Причины необратимых радиальных и угловых перемещений плотины
Напряженно-деформированное состояние плотины формируется не только главными нагрузками: гидростатическим давлением воды на напорную грань и воздействием температуры наружного воздуха. Помимо этих факторов в годовом и многолетнем цикле на состояние плотины существенным образом влияют и другие факторы: процессы тепломассообмена и объемные фильтрационные силы в основании и берегах; прогиб земной коры и сближение берегов; деструкция зацементированной области основания и снижение конструктивного модуля деформации плотины. Например, в зоне переменного уровня верхнего бьефа интенсивность деструкции бетона напорной грани за счет выщелачивания растворной компоненты может составлять примерно 1 мм/год.
В целом текущее качество бетона плотины отвечает нормативным требованиям. Основные физико-механические характеристики бетона следующие: среднее значение модуля упругости бетона 4,3 • 104МПа; среднее значение плотности 2,5 г/см3; средняя прочность бетона М300, определенная по выбуренным кернам, составляет 39 МПа; величина влажности в различных зонах плотины находится в пределах от 2,5 до 6%.
Якоря обратных отвесов в системе «плотина-основание» заглублены в основание на 42 м, поэтому абсолютные горизонтальные смещения основания плотины СШГЭС превосходят измеряемые значения — отвесами измеряется только часть реальных смещений. Фиксируемые значения горизонтальных смещений отражают состояние только верхних слоев основания плотины. Расчеты показывают, что при увеличении отметки УВБ с 464 до 530 м приращение горизонтального смещения точки закрепления якоря обратного от веса в основании секции 33 в сторону НБ от действия касательных напряжений на контакте «бетон—скала» достигает 1,6 мм. Это та часть горизонтальных смещений, которая является неизмеряемой.
При измерении осадок плотины в цементационной галерее, расположенной вблизи напорной грани, регистрируются не только вертикальные смещения основания, вызванные давлением воды на ложе водохранилища и весом сооружения, но и вертикальные смещения, вызванные поворотом основания под действием приложенных к контакту «бетон— скала» нормальных и касательных напряжений, то есть наклоном плотины. При этом вертикальные смещения, вызванные давлением воды на ложе водохранилища, всегда направлены в сторону, противоположную смещению, обусловленному поворотом основания.
В период наполнения водохранилища фильтрационный поток в основании и берегах только начинал развиваться. По этой причине до 1990 г. произошла максимально большая осадка ложа водохранилища, вызванная действующей по поверхности ложа всей силой веса водохранилища. В результате произошел максимально большой поворот контактной плоскости «скала—бетон» в сторону верхнего бьефа. В последующие годы и до настоящего времени происходило развитие фильтрационного потока в основании, в результате чего величина поверхностной силы, действующей по ложу водохранилища, в соответствии с уменьшалась. Пропорционально уменьшению осаживающей поверхностной силы уменьшалась осадка ложа и основания плотины. Вместе с этим уменьшался первоначальный максимальный наклон плотины в сторону ВБ, полученный ею до 1990 г. Этот процесс естественного «выправления» плотины является составной частью необратимого роста углов наклона плотины в сторону нижнего бьефа.
Происходящее одновременно с этим синхронное уменьшение эффективного модуля упругости береговых массивов увеличивает углы наклона и радиальные перемещения плотины в сторону нижнего бьефа.
Непрерывное снижение упругих свойств береговых массивов происходит во всем пространстве ниже отметки 450 м. Снижение упругих свойств берегов в области, расположенной выше отметки установки якоря обратного отвеса 260 м и отметкой 450 м, увеличивает радиальные и угловые перемещения секций плотины. Свой вклад в формирование необратимых радиальных перемещений плотины обеспечивают УФ-силы в массиве береговых примыканий, которые сформировались за счет обходной фильтрации в берегах. Эти процессы в расчетах устойчивости плотины СШГЭС во внимание не принимались.
Важно различать углы наклона горизонтальной плоскости, определяемые на разных отметках плотины гидронивелирами, и углы наклона напорной грани плотины, определяемые как градиент радиальных перемещений первого столба в вертикальном направлении. Значения этих углов наклона близки, однако отождествлять их не следует, так как некоторые секции плотины не работают монолитным профилем.
Некоторые секции плотины «расщепились» и воспринимают гидростатическую нагрузку по принципу рессоры, а не как монолитные конструкции. Межстолбчатый шов I—II, выходящий на низовую грань, максимально раскрывается выше отм. 461 м в мае при УМО, в максимально обжатом состоянии шов находится в декабре-январе. Сезонный размах раскрытия от 0,01 до 0,3 мм. Ежегодное необратимое увеличение раскрытия шва до 0,025 мм/год. Таким образом, в отдельных местах плотина «расщепляется» по шву между первым и вторым столбом как в сезонном, так и в многолетнем цикле. В апреле-мае первый столб плотины в отдельных местах держит гидростатический напор 200 м как бы самостоятельно.
Необратимое увеличение раскрытия этого шва происходит за счет процесса «сближения берегов». За счет сближения берегов гребень первого столба секции 33 получает импульс перемещений около 0,5 мм/год. Сближающиеся берега «толкают» гребень арки первого столба в сторону ВБ с опережением по сравнению с гребнем второго столба. Таким образом, процесс сближения берегов ежегодно «разводит» столбы I—II на 0,025 мм/год. Процесс «расщепления» плотины приводит к тому, что столб I лишается части поддержки со стороны столба II, в результате чего на верхних отметках плотины наблюдается рост арочных напряжений.
Подтверждение «немонолитности» русловых секций плотины следует из кривой зависимости осадок основания четвертых столбов секций от углов поворота горизонтальной плоскости в районе подошвы. Подобный ход кривой осадок свидетельствует о том, что центральные секции плотины работают не полным профилем при больших углах поворота.
Дополнительные угловые перемещения плотина получает за счет постепенной потери монолитности профиля, «расщепления» плотины и увеличения амплитуды скольжения бетона по плоскостям межстолбчатых швов при увеличении сезонной гидростатической нагрузки. Расщепленные секции при восприятии нагрузки наклоняются
больше монолитных секций. Сезонные повторно-статические нагрузки на плотину создают повышенные срезывающие усилия в плоскостях трех межстолбчатых швов. Процесс расщепления плотины увеличивается за счет износа и старения элементов штрабления в плоскости межстолбчатых швов.
Зависимость осадок основания четвертых столбов секций плотины от угла поворота плоскости подошвы
Процесс расщепления плотины может быть усилен водой высокого напора в случае ее проникания в полости межстолбчатых швов плотины. Это явление также наблюдалось службой эксплуатации. В таком случае статическая схема работы плотины в корне меняется. Однако эта версия до сих пор проектной организацией не проверялась.
Снижение модуля упругости пород основания является причиной схождения берегов и уменьшения длины хорд арки на трех наблюдаемых отметках (344, 417 и 467 м). Некоторый вклад в процесс сближения (до 3—4%) также вносит медленный прогиб земной коры, формирующий в горных породах дополнительные нормальные сжимающие напряжения.
Как говорилось выше, расчетную длину водохранилища СШГЭС, формирующего значимые осадки прилегающей территории, следует принимать равной 8000 м. Происходящие на этом участке водохранилища изменения «осаживающей» поверхностной силы определяют динамику роста углов наклона плотины в сторону нижнего бьефа.
Траектории годовых радиальных перемещений гребня имеют одни и те же особенности и стадии. Отрезок AFопределяет остаточное радиальное перемещение плотины в годовом цикле, которое накапливается за счет глубинных геодинамических процессов в основании и берегах. За последние 20 лет наблюдений среднее ежегодное значение остаточного радиального перемещения гребня секции 33 составляло около 2 мм.
Определяющие векторы радиальных перемещений плотины СШГЭС в годовом цикле наблюдений.
Точки: А—начало мая ;В—середина августа; С—середина ноября; D—середина февра¬ля; Е—конец апреля; F—начало мая. Слагаемые вектора перемещений: 1 —перемеще¬ния от наполнения водохранилища; 2—перемещения от нагревания низовой грани пло¬тины; 3 — перемещения от охлаждения низовой грани; 4 — перемещения от сработки водохранилища; 5— результирующее перемещение
В общем случае фильтрация в приплотинной области основания осуществляется в соответствии с особенностями распределения напоров в фильтрующем массиве горных пород. Однако структура фильтрационного потока может быть осложнена наличием тектонических зон. Эта особенность могла стать причиной зафиксированного натурными наблюдениями повышенного горизонтального перемещения основания и нижней отметки секции 18 плотины СШГЭС в сторону нижнего бьефа непосредственно перед аварией 17 августа 2009 г..
Противофильтрационная и укрепительная цементация вовлекает в совместную с плотиной работу большой массив горных пород. В пределах контура цементации горные породы являются более однородными по упругим и прочностным характеристикам. Модуль деформации зацементированного массива можно считать равным конструкционному модулю деформации бетона 2,5·104 МПа.
Увеличению углов наклона также способствует стресс-коррозия бетона в районе подошвы плотины. Стресс-коррозия представляет собой хрупкое разрушение нагруженного бетона в виде образования множества микротрещин, постепенно проникающих вглубь бетона с его поверхности. Это явление для бетона слабо изучено. Механические напряжения, возникающие в бетоне плотины в результате наложения постоянных и переменных нагрузок, снижают его коррозионную стойкость, ухудшают его функциональных характеристики. Наиболее напряженные участки бетона в зоне действия растягивающих напряжений у напорной грани, сжимающих под четвертым столбом или сдвигающих усилий в районе подошвы подвержены ускоренной деструкции. Состояние кернов, извлеченных из бетона в области подошвы плотины подтверждает эту версию. Вклад процесса выщелачивания и ослабления зацементированного пространства в увеличение угловых и радиальных перемещений подошвы плотины составляет несколько первых процентов от общей совокупности факторов.
Примерная эволюция пространственных перемещений ключевой секции плотины СШГЭС приводится на рисунке ниже.
Из исходного положения 1 (1978 г.) в положение 2 плотина перешла после наполнения водохранилища до отметки 520 м (примерно в 1988 г.). В этот период действующая по поверхности ложа сила веса водохранилища максимально осадила основание плотины, а плотина получила максимальную осадку и максимальный наклон контакта «бетон—скала» в сторону ВБ.
Из положения 2 в положение 3 плотина перешла относительно быстро, когда в приплотинном массиве основания до глубины 200 м установился фильтрационный поток. В результате общая осадка уменьшилась, плотина немного поднялась и переместилась в сторону НБ.
Из положения 3 в положение 4 плотина перемещалась под действием и по мере формирования фильтрационного потока до глубины 600—800 м (2010 г.). В этот период развивающиеся УФ-силы перемещали толщу основания вместе с плотиной в сторону НБ и уменьшали осадку ложа водохранилища в приплотинной зоне на расстоянии до 800 м от напорной грани плотины. Одновременно с этим ОФ-силы и конвективное охлаждение совместно обеспечивали медленное увеличение осадки основания. Из этих двух разнонаправленных процессов более сильным являлся первый, в результате плотина медленно поднималась и выправлялась, получая необратимые «неупругие» угловые перемещения в сторону НБ.
Примерная эволюция пространственных перемещений ключевой секции плотины Саяно-Шушенской ГЭС от действия веса водохранилища, фильтрационных сил и охлаждения массива основания
1—исходное состояние в 1978 г.; 2—при выходе УВБ на отметку 520 м в 1988 г.; 3—при развитии фильтрационного потока до глубины 200 м в 1991 г.; 4 — при развитии фильт-рационного потока до глубины 600 м в 2010 г.; 5 — при развитии фильтрационного потока до глубины 800—1000 м и охлаждении до глубины 400 м в 2040 г.
В этот же период времени увеличивались необратимые радиальные перемещения плотины. Эти «неупругие» перемещения обусловлены происходившим снижением эффективного модуля упругости основания, вызванным его фильтрационным охлаждением и химической суффозией зацементированной части подземного контура.
Из положения 4 в положение 5 плотина перемещается в настоящее время и будет перемещаться еще много лет. Сейчас глубинные процессы тепломассообмена продолжаются, УФ-силы и ОФ-силы умвеличиваются, охлаждение массивов основания и берегов продолжается, деформируемость и проницаемость массива увеличиваются. В результате этих неучитываемых процессов основание «уйдет» из-под центральных секций плотины примерно на 25 мм. Эти процессы снизят и без того небольшой коэффициент запаса несущей способности плотины (1,16—1,22 при ФПУ 547,5 м).