Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Анализ особенностей эксплуатации гидроаккумулирующих электростанций 7
1.1 .Гидроаккумулирующая электростанция как природно-техническая система 13
1.2. Геологическое строение и гидрогеологические условия района размещения Загорской ГАЭС 18
1.4.Тектоника 27
1.5. Новейшая тектоника и современные инженерно-геодинамические процессы 30
1.5.Основные особенности природно-технической системы «Загорская ГАЭС» 31
1.5.1.Загорская природно-техническая система 31
1.5.2. Инженерно-геодинамические особенности территории Загорской ГАЭС 46
1.6.Режимные наблюдения на Загорской ГАЭС 50
Глава 2. Оценка наведённых инженерно-геодинамических процессов на склоне напорных трубопроводов 53
2.1.Результаты наблюдений за горизонтальными смещениями и вертикальными движениями 53
2.2.Изучение инженерно-геодинамических процессов в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов 64
2.2.1. Внутренние процессы, вызванные суточными изменениями уровней воды в бассейнах 64
2.2.2.Внутренние процессы, вызванные работой обратимых гидроагрегатов 91
2.2.3 .Внутренние процессы, связанные с сезонными изменениями 100
Глава 3. Обоснование принципов комплексного компьютерного моделирования для наблюдений за деформационными процессами в грунтовом массиве 105
3.1.Результаты комплексного компьютерного моделирования 106
3.2. Применение компьютерного моделирования с использованием данных о наклонах основания водоприёмника 114
Глава 4. Оценка возникновения геодинамических аномалий в районе размещения Загорской ГАЭС и выработка рекомендаций для строительства аналогичных объектов 118
Заключение 123
Библиографический список 126
- Геологическое строение и гидрогеологические условия района размещения Загорской ГАЭС
- Инженерно-геодинамические особенности территории Загорской ГАЭС
- Внутренние процессы, вызванные суточными изменениями уровней воды в бассейнах
- Применение компьютерного моделирования с использованием данных о наклонах основания водоприёмника
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы всё более востребова1П1ыми становятся исследования ипжеперпо-геодинамических процессов, протекающих в верхней части земной коры и связанных с хозяйственной деятельностью человека. Эксплуатация крупных технических объектов часто приводит к возникновению и развитию наведённых процессов.
Для соору^кений повышенной экологической ответственности крайне важным является распознавание дестабилизирующих факторов на начальном этапе их развития и оперативное приведение системы в равновесное состояние. Целесообразно в этом случае прибегать к системному подходу, основанному на понимании любого объекта как многокомпонентного и целостного, обладающего эмерджентпыми свойствами. В настоящем исследовании сочетаются такие дисциплины, как: геодинамика, инженерная геология, математическое люделирование, геодезия, геофизика и др. Работа направлена па выявление и изучипю видимых и скрытых процессов, протекающих в массиве пород, слагающих основание комплекса сооруже1П1Й Загорской ГАЭС. Особое внимание уделяется исследованию взаилю связи характера процессов с режимом работы объекта. Определение техногенного воздействия на геологаческую среду от эксплуатации данной гидроаккумулирующей электростанции является актуальным в связи с планируемым интенсивным строительством гидроаккумулирующих электростанций в Европейской части России и малым опыгом эксплуатации такого рода объектов в сложившихся геологических условиях.
Цель II задачи работы. Целью работы является изучение закономерностей поведения грунтового массива в условиях работы Загорской ГАЭС, оценка возможностей наклономерно-деформометрического мониторинга и дрзтих видов наблюдений применительно к выявлению и изучению инженерно-геодинамических процессов на объектах гидроаккумулирующей энергетики. Решаемые задачи:
1.оценка воздействия видимых и скрытых процессов в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов, возникающих в результате техногенной нагрузки от работающей
2.создание аппарата колшлексной обработки данных режимных наблюдений для получения достоверной оперативной информации о поведе1ши грунтового массива в условиях работы 3aropcKoii ГАЭС. Фактический материал. Диссертационная работа опирается на материалы продолжительных изысканий, проводимых па Загорской ГАЭС с 1984 по 2008гг. Среди них: геодезические измерения (наземные методы и спутниковые высокоточные наблюдения); паютономерпые наблюдения на устоях здания водоприёмника; пьезометрические наблюдения; измерения фильтрационных расходов в основании водоприёмника; ceйc^юмeтpичecкиe работы. Также использованы архивные материалы библиотеки Загорской ГАЭС, ОАО «Институт Гндропроект» и тематические печатные издания.
Автор принимал непосредственпое участие в наблюдениях за наклонами устоев здания водоприёлп1ика, геологической интерпретации получаемых в результате компьютерного моделирования данных. Материалы режимных наблюдений по обратным отвесам, геодезическим маркам, пьезометрам, фильтрационным расходам, дшшыс по изменениям уровней в верхнем и нижнем бассейнах любезно предоставлены сотрудниками гидротехнического цеха Филиала ОАО «РусГидро» - «Загорская ГАЭС». Отчетные материалы по результатам применения высокоточной спутниковой геодезии, результаты сейсмических наблюдении — сотрудниками ИФЗ РАН. Научная новизна. Проведённые исследования позволили впервые изучить наведённые процессы, возникающие в грунтовом массиве основания ГАЭС, построенной в инжеперно-геологаческих условиях Европейской части России. Выполнено комплексное компьютерное моделирование, использующее наклономерпые измерения в основании водоприёмника в качестве связующего звена при комплексной обработке данных геотехнического люниторннга. Итоги работы:
1.детально изучены закономерности изменения параметров скрытых процессов, протекающих в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов под влиянием техногенной нагрузки от работающей Загорской ГАЭС, получены их щюленные характеристики; проведе1ю сопоставление результатов отдельных видов режимных наблюдений.
2.сформулированы основные принципы применения комплексного компьютерного моделирования и принципы компоновки сети геотехнического мониторинга для дальнейшей обработки полученных данных с использованием в качестве связующего звена информации о суточных наклонах основания водоприёмника.
Ппактнчсская значимость и реализация работы.
Результаты исследования, проведённого на Загорской ГАЭС, дюгут бьггь использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации ГАЭС в схожих инженерногеологических условиях. В ближайшие годы предполагается строительство 4-х ГАЭС в Юяаюй части Московской синеклизы, где расположена и Загорская. Всего в Европейской части России планируется возвести более десятка подобных объектов. Опьгг эксплуатации Загорской ГАЭС уникален, поскольку равнинных ГАЭС, построенных на нескальном основании крайне мало, а эксплуатирующихся в природных условиях Европейской части России всего одна.
Защищаемые положения.
1 .Экспериментально доказано, г^гo техногенное воздействие Загорской пщроаккумулирующей электростанции (ГАЭС) приводит к возникновению в грунтовом массиве инженерно-геодипамических процессов.
2.Получены оценки дефорл1аций грунтового массива участка Загорской ГАЭС по результатам комплексного компьютерного люделирования, которые хорошо согласуются с экспериментальными ДШП1ЫМИ.
3.Установлено, что Загорская ГАЭС провоцирует возникновение инженерногеодипамических шюмалий в зоне взаилюдействия соорумсений с геологической средой.
Личный вклад автора.
1 .Проанализированы данные многолетнртх паклономерных наблюдений, результаты измерений спутниковой и наземной геодезии, гидрогеологическая информация и результаты сейслюметричесю1х работ, проведено сопоставление результатов отдельных видов режимных • наблюдений;
2.Сформулированы основные принципы применения комплексного компьютерного моделирования с использованием да1П1ых о наклонах основания водоприёмника в качестве связующего звена. Аналитическим путём определены принципы компоновки сети геотехнического люниторннга оптимально необходимых режимных наблюдений для их совместной обработки методами математического моделирования.
Представлсннс результатов и обсуждсннс основных положений диссертационной работы и ее отдельных частей проходило в виде докладов на ряде семинаров в ИФЗ РАН, а также на конференциях и совещаниях: научно-техническая конференция «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (С.-Петербург, 2005г.); могсдупародная научная конференция «Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения» (Воронеж, 2006г.); ГХ международная конференция «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009) и др.
По теме диссертации опубликовано 4 работы, из них 1 в журнале из списка ВАК. Ещё 1 статья в реферируемом журнале принята к печати.
Струюгура и объём днсссртащп!. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложены структура и содержание работы. В главе 1 отражено современное состояние области изз^ 1ения, приведена инженерно-геологическая характеристика района изучения и деталыю рассмотрен участок Загорской ГАЭС. Главы 2, 3, 4 раскрывают суть защищаемых положений и приводят их обоснование. Вторая глава посвящена оценке внешних и внутренних ннженерно-геодинамических процессов, происходящих в геологической среде под воздействием Загорской ГАЭС. В третьей главе рассмотрен один из методов комплексного компьютерного моделирования деформационных процессов в грунтовом массиве, проведён анализ его достоверности применительно к существующим инженер1ю-геологическим условиям. Аналитическим путём определены принципы применимости данного подхода к обработке данных отдельных видов режимных наблюдений, выработаны рекомендации по компоновке и размещению оптимальной сети режимных наблюдений для получения модели деформаций грунтового массива рассмотренным способом. В главе 4 проведён анализ инженерно-геодинамических процессов с точки зрения их значимости и масштабов проявления. Заключение подводит итог проделанной работе, вкратце приводятся основные достижения проведённых исследований и выводы по ним.
Общий объём диссертации составляет 131 страницу; содержит 65 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 71 наименование.
Благодарности. Автор искренне благодарит за сотрудничество, помощь в сборе материалов и ценные замечания сотрудников Филиала ОАО «РусГидро» - «Загорская ГАЭС»
• начальника гидротехнического цеха В.Н.Черненко, В.Г.Родионова, Г.В.Хуторяпскую, Е.Н.Трубило, О.В.Гусину, Н.В.Лысенко и др.; сотрудников ИФЗ РАН - В.Н.Конешова, М.Молоденского, В.И.Осику, А.Л.Собисевича, И.Г.Киссина, Т.В.Гусеву, Н.К.Розенберг, В.В.Щеглакова и др.; сотрудников ОАО «Институт Гидропроект» - А.И.Юдкевича и др.
Особую, глубокую признательность автор выражает своему научному р5адаводителю д.г.-м.н. Е.А.Рогожину.
Геологическое строение и гидрогеологические условия района размещения Загорской ГАЭС
Фундамент
Кристаллический фундамент, залегающий на глубине от 1500 до 2000 м, имеет сложное блоковое строение; он сложен преимущественно архейскими суперкрустальными образованиями - различными плагиогнейсами, часто мигматизированньтми и изменёнными процессами метасоматоза. Они слагают три структурных этажа: нижний — архейский - и два верхних, относимых к нижнему протерозою. Подчинённое значение имеют суперкрустальные образования протерозоя — гиейсовидные биотитовые сланцы, микроамфиболиты и железистые кварциты, а также основные и кислые интрузии (преимущественно нижнепротерозойского возраста). Породы архея и нижнего протерозоя сложно дислоцированы. Для архея обычны углы падения 70-80, иногда 90, простирание преимущественно приближается к широтному. Углы падения нижнепротерозойских пород 45-80, простирание северо-западное, переходящее в меридиональное, иногда северовосточное. Породы кристаллического фундамента повсеместно изменены процессами древнего выветривания.
Осадочный чехол
Отложения верхнего протерозоя
Протерозойские образования являются наиболее древними породами осадочного чехла. Представляют собой мощную толщу в общем горизонтально залегающих слабо метаморфизованных осадочных пород, заключённых между кристаллическим фундаментом и палеозойскими отложениями. Залегают они значительно ниже уровня моря и вскрываются только самыми глубокими скважинами.
Отложения кембрийского и ордовикского возраста
Кембрийская и ордовикская системы распространены только в северной части территории, в наиболее погруженной части Московской синеклизы. Район размещения Загорской ГАЭС относится к Южной части Московской синеклизы, поэтому в данной работе отложения кембрийской и ордовикской систем не рассматриваются.
Отложения девонского возраста
Разрез на различных участках рассматриваемой территории существенно изменяется. Для района изучения характерны девонские отложения преимущественно карбонатного состава с прослоями доломитов, существенным развитием на отдельных уровнях ангидрита, гипса и каменной соли. Суммарная мощность отложений порядка 900 м.
Терригенно-карбонатная формация нижнего карбона
Толща представлена глинами и известняками с отдельными прослоями песчаников и алевролитов. Мощность отложений достигает 80 м. Низы разреза обычно представлены известняками тонко- и мелкозернистыми, массивными, реже слоистыми, часто обломочными. Верхи толщи сложены глинами, характеризующимися высокими показателями дисперсности, пластичности, гидрофилыюсти и ёмкости поглощения, что связано с преобладанием в их составе минералов группы монтмориллонита. Обводнённость отложений зависит в значителыюй степени от рельефа: наибольшая водообильность отмечается в долинах рек и на их склонах, на водоразделах она резко уменьшается.
Угленосная формация визейского яруса нижнего карбона
Представлена толщей песчано-глинистых отложений мощностью до 130 м с пластами и пропластками угля. Неустойчивый тектонический режим обусловил значительную фациальную изменчивость отложений и частую смену различных пород в вертикальном разрезе.
Глины в основном каолинитовые, уплотнённые, с различной ёмкостью поглощения. Изредка встречаются плотные, сланцеватые углистые глины. В естественном залегании глины характеризуются высоким сопротивлением сдвигу: сцепление 0,32 105-0,7 105 Па, угол внутреннего трения 27-30 . Вместе с высокими значениями модуля общей деформации 17-20 МПа это позволяет оценивать глины как надёжное основание инженерных сооружений. В горных выработках глины проявляют склошюсть к пучению. Деформации при этом носят характер хрупкого разрушения или пластического течения, но не достигают большой интенсивности.
Прослои и линзы песков составляют около 30% разреза. Пески тонко- и мелкозернистые, существенно кварцевые. Для них характерно высокое содержание глинистых частиц, что часто придаёт пескам плывунные свойства. Водообильность отложений невелика.
Карбонатная формация намюра, среднего и позднего карбона
Сложена известняками, доломитами, мергелями с отдельными прослоями и пачками пескано-глинистых образований. В процессе эпигенеза все эти породы подверглись значительным вторичным изменениям: доломитизации или раздоломичиванию, окремнению, кальцитизации, огипсованию и др.
Физико-механические свойства пород зависят от степени их трещиповатости, закарстованности и выветрелости, а у монолитных разностей — от степени доломитизации, окремнения, опшсования, а также присутствия в их составе глинистого и органического материала. Породы сильно изменены процессами выветривания, развивавшихся на территории региона во время внутриформационных континентальных перерьшов и после завершения накопления отложений. Развитие процессов выветривания в известняках и доломитах обладает определённым своеобразием, связанным с высокой растворимостью этих пород. В начальных стадиях оно проявляется главным образом в расширении трещин различного генезиса (диагенеза, тектонических, выветривания) и постепенном превращении монолитной породы в «разборную скалу», состоящую из плитчатой или глыбовой отдельности различного размера. Дальнейшее выветривание приводит к образованию элювия, состоящего из обломков и более тонкого материала различной крупности.
Глины, принимающие участие в строении формации, однотипны. Они умеренно пластичны и гидрофильны, слабо набухают и обладают прочными коллоидно-кристаллизационными связями, повышающими их прочность и снижающими сжимаемость.
Водообилыюсть пород формации обусловлена их трещиноватостыо и закарстованностыо. В верхней части карбонатной толщи до глубины 80-120 м воды пресные с минерализацией 0,2-0,7 г/л, на отдельных участках вдоль границы распространения пермских отложений встречаются воды с минерализацией 1-3 г/л.
Галогенно-карбонатная формация ранней перми
Распространена только на северо-востоке Московской синеклизы. Включает наравне с известняками и доломитами гипсы и ангидриты, а местами чисто галогенные образования. Глубина залегания этой формации на большей части территории региона превышает 500 м, поэтому большого значения для оценки условий строительства сооружений в этом регионе она не имеет.
Терригенная красноцветная формация поздней перлій — раннего триаса
Распространена только на северо-востоке Московской синеклизы. Представлена монтмориллонитовыми и гидрослюдисто-монтмориллонитовыми глинами и мергелями. Отложения формации широко развиты в пределах региона. Обычно они залегают непосредственно под четвертичными отложениями на глубине 20-30 м. Мощность достигает 600 м.
Глины формации неоднородны по цвету, текстуре, составу. Обычно они пылеватые или опесчаненные, слюдистые и известковистые, имеют характерный оскольчатый излом, иссечены системой мелких трещин (часто с зеркалами скольжения). Монтмориллонитовые глины комковатые, а иллито-монтмориллонитовые обладают неясно выраженной слоистостью. У комковатых глин по сравнению с некомковатыми примерно в 1,5 раза ниже сопротивление сдвигу и во столько же выше ёмкость поглощения. Мергели широко развиты в татарском ярусе и совершенно отсутствуют в нижнетриасовых отложениях. Преобладают плитчатые мергели серого и лилового цвета. Алевролиты также развиты более широко в нижних горизонтах формации. Они в разной степени опесчаненные, кварц-полевошпатовые и кварцевые, в низах толщи загипсованные. Пески формации по механическому составу варьируют от тонкозернистых глинистых до крупнозернистых. Преобладают мелкозернистые слюдистые пески.
Инженерно-геодинамические особенности территории Загорской ГАЭС
На участке сооружений Загорской ГАЭС в коренных и моренных отложениях выявлены многочисленные следы гляцио-динамических процессов, протекавших на различных этапах истории геологического развития долины, в результате которых в бортах долины сформировались сложные оползневые дислокации. Среди них развиты оползни-блоки, приповерхностные и погребённые на большую глубину нарушения, обусловленные медленными вековыми пластическими смещениями глинистых грунтов.
К настоящему времени процессы оползания и реологического течения массивов глинистых пород без разрыва сплошности завершились. Однако наличие древних стабилизировавшихся оползней создавало потенциальную возможность активизации смещений при техногенных нагрузках. В процессе строительства возникли осложнения, связанные с нарушением устойчивости естественных склонов и откосов строительных выемок. На четырех участках, два из которых расположены на правом и два - на левом берегах р.Куньи, образовались оползни значительных размеров (рис. 1.11). Рассмотрим только оползни на левобережном участке, на участке непосредственного изучения в рамках данной работы.
Оползень «Северный» возник летом 1979 г. на левобережном склоне долины севернее трассы напорных трубопроводов. Оползанию подверглись «парамоновские» глины в интервале отметок 145-165 м абсолютной высоты. Объём оползня составил около 200 тыс.м3. Причиной его образования явилось нарушение последовательности разработки котлована. Проектом предусматривался опережающий ввод водопонижающих скважин для снятия напоров из подпарамоновского (альб-аптского) водоносного горизонта. Разработка котлована при этом должна была осуществляться ярусами под защитой водопонижения. В нарушение этих требований, котлован был заглублен до отметки 148 м без бурения разгрузочных скважин. Под воздействием значительного (порядка 10-15 м) избыточного напора произошло разуплотнение глин в дне котлована и в основании левобережного откоса, что привело к потере устойчивости и образованию оползня.
Разуплотнению глин способствовало их постоянное замачивание сверху из-за плохой организации поверхностного водоотвода. При этом парамоновские глины, имеющие свойство сильно набухать при свободном замачивании (до 30%), резко теряли свою прочность. Рекомендации о предотвращении замачивания глин также были нарушены в процессе производства работ. Принципиальная модель разуплотнения глин в оползневом откосе котлована приведена на рис. 1.12. Оползень «Северный» следует относить к оползням сдвига. Оползень развивался в несколько этапов. Движение характеризовалось чередованием периодов подготовки (растрескивание, разуплотнение грунтов) и быстрых (практически мгновенных) смещений. Стабилизация склона была достигнута в 1980 г. путем ввода в действие разгрузочных скважин, снявших напоры в основании откоса, и замены оползневых масс качественным грунтом. Для обратной засыпки использовались моренные суглинки. В основании насыпи укладывался дренажный слой песков.
Наибольшие осложнения в ходе строительства вызвал оползень «Южный». Он захватил южную часть площадки напорно-станционного узла (НСУ) вблизи трассы напорных трубопроводов. Современному оползанию подверглись моренные суглинки (glQums) в пределах древнего оползневого тела. Мощность современного оползания составила 10-30 м. Плоскость скольжения проходила по кровле «зеленых глин», наследуя древнюю поверхность смещения. Оползень «Южный» возник в июне 1979 г. За время существования его верхняя граница, фиксируемая по поверхностным трещинам отрыва, переместилась на 250 м вверх по склону, до отметок в 220 м. Объём оползневого массива в конечной стадии развития оползня достиг 800-100 тыс.м . В процессе смещения формировалось несколько оползневых блоков, сходных по строению и динамике движения. Оползень «Южный» следует относить к сложнолгу кинематическому типу со смешанным механизмом движения, представляющим собой сочетание сдвига (выдавливания) и скольжения. Начало процесса определяется сдвиговыми деформациями в более высоких частях склона. Эти деформации происходят на значительной глубине (20-30 м) в слое «зелёных глин» и приводят к выдавливанию глин и растрескиванию жёсткой по отношению к ним вышележащей толщи морены. В дальнейшем блоки морены соскальзывают по «зелёным глинам».
Непосредственной причиной образования оползня послужила разгрузка склона при устройстве бермы на отметке 156 м, согласно проекту. Однако, по-видимому, нарушение устойчивости было вызвано несколькими обстоятельствами, среди которых, кроме отмеченной выше подрезки склона - устройство в его верхней части непроектных отвалов грунта, плохая организация поверхностного водоотвода, отсутствие разгрузочных скважин в основании склона и др. Кроме того, следует отметить, что в техническом проекте не была в полной мере оценена возможность возникновения оползней на этом участке. Решающее значение в последовательном увеличении масштабов оползания имело неправильное ведение работ по укреплению склона. Своевременное выполнение противооползневых мероприятий гарантировало бы локализацию оползневого процесса и предотвращение «цепной реакции» его развития, приведшей к разрушению значительной части склона и потребовавшей проектирования и выполнения специальных инженерных мероприятий по его защите. Но в связи с недооценкой оползневой опасности и нарушениями проекта оползневой процесс развивался в несколько стадий. Первый блок оползня «Южный» образовался в мае-июне 1979 г. на отметках 156-175 м. В первые 4-5 месяцев существования скорость движения оползня составляла в среднем около 13 мм/сут, а затем понизилась до 4 мм/сут. Летом 1980 г. были начаты работы по уположению склона, которые велись с перерывами, оказались незавершенными и не обеспечили получение проектного профиля склона. В связи с этим, а также с устройством выше по склону отвалов грунтов, не предусмотренных проектом, в апреле 1981 г. образовался второй блок оползня с верхней трещиной отрыва на отметке 198 м и группой трещин на отметках 170-178 м. В период с мая по сентябрь скорости смещения второго блока снизились от 3,0 до 0,5 мм/сут, и к концу года он был в основном разобран. В мае-июне 1982 г. образовался третий оползневой блок с трещиной отрыва в непосредственной близости от первой нитки трубопровода на отметке около 200 м. Скорость движения составила около 2 мм/сут. Появление непосредственной угрозы трубопроводу потребовало проведения комплекса специальных противооползневых мероприятий, которые были запроектированы и осуществлены в 1982-1987 гг. Среди проведённых мероприятий — возведение в средней части склона упорной призмы, подкреплённой с низовой стороны тремя линейными призмами-коллекторами. Отсыпка тела упорной призмы выполнялась из морены полезной выемки и привозной морены с обеспечением плотности 1,96 т/м3. По верховому откосу упорной призмы и её дну отсыпался песчаный дренаж. Отвод профильтровавшейся воды предусмотрен через перфорированные трубы диаметром 300 мм, заключённые в пористый бетон и уложенные вдоль верхового откоса призмы, а также по коллекторам с песчаной засыпкой.
Наличие в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов грунтов, склонных к оползанию, определяет повышенное внимание к данному участку Загорской ГАЭС.
Внутренние процессы, вызванные суточными изменениями уровней воды в бассейнах
Работа ГАЭС основана на ежесуточном перемещении больших объёмов воды (более 20 млн.м3), а скрытые процессы могут быть вызваны:
1.Суточными изменениями уровня воды в верхнем и нижнем бассейнах (изменения вертикальной нагрузки на грунтовый массив);
2.Вибрационными нагрузками от работы обратимых гидроагрегатов.
Рассмотрим более детально наведённые инженерно-геодинамические процессы согласно вызываемым их техногенным нагрузкам.
На рис.2.9 представлена схема размещения некоторых пунктов режимных наблюдений, данные по которым использовались для оценки техногенного воздействия Загорской ГАЭС на геологическую среду. 2.2.1.Внутренние процессы, вызванные суточными изменениями уровней воды в бассейнах.
На рисунке 2.10 приведены примеры суточных изменений уровня верхнего бассейна за разные даты. Очевидно, что с небольшими вариациями, но режим работы Загорской ГАЭС характеризуется постоянством сработки-заполнения водохранилища с периодом в 1 сутки. Наличие суточной периодичности в записях других режимных наблюдений, проводимых на склоне напорных трубопроводов (как наиболее чувствительном участке) определит существование или отсутствие техногенного воздействия Загорской ГАЭС на геологическую среду. Характер и величины суточных изменений данных режимных наблюдений позволят оценить качественно и количественно наведённые инженерно-геодинамические процессы.
Наибольший интерес вызывают суточные колебания обратных отвесов, поскольку ежесуточные горизонтальные движения в каждой точке грунтового массива могут оказывать раскачивающее воздействие на массив грунтов в целом. Устойчивость склона напорных трубопроводов напрямую зависит от величин горизонтальных смещений, а возможность скачка смещений в результате процесса техногенного раскачивания может способствовать превышению критерия стабильности (0,4 мм/мес). В анализе использовались данные, полученные с автоматизированных датчиков. Период опроса датчиков составлял 15 минут. Малое количество автоматизированных датчиков во многом определило выбор пунктов наблюдений, использованных для изучения суточных процессов.
Суточные колебания обратных отвесов
Для анализа были выбраны №№003, 004, 007а, 008, 012, 015, 017, 019, 020. По данным на этих пунктах были построены суточные графики за отдельные числа, общее число построений составило более 100. Для обратных отвесов №003, 004, 007а, 008 ось х направлена на юго-восток, ось у — на юго-запад (рис.2.Па). Для обратных отвесов №№012, 015, 019, 020 ось х направлена на юго-юго-запад, ось у — на восток-юго-восток (рис.2.116). Для обратного отвеса №017 ось х направлена на юго-восток, ось у — на северо-запад (рис.2.11 в).
Далее рассматривается специфика суточных горизонтальных смещений для каждого обратного отвеса, указанного в таблице 2.3, более подробно. Последовательность рассмотрения следующая:
- сначала проведена оценка суточной повторяемости изменений, исходя из информации о суточном режиме техногенных нагрузок;
- затем проанализированы и оценены вариации горизонтальных смещений совместно
Обратный отвес №015. Расположен в теле упорной призмы на расстоянии около 300 м к югу от трассы напорных трубопроводов. Выявлена хорошая суточная повторяемость горизонтальных смещений, также присутствуют более короткопериодные колебания (рис.2.17). Величина амплитуд суточных горизонтальных смещений по оси X порядка 0,10 мм; по оси Y около 0,14 мм. Обратный отвес №017. Расположен в теле упорной призмы на расстоянии около 150 м к югу от трассы напорных трубопроводов. Можно отметить наличие неярко выраженной суточной повторяемости колебательных движений. Помимо этого, на графиках чётко прорисовываются более мелкие колебания с периодом около 1,0-1,5 часов (рис.2.18). Величина амплитуд суточных горизонтальных смещений по оси X порядка 0,36 мм; по оси Y около 0,22 мм.
Обратный отвес №019. Расположен ниже по склону от дренажной завесы и обратного отвеса №012, на расстоянии около 250 м к югу от трассы напорных трубопроводов. Установлена не ярко выраженная суточная повторяемость, также наблюдаются более короткопериодные колебания (рис.2.19). Величина амплитуд суточных горизонтальных смещений по оси X в среднем составляет 0,20 мм; по оси Y около 0,19 мм.
Обратный отвес №020. Расположен ниже по склону от дренажной завесы в непосредственной близости от обратного отвеса №007а, примерно в 40 м к югу от трассы напорных трубопроводов. Наблюдается нечётко выраженная суточная периодичность, также прослеживаются более короткопериодные колебания (рис.2.20). Величина амплитуд суточных горизонтальных смещений по оси X порядка 0,18 мм; по оси Y около 0,28 мм.
Анализируя характер изменений по обратным отвесам, расположенным в разных частях склона напорных трубопроводов, можно заключить:
1.В целом по всем обратным отвесам наблюдается суточная повторяемость горизоптальпьтх смещений. По хараісгеру смещений можно выделить группы: 1)обратные отвесы №№008, 015, где наблюдается чёткая повторяемость, на фоне небольших более короткопериодных колебаний; 2)обратные отвесы №№003, 004, для которых суточная повторяемость не полная; 3)обратные отвесы №№007а, 012, 017, 019, 020, которым помимо суточной повторяемости свойственны значительные более короткопериодные колебания.
2.Разброс амплитуд горизонтальных смещений составляют сотые - десятые доли миллиметра.
3.Выявлено наличие более быстрых колебаний (на фоне суточных) с периодом около 1-1,5 часов для всех рассмотренных обратных отвесов. Особенно чётко эти колебания прослеживаются по обратным отвесам №№012, 017, 020.
Комплексный анализ и оценка результатов суточных вариаций горизонтальных смещений и изменения уровня воды в верхнем бассейне.
Наличие суточных горизонтальных смещений по обратным отвесам и их повторяемость подтверждают наличие техногенного воздействия на геологическую среду. Отклик геологической среды, как и техногенная нагрузка на неё имеют суточную периодичность. Необходимо выяснить, в чём проявляется зависимость изменений в геологической среде от прикладываемой нагрузки. Для этого было проведено сопоставление между изменениями уровня воды в верхнем бассейне и вариациями горизонтальных смещений струн обратных отвесов, установленных на склоне напорных трубопроводов.
Анализ графиков суточных изменений горизонтальных смещений по обратным отвесам показал наличие зависимости наклонов от наполнения сработки верхнего бассейна. Примеры такого отклика для каждого из рассматриваемых обратных отвесов приведены на рис.2.21-2.29.
Для анализа были выбраны горизонтальные смещения за один период времени для всех обратных отвесов, чтобы исключить возможность влияния сезонных изменений. При оценке векторов горизонтальных смещений учитывались направления осей обратных отвесов, приведённые ранее на рис.2.11.
Применение компьютерного моделирования с использованием данных о наклонах основания водоприёмника
Приведённые результаты компьютерного моделирования получены по данным существующих сетей режимных наблюдений. Анализ результатов компьютерного моделирования диктует условия к разбивке сетей мониторинга, точности и периодичности определения параметров. Это не делает полученные выводы сомнительными, но затрудняет дальнейшую детализацию компьютерной модели грунтового массива участка исследований.
Для уточнения компьютерной модели грунтового массива участка размещения Загорской ГАЭС необходимо оснащение большего числа пьезометров и обратных отвесов автоматизированными системами сбора информации и другие меры.
Перспективы внедрения комплексной обработки данных режимных наблюдений на гидроаккумупирующих электростанциях
Каждый из крупных объектов гидроаккумулирующей энергетики уникален. Для каждого из них разрабатывается свой проект, учитывающий целый ряд факторов (природных, экономических, социальных, экологических и др.), влияющих на расположение объекта, используемые технические решения и особенности эксплуатации. Поэтому разработка подхода к комплексному анализу всех применяемых методов геотехнического мониторинга должна основываться на однотипности инженерно-геологических условий. Тогда как сеть режимных наблюдений может корректироваться в зависимости от специфики технических параметров гидроузла и особенностей инженерно-геологических условий территории его размещения.
На каждом гидроэнергетическом объекте осуществляется целый ряд режимных наблюдений, а также единовременные исследования. Основной проблемой является то обстоятельство, что в итоге всех проводимых работ полученные результаты не сопоставляются между собой, а ограничены рамками конкретного исследования. Таким образом, полученная информация интерпретируется однобоко и часто неоднозначно. Для повышения эффективности обработки и анализа собранных данных о параметрах состояния и динамики природно-технических систем необходим комплексный подход.
Очевидно, что наиболее удобной и представительной формой отслеживания функционирования природно-технической системы является её компьютерная модель. Модель, которая бы позволяла в оперативном режиме заносить параметры состояния всех наиболее ответственных (ключевых) элементов системы, отвечающих за стабильность работы объекта с заданной производительностью. При этом с помощью простых операций, задаваемых в программе, осуществлять прогнозный расчёт функционирования природно-технической системы в изменяющихся условиях. В таком случае появляется возможность рассчитать наиболее оптимальный режим эксплуатации, или же вьтолнить управляющие взаимодействия, позволяющие системе продолжать работать с заложенной проектом производительностью надежно и безопасно.
Важным, по мнению автора, является выбор связующего звена для всех видов наблюдений. Правильность этого выбора — залог успешной выработки модели единой сети мониторинга природно-технической системы и, как следствие, возможность повысить эффективность управления объектом в целом. Кроме того, следует учитывать весовой вклад отдельных параметров в работу системы, режим и закономерности их изменений во времени, скорости протекания процессов, отслеживаемых по параметрам и др.
Разрабатывать подход к комплексному анализу данных отдельных видов режимных наблюдений для гидроаккумулирующих электростанций, по мнению автора, следует, опираясь на данные, которые наиболее точно позволяют фиксировать изменения в системе под действием изменяющихся во времени нагрузок, вызванных перемещениями больших объёмов воды (десятки млн. ж в сутки). Такими измерениями могут выступать наклономерные режимные наблюдения в основании водоприёмника, поскольку они позволяют получать данные с высокой точностью (0,1 угл.сек) и шагом от первых минут.
Метод компьютерной обработки данных нескольких видов режимных наблюдений, приведённый выше, объединил в себе: измерения наклонов поверхности грунтового массива в основании здания водоприёмника; пьезометрические наблюдения; данные по обратным отвесам; измерения расходов фильтрационных вод из-под фундаментной плиты. К сожалению, малое число пьезометров и обратных отвесов оснащены автоматическим оборудованием, это затруднило детализацию картины деформаций грунтового массива при компьютерном моделировании.
Принципы применения комплексного компьютерного моделирования
Для изучения природно-технических систем, оказывающих существенное влияние на геологические объекты, требуется разработка и внедрение новых методик. Это обусловлено спецификой инженерно-геодинамических процессов, возникающих в природно-технических системах гидроаккумулирующих электростанций. Для оценки устойчивости склона напорных трубопроводов необходимо оценить изменения во времени модулей сдвига грунтов на этом участке. Сейсмическое вибропросвечивание не позволяет это сделать, потому что в рыхлых отложениях распространяются в основном продольные волны, скорости которых не дают информации о значениях модулей сдвига. В то же время, при больших отношениях амплитуд продольных волн к амплитудам поперечных и поверхностных волн выделение последних представляет крайне сложную задачу. Геодезические данные о движениях земной поверхности на прилегающих к водоприёмнику склонах также не позволяют сделать никаких определённых выводов об изменениях модулей сдвига среды, поскольку последние могут и не сопровождаться деформациями внешней поверхности.
В рамках изучения возможностей и применимости метода комплексного компьютерного моделирования с использованием в качестве связующего звена данных о наклонах вблизи основания водоприёмника Загорской ГАЭС были выработаны принципы его использования на подобных объектах:
1. метод применим исключительно для нескальных грунтов;
2. применение метода основано на точном знании возмущающих колебаний (нагрузок), областей их приложения и изменений нагрузок во времени (изменение уровней воды верхнего и нижнего бассейнов);
3. апробация метода прошла только применительно к Загорской ГАЭС, использование данной методики на проектируемых ГАЭС должно основываться на подобии инженерно-геологических условий и технических параметров гидроузлов. Рассмотренный способ построения компьютерной модели также может найти применение и для мониторинга устойчивости больших территорий в сейсмоопасных зонах. В этом случае в качестве зондирующего сигнала могут быть использованы фоновые колебания земной коры, необходимо применение аппаратуры с более чувствительными датчиками.
Принципы компоновки сети режимных наблюдений
На основании проведенных исследований, автор считает возможным сформулировать подход к комплексированию методов мониторинга деформационных процессов в геологической среде участка размещения Загорской ГАЭС для последующей обработки данных рассмотренным методом компьютерного моделирования.
В таблице 3.1 приведены оптимально необходимые для дальнейшей обработки предложенным методом наблюдения и их основные параметры.
Составление принципов компоновки сети режимных наблюдений выполнено аналитическим путём по результатам проведённых расчётов, а также исходя из анализа существующего размещения сети режимных наблюдений.
Аналогичный подход к расстановке контрольно-измерительной аппаратуры можно использовать для ГАЭС, проектируемых в подобных инженерно-геологических условиях. В этих случаях пьезометры необходимо оборудовать на первый от поверхности водоносный горизонт. Якоря обратных отвесов следует заглублять ниже толщи, склонной к оползанию, для её контроля.
Помимо измерения наклонов, уровней воды в скважинах, фильтрационных расходов в основании водоприёмника и горизонтальных смещений по обратным отвесам, для выполнения расчётов при комплексном компьютерном моделировании привлекаются записи об изменениях уровней верхнего и нижнего бассейнов. Данные изменения проводятся на постоянной основе с интервалом в 5 минут на Загорской ГАЭС и являются обязательными для подобных объектов. При построении компьютерной модели используется информация о рельефе участка исследований. Для интерпретации получаемых результатов тщательно анализируется информация об особенностях геологического строения массива пород, вовлечённого в сферу взаимодействия гидроузла.
