Плотины играют чрезвычайно важную роль в борьбе с наводнениями, производстве электроэнергии, водоснабжении и ирригации. Однако они также представляют значительную угрозу для расположенных ниже по течению территорий в результате блокирования воды. Несмотря на повышение безопасности плотин в результате совершенствования инженерных знаний и улучшения качества строительства, полная гарантия отсутствия рисков невозможна, и аварии могут произойти из-за опасных природных явлений или действий человека.
Плотина может разрушиться из-за конструктивных недостатков первоначального проекта или в результате внешних событий, которые вызывают условия, превышающие возможности плотины. В результате разрушения плотины происходит сильное ливневое наводнение, от которого страдает население, домашний скот, имущество и инфраструктура. Международные организации и агентства по управлению чрезвычайными ситуациями отмечают недостаточную осведомленность о последствиях разрушения плотин за пределами сообщества специалистов по безопасности плотин.
Внезапное наводнение в нижнем течении после прорыва плотины
В этой статье описаны самые крупные провалы плотин в истории человечества. Также мы обсудим особенности конструкции, причины разрушения плотин и уроки, извлеченные из них.
- 2.1 Конструкция плотины Малпассет
- 2.2 Причины провала
- 2.3 Извлеченные уроки
- 3.1 Проект плотины Вайонт
- 3.2 Причины отказов
- 3.3 Извлеченные уроки
- 4.1 Конструкция плотины Сан-Фернандо
- 4.2 Причины отказов
- 4.3 Извлеченные уроки
- 5.1 Проект плотины Тетон
- 5.2 Причины отказа
- 5.3 Извлеченные уроки
1. Плотина Святого Франциска
12 марта 1928 года без предупреждения произошла одна из самых страшных катастроф гражданского строительства 20-го века. Плотина Сент-Фрэнсис, расположенная в 64 км к северо-западу от Лос-Анджелеса, штат Калифорния, неожиданно провалилась. В результате прорыва плотины в каньон Сан-Франсис Кито было сброшено 47 млн м3 воды. Результат оказался разрушительным, и из-за провала плотины погибло более 400 человек.
1.1 Проект плотины Сент-Фрэнсис
Плотина Святого Франциска была спроектирована и построена известным инженером Уильямом Малхолландом. Первоначально плотина была спроектирована в виде ступенчатой бетонной гравитационной арки радиусом 152 м, а первоначальная проектная высота составляла 53 м от дна каньона. В результате емкость водохранилища должна была составить около 38 млн. м3 воды.
В ходе строительства было внесено несколько нерасчетных проектных изменений в высоту плотины. В результате окончательная высота плотины составила 59 м, а объем водохранилища – 47 млн. м3. Строительство плотины началось в 1924 году и завершилось в 1926 году. Однако срок службы плотины был очень коротким, так как она разрушилась всего через два года эксплуатации.
Плотина Святого Франциска до разрушения
1.2 Причины провала
Хотя окончательная причина разрушения плотины так и не была установлена, были предложены различные теории. С такими теориями, как саботаж, геология и плохое строительство, было исследовано несколько причин провала.
В конце концов, был сделан вывод, что провал был полностью обусловлен геологией участка. Место расположения плотины Сент-Фрэнсис было неподходящим для бетонной гравитационной плотины. Изменчивая геология между двумя стенами каньона и непостоянные и неустойчивые свойства породы были неприемлемы для основания плотины.
Под вопросом была не только геология участка, но и методы проектирования и строительства. Невозможность включить в проект важные элементы безопасности плотины привела к ее обрушению.
Отсутствие разгрузочных и компенсационных швов, а также радикальные изменения плотины во время строительства способствовали разрушению плотины Святого Франциска.
St. Плотина Фрэнсиса после провала
1.3 Извлеченные уроки
В результате аварии плотины Сент-Фрэнсис были извлечены следующие уроки, которые привели к некоторым изменениям в проектировании будущих плотин.
2. Плотина Мальпасет
Разрушение плотины Малпассет стало первым случаем разрушения арочной плотины. Внезапность разрушения, учитывая, что в течение нескольких часов, предшествовавших событию, на плотине не было обнаружено ничего аномального, усилила неопределенность.
2.1 Конструкция плотины Мальпасет
Плотина Мальпассе была расположена на юге Франции. Это была арочная плотина двойной кривизны с максимальной высотой около 60 м и длиной гребня около 223 м. Толщина бетона колебалась от 1,5 м у гребня до 6,8 м в центре основания. Плотина создала водохранилище общей вместимостью около 51 млн. м3 , которое заполнялось очень медленно в течение пяти лет.
Плотина Мальпассе до разрушения
2.2 Причины провала
В момент провала уровень воды был на 0,3 м ниже уровня водосброса. Кстати, когда уровень воды составлял 0,3 м, прошли сильные дожди. Это привело к подъему уровня воды почти на 4 м в течение трех дней.
Было принято решение открыть нижнюю водосбросную задвижку плотины. Это позволило бы обеспечить контролируемый сброс воды и предотвратить повреждение строящегося автомобильного моста ниже по течению от плотины. Реакция плотины периодически контролировалась во время ее заполнения с помощью геодезического оборудования, расположенного на нижнем бьефе плотины.
Через несколько часов после того, как 2 декабря 1959 года были открыты ворота нижнего бьефа, плотина провалилась без предупреждения. Город Фрежюс, расположенный в 7 км ниже по течению от плотины, понес большие убытки в результате сброса воды и обломков. В результате катастрофы погибло более 300 человек. Блоки бетона с плотины были смыты на расстояние до 1,5 км вниз по течению.
Разрушения в результате прорыва плотины Мальпассе
2.3 Извлеченные уроки
Из аварии плотины Мальпассе был извлечен ряд ценных уроков, которые изменили методы проектирования и строительства будущих плотин. Прежде всего, были разработаны методы проектирования и строительства для смягчения воздействия давления на основание плотины. Кроме того, после разрушения плотины увеличилось использование правильно расположенных и выбранных инструментов мониторинга.
3. Плотина Вайонт
9 октября 1963 года плотина Вайонт, расположенная в Италии, потерпела крушение южного скального склона длиной около 2 км. Результат был катастрофическим, из-за провала плотины погибли пять деревень и 2 040 человек.
3.1 Конструкция плотины Вайонт
Двухарочная плотина высотой 276 м через долину реки Вайонт на севере Италии была построена в 1957-1960 годах. Плотина создала водохранилище с расчетной емкостью около 169 млн. м3.
В 1959 году возникла обеспокоенность по поводу потенциальных проблем с устойчивостью склона водохранилища, в результате чего были проведены дополнительные анализы. Эти исследования подтвердили наличие проблемы с откосами. Однако существовали разногласия относительно объема материала, который может быть вовлечен в сползание. Исследователи прогнозировали, что диапазон объемов материала, вовлеченного в оползание, был от относительно небольших объемов до объемов глубиной от 10 до 20 метров. Основной причиной проблемы скольжения была величина глубинных движений, связанных с крупными трещинами.
Плотина Вайонт перед разрушением
3.2 Причины провала
Признание потенциальных проблем с устойчивостью склонов привело к тому, что в 1960 году была установлена программа мониторинга. Считалось, что скорость движения оползней можно контролировать путем повышения и понижения уровня воды в водохранилище. Результаты программы мониторинга в течение следующих трех лет, которая в основном полагалась на приборы для обнаружения движений поверхности, подтвердили связь между уровнем водохранилища и движением массы оползня. Однако они не позволили определить скорость, с которой произошел бы окончательный срыв.
9 октября 1963 года произошел провал южного скального склона водохранилища на длине около 2 км. Скорость движения оползневой массы объемом около 275 млн. м3 во время провала составила 25 м/с. Однако типичные скорости, зарегистрированные в течение предыдущих трех лет мониторинга, находились в диапазоне от 1 см/день до максимум 20 см/день в день прорыва.
Провал плотины Вайонт
Массивная оползневая масса опустилась на противоположный берег водохранилища примерно на 360 м в поперечном направлении и на 140 м вверх. Вершина оползневого массива находилась на 160 м выше гребня арочной плотины.
На момент провала водохранилище было заполнено примерно на 66% и содержало около 115 млн. м3 воды. За две предыдущие недели уровень воды был планомерно понижен примерно на 10 м. Когда оползневая масса погрузилась в водохранилище, вода вытеснилась через гребень плотины потоком, высота которого, по оценкам, достигала 245 м над уровнем гребня.
3.3 Извлеченные уроки
Массивный спуск в водохранилище Вайонт позволил извлечь важные уроки в отношении анализа и мониторинга движения склонов. Трудность прогнозирования того, когда скользящая масса ускорится или разрушится, стала очевидной. Также усилилась сложность оценки изменений напряженного и прочностного состояния во время скольжения.
4. Нижняя плотина Сан-Фернандо
Строительство плотины Нижнего Сан-Фернандо началось в 1912 году как часть системы водохранилищ с гидравлическим заполнением в Сан-Фернандо, штат Калифорния. Гидравлическое заполнение было размещено между 1912 и 1915 годами. Материал извлекался со дна водохранилища и сбрасывался через шлюзовые трубы, расположенные на стартовых дамбах в верхнем и нижнем бьефах плотины.
4.1 Конструкция плотины Нижнего Сан-Фернандо
Нижняя плотина Сан-Фернандо была построена на высоте 40 м как земляная плотина с гидравлическим заполнением. В результате конфигурации конструкции в верхнем и нижнем течении образовались оболочки из песка и ила, а в центральном ядре – из иловатой глины.
В 1916 г. поверх гидравлического наполнителя был уложен слой выветрившегося сланца толщиной от 3 до 5 м. В период с 1916 по 1930 гг. было уложено несколько дополнительных слоев, уплотненных катком. В период с 1916 по 1930 год было уложено еще несколько слоев уплотненного катком грунта, которые подняли плотину до окончательной высоты около 40 м. В 1940 году со стороны нижнего течения была уложена уплотненная катком берма. Плотина создала водохранилище с расчетной емкостью около 25 млн. м3.
Нижняя часть плотины Сан-Фернандо перед разрушением
4.2 Причины разрушения
9 февраля 1971 года произошло землетрясение в Сан-Фернандо с магнитудой 6,6 по шкале Рихтера. На момент землетрясения уровень воды в водохранилище был примерно на 11 м ниже гребня. Такой низкий уровень был обусловлен проведенным ранее анализом сейсмической устойчивости, который установил минимальный критерий эксплуатационного свободного борта в 6 м.
Во время и сразу после землетрясения произошел крупный оползень, затронувший склон в верхнем течении и верхнюю часть склона в нижнем течении. В результате оползня остался свободный борт около 1,5 м. Учитывая вероятность дальнейших разрушений при последующих толчках, в течение одного дня было эвакуировано 80 000 человек, проживающих ниже по течению от плотины. Как и прогнозировалось, подземные толчки привели к переполнению плотины, и около 275 млн. м3 воды хлынуло в нижний бьеф. В результате разрушения плотины погибло более 340 человек.
4.3 Извлеченные уроки
Катастрофический сход плотины Сан-Фернандо оказал большое влияние на будущие процедуры проектирования и строительства земляных плотин. Наличие данных сейсмографа, полученных на конкретном объекте, позволило провести обширный анализ и показать результаты для обеспечения готовности. Среди прочих факторов, после аварии плотины Сан-Фернандо были разработаны потенциальные проблемы с гидротехническими сооружениями для заполнения и необходимость пересмотра процедур анализа динамической устойчивости земляных плотин.
5. Плотина Тетон
Плотина Тетон была земляной плотиной, построенной в период с 1972 по 1975 год. Провал плотины произошел в июне 1976 года, когда вода впервые заполнила ее. В результате затопления расположенных ниже по течению регионов после провала плотины погибло 14 человек, а ущерб оценивается в 400 миллионов долларов.
5.1 Конструкция плотины Тетон
Земляная плотина высотой 90 м с зональным заполнением была построена в крутостенном каньоне, размытом рекой Тетон в штате Айдахо. Она имела широкое иловое ядро, а оболочки выше и ниже по течению состояли в основном из песка, гравия и булыжников.
В основной части плотины противофильтрационное ядро было вмонтировано в фундамент глубиной 30 м, чтобы служить в качестве отсекающей траншеи. На обоих устоях были вырыты менее глубокие траншеи через проницаемую породу. Заполнение водохранилища началось в ноябре 1975 года с запланированной скоростью около 0,3 м/день. Задержки в завершении строительства водосбросных работ в сочетании с более интенсивным, чем ожидалось, весенним талым стоком привели к тому, что в мае 1976 года скорость наполнения достигла 1,2 м в день.
Дамба Тетон до аварии
5.2 Причины провала
Плотина разрушилась 5 июня 1976 года, когда уровень воды в водохранилище был на 9 м ниже гребня насыпи и на 1 м ниже гребня водосброса. Разрушению гребня плотины и ее полному разрушению в течение двух дней предшествовало увеличение количества просачивающейся воды. Просачивание наблюдалось сначала в 460 м ниже по течению, а затем на нижней грани плотины.
Заметное увеличение скорости просачивания с грани плотины, примыкающей к уступу примерно в 40 м ниже гребня, произошло утром 5 июня. Примерно к 10:30 утра скорость просачивания увеличилась до 0,4 м3/сек. Это количество продолжало увеличиваться, так как образовался туннель диаметром 1,8 м, расположенный перпендикулярно продольной оси плотины. К 11:00 утра в водохранилище наблюдался вихрь.
С этого времени скорость просачивания быстро увеличивалась, сопровождаясь прогрессирующей восходящей эрозией венца тоннеля. Гребень плотины был прорван примерно в 11:55 утра, что привело к полному разрушению плотины.
Разрушение плотины Тетон
5.3 Извлеченные уроки
Провал плотины Тетон позволил извлечь важные уроки, поскольку это была самая высокая земляная плотина, которая разрушилась. Она дала важные уроки, касающиеся необходимости использования контрольно-измерительных приборов, необходимости защитных фильтров для предотвращения неконтролируемой просачивающейся эрозии, проектирования отсекающих траншей, учета влияния морозного воздействия и важности адекватных критериев и методов контроля уплотнения.
Часто задаваемые вопросы
Что послужило причиной провала плотины Святого Франциска?
Место расположения плотины было неподходящим для строительства плотины. Таким образом, основной причиной провала плотины Святого Франциска стала геология места строительства плотины.
Какова причина провала плотины Мальпассе?
Плотина провалилась из-за отверстия в нижнем выпускном затворе, что привело к внезапному разрушению.
Какова причина провала плотины Вайонт?
Плотина Вайонт провалилась из-за неустойчивости склона.
Какова была причина провала плотины Тетон?
Увеличение скорости просачивания, сопровождаемое прогрессирующей восходящей эрозией основания плотины, привело к ее разрушению.
10 самых распространенных причин разрушения фундамента
Топ-6 носимых технологий в строительной сфере
Тоннель под Ла-Маншем: Строительство самого длинного в мире подводного тоннеля
Читайте далее:- Разрушение плотины в Остине: Одна из крупнейших катастроф в истории США.
- Мосульская плотина в Ираке: Самая опасная плотина в мире.
- 21 тип плотин в строительстве.
- Причины разрушения земляных плотин.
- Воздействие плотин на окружающую среду.
- Типы плотин и поток через плотины.
- Силы, действующие на конструкцию плотины, и расчеты.