О критериях безопасности гидротехнических сооружений

1. Основные понятия о критериях безопасности гидротехнических сооружений.

Критерии безопасности ГТС – предельные значения количественных и качественных показателей состояния гидротехнических сооружений и условий их эксплуатации, соответствующие допустимому уровню риска аварии, утвержденные в установленном порядке органами исполнительной власти, осуществляющими государственный контроль за безопасностью ГТС.

Разработка критериев безопасности гидротехнических сооружений проводится в соответствии с положениями РД 03-443-02 «Инструкция о порядке определения критериев безопасности и оценки состояния гидротехнических сооружений накопителей жидких промышленных отходов на поднадзорных Госгортехнадзору России производствах, объектах и организаций».

Понятия критериев состояния ГТС «К1» и «К2» заключаются в следующем:

— К1 – первый (предупреждающий) уровень значений диагностических показателей, при достижении которого устойчивость, механическая и фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений еще соответствуют нормальным условиям эксплуатации;

— К2 – второй (предельный) уровень значений диагностических показателей, при превышении которых эксплуатация ГТС в проектных режимах недопустима.

Собственник ГТС или эксплуатирующая организация обязаны:

— обеспечивать разработку и своевременное уточнение критериев безопасности ГТС;

— развивать системы контроля за состоянием ГТС;

— разрабатывать (уточнять) критерии безопасности ГТС и представлять их на утверждение в Орган надзора на следующих этапах:

— на стадии проектирования ГТС;

— на стадии эксплуатации ГТС;

— при консервации и ликвидации ГТС;

— при изменении нормативных правовых актов, действовавших при определении и утверждении критериев безопасности;

— при изменении состояния ГТС и условий его эксплуатации, приведших к изменению его эксплуатационного состояния.

Если состояние сооружений отвечает проектно-нормативным требованиям безопасности, значит, оно соответствует нормальной эксплуатации. Если сооружение отвечает проектным данным, то это еще не говорит о полной надежности его, так как меняются со временем нормы проектирования. И то сооружение, которое отвечало нормам 20 лет назад в настоящее время может быть уже недостаточно надежным, к примеру, часто повышается в сейсмически активных районах балльность, а, следовательно, и расчетная балльность. Сооружение, которое проектировалось и строилось по старым нормам, может оказаться не устойчивым по новым нормам.

Увеличение балльности может потребовать реконструкции ГТС с целью повышения его устойчивости.

Критерии безопасности ГТС, в соответствии с нормативными актами в области безопасности ГТС, собственник сооружения и эксплуатирующая организация обязаны систематически анализировать причины снижения безопасности ГТС, своевременно осуществлять разработку и реализацию мер по обеспечению технически исправленного состояния ГТС и его безопасности, а также по предотвращению аварий ГТС.

Для эксплуатационных ГТС необходимо различать следующие эксплуатационные состояния:

— нормальное;

— потенциально опасное;

— предаварийное.

Если ГТС не отвечает проектно-нормативным требованиям, то имеет место потенциально опасное состояние сооружение – критерий 1 (К1) или предаварийное – критерий 2 (К2).

Потенциально опасное состояние требует немедленного вмешательства владельца сооружения и органов надзора, которым эксплуатационный персонал немедленно сообщает о состоянии ГТС. В то же время — это состояние сооружения не вызывает немедленного или сравнительно быстрого разрушения сооружения.

Оперативную оценку эксплуатируемого сооружения и его безопасности следует осуществлять путем сравнения измеренных или вычисленных количественных и качественных диагностических показателей с их критериальными значениями К1 и К2, а также с прогнозируемым интервалом изменения диагностических показателей.

Для сооружений IV класса, а также при специальном обосновании для сооружения III класса допускается устанавливать один уровень критериальных значений К2.

Количественные значения критериев К1 и К2 определяются на основании диагностических и расчетных показателей, которые следует установить на основе оценок реакций сооружения при основном и особом сочетании нагрузок, соответственно. Состав нагрузок, их сочетание и способ их определения должны быть установлены для конкретного ГТС нормативными документами и проектом, а затем уточнены на стадии эксплуатации с учетом изменений в требованиях нормативных документов.

Причины перехода сооружения в состояние безопасности К1 очень разнообразны.

Кальмотация дренажа и как следствие этого, подъем кривой депрессии сверх проектного максимального положения на 10 – 20 см. Что может привести к снижению устойчивости низового откоса, повысит фильтрационный расход и т. д. Это состояние потенциально опасное и требует определенных мер.

Переход ГТС из нормального состояния в предаварийное «критерий безопасности К2», минуя потенциально опасное состояние «критерий К1», невозможен. Если это происходит, то по причине недостатков наблюдений эксплуатационного персонала.

Кроме инструментальных наблюдений немаловажное значение имеют визуальные наблюдения, по которым даются качественные диагностические показатели (К1 и К2).

Качественную оценку состояния ГТС дает эксперт или группа экспертов. Для этого оцениваются внешние проявления осадок и смещений, коррозии бетонных или металлических элементов, износа и старения материалов, протечки в потернах, выхода мелкозернистого грунта в месте протечек в потерну или галерею и другие нарушения.

Оценивается возможность перехода потенциально опасного (К1) состояния сооружения в предаварийное (К2) и даже аварийное состояние.

2. Методы определения показателей критериев безопасности гидротехнических сооружений.

Методика определения критериев безопасности ГТС обязательна для применения при проектировании, эксплуатации, консервации и ликвидации ГТС.

Для оценки состояния эксплуатируемого ГТС необходимо контролировать следующие количественные показатели:

— максимальные расходы воды в створе ГТС и гидрографы их стока;

— уровни воды в верхнем и нижнем бьефах;

— пропускную способность водопропускных сооружений, ГЭС, насосных станций, каналов и русел рек по длине контролируемой зоны;

— заиление чаши водохранилищ и верхних бьефов гидроузлов, отметки отложения наносов перед водоприемниками сооружений. Давление наносов на конструкции ГТС;

— скорость подъема и снижения уровней воды в верхнем бьефе гидроузлов;

— отказы в работе МО, средств АСУ и энергоснабжения;

— гидростатическое давление со стороны верхнего и нижнего бьефов, взвешивающее и фильтрационное давления, напоры воды при напорном режиме движения воды в трубах;

— испарение с водной поверхности, скорость ветра и высота волн;

— значения физико-механических, деформационных и фильтрационных характеристик грунтов тела и основания ГТС;

— параметры сейсмических колебаний оснований и динамической реакции сооружений, (акселелограммы, перемещения, скорости, ускорения, продолжительность воздействия);

— вертикальные и горизонтальные перемещения и деформации сооружений, их оснований в пределах активной и приконтактной зон. Осадка от разжижения грунтов при воздействии сейсмики;

— температура бетона ГТС, напряжения в бетоне, арматуре, модуль деформации бетона;

— взаимные смещения по межсекционным швам бетонных сооружений;

— раскрытие трещин, межблочных швов в бетонных сооружениях;

— углы поворота контролируемых сечений бетонных сооружений;

— фильтрационный расход воды (суммарный и по отдельным участкам сооружений и их оснований), поступающий в дренажные устройства и подземные выработки или выходящий на дневную поверхность;

— отметки депрессионных поверхностей фильтрационного потока в теле грунтовых сооружений и береговых примыканиях;

— пьезометрические напоры и их градиенты в теле грунтовых сооружений, оснований и береговых примыканиях;

— поровое давление и интенсивность его рассеивания в основаниях и водоупорных элементах плотин из грунтовых материалов;

— температура окружающей среды (вода, воздух), температура тела ГТС и грунтов основания;

— скорость потока воды в пределах ГТС (разрушение бетона, параметры пульсации и кавитации) размывы в нижних бьефах;

— местная фильтрационная прочность грунтов;

— давление гидравлического удара и величину вакуума в трубах ГЭС и НС;

Визуальному контролю подлежат следующие качественные показатели состояния эксплуатируемых ГТС:

— наличие и развитие просадок или пучения грунта на гребне, берме и откосах;

— локальные оползни откосов и береговых склонов;

— повреждения волнозащитных креплений откосов плотин, наличие локальных просадок и пучений;

— наличие полостей и каверн в основании и теле сооружений;

— наличие и развитие трещин на гранях сооружений, в зонах сопряжений элементов сооружений и оснований с различными механическими и фильтрационными свойствами, а также в подземных выработках;

— протечки воды в потернах сооружений, следы выщелачивания бетона;

— засорение, зарастание дренажных устройств;

— высачивание воды, намокание откосов и склонов;

— мутность профильтровавшейся воды, ее химический состав;

— переработка берегов с угрозой прорыва напорного фронта.

Таблица 1 — Методы определения критериальных значений К1 и К2 как показателей состояния гидросооружений.

№ п/п	Наименование показателя	Рекомендуемые методы расчетов и исследований для определения критериальных значений К1 и К2 показателей ГТС
1	Отметки депрессионной поверхности фильтрационного потока в теле грунтовых сооружений и береговых примыканиях.	Аналитические методы (метод исследования напорной и безнапорной фильтрации, метод фрагментов) и графический – для определения критериальных значений пьезометрических напоров, фильтрационных расходов. Численные методы, метод ЭГДА – для определения критериальных значений основных показателей фильтрационного режима (уровни, пьезометрические напоры, фильтрационные расходы). На стадии эксплуатации критериальные значения К1 и К2 уточняются поверочными расчетами, в том числе на основе использования прогнозных статистически моделей.
2	Пьезометрические напоры в теле сооружений, основании и береговых примыканиях.
3	Градиенты напора в теле сооружений, основании и береговых примыканиях.
4	Фильтрационные расходы в теле сооружений, основании и береговых примыканиях.
5	Избыточное поровое давление и интенсивность его рассеивания в водоупорных элементах плотин из грунтовых материалов.	Расчеты напряженно-деформированного состояния плотин из грунтовых материалов и их конструктивных элементов с учетом консолидации водоупорных элементов из грунтовых материалов.
6	Вертикальные перемещения (осадки) гидросооружений и их оснований.	Детерминистические расчеты прочности и устойчивости бетонных гидросооружений и сооружений из грунтовых материалов (численные методы механики и механики сплошных сред, теории упругости, пластичности, ползучести). На стадии эксплуатации критериальные значения показателей состояния ГТС уточняются поверочными расчетами по откалиброванным на основе данных натурных наблюдений детерминистическим математическим моделям, а также на основе прогнозных статистических (регрессионных) моделей.
7	Горизонтальные перемещения гидросооружений и их оснований.
8	Напряжения в теле сооружений и их основаниях, контактные напряжения.
9	Углы поворота характерных сечений бетонных и железобетонных сооружений
10	Раскрытие трещин и межблочных швов	Инженерные методы, регламентированные СП (вторая группа предельных состояний). Численные методы расчета напряженно- деформированного состояния (НДС) с учетом образования и раскрытия трещин. На стадии эксплуатации для контроля состояния ГТС используются критериальные значения показателей, определенные на стадии проекта.
11	Глубина распространения трещины по контакту бетонной плотины со скальным основанием.	Расчет НДС системы плотина-основание методами теории упругости с учетом раскрытия шва по контакту, определение предельной глубины распространения трещины по контакту бетонной плотины со скальным основанием из условия обеспечения прочности сооружения и основания. На стадии эксплуатации – использование прогнозных математических моделей (аппроксимация, Регрессионная модель).
12	Взаимное смещение секций по швам бетонных и ж/бетонных сооружений.	Определение допустимого взаимного смещения секций по швам относительно друг друга из условия сохранения герметичности шпонок. На стадии эксплуатации – использование статистических моделей.
13	Температура и температурный градиент в теле сооружения и в приконтактной зоне основания (для сооружений, возводимых в северной климатической зоне).	Расчеты термонапряженного состояния плотин и их оснований численными методами. На стадии эксплуатации критериальные значения показателя уточняются расчетом с учетом реального температурного режима окружающей среды.
14	Температура фильтрующей воды в теле грунтовых сооружений.	Численные методы теории теплопроводности. На стадии эксплуатации – использование статистических моделей.
15	Глубина размыва дна отводящего канала ниже рисбермы.	Определение глубины размыва – расчетом по эмпирическим зависимостям (из условия допустимой не размывающей скорости потока) и удельного расхода или на основе исследований на гидравлической модели. Критериальные значения глубины размыва дна отводящего канала ниже рисбермы на стадии эксплуатации принимаются равными значениям, определенным на стадии проекта.
16	Линейный размер и площадь зоны нарушения контакта плит крепления откосов плотин из грунтовых материалов.	Расчет прочности плит крепления откосов плотин из грунтовых материалов для различных условий их опирания.
17	Параметры сейсмических колебаний основания и динамической реакции сооружений.	Расчет численными методами динамической теории сейсмостойкости.

Согласно действующей нормативной документации, ГТС должны рассчитываться на воздействие основных и особых сочетаний нагрузок. Сочетания включают постоянные и временные (длительные и кратковременные) нагрузки и воздействия. Общий их перечень состоит из 25 различных видов нагрузок и воздействий, из них 16 основных 9 особых.

Нагрузки и воздействия влияют на прочность и устойчивость (несущую способность) ГТС, фильтрационную прочность грунтов тела и основания, на деформации ГТС и их основания. Кроме того, ГТС может быть повреждено или разрушено при переливе воды через гребень плотин и дамб по причине недостаточной пропускной способности водопропускных сооружений и каналов, или недостаточного запаса гребня ГТС над горизонтом воды.

Проектное обоснование несущей способности ГТС и их основания должно выполняться обеспечением условий недопущения предельных состояний.

При расчете ГТС по предельным состояниям 1-ой группы коэффициент надежности изменяется от 1,1-1,25 в зависимости от класса ГТС, коэффициент сочетания нагрузок при расчете на основные нагрузки (в период нормальной эксплуатации) принят равным —

1.0, для периода строительства – 0.95, для особого сочетания нагрузок – 0.90.

При расчете ГТС по предельным состояниям 2-й группы коэффициенты не зависимо от класса сооружения и сочетания нагрузок принимаются равными единице. К этой группе относятся: расчеты оснований на местную прочность, расчеты по ограничению перемещений и деформаций, образованию и раскрытию строительных швов и трещин, расчеты нарушения местной фильтрационной прочности или прочности отдельных элементов конструкций, не рассчитываемых по предельным состояниям 1-ой группы.

При выполнении расчетов по предельным состояниям 2-ой группы используются нормативные значения показателей прочности грунтов оснований и строительных материалов (в отличие от расчетов для 1-ой группы, где используются расчетные значения показателей). В связи с чем значения К1 всегда будут больше значений К2, что не логично и для оценки безопасности ГТС неприемлемо. 2-е предельное состояние – «непригодность к нормальной эксплуатации» не распространяется на расчеты общей прочности и устойчивости системы «сооружение- основание».

Для 1-го предельного состояния – полной непригодности сооружений, их конструкций и оснований к эксплуатации коэффициент сочетания нагрузок для основного сочетания нагрузок и воздействий распространен на период нормальной эксплуатации. Такое двойственное назначение коэффициента сочетания нагрузок затрудняет определение критериев безопасности и оценку состояния сооружения.

Величина критериев безопасности ГТС назначается только после получения в необходимом объеме результатов натурных наблюдений.

Рекомендуется при оценке несущей способности системы «сооружение-основание» на пригодность к нормальным условиям эксплуатации расчеты выполнять также как для предельных состояний 1-ой группы, но величины коэффициента сочетания нагрузок принять равными для основного сочетания нагрузок – 1.05, тоже для периода строительства и ремонтов – 1.0, тоже для особого сочетания нагрузок – 0.95 (землетрясения с годовой вероятностью 0.01 следует отнести к периоду нормальной эксплуатации). Такой подход позволит уже при разработке проектов обосновано подходить к назначению критериев безопасности, как для предаварийного состояния ГТС (К2), так и для потенциально опасного (К1).

Критерии безопасности любого ГТС до своего первого утверждения должны пройти три этапа формирования.

Первый этап – детальный проект (рабочие чертежи). На этом этапе перечень контролируемых показателей определяется на основании расчетов. Кроме того, выбираются средства контроля (КИА), определяются места установки приборов, предельно-допустимые значения (ПДЗ) показателей.

Второй этап – строительство ГТС. В этот период составляется исполнительная геологическая документация основания, уточняются количество и местоположение контрольных сечений, состав и размещения КИА, уточняются фактические физико-механические и фильтрационные свойства грунтов оснований и строительных материалов, из которых возведено ГТС. После получения новых данных о грунтах основания и строительных материалов тела ГТС, повторяются расчеты прочности и устойчивости ГТС, деформаций (осадок) ГТС и их основания.

Третий этап – период временной и первый пятилетний период постоянной эксплуатации ГТС. На этом этапе, используя результаты натурных наблюдений и оценки фактической пропускной способности водопропускных сооружений, устанавливаются статистические зависимости между контролируемыми показателями и факторами, которые оказывают на них влияние, формируется перечень диагностических показателей, определяются критериальные значения показателей, которые затем включаются в декларацию безопасности ГТС и утверждаются в установленном порядке.

Разработанные и утвержденные таким образом критерии безопасности К1 и К2 в период дальнейшей эксплуатации уточняются не реже, чем через 5 лет, по мере накопления данных натурных наблюдений и корректировке статистических зависимостей. На ГТС, которые находятся в эксплуатации длительное время, и на которых утеряны техническая документация по проекту и исполнительная документация за период строительства, для определения критериев безопасности необходимо выполнять комплекс исследований. Выполнить обмерные и топографические работы для составления общих чертежей сооружений, ультразвуковые испытания бетонных конструкций для определения прочности бетона и схемы расположения арматуры. Используя результаты изысканий и исследований, необходимо повторить полный комплекс расчетов, выбрать контролируемые показатели и определить их ПДЗ. После чего, используя материалы натурных наблюдений, установить статистические зависимости, определить состав диагностических показателей и их критериальные значения.