Саяно-Шушенская ГЭС: безопасность декларируется, но не гарантируется

I. Теоретические основы регулирования стока воды

Гидрологическая безопасность гидроузла – это 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.

На равнинных реках с ограниченными возможностями по созданию водохранилищ большого объема, но допускающих большие сбросные расходы воды в нижние бьефы гидроузлов, основным резервом гидрологической безопасности является повышенный расход воды через водосбросные сооружения, турбины и нижний бьеф, а дополнительным – включение в работу всех турбин одновременно.

На горных реках, как правило, недопустимы большие сбросные расходы воды в нижние бьефы гидроузлов, но практически всегда существует возможность создания водохранилища (водохранилищ) большой емкости, достаточной для трансформации (снижения) максимального расчетного расхода притока воды в половодье и дождевые паводки до сбросного расхода, допустимого по условиям нижнего бьефа.

На горных реках основным резервом гидрологической безопасности при пропуске половодья является заблаговременное начало холостого сброса воды до заполнения полезного объема водохранилища, а дополнительным – кратковременное включение (начиная с использования основного резерва) в работу всех турбин одновременно с расходом воды в пределах допустимого сбросного расхода воды в нижний бьеф. Резервный объем водохранилища служит для пропуска дождевых паводков.

Расчеты гидрологической безопасности основываются на гидрологические данные притока воды редкой повторяемости. На практике такие события могут не случиться в течение жизни нескольких поколений людей, поэтому расчетам гидрологической безопасности не придается должного значения.

Ниже будет показано, какое влияние оказывают расчеты гидрологической безопасности на пропуск половодий и дождевых паводков в годы, рядовые по притокам воды, с которыми, как правило, связана текущая эксплуатация гидроузлов.

Водосбросы строятся для обеспечения гарантии гидрологической безопасности и рассчитываются с запасом пропускной способности. При пропуске половодий на горных реках они должны работать крайне редко, как правило, в годы редкой повторяемости притока воды, а при пропуске дождевых паводков только при заполненном полезном объеме водохранилища, если отсутствует достаточный резервный объем водохранилища, а приток выше расхода воды через турбины.

На практике холостые сбросы воды на горных реках при пропуске половодий и дождевых паводков повсеместно выполняются даже в маловодные годы, а в годы средней водности достигают размеров, которые могли быть только в годы редкой повторяемости притока воды. Причины можно выявить только путем анализа применяемой схемы регулирования.

Для анализа нынешнего состояния гидроузлов на Енисее в качестве расчетной схемы (расчетной математической модели, схемы замещения, расчетного гидрографа) будет использована идея Дмитрия Илларионовича Кочерина – основоположника российской гидрологии, который в двадцатые годы прошлого столетия предложил приравнять версию расчетного гидрографа половодья к площади треугольника (рисунок 1). Эта расчетная схема проста, наглядна и позволяет выполнять анализ гораздо лучше сложных математических вычислений и построений графиков.

Рисунок 1. Расчетная схема пропуска половодья Д.И.Кочерина, [1], стр.97

где T – расчетная величина периода половодья, измеряемая длиной отрезка 0 – 5; Q_макс – максимальный расход притока воды; W – объем половодья, измеряемый площадью треугольника 012345; Q_и – расход, используемый для энергетики; W_и – используемый объем воды (трапеция 0145), Q_тр – максимальная величина расхода, на которую трансформируется (снижается) максимальный расход притока воды; T_тр –расчетный период заполнения объема водохранилища; V_тр,– объем водохранилища, измеряемый площадью треугольника 123; V_x – расчетный объем холостых сбросов воды, измеряемый площадью треугольника 134; T_x – расчетный период холостых сбросов воды, измеряемый длиной отрезка 1 – 4.

Для данной схемы справедливы следующие уравнения:

Q_НБ = Q_сбр = Q_и + Q_х. (1)

(2) (3)

W = W_и + V_тр + V_x (4)

Q_макс = Q_и + Q_тр + Q_х (5)

(6)

(7)

(8)

  (9)

(10)

(11)

Уравнение (7) применяется при равенстве объемов V_x и V_тр , а уравнение (11) – при неравенстве V_x и V_тр .

Пример частичного использования резерва безопасности в случае катастрофического притока воды или аварии показан в виде заштрихованных треугольников, равных по площади. С левой стороны рисунка показаны новые параметры в начале заблаговременного сброса воды. Расход воды через турбины Q_и может быть увеличен за счет дополнительного резерва безопасности, то есть за счет включения в работу всех турбин до величины Q_сбр.

Уравнения (4) – (11) для определения водного баланса и времени, предложенные автором статьи, показаны для сведения, хотя играют решающую роль в обеспечении гарантии гидрологической безопасности.

По этой расчетной схеме расчет гидрологической безопасности следует считать правильным, если порожний полезный объем водохранилища достаточен для того, чтобы при гарантированном среднем расходе воды через турбины в течение всего периода половодья, водосброс и нижний бьеф не перегружались. Именно так рассчитывается максимальная пропускная способность водосброса и нижнего бьефа.

По этой схеме при пропуске половодья сначала должен заполняться полезный объем водохранилища и только затем сбрасываться излишек объема притока воды. Сброс должен начинаться с максимума, на который рассчитан водосброс и нижний бьеф, а затем быстро снижаться до нуля.

Только в этом случае время заполнения полезного объема водохранилища и объем холостого сброса воды всегда будут соответствовать фактической обеспеченности притока воды (таблица 1 для Саяно-Шушенского створа), а резервный объем водохранилища сохранится для пропуска дождевого паводка.

При таком расчете полностью сохраняется резерв гидрологической безопасности на непредвиденные случаи, заключающийся в заблаговременном начале холостого сброса воды, и дополнительный резерв безопасности, связанный с кратковременным включением в работу всех турбин. В маловодные и средней водности половодья, которые чаще всего и наблюдаются на практике, отпадает необходимость сбрасывать воду мимо турбин.

При использовании этой схемы регулирования нет необходимости знать прогноз притока воды в половодье, поскольку гидрологическая безопасность гарантируется даже при пропуске катастрофического притока воды за счет использования резерва безопасности гидроузла. Безаварийный пропуск половодья при наличии резервной емкости водохранилища является гарантией безаварийного пропуска дождевых паводков, прогнозы которых имеют низкую достоверность.

В случае катастрофического притока воды в половодье (притока выше учтенного в расчете) вполне достаточно заблаговременно, ориентируясь на минимальное время заполнения полезного объема водохранилища, начать холостой сброс воды, то есть воспользоваться резервом гидрологической безопасности гидроузла.

В ходе использования основного резерва дополнительным резервом может служить кратковременное включение в работу всех турбин, поскольку в расчет был включен только гарантированный средний расход воды через турбины. В этих целях схема выдачи мощности ГЭС не должна зависеть от возможностей энергоемких производств, то есть схема обязана позволять выдачу всей установленной мощности ГЭС в энергосистему.

В случае аварии на плотине, водосбросе, ГЭС, в нижнем бьефе или энергосистеме, всегда можно временно воспользоваться резервом безопасности, то есть заблаговременно начать холостой сброс воды.

Резерв, использованный при пропуске катастрофического притока воды, автоматически восстанавливается после пропуска половодья, а временно использованную часть резерва безопасности обязаны оперативно восстановить.

Если расчетный параметр безопасности, сниженный в результате аварии, не удается восстановить, то его снижение может быть компенсировано только путем создания в верховье емкости (водохранилища) соответствующего объема с ГЭС или без нее.

Гидрологические сведения для створа Саяно-Шушенского гидроузла представлены в таблице 1:

Таблица 1

Обеспеченность	5%	1%	0,1%	0,01%	0,01% + ?
Половодье, апрель-июнь, м3/с	10600	13300	17700	22600	25000
Дождевой паводок, июнь-сентябрь, м3/с	6600	8400	11300	14600	16300

Справедливость гидрологических расчетов до обеспеченности 1% была многократно подтверждена на практике самой природой. Величины расходов притока воды более редкой повторяемости никем не оспаривались и со временем незначительно уточнялись в большую сторону.

Объем и расход притока воды в половодье зависит от наложения многочисленных факторов. Если сразу после дождливой осени пришли сильные морозы, затем наступила многоснежная зима, а после дружная дождливая весна, то в короткий промежуток времени, как правило, за полтора месяца может прийти в водохранилище тот самый расчетный объем воды в половодье. К этому объему в результате землетрясения может добавиться повышенный выход подземных вод, а также поверхностных вод из многочисленных озер. Главную опасность представляет наложение в минимальном периоде времени многочисленных факторов, влияющих на формирование притока воды.

Из таблицы 1 видно, что на Енисее в первую очередь по многим причинам должна быть решена проблема пропуска половодья. Плотина нуждается в регулировании скорости заполнения полезного объема, в дальнейшем снижении нормального подпорного уровня (НПУ) и форсированного подпорного уровня (ФПУ). При пропуске половодья требуется оставлять запас порожней емкости водохранилища для пропуска дождевого паводка. Запрещено заполнять объем в верхней части водохранилища, который прежде считался резервным.

Пропуск дождевых паводков является второй по важности проблемой, решение которой полностью зависит от созданного запаса порожней емкости водохранилища при пропуске половодья, поскольку нижний бьеф не рассчитан на пропуск 16300 м³/с.

II. Регулирование стока воды на практике

1.Пропуск половодья

По первоначальному расчету гидрологической безопасности Саяно-Шушенского гидроузла расчетное весеннее половодье обеспеченностью 0,01% + ? безаварийно пропускалось только при выполнении следующих обязательных условий:

• – ежегодном опорожнении объема водохранилища до уровня 500 м к началу половодья;
• – одновременной работе всех гидроагрегатов с полной нагрузкой и средним расходом воды 3400 м³/с;
• – заблаговременном начале холостого сброса воды с уровня заполнения водохранилища 535 м с максимальным расходом воды 12500 м³/с через все 11 отверстий водосброса;
• – заполнении водохранилища до форсированного подпорного уровня (ФПУ) 544,5 м и ростом расхода воды через водосброс до 13640 м³/с;
• – максимальном сбросе воды в нижний бьеф 3400 + 13640 = 17040 м³/с.

Очевидно, что расчет Ленгидропроекта исходил из идеальных условий и не содержал в себе никакого запаса на случай непредвиденных обстоятельств. Максимальный сбросной расход воды явно недопустим по условиям нижнего бьефа. В расчет включена одновременная работа всех турбин с максимальной нагрузкой, хотя схема выдачи мощности СШГЭС выполнена на 2/3 мощности, а 1/3 мощности Саяно-Шушенской ГЭС до сих пор остается запертой.

Заведомо использован резервный объем водохранилища, который предназначается только для кратковременного заполнения при пропуске дождевого паводка редкой повторяемости.

Частично использована часть основного резерва гидрологической безопасности гидроузла (применен способ заблаговременного начала холостого сброса воды), что разрешается делать только при катастрофическом притоке воды (притоке выше принятого в расчете), либо в случае аварии на плотине, водосбросе, ГЭС, в энергосистеме, причем в этих случаях сугубо временно с обязательным восстановлением после устранения аварии. Ниже будет показано, что весь резерв был использован на постоянной основе.

Без всякого преувеличения можно утверждать, что гидрологическая безопасность Саяно-Шушенского гидроузла по этому расчету не обеспечивалась. Мало того, что расчет выполнен на пропуск притока вероятного 1 раз за 10000 лет, так чтобы начать холостой сброс воды не раньше и не позже, а именно при уровне 535 м, должны еще как-то определить, что к створу пришел именно этот приток воды. А такого способа (об этом будет сказано ниже) еще не придумали.

Такой расчет можно выполнить сидя в кабинете по графику притока, лежащему на столе перед глазами. Здравый смысл подсказывал, что необходимо отказаться от регулирования сброса и вплотную заняться регулированием притока воды в водохранилище, то есть продолжением гидротехнического строительства в верховье в Туве. Но приоритет был отдан сначала строительству Майнского гидроузла, а позже – дополнительному береговому водосбросу.

Все дальнейшие перерасчеты гидрологической безопасности выполнялись исключительно за счет последовательного увеличения объема холостого сброса воды, то есть за счет использования в расчетах резерва безопасности на постоянной основе.

Сначала из-за недостаточной надежности водобойного колодца была снижена пропускная способность водосброса с 13090 до 9480 м³/с при нормальном подпорном уровне (НПУ) 540 м, а при форсированном подпорном уровне (ФПУ) 544 м с 13640 до 9900 м³/с.

Затем выяснилось, что нет достаточного количества потребителей электроэнергии Саяно-Шушенской ГЭС, а потому незачем в полном объеме строить линии электропередачи. Схема выдачи мощности была урезана до выдачи 2/3 установленной мощности ГЭС. А гарантированный средний расход воды через турбины был снижен с 3400 до 2100 м³/с.

В 2000 году в Акт приемки гидроэнергокомплекса в эксплуатацию записали:

“Водобойный колодец, восстановленный после разрушений крепления его дна в 1985 и 1988 годах, не обладает необходимой надежностью при пропуске расходов более 5000 м³/с”.

В 2003 году Ленгидропроект и ВНИИГ выполнили дополнительные расчеты и без каких-либо испытаний дали гарантию на пропуск 7500 м³/с. Фактически в 2006 году водосброс кратковременно пропускал только 5600 м³/с.

С 1997 года по состоянию плотины СШГЭС были снижены допустимые уровни заполнения объема водохранилища. Резервный объем водохранилища запретили заполнять. Последний перерасчет гидрологической безопасности был выполнен в 2003 году для сниженного НПУ 539 м (полезный объем 14,71 км³), для сниженного ФПУ 540 м (резервный объем 0,62 км³). Максимальный сброс воды в нижний бьеф увеличили до 13300 м³/с: 1800 – турбины, 7500 – эксплуатируемый водосброс, 4000 – дополнительный береговой водосброс.

По этому перерасчету холостой сброс воды предписано начинать только при уровне 520 м с максимальным расходом через действующий водосброс 10500 м³/с и этот расход воды должен увеличиваться с ростом напора при достижении уровня 527 м до 11400 м³/с, когда в работу включится береговой водосброс.

Пропускную способность действующего водосброса ограничивает до 5000 м³/с водобойный колодец. Нагрузка 7500 м³/с принята в расчете без испытаний. Для гарантии безопасности следовало запроектировать дополнительный береговой водосброс так, чтобы уже при уровне 520 м он мог брать на себя дополнительную нагрузку 10500 – 5000 = 5500 м³/с и увеличивать сброс воды с ростом уровня.

Компоновка водосброса СШГЭС оказалась не согласованной с применяемой схемой регулирования. Расположение порогов берегового водосброса на уровне 524 м следует считать грубой ошибкой проектной организации.

Береговой водосброс СШГЭС начинает работать только при достижении уровня 527 м с расходом воды около 400 м³/с, далее расход медленно растет до 3500 м³/с при уровне 537 м. Расход воды через турбины 1800м³/с включать в расчет нельзя, поскольку при остановке всех турбин компенсировать снижение расхода воды не представляется возможным из-за отсутствия резерва безопасности. Сброс воды в нижний бьеф СШГЭС в размере 13300 м³/с недопустим. Следовательно, требовалось назначить более раннее начало холостого сброса воды.

В первоначальном расчете и в последующих перерасчетах не указывалась опасная величина объема притока воды за полтора месяца расчетного половодья.

В.И.Брызгалов приводит график наполнения Саяно-Шушенского водохранилища ([2], стр.150), выполненный по версии гидрографа расчетного половодья обеспеченностью 0,01% + ?, по которому в течение примерно 46 суток приток воды составляет 45,65 км³, из них аккумулируется в объеме водохранилища 15,3 км³, на выработку электроэнергии при среднем расходе воды через турбины 2100 м³/с расходуется 8,35 км³ и сбрасывается мимо турбин 22 км³ со средним расходом воды через действующий водосброс 5540 м³/с. Мои расчеты, выполненные по методике Д.И.Кочерина, дали практически те же результаты.

Исключительно важной особенностью нынешнего регулирования после аварии 17.08.2009 является недопустимость заполнения водохранилища выше уровня 531,0 м при пропуске половодья, поскольку вынуждены сохранять запас порожней емкости водохранилища между уровнями 531,0 м и 537,5 м в объеме 3,515 км³, по крайней мере, в течение двух декад июля на случай пропуска неожиданного дождевого паводка редкой повторяемости. Заполнение Саяно-Шушенского водохранилища выше уровня 537,5 м запрещено по состоянию плотины СШГЭС действующей Декларацией безопасности гидроузла.

То есть в нынешних условиях при пропуске расчетного половодья аккумулировать в объеме водохранилища можно только 10,3 км³, на выработку электроэнергии при среднем расходе воды через турбины 1400 м³/с израсходуется 5,57 км³, а сбрасывать мимо турбин вынуждены около 29 км³ с максимальным расходом воды через действующий водосброс 15000 м³/с, то есть со средним расходом в течение половодья 7500 м³/с.

Рисунок 2. Расчетная схема пропуска половодья после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС 17.08.2009

Согласно расчетной схеме следует начинать сброс воды при пропуске половодья с максимума 15000 м³/с и заканчивать нулем. Иначе нельзя гарантировать безопасный пропуск дождевых паводков. Но водосброс при УМО 500 м физически (по напору воды) способен пропустить не больше 7500 м³/с. Следовательно, начинать сброс воды необходимо раньше, продолжать его, по меньшей мере, до притока воды 7500 м³/с и только тогда начинать заполнение объема водохранилища.

То есть необходимо в первую очередь до начала заполнения объема водохранилища сбросить объем притока воды, равный дефициту емкости водохранилища. При этом треугольник 123(4,5), представляющий порожнюю емкость водохранилища, должен опуститься, то есть точка 1 должна опуститься до высоты Q_х¹=7500 м³/с, чтобы водосброс мог справиться с притоком воды без перегрузки, а объем водохранилища заполнился не выше допустимого уровня 531 м.

Но такая схема регулирования на практике не может быть осуществлена, потому что не существует способа определения начала такого холостого сброса воды, никакими инструкциями такое регулирование не предусматривается. Более того, на сегодняшний день нет способа определения прихода притока воды обеспеченностью 0,1 – 0,01%.

Межведомственная рабочая группа по регулированию признает невозможность определения прихода притока воды обеспеченностью 0,1 – 0,01%. На практике регулирование вынуждены выполнять с большим риском по графику года средней водности.

Дополнительным ориентиром при пропуске половодий сейчас служит величина расхода притока воды у Кызыла после слияния Большого Енисея и Малого Енисея, определяемая по максимальным уровням.

Но авторы методики определения максимальных уровней справедливо признают, что в годы с повышенным летним дождевым стоком вообще трудно выявить максимальный уровень весеннего половодья.

Это означает, что максимальный уровень воды у Кызыла не может служить ориентиром для определения максимального объема и расхода притока воды в половодье обеспеченностью 1,0 – 0,01% + ?.

Известно, что вероятность любого события заключается между 0 и 1: невозможному событию соответствует вероятность 0, а достоверному – вероятность 1. В нашем случае гидроузел рассчитывается на вероятность формирования притока 0,01, вероятность появления такого притока воды в створе гидроузла также 0,01. Вероятность точного определения момента начала холостого сброса при таком притоке воды и именно при уровнях 500, 520, 523 и 535 м, как это предлагает Ленгидропроект, равна произведению этих вероятностей, то есть равна 0,0001.

Задержка начала холостого сброса воды неминуемо ведет к еще большей перегрузке всех сооружений гидроузла и его нижнего бьефа. Физическое присутствие порожнего объема 4,5 км³ в верхней части водохранилища выше уровня 537,5 м, который простым росчерком пера запрещено заполнять во избежание перегрузки плотины, при регулировании не оставляет надежд на предсказуемые результаты.

Но ведь пока речь шла о пропуске расчетного половодья, а как быть, если приток окажется выше расчетного, то есть катастрофическим? На этот вопрос при существующей схеме регулирования и отсутствии резерва безопасности не может быть ответа.

Проектную организацию не остановили даже аварии на плотине, водосбросе и ГЭС. Она продолжает утверждать, что после восстановления Саяно-Шушенской ГЭС путем заблаговременного холостого сброса воды с самого начала даже катастрофического половодья (выше расчетного) вполне можно справиться с пропуском притока воды двумя водосбросами. Утверждает, но не знает, как можно заблаговременно определить приход притока 0,1 – 0,01% обеспеченности, не говоря уж о катастрофическом притоке воды.

Рисунок 3. Расчетная схема пропуска половодья после восстановления СШГЭС

Полезный объем водохранилища V_тр, первоначально предназначавшийся для аккумуляции притока воды при пропуске расчетного половодья, уменьшился с 15,3 км³ до 10,3 км³ и нельзя исключать его дальнейшего уменьшения.

При ныне используемой схеме регулирования нельзя включать в расчет гидрологической безопасности расход воды через турбины, так как отсутствует резерв для компенсации в случае длительной остановки турбин СШГЭС. По этой причине объем v_x^э вынуждены включать в расчет холостого сброса воды через ныне эксплуатируемый водосброс с расходом Q_х^э .

Объем притока, равный площади треугольника 134 частично может быть сброшен через эксплуатируемый водосброс расходом не выше 7500 м³/с, частично через береговой водосброс расходом, медленно возрастающим до 4000 м³/с. Большую остающуюся часть объема притока воды v_x^д нужно задерживать в емкостях в верховье. Иначе гарантировать пропуск дождевых паводков нельзя.

2.Пропуск дождевых паводков

Всегда считали главной проблемой пропуск неожиданного дождевого паводка, но не половодья. Тогда как именно при пропуске половодья выполняется регулирование скорости наполнения водохранилища и создается запас порожней емкости для пропуска дождевого паводка.

О чрезвычайном положении Саяно-Шушенского гидроузла можно было судить по итогам пропуска половодья и дождевого паводка в 2006 году. При обеспеченности притока воды 54% в мае (вероятность события 1 раз за 1,85 лет), 8% в июне (1 раз за 12,5 лет), около 1% в июле (несколько раз за 100 лет) холостые сбросы воды достигли 15 км³.

По инструкции при заполнении полезного объема водохранилища до уровня 520 м скорость наполнения не ограничивалась, до уровня 530 м не должна была превышать 1,5 м в сутки, далее до уровня 539 м не должна быть выше 0,7 м в сутки. Строго следуя инструкции, водохранилище заполнили до угрожающе высокого уровня, а затем вынуждены были практически транзитом пропускать в нижний бьеф весь приток воды в дождевой паводок: сброс достигал 2100 + 5600 = 7700 м³/с (27.07.2006 при уровне 537,64 м), а приток воды – 7900 м³/с.

Эти условия были определены путем кабинетных расчетов по версиям гидрографов. Выдержать на практике вышеуказанные условия при отсутствии будущего фактического гидрографа невозможно, что многократно подтверждалось в 1984-1996 годах и особенно наглядно подтверждено в 2006 году.

Следует особо подчеркнуть, что 2006 год с позиции расчета гидрологической безопасности относится к году средней водности. Подобное регулирование в многоводный год обеспеченностью 1,0 – 0,01%+? (таблица 1) чревато непредсказуемыми последствиями.

Необходимо отметить, что подобная схема регулирования внедрена Ленгидропроектом на Зее, Бурее, Оби и планируется на других подобных реках. Там также приоритет отдается гидроузлам – конррегуляторам.

III. Предложения по исправлению ошибок

Если рассматривать первоначальный расчет и последующие перерасчеты гидрологической безопасности Саяно-Шушенского гидроузла, выполненные за счет последовательного увеличения объемов холостого сброса воды, с позиций теории регулирования, то можно сделать однозначный вывод: в итоге были одновременно снижены все основные расчетные параметры гидрологической безопасности и полностью израсходован резерв безопасности гидроузла.

Например, чтобы уменьшить нагрузку на плотину и повлиять на перемещения ее гребня, теперь уже недостаточно одной сработки водохранилища до УМО 500 м к началу половодья. Необходимо задерживать начало заполнения водохранилища, то есть заблаговременно сбрасывать излишний объем притока воды, с пропуском которого не может без перегрузки справиться гидроузел. На практике такой режим регулирования не может быть осуществлен по причинам, указанным выше.

В Декларации безопасности для Саяно-Шушенского гидроузла (действует до 1 октября 2011 года) указаны два критерия безопасности: К1 – отклонение гребня плотины 149,7 мм и К2 – отклонение 180 мм. Первый — предупреждающий, при его достижении устойчивость, прочность, пропускная способность гидроузла соответствуют условиям нормальной эксплуатации. Второй критерий — предельный. Это уровень отклонения гребня плотины, при превышении которого эксплуатация гидроузла в проектных режимах недопустима.

Приходиться констатировать как факт, что пропускная способность Саяно-Шушенского и Майнского гидроузлов и их нижних бьефов никогда не соответствовала условиям нормальной эксплуатации, а проектные режимы постоянно изменялись в худшую сторону без соответствующей компенсации снижения. Следовательно, можно без всяких преувеличений утверждать, что Декларация безопасности носит формальный характер и не может гарантировать безопасность.

В условиях неизвестности будущего гидрографа обеспечение гарантии гидрологической безопасности возможно только при ежегодном регулировании по графику года с максимальным расчетным притоком воды в водохранилище, но никак не по графику года средней водности.

Но для этого необходимо срочно строить хотя бы регулирующие емкости в верховье в горах в Туве (водохранилища с полным ежегодным опорожнением), задерживать там известный излишек объема притока воды (15 км³ при нынешней схеме выдачи мощности ГЭС или 7,5 км³, если будут созданы условия для выдачи всей установленной мощности ГЭС в энергосистему), что позволит:

• – перейти к схеме регулирования со своевременным началом холостого сброса воды после заполнения объема водохранилища;
• – полностью восстановить ранее использованный резерв гидрологической безопасности;
• – обеспечить эффективное регулирование скорости наполнения водохранилища;
• – снизить максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф до допустимой величины 11400 м³/с (2400 турбины, 4000 – береговой водосброс, 5000 – эксплуатируемый водосброс);
• – использовать береговой водосброс при пропуске половодий;
• – включать в расчет гидрологической безопасности максимально возможную гарантированную величину расхода воды через турбины;
• – получить дополнительный резерв гидрологической безопасности за счет кратковременной одновременной работы всех турбин, если будут созданы условия для выдачи всей установленной мощности ГЭС в энергосистему и ЕЭС;
• – увеличить выработку электроэнергии на всех енисейских ГЭС, в том числе в зимний период времени;
• – гарантировать гидрологическую безопасность на Енисее, включая Туву.

О проектировании регулирующих емкостей

На создание полноценных водохранилищ с ГЭС необходимо не менее 7-10 лет. Именно поэтому последние десять лет я предлагаю пока построить регулирующие емкости, то есть водохранилища с их полным ежегодным наполнением и опорожнением без ГЭС и схем выдачи мощности ГЭС, но с плотинами, оборудованными донными и поверхностными водосбросами. Турбинные водоводы будущих ГЭС могут быть выполнены и временно использованы для сброса воды.

Указанные выше объемы регулирующих емкостей были определены при условии сохранения нынешних уровней заполнения Саяно-Шушенского водохранилища, то есть при НПУ 539 м и ФПУ 540 м. Учитывая необходимость дальнейшего снижения этих уровней, объем регулирующих емкостей следует увеличивать.

2/3 от необходимого объема вполне можно построить на Большом Енисее в створе будущего Сейбинского гидроузла, 1/3 – в створе Буренского гидроузла на Малом Енисее.

По Сейбинскому створу были выполнены предварительные расчеты ([4], стр. 264). Предлагалось выполнить каменно-набросную плотину длиной по гребню 400 м, высотой до 55 м, объемом насыпи грунтов около 5,7 млн. м³, объемом бетона и железобетона 215 тыс. м³ (вариант с ГЭС), которая позволяла создать водохранилище полным объемом 12,6 км³ при заполнении до НПУ 850 м. Для сравнения эти объемы меньше, чем при строительстве берегового водосброса.

Для того, чтобы эта емкость стала водохранилищем – регулятором, необходимо предусмотреть донный водосброс с сегментными затворами, с сороудерживающими решетками и механизмом для подъема сора. Сегментные затворы должны позволять работу с частичным открытием. Часть отверстий донного водосброса должна быть постоянно открыта и рассчитана на пропуск гарантированного минимального расхода. Оставшиеся отверстия донного водосброса должны служить для регулирования сброса воды по графику заполнения емкости, согласованному с графиком наполнения Саяно-Шушенского водохранилища.

Донный водосброс должен быть оборудован ремонтными затворами со стороны верхнего и нижнего бьефов. Нерегулируемый поверхностный водосброс должен быть рассчитан на пропуск притока воды после заполнения емкости, то есть на пропуск трансформированного в объеме регулирующей емкости расхода притока воды обеспеченностью 0,01% + ?. В маловодные половодья регулирующие емкости не должны заполняться.

Аналогично должна быть обустроена регулирующая емкость в Буренском створе на Малом Енисее. Обеспечение электроэнергией в строительный период и в период постоянной эксплуатации емкостей возможно путем строительства ГЭС малой мощности на притоках.

Только так можно перейти к схеме регулирования, которая за счет использования резерва безопасности гарантирует гидрологическую безопасность на Енисее даже при катастрофическом притоке воды в Саяно-Шушенское водохранилище. Такая схема не нуждается в знании будущего гидрографа притока воды и в этом ее главное достоинство и преимущество перед ныне используемой схемой регулирования.

Регулирующие емкости предлагается создать исключительно с целью сокращения объемов строительно-монтажных работ. Безусловно, лучше построить ГЭС, но тогда для регулирования останется только полезный объем водохранилища, равный 7,5 км³ для Сейбинской ГЭС. Тогда потребуется строить больше плотин, водохранилищ и ГЭС. А времени нет.

Безусловно, потребуется заинтересовывать Туву тем, что будет построен проезд по плотине, снизится опасность наводнений. Кроме того, повышенную часть выработки электроэнергии на енисейских ГЭС (а такая, безусловно, будет) можно передавать республике Тыва по льготным ценам.

Рисунок 4. Расчетная схема пропуска половодья после создания регулирующих емкостей и восстановления Саяно-Шушенской ГЭС

где Q_макс –максимальный расход притока воды в половодье; W = W_u + V_х^б + V_х^э + V_тр + V_тр^р = объем притока воды в половодье; W_u и Q_u –объем и расход воды через турбины; V_х^б и Q_х^б –объем и расход воды через береговой водосброс; V_х^э и Q_х^э – объем и расход воды через эксплуатационный водосброс; V_тр и V_тр^р –объемы аккумуляции воды в водохранилище и регулирующей емкости; Q_тр и Q_тр^р – снижение расхода притока за счет аккумуляции воды в водохранилище и регулирующей емкости; Q_сбр= Q_нб – максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф, равный 11400 м³/с ( 2400 – турбины, 4000 – береговой водосброс, 5000 – эксплуатационный водосброс).

Тогда при пропуске притока воды в половодье вероятностью 1 раз за 10000 лет баланс объема в км³ и расхода в м³/с для Саяно-Шушенского гидроузла будет иметь следующие параметры (расчеты выполнены, исходя из продолжительности половодья около 43 суток) :

W = Wи + Vтр + Vx 46,3 = 7,42 + 22,87 + 16,03

Qмакс = Qи + Qтр + Qх 25000 = 2100 + 13600 + 9300

При наличии двух водохранилищ общим объемом 7,57 км³ в верховье на притоках в Туве максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф не будет выше 11400 м³/с (4000 – береговой водосброс с поверхностным водозабором, 5300 – водосброс с глубинным водозабором, 2100 –турбины).

При среднем гарантированном расходе воды через турбины 2400 м³/с (такой расход воды допустимо включать в расчет при наличии регулирующих емкостей в верховье) нагрузка на действующий водосброс снизится до 5000 м³/с.

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 были построить для гарантии пропуска экстремальных притоков воды, но при правильном расчете объема водохранилища работать он должен крайне редко.

По статистике основными причинами аварий гидротехнических сооружений признаются: неустойчивость основания, недо­статочная пропускная способность водосбросов, недоста­точная прочность составных частей гидроузла, фильтрация воды через тело и основание плотин. По этим причинам три аварии и катастрофа на Саяно-Шушенском гидроузле уже произошли.

Красноярский гидроузел выполнен с одним водосбросом поверхностного типа, пороги которого расположены на уровне 233 м. Если по каким-то причинам, зависящим далеко не только от ГЭС, на длительное время остановятся все турбины, а уровень воды в водохранилище будет ниже порогов водосброса, то нижний бьеф практически окажется без воды.

До аварии на Саяно-Шушенской ГЭС я предупреждал руководство всех уровней о возможности остановки всех турбин, но меня не услышали. Я просил продолжить гидростроительство в Туве и на реках Абакан и Туба. Только так можно обеспечить гидрологическую безопасность на Енисее, в том числе поднять уровень мертвого объема Красноярского водохранилища выше порогов водосброса. В противном случае необходимо строить дополнительный водосброс с глубинным водозабором.

Красноярский судоподъемник начинает работать только при уровне 230 м. Подъем уровня мертвого объема водохранилища позволит значительно раньше начинать навигацию до Абакана, причем без выполнения дноуглубительных работ. Уменьшение высоты переменного уровня водохранилища и создание новых водохранилищ вполне может повысить температуру воды в нижнем бьефе Красноярского гидроузла.

Еще до начала проектирования гидроузлов на Енисее были выполнены предварительные расчеты по методике Д.И.Кочерина, которые показали, что Красноярское водохранилище полезным объемом 30,4 км³ без Саяно-Шушенского гидроузла способно снизить максимальный сброс воды в нижний бьеф с 39000 только до 23700 м³/с, если турбины ГЭС весь период заполнения водохранилища будут в среднем пропускать 3500 м³/с.

Саяно-Шушенское водохранилище полезным объемом 15,3 км³ способно снизить сброс воды в нижний бьеф с 25000 только до 16100 м³/с если турбины в течение всего периода заполнения объема водохранилища будут в среднем пропускать 2100 м³/с, то есть при наличии двух гидроузлов сброс воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла снизится на 25000 – 16100 = 8900 м³/с до величины 23700 – 8900 = 14800 м³/с.

Если ничего не предпринимать, то величина сбросного расхода воды в нижний бьеф Красноярского гидроузла может превысить 20000 м³/с. Напомню, что в 2006 году – году средней водности – набережная в городе Красноярске подтапливалась при сбросе всего 10500 м³/с. В настоящее время по условиям фактической застройки берегов для всех енисейских гидроузлов допустимым можно считать кратковременный сброс 11500 м³/с (Майнская ГЭС при остановке турбин в том числе).

Проблему снижения сбросных расходов воды в нижние бьефы гидроузлов следовало давно решать путем продолжения гидротехнического строительства в верховье в Туве и на реках Абакан и Туба. Все вышеописанные беды на Енисее возникли из-за отказа начинать гидростроительство на реке от верховий к устью. Нарушение правила обязаны исправить потомки. Если не исправим, то Енисей обязательно нас накажет.

Запрещение заполнения резервного объема водохранилища, последующее запрещение заполнения водохранилища выше уровня 537,5 м по состоянию плотины, полное заведомое использование в расчетах резерва безопасности гидроузла – беспрецедентные случаи в гидротехнике. А если учесть, что они допущены на уникальном объекте (СШГЭС), на котором уже произошли три аварии и одна катастрофа, то уже очевидно настала пора делать оргвыводы и не только оргвыводы.

Декларация безопасности Саяно-Шушенского гидроузла запрещает его эксплуатацию при приближении к критерию К2, хотя без дополнительных водохранилищ в верховье это физически невозможно выполнить, признает нормальным подпорным уровнем отметку 539 м, но запрещает заполнение порожнего объема водохранилища выше уровня 537,5 м. Создатели Декларации безопасности не могут не знать, что водобойный колодец водосброса никогда не пропускал воды больше 5600 м³/с, не проходил даже самую простую проверку на пропуск 7500 м³/с, хотя должен был пройти испытание на более высокую нагрузку, но соглашаются даже на его перегрузку.

Перегрузка водобойного колодца водосброса СШГЭС может привести не только к разрушению его днища, а, как показала практика, может повлиять на состояние плотины, основание плотины, машинный зал, потенциально неустойчивые скальные массивы левого берега. Восстановить разрушенное едва ли удастся в короткую паузу к половодью очередного года, то есть последствия нельзя заранее предсказать.

Нельзя вовсе исключать необходимости дальнейшего снижения НПУ по состоянию Саяно-Шушенской плотины, а это возможно осуществить только путем регулирования притока воды в водохранилище.

По сравнению с Красноярским гидроузлом, где необратимые перемещения практически прекратились в течение 5 лет проектного режима наполнения – сработки водохранилища, процесс стабилизации необратимых перемещений Саяно-Шушенской плотины еще не наступил.

Максимальное упругое (контрольная точка возвращается на прежнее место после опорожнения водохранилища) перемещение гребня плотины в ключевой секции 33 в нижний бьеф к 2009 году составило 142 мм. Сумма необратимых радиальных перемещений гребня плотины в нижний бьеф в контрольной секции 33 за период с 1990 по 2008 годы составила 59,1 мм.

Плотина СШГЭС может получить недопустимый наклон в сторону нижнего бьефа, а такое состояние плотины на могучей реке гораздо хуже прорыва плотины: и устранить нарушенное быстро нельзя и устранять чрезвычайно опасно и сложно.

Решение накопившихся проблем Саяно-Шушенского гидроузла нельзя откладывать на будущее. Сегодня крайне необходим надежный механизм регулирования притока воды в Саяно-Шушенское водохранилище, работающий по воле человека, коим могут быть только емкости (водохранилища), построенные на притоках Енисея в горах в Туве. Иначе вода станет сильнее огня разрушать все на своем пути, начиная от Саяно-Шушенской плотины до города Красноярска и ниже по течению Енисея.

IV. Основные причины снижения гидрологической безопасности

Выбор створов и основных параметров будущего гидроузла выполняется на основе технико-экономических расчетов, приоритет в которых отдается энергетике, но не гидрологической безопасности гидроузла и его нижнего бьефа.

Расчеты гидрологической безопасности выполняются на пропуск маловероятного притока воды, который чаще всего не наблюдается на практике при жизни нескольких поколений людей, поэтому относятся к таким расчетам как чисто теоретическим.

По этой причине расчеты гидрологической безопасности не могли быть проверены на практике, поэтому ошибки в расчетах тиражируются до крупной аварии или даже катастрофы.

Расчеты гидрологической безопасности носят закрытый характер. В проектных институтах единицы специалистов владеют технологией расчетов гидрологической безопасности. Это хорошо видно на примерах ответов на мои предложения.

В рецензии на мою статью в журнал “Гидротехническое строительство” (статья не была опубликована), в которой я доказываю ошибочность применения заблаговременного начала холостого сброса воды в расчетах гидрологической безопасности, получаю ответ Ленгидропроекта:

“Предпаводковая сработка является обычным мероприятием, проводимым на большинстве ГЭС. Другое дело, что такая сработка производится с учетом интересов энергетики и иных факторов, которые накладывают ограничения на водно-энергетический режим. Еще на стадии проектирования, когда определяются параметры ГЭС, уровни и емкости водохранилища назначаются с учетом режимных и иных ограничений, при сохранении надежности сооружений на нормативном уровне. Любое изменение проектных режимов, как это предлагает автор, с целью повышения безопасности, приведет к ухудшению других показателей – энергоотдачи, уровневого режима в бьефах и других”.

На мое предложение в первую очередь строить водохранилища в Туве, но не береговой водосброс, Ленгидропроект отвечает:

“Автор предлагает использовать емкость водохранилищ Верхне-Енисейских ГЭС для зарегулирования стока и снижения паводковых расходов в створе Саяно-Шушенской ГЭС. Такая возможность действительно существует. Но по своим технико-экономическим показателям она несопоставима с альтернативным вариантом – береговым водосбросом. Стоимость строительства только одной Сейбинской ГЭС мощностью 500 МВт, по крайней мере, в 5 раз выше стоимости строящегося берегового водосброса. На ее строительство потребуется не менее 8-10 лет с учетом проведения комплекса проектно-изыскательских работ. Все это время Саяно-Шушенская ГЭС будет находиться в состоянии, не соответствующем современным требованиям по надежности”.

В заключении ОАО “ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева” утверждается:

“Следует также учитывать пропускную способность этого берегового водосброса, компенсирующую утрату аккумулирующей способности водохранилища из-за понижения ФПУ на 4,5 м (до отметки 540.0 м вместо проектного 544,5 м)”.

В заключении ОАО “НИИЭС” утверждается:

“Разумеется, что с введением в эксплуатацию берегового водосброса с пропускной способностью около 4000 м³/с упрощается процесс регулирования наполнения водохранилища, уменьшается глубина предпаводковой сработки и, самое главное, сокращается продолжительность работы существующего эксплуатационного водосброса: он может использоваться для пропуска паводков в среднем один раз в двадцать лет”.

Я продолжаю настаивать на создании водохранилищ в верховье, привожу расчеты и различные доводы, вплоть до возможной остановки Саяно-Шушенской ГЭС на длительное время по различным причинам, зависящим не только от ГЭС. Ленгидропроект в своем заключении на мои предложения отвечает:

“Даже если при половодье вероятностью 1 раз в 10000 лет остановятся по каким-то причинам агрегаты станции, имеется резерв пропускной способности эксплуатационного водосброса: при НПУ 539.0м потребуется включить не 7 водосбросов из 11, а 9. В этом случае 9 ? 1150 + 4000 = =14350м³/с, то есть безопасность обеспечивается с гарантией”.

На мои многократные предложения о первоочередном создании регулирующих емкостей получаю ответы о том, что проектирование велось ведущими проектными и научно-исследовательскими организациями страны, поэтому ошибок в расчетах гидрологической безопасности не может быть.

Эксплуатация гидроузла получает только конечный результат расчетов гидрологической безопасности в виде инструкции, специалистов по таким расчетам, как правило, не имеет, поэтому не может влиять на качество расчетов гидрологической безопасности.

Это можно видеть по следующему ответу на мои предложения относительно наличия ошибок в расчетах гидрологической безопасности Саяно-Шушенского гидроузла:

“По поводу пропуска половодья и загрузки ГЭС. Проектное задание 1965 года предусматривало максимальный сбросной расход через водосбросы в объеме 12120 м³/с при ФПУ 540,3 м. В техпроекте по принятой схеме регулирования пропуска весеннего половодья поверочный расход через водосброс вероятностью превышения 0,01% при ФПУ 544,5 м увеличился до 13600 м³/с. В последствии, изменением схемы регулирования в соответствии со СНиП 2.06.01-86 сбросной расход определен на сегодня 13300 м³/с при ФПУ 540,0 м. Режимом работы станции предусмотрено ежегодное опорожнение водохранилища до отметки 500 м с целью создания резерва в объеме 15,33 км³ для принятия половодья, при сбросе воды через агрегаты 2100 м³/с”.

Почему изменилась схема регулирования, почему полезный объем водохранилища стал резервным?! Вразумительных ответов, разумеется, я не мог получить.

Регулирование речного стока воды выполняется по прогнозному графику притока воды в годы средней водности, которые пока наблюдались на практике. Регулирование выполняется коллегиально представителями заинтересованных сторон, чаще всего, не владеющих даже теоретическими основами регулирования. А отрицательные итоги регулирования, как правило, оправдываются низкой достоверностью прогноза притока воды. О гарантии гидрологической безопасности на Енисее при таком регулировании, разумеется, не может быть даже речи.

Отрицательную экспертную оценку расчетам Ленгидропроекта дали бывший генеральный директор Саяно-Шушенской ГЭС В.И.Брызгалов и главный инженер Красноярскгэсстроя К.К.Кузьмин.

В.И.Брызгалов констатирует:

“Поверочный расчет пропуска катастрофического половодья исходит из идеальных условий и не содержит в себе никакого запаса на случай непредвиденных обстоятельств”, [2], стр.149.

К.К.Кузьмин пишет:

“Появившиеся в более поздних расчетах Ленгидропроекта предложения о возможности снизить величину расчетного сброса через плотину с 13600 м³/с до 9900 м³/с могут рассматриваться только как снижение гарантии надежности гидроузла”, [3], стр.10.

При таком отношении проектных и научно-исследовательских организаций не может быть речи о признании ошибок в расчетах до тех пор, пока не случится очередная трагедия именно из-за неспособности гидроузла справиться с притоком воды.

Я много раз просил руководство страны провести независимую экспертизу расчетов гидрологической безопасности Саяно-Шушенского гидроузла, в том числе с участием зарубежных специалистов. Но ответа не получал.

Владимир Иннокентьевич Бабкин,
заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС с 1978 по 2001 год
специально для “Плотина.Нет!”

Литература:

[1] Под редакцией Д.С. Щавелева, “Использование водной энергии”, Энергия, Ленинград, 1976г.

[2] В.И.Брызгалов “Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций”, Сибирский издательский дом”Суриков”, Красноярск, 1999.

[3] Журнал “Гидротехническое строительство”, 9- 1998.

[4] “Гидроэлектростанции Советского Союза”, Часть 1, Справочник, типография института Гидропроект, М., 1967г.