Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений

ʺ͘ ʥ͘ ʶʽˌ˄ʺʥʤʫʦ   
ʽʥʫˁʿʫˋʫʻʰʫ ʥʫʯʽʿʤˁʻʽˁ˃ʰ  
ʧʰʪˀʽ˃ʫˈʻʰˋʫˁʶʰˈ ˁʽʽˀ˄ʮʫʻʰʱ 
˄̸̨̨̨̛̖̦̖̪̭̖̍̍
ʰ̴̦̬̌Ͳʰ̛̦̙̖̦̖̬́  
ʺ̨̡̭̏̌ – ʦ̨̨̣̐̔̌  
ϮϬϭϴ 

ФЗ 
№436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке  
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11 
УДК 631.7, 627.834, 627.838, 687.83 
ББК 38.54 
    К 76 
             Кошумбаев М. Б. 
 К 76     Обеспечение безопасности гидротехнических сооружений:  
             учебное пособие/ М. Б. Кошумбаев. - М.: Инфра-Инженерия,  
             2018. - 240 с. 
ISBN 978-5-9729-0212-5 
Рассмотрены вопросы обеспечения безопасности гидротехнических сооружений. Проведен анализ наиболее распространенных причин возникновения чрезвычайных ситуаций, предложены способы минимизации рисков их возникновения. 
Подробно описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований 
автора, посвященных расчету параметров водосбросных сооружений на основе полуэмпирических методов и уравнений двухфазного потока. На основе полученных 
данных предложены  характеристики устройств, обеспечивающих устойчивое вихревое движение воды. Даны рекомендации по организации эффективного режима 
работы водосбросов. Предложены новые конструкции водосбросов открытого  
и шахтного типов, даны улучшенные схемы водосбросных трактов. Многие из описанных конструкций и схем защищены охранными документами и внедрены  
на действующих гидротехнических объектах. 
Для инженеров-гидроэнергетиков и проектировщиков гидротехнических 
сооружений, а также для аспирантов и студентов гидроэнергетических специальностей. 
Приложения к книге доступны для скачивания на сайте 
издательства «Инфра-Инженерия» www.infra-e.ru. 
‹ Кошумбаев М. Б., автор, 2018 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2018 
ISBN 978-5-9729-0212-5 

ʦʦʫʪʫʻʰʫ 
Книга посвящена снижению вероятности возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС) на гидротехнических сооружениях (ГТС) посредством 
повышения пропускной способности водосбросов и эффективности гашения 
энергии сбросного потока. Для достижения указанной цели были разработаны и использованы водосбросы с клиновидными покрытиями водослива, 
гидротехнический перепад, шахтные водосбросы и схемы защиты ГТС  
от размыва нижнего бьефа. Изучены теоретические вопросы процесса оптимального сброса воды в нижний бьеф на основе определения критических 
параметров и опасных зон. Исследованы влияния различных параметров на 
пропускную способность водосбросов, степень эффективности гашения кинетической энергии воды, кавитационную безопасность шахтного водосброса и безнапорный режим в отводящем туннеле. Разработаны рекомендации 
по предотвращению аварий на ГТС, предложения по современным конструкциям водосбросов, гасителей и независимых источников энергии,  
а также приведена инновационная методика расчета инвестиций для их 
внедрения в проектах, подверженных влиянию ЧС. 
Актуальность проблемы. Чрезвычайные ситуации на ГТС связаны 
преимущественно с низкой пропускной способностью водосбросов и размывом грунта нижнего бьефа, вызванным неэффективным гашением энергии 
сбросного потока. Особенностью сопряжения бьефов является, во-первых, то, 
что створ возведения гидроузлов имеет свою специфику, а во-вторых, 
то, что наблюдаются различные параметры потока воды и рельефа местности. 
Существующие ГТС, находящиеся под высоким давлением, имеют значительные размеры. Меры по рассеиванию энергии высокоскоростного потока направлены на предупреждение размыва русла реки, снижение эрозии  
и предотвращение разрушений отводящего туннеля и самой плотины. Используемые для этого водосбросы и гасители требуют дальнейшего усовершенствования в целях увеличения пропускной способности и эффективного 
гашения кинетической энергии воды. 
Однако до настоящего времени режимы работы водосбросов по повышению пропускной способности, а также по эффективному гашению энергии сбросного потока с применением вихревого эффекта исследованы недостаточно. Используемые на практике методики Гидропроекта им. С. Я. Жука 
и руководства по практическому расчету размеров конструкции водосбросов 
и гасителей Казахского научно-исследовательского института энергетики 
им. Ш. Ч. Чокина (КазНИИЭ) расходятся в своих общих положениях, поскольку они построены на основе теоретических и экспериментальных исследований с использованием формул гидравлического прыжка, которые не 
всегда применимы на практике.  
ϯ 

ʶ̨̹̱̥̖̍̌̏ʺ͘ʥ͘
 ʽʥʫˁʿʫˋʫʻʰʫ ʥʫʯʽʿʤˁʻʽˁ˃ʰ ʧʰʪˀʽ˃ʫˈʻʰˋʫˁʶʰˈ ˁʽʽˀ˄ʮʫʻʰʱ  
                                                         
Усовершенствованными конструкциями, влияющими на снижение частоты ЧС на ГТС, могут служить водосливы с клиновидным креплением, гидротехнические перепады, самоочищающиеся от наносов, шахты с тангенциальным вводом в камеру гашения, гасители с закруткой воды, а также аэрацией 
и деаэрацией потока. 
Исходя из изложенного, следует считать, что вопросы усовершенствования конструкции водосбросов и гасителей представляют самостоятельную, 
актуальную, социально значимую проблему, связанную со снижением опасности чрезвычайных ситуаций.  
Научные исследования выполнены в соответствии с планом научноисследовательских работ Казахского национального аграрного университета 
и КазНИИЭ в рамках координационного плана по проблеме 0.41.0.55.08,  
задание 06.НЗ, тема 172.01.86-90 «Разработка новой водосбросной установки 
с использованием новых конструкций, методов расчета и внедрение их 
в производство», а также по хоздоговорным темам 176.04.85-86 «Гидравлические исследования водосбросных сооружений Бестюбинского гидроузла» 
и 175.04.88-88 «Обоснование разработки технического предложения 
по рабочему водовыпуску Бестюбинского водохранилища. Крупномасшт- 
ные исследования выходного оголовка, узла гашения и участка отводящего 
русла». 
Цель работы: повышение безопасности гидросооружений и устранение вероятности возникновения причин, вызывающих чрезвычайные ситуации, путем теоретических и экспериментальных исследовании и усовершенствования конструкции водосбросов открытого и шахтного типов, гасителей 
с завихрителем потока. 
Для достижения указанной цели сформулированы следующие задачи: 
î провести математическое моделирование процессов, влияющих на 
безопасность гидротехнических сооружений; 
î разработать современные конструкции водосбросов с повышенной 
пропускной способностью, снижающие риск возникновения чрезвычайных сооружений на гидротехнических сооружениях; 
î усовершенствовать схемы защиты гидротехнических сооружений  
от размыва нижнего бьефа для создания безопасных условий эксплуатации; 
î изучить влияние кавитационных процессов и волн возмущений на 
безопасную работу и эксплуатацию шахтных водосбросов; 
î разработать рекомендации по усовершенствованию конструкций независимых источников энергии для обеспечения безопасности жизнедеятельности и внедрения методики расчета инновационных решений для проектирования объектов, подверженных воздействию 
техногенных катастроф. 
ϰ 

  ʦʦʫʪʫʻʰʫ 
Научные результаты: 
î математическое моделирование процесса безопасного перетока воды
в системе гидросооружения и снижение возникновение чрезвычайных ситуаций за счет определения опасных зон и критических параметров сбросного потока;
î разработка и применение современных конструкций водосбросов гидротехнических сооружений открытого типа (п/патент № 13045 KZ),
обеспечивающих устойчивость покрытия откоса клиновидными плитами путем их жесткого крепления на полый каркас тела плотины;
î усовершенствование конструкции шахтного водосброса (п/патент
№ 13053 KZ) с целью диссипации (рассеивания) кинетической энергии сбросного потока и уменьшения негативного воздействия потока
воды на гидросооружение;
î изучение особенностей работы гидротехнических сооружений с защитными элементами, в которых используется вихревые потоки и
соударение закрученных струй (п/патент № 13048 KZ), позволяющие снизить в нижнем бьефе параметр удельного расхода потока
воды и значение максимальной скорости течения воды до безопасных величин (2,0-7,0 м/с);
î получение расчетных зависимостей для устранения кавитационной
опасности в зонах пониженного давления в шахте водосброса
и создания безнапорного режима в отводящем туннеле;
î разработка современных конструкций независимых источников
энергии при возникновении чрезвычайных ситуации, необходимых
для энергообеспечения в аварийных случаях; исследование методики расчета инновационных решений, позволяющей финансовым
структурам принять решение по их внедрению в проекты, которые
связаны с возможными причинами техногенных катастроф.
Научная новизна заключается в следующем: 
î впервые предложена методика моделирования процесса оптимального сброса воды в нижний бьеф гидросооружения, которая отличается
от существующих тем, что для обеспечения их безопасности определяются критические, технологические параметры, влияющие на возникновение ЧС и позволяющие установить наиболее опасные зоны;
î усовершенствована и изучена особенность конструкции открытого
водосброса, обеспечивающая устойчивость водосливного откоса.
Установлено, что безопасность работы сооружения достигается
за счет формирования вокруг полого каркаса тела плотины с установлением на нем защитных плит;
î научно обоснована система создания безопасности гидротехнических
сооружений путем использования шахтного водосброса, улучшающего
условия гашения энергии сбросного потока с применением искусственной шероховатости на поверхности камеры гашения;
ϱ 

ʶ̨̹̱̥̖̍̌̏ʺ͘ʥ͘
 ʽʥʫˁʿʫˋʫʻʰʫ ʥʫʯʽʿʤˁʻʽˁ˃ʰ ʧʰʪˀʽ˃ʫˈʻʰˋʫˁʶʰˈ ˁʽʽˀ˄ʮʫʻʰʱ  
                                                         
î впервые предложен способ гашения энергии, отличающийся от традиционных тем, что в подводящем водоводе установлены клиновидный рассекатель и узел закрутки потока, что приводит к снижению  
в нижнем бьефе удельного расхода воды в 15-20 раз и величины 
максимальной скорости до требуемых значений (2,0-7,0 м/с), исключая эрозию грунта русла реки и повышая безопасность сооружения в целом; 
î экспериментально и теоретически установлено, что возникновение 
опасных волн возмущения, оказывающих неравномерное распределение давления на стенки туннеля, создает опасные условия, приводящие к нарушению безнапорного режима в отводящем туннеле, 
а устойчивость достигается за счет установки элементов подвода 
и вентиляционного движения потока воздуха. Определено, что подвод воздуха в требуемые зоны пониженного давления (вакуума)  
до 0,7 МПа обеспечивает кавитационную безопасность шахтных  
водосбросов; 
î предложены современные конструкции независимых источников 
энергии для энергообеспечения в аварийных ситуациях. Разработана 
методика расчета инновационного характера, позволяющая достоверно определить инвестиционные затраты при внедрении интеллектуальной собственности на объектах, подпадающих под влияние 
чрезвычайных ситуаций. 
Патентная чистота предлагаемых конструкций водосбросов и гасителей подтверждена двумя изобретениями СССР, евразийским патентом и 20 
патентами Республики Казахстан. 
Практическая ценность. Разработанные рекомендации по обеспечению безопасности ГТС позволяют значительно увеличить срок службы гидроузлов, а также снижают риски возникновения аварий на водохозяйственном объекте при чрезвычайной ситуации. 
Новые конструкций водосбросов повышают надежность работы сооружений и расширяют область их применения. Предложенные методы гидравлического расчета способствуют определению безкавитационного режима, обеспечению стабильного режима потока на верхнем бьефе и устранению пульсационных нагрузок при гашении кинетической энергии потока  
в нижнем бьефе. 
Предлагаемые автором конструкции водосбросов и методы их расчетов могут быть включены в программы учебных курсов по безопасности 
ГТС и использованы при курсовом и дипломном проектировании объектов, 
подверженных влиянию чрезвычайных ситуаций.  
Реализация и внедрение. Новая конструкция шахтного водосброса 
внедрена в Бестюбинском гидроузле Алматинской области в 1987 г., усовершенствованная конструкция вихревого гасителя использована на нижнем 
бьефе плотины на р. Кара-Биен Алматинской области в 2004 г., конструкция 
ϲ 

  ʦʦʫʪʫʻʰʫ 
наносоуловителя внедрена на водоемах Акмолинской области (ТОО  
«ЗЕРЕН-30») в 2005 г., результаты исследований в виде переливной плотины  
и гидротехнического перепада установлены в системе водоснабжения  
г. Кокшетау (РГП «Северводстрой») в 2006 г., а также в гидроузлах Акмолинской области на р. Караменды (плотина из местных материалов,  
ТОО «А.П.-ИМПЭКС») в 2004 г. и на р. Камысакты (гидротехнический перепад, ТОО «ВИТЭКС-2002») в 2005 г. Результаты исследований внесены  
в уставный капитал казахстанских компаний в виде объектов интеллектуальной собственности (ТОО «ВИТЭКС-2002», ТОО «Жана-Туган-7»).  
Методы гидравлического расчета и рекомендации по проектированию 
водосбросов и гасителей нашли применение в проектах Казахского филиала 
Института «Гидропроект им. С. Я. Жука» (1990 г.), РГП «Талдыкурганирригация» (2000 г.) и РГП «Северводстрой» (2006 г.).  
Суммарный экономический эффект от внедрения разработок на ГТС 
вышеуказанных предприятий составил более 40 млн. тенге. 
Апробация работы. Основное содержание работы и полученные результаты докладывались и обсуждались на Международной конференции 
«Современные проблемы механики». Часть 1 «Механика жидкости и газа» 
(Алматы, 2001 г.), на Межвузовской научной конференции «Экология» 
(Алматы, 2006 г.), на Международном семинаре «Сели и наводнения: Стратегия безопасного строительства и сокращения риска стихийных бедствий»  
в рамках проекта UN/ISDR «Продвижение Стратегии Безопасного Строительства. Образовательная Сеть для Центральной Азии» (Алматы, 2006 г.),  
на Международной конференции «Проблемы современной механики», часть 1 
«Механика жидкости и газа» (Алматы, 2006 г.), на III-й Международной 
научно-практической конференции «Научный потенциал мира - 2006», том 8 
(Днепропетровск, 2006 г.), на Международной научно-практической конференции «Перспективы развития сельскохозяйственного и автотракторного 
машиностроения в Республике Казахстан» (Алматы, 2006 г.), на Международном симпозиуме «Проблемы высшей школы - сквозь призму новых идей» 
(Кокшетау, 2006 г.), на Международной научно-методической конференции 
«Инновационные технологии в образовании и науке» (Зыряновск, 2006). 
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 62 научных 
трудах, в том числе в 42 индивидуальных работах, из них три - в зарубежных изданиях. Выпущено 44 статьи в 12 изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК. 
Структура и объем книги. Книга состоит из введения, 5 разделов,  
заключения, списка использованных источников из 213 наименований  
и 25 приложений, относящихся к практической реализации и внедрению результатов работы. Работа изложена на 240 страницах, содержит 79 рисунков 
и 9 таблиц.
ϳ 

ʽʿˀʫʪʫʸʫʻʰ˔͕ ʽʥʽʯʻʤˋʫʻʰ˔ ʰ ˁʽʶˀʤˍʫʻʰ˔ 
В настоящей работе применяются следующие термины с соответствующими 
определениями, обозначениями и сокращениями: 
Авария - нарушение технологического процесса, повреждение механизмов, оборудования и сооружений. 
Аэрация - процесс насыщения воздухом потока воды. 
Быстротоки - облицованный лотковый или трубчатый канал постоян- 
ной или переменной ширины с вертикальными, откосными или замкнутыми  
на своде криволинейными стенками с уклоном дна больше критического. 
Бьеф - часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыкающего к гидротехническому сооружению. 
 Водосброс - сооружение для пропуска (сброса) в период паводков излишков воды из водохранилища или подпертого бьефа в нижний бьеф гидроузла. 
Водослив - устройство в гидротехническом сооружении, в котором сброс 
воды осуществляется через отверстие со свободной поверхностью потока. 
Водовыпуск - сооружение для осуществления полезных попусков воды 
из водохранилища в нижний бьеф или в расположенный в одном из берегов 
русла реки в нижнем бьефе канал (трубопровод) оросительной системы,  
системы водоснабжения. 
Водобой - гидротехническое сооружение в виде бетонной плиты, расположенное за водосливом или водосбросом, предназначенная для восприятия ударов струй и гашения энергии сбросного потока. 
Водобойный колодец - глубинная часть водобоя, предназначенная для 
затопления гидравлического прыжка. 
Гидравлический прыжок - явление резкого, скачкообразного повышения уровня воды в открытом русле при переходе потока из бурного состояния в спокойное. 
Гидротехническое сооружение (ГТС) - сооружение, предназначенное 
для использования природных водных ресурсов (рек, озер, морей, грунтовых 
вод) или для предотвращения (уменьшения) вредного воздействия воды на 
окружающую среду (борьба с наводнениями, размывами берегов, защита от 
селевых потоков и пр.). 
Гидроузел - группа гидротехнических сооружений, объединенных 
условиями совместной работы и местоположением. 
Катастрофа - разрушительное явление, повлекшее чрезвычайную ситуацию регионального или глобального масштаба. 
Чрезвычайная ситуация (ЧС) - обстановка на определенной территории, возникшая в результате аварии, бедствия или катастрофы, которые повлекли или могут повлечь гибель людей, ущерб их здоровью, окружающей 
среде и объектам хозяйствования, значительные материальные потери  
и нарушение условий жизнедеятельности населения. 
ϴ 

   ʽʿˀʫʪʫʸʫʻʰ˔͕ ʽʥʽʯʻʤˋʫʻʰ˔  ʰ ˁʽʶˀʤˍʫʻʰ˔ 
Техногенные аварии - чрезвычайные ситуации, вызванные промышленными, транспортными и другими авариями, пожарами, авариями с выбросами 
ядовитых, радиоактивных и биологически опасных веществ, внезапным обрушением зданий и сооружений, прорывами плотин, авариями на энергетических 
и коммуникационных системах жизнеобеспечения, очистных сооружений. 
Фильтрация - движение жидкости в пористой или трещиноватой 
(скальной) среде. 
Плотина - гидротехническое сооружение, перегораживающее водоток 
или водоем для подъема уровня воды. 
Кавитация - местное понижение давления в потоке жидкости при обтекании твердого тела, приводящее разрыву фронта потока. 
Моделирование - исследование физических процессов на моделях, 
происходящее обычно в лабораторных условиях, по результатам опытов которого можно получить достаточно полное представление о явлениях, происходящих в действующих объектов, или получить необходимые данные для 
расчетов и проектирования новых, еще не изученных сооружений. 
Гасители энергии - гидротехнические сооружения, предназначенные 
для создания условий с обеспечением безопасного и надежного в эксплутационном отношении отвода сбрасываемого потока в русло реки. 
Ядро плотины - противофильтрационное устройство из малопроницаемого грунта внутри грунтовой или каменно-земляной плотины. 
Q - расход, м3/с; 
Qa - расход воздуха, м3/с; 
Qw - расход воды, м3/с; 
q - удельный расход, м2/с; 
C - концентрация воздуха в потоке воды; 
d - диаметр, м; 
H - напор воды, м; 
F - площадь, м2; 
g - ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2; 
h - толщина, глубина, высота, м; 
L, l - длина, линейный размер, м; 
P - давление, кПа; 
r - расстояние, радиус, м; 
T, t - координата времени, ч, с; 
u, v, w - компоненты вектора скорости, м/с; 
į - толщина, м; 
ij - коэффициент скорости; 
ȡ - плотность, кг/м3; 
Fr - число Фруда; 
Ȝ - параметр кинетичности; 
Re - число Рейнольдса; 
—а - коэффициент расхода воздуховода. 
ϵ 

ʧʸʤʦʤ ϭ͘  
ˁʽʦˀʫʺʫʻʻʽʫ ˁʽˁ˃ʽ˔ʻʰʫ ʦʽʿˀʽˁʤ  
ʦʽʯʻʰʶʻʽʦʫʻʰ˔ ˋˀʫʯʦˏˋʤʱʻˏˈ ˁʰ˃˄ʤˉʰʱ  
ʻʤ ʧʰʪˀʽ˃ʫˈʻʰˋʫˁʶʰˈ ˁʽʽˀ˄ʮʫʻʰ˔ˈ 
Одной из наиболее важных и ответственных задач развития сектора 
экономики Казахстана является удовлетворение все возрастающих потребностей промышленности и сельского хозяйства в электроэнергии, в соответствии с долгосрочной программой развития энергетики нашей страны. В решении этой задачи немалую роль играет не только интенсивное строительство новых крупных гидроузлов, но и обеспечение безопасной работы эксплуатируемых гидротехнических сооружений (ГТС). 
Обеспечение безаварийной работы гидроузлов связано с тем, что около 
15 всех ГТС в мире вызывают сомнения их надежности, а мелкие и средние 
аварии происходят ежегодно на 5 гидрообъектов. Некоторые из них имеют 
катастрофический характер (как это произошло недавно в США или Индии)  
и вызывают многомиллионные убытки и большое количество человеческих 
жертв [1]. В нашей республике катастрофических аварий не наблюдалось,  
но менее значительные повреждения ГТС имели место. 
В современном гидротехническом строительстве в последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к возведению плотин большой высоты и длины, создающих водохранилища, объем воды в которых достигает 
сотен миллиардов кубических метров. С увеличением размеров плотин возрастают и нагрузки, действующие на ГТС, берега и дно водохранилища, а 
следовательно, растет и вероятность их значительных повреждений, которые 
могут привести к катастрофическим последствиям.  
На земном шаре имеется более 60 тысяч водохранилищ, их объем  
(6,6 тыс. км3) в три раза превышает объем пресной воды всех рек. Ежегодно 
во всем мире вводится в эксплуатацию несколько сотен искусственных водоемов. Водохранилища предназначены для ирригации, выработки электроэнергии, регулирования паводков и половодий, а также водоснабжения, судоходства и т. д.  
 Регулирование речного стока водохранилищами является основным 
способом преобразования водоемов, позволяющим рационально использовать естественный сток, увеличить доступные водные ресурсы, приспособить их к потребностям забора воды на хозяйственные нужды. По данным 
отчета Международной Комиссии по плотинам за 2000 год, свыше 45 тыс. 
ГТС образовали крупные водохранилища и внесли значительный вклад  
в развитие более чем 140 стран. Половина таких ГТС была построена исключительно для ирригации (30-40 из 271 млн. орошаемых земель в мире 
ϭϬ