Moscow, Russian Federation
UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The issues of ensuring the safety and operational reliability of the functioning of irrigation and drainage systems with a long service life are considered. It has been established that the service life of irrigation and drainage systems in the south of Russia is about 40-50 years, the average wear is 72%. The main damages of the GTS are erosion of the upper slope, malfunction of the spillway and silting of the reservoir bowl (pond), which leads to increased filtration through the dam body, an increase in the level of the depression curve and complication of the passage of flood waters. Changes in the rules for the operation of hydraulic structures, in particular, a de-crease in the normal retaining level in comparison with the design level is not a rare occurrence. At the same time, the operation of the GTS in a sparing mode can be considered a temporary measure used until repair or reconstruction is carried out. The efficiency of hydraulic structures with a high degree of wear at the level of ultimate loads and impacts below the design values is noticeably reduced. The use of constant monitoring, as well as forecasting the reliability of hy-draulic structures, can reduce the severity of the problem. Safe and efficient operation of hydrau-lic structures with a high degree of wear during the period preceding repair or reconstruction can be ensured by introducing a system for automated monitoring of hydraulic structures in combina-tion with a decision support system (DSS).
irrigation and drainage systems (HMS), hydraulic structures (GTS), water supply, wear rate, envi-ronmental safety
Гидромелиоративная система представляет собой комплекс взаимодействующих сооружений и технических средств для гидромелиорации земель [1]. От технического состояния гидротехнических сооружений полностью зависит обеспеченность орошаемых площадей водными ресурсами. Большинство оросительных систем в южных областях Европейской части Российской Федерации построены 40-50 и более лет назад. Такой срок эксплуатации является предельным для гидротехнических сооружений III и IV классов [2], вследствие чего значения контролируемых показателей состояния ГТС указанных систем (критерии безопасности) не соответствуют современным требованиям, а значительная часть ГТС не в состоянии работать в проектном режиме. Следовательно, реальный режим эксплуатации большинства ГТС в настоящее время изменился и напрямую зависит от степени износа сооружений.
Материал и методы исследований. Для определения комплекса мероприятий по обеспечению безопасности и эксплуатационной надежности функционирования гидромелиоративных систем с длительным сроком эксплуатации были проанализированы литературные источники и существующие методики по защите и безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений мелиоративного комплекса, в том числе с высокой степенью износа. Концепция научно-методических основ базируется на работах отдела гидротехники и гидравлики ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова».
Результаты и обсуждение. Считается, что защита гидротехнических сооружений и их безопасная эксплуатация будут обеспечены, если нагрузки и воздействия на сооружения, а также параметры самого сооружения будут находиться в пределах, определенных проектом [3]. Проектные значения количественных и качественных характеристик нагрузок и воздействий, а также параметров сооружения являются критериями безопасности ГТС [4].
Согласно отчету «О деятельности Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору в 2022 году» [5], из 23 113 поднадзорных Ростехнадзору ГТС (комплексов ГТС) 21 916, или 95% относятся к ГТС водохозяйственного комплекса. При этом ГТС (комплексов ГТС) I класса – 150 (0,6%), II класса – 287 (1,2%), III класса – 4 823 (20,9%), IV класса – 17 853 (77,3%).
Уровень безопасности поднадзорных Ростехнадзору ГТС оценивается следующим образом: нормальный уровень безопасности - 19 %, пониженный - 35 %, неудовлетворительный - 33 %,опасный уровень безопасности, характеризуемый потерей работоспособности и невозможностью дальнейшей эксплуатации, имеют 13 % комплексов ГТС. Так как за безопасностью сооружений I и II класса ведется тщательный надзор, обычно указанные комплексы ГТС имеют нормальный уровень безопасности, а наличие неудовлетворительного и опасного уровня характеризует сооружения III и IV класса.
Одной из причин высокой аварийности является то, что при эксплуатации ГТС руководствуются проектным уровнем критериев безопасности, не учитывая высокую степень изношенности объектов. Изучением состояния гидроузлов Российской Федерации долгие годы занимался старейший работник ВНИИГиМ Геннадий Васильевич Ляпин. Ниже (табл. 1) представлена выборка из таблицы по анализу причин аварийного и предаварийного состояния ГТС (по результатам исследований Г.В. Ляпина).
Таблица 1
Причины аварийного и предаварийного состояния гидротехнических
сооружений, возникающие вследствие длительной эксплуатации
|
№№ п/п |
Субъект Федерации |
Количество ГТС |
Размываниее верхового откоса |
Неисправность водосбросного сооружения |
Заиленность чаши водохранилища (пруда) |
Просадка гребня плотины |
|
1 |
Республика Калмыкия |
7 |
7 |
6 |
6 |
|
|
2 |
Краснодарский край |
34 |
32 |
34 |
28 |
8 |
|
3 |
Астраханская область |
17 |
17 |
17 |
Нет сведений |
7 |
|
4 |
Волгоградская область |
65 |
65 |
65 |
51 |
11 |
|
5 |
Ростовская область |
34 |
34 |
34 |
Нет сведений |
9 |
|
|
ИТОГО |
157 |
155 |
156 |
85 (о 51 нет сведений) |
35 |
Из таблицы 1 видно, что основными повреждениями плотин, возникающими в процессе длительной эксплуатации, являются размывание верхового откоса, неисправность водосбросного сооружения и заиленность чаши водохранилища (пруда). Первые две неисправности гарантированно ведут к усилению фильтрации через тело плотины и повышению уровня депрессионной кривой. Заиленность чаши водохранилища снижает его объем, что усложняет как пропуск паводковых вод, так и использование водохранилища в качестве резервуара для хранения оросительной воды.
Алгоритм формирования мероприятий по обеспечению безопасности и эксплуатационной надежности функционирования ГТС (в нашем случае относящихся к гидромелиоративному комплексу), разработан в достаточной степени и осуществляется на основании целого ряда Федеральных законов и Сводов правил (СП) [6-9]. Однако мероприятия по обеспечению безопасности зачастую не могут быть выполнены в полном объеме как по причине нехватки на комплексе ГТС обслуживающего персонала, так и отсутствия финансирования. Следовательно, для нормальной эксплуатации указанных сооружений, необходимо определение такого режима работы ГТС, при котором будут соблюдаться меры безопасности и эксплуатационной надежности. То есть, допустимые пределы, при превышении которых состояние сооружения признается в различной степени опасным, будут ниже проектных и напрямую зависеть от степени износа ГТС.
Изменение критериальных значений при эксплуатации ГТС не является исключительным явлением. Согласно СП «Плотины из грунтовых материалов», в процессе строительства и последующей эксплуатации плотин значения диагностических показателей подлежат корректировке с учетом данных натурных наблюдений [7]. Такая возможность детально проработана в документе «Гидроэлектростанции. Мониторинг и оценка технического состояния гидротехнических сооружений в процессе эксплуатации. Нормы и требования» [4]. Проектные критериальные значения диагностических показателей не являются догмой и могут быть изменены в соответствии с выявленными дефектами, влияющими на прочность и устойчивость сооружений. Из указанных принципов следует исходить в процессе анализа ГТС мелиоративного комплекса.
Изменение правил эксплуатации ГТС, в частности, плотин (снижение уровня НПУ по сравнению с проектным), вследствие различных причин не является редким явлением, что видно на примере комплекса гидротехнических сооружений, расположенного в Курганской области. Обследование 2017 г. Проектирование и строительство земляной плотины велось в соответствии с утвержденным проектом для отметки нормального подпорного уровня (НПУ) водохранилища - 112,0 м.
Ниже смоделирован расчет кривой депрессии в теле плотины при проектных (рис. 1) и фактических на 19.06.2017 г. (рис. 2) условиях функционирования, в зависимости от уровня воды в верхнем бьефе. При расчете была использована программа «Фильтрационные расчеты грунтовых плотин с применением электронных таблиц», кафедра ГТС РГАУ МСХА, автор В.И. Волков. Из рисунка 1 видно, что, даже при уровне воды в верхнем бьефе 112,00 (НПУ), кривая депрессии не выклинивается на откос плотины и своим нижним концом уходит в дренаж (дополнительно устроенный трубчатый дренаж вдоль откоса).
Из рисунка 2 следует, что, в результате неудовлетворительной работы дренажной системы, происходит выклинивание воды. При уровне воды в верхнем бьефе 110,3 м БС, уровень в пьезометре на 0,2 м выше отметки земли (102,2 м). И это несмотря на то, что в 2014 году (тремя годами ранее) участок низового откоса 46 х 35 м, где тогда отмечалось выклинивание, был пригружен щебнем фракции 20-40 мм, толщиной 30 см. После выклинивания воды в 2014 году, ввиду неудовлетворительного уровня безопасности земляной плотины, были внесены изменения в Правила эксплуатации сооружения.
Выдержка из правил эксплуатации комплекса гидротехнических сооружений, расположенных в Курганской обл., 2017 г.: «Учитывая уровень технического состояния низового откоса земляной плотины, а именно высокое стояние уровня депрессионной кривой, и в целях безопасности эксплуатации гидроузла предусматривается снижение отметки НПУ до 108 м БС после прохождения паводка на вегетационный период с доведением ее после окончания полива до отметки 107 м». Согласно смоделированному расчету кривой депрессии, при уровне воды в верхнем бьефе 108 м БС, вода в пьезометре будет находиться на 0,9 м ниже уровня почвы, что исключает выклинивание. Возвращение к отметке НПУ 112 м БС возможно после проведения ремонтных работ и строительства дополнительного дренажа.
Пример 2. Краснодарское водохранилище на р. Кубани.
Согласно «Правилам использования водных ресурсов Краснодарского водохранилища», нормативные уровни воды в водохранилище: ФУ = 35,23 м; НПУ = 33,65 м; УМО = 25,85 м.
В апреле 1993 г. Верховный Совет Республики Адыгея принял постановление № 138-1 "О мерах по ликвидации последствий, вызванных негативным воздействием Краснодарского водохранилища". В соответствии с этим постановлением, с 1993 г. действовало ежегодно обновляемое Соглашение между Республикой Адыгея и Краснодарским краем о временном режиме работ водохранилища (до окончания реконструкции обвалования рек Кубани и Протоки),характеризующимся сниженным НПУ. Нормативные уровни воды в водохранилище в дальнейшем остаются следующими: ФУ = 35,23 м НПУ = 32,75 м (проектный 33,65 м), УМО = 25,85 м.
Пример 3. Чебоксарское водохранилище, которое эксплуатируется при НПУ 63,00 м (проектная отметка ‒ 68,00 м) в течение длительного времени.
Эксплуатация гидротехнических сооружений при высокой степени износа значительно усложняется, при этом затрудняется процесс пропуска паводка [8]. Так, для Комплекса гидротехнических сооружений расположенных в Курганской области, где, вследствие неудовлетворительного уровня безопасности земляной плотины, предусмотрено снижение отметки НПУ с 112 до 108 м БС, предельный запас свободной емкости (между НПУ и УМО) уменьшился с 7,5 млн. м3 (при 112 м БС) до величины порядка 5,0 млн. м3 (при 108 м БС), то есть на одну треть. Такое уменьшение свободной емкости значительно усложняет пропуск паводка, особенно при повышенных объемах стока весеннего половодья.
Нормами и требованиями к мониторингу и оценке технического состояния ГТС гидроэлектростанций в процессе эксплуатации предусмотрен «оперативный, в том числе в режиме реального времени, контроль за работой и состоянием гидротехнических сооружений в условиях стихийных явлений и в предаварийных ситуациях, вызванных отказом или опасными повреждениями ответственных элементов сооружений» [4]. Принципы, разработанные для эксплуатации ГЭС [9], не менее актуальны при обеспечении безопасной и эффективной работы гидротехнических сооружений мелиоративного комплекса. Контроль состояния гидротехнических сооружений, в том числе с высокой степенью износа, организация взаимосвязи систем информационного обеспечения и управления, позволяющих не только оценивать надежность и безопасности ГТС в режиме реального времени, но и прогнозировать ее на будущий период, возможен только посредством внедрения системы автоматизированного ведения мониторинга ГТС в сочетании с системой поддержки принятия решений (СППР) [10].
1. GOST 26967-86 Gidromelioratsiya. Terminy i opredeleniya. [Elektronnyy resurs]. – URL: http://docs.cntd.ru›document/1200009521(Data obrashcheniya – 16.04.2021 g.).
2. Shkulanov Ye. I. Fizicheskiy iznos gidrotekhnicheskikh sooruzheniy: yego sushchnost' i raschet. / Ye. I. Shkulanov, A. M Korenovskiy // Puti povysheniya effektivnosti oroshayemogo zemledeliya: Sb. nauch. tr.FGBNU «RosNIIPM». – Novocherkassk: Ros-NIIPM, 2014. – Vyp. 55. – S. 153-160. (Data obrashcheniya – 16.11.2016
3. Gidroelektrostantsii. Metodika opredeleniya kriteriyev bezopasnosti dlya dekla-riruyemykh gidrotekhnicheskikh sooruzheniy. STO RusGidro 02.03.131-2015. – M.: Publichnoye ak-tsionernoye obshchestvo «Federal'naya gidrogeneriruyushchaya kompaniya-RusGidro»(PAO «RusGidro»), 2015. – 25 s.
4. Gidroelektrostantsii. Monitoring i otsenka tekhnicheskogo sostoyaniya gidrotekhni-cheskikh sooruzheniy v protsesse ekspluatatsii. Normy i trebovaniya. Data vvedeniya - 2009-12-31. – M.: Nekommercheskoye Partnerstvo «Innovatsii v elektroenergetike», 2009. – 64 s.
5. Godovoy otchet o deyatel'nosti Federal'noy sluzhby po ekologicheskomu, tekhno-lo-gicheskomu i atomnomu nadzoru v 2022 godu.– M.: Federal'naya sluzhba po ekologi-cheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru, 2024. –379 s.
6. Vodnyy kodeks Rossiyskoy Federatsii ot 03.06.2006 N 74—FZ (prinyat GD FS RF 12.04.2006) (s izmeneniyami na 8 dekabrya 2020 goda) (redaktsiya, deystvuyushchaya s 1 yan-varya 2021 goda) [Elektronnyy resurs]. – URL: http:// docs.cntd.ru› Vodnyy kodeks RF (Data obrashcheniya – 13.04.2021 g.).
7. SP 39.13330. 2012. Svod pravil. Plotiny iz gruntovykh materialov. Aktualizi-rovannaya redaktsiya SNiP 2.06.05-84* OKS 93.160. Data vvedeniya 2013-01-01. [Elektronnyy resurs]. – URL: http:// docs.cntd.ru›document/1200095521 (Data obra-shcheniya – 13.04.2021 g.).
8. O bezopasnosti gidrotekhnicheskikh sooruzheniy: Federal'nyy zakon ot 21.07.1997 g. № 117-FZ (s izmeneniyami na 8 dekabrya 2020 goda) [Elektronnyy resurs]. – URL: http:// docs.cntd.ru›document/9046062 (Data obrashcheniya – 10.04.2021 g.).
9. STO 70238424.27.140.003-2010 Gidrotekhnicheskiye sooruzheniya GES i GAES. Orga-nizatsiya ekspluatatsii i tekhnicheskogo obsluzhivaniya. Normy i trebovaniya. Data vvedeniya 2010-09-30 [Elektronnyy resurs]. – URL: http:// docs.cntd.ru›document/1200093612 (data obrashcheniya 18.04.2021 g.).
10. Zhezmer V.B., Matveyev A.V. Printsipy obespecheniya effektivnoy i bezopasnoy ra-boty GTS gidromeliorativnogo kompleksa // Melioratsiya i vodnoye khozyaystvo. – 2019. – № 2. – S. 5-12.
