состояние гидротехнических сооружений каскада на р. соловке

УДК 627.8
СОСТОЯНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ КАСКАДА НА
Р. СОЛОВКЕ ПОДОЛЬСКОГО РАЙОНА МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
В.И. Волков, Г.М. Каганов
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Одной из наиболее зарегулированных рек Московской области является р. Соловка,
правый приток р. Мочи. Непосредственно на самой р. Соловке расположены 7 гидроузлов
(рисунок). Суммарная длина акватории всех прудов составляет примерно 6,9 км, то есть
79 % всей длины реки. Если не принимать во внимание верховье реки и первый пруд
каскада, то акватория шести прудов составляет 89 % длины реки в месте их
расположения, то есть река превратилась в систему бьефов, разделенных грунтовыми
плотинами (есть только два участка реки длиной примерно по 200…250 м в естественном
русле между третьим и четвертым, а также шестым и седьмым прудами каскада, кроме
того, в естественном русле проходит участок реки длиной 200 м от плотины последнего
пруда каскада до ее впадения в р. Мочу). Учитывая такое расположение прудов в каскаде,
важным является проведение оценки возможного влияния прудов друг на друга с учетом
технического состояния их гидротехнических сооружений.
Подробное описание параметров и технического состояния гидротехнических
сооружений каждого водоема данного каскада приведено в [1].
В настоящей статье рассмотрены возможные сценарии развития неблагоприятных
процессов, которые могут иметь место при потенциально возможном разрушении
подпорных сооружений в вышерасположенных по отношению к другим водоемам прудах
каскада
Гидротехнические сооружения верхнего пруда у д. Сахарово в настоящее время
реконструируются (пруд опорожнен), но, судя по тому, что уже построено, можно судить
о том, что запас гребня плотины над расчетными уровнями верхнего бьефа будет
недостаточным (при этом повышение отметки гребня плотины неосуществимо по
топографическим условиям створа плотины или потребует значительных затрат на
обвалование обоих берегов), так же как и пропускная способность частично построенного
водосбросного сооружения, несмотря на относительно небольшую площадь водосборного
бассейна. Поэтому вероятность перелива через гребень и соответствующее разрушение
земляной плотины пруда будет достаточно высокой.
Вместе с тем, объем пруда, даже при его наполнении до гребня плотины (накануне
возможной аварии), так же как и напор на плотине, являются сравнительно небольшими, и
возможная волна прорыва не вызовет катастрофических последствий в нижнем бьефе. До
ближайшего искусственного сооружения на р. Соловке (автодорожный мост) от плотины
пруда примерно 600 м, и река имеет обширную низкую пойму, способную
аккумулировать значительно большие объемы, чем потенциальный объем пруда при его
разрушении. Сам автодорожный мост имеет значительный пролет и высоту над руслом
реки, что обеспечит пропуск расходов вниз по течению без перелива поверх автодороги.
Примерно в 150…200 м от автодорожного моста вниз по течению реки
располагается пруд в санатории «Ясенки». Основные параметры: пруд объемом 186 тыс.
м3 и площадью 11,3 га. Земляная плотина наибольшей высотой 5.2 м с напором 1.7 м,
шириной по гребню 21…23 м, длиной 280 м. Трубчатый водосброс в виде одной нитки
ж/б труб диаметром 0,6 м, входное звено которой уложено на отметке уровня верхнего
бьефа, и с выпуском воды под уровень нижележащего пруда.
10
9
8
7
6
5
4
3
2
Схема расположения водоемов с
гидротехническими сооружениями на р. Соловке в
Подольском районе
(М 1: 50000).
1 - пруд на р. Соловке у д. Сахарово;
2 - пруд на р. Соловке в д.о. «Ясенки»;
3 - малый пруд на притоке р. Соловки в д.о.
«Ясенки»;
4 - пруд на р. Соловке в оздоровительном
комплексе «Солнечный городок»;
5 - пруд на р. Соловке («Лесной»);
6 - пруд на р. Соловке у д. Юдановка;
7 - пруд на правом притоке р. Соловки у д.
Юдановка;
8 - пруд на р. Соловке у д. Покровское;
9 - пруд на р. Соловке у д. Ворсино;
10 - пруд на р. Моче у д. Ворсино.
.
1
Для безопасности самого пруда ослабленная волна прорыва вышележащего пруда
не представляла бы значительной опасности из-за относительно большой его площади.
Вместе с тем, необходимо отметить следующее. Русло р. Соловки перегорожено в
верховье пруда небольшой по высоте, но достаточно длинной дамбой, в которой уложены
стальные водоводы недостаточной пропускной способности. Перед этой дамбой
образовался небольшой прудик-болото, который переполнится, и произойдет перелив
через эту дамбу. Из-за большой трансформации расхода волны прорыва этот перелив
будет неинтенсивным с небольшими удельными расходами, и значительных повреждений
этой дамбы ожидать не следует. В том, что касается плотины самого пруда, то запас ее
гребня над расчетным уровнем не является достаточным, тем более, что пруд
эксплуатируется на отметке, превышающей на 0,3 м нормальный подпорный уровень.
Водосброс этой плотины не может пропускать расчетные расходы, соответствующие
водосборной площади (о чем также свидетельствует перелив через гребень в 2000 г. в
наиболее пониженной части плотины у водосброса при не самых неблагоприятных
гидрологических условиях). Поэтому водосброс не сможет пропустить даже ослабленную
волну прорыва при ее прохождении на фоне пропуска паводковых расходов, и перелив
через гребень плотины в зоне водосброса будет неизбежен. Вместе с тем, возможность
значительных разрушений (с образованием глубокого и широкого прорана) плотины
представляется маловероятной из-за большой распластанности плотины (минимальная
ширина по гребню в зоне возможного перелива и поступления воды в омывающий
низовой откос нижележащий пруд составляет 21…23 м). Тем более, что по гребню
проложена качественно выполненная дорога из двух рядов аэродромных плит, а низовой
откос закреплен на всю его высоту массивными ж/б плитами, сквозные ячейки в которых
заполнены щебнем. Разрушения могут коснуться только части гребня плотины,
примыкающей к верховому откосу плотины, где уже отмечаются значительные
нарушения сплошности неширокой асфальтовой дорожки.
Третьим по течению прудом каскада является пруд в оздоровительном комплексе
Солнечный городок Центробанка России, который расположен на значительной части
левого берега пруда. Основные параметры: пруд объемом примерно 420 тыс. м3 и
площадью примерно 17 га. Земляная плотина наибольшей высотой 6,8 м и напором 4,1 м,
шириной по гребню 7…8 м, длиной 180 м. Трубчатый (1 нитка труб диаметром 1,2 м)
водосброс с шахтным оголовком с переливом воды по всему периметру шахты и
дополнительными двумя нитками сифонного водосброса диаметром 600 мм. В нижнем
бьефе водосброса - водобойный колодец. Донный водовыпуск с регулирующим колодцем
на низовом откосе плотины.
Учитывая достаточно большую площадь пруда, а также практическую
невозможность полного разрушения вышележащей плотины и, соответственно,
относительно небольшой расход, поступающий в пруд при возможной аварии,
значительного подъема уровня воды в водоеме по этой причине ожидать не следует.
Вместе с тем, необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства.
Шахтный оголовок водосброса снабжен горизонтальной сороудерживающей решеткой,
которая в период пропуска паводковых расходов может забиваться плавающими телами
(особенно с учетом сравнительно небольшого размера ячейки решетки, который
составляет 11,5х11,5 см) со значительным снижением пропускной способности.
Отсутствие служебного мостика и службы эксплуатации делает невозможным
оперативную очистку этой решетки. Основной гаситель водобойного колодца опрокинут
на бок. Отводящее русло заросло, вызывая дополнительный подпор и, соответственно,
увеличивая необходимый напор на сооружении для пропуска расчетных расходов.
Полностью разрушена рисберма и ее сопряжение с отводящим руслом. Учитывая такое
техническое состояние основных элементов водосброса, возможен нерасчетный подъем
уровня верхнего бьефа в период пропуска паводка и перелив через гребень плотины.
Донный водовыпуск плотины не рассчитан на большую пропускную способность, тем
более что он частично затоплен водой и не использовался в течение многих лет. Сама
плотина несмотря на то, что при нормальной работе водопропускных сооружений ее
состояние может рассматриваться как относительно удовлетворительное, может не
выдержать сравнительно долгого перелива через гребень, так как он не имеет никакого
покрытия, а травяной покров низового откоса разрежен. Поэтому нельзя исключить
возможность прорыва плотины и формирования значительной волны прорыва (напор на
плотине при возможном переливе через гребень составит порядка 6 м).
Четвертым по течению прудом каскада является пруд «Лесной», расположенный в
небольшом лесном массиве. Основные параметры: пруд объемом примерно 25 тыс. м3 и
площадью примерно 1,5 га. Земляная плотина наибольшей высотой 2,2 м и напором 0,8 м,
шириной по гребню 12…14 м, длиной 50 м. Трубчатый (1 нитка труб диаметром 1,2 м)
поверхностный нерегулируемый водосброс без оголовков.
Зеркало пруда выклинивается примерно в 200 м от плотины вышележащего пруда.
Русло реки с небольшой пойменной частью проходит в лесном массиве. Пруд имеет
незначительную площадь, что с учетом близкого расположения от вышерасположенного
пруда практически не вызовет ослабления волны прорыва при возможном разрушении
плотины вышележащего гидроузла. Водосброс пруда имеет низкую пропускную
способность и подъем уровня верхнего бьефа, и перелив через гребень плотины будет
неизбежным. Следует отметить, что водосброс этого пруда не в состоянии пропустить не
только возможную волну прорыва, но и обеспечить пропуск расчетных расходов,
пропускаемых водосбросом вышележащего пруда в нормальных условиях эксплуатации.
Об этом свидетельствуют следы размывов тела плотины в зоне размещения водосброса,
восстановление которого выполнено крайне некачественно. Некачественная обратная
засыпка тела плотины вокруг трубы водосброса, отсутствие необходимых
противофильтрационных устройств на контакте трубы водосброса с грунтом тела
плотины будут неизбежно приводить к разрушениям водосброса и примыкающей к нему
части плотины даже при сравнительно небольших паводковых расходах. Учитывая
техническое состояние элементов плотины, она не выдержит перелива через гребень, так
как он не имеет никакого покрытия, а травяной покров низового откоса разрежен, а
местами отсутствует.
При этом могут иметь место следующие сценарии.
1. Разрушение плотины происходит без разрушения плотины вышележащего
гидроузла: сформировавшаяся волна прорыва будет незначительной как по расходу, так и
по глубине, и не окажет существенного влияния на уровень воды в нижележащем пруду у
д. Юдановка, зеркало которого начинается в 10 м от подошвы низового откоса плотины
пруда «Лесной».
2. Разрушение плотины происходит в результате разрушения плотины
вышележащего гидроузла: сформировавшаяся в результате этого волна прорыва будет
значительной и достигнет пруда у д. Юдановка без существенной трансформации,
разрушив по пути плотину пруда «Лесной».
Пятым по течению прудом каскада является пруд у д. Юдановка. Основные
параметры: пруд объемом примерно 354 тыс. м3 и площадью примерно 15 га. Земляная
плотина наибольшей высотой 8.8 м и напором 5 м, шириной по гребню 6 м, длиной 300 м.
Трубчатый (1 нитка труб диаметром 1.2 м) водосброс с шахтным оголовком с переливом
воды по всему периметру шахты. В нижнем бьефе водосброса - водобойный колодец.
Донный водовыпуск с регулирующим колодцем на низовом откосе плотины.
Аккумулирующая емкость пруда с учетом большого запаса гребня плотины над
нормальным подпорным уровнем в водоеме (3,4 м) является значительной и могла бы
обеспечить трансформацию волны прорыва плотины оздоровительного комплекса
«Солнечный городок» при надлежащем состоянии водопропускных сооружений.
К сожалению, водопропускные сооружения гидроузла находятся в аварийном
состоянии. Горизонтальная сороудерживающая решетка шахтного оголовка водосброса
выполнена с большой просветностью и сильно деформирована. На решетке находится
много стволов деревьев и мусора, резко снижающих пропускную способность водосброса.
Отсутствие служебного мостика и службы эксплуатации делает невозможным
оперативную очистку этой решетки. Водобойный колодец также сильно замусорен,
участки с чистым днищем практически не прощупываются. Выходная труба водосброса
практически полностью затоплена уровнем нижнего бьефа (при практическом отсутствии
пропускаемого по водосбросу расхода), что также уменьшает пропускную способность
водосброса. Поэтому при пропуске волны прорыва плотины оздоровительного комплекса
«Солнечный городок» на фоне пропуска паводковых расходов при современном
состоянии элементов водосброса (имеющийся, кроме водосброса, в составе гидроузла
донный водовыпуск не рассчитан на пропуск значительных расходов, тем более, что его
регулирующий колодец затоплен водой) уровень верхнего бьефа может достигнуть гребня
плотины с возможным переливом через него.
Ситуация усугубляется неудовлетворительным состоянием самой плотины. Так,
крутизна надводной части незакрепленного верхового откоса с местами отсутствующим
травяным покровом является недопустимо большой (заложение составляет 0,7…1,0), что
при значительном повышении уровня воды в водоеме и насыщении водой тела плотины
может существенно усугубить ситуацию и привести к обрушению отдельных участков
плотины и спровоцировать процесс формирования первоначального прорана при уровнях
воды ниже отметки гребня плотины. Наличие бетонного покрытия на гребне плотины
будет являться, несомненно, сдерживающим фактором в том, что касается процесса
разрушения плотины при переливе через ее гребень. Но, учитывая местные деформации
плит крепления с образованием ям на гребне до 0,4…0,5 м глубиной, инкубационный
период до начала разрушения может оказаться сравнительно недолгим.
При прорыве плотины пруда у д. Юдановка пострадают многочисленные дома на
берегах пруда у д. Покровское.
При пропуске только паводковых расходов (без волны прорыва) все вышеописанные
неблагоприятные явления могут также иметь место, но только с меньшей долей
вероятности.
Шестым по течению прудом каскада является пруд у д. Покровское. Он начинается
непосредственно у подошвы низового откоса плотины вышележащего пруда. Пруд у д.
Покровское является самым большим по объему и площади прудом каскада на р. Соловке.
Основные параметры: пруд объемом 523 тыс. м3 и площадью примерно 22 га. Земляная
плотина наибольшей высотой 7,8 м и напором 5 м, шириной по гребню 11 м, длиной 220
м. Трубчатый (1 нитка труб диаметром 1,4 м) водосброс с шахтным оголовком с
переливом воды по всему периметру шахты. В нижнем бьефе водосброса - водобойный
колодец. Донный водовыпуск с регулирующим колодцем на низовом откосе плотины.
Шахтный оголовок водосброса пруда не имеет никаких сороудерживающих
устройств. В шахте очень много остатков стволов деревьев и другого мусора. Сверху
шахты также лежит несколько стволов. Отсутствие служебного мостика и службы
эксплуатации делает невозможным оперативную очистку шахты и предупреждение
полного выхода водосброса из строя. Водобойный колодец сильно замусорен, участки с
чистым днищем практически отсутствуют. В боковых стенах есть ряд сквозных трещин.
Правый открылок водобойного колодца полностью разрушен. Блоки левого открылка
сильно деформированы. В целом водосброс находится в аварийном состоянии и в любой
момент может полностью выйти из строя. Регулирующий колодец донного водовыпуска
наполнен водой до отметки поверхности земли и как водопропускное сооружение
использоваться не может.
При таком состоянии водопропускных сооружений подъем уровня верхнего бьефа и
перелив через гребень плотины может произойти практически при любом паводке с
относительно значительным расходом, несмотря на достаточный запас гребня плотины по
отношению к нормальному подпорному уровню воды в водоеме. Тем более, этот процесс
обязательно будет иметь место при возможном разрушении плотины вышележащего
пруда у д. Юдановка.
Сама плотина пруда находится в удовлетворительном состоянии и, несмотря на ряд
дефектов откосов, инкубационный период до начала ее разрушения может быть
достаточно большим из-за наличия на гребне асфальтового покрытия шириной 5 м в
хорошем состоянии (за исключением небольшого участка в левобережном примыкании) и
большой ширины по гребню (11 м).
Седьмым (нижним) по течению прудом каскада является пруд у д. Ворсино. Он
начинается примерно в 250 м за подошвой низового откоса плотины вышележащего
пруда. Основные параметры: пруд объемом примерно 335 тыс. м3 и площадью 20 га.
Земляная плотина наибольшей высотой 7.0 м и напором 5 м, шириной по гребню 5 м
(ограждающих дамб 3,5 м), длиной 852 м. Трубчатый (1 нитка труб диаметром 1,4 м)
водосброс с шахтным оголовком с переливом воды по всему периметру шахты. В нижнем
бьефе водосброса - водобойный колодец. Донный водовыпуск с регулирующим колодцем
на низовом откосе плотины.
Шахтный оголовок водосброса пруда не имеет никаких сороудерживающих
устройств. В шахте водосброса начали скапливаться деревья и мусор. Отсутствие
служебного мостика и отсутствие службы эксплуатации сделает невозможным очистку
шахты и предупреждение полного выхода водосброса из строя. Водобойный колодец на
выходе трубы завален обломками бетона. Внутри трубы - камни диаметром до 0,4 м.
Задвижка водовыпуска не закрыта или не работает и, как следствие, вода постоянно
изливается из трех трубопроводов в помещении бывшей насосной станции.
Принципиально техническое состояние водопропускных сооружений данного пруда
аналогично состоянию сооружений вышележащего пруда. При таком состоянии
водопропускных сооружений, как и в предыдущем случае, подъем уровня верхнего бьефа
и перелив через гребень является только вопросом времени и может произойти
практически при любом паводке с относительно значительным расходом. Тем более, этот
процесс обязательно будет иметь место при возможном разрушении плотины
вышележащего пруда у д. Покровское.
В тоже время, с точки зрения разрушения русловой плотины этого гидроузла есть
некоторые отличия. Во-первых, покрытие гребня отсутствует, на гребне плотины имеются
ямы до 0,6 м глубиной, глубокая колея, травяной покров большей части надводного
верхового откоса находится в неудовлетворительном состоянии, ширина по гребню
относительно небольшая (5 м), то есть разрушение плотины при переливе через гребень от
волны прорыва плотины вышележащего гидроузла может начаться практически без
инкубационного периода. Во-вторых, при пропуске паводковых расходов (без волны
прорыва) перелива через гребень русловой плотины не произойдет, так как в этом случае
подъем уровня воды в водоеме будет происходить относительно медленно, и весь расход
при недостаточной пропускной способности водосброса будет проходить поверх гребня
правобережной дамбы (длиной около 300 м, с переработкой верхового откоса практически
до гребня, небольшой шириной по гребню – 3,5 м), отметка которого на 0,5…0,6 м ниже
отметки гребня русловой части плотины, с разрушением части правобережной
ограждающей дамбы и выходом потока на пониженную достаточно обширную территорию, частично заболоченную и частично занятую сельхозугодиями. То есть при данном
сценарии развития событий правобережная дамба будет выполнять роль «плавкой
вставки», применяемой в гидротехнике в качестве резервного водосброса большой
пропускной способности.
От русловой плотины пруда у д. Ворсино до впадения в р. Мочу р. Соловка
протекает в естественном русле, которое сильно закустарено, с относительно невысокой и
безлесной поймой, на которой расположены сельхозугодия.
На основании рассмотрения технического состояния и взаимного влияния прудов
каскада можно сделать следующие выводы.
1. В целом состояние ни одного из семи гидроузлов каскада не может быть
признано удовлетворительным.
2. Из семи земляных плотин гидроузлов все требуют капитального или усиленного
текущего ремонта.
3. Водосбросы всех гидроузлов являются трубчатыми (одна нитка железобетонных
труб - 6 водосбросов и в водосбросе верхнего пруда - стальная труба) и нерегулируемыми
(кроме недостроенного водосброса верхнего пруда), причем в четырех наиболее крупных
гидроузлах применены шахтные оголовки с переливом воды по всему периметру шахты.
4. Донные водовыпуски на четырех гидроузлах (на двух они не предусмотрены, а
на верхнем - не достроен) находятся в нерабочем состоянии.
5. Только на одном гидроузле (санаторий «Ясенки») есть персонал (не имеющий
гидротехнического образования), занимающийся эксплуатацией пруда (в основном
прибрежной территорией).
6. Водосбросы всех гидроузлов не смогут по различным причинам обеспечить
пропуск поверочных расходов при расчетном уровне верхнего бьефа.
7. Потенциальное разрушение плотин (начиная с третьей плотины каскада и
исключая четвертую) с формированием волны прорыва может вызвать разрушение всех
нижерасположенных плотин.
8. Острота проблемы снижения фактической пропускной способности водосбросов
с шахтными оголовками и потенциально возможного их полного выхода из строя может
быть решена на первоначальном этапе с незначительными затратами путем устройства
или соответствующего ремонта сороудерживающих устройств на входных оголовках
водосбросов.
9. В целом по каскаду необходимо проведение уточняющих гидрологических
расчетов и расчетов волны прорыва при различных сценариях с учетом каскадности
расположения гидротехнических сооружений.
10. На шести гидроузлах доступ к сооружениям не контролируется постами
охраны.
Библиографический список
1. Бахтин Б.М., Букреев В.П., Волков В.И., Каганов Г.М. и др. Инвентаризация
гидротехнических сооружений, расположенных на территории Московской области.
Отчёт ФГОУ ВПО МГУП., М.: МГУП, 2004. Т. 6.