Причины непрекращающегося разуплотнения контакта «скала—бетон»

Теории прочности, давая ответ на вопрос, произойдет или нет разру­шение конструкции, не отвечают на вопрос, где и когда разрушение произойдет, и какой оно будет носить характер. Любая попытка пред­сказать и предупредить разрушение конструкции или сооружения, в первую очередь, должна быть направлена на выяснение механизма возникновения в них растягивающих деформаций и напряжений.

Контактный шов «скала—бетон» и прилегающая к нему область основания плотины являются наиболее ответственными элемента­ми гидроузла. Наступление предельного состояния системы «бе­тон—скала» следует ожидать, прежде всего, от нарушения нормаль­ной работы контактного шва. Процессы разуплотнения основания под первыми столбами плотины СШГЭС не могут продолжаться бесконечно: на какой-то стадии эксплуатации может наступить ресурсный отказ системы «плотина—основание» со всеми негатив­ными последствиями.

Каждый год в начале мая плотина СШГЭС возвращается к вос­приятию минимальной гидростатической нагрузки при отметке УВБ 500 м. К этому моменту за каждый прошедший год вмещающий мас­сив горных пород за счет непрекращающихся глубинных геодинами­ческих процессов приобретает новые физико-механические свойства. Можно сказать, что по истечении каждого очередного года массив основания и берегов к моменту очередного наполнения водохрани­лища становится другим. В результате плотина вынуждена непрерыв­но подстраиваться под те новые условия, которые ей диктует непре­рывно изменяющаяся геологическая среда.

Измеряемые осадки прилегающей к водохранилищу территории считаются абсолютными, хотя измеряются на сравнительно небольших расстояниях от фундаментальных реперов — около 3 км. Фактическое силовое влияние водохранилища распространяется на значительно большее расстояние. Расчеты осадок «в постановке Буссинеска» пока­зывают, что фундаментальный репер, расположенный в нижнем бье­фе СШГЭС на расстоянии 2,9 км от плотины, при отметке УВБ 540 м получает осадку около 20 мм.

Из решения задачи теории упругости для однородного полупрос­транства, к границе которого приложена равномерно распределен­ная нагрузка, следует, что осадки и углы наклона вдоль потока повер­хности оснований русловых! секций всегда больше, чем береговых, а наклоны поверхности оснований секций в створе плотины всегда направлены к центру русла. Расчеты показывают, что кривизна деформированной поверхности массива основания вблизи напорной грани для центральной секции почти в два раза больше, чем для бе­реговых секций. Это одна из причин опережающего раскрытия кон­тактного шва под секцией 33 плотины СШГЭС. В момент начала рас­крытия контактного шва под этой секцией УВБ составлял 63 % от НПУ. В береговых секциях контактный шов раскрылся позже — при уров­не ВБ, составляющем 74 % от НПУ.

Быстрое приложение внешних нормальных напряжений к водона­сыщенной горной породе сопровождается возникновением избыточ­ного трещинно-порового давления, которое принимает на себя часть внешней нагрузки. Увеличение пьезометрического давления в трещи- новато-пористом массиве в механическом отношении эквивалентно приложению растягивающего напряжения по его контуру. Следует учи­тывать, что увеличение трещинно-порового давления всегда снижает сопротивляемость образцов горной породы разрушению.

В водонасыщенных массивах оснований, точно так же как и в во­донасыщенном бетоне плотин, внутренние напряжения зависят не только от величины деформации этих материалов, но и от скорости изменения деформации. В основе этого явления кроме собственно реологических свойств горных пород и бетона лежат нестационарные фильтрационные процессы. При анализе поведения бетонных плотин и их оснований следует учитывать этот важный фактор. При быст­ром увеличении на Дет нагрузки в водонасыщенном массиве увели­чивается трещинно-поровое давление. Если предположить, что филь­трационный отток воды из трещин и пор нагруженного массива не успевает произойти, то поровое давление увеличится на величину, определяемую следующим выражением:

где β_б — коэффициент сжимаемости блока горной породы (или бето­на): β_в— коэффициент сжимаемости воды; П — эффективная порис­тость; Δε— относительная объемная деформация.

При быстром нагружении типичного водонасыщенного массива с коэффициентом пористости П = 0,05 напряжением Δσ в условиях от­сутствия оттока воды из порового пространства давление в порах уве­личивается на величину Δр = 1,2Δσ. В первый момент нагружения эффективный модуль упругости водонасыщенно­го массива будет повышенным. С течением времени вода отфильтро­вывается, поровое (пьезометрическое) давление падает, эффективный модуль упругости массива уменьшается. Эта особенность упругой ра­боты водонасыщенного основания отчасти объясняет наличие петли гистерезиса на кривой сезонной деформации контактной зоны осно­вания секции 33 плотины. Такая же особенность «запаздыва­ющей упругости» свойственна и водонасыщенному бетону. Насто­раживает то обстоятельство, что в отдельные годы смещение якорей относительно подошвы плотины почти скачком увеличивается.

Осадки основания плотины постепенно изменялись по мере ее возведения и наполнения водохранилища. На начальном этапе подъе­ма УВБ осадки под напорной гранью были больше, чем под низовой гранью. Это объясняется тем, что при низких значениях УВБ преоб­ладал поворот контактной плоскости в сторону ВБ, обусловленный давлением по ложу водохранилища. На этом этапе плотина и основа­ние работали как единое целое.

Типичное раскрытие УВБ, м контактной зоны основания в слое толщиной 20 м секции плотины СШГЭС при изменении УВБ в пределах отметок от 500 до 538 м

По мере повышения УВБ наступил момент (1984—1985 гг.), когда начал преобладать поворот контактной плоскости в сторону НБ и фиксируемые осадки плотины вблизи напорной грани начали сни­жаться. В этот период деформации растяжения в районе напорной грани повлекли за собой нарушение сцепления плотины с основани­ем. Так образовался контактный шов. При отметках УВБ выше 500 м плотина и основание под первым столбом стали жить каждый своей жизнью.

Эволюция перемещений и напряженно-деформированного состо­яния плотины тесно связана с параметрами развития фильтрацион­ных процессов в основании и береговых примыканиях. Длительные многолетние перемещения плотины, а также раскрытие контактного шва в значительной степени определяются снижением температуры пород основания, увеличением пьезометрического напора и градиен­та напора в толще скального основания и берегов. При этом постоян­ное охлаждение массива и увеличение значений фильтрационного напора в трещинах непрерывно увеличивают деформируемость и проницаемость основания и берегов, что обеспечивает непрекраща- ющееся пространственное перемещение плотины.

Процессы массо- и теплопереноса в основании плотины и бере­гах постоянно увеличивают проницаемость и деформируемость гор­ных пород и от этого усиливаются сами процессы. Наиболее полно реакцию основания и берегов на создание водохранилища можно определить только при учете всех сформировавшихся в их объеме фильтрационных сил и воздействий. На рисунке ниже изображена лента тока фильтрационного потока в основании плотины в пределах глу­бин 400—600 м, состоящая из шести фрагментов. На каждый из i фрагментов действует увлекающая фильтрационная сила (УФ-сила), равная

где α_i;— коэффициент прерывистости сети трещин в объеме фраг­мента; grad р_i — градиент пьезометрического давления в преде­лах фрагмента; W_i — объем фильтрующего фрагмента единичной ширины.

Схематичное изображение ленты тока в фильтрующем основании плотины СШГЭС в пределах глубин 400—600 м

1 — часть напора ВБ. работающего на осадку; 2 — часть напора ВБ. пошедшего на формирование фильтрационных сил; 3 — полный напор в верхнем бьефе

Объем фрагмента W_i= 52 400 м³; примем а_х = 0,5; при отметке УВБ 500 м в каждом фрагменте устанавливается градиент давления grad р_i = 760 Па/м. При этих значениях из получаем F_i = 20 МН (2000 т). В пределах всей ленты тока на массив действует объемная увлекающая фильтрационная сила (УФ-сила), равная сумме отдель­ных фрагментарных сил ΣF_i= 120 МН (12 000т).

Рассматриваемая лента тока питается водой из водохранилища по площади w = 200 м². При напоре в верхнем бьефе 200 м по этой площади действует сила Р_п = 400 МН (40 ООО т). Таким образом, часть этой поверхностной силы, действующей в ВБ по площади w = 200 м², израсходована на формирование глубинных УФ-сил ΣF_i = 120 МН. После этого в верхнем бьефе «остается» неизрасходованная на фор­мирование фильтрационных сил следующая поверхностная сила P_n = (P₀ - ΣF_i). В пересчете на оставшийся в верхнем бьефе неизрасхо­дованный напор Н из этого выражения получаем:

Находим Р_п = (400 - 120) = 280 МН, чему соответствует «ос­таточный» напор в верхнем бьефе Н_ост = 140 м.

Таким образом, при расчете воздействия водохранилища на НДС массива основания и высокой бетонной плотины нужно закладывать в расчет сформировавшееся поле объемных фильтрационных сил в большой толще основания и оставшуюся «неизрасходованную часть» поверхностной силы веса водохранилища. Это единственно правиль­ный подход к определению осадок и горизонтальных перемещений плотины и прилегающей территории, вызванных силовым воздей­ствием глубокого водохранилища. К сожалению, это обстоятельство в расчетах устойчивости плотины СШГЭС не учитывается.

Кроме необходимости полного учета изменяющихся во времени силовых факторов воздействия водохранилища на геологическую среду необходимо учитывать изменение физико-механических свойств пород основания и берегов. Совместное воздействие техно­генных геодинамических факторов существенно увеличивает дефор­мируемость и проницаемость основания плотины в процессе ее эксп­луатации (см. рис. 6.3). В пределах первых 300 м основания ниже по­дошвы плотины модуль упругости массива уменьшается на 26—15 %, а проницаемость массива увеличивается на 92—204 %. Этот важней­ший фактор также не принимается в расчет при определении и без того небольшого значения коэффициента запаса устойчивости пло­тины СШГЭС [54].

Влияние фильтрационного давления и температуры на физико­механические свойства пород основания настолько велико, что пре­небрегать ими при расчетах НДС основания и плотины нельзя. Имен­но эти процессы обеспечивают непрекращающееся разуплотнение (снижение напряжений сжатия по горизонтальным площадкам) кон­такта «скала—бетон». Относительно небольшое охлаждение основания в пределах первых 200 м (на 6 °С) «уводит» основание из-под пло­тины СШГЭС на 29 мм. С учетом опрессовывающих сил (ОФ-сил) «уход» основания еще более существенный и составляет 38 мм. Однако в настоящее время эти сильные глубинные геодинамические процессы в основаниях высоких бетонных плотин не perламентированы и в расчет не принимаются.

Представляется важной необходимость учета асимметрии инже­нерно-геологических условий створа. Активные геодинамические процессы захватывают толщу горных пород основания и берегов до глубины не менее 1000 м. В левобережной части этой тол­щи массива преобладают граниты, в правобережной — сланцы. Если проницаемость k_ф и коэффициент температурного расширения а_х гранитов окажется больше проницаемости k_ф и коэффициента a_t сланцев, то перемещения левобережного примыкания плотины будут существенно отличаться от перемещений правобережного примыка­ния. Этот фактор также не принимается в расчет.

К настоящему времени процессы теплообмена в основании пло­тины стабилизировались до глубины примерно 300 м. На более глу­боких отметках скальное основание продолжает охлаждаться, бере­говые массивы также охлаждаются фильтрационным потоком, вызы­вая дополнительные перемещения плотины, наблюдаемые на протяжении всех лет эксплуатации.

Особенность инженерно-геологического строения основания сек­ции 18 плотины заключается в наличии двух крутопадающих текто­нических зон, отделяющих основание секции от остальной части мас­сива горных пород.

Подобная обособленность основания формирует в нем особый ре­жим фильтрации и особое напряженно-деформированное состояние. Не случайно перед аварией 17 августа 2009 г. радиальные перемеще­ния основания секции 18 и контакта «бетон—скала» имели особенно­сти. Видимо также не случайно на сильное землетрясе- ние в Тыве 16 августа 2008 г. с К=14,6 наиболее сильно отреагирова­ла секция 18 плотины на отметке 521 м.

Одной из причин наблюдаемых нестационарных явлений в ство­ре плотины является изменение деформационных и фильтрационных характеристик скального основания во времени, вызванное выщела­чиванием оксида кальция из зацементированных областей основа­ния. Однако вклад этого фактора в общие перемещения плотины со­ставляет не более 3—4 % .

Обособленность основания секции 18 плотины, вызванная тектоникой

1 —гранитная интрузия: 2 — метаморфические сланцы; 3 — тектонические нарушения: 4 — сосредоточенный фильтрационный поток в основании секции

Цементационные работы в основании действующей плотины СШГЭС проводятся практически постоянно. Немалый вклад в ано­мальные «неупругие» перемещения плотины внесли цементационные работы. Во время цементации основания русловых секций 15—22 произошло раскрытие трещин в горной породе на глубине до 10 м от контактного шва. Увеличение раскрытия трещин доходило до 1,3 мм. Нагнетание раствора в трещины основания одной секции изменяло напряженно-деформированное состояние массива основания сосед­них секций. Так при подаче закрепляющего раствора в основание сек­ции 16 наблюдались деформации в 30-метровой толще основания под секциями 17—20. Остаточные раскрытия зацементированных тре­щин в основании секций 15—19 составили 0.5—1.3 мм. В результате цементации основания секции 18 контакт «скала—бетон» под напор­ной гранью раскрылся на 1,3 мм. Остаточные раскрытия трещин в основании секций 22—26 на глубине до 20 м составили от 0,03 до 0,39 мм. Под первыми столбами правобережных секций плотины создан клин из инъекционного материала 0,5—0,9 мм.

Подобные результаты свидетельствуют о высоких давлениях це­ментации, которые использовались при проведении ремонтных ра­бот. Давление нагнетания закрепляющего раствора не должно раз­рывать горную породу и образовывать широкие трещины большой протяженности, а также не должно опасно поднимать секции плоти­ны и тем самым существенно изменять ее НДС.

Выражение для определения давления нагнетания р_{гр п}, разры­вающего горную породу, имеет следующий вид:

где рgН— геостатическое напряжение, создаваемое весом вышележа­щей толщи горных пород и плотиной; — радиус горизонтальной це­ментируемой трещины; К_IС — критическое значение коэффициента интенсивности напряжений. Для горных пород К_IC = 20—40 Н/мм^1.5.

Расчеты показывают, что цементация горизонтальной тре­щины под пригрузкой мощностью Н = 34 м при давлении нагнетания 2 МПа вызывает поднятие массива вместе с плотиной на 4,2 мм, це­ментация при давлении 3,4 МПа вызывает поднятие на 6,4 мм.

При больших давлениях цементации суммарный подъем контак­та бетон—скала вместе с плотиной СШГЭС накапливается от цемен­тации каждой отдельной зоны. Суммарное поднятие плотины будет тем больше, чем больше число цементируемых зон, субгоризонтальных трещин в зонах и давление нагнетания. Остается неясным, чем руководствовалась проектная организация при назначении давления нагнетания цементного раствора.