана. Оползни по берегам очень много застойной грязи сносят в реку Ангару. И это факт.
До сих пор не учитывается то, сколько вреда наносит то или иное гидротехническое сооружение. Экзогенная геология тут начинает гулять, как хочет. Уничтожаются пахотные земли, что и произошло здесь, особенно в Братском районе. Поголовье рыбного сообщества уменьшается. Ухудшаются условия их жизни здесь – и они не могут метать икру здесь. Потери очень высокие.

Энергетик против монополий
Виктор Митрофанович Боровский долгие годы руководил Иркутскэнерго и не понаслышке знает о проблемах запуска новых турбин, разморозки города и удорожания электроэнергии в наше время.
– Нам надо строить и новые холодные водозаборы для ТЭЦ. А по новым законам, воду из Ангары уже не возьмешь. Сейчас мы ее берем для питья – но это неправильно: воду надо искать под землей. Это очень больная тема. И когда меня пригласили в Общественную палату города Иркутска, я изучил схему теплоснабжения в связи с развитием города. Посмотрел Генплан и увидел, что происходит закрытие электрокотельных. Через два–три года они должны быть закрыты все. Поэтому уже в эту зиму Ново-Иркутская ТЭЦ работает без резерва. А если авария? Что тогда?
Ведь если произойдет крупный прорыв, на его ликвидацию потребуются сутки при минус 20 градусах и ниже. Мы вынуждены будем у половины города слить воду из батарей, чтоб они не лопнули. Но бывают аварии, которые требуют двух и более суток для ликвидации последствий. Именно электрокотельные давали в советское время возможность не заморозить город совсем. Закрывая их, мы своими руками создаем аварийную ситуацию. Иркутскэнерго задумало решить вопросы электроснабжения закрытием электрокотельных. Излишние мощности ГЭС пошли на пятую очередь Шелеховского алюминиевого завода. Иркутск оказался в дефиците электричества. Для меня, как для вчерашнего энергетика и главы Иркутскэнерго, эта ситуация весьма странная. Естественно, я бы предложил ввести пару турбин. Должны быть дополнительные энергетические мощности ГЭС. Но акционеры вкладывать в это деньги не стали, решив это за счет безопасности...
Справка: Первый ток Иркутская ГЭС дала 29 декабря 1956 года. Принята в постоянную эксплуатацию 24 сентября 1958 года. Мощность 662,4 тыс. кВт. Скорость течения реки Ангары в истоке по фарватеру от 4 до 8 км/ч (1–2 м/с). При высоком уровне Байкала скорость бывает большей. Исток расположен на уровне Байкала, то есть на высоте 456 м над уровнем моря. У места впадения в Енисей – 76 м. Перепад – 380 м.

Михаил Юровский