Перелив воды через гребень

Перелив воды через гребень — это гидротехническое явление, при котором поток воды перетекает через верхнюю часть (гребень) плотины, дамбы или другого подпорного сооружения, не предназначенного для такого пропуска. В большинстве случаев перелив является аварийным режимом работы, который может привести к разрушению сооружения и катастрофическим последствиям. В контролируемых условиях перелив через гребень используется в специальных конструкциях — водосливных плотинах.

Причины возникновения

Перелив воды через гребень возникает при превышении уровня воды в верхнем бьефе (водохранилище) над проектными отметками. Основные причины:

• Паводки и половодья. Интенсивное таяние снега или продолжительные ливни приводят к резкому увеличению притока воды в водохранилище. Если пропускная способность водосбросных сооружений недостаточна, уровень воды поднимается до гребня плотины.
• Заклинивание или недостаточная пропускная способность водосбросов. Засорение мусором, льдом, селевыми массами или конструктивные ошибки могут снизить эффективность штатных водосбросов.
• Ошибки проектирования или эксплуатации. Неверный расчёт максимального паводка, неправильное управление затворами или несвоевременное открытие водосбросов.
• Волновые нагоны. Сильный ветер в направлении плотины может создать нагонную волну, которая перехлёстывает через гребень.
• Оползни или обрушения в водохранилище. Внезапное смещение больших масс грунта или скальных пород в водоём вызывает волну вытеснения, высота которой может значительно превысить гребень плотины (например, катастрофа на плотине Вайонт в Италии, 1963 год).

Последствия для плотин

Для большинства типов плотин, особенно земляных (насыпных) и каменно-набросных, перелив воды через гребень является крайне опасным. Эти сооружения не рассчитаны на воздействие текущей воды по верховому откосу и гребню.

• Размыв тела плотины. Вода, переливаясь через гребень, начинает размывать грунт на низовом откосе. Процесс развивается лавинообразно: сначала образуются небольшие промоины, которые быстро расширяются и углубляются.
• Образование прорана. В теле плотины формируется проран — сквозной размыв, через который устремляется весь объём водохранилища. Это приводит к практически мгновенному разрушению плотины.
• Катастрофический паводок. Внезапный сброс огромной массы воды (волна прорыва) вызывает наводнение в нижнем бьефе, которое по своим параметрам намного превосходит естественные паводки. Волна прорыва движется с большой скоростью, сметая всё на своём пути, и приводит к массовым жертвам и огромным разрушениям.

Бетонные и железобетонные плотины (гравитационные, арочные, контрфорсные) более устойчивы к переливу, но и для них длительный или интенсивный перелив опасен:

• Возникает вибрация и динамические нагрузки.
• Вода может проникать в трещины и швы, вызывая повышенное поровое давление и снижение прочности бетона.
• Разрушается крепление нижнего бьефа (водобой, рисберма), что может привести к подмыву основания плотины.

Способы защиты и предотвращения

Для предотвращения аварийного перелива проектируются специальные водосбросные сооружения:

• Поверхностные водосбросы (водосливы). Располагаются на гребне плотины или рядом с ней. Они предназначены для контролируемого сброса избыточной воды. Водосливная плотина — это плотина, гребень которой специально спрофилирован для пропуска воды. Перелив через такой гребень является штатным режимом.
• Глубинные водосбросы. Расположены в теле плотины или в берегах на разных уровнях. Позволяют сбрасывать воду из глубинных слоёв водохранилища.
• Туннельные и береговые водосбросы. Отводят воду в обход плотины.
• Автоматические затворы и клапаны. Обеспечивают автоматическое открытие водосбросов при достижении критического уровня воды.
• Увеличение высоты плотины и строительство волноотбойных стенок. Может применяться для защиты от волновых нагонов.
• Противопаводковая ёмкость водохранилища. Часть объёма водохранилища резервируется для аккумуляции паводковых вод.

Примеры катастрофических разрушений из-за перелива

• Плотина Вайонт (Италия, 1963). Арочная плотина высотой 262 м выдержала перелив через гребень, вызванный гигантской волной от оползня. Однако волна, перехлестнувшая через плотину, уничтожила несколько населённых пунктов в долине, погибло более 1900 человек. Сама плотина не была разрушена, но перелив привёл к катастрофическим последствиям в нижнем бьефе.
• Плотина Тетон (США, штат Айдахо, 1976). Земляная плотина высотой 93 м была разрушена в результате перелива через гребень из-за эрозии, начавшейся с внутренней фильтрации. Прорыв привёл к гибели 11 человек и нанесению ущерба на сумму около 2 миллиардов долларов.
• Плотина Саяно-Шушенской ГЭС (Россия, 2009). Авария, связанная с разрушением гидроагрегата, привела к затоплению машинного зала. Хотя перелива через гребень плотины не произошло, авария показала уязвимость гидротехнических сооружений при нештатных ситуациях.
• Плотина Банкяо (Китай, 1975). Серия дамб обрушилась из-за перелива во время тайфуна «Нина». Прорыв привёл к самой масштабной катастрофе на гидротехнических сооружениях в истории — погибло, по разным оценкам, от 26 000 до 171 000 человек.

Инженерные решения для контролируемого перелива

В некоторых случаях перелив через гребень используется как штатный режим работы:

• Водосливные плотины. Гребень плотины имеет специальное очертание (например, профиль Кригера-Офицерова), которое обеспечивает плавное сопряжение потока с поверхностью. Такие плотины часто строятся из бетона.
• Ступенчатые водосбросы. Гребень плотины выполняется в виде каскада ступеней. Это позволяет гасить энергию потока и уменьшает скорость воды на низовом откосе.
• Водосбросы с носком-трамплином. Вода сбрасывается с гребня по специальному носку, отбрасывающему струю далеко от подошвы плотины, что снижает риск размыва основания.

Заключительные замечания

Перелив воды через гребень — одно из самых опасных явлений в гидротехнике. Для земляных плотин он практически всегда означает неминуемое разрушение. Современные нормы проектирования требуют, чтобы все ответственные гидротехнические сооружения имели достаточную пропускную способность водосбросов для пропуска расчётного паводка, исключающую аварийный перелив. Моделирование и прогнозирование паводков, а также системы мониторинга состояния плотин являются ключевыми элементами обеспечения безопасности.

Источники

• Гидротехнические сооружения: учебник / под ред. В. П. Волкова. — М.: Издательство АСВ, 2008.
• Безопасность гидротехнических сооружений: сборник нормативных документов. — М.: Промышленная безопасность, 2010.
• Gruner, E. (1963). The Vajont Catastrophe. Water Power.
• Jansen, R. B. (1983). Dams and Public Safety. U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation.
• Отчёт о расследовании причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. — Ростехнадзор, 2009.