г. Москва и Московская область, Россия
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Рассмотрены вопросы обеспечения безопасности и эксплуатационной надежности функционирования гидромелиоративных систем с длительным сроком эксплуатации. Установлено, что срок эксплуатации гидромелиоративных систем юга России составляет порядка 40-50 лет, износ в среднем - 72%. Основными повреждениями ГТС являются размытие верхового откоса, неисправность водосбросного сооружения и заиленность чаши водохранилища (пруда), что ведет к усилению фильтрации через тело плотины, повышению уровня депрессионной кривой и усложнению пропуска паводковых вод. Изменение правил эксплуатации ГТС, в частности, снижение уровня НПУ по сравнению с проектным не является редким явлением. При этом эксплуатацию ГТС в условиях щадящего режима можно считать мерой временной, используемой до проведения ремонта или реконструкции. Эффективность работы гидротехнических сооружений с высокой степенью износа при уровне предельных нагрузок и воздействий ниже проектных значений заметно уменьшается. Снизить остроту проблемы может применение постоянного мониторинга, а также прогноза надежности ГТС. Безопасная и эффективная работа гидротехнических сооружений с высокой степенью износа в течение периода, предшествующего ремонту или реконструкции может быть обеспечена посредством внедрения системы автоматизированного ведения мониторинга ГТС в сочетании с системой поддержки принятия решений (СППР).
гидромелиоративные системы (ГМС), гидротехнические сооружения (ГТС), водоре-сурсное обеспечение, степень износа, экологическая безопасность
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. ГОСТ 26967-86 Гидромелиорация. Термины и определения. [Электронный ресурс]. – URL: http://docs.cntd.ru›document/1200009521(Дата обращения – 16.04.2021 г.).
2. Шкуланов Е. И. Физический износ гидротехнических сооружений: его сущность и расчет. / Е. И. Шкуланов, А. М Кореновский // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия: Сб. науч. тр. / ФГБНУ «РосНИИПМ». – Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. – Вып. 55. – С. 153-160. (Дата обращения – 16.11.2016 г.).
3. Гидроэлектростанции. Методика определения критериев безопасности для декла-рируемых гидротехнических сооружений. СТО РусГидро 02.03.131-2015. – М.: Публичное акционерное общество «Федеральная гидрогенерирующая компания-РусГидро» (ПАО «РусГидро»), 2015. – 25 с.
4. Гидроэлектростанции. Мониторинг и оценка технического состояния гидротехни-ческих сооружений в процессе эксплуатации. Нормы и требования. Дата введения - 2009-12-31. – М.: Некоммерческое Партнерство «Инновации в электроэнергети-ке», 2009. – 64 с.
5. Годовой отчет о деятельности Федеральной службы по экологическому, техноло-гическому и атомному надзору в 2022 году.– М.: Федеральная служба по экологи-ческому, технологическому и атомному надзору, 2024. –379 с.
6. Водный кодекс Российской Федерации от 03.06.2006 N 74—ФЗ (принят ГД ФС РФ 12.04.2006) (с изменениями на 8 декабря 2020 года) (редакция, действующая с 1 ян-варя 2021 года) [Электронный ресурс]. – URL: http:// docs.cntd.ru› Водный кодекс РФ (Дата обращения – 13.04.2021 г.).
7. СП 39.13330. 2012. Свод правил. Плотины из грунтовых материалов. Актуализи-рованная редакция СНиП 2.06.05-84* ОКС 93.160. Дата введения 2013-01-01. [Электронный ресурс]. – URL: http:// docs.cntd.ru›document/1200095521 (Дата об-ращения – 13.04.2021 г.).
8. О безопасности гидротехнических сооружений: Федеральный закон от 21.07.1997 г. № 117-ФЗ (с изменениями на 8 декабря 2020 года) [Электронный ресурс]. – URL: http:// docs.cntd.ru›document/9046062 (Дата обращения – 10.04.2021 г.).
9. СТО 70238424.27.140.003-2010 Гидротехнические сооружения ГЭС и ГАЭС. Орга-низация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования. Дата введения 2010-09-30 [Электронный ресурс]. – URL: http:// docs.cntd.ru›document/1200093612 (дата обращения 18.04.2021 г.).
10. Жезмер В.Б., Матвеев А.В. Принципы обеспечения эффективной и безопасной ра-боты ГТС гидромелиоративного комплекса // Мелиорация и водное хозяйство. – 2019. – № 2. – С. 5-12.
