8.3. Оцінка інженерно-геологічного стану

Інженерно-геологічна (гідродинамічна) обстановка – це сукупність факторів та умов, що склалися на території об’єкта господарювання в результаті зруйнування (аварії) на гідродинамічному об’єкті (греблі, дамбі, тощо), та прогноз їх динаміки.

При прогнозуванні (оцінюванні) гідродинамічної обстановки визначають:

• відстань від гідродинамічного об’єкту до населених пунктів;

• час приходу хвилі до створу об’єкту господарювання;

• висоту хвилі прориву (попуску);

• тривалість дії хвилі прориву (попуску) в межах об’єкту;

• зону затоплення (можливого затоплення).

Для планування аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт у районі затоплення додатково визначають:

• необхідність евакуації населення та персоналу із районів можливого затоплення;

• обсяг аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт у районі затоплення;

• обсяг режимно-обмежувальних заходів та охорона районів затоплення і окремих важливих об’єктів;

• наявність та можливості підрозділів цивільного захисту щодо виконання аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт.

Вихідні дані:

• місце знаходження населених пунктів в створі русла річки (дивись схему);

• характеристики водосховища;

• розміри прорану;

• середня швидкість хвилі прориву (попуску);

• характеристика споруди об’єкта господарювання;

• гідро-топографічну характеристику місцевості.

З метою визначення масштабів руйнування, обсягів, термінів і черговості, а також сил і засобів для проведення рятувальних та невідкладних робіт проводиться оцінка інженерного стану. 

Перш за все необхідно визначити ступені руйнування населеного пункту і об'єктів господарювання. Знаючи ступінь руйнування, можна визначити величину збитків, обсяги рятувальних і невідкладних робіт.

Після виникнення надзвичайної ситуації для оцінки матері­альних збитків і втрат населення в населених пунктах узагальне­ним критерієм є ступінь ураження населеного пункту, який можна визначити за формулою (8.2):

С_р = П_р / П_нп, (8.2)

де:

• С_р – ступінь руйнування населеного пункту (об'єкта);

• П_р – пло­ща руйнувань;

• П_нп – загальна площа населеного пункту (об'єкта).

Вплив масштабів руйнування населеного пункту на ступінь руйнування об'єктів подано в табл. 8.3.

Таблиця 8.3.

Вплив масштабу руйнування населеного пункту на ступінь руйнування об'єктів

Ступені руйнуван-ня об'єктів, %	Ступінь руйнування населеного пункту
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Середні	2	3	5	8	10	12	15	18	15	10
Повні й сильні	8	16	20	30	40	50	60	70	85	90

Виходячи зі ступенів руйнування населеного пункту орієнтовно можна визначити втрати незахищеного населення (табл. 8.4).

Таблиця 8.4.

Втрати незахищеного населення залежно від ступенів руй­нувань населеного пункту

Види втрат населення, %	Ступінь руйнування населеного пункту
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Загальні	4	8	10	12	16	28	40	80	90	100
Безпово-ротні	1	2	1,5	3	4	7	10	20	25	30
Санітарні, у т. ч.:	3	6	7,5	9	12	21	30	60	65	70
легкі	1,5	2,6	3	4	5	9	13,5	27	28	30
середні	1	2,5	3	3,5	5	8	12	24	27	30
важкі	0,5	1	1,5	1,5	2	4	4,5	9	10	10

Близько 80 % потерпілого населення буде потребувати надання першої медичної допомоги. Таку допомогу можуть надавати санітарні дружини. Потреби в санітарних дружинах можна визначати за формулою:

П_сан.др = У : А_сан.др ∙ t, (8.3)

де:

• П_сан.др – кількість санітарних дружин;

• У – кількість уражених;

• А_сан.др –можливості сандружин за годину;

• t – час роботи (годин).

Спеціалізована медична допомога надається в обсязі 50 % від са­нітарних втрат.

Кількість сил і техніки, необхідних для проведення невідкладних і рятувальних робіт, визначають за допомогою табл. 8.5.

Таблиця 8.5.

Кількість осіб рятувальних загонів і техніки, необхідних для невідкладних і аварійних робіт

Необхідна кількість:	Ступінь ураження населеного пункту
	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Осіб рятувального загону, тис. чол.	0,6	1,3	1,9	2,3	2,4	2,6	2,8	2,9	3,3	3,6
Одиниць інженерної техніки	8	16	28	33	38	46	63	66	68	75

При руйнуванні гребель формується хвиля прориву, яка призводить до затоплення нижче розташованих ділянок. Вплив хвилі прориву на об’єкти аналогічний ударній хвилі повітряного ядерного вибуху, але головним впливаючим фактором являється вода.

Руйнівний ефект хвилі прориву полягає в наступному:

• руху великих мас води з великою швидкістю;

• таранній дії всього того, що рухається разом з водою (каміння, дошки, колоди, різні конструкції).

Наслідки впливу хвилі прориву:

• затоплення значних ділянок місцевості за 15-30 хвилин шаром води висотою від 0,5 до 10 м та більше;

• час затоплення може тривати від декількох годин до декількох діб;

• загибель людей;

• руйнування господарчих об’єктів та природних геосистем;

• великі матеріальні, економічні, екологічні та моральні втрати.

Наслідки при руйнуванні гребель залежать від параметрів хвилі прориву та розмірів зони затоплення.

Хвиля прориву під час її руху постійно змінює власні характеристики, що впливає на ступеню небезпеки для населення у зоні затоплення.

За своєю фізичною сутністю хвиля попуску або прориву являє собою несталий рух потоку води, при якому глибина, ширина, ухил поверхні, швидкість в будь-якому створі змінюються з часом.

Характерними точками хвилі в її поперечному перерізі являються:

• фронт;

• гребінь;

• хвіст хвилі (рис.8.1).

Рис. 8.1. Принципова схема руху хвилі попуску або прориву.

Основні параметри хвилі прориву:

• максимальна у даному створі висота хвилі  Н_хв та глибина потоку Н:

де:

• Н – загальна глибина потоку, м;

• Н_хв – висота хвилі, м;

• h_зв – глибина річки до проходження хвилі або звичайна глибина;

• швидкість руху С_фр, С_гр, С_хв та час досягнення t_фр, t_гр, t_хв характерними точками хвилі різних створів, що розташовані нижче гідровузла;

• тривалість проходження хвилі Т_х  у виділених створах, що дорівнює сумі часу підйому Т_п та спаду Т_с рівня води в них:

• середні V та поверхневі V_пов швидкості течії у різних створах;

• найбільша ширина В затоплення річковій долини.

При проектуванні гідровузлів виконуються розрахунки хвиль прориву, площі можливих затоплень та вірогідний збиток у зонах затоплення.

Розрахунки засновувалися на рішенні рівнянь несталого руху води з урахуванням коефіцієнтів апроксимації, гідравлічного ухилу, розмірів очікуваного прориву, коефіцієнтів шорсткості руслу. Недоліком цих методів полягають у тому, що відсутні ряд необхідних параметрів та не враховуються природні особливості водозборів. При цьому, відомчі матеріали по руйнуванню гребель носять закритий характер та їх використання для прогнозу та характеристик втрат у відкритих публікаціях до останнього часу були практично неможливі.

 

Таблиця 8.6.

Основні показники, що характеризують наслідки руйнування греблі в відповідності з критеріями гостроти ситуації

Градація наслідків	Характеристика наслідків	Критерії гостроти
		Нхв, %	Тх, год
Катастрофічні (зона І)	Затоплення великих територій (у ому числі за межами долин), параліч господарчої діяльності, повна зміна укладу життя, великі матеріальні збитки, загибель людей	> 100	<1
Значні (зона ІІ)	Часткове або повне заповнення долини річки, суттєві порушення виробничої діяльності та різки зміни укладу життя, масова евакуація населення та матеріальних цінностей, значний матеріальний збиток	> 100-75	1 – 4
Відчутні (зона ІІІ)	Затоплення порівняно великих ділянок річкових долин, окремі порушення виробничої діяльності та різки зміни укладу життя, часткова населення, відчутний матеріальний збиток	<75 – 50	4 – 24
Незначні (зона IV)	Невеликі підйоми рівнів води та площі затоплення, збереження режиму життя та виробничої діяльності, незначний матеріальний збиток.	<50	>24

Гідротехнічні споруди напірного типу залежно від вірогідних наслідків їх зруйнування поділяються на класи, що наведені у табл. 8.7.

Таблиця 8.7.

Класи гідротехнічних споруд напірного типу

Гідротехнічні споруди	Клас
Гідротехнічні споруди гідравлічних, гідроакумулюючих і теплових електростанцій при потужності, млн. кВт: 1,5 і більше менше 1,5	I II − IV
Гідротехнічні споруди меліоративних систем при площі зрошування, тис. га: понад 300 від 100 до 300 від 50 до 100 50 і менше	ІІ IIІ III IV

Клас основних постійних гідротехнічних споруд напірного типу залежить від важливості об'єктів, розташованих нижче греблі (дамби), висоти останніх, максимального розрахункового тиску води і типу ґрунтів основи (табл. 8.8).

Типи ґрунтів розподіляються так: А − скельний, Б − піщаний, глинистий в твердому і напівтвердому стані. В − глинистий, водонасичений в пластичному стані.

Стійкість і міцність гідротехнічних споруд напірного типу задається у відповідності з максимальним розрахунковим рівнем води, швидкістю вітру, висоти хвилі. Так, наприклад, максимальний розрахунковий рівень води повинен мати місце не частіше: для споруд I класу − 1 раз у 100 років (1 %), II і ІІІ − 1 раз у 20 років (5 %), IV класу − 1 раз у 10 років (10 %).

Таблиця 8.8.

Класи гідротехнічних споруд напірного в залежності від їх висоти і типу ґрунтів основи

Споруди	Тип ґрунтів основи	Висота споруд, м, при їх класі
		I	II	III	IV
Дамби з ґрунтових матеріалів	А Б В	Більше 100 Більше 75 Більше 50	75 – 100 35 – 100 25 – 50	25 – 70 15 – 35 15 – 25	Менше 25 Менше 15 Менше 15
Дамби бетонні і залізобетонні	А Б В	Більше 100 Більше 50 Більше 25	60 – 100 25 – 50 20 – 25	25 – 60 10 – 25 10 – 20	Менше 25 Менше 10 Менше 10

Прорив гідродинамічно небезпечних об'єктів може відбутися через дії сил природи (землетрусу, урагану, обвалу), конструктивних дефектів, порушення правил експлуатації, дії паводків, руйнування основи, недостатності водоскидів, застосування зброї.

При прориві в дамбі або греблі утворюється проран, від розмірів якого залежать обсяг та швидкість падіння води, а також параметри хвилі прориву − основного фактору ураження цього виду аварій.

Хвиля прориву утворюється при одночасному накладенні двох процесів: падіння води з водосховища в нижній б'єф (Ділянка річки між двома сусідніми дамбами або ділянка каналу між двома шлюзами називається б’єфом. Гідравлічний ухил річки – перевищення (в метрах) висоти рівня води на 1000 м вздовж її руслу. Верхнім б’єфом дамби називається частина річки, розташована вище за підпірну споруду (дамбу, шлюзу), а частина річки нижча за неї називається нижнім б’єфом. Тіло дамби утворює нульовий створ. Висота рівня води у верхньому б’єфі дамби – це рівень води у водосховищі), що породжує хвилю і різке збільшення обсягу води в місці падіння, а це викликає її підйом і перетікання в низинні місця.

Дія хвилі прориву на об'єкти подібно ударній хвилі повітряного вибуху, але вирізняється від нього тим, що головним діючим тілом тут є вода.

Прорив дамб призводить до затоплення місцевості і всього того, що на ній знаходиться. Тому будувати житлові і виробничі будівлі в цій зоні небезпечно. Проте місцеві власті часто нехтують цією вимогою, явно піддаючи небезпеці людей.

Хвиля прориву в своєму русі уздовж русла річки безперервно змінює висоту, швидкість руху, ширину і інші параметри (рис. 8.1). Тому вона має зони підйому і зони спаду. Передня частина маси води, що рухається, називається фронтом хвилі прориву. Вона може бути дуже крутою (поблизу прорану) і дещо пологою − на значному видаленні від нього.

Вслід за фронтом хвилі прориву висота води починає інтенсивно збільшуватися, досягаючи через деякий проміжок часу максимуму, що може перевищити висоту берегів річки, внаслідок чого і починається затоплення.

Після припинення підйому рівнів по всій ширині потоку настає більш менш тривалий період руху, близький до сталого. Він буде тим довшим, чим більше обсяг водосховища. Останньою фазою утворення зони затоплення є спад рівня.

Після проходження хвилі прориву залишається перезволожена заплава і сильно деформоване русло річки.

Руйнівна дія хвилі прориву полягає головним чином в русі великих мас води з високою швидкістю і таранної дії всього того, що переміщається разом з водою (каміння, дошки, колоди, різні конструкції).

Висота і швидкість хвилі прориву залежать від гідрологічних і топографічних умов річки.

За останні 70 років в світі відбулося більше тисячі аварій крупних гідротехнічних споруд. Причини їх різні, але частіше за все аварії відбуваються через зруйнування основи (табл. 8.9).

Таблиця 8.9.

Частота аварій гідротехнічних споруд напірного типу

Причини руйнування гідротехнічних споруд	Частота, %
Руйнування основи	40
Недостатність водоскиду	23
Слабкість конструкції	12
Нерівномірне осідання тіла греблі	10
Високий тиск на дамбу	5
Бойові дії	3
Оповзання укосів	2
Дефекти матеріалу	2
Неправильна експлуатація	2
Землетрус	1

За період із 1902 по 2010 рік з понад 400 аварій в різних країнах у 35 % випадків причиною було перевищення максимального розрахункового рівня води, тобто перелив води через гребінь дамби (табл. 8.10).

Таблиця 8.10.

Частота зруйнування різних типів дамб

Тип дамби	Частота аварій, %
Земляна	53
Захисна з місцевих матеріалів	4
Бетонна гравітаційна	23
Арочна залізобетонна	3
Дамби інших типів	17

При прориві дамб значні ділянки місцевості через 15 − 30 хвилин затоплюються шаром води товщиною від 0,5 до 10 м і більше. Час, протягом якого територія може знаходитися під водою, коливається від декількох годин до декількох діб.

Таблиця 8.11.

Параметри хвилі прориву, що характеризують ступінь зруйнування об'єктів

Об'єкт	Ступінь зруйнування
	слабий			середній			сильний
	h, м	u, м/с	h, м		u, м/с	h, м		u, м/с
Будівлі цегляні − 4 і більше поверхів	2.5	1,5	4		2,5	6		3
Цегляні малоповерхові будинки (1 – 2 поверхи)	2	1	3		2	4		2,5
Промислові будівлі без каркасні і з легким металевим каркасом	3	1,5	6		3	7,5		4
Каркасні і панельні будинки	2	1,5	3,5		2	5		2,5
Промислові будівлі з важким металевим або залізобетонним каркасом	3	1,5	6		3	8		4
Бетонні і залізобетонні будівлі	4,5	1,5	9		3	12		4
Дерев'яні будинки (1 – 2 поверхи)	1	1	2,5		1,5	3,5		2
Збірні дерев'яні будинки	1	1	2,5		1,5	3		2
Мости металеві	0	0,5	1		2	2		3
Мости залізобетонні	0	0,5	1		2	2		3
Мости дерев'яні	0	0,5	1		1,5	1		2
Шляхопроводи з асфальтобетонним покриттям	1	1	2		1,5	4		3
Шляхопроводи з гравійним покриттям	0,5	0,5	1		1,5	2,5		2

Характеристика зон затоплень, які виникають під час руйнування підпірних споруд (греблі) водосховищ. Прогнозування часу прориву природних гідротехнічних споруд базується на прогнозі підйому рівнів води до 80 – 85 % висоти перемички водосховища з урахуванням прогнозу найближчої метеостанції.

З метою завчасного планування проведення рятувальних та інших невідкладних робіт в зонах катастрофічного затоплення внаслідок можливого прориву гребель (штучних і природних) виконується завчасне прогнозування можливих хвиль прориву та розмірів катастрофічного затоплення.

Вихідними даними для проведення необхідних розрахунків є:

• відстань створу, який розглядається, від греблі (L, км);

• приведений розмір прориву (В = 1; 0,5; 0,25);

• схил водної поверхні (і);

• висота ділянки (h_м, м);

• максимальна висота затоплення ділянки місцевості по створу (h_з, м);

• висота прямокутника, еквівалентного по площі змоченому периметру в створі при максимальній глибині затоплення (h_ср, м);

• висота греблі (Н, м).

Розрахунки максимальної висоти хвилі прориву, макси­мальної швидкості потоку, середньої швидкості потоку води в точці створу та тривалості затоплення території здійснюється за допомогою формул і таблиць.

В результаті розрахунку повинні визначатися:

• максимальна висота хвилі прориву (h);

• максимальна швидкість потоку (V);

• середня швидкість потоку води у створі, який розглядається (V_ср);

• тривалість затоплення території (t); час приходу гребеня хвилі прориву (t_гр); час приходу фронту хвилі прориву (t_фр). 

Послідовність розрахунку: 

1. Визначення висоти і швидкості хвилі прориву:

 , м  , м/с (8.4)

де А₁, B₁, A₂, B₂ – коефіцієнти апроксимації, які залежать від висоти греблі (Н) – гідравлічною схилу водної поверхні (i) і розмірів очікуваного прориву (В) – значення коефіцієнтів наведені у табл. 8.12.

Таблиця 8.12.

Коефіцієнти апроксимації

В	Н, м	Значення коефіцієнтів при схилах
		i = 1·10 -4					i = 5·10 -4					i = 1·10 -3
		А1	В1	А2	В2	А1		В1	А2	В2	А1		В1	А2	В2
1	20	100	90	9	7	70		50	13	10	40		18	16	21
	40	280	150	20	9	180		76	34	12	110		30	32	24
	80	720	286	39	12	480		140	52	16	300		60	62	29
	150	1880	500	79	15	1240		234	100	21	780		106	116	34
	250	4000	830	144	19	2600		370	174	25	1680		168	208	40
0,5	20	138	204	11	11	92		104	13	23	56		51	18	38
	40	340	332	19	14	224		167	23	25	124		89	32	44
	80	844	588	34	17	544		293	43	31	320		166	61	52
	150	2140	1036	62	23	1280		514	79	38	940		299	113	62
	250	4520	1976	100	28	2600		830	130	46	180		490	187	79
0,25	20	140	192	8	21	60		100	11	33	40		38	15	43
	40	220	388	13	21	192		176	21	36	108		74	30	50
	80	280	780	23	21	560		320	41	41	316		146	61	65
	150	2420	1456	41	20	1393		572	77	51	840		172	114	89
	250	4740	2420	67	16	2800		932	126	62	1688		452	191	116

2. Визначення середньої швидкості потоку води:

V_ср=  , м/с (8.5)

де: n_э – еквівалентний коефіцієнт шорсткості по створу

n_э=  , м/с (8.6)

3. Визначення часу затоплення території:

t_зат = β (t_гр  – t_ф) (1 – h_м / h), (8.7)

де:

• h_m – висота ділянки місцевості від рівня моря у річці в межень, м;

• β – коефіцієнт, який залежить від висоти греблі, гідравлічного схилу і інших параметрів.

Значення коефіцієнта β визначається із табл. 8.13. 

Таблиця 8.13.

Значення коефіцієнта β

і · L : H	Висота греблі в долях від середньої глибини ріки в нижньому б'єфі (hо)
	Н = 10 ho	Н = 20 ho
0,05	15,5	18,0
0,1	14,0	16,0
0,2	12,5	14,0
0,4	11,0	12,0
0,8	9,5	10,8
1,6	8,3	9,9
3,0	7,9	9,6
5,0	7,6	9,3

Величини t_гр і t_фр визначаються із табл. 8.14.

Таблиця 8.14.

Час приходу гребеня (t_гр) і фронту (t_фр) хвилі проривудо створу, який розглядається

L¸ км	Н= 20 м					Н = 40 м						Н = 80 м
	i=1·10 -4		i=1·10 -3			i=1·10 -4			i=1·10 -3				i=1·10 -4			i=1·10 -3
	tгр	tфр		tгр	tфр		tгр	tфр		tгр	tфр			tгр	tфр		tгр	tфр
5	0,2	1,8		0,2	1,2		0,1	2		0,1	1,2			0,1	1,1		0,1	0,1
10	0,6	4		0,6	2,4		0,3	3		0,3	2			0,2	1,7		0,1	0,4
20	1,6	7		2	5		1	6		1	4			0,5	3		0,4	1
40	5,0	14		4	10		3	10		2	7			1,2	5		1	2
80	13	30		11	21		8	21		6	14			3	9		3	4
150	33	62		27	43		18	40		15	23			7	17		6	9

Очікувані параметри, які характеризують зону затоплення, залежать не тільки від розмірів водосховища, величини напору та інших характеристик гідровузла, але, більшою мірою, визначаються геодезичними і топографічними особливостями території.

Критичні параметри руйнування деяких об'єктів хвилею прориву (водяним потоком) подані в табл. 8.15.

Для оцінки можливих наслідків прориву гребель можливо скористатися атласами, які розроблені проектними інститутами відповідних відомств (Міненерго і Мінводгоспу), що мають необхідні розрахунки та схеми можливого катастро­фічного затоплення з урахуванням технічних характеристик гідровузлів і топографічних особливостей території.

Таблиця 8.15.

Критичні параметри руйнування деяких об'єктів хвилею прориву (водяним потоком)

№ з/п	Найменування об'єктів	Сильні руйнування				Середні руйнування				Слабкі руйнування
		Глибина потоку, м	Швидкість потоку, м/сек	Питоме наванта-ження, тс/ м2	Глибина потоку, м		Швидкість потоку, м/сек	Питоме наванта-ження,тс/ м2	Глибина потоку, м		Швидкість потоку, м/сек	Питоме навантажен-ня, тс/ м2
1	Стіни на залізо-бетонних і ме-талевих палях	6,0	5,0	7,5	3,0		3,0	1,35	1,0		2,0	0,2
2	Стіни на дере-в'яних палях	4,0	5,0	5,0	2,0		3,0	0,9	1,0		1,0	0,05
3	Стіни, моли, водоломи із ма-сивної кладки	7,0	5,0	8,75	4,0		3,0	1,8	2,0		2,9	0,4
4	Кранове облад-нання портів	6-10	4 -9	4,8-4,5	6,0		2-3	1,2-2,7	2,0		1,5-2	0,2-0,4
5	Дерев'яні 1-2по-верхові будинки	3,5	2,0	0,7	2,5		1,5	0,28	1,0		1,0	0,05
6	Цегляні малопо-верхові будинки	4,0	2,5	1,25	3,0		2,0	0,6	2,0		1,0	0,1
7	Промислові будинки з лег-ким металевим каркасом	5,0	2,5	1,56	3,5		2,0	0,7	2,0		1,5	0,2
8	Промислові Будови з важким металевим або з/б каркасом	7,5	4,0	6,0	6,0		3,0	2,7	3,0		1-5	0,34
9	Залізничні колії	2,0	2,0	0,4	1,0		1,0	0,05	0,5		0,5	0,06
10	Шосейні дороги з твердим покриттям	4,0	3,0	1,8	2,0		1,5	0,22	1,0		1,0	0,05
11	Залізничні мости (бетонні)	2,0	3,0	0,9	1,0		2,0	0-2	-		-	-
12	Металеві мости з прогоном 30-100 м	2,0	3,0	0,9	1,0		2,0	0,2	-		-	-
13	Залізничний ру-хомий склад	3,5	3,0	1,6	3,0		1,5	0,34	1,5		1,0	0,12

Примітки:

1. За критичні параметри хвилі прориву, при яких наступає загибель, або тяжке поранення людей, приймається h > 1,5 м і V > 2,5 м/сек. 

2. Швидкість хвилі прориву коливається від 3 до 25 км/год, а іноді і більше.