Прогнозирование обстановки при чрезвычайной ситуации на водохранилище

А. В. Федорян 

Прогнозирование обстановки 
при чрезвычайной ситуации  
на водохранилище 

Практикум 

Москва 
Берлин 
2020 

УДК 627.8:614.84(075) 
ББК 38.772в6я723+68.902.2в6я723 
Ф33 
Рецензенты: 
Анохин А. М., канд. техн. наук, профессор  
каф. Гидротехническое строительство НИМИ Донской ГАУ; 
Сукало Г. М., канд. техн. наук, профессор  
каф. ТБиП НИМИ Донской ГАУ

Федорян, А. В. 

Ф33     Прогнозирование обстановки при чрезвычайной ситуа-
ции на водохранилище : практикум / А. В. Федорян. — 
Москва ; Берлин : Директ-Медиа, 2020 — 84 с. 

ISBN 978-5-4499-1226-8 

Даны общие положения в области возникновения волны 
прорыва и ее разрушающего воздействия на территорию ниж-
него бьефа гидроузла, приведена методика расчета волны про-
рыва при ее движении, представлен контрольный пример, 
показаны различные способы определения зоны катастрофи-
ческого затопления, приведены варианты исходных данных 
для расчета. Рассмотрен расчет параметров волны прорыва 
с помощью программного комплекса «Волна 14», с получени-
ем графической информации о затоплении по контрольным 
створам. 
Практикум предназначен для выполнения расчетно-
графической работы и практических занятий студентами 
среднего профессионального образования по специальности 
08.02.04 «Водоснабжение и водоотведение». 
Текст приводится в авторской редакции. 

УДК 627.8:614.84(075) 
ББК 38.772в6я723+68.902.2в6я723 

ISBN 978-5-4499-1226-8
© Федорян А. В., текст, 2020
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2020

Оглавление 

Введение ......................................................................................................... 5 

1. Общие положения................................................................................. 7 

2. Методика расчета волны прорыва .......................................... 14 

3. Пример расчета волны прорыва ............................................... 27 

4. Определение размеров
зоны затопления ..................................................................................... 37 

4.1. Определение протяженности зоны 
катастрофического затопления ....................................... 37 

4.1.1. Пример решения 
графическим методом ........................................................ 37 

4.1.2. Пример решения 
методом интерполяции ..................................................... 38 

4.2. Определение контурных границ 
зоны затопления ...................................................................... 40 

5. Варианты исходных данных
для расчета параметров волны прорыва .................................. 42 

6. Расчет параметров волны прорыва
с использованием программного
комплекса «Волна 14» .......................................................................... 44 

6.1. Общие сведения о программном 
комплексе «Волна» .................................................................. 44 

6.2. Описание работы 
с программным комплексом .............................................. 45 

6.3. Образцы отчетов  
по результатам работы 
на программном комплексе ............................................... 58 

Литература ................................................................................................. 82 

Введение 

Гидродинамическая авария на водоподпорном гидротех-
ническом сооружении (ВГТС) характеризуется разрушением 
напорного фронта гидроузла (земляной плотины) и образова-
нием прорывной волны, которая с большой скоростью распро-
страняется в нижнем течении от створа плотины. 
Чрезвычайные ситуации на ВГТС, которые могут вызвать 
гидродинамическую аварию, подразделяется на следующие 
виды причин: 
— повышение уровня воды в водохранилище выше 
допустимой отметки, установленной условиями безопасной 
эксплуатации, что вызывает перелив воды через гребень пло-
тины; 
— увеличение сверх проектных (расчетных) величин 
с фильтрационных расходов воды через тело плотины; 
— появление тока воды по контакту тела грунтовой пло-
тины с поверхностями бетонных элементов конструкций (во-
досброс, донный водовыпуск и др.); 
— появление локальных мест на низовом откосе тела 
плотины сосредоточенной фильтрации воды выше дренажной 
призмы; 
— сползание или обрушение низового откоса тела пло-
тины; 
— выход из строя механизмов, обеспечивающих подъем 
и опускание затворов на водосбросном сооружении; 
— резкое снижение пропускной способности входно-
го порога водосбросного сооружения (ледяной затор, затор 
от плавающих предметов и т. п.). 
— и др. 
При разрушении напорного фронта в теле плотины обра-
зуется проран, через который масса воды под большим напо-
ром устремляется в нижний бьеф. 
В данном практикуме даны общие положения в области 
возникновения волны прорыва и ее разрушающего воздей-
ствия на территорию нижнего бьефа гидроузла, приведена ме-
тодика расчета волны прорыва при ее движении, представлен 

контрольный пример, показаны различные способы определе-
ния зоны катастрофического затопления, приведены варианты 
исходных данных для расчета. 
Назначение практикума — обеспечить самостоятельное 
выполнение студентами водохозяйственного и строительного 
факультетов расчетно-графической работы на тему «Расчет 
параметров волны прорыва при гидродинамической аварии» 
в рамках изучения курса БЖД. Также, материалы практикума 
предназначены для выполнения раздела БЖД дипломного 
проекта. 

1  
Общие положения 

Гидродинамическая авария — чрезвычайное событие, 

связанное с выходом из строя (разрушением) гидродинамически 
опасного объекта (или его части) и неуправляемым перемещением 
больших масс воды, вызывающих повреждения различного 
характера и затоплением обширных территорий. 

Гидродинамически опасный объект (ГОО) — сооружение 

или естественное образование, создающее разницу уровней 
воды до и после него. К ГОО относятся гидротехнические сооружения 
напорного фронта и естественные плотины. Отличительной 
особенностью ГОО является образование волны 
прорыва при его разрушении. При прорыве плотины в ней образуется 
проран, от размеров которого зависит объем, скорость 
падения вод верхнего бьефа в нижний и параметры волны прорыва — 
основного поражающего фактора этого вида аварий. 

Волна прорыва — волна, образующаяся во фронте устремившегося 
в проран потока воды, имеющая, как правило, значительную 
высоту гребня и скорость движения и обладающая 
большой разрушительной силой. Волна прорыва с гидравлической 
точки зрения является волной перемещения, которая, 
в отличие от ветровых волн, обладает способностью переносить 
в направлении своего движения значительные массы 
воды. Поэтому волну прорыва следует рассматривать как 
определенную массу воды, движущуюся вниз по водотоку 
и непрерывно изменяющую свою форму, размеры и скорость. 
Схематично продольный разрез сформировавшейся волны 
прорыва изображен на рисунке 1. 

Начало (передняя часть) волны называется фронтом 

волны, который, обладая большой скоростью, постепенно выдвигается 
вперед (по мере удаления от створа гидроузла). 
Наиболее высокая часть волны называется гребнем волны, 
который движется с меньшей, чем фронт скоростью, и разница 
в скоростях тем больше, чем больше расстояние от плотины. 
Еще с меньшей скоростью движется хвост волны. Вследствие 
различия скоростей этих трех характерных точек волна 
постепенно растягивается по длине, соответственно, высота 
волны при этом уменьшается. 

Рисунок 1. Схема продольного разреза волны прорыва 

По мере продвижения вниз по водотоку происходит  

постоянное изменение (колебание) размеров волны в зависи-
мости от уклонов дна, формы русла, коэффициента шерохова-
тости русла и поймы. Усредненные скорости движения волны 
прорыва приведены в таблице 1. 

Основное следствие прорыва плотин — катастрофиче-

ское затопление местности, т. е. стремительное затопление  
водой нижерасположенной территории и возникновение 
наводнения. 

Таблица 1 

Средняя скорость движения волны прорыва, км/ч 

Характеристика русла и поймы
J = 0,01
J = 0,001
J = 0,0001

На реках с широкими поймами
4–8
1–3
0,5–1

На извилистых реках с заросшими 
или неровными каменистыми поймами, 
с расширением и сужением пойм

8–14
3–8
1–2

На реках с хорошо разработанным руслом, 
с узкими и средними поймами 
14–20
8–12
2–5

На слабоизвилистых реках с крутыми 
берегами и узкими поймами
24–18
12–16
5–10

Катастрофическое затопление характеризуется: 
 максимально возможными высотой и скоростью вол-

ны прорыва; 

 границами зоны возможного затопления; 
 максимальной глубиной затопления участка местно-

сти (створа); 

 длительностью затопления территории. 
Катастрофическое затопление территории распростра-

няется со скоростью волны прорыва и через некоторое время 
после разрушения плотин приводит к затоплению обширных 
территорий слоем воды от 0,5 до 10,0 м, а в некоторых случа-
ях — и более. 

Зона катастрофического затопления — территория,  

в пределах которой происходит затопление потоком воды, об-
разующейся в результате гидродинамической аварии, ограни-
ченная сверху створом гидроузла, а снизу — створом с отмет-
кой затопления, соответствующей паводку обеспеченностью  
5 %. В целях защиты населения и объектов народного хозяй-
ства в районах расположения водохранилищ, т. е. там, где воз-
можно возникновение гидродинамической аварии, рассматри-
вают зоны: 

 по отношению к затапливаемой территории: зоны 

возможного затопления; зоны катастрофического затопления; 

 по воздействию на здания, сооружения: зоны слабых, 

зоны средних, зоны сильных разрушений (таблицы 2–4); 

 по воздействию на людей: катастрофическая, сильно-

го, среднего и слабого воздействия (таблица 5). 

Таблица 2 

Значения параметров волны прорыва  

при отнесении территорий к той или иной зоне разрушений  

(производственные здания) 

Тип зданий

Сильные

разрушения

Средние

разрушения

Слабые

разрушения

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

Кирпичные 
малоэтажные 
здания (1–3 этажа)

4
2,5
170
3
2
100
2
1
50

Здания с легким 
металлическим 
каркасом

5
2,5
170
3,5
2
100
2
1,5
50

Тип зданий

Сильные 

разрушения

Средние 

разрушения

Слабые 

разрушения

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

Кирпичные 
и панельные 
здания средней 
этажности 
(4 этажа и более)

6
3
240
4
2,5
170
2,5
1,5
100

Здания с тяжелым 
металлическим 
или железобетонным 
каркасом

7,5
4
240
6
3
170
3
1,5
100

Примечание: отнесение территорий к той или иной зоне следует 
осуществлять из условия, чтобы хотя бы один из критериев превосходил 
указанные значения. 

Все виды рассматриваемых зон, их границы, а также характеристики 
волны прорыва, определяются заранее, на стадии 
проектирования водоподпорного гидротехнического сооружения, 
отражаются на картах или в специальных атласах, 
составляемых для гидроузлов и крупных плотин. Такие карты 
и атласы хранятся в штабах ГО, министерствах и ведомствах и 
в их службах на местах, которые возводят и эксплуатируют 
гидротехнические сооружения. 

К основным характеристикам зоны наводнения, для 

оценки ущерба относят: 

 
численность населения, оказавшегося в зоне наводнения; 

 
количество населенных пунктов, попавших в зону, 

охваченную наводнением (здесь выделяются города, поселки 
городского типа, сельские и населенные пункты, полностью 
затопленные, частично затопленные, попавшие в зону подтопления 
и т. п.); 

 количество объектов различных отраслей экономики, 

оказавшихся в зоне, охваченной наводнением; 

 протяженность железных и автомобильных дорог, линий 
электропередач, линий коммуникаций и связи, оказавшихся 
в зоне затопления; 

 количество мостов и тоннелей, затопленных, разрушенных 
и поврежденных в результате наводнения; 

 площадь сельскохозяйственных угодий, охваченных 

наводнением. 

Таблица 3 

Значения параметров волны прорыва  

при отнесении территорий к той или иной зоне разрушений  

(жилые здания) 

Тип объектов 
жилого фонда

Сильные

разрушения

Средние

разрушения

Слабые

разрушения

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Сборные деревян-
ные жилые дома
3
2
48
2,5
1,5
24
1
1
12

Деревянные дома 
(1–2 этажа)
3,5
2
48
2,5
1,5
24
1
1
12

Легкие 1–2-
этажные бескар-
касные постройки

3,5
2
72
2,5
1,5
48
1
1
24

Кирпичные дома 
малой этажности 
(1–3 этажа)

4
2,5
50
3
2
100
т
1
50

Кирпичные 
и блочные дома 
повышенной 
этажности 
(4 этажа и более)

6
3
240
4
2,5
170
2,5
1,5
100

Примечание: Условия отнесения территорий к зоне те же, что  
и для таблицы 2. 

Так как волна прорыва является основным поражающим 

фактором, в случае разрушения водоподпорного гидротехни-
ческого сооружения (ВГТС), то для определения показателей 

обстановки и ущерба необходимо для каждого конкретного 
створа определить ее основные параметры: 

— высоту волны Нв; 
— глубину потока Н; 
— скорость движения и время подхода различных харак-

терных точек волны (фронта, гребня, хвоста) Vфр, Vгр, Vхв и Тфр, 
Тгр, Тхв; 

— длительность прохождения волны, т. е. время ее воз-

действия как разница между временем Тфр и Тхв, (Тв). 

Таблица 4 

Значения параметров волны прорыва  

при отнесении территорий к той или иной зоне разрушений  

(элементы транспорта, связи) 

Типы элементов 
транспортных 
магистралей

Сильные

разрушения

Средние

разрушения

Слабые

разрушения

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

Н, м

V, м/с

Т, ч

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Деревянные мосты
1
2
–
1
1,5
–
0,5
0,5
–

Железобетонные мосты
2
3
50
1
2
30
0,5
0,5
10

Металлические мосты, 
путепроводы с пролетом 
30–100 м, ЛЭП, линии 
связи

2
3
50
1
2
30
0,5
0,5
10

Металлические мосты 
и путепроводы 
с пролетом более 100 м

2
2
50
1
1
30
0,5
0,5
10

Железнодорожные пути
2
2
100
1
1,5
50
0,5
0,5
30

Дороги с гравийным 
(щебеночным) 
покрытием

2,5
2
100
1
1,5
50
0,5
0,5
30

Шоссейные дороги 
с асфальтовым покрытием
4
3
240
2
1,5
170
1
1
100

Примечание: условия отнесения территорий к зоне те же, что  

и для таблицы 2.