Почему эксплуатация СШГЭС в нынешних проектных режимах недопустима
В представленной статье бывший заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС В.И. Бабкин доказывает, что дальнейшая эксплуатация Саяно-Шушенского гидроузла в нынешних проектных режимах недопустима, поскольку может привести к непредсказуемым последствиям, как на самом гидроузле, так и в нижнем бьефе СШГЭС. По мнению автора, какие бы математические модели для расчета плотины не изобретались, но они не могут сами по себе исключить перегрузку плотины, водосброса и нижнего бьефа Саяно-Шушенской ГЭС. Поэтому, полагает В.И. Бабкин, необходимо регулировать не сброс, а приток воды в водохранилище СШГЭС.
I. Предлог "при" в понимании Ленгидропроекта
Проблемы с пропуском половодий и дождевых паводков у Саяно-Шушенского гидроузла (и не только у него) появились из-за ошибочного толкования строительных норм и правил (СНиП).
В течение многих десятков лет повторяются одни и те же формулировки:
— пропуск расчетного расхода воды для основного расчетного случая должен обеспечиваться, как правило, при нормальном подпорном уровне (НПУ), а пропуск расчетного расхода воды для поверочного расчетного случая надлежит обеспечивать при наивысшем технически и экономически обоснованном форсированном подпорном уровне (ФПУ) [1], п.5.30; [2], п.п. 2.11, 2.12; [3], п.п. 5.4.3, 5.4.4;
— длину водосливного фронта плотины, размеры и число пролетов поверхностных и глубинных водопропускных устройств следует принимать на основании сравнения технико-экономических показателей вариантов в зависимости от величины сбросного расхода основного расчетного случая, устанавливаемой в соответствии со СНиП II-50-74 и допустимых при данных геологических условиях удельных расходов воды; с учетом влияния потока на русло реки и работу других сооружений гидроузла, требований к гидравлическому режиму руслового потока в бьефах и изменения уровней воды в нижнем бьефе, вызываемого деформациями русла и берегов [1], п. 3.29;
— исходя из основного расчетного случая на основании технико-экономических расчетов устанавливаются общая длина водосливного фронта, типы, число и размеры поперечных сечений водопропускных сооружений, значения удельных расходов воды, основные параметры сооружений нижнего бьефа [2], п.2.9;
— расчетный расход воды, подлежащий пропуску в процессе эксплуатации через постоянные водопропускные сооружения гидроузла, следует определять исходя из расчетного максимального расхода, полученного в соответствии с п. 2.9, с учетом трансформации его проектируемыми для данного гидротехнического сооружения или действующими водохранилищами и изменения условий формирования стока, вызванного хозяйственной деятельностью в бассейне реки [2], п. 2.10;
— гидротехнические сооружения следует проектировать, исходя, как правило, из требований комплексного использования водных ресурсов, схем использования водотоков, с учетом данных и положений, содержащихся в федеральных, региональных и отраслевых программах совершенствования структуры хозяйства, развития и размещения производственных сил и промышленных объектов, градостроительной документации и иных обязательных для использования материалов [3], п. 4.1.4;
— пропуск расходов воды основного расчетного случая, в том числе через нерегулируемые водосбросы (без затворов), допускается осуществлять и при уровнях верхнего бьефа, отличающихся от НПУ. Нагрузки и воздействия, соответствующие уровням выше НПУ, следует учитывать в составе основного сочетания нагрузок и воздействий, а для сооружений, предназначенных для борьбы с наводнениями, — при соответствующем обосновании в составе особого сочетания нагрузок и воздействий [2], п. 2.11.
Очевидно, что это допущение касалось только случаев превышения НПУ, поскольку речь шла о порядке учета дополнительных нагрузок.
Обратимся к учебникам. Например, Г.С.Арсеньев “Основы управления гидрологическими процессами: водные ресурсы”, изд-во РГГМУ, Санкт-Петербург, 2005, стр.68 учит студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности “Гидрология” направления подготовки дипломированных специалистов “Гидрометеорология” следующим основам регулирования стока:
“Водохранилище сезонного регулирования стока предназначено для перераспределения стока из многоводных сезонов года в маловодные. Такое регулирование обусловлено внутригодовой неравномерностью стока и несовпадением величины стока и водопотребления во времени. Это наиболее распространенный вид регулирования.
Сущность сезонного регулирования сводится к следующему: в период превышения стока над используемым расходом водохранилище наполняется, а в период недостатков – срабатывается. Величина потребного полезного объема водохранилища для осуществления сезонного регулирования определяется объемом дефицита стока (разность между используемым расходом и естественными расходами) в период межени.
После заполнения полезного объема (наполнения водохранилища до НПУ) часть стока может быть сброшена вхолостую, минуя водоприемные отверстия ГЭС или другого водопользователя.
Объемы превышения и дефицита стоков над потреблением в расчетном маловодном году балансируются только в том случае, когда зарегулированный (используемый) расход доведен до величины среднегодового расхода рассматриваемого года. Такое регулирование стока, при котором наблюдается полное выравнивание стока до величины среднегодового расхода расчетного маловодного года, называется годичным и соответствует теоретическому пределу сезонного регулирования стока”.
Совершенно очевидно, что основной смысл требований СНиП к выполнению расчетов состоит в том, что полезный объем водохранилища обязан обеспечить трансформацию (снижение) максимального сбросного расхода вышерасположенного гидроузла с учетом расхода бокового притока воды в это водохранилище до допустимого по условиям нижнего бьефа сбросного расхода без выполнения холостого сброса воды. Холостой сброс воды должен начинаться при достижении НПУ и продолжаться в течение заполнения резервного объема до ФПУ и последующего снижения уровня до НПУ.
Для однозначного понимания Правил вполне достаточно было написать: гидравлические расчеты, исследования и расчеты плотин следует выполнять для основного расчетного случая только при достижении нормального подпорного уровня (НПУ) и для поверочного расчетного случая только при достижении форсированного подпорного уровня (ФПУ).
Для большей убедительности следовало пояснить причины своевременного начала холостого сброса воды: исключение зависимости пропуска воды через гидроузел от прогноза притока воды, сохранение основного резерва гидрологической безопасности, заключающегося в выполнении холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища.
Тогда способ создания дополнительной емкости водохранилища путем начала холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища, который позже получил благозвучное название заблаговременного начала холостого сброса воды, однозначно можно было признавать грубейшим нарушением СНиП и классифицировать как преждевременное начало холостого сброса воды.
II. Пример строгого выполнения требований СНиП в новейшей истории
В 2009 году на основе требований СНиП 33-01-2003 было выполнено обоснование инвестиций в строительство Мотыгинской ГЭС на реке Ангара, выдержку из которого привожу ниже:
“Мотыгинский гидроузел относится к 1 классу капитальности сооружений, поэтому, в соответствии с СНиП 33-01-2003, основной расчетный расход имеет обеспеченность 0,1%, а поверочный расчетный расход – 0,01% с гарантийной поправкой (табл.5.9).
В состав гидроузла входят следующие водопропускные сооружения: здание ГЭС с 10 агрегатами, водосброс и судоходный шлюз.
Основной расчетный максимальный расход воды вероятностью превышения 0,1 % пропускается только через водосброс, так как пропускная способность 20 отверстий водосброса на отметке НПУ 127 м составляет 20680 м3/с, то есть максимальные расходы воды вероятностью превышения 0,1 % и более могут быть пропущены только через водосброс без форсировки уровня и без участия агрегатов ГЭС.
Поверочный максимальный расход воды вероятностью превышения 0,01 % с гарантийной поправкой пропускается через все отверстия водосброса и агрегаты ГЭС. При необходимости в пропуске максимального поверочного расчетного расхода воды, в соответствии с СНиП 33-01-2003, может участвовать и судопропускной шлюз.
Пропускная способность 21 отверстия водосброса при отметке НПУ составляет 21600 м3/с, 10 гидроагрегатов ГЭС – 4600 м3/с, то есть суммарная пропускная способность – 26200 м3/с. Таким образом, поверочный максимальный расход воды вероятностью превышения 0,01 % с гарантийной поправкой может быть пропущен через водосброс и агрегаты ГЭС при отметке НПУ 127 м”.
Очевидно, что при таком подходе к расчету объема водохранилища и пропускной способности гидроузла и его нижнего бьефа нет необходимости искусственно задерживать заполнение полезного объема водохранилища до НПУ, нет необходимости в холостом сбросе воды с пониженного уровня водохранилища, то есть полностью сохраняется резерв гидрологической безопасности на непредвиденные случаи.
III. Пояснение сути расчетов гидрологической безопасности
Важнейшей составляющей безопасности гидроузла является его гидрологическая безопасность. Гидрологическая безопасность гидроузла – это его возможность без аварии справиться с пропуском катастрофического притока воды в водохранилище (притока выше принятого в расчете). Это возможность гарантированного санитарного, судоходного и других видов попусков воды в нижний бьеф. Это постоянное и неснижаемое наличие резерва безопасности на случаи аварии плотины, водосброса, ГЭС, нижнего бьефа и энергосистемы.
Для пояснения сути расчета гидрологической безопасности, роли процесса трансформации (снижения) расхода притока воды в объеме водохранилища и условий, обеспечивающих создание основного и дополнительного резервов гидрологической безопасности гидроузла и его нижнего бьефа, воспользуемся простой и наглядной расчетной схемой в виде треугольника (рисунок 1).
Эта расчетная схема предусматривает наличие в расчете только одной величины, определяемой по теории вероятностей. Все остальные параметры расчета (объем, расход, время) заранее известны или рассчитаны по заранее известным параметрам. Тем самым исключается зависимость расчета от прогноза притока воды.
Схема треугольника одновременно служит расчетным гидрографом и схемой замещения уравновешенной на максимальных расчетных параметрах системы, в составе которой на входе максимальные расчетные параметры притока воды с площади водосбора, внутри – объем водохранилища и средний надежно гарантированный расход и объем воды через турбины, а на выходе — максимальные расчетные параметры водосброса и турбин (схемы выдачи мощности ГЭС), то есть максимальный параметр нижнего бьефа.
Поскольку система уравновешена на максимальных расчетных параметрах, то, естественно, нельзя понизить параметр на выходе, не понизив параметр на входе системы. Внутри системы возможны только замещение одного параметра другим. Примером такого замещения мог стать береговой водосброс (так и задумывалось сделать), но только в случае строгого соблюдения требований СНиП.
Где: Qмакс — максимальный расход притока воды; W — объем половодья, приравненный к площади треугольника 025, T – расчетная величина периода половодья, измеряемая длиной отрезка 0 – 5 – параметры, определяемые на основе данных гидрологических расчетов как вероятные 1 раз за 10000 лет.
Vтр,— порожний объем водохранилища для аккумуляции притока, приравненный к площади треугольника 123; Qтр – максимальная величина расхода, на которую трансформируется (снижается) максимальный расход притока воды; Tтр –расчетный период заполнения объема водохранилища; Wи – объем воды через турбины (площадь трапеции 0145); Qи – средний гарантированный расход воды через турбины – параметры заранее известные, либо рассчитанные на основе заранее известных.
Vx – максимальный расчетный объем холостого сброса воды при обеспеченности 0,01% + ?, приравненный к площади треугольника 134; QX – максимальная величина расхода воды через водосброс при обеспеченности 0,01% + ?; Tx – расчетный период холостых сбросов воды, измеряемый длиной отрезка 1 – 4 – максимальные расчетные параметры, полученные в результате трансформации (снижения) в объеме водохранилища.
Требования СНиП разработаны на основе системного подхода к расчетам гидрологической безопасности. Вовсе не случайно применяется слово “при”: при НПУ, при ФПУ и нигде не упоминается термин “начало холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища”, который на практике позже назвали заблаговременным (так приятнее звучит) началом холостого сброса воды, хотя правильнее было назвать преждевременным началом.
Отсутствие системного подхода к расчетам гидрологической безопасности привело к тому, что снижение резервного объема водохранилища, снижение пропускной способности водосброса, турбин и нижнего бьефа замещали увеличением объема холостого сброса воды путем преждевременного начала холостого сброса воды.
В результате преждевременного начала холостого сброса воды расчетный период половодья сократился с 45 до 30 суток, а расчетный объем притока воды в половодье снизился с 45-46 км3 до 34,1 км3. По расчету пропуск половодья заканчивается через 30 суток, а на самом деле половодье в самом разгаре и будет продолжаться еще не менее 15 суток для того, чтобы сбросить мимо турбин не менее 15 км3 воды. Именно такое затяжное половодье с наложением дождевого паводка наблюдалось в 2006 году.
В зависимости от обеспеченности притока воды в водохранилище объем холостого сброса воды Vx и соответственно расход воды через водосброс QX будут изменяться от максимума (площадь треугольника 134) до нуля (сторона 1-3 и 1-4 совмещается, то есть треугольник 123 опускается). Снизить объем и расход холостого сброса воды возможно только путем увеличения порожнего объема водохранилища, а также путем увеличения расхода воды через турбины.
С левой стороны рисунка 1 приведен пример холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища. Заштрихованные треугольники, равные по площади, поясняют суть образования и использования основного резерва гидрологической безопасности при срезке пика трансформированного (сниженного) в полезном объеме водохранилища максимального расхода притока воды в точке 3 при пропуске притока воды выше принятого в расчете. Этот процесс всегда сопровождается дополнительным объемом холостого сброса воды по сравнению с расчетом объема холостого сброса воды по СНиП.
Очевидно, что полезный объем водохранилища обязан обеспечить трансформацию расхода притока воды до сбросного расхода при НПУ без выполнения холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища. Холостой сброс воды должен начинаться при НПУ и продолжаться в течение заполнения резервного объема до ФПУ (до достижения максимального расчетного расхода воды через водосброс) и последующего быстрого снижения уровня до НПУ.
По расчету заполнение водохранилища должно начинаться строго при расходе притока воды, равном надежно гарантированному среднему расходу воды через турбины в точке 1. Только в этом случае можно выполнить расчет минимального времени, необходимого для заполнения полезного объема водохранилища и определить момент начала холостого сброса воды в точке 3.
Если при приближении к точке 3 расход притока воды оказывается выше расчетного сбросного расхода, а время заполнения меньше минимального расчетного, то необходимо начинать холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища с максимальным расходом воды через водосброс и включать в работу все турбины ГЭС, то есть использовать основной и дополнительный резервы безопасности гидроузла.
Универсальность схемы треугольника очевидна. Она пригодна для расчета раннего дружного многоводного половодья и позднего половодья с наложением многоводного дождевого паводка. Расчеты по этой схеме идут по средним максимальным параметрам, принятым из бесконечно большого числа гидрографов (графиков притока воды по времени). Именно по этой причине создается основной резерв гидрологической безопасности гидроузла, то есть в случае непредвиденных обстоятельств есть возможность начать холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища.
Только такой подход к расчетам позволяет определить минимальное расчетное время заполнения полезного объема водохранилища при максимальном объеме притока воды в водохранилище, которое становится ориентиром для начала холостого сброса воды при притоке выше расчетного.
Основной резерв гидрологической безопасности является единственной возможностью справиться с пропуском притока воды в непредвиденных случаях: обнаружении ошибок в расчетах, авариях и катастрофах. Но во всех таких случаях использованная часть резерва обязана быть оперативно восстановлена.
Схема треугольника также позволяет выяснить причины рассогласования требований СНиП по проблеме выдачи мощности ГЭС.
СНиП 2.06.01-86 в расчетах предусматривали одновременную работу всех турбин ГЭС, но на практике не придавали значения проблеме выдачи всей установленной мощности ГЭС в энергосистему. Крупные ГЭС жестко привязывали к энергоемким производствам, ставя гидрологическую безопасность в зависимость от надежности работы таких производств. А о соблюдении международных критериев надежности выдачи мощности в энергосистему n-1 речи вообще не велось.
Это справедливое требование касалось кратковременного участия турбин в срезке пика расхода притока воды, трансформированного (сниженного) в объеме водохранилища (точка 3 на рисунке 1), а также в период холостого сброса воды с пониженного уровня. Эту необходимость можно увидеть только при использовании схемы треугольника, которую отвергает Ленгидропроект.
СНиП 33-01-2003 учет расхода воды через турбины в расчетах обязывают тщательно обосновывать каждый раз в зависимости от целого ряда переменных факторов. Это требование справедливо для длительного периода заполнения полезного объема водохранилища, когда обеспечивается гарантированный средний расход воды через турбины. Оно не должно быть основанием для урезания схемы выдачи мощности ГЭС.
IV. О расчетах и инструкциях Ленгидропроекта
Повторяю, проблемы с пропуском половодий и дождевых паводков у Саяно-Шушенского гидроузла (и не только у него) появились из-за ошибочного толкования строительных норм и правил (СНиП) людьми, занимающимися расчетами в Ленгидропроекте.
При самом строгом сопоставлении схемы регулирования стока Саяно-Шушенским водохранилищем с действующими нормативными требованиями оказывается, что она никогда не соответствовала этим требованиям.
Как уже было сказано выше, основной смысл расчета гидрологической безопасности гидроузла заключается в том, что все его конечные максимальные параметры заранее заданы или рассчитаны по заранее заданным параметрам. И лишь максимальный объем и соответствующий ему расход притока воды в водохранилище в течение периода половодья, то есть гидрологические сведения (таблица 1), определяются по теории вероятностей.
Это и определило название – гидрологическая безопасность гидроузла — как составную часть безопасности всего гидротехнического сооружения. Она не должна зависеть от прогноза притока воды.
Саяно-Шушенский гидроузел относится к сооружениям 1-го класса и обязан быть рассчитан на пропуск максимального расчетного расхода притока воды, вероятность которого 1 раз за 10000 лет (обеспеченность 0,01% + ? (гарантийная поправка по своду правил, в частности СП 33.01-2003, п. 5.31 может доходить до 20 % расчетной величины).
В целях исключения из расчета второй вероятной величины строительные нормы и правила (СНиП) обязывают выполнять гидравлические расчеты с учетом трансформации (снижения) расходов притока воды, то есть после заполнения полезного объема водохранилища до нормального подпорного уровня (НПУ) для основного расчетного случая и после заполнения водохранилища до форсированного подпорного уровня (ФПУ) для поверочного расчетного случая.
Такой подход к регулированию стока, во-первых, позволяет исключить зависимость пропуска половодий и дождевых паводков от достоверности прогнозов притока воды, а, во-вторых, позволяет создать резерв (запас) на непредвиденные случаи, заключающийся в выполнении холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища.
Принято считать, что гидрологические сведения для створа, например, для створа Саяно-Шушенского гидроузла, представленные в таблице 1, позволяют выяснить возможные режимы работы водохранилища, но не могут установить будущий календарный срок наступления того или иного режима.
Примечание: сведения таблицы 1 заимствованы в [5], стр.457.
Однако, Ленгидропроект выполнил расчет контрольных уровней наполнения Саяно-Шушенского водохранилища в зависимости от прогноза объема притока в половодья и паводки, при которых не раньше и не позже обязан начинаться холостой сброс воды с максимальным расходом (таблица 2). И такой порядок регулирования введен в правила эксплуатации водохранилища и гидроузла.
Теперь холостой сброс воды обязан выполняться как при расходах притока с вероятностью превышения более 1% (верхняя строка), таки и при расходах притока с вероятностью менее 1% (нижняя строка), ([5], стр.456).
При этом особо подчеркивается, что время включения в работу водосбросов устанавливается на основе анализа данных по снегозапасам и оперативных прогнозов половодья, то есть гидрологическая безопасность оказалась в полной зависимости от прогноза притока воды.
где: T – число и месяц года; V – объем притока воды.
Здравый смысл подсказывает, а теория утверждает, что недопустимо привязывать к календарю заранее неизвестный реальный объем притока воды. Нельзя вмешиваться в сложнейший процесс трансформации расхода притока воды в объеме водохранилища и параллельно ему выполнять холостой сброс воды. Эти процессы обязаны идти последовательно один за другим и каждый в свое время. Нарушение последовательности всегда приводит к повышению объема и расхода холостого сброса воды и к снижению гидрологической безопасности.
Таблица 2 появилась в результате снижения основных расчетных параметров гидрологической безопасности, связанных со снижением сбросного расхода, ограничением выдачи мощности ГЭС, авариями плотины, водосброса и компенсации этих снижений путем холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища.
В результате, оказались сниженными все основные расчетные параметры гидрологической безопасности и одновременно снижался резерв, подлежащий восстановлению после каждого использования, то есть происходило параллельное снижение гидрологической безопасности гидроузла и его нижнего бьефа.
Известно, что достоверность прогноза притока воды, особенно в дождевые паводки, остается низкой. С точки зрения расчетов гидрологической безопасности особенно опасны заниженные прогнозы притока воды и ранние дружные многоводные половодья с наложениями на них длительных ливневых дождевых паводков.
Но для методики Ленгидропроекта не менее опасны вялотекущие половодья, при которых водохранилище заполняется до недопустимо высокого уровня, а затем неожиданно приходит многоводный дождевой паводок.
Например, в 2006 году в половодье при обеспеченности притока воды 54% в мае (вероятность события 1 раз за 1,85 лет), 8% в июне (1 раз за 12,5 лет) водохранилище было заполнено до высокого уровня. В июле в дождевой паводок при максимальном расходе притока 7900 м3/с (на 1125 м3/с ниже обеспеченности 1% ) сбросной расход воды в нижний бьеф достиг 7700 м3/с, в том числе расход холостого сброса — 5260 м3/с.
Объем холостого сброса воды достиг громадной величины, равной полезному и резервному объему водохранилища — 15 км3. Такой объем и расход холостого сброса воды по расчетам должны быть при обеспеченности 0,1%, то есть события, вероятность которых 1 раз за 100 лет и вероятность которых 1 раз за 10000 лет, в реальности сблизились из-за применения в расчетах пропуска половодий и дождевых паводков холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища, поскольку два принципиально отличающихся процесса: трансформации и сброса стали выполняться одновременно (параллельно), а обязаны были выполняться последовательно.
Итоги пропуска половодья и дождевого паводка 2006 года обязаны были стать предметом самого серьезного обсуждения для принятия особых мер по повышению безопасности гидроузла и его нижнего бьефа, но, как всегда, вся вина была возложена на низкую достоверность прогноза притока воды. 2006 год объявили многоводным, хотя по методике расчета гидрологической безопасности он относится к году ниже средней водности.
По таблице 2 видно, что при прогнозе притока воды выше 30 км3 самый интенсивный холостой сброс воды выполняется между уровнями водохранилища 510 — 527,5 м в период пика расхода притока воды в водохранилище, когда основной водосброс может пропускать от 9000 до 11500 м3/с, а береговой водосброс работать не может.
Надежная работа водобойного колодца водосброса гарантируется при расходе до 5000 м3/с согласно Акта приемки 2000 года или при расходе 7500 м3/с по расчетам Ленгидропроекта, поэтому при длительной перегрузке не исключаются большие разрушения крепления дна водобойного колодца, возникновение опасных гидравлических режимов в колодце, приводящих к еще большим разрушениям и не только дна колодца и т.д. по нарастающей.
Расчеты Ленгидропроекта, предусматривающие холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища, на практике приводят к досрочному заполнению водохранилища до НПУ, ФПУ и даже могут привести к заполнению порожнего объема в верхней части водохранилища, то есть к перегрузке плотины, поскольку расчетное время половодья сокращено до 30 суток, а фактическое с наложением дождевого паводка длится 45 суток.
V. О дальнейшей эксплуатации сооружений и проектных режимах
Любой объект обязан обладать запасом надежности, особенно такой уникальный как Саяно-Шушенский гидроузел. В технической литературе ([6], стр.149, [8], стр.10) еще до аварий отмечалось отсутствие какого-либо резерва на непредвиденные случаи в расчетах пропуска половодий и дождевых паводков, самые различные оценки давались надежности водосброса [5] и многократно уточнялась расчетная модель для оценки напряженного состояния Саяно-Шушенской плотины ([8], стр.12-18).
В Декларации безопасности Саяно-Шушенского гидроузла указывается, что в случае достижения критерия безопасности К2 эксплуатация сооружения в проектных режимах недопустима без оперативного проведения мероприятий по восстановлению требуемого уровня безопасности и без специального разрешения органа надзора. Дальнейшая эксплуатация гидротехнических сооружений в проектных режимах является нарушением Федерального закона с вытекающей отсюда ответственностью.
После катастрофы 17 августа 2009 года в Декларации безопасности, действующей до 1 октября 2011 года, уровень безопасности Саяно-Шушенского гидроузла был оценен как пониженный. Однако, новая Декларация безопасности, вступившая в силу 1 октября 2011 года на срок до 26 сентября 2014 года, уже оценивает уровень безопасности как повышенный в связи с вводом в эксплуатацию берегового водосброса и вводом в работу новых гидроагрегатов. В этой Декларации безопасности справедливо подчеркивается, что в очередной раз изменились условия эксплуатации гидроузла.
Мягко говоря, такая оценка состояния безопасности Саяно-Шушенского гидроузла не соответствует действительности. Из-за аварий приемка уникального гидроузла в эксплуатацию Государственной комиссией так и не состоялась до сих пор. Акт Центральной комиссии по приемке Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса 2000 года [7] многими признается юридически ничтожным, то есть не имеющим оснований для применения санкций за его неисполнение.
Примеров неисполнения мероприятий, указанных в Акте, предостаточно, и среди них – необходимость замены турбин, которая необоснованно затягивалась. Если бы не катастрофа 17 августа 2009 года, то, скорее всего, до сих пор не приступили бы к замене турбин.
Доказательством тому может служить тот факт, что вместо замены турбин, в августе 2003 года согласовывается ОДУ Сибири и утверждается руководителем СШГЭС техническое задание на создание, а 21 июля 2009 года вводится в промышленную эксплуатацию подсистема группового регулирования напряжения и реактивной мощности ГРАРМ.
Еще при приемке в эксплуатацию всех десяти гидроагрегатов в 1985 году отмечалась необходимость замены всех турбин Саяно-Шушенской ГЭС. Испытания гидротурбины агрегата № 10 на повышенной мощности, выполненные в 1988 году, показали, что режим работы гидротурбин СШГЭС должен быть установлен только в пределах допустимых зон, которые были выявлены ранее еще на основе модельных исследований. Натурными испытаниями были лишь уточнены действительные границы зоны II, не рекомендованной для длительной работы, и границы зоны IV, запрещенной для работы.
После катастрофы прошло почти три года, но причины установить не удалось, а новые гидроагрегаты эксплуатируются без полагающихся исследований, которые обязаны проводиться непосредственно на ГЭС.
Юрием Лобановским – кандидатом физико-математических наук, на основе работ В.Л.Окулова (СО РАН) построена теория резонансного возбуждения автоколебаний напорных систем, позволяющая оценить гидроакустическую устойчивость гидроэлектростанций, потеря которой, по мнению автора теории, привела к катастрофе на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году и тяжелым повреждениям десятого и шестого гидроагрегатов в 1988 и 2010 годах соответственно.
Но для ее официального признания необходимы испытания и исследования, которые могли быть проведены, например, в 2012 году весной, летом и осенью при заполнении водохранилища до высокого уровня. Сейчас главное – не упустить время.
Другим ярким примером неисполнения может служить решение проблем пропуска половодий и дождевых паводков. Об этой проблеме необходимо рассказать подробнее.
С одной стороны признается, что Саяно-Шушенский гидроузел – уникальное сооружение, опередившее свое время, что имели место нарушения технологии при его возведении, что не были учтены геологические, геотектонические особенности территории, наконец, что имели место аварии его отдельных узлов (водобойный колодец водосброса, трещины в напорной грани плотины и разуплотнение скального основания).
А другой стороны, нет должного анализа соответствия требованиям строительных норм и правил (СНиП), хотя очевидно, что первоначальные основные расчетные параметры: НПУ, ФПУ, пропускная способность водосброса, турбин и нижнего бьефа Саяно-Шушенской ГЭС были определены с ошибками и коренным образом изменились (понизились в сторону ухудшения положения гидроузла) после аварий и катастрофы.
Беспрецедентное снижение НПУ и ФПУ, снижение пропускной способности водосброса и расхода воды через турбины (снижение сбросного расхода воды в нижний бьеф) расчетным путем компенсировано увеличением объема холостого сброса, хотя на практике такая компенсация не может быть реализована и противоречит требованиям СНиП. Понять все это возможно только при системном подходе к решению проблем.
Но системного подхода не существовало и не существует сегодня. Решения по созданию водохранилищ принимались и продолжают приниматься на основе технико-экономического сравнения вариантов. Не существовало понятия оптимального объема водохранилища, нарушался закон природы, по технико-экономическим соображениям определялся створ для первого гидроузла из каскада и только в редких случаях осознанно шли на повышенную пропускную способность гидроузла (Куйбышевский гидроузел, ДнепроГЭС и ряд других).
На Енисее первым построили Красноярский гидроузел пропускной способностью более 20000 м3/с, хотя нижний бьеф застроен на пропуск 10000 м3/с, Саяно-Шушенский гидроузел построили вторым с проектной пропускной способностью 17040 м3/с, при условии начала холостого сброса воды с пониженного уровня 535 м плюс 4000 м3/с – береговой водосброс. Реальная пропускная способность гидроузла, естественно, будет использована в критических ситуациях, несмотря на известные ограничения.
Майнский гидроузел построили третьим с пропускной способностью 15900 м3/с (с учетом работы всех трех турбин) при переполнении водохранилища до уровня 328,0 м, тогда как при ФПУ 326,7 м прибрежная жилая застройка уже затапливается на высоту 2 м. Нижний бьеф Майнского гидроузла обустроен на пропуск сбросного расхода не выше 12500 м3/с. В этих условиях речь могла идти только о регулировании притока воды в водохранилища каскада, но никак не сброса.
Но дополнительный водосброс для Майнского гидроузла, строительство которого рекомендовано в приложения к Акту 2000 года, не выполнен и его выполнение не планируется.
А это означает, что основные паспортные характеристики гидроузла и водохранилища (УМО, НПУ, ФПУ), пропускная способность водосброса, турбин, нижнего бьефа, схема регулирования водотока, режимы работы основного оборудования, включая турбины, остаются не узаконенными до сих пор.
Следовало давно признать, что действующих официально признанных проектных параметров и режимов работы Саяно-Шушенского гидроузла не существует и эксплуатация сооружения в таких проектных режимах недопустима.
Именно их отсутствие порождает все сложности при принятии решений принципиального характера, которые принимаются, как правило, коллегиально разного рода межведомственными комиссиями и рабочими группами, а также порождает безответственность чиновников высшего уровня управления.
Например, письмом № АС 13-03-117 oт 25.06.2010 “O режиме водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС в 2010 году” ОАО “Ленгидропроект” подтвердил необходимость непревышения уровнем водохранилища СШГЭС отметки 533.0 м в 2010 году (до середины-конца сентября) с целью гарантированного обеспечения попусков расчетных расходов экстремальных паводков вероятностью превышения 0,1 и 0,01% с гарантийной поправкой.
При этом особо подчеркивалось, что в случае высокой приточности в августе-сентябре 2010 года, Саяно-Шушенская ГЭС будет вынуждена работать транзитными расходами (величина притока в августе 1985 года достигала 5100 м3/с), так как резервная емкость Саяно-Шушенского водохранилища между отметками 537,5-540,0 м составляет всего 1,5 км3, между отметками 533,0-537,5 — 2,5км3.
В Декларации безопасности гидротехнических сооружений, действующей до 1 октября 2011 года, уровень безопасности Саяно-Шушенской ГЭС был оценен как пониженный. Однако, новая Декларация безопасности, вступившая в силу 1 октября 2011 года на срок до 26 сентября 2014 года, уже оценивает уровень безопасности как повышенный в связи с вводом в эксплуатацию берегового водосброса и вводом в работу новых гидроагрегатов. В Декларации безопасности подчеркивается, что в очередной раз изменились условия эксплуатации гидроузла, но не уточняется, в какую сторону изменились.
Расчеты пропуска половодий и дождевых паводков были выполнены изначально с грубейшим нарушением СНиП. Эти нарушения повторялись неоднократно, но должной оценки проверяющих и контролирующих органов не последовало. В результате создана видимость благополучия.
Из-за отсутствия системного подхода к расчетам гидрологической безопасности решение по компоновке берегового водосброса СШГЭС принимается для схемы регулирования по СНиП, хотя действующая схема регулирования противоречит СНиП. Только отсутствием системного подхода к расчетам гидрологической безопасности можно объяснить феномен вопиющих нарушений СНиП и поразительную живучесть этих нарушений.
В нынешних условиях гарантировать гидрологическую безопасность Саяно-Шушенского гидроузла и его нижнего бьефа можно только при условии ежегодного (независимо от прогноза притока) начала заполнения водохранилища при расходе притока воды не менее 7500 м3/с. Такая схема регулирования, естественно, невыполнима на практике.
Сегодня главной опасностью для плотины Саяно-Шушенской ГЭС следует считать наличие запрещенного для заполнения порожнего объема в верхней части водохранилища СШГЭС, заполнение которого и, следовательно, перегрузку плотины при нынешней схеме регулирования можно считать гарантированными.
Ведь весь расчет сегодня делается на то, что вероятность многоводного половодья и дождевого паводка мала, хотя известно, что для исключения аварий необходимо со всей серьезностью относиться к самым экзотическим возможностям, несмотря на то, что они крайне маловероятны.
Даже после катастрофы регулирование стока выполняется по графику года средней водности, принятому по многоводным годам периода наблюдений за Енисеем с 1911 года, то есть недопустимо рискованно, если учитывать чрезвычайно низкую достоверность прогноза притока воды. Такое регулирование допустимо только при выполнении расчетов пропуска половодий и дождевых паводков в строгом соответствии СНиП.
Исправить положение можно тем же путем, как его усугубляли, нарушая законы природы и действующие нормативы проектирования, то есть путем регулирования притока воды единственным известным способом – путем создания водохранилищ в верховье в Туве (рисунок 2).
Оптимальный объем Саяно-Шушенского водохранилища по моим расчетам должен быть равен половине максимального объема притока воды в половодье продолжительностью 45-46 суток, то есть 46 : 2 = 23 км3 + запрещенный для заполнения объем, расположенный выше ныне установленного ФПУ.
При этом достигается самая высокая эффективность использования водотока на выработку электроэнергии и мощности, поскольку холостой сброс воды оказывается нулевым при максимальном расходе притока воды 15700 м3/с (вероятность 1 раз за 400 – 500 лет). Водосбросы обязаны строить для гарантии пропуска экстремальных притоков воды, но при правильном расчете объема водохранилища работать они должны крайне редко.
Расчетная схема после создания регулирующих емкостей в Туве
где: Qмакс –максимальный расход притока воды в половодье; W = Wu + Vхб + Vхэ + Vтр + Vтрр = объем притока воды в половодье; Wu и Qu – объем и расход воды через турбины; Vхб и Qхб –объем и расход воды через береговой водосброс; Vхэ и Qхэ – объем и расход воды через эксплуатационный водосброс; Vтр и Vтрр –объемы аккумуляции воды в водохранилище и регулирующей емкости; Qтр и Qтрр – снижение расхода притока за счет аккумуляции воды в водохранилище и регулирующей емкости; Qсбр= Qнб – максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф, равный 11400 м3/с ( 2400 – турбины, 4000 – береговой водосброс, 5000 – эксплуатационный водосброс).
При наличии регулирующей емкости в верховье будет обеспечено регулирование скорости наполнения водохранилища, в котором так нуждается плотина, причем без проведения холостого сброса воды.
Дальнейшая эксплуатация Саяно-Шушенского гидроузла в нынешних проектных режимах недопустима, поскольку может привести к непредсказуемым последствиям, как на самом гидроузле, так и в нижнем бьефе СШГЭС.
Какие бы математические модели для расчета плотины не изобретались, но они не могут сами по себе исключить перегрузку плотины, водосброса и нижнего бьефа Саяно-Шушенской ГЭС. Необходимо регулировать не сброс, а приток воды в водохранилище СШГЭС.
Заключение
Из двух зол необходимо выбирать наименьшее зло. Да, опасно создавать водохранилище в сейсмоопасной зоне, но еще большая опасность не создавать его. Мы, по сути, стали заложниками ошибок Ленгидропроекта.
Часто появляются предложения опорожнить Саяно-Шушенское водохранилище, не понимая, что тогда нужно будет опорожнить все водохранилища на Енисее, а, например, город Красноярск перенести на высокие безопасные отметки поверхности, поскольку по расчетам расход может достичь 39000 м3/с, тогда как при расходе 10000 м3/с в 2006 году уже начались подтопления объектов.
Защитить Красноярск (и не только Красноярск) мы не способны иначе, как регулированием притока воды в водохранилища, которых выше Красноярского створа по схеме освоения Енисея должно быть минимум двадцать, но никак не три.
Теперь конкретных виновников случившегося не найти: они ушли в иной мир. К великому сожалению, Правила регулирования водных ресурсов, Декларации безопасности гидроузлов никак не учитывают особенности освоения Енисея, не анализируют влияние аварий и катастрофы на изменение схемы регулирования стока, которая, совершенно очевидно, не соответствует требованиями СНиП.
Признание методики расчета по схеме треугольника для Ленгидропроекта равносильно признанию того, что расчеты не соответствовали требованиям СНиП, а, следовательно, и инструкции по эксплуатации тоже ошибочны, поэтому и нужна независимая экспертиза расчетов с участием зарубежных экспертов, поскольку Гидропроект сегодня подчиняется “РусГидро”.
Литература:
[1] СНиП 2.06.06-85 “Плотины бетонные и железобетонные”.
[2] СНиП 2.06.01-86 “Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования”.
[3] СНиП 33-01-2003 “Гидротехнические сооружения. Основные положения”.
[5] Ефименко А. И., Рубинштейн Г. Л. Водосбросные сооружения Саяно-Шушенской ГЭС. — СПб: Издательство ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», 2008
[6] В.И.Брызгалов Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Сибирский издательский дом ”Суриков”, Красноярск, 1999.
[7] Акт приемки в эксплуатацию законченного строительством Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса на реке Енисей, п. Черемушки, 2000/РАО ”ЕЭС России”. Центральная комиссия по приемке в эксплуатацию Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса.
[8] Журнал “Гидротехническое строительство”, №9, 1998 г.
Владимир Иннокентьевич Бабкин,
заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС с 1978 по 2001 год,
специально для «Плотина.Нет!» (12.04.2012)