Что происходит на плотине Оровилл
Вчера многие СМИ сообщили об объявленной эвакуации жителей населенных пунктов, расположенных ниже самой высокой в США плотины Оровилл. Причем в качестве причины была названа «угроза разрушения плотины». Мы, безусловно, следим за развитием событий и надеемся, что данное ЧП не будет иметь никаких серьезных последствий. Вместе с тем, учитывая тот факт, что в СМИ происходящее описывается зачастую поверхностно и не вполне технически верно, считаем нужным разобрать всю ситуацию чуть более подробно. Также важно отметить, что мы оперируем информацией из открытых источников, а это значит, что ситуация может поменяться, и наши выводы также могут быть скорректированы.
Сразу отметим - по нашей предварительной оценке, угрозы разрушения самой плотины Оровилл не было и нет. Тем не менее, ситуация на водосбросных сооружениях гидроузла (а не на самой плотине) безусловно аварийная. Попробуем разобраться, что именно там происходит, на основании распространяемой СМИ информации, а также фотографий и видеоматериалов.
Для начала, что такое гидроузел Оровилл, и как он устроен?
Гидроузел расположен на реке Фитер (приток реки Сакраменто) в штате Калифорния, США. Построен в 1961-68 годах. Его основная задача - обеспечение водоснабжения и борьба с наводнениями, с попутной выработкой электроэнергии. Эксплуатируется Департаментом водных ресурсов Калифорнии.
Состоит он из следующих сооружений:
* Собственно плотина Оровилл - высотой 235 м. Плотина отсыпана из камня, в качестве противофильтрационного элемента используется ядро из глины.
* Два поверхностных водосброса на правом берегу - основной и аварийный.
* Подземное здание ГЭС-ГАЭС на левом берегу, в котором расположено шесть гидроагрегатов (три обычных и три обратимых), общей мощностью 819 МВт.
Общий план гидроузла с указанием основных сооружений (кроме здания ГЭС, которое под землей и соответственно не видно), кликабельно
Что случилось?
Зима 2016-17 года в Калифорнии оказалась очень дождливой, что привело к повышенному притоку воды в водохранилище. Обычно вода сбрасывается вниз через гидроагрегаты, вырабатывая электроэнергию. Но если приток воды оказывается существенно больше, чем может пройти через турбины ГЭС, уровень воды в водохранилище начинает расти. Для того, чтобы пропустить избыток воды, был введен в работу основной эксплуатационный водосброс. Он представляет собой проложенный по горному склону быстроток - фактически, бетонный лоток с трамплином в конце и водоприемником (зданием с затворами) в начале, которое позволяет регулировать количество сбрасываемой воды.
По информации из СМИ, проблемы начались 7 февраля, когда в средней части быстротока водосброса была обнаружена крупная промоина. Поток воды разрушил бетонное крепление днища водосброса и стал разрушать горные породы под ним, образуя яму размыва. Разрушение произошло при расходе воды 1400 м3/с, что значительно меньше максимальной пропускной способности водосброса - ранее, в 1997 году, через него успешно пропускались расходы в объеме более 4000 м3/c.
Общий вид промоины, после временного осушения водосброса для обследования
Никакой угрозы целостности самой плотины промоина нести не должна - она располагается в отдалении от нее на горном склоне. Но продолжающийся пропуск воды через водосброс вызвал постепенное увеличение ямы размыва и усилил разрушения конструкций водосброса, что в будущем сделает его ремонт более сложным и затратным. Плюс обломки и горные породы образовали завал в русле реки ниже водосброса, что вынудило вывести из работы гидроагрегаты ГЭС-ГАЭС - иначе из-за возникшего подпора уровень воды ниже плотины превысил бы допустимые пределы, что создало бы угрозу затопления самого здания станции.
На данном фото хорошо виден завал в нижнем бьефе, вызвавший подпор русла реки непосредственно за плотиной
Исходя из этого и учитывая сохраняющийся высокий приток воды в водохранилище, было принято решение не увеличивать расходы через основной водосброс и ввести в работу аварийный водосброс, расположенный рядом с основным. Аварийный водосброс представляет собой переливную бетонную стенку, через которую вода сбрасывается вниз на неукрепленный горный склон (именно кадры сброса воды через аварийный водосброс преподносились некоторыми СМИ как кадры разрушения плотины). Никаких регулирующих сток воды затворов там нет, он просто включается в работу, когда уровень воды достигает верха стенки, и выключается, когда уровень воды снижается. По тому же принципу работает отверстие для перелива в ванной.
Проблема заключается еще и в том, что аварийный водосброс ранее никогда не испытывался - горный склон зарос деревьями, которые пришлось срочно вырубать. Также в зоне сброса оказались служебная дорога. Пропуск воды через аварийный водосброс начался утром 11 февраля. Но 12 февраля при относительно небольших расходах появились признаки интенсивного размыва легкоразрушаемых пород на склоне ниже аварийного водосброса. Вот это уже начало представлять определенную угрозу для населения - обрушение переливной стенки вследствие подмыва при худшем варианте развития событий могло вызвать неконтролируемый слив около 12 метров водохранилища.
Аварийный водосброс в работе. Именно эти кадры преподносились многими СМИ как «разрушение плотины»
Еще одно фото, демонстрирующее одновременную работу аварийного (слева) и основного (справа) водосбросов
После получения информации о состоянии аварийного водосброса была объявлена эвакуация населения, проживающего ниже по течению. Одновременно были значительно, до 2800 м3/с увеличены расходы через основной водосброс. В итоге уже вечером 12 февраля уровень водохранилища упал ниже гребня переливной стенки и сброс воды через аварийный водосброс был прекращен. Сработка уровня водохранилища продолжается интенсивными темпами, а приточность в водохранилище стала в 2,5 раза меньше, чем уровень сброса.
Работа основного водосброса неизбежно привела к увеличению размеров ямы размыва - в результате чего к 13 февраля было разрушено уже не только дно, но и стенки быстротока, и часть воды пошла не по водосбросу, а сбоку от места размыва по необорудованному склону, интенсивно его размывая.
Здесь хорошо видно разрушение быстротока - фактически, водосброс укоротился вдвое и сформировался новый трамплин, вода ниже которого идет как по остаткам быстротока, так и просто по новому руслу, промытому на склоне.
То же с нижнего бьефа
Что дальше?
Угрозы разрушения непосредственно каменно-набросной плотины Оровилл нет - ее гребень расположен на 6 метров выше гребня аварийного водосброса, и перелив воды через ее каменно-набросную плотину невозможен в принципе. Максимум, что может грозить - это разрушение аварийного водосброса либо водоприемника основного водосброса - в том случае, если яма размыва будет смещаться вверх и постепенно доберется до него. По состоянию на 13 февраля яма размыва стабилизировалась, размыв непрочные породы и дойдя до более прочного скального основания. Специалистами эксплуатирующей организации предпринимаются следующие действия:
* Обследование состояния аварийного водосброса.
* Дальнейшая стабилизация ямы размыва, путем сбрасывания в нее вертолетами крупных камней и других материалов.
* Интенсивное (со скоростью около 2,5 м в день) снижение уровня водохранилища, с целью создания запаса его емкости для приема ожидаемых новых дождевых паводков.
* Разборка завала в русле реки, что позволит предотвратить угрозу затопления здания ГЭС-ГАЭС и ввести в работу ее гидроагрегаты, что позволит частично (а после завершения паводкового периода и полностью) разгрузить эксплуатационный водосброс.
Далее необходимо отремонтировать эксплуатационный водосброс, если он вообще подлежит восстановлению, либо рассмотреть вариант строительства нового водосброса. Также нужно оценить возможность дальнейшего использования аварийного водосброса и при необходимости провести соответствующие ремонтные работы (либо рассмотреть вариант его модернизации, с закреплением склона бетоном).
Фотография аварийного водосброса после его осушения 13 февраля. Видно, что само сооружение не получило повреждений, но склон ниже сильно размыт.
Выводы
Уже сейчас можно сделать некоторые выводы из произошедшего. Первое, что можно отметить, - это внезапное разрушение эксплуатационного водосброса при расходах воды значительно меньше максимальных, которое говорит о том, что контроль за состоянием сооружения оказался недостаточным и не позволил своевременно выявить и устранить предпосылки к аварийной ситуации. Также очевидно, что аварийные водосбросы необходимо обязательно заранее испытывать, а конкретное проектное решение, реализованное на плотине Оровилл и предусматривающее сброс воды прямо на не оборудованный склон, трудно признать удачным. В то же время, несмотря на возникновение аварийной ситуации с повреждением обоих водосбросов, общий запас прочности гидроузла в целом оказался настолько значительным, что на данный момент удалось избежать катастрофических последствий. Это подтверждает тезис о высокой надежности крупных гидротехнических сооружений.
UPD
По состоянию на 16 февраля:
1. Выяснилась причина объявления эвакуации - это масштабные размывы склона, угрожающие подмывом основания переливной стенки аварийного водосброса. Очевидно, что проектировщики недостаточно изучили геологическое строение склона. Начаты работы по укреплению склона - промоины засыпаются валунами, которые в свою очередь заливаются бетоном. Сама переливная стенка повреждений не получила.
Вот так все выглядело сразу после прекращения сбросов
А вот так по состоянию на 15 февраля - работы в разгаре.
2. Продолжается интенсивная сработка водохранилища через поврежденный основной водосброс. Уровень водохранилища упал уже более чем на 9 метров ниже уровня гребня аварийного водосброса.
3. Воронка размыва на основном водосбросе стабилизировалась, признаков ее увеличения и (что наиболее опасно) движения вверх по склону нет. Похоже, размыв дошел до прочных скальных пород.
4. Завал в русле реки у водосброса пока не разобран, что не позволяет пустить в работу ГЭС. Вероятно, для этого необходимо закрыть водосброс
5. Эвакуация отменена, поскольку риск разрушения аварийного водосброса на данный момент отсутствует.