Причины роста арочных напряжений в плотине и схождения берегов

До аварии в августе 2009 г. происходило уменьшение длины хорды арки плотины СШГЭС на отм. 540 м (сближение берегов) с интенсивно­стью 0,44 мм/год. Этот же процесс наблюдался в створе арочной плоти­ны Чиркейской ГЭС; длина хорды на отм. 265 м с 1979 по 2007 гг. сокра­щалась с интенсивностью 0,30 мм/год. Кроме того на протяжении всех лет эксплуатации наблюдается постоянный рост минимальных арочных напряжений в секциях этих арочных плотин. Например, в секции 33 плотины СШГЭС на отм. 504 м арочные напряжения не­прерывно растут с интенсивностью 0,13 МПа/год. В основании ни­зовой грани секции 18 плотины арочные напряжения увеличились с 5  МПа в 1997 г. до 8,29 МПа в 2007 г.; в секции 45 — с 4,9 МПа в 2001 г. до 5,36 МПа в 2007 г. На Чиркейской ГЭС на протяжении всех лет эк­сплуатации арочные напряжения на отм. 265 м также увеличивают­ся с интенсивностью 0,16 МПа/год,

Рост арочных напряжений в плотине при постоянных внешних нагрузках вызван горизонтальными подвижками вмещающей геоло­гической среды, которые проявляются в виде сближения берегов. Происходит сжатие створа и соответствующее сокращение длины хорд арки плотины. Эти непроектные нестационарные процессы, которые до сих пор не получили официального физического толкова­ния, объясняются глубинными геодинамическими процессами в ос­новании высоких бетонных плотин.

Расчеты показывают, что охлаждение массива основания плотины СШГЭС до глубины 400 м в среднем на 5 °С сближает берега на отметке 540 м и соответственно уменьшает длину хорды арки на 30 мм. С учетом опрессовывающих фильтрационных сил (ОФ-сил) сближение берегов к 2040 г. составит примерно 42 мм.

Некоторый вклад в процессы сближения берегов и уменьшения длины хорды арки вносит прогиб земной коры (до 3 %), вызванный весом водохранилища. Процесс прогиба земной коры про­исходит с интенсивностью 1—2 мм/год и наводит в береговых мас­сивах нормальные сжимающие напряжения, параллельные створу плотины, от 40 до 60 кПа. Эти латеральные техногенные напряже­ния добавляют в общее сближение берегов дополнительные 2—3 мм.

Таким образом, наблюдаемое сближение берегов в створе СШГЭС — это техногенный процесс, который можно квалифицировать как мед­ленное криповое движение, вызванное сильным воздействием водо­хранилища. Этот сложный пространственно-временной процесс при расчете НДС плотины СШГЭС во внимание не принимался.

Процессы сближения берегов и уменьшения длины хорды арки способны вызвать рост арочных напряжений только в области низо­вой грани арочной плотины, в то время как наблюдается и постоян­ный рост арочных напряжений в бетоне верховой грани. Повсемест­ный рост арочных напряжений в плотине вызван глубинными геоди­намическими процессами, происходящими в большой толще основания и берегов. Эти процессы примерно на четверть снижают эффективный модуль деформации скального основания на глубину в пределах первых 300 м. В результате к 2040 г. кон­такт плотины с основанием получит техногенную осадку около 38 мм, а арка плотины при этом испытывает деформацию изгиба в вертикальной плоскости створа плотины. Прогрессирующий’ процесс осадки основания и сопровождающий его процесс изгиба арочной плотины наводят в ее теле увеличивающиеся сжимающие напряжения. Этот важный глубинный процесс также не принимался во внимание при определении НДС и коэффициента запаса устойчи­вости плотины СШГЭС.

Эпюры горизонтальной деформации береговых примыканий на отметке 467 м при сезонном увеличении напора на величину ΔН в 2008 г.

196

1 — хорда арки и приращение ее длины Δl = 2,2 мм; 2—эпюра смещений правобережного примыкания вдоль русла; 3— эпюра смешений левобережного примыкания вдоль русла; 4 — крутопадающие тектонические зоны; 5—уменьшение длины правобережной штольни Δпр = -1,4 мм; 6 — уменьшение длины левобережной штольни Δлев = -2,6 мм

Сближение берегов в какой-то части может быть вызвано еще од­ним фактором, требующим внимательного рассмотрения. Скальный массив в створе плотины СШГЭС с присущими ему геолого-структурными особенностями обладает не самыми высокими значениями мо­дуля деформации на сдвиг. Створ плотины имеет северо-западное простирание. Вектор суммарного силового гидростатического воздей­ствия на плотину направлен на северо-восток. Значительная часть вектора этой силы проецируется на плоскости двух крутопадающих тектонических зон, секущих основание станционной плотины и ле­вый берег. Воздействие природного ослабляющего тектони­ческого фактора может суммироваться с техногенными силовыми факторами, вызывающими сближение берегов. Эти новые обстоя­тельства следует обязательно принимать во внимание при расчетах коэффициента запаса устойчивости плотины на сдвиг.