Причины изменения фильтрационных расходов и напоров в основании

Фильтрация в основаниях высоких плотин — это процесс перетока вещества и энергии по порам, трещинам и тектоническим разломам из верхнего бьефа гидроузла в глубокие горизонты массива оснований и берегов. Трещины в этом случае выступают вещественными ретрансляторами, а фильтрационный поток в них является мощным силовым фактором, который развивается в основаниях плотин в течение многих лет, заглубляясь и захватывая все новые области горных пород.

В контролируемой области основания содержится большое количество трещин, поэтому проницаемость этой области можно представить как некоторое среднее значение по множеству трещин. Вся сложная сеть взаимопересекающихся трещин и зон дробления образует в массиве основания СШГЭС единую гидравлическую систему. Данные по дебиту дренажных скважин составляют некоторую статистическую совокупность, характеризующую скальный массив в целом.

Для подтверждения зависимости проницаемости пород основания плотины СШГЭС от воспринимаемого ею напора были проведены натурные исследования по специальной программе. Определялись расходы пьезометрических скважин ПВ-1 при разных значениях УВБ, но при поддержании постоянного перепада напора между УВБ и водоприемниками. С изменением УВБ изменяется НДС фильрующего основания под напорной гранью плотины и соответственно его проницаемость. Об этом свидетельствуют факты изменения расходов пьезометров, работающих в режиме дренажа, при постоянных перепадах напоров между ВБ и водоприемной частью пьезометров.

Там же получено, что после подъема УВБ с отметки 370 до 470 м действие различных факторов обеспечило увеличение проницаемости массива основания в области активного влияния дренажа приблизительно в 2,5 раза. Это, например, означает, что при исходном среднем раскрытии трещин 0,06 мм раскрытие их после увеличения напора должно увеличиться до 0,08 мм.

Изменение расходов изливающих скважин в основании первого столба плотины СШГЭС при разном значении УВБ и постоянном перепаде фильтрационного напора

Пьезометр	Дата; УВБ. м	Расход, л/с	Степень уменьшения дебита. %	Перепад напора, м
18ПВ-1	05.02.86; 490	0,090	60	50
	30.04.86; 460	0,036
ЗЗПВ-1	05.02.86; 490	0,7	71	15
	30.04.86; 460	0,2
45 ПВ-1	05.02.86	0,175	23	19.5
	30.04.86	0,135

Следует отметить важное свойство трещиноватого массива, так называемую подвижность частей. Это свойство проявляется в сдвиге или вращении блоков относительно друг друга. Вероятность его проявления тем выше, чем гуще сеть трещин и чем больше раскрытие трещин. Иллюстрацией подвижности блоков в основании плотины СШГЭС является наблюдавшееся переключение разгрузки фильтрационного потока с одной дренажной скважины в основании на другую. Этот факт свидетельствует о подвижности скальных отдельностей в основании первого столба плотины, о том, что при отметках УВБ 470—480 м отдельные скальные блоки массива основания уже имели определенную степень свободы в своих перемещениях.

Дренаж основания глубиной до 45 м устроен в пределах первого столба плотины. Напряженное состояние под этой частью сооружения значительно изменяется как в течение года, так и в процессе всех лет эксплуатации. Вариации напряжений в массиве вызывают соответствующие изменения раскрытий трещин, что ведет к значительным изменениям расхода дренажной сети в годовом цикле.

Наблюдаемое уменьшение расхода дренажа основания плотины СШГЭС в процессе эксплуатации

Эффект аномального изменения расхода дренажа основания СШГЭС в годовом цикле колебания УВБ исследовался методом ЭГДА. Размеры модели фильтрующего основания были следующими: глубина 900 м, длина в сторону ВБ 1500 м, длина в сторону НБ 900 м. Модели отличались одна от другой только проницаемостью слоев основания.

Проницаемость кусочно-однородных моделей основания, м/сут

Номер слоя	Мощность слоя, м	Модель 1	Модель 2
1	130	0,100	0,100
2	130	0,010	0,040
3	130	0,001	0,010
4	500	0,001	0,001

Модель 2 воспроизводила эффект увеличения проницаемости массива в пределах глубин 130—390 м за счет проникновения туда волны повышенного напора и действия ОФ-сил. Этот эффект отвечает событию 1985 г., когда после быстрого наполнения водохранилища на 66 м уровень ВБ три месяца держался на постоянной отметке 516 м.

На модели 2 область питания дренажа уменьшилась из-за значи тельного увеличения проницаемости верхней толщи основания. Если на модели 1 граничная линия тока, питающая дренаж, начиналась на расстоянии 100 м от напорной грани, то на модели 2 это расстояние уменьшилось до 60 м. Соответственно этому удельный расчетный расход дренажа уменьшился на 0,2 л/с, что приблизительно отвечает натурным данным.

Можно считать доказанным, что при увеличении напора в ВБ с течением времени увеличивается проницаемость большого объема массива основания. За счет этого фактора гидродинамическая сетка течения трансформируется таким образом, что часть линий тока, заглубляясь в основание, переключает на нижний бьеф часть расхода, ранее поступавшего в дренаж.

Многолетнее уменьшение фильтрационного расхода в основании плотины объясняется одновременным действием двух факторов.

Первый фактор—увеличение проницаемости массива, вызванное описанными выше глубинными процессами массо- и теплообмена. Проницаемость основания в пределах глубин 100—300 м увеличивается в среднем на 90 %, в пределах глубин 300—500 м увеличивается на 200% (см. рис. 6.2). Техногенное увеличение проницаемости массива основания является также причиной наблюдаемого медленного роста пьезометрических напоров в подземном контуре плотины. Увеличению роста напоров в пьезометрах способствует также разуплотнение основания под первым столбом плотины и уплотнение основания под четвертым столбом.
Второй фактор — уплотнение подстилающего ложе водохранилища массива горных пород, происходящее за счет роста горизонтальных напряжений, вызванных прогибом земной коры. Дренаж основания плотины СШГЭС контролирует состояние примерно 20 · 10⁶ м³ вмещающих горных пород. Наблюдаемое многолетнее уменьшение суммарного дренажного расхода свидетельствует об уменьшении проницаемости огромного объема скальных пород.

Если рассуждать методом от противного, то можно утверждать, что уменьшение проницаемости большого объема скального массива прямо и косвенно подтверждает факт схождения берегов и прогиба земной коры от веса водохранилища СШГЭС.

← Причины и следствия роста напряжений в элементах турбинного водопроводящего тракта