Глубинный конвективный теплообмен в основаниях высоких плотин
Первый от земной поверхности слой с постоянной годовой температурой называют «нейтральным слоем». При среднем значении температуропроводности горных пород Земли (0,01 см2/с) глубина залегания «нейтрального слоя» составляет 25,4 м. От этого слоя в глубь массива обычно начинается естественный рост температуры с некоторым геотермическим градиентом, среднее значение которого 0,03 град/м. Ниже «нейтрального слоя» годовые температурные амплитуды могут быть обусловлены только техногенными процессами, например, фильтрацией.
Фильтрационный поток, развивающийся в основаниях и береговых примыканиях высоких плотин, вследствие большой динамичности и высокой теплоемкости воды формирует мощные температурные аномалии. В высоких широтах водохранилища обычно «растепляют» земную кору. В средних и южных широтах глубокие водохранилища оказывают охлаждающее влияние на температурный режим земной коры, поскольку придонная вода в них имеет относительно невысокую температуру.
До наполнения водохранилища СШГЭС среднегодовая температура придонной воды в р. Енисей составляла примерно 10 °С (летом — 16 °С, зимой — 4 °С). До этого момента в подстилающем речное русло массиве существовало естественное температурное поле, изменение которого носило сезонный характер и не затрагивало внутренних зон массива. После наполнения водохранилища картина существенно изменилась. Придонные воды глубокого водохранилища, имеющие в течение всего года постоянную температуру около 4 °С, проникают вглубь массива и вызывают его медленное и непрерывное охлаждение.
В зависимости от инженерно-геологических условий створа инфильтрационные воды верхнего бьефа охлаждают прилегающий к области питания массив на глубину в сотни метров. Таким образом, в области инфильтрации под ложем водохранилища и под плотиной в горных породах образуются локальные отрицательные температурные аномалии. В области разгрузки подземного потока вода выносит Из глубины массива аккумулированное ею тепло. Тем самым в области разгрузки создаются локальные положительные аномалии в температурном поле геологической среды.
Площадь и интенсивность положительных и отрицательных температурных аномалий в районе створа плотины изменяются во времени и определяются температурой воды на границе питания личиной фильтрационного расхода в основании и берегах. Например за первые 20 лет эксплуатации СШГЭС фильтрационный поток равномерно охладил основание плотины до глубины около 400м: от 0 до 200 м — в среднем на 4 °С; от 200 до 400 м — на 2 °С.
Годовое изменение температуры воды, изливающейся из верховых пьезометров основания СШГЭС
1 — температура придонной воды: 2,3 — пьезометры ПС 1 секций 25 и 39 при заглублении водоприемника 10м; 4 — пьезометр ПВЗ секции 25 при заглублении водоприемника 70 м.
Выполним оценку охлаждающего воздействия фильтрационного потока в основании высоких плотин на состояние вмещающих горных пород. Придонные воды, имеющие постоянную температуру около +4°С, проникают вглубь массива и постоянно охлаждают его. Главными факторами, определяющими в течение всех лет эксплуатации переменное температурное поле основания плотины, являются глубинный тепловой поток, идущий из земных недр- и мощный фильтрационный поток, развивающийся в массиве основания и берегов. Конвективная составляющая теплового потока в горных породах уменьшается с глубиной по мере уменьшения их проницаемости, однако до глубины 500—600 м охлаждающее воздействие фильтрационного потока вполне ощутимо.
Проведем численную оценку процесса охлаждения массива основания СШГЭС фильтрационным потоком. На рисунке ниже приведены типичные линии тока фильтрационного потока в большой толще скального основания. В расчетах использовалось значение плотности теплового потока, направленного из недр к земной поверхности q = 50 мВт/м2 и геотермического градиента Г = 0,03 град/м. Температура фильтрующейся воды на границе питания принята
Tвх=+4оС
Схема взаимодействия глубинного теплового потока и лент тока фильтрационного потока в толще основания плотины
1 — головная часть развивающегося фильтрационного потока в пределах ць1деленных лент тока; 2—лента тока, перехватывающая глубинный тепловой поток (тепловая завеса); 3 — область основания, охлажденная фильтрационным потоком
В первую очередь определялась лента тока, в пределах которой за 20 лет с начала эксплуатации водохранилища установившихся фильтрационный поток холодной воды способен перехватить идущий из недр Земли тепловой поток. Для этого использовалось слудующее, уравнение теплового баланса между фильтрационным потоком геотермическим потоком:
где Мв — масса воды, заполняющая поры и трещины фильтрующего массива в пределах рассматриваемого отсека ленты тока; св —удельная теплоемкость воды; ΔТ — приращение температуры фильтрующей воды; Ω — площадь горизонтальной плоскости, через которую идет геотермический поток, перехватываемый рассматриваемым отсеком фильтрационного потока; П — коэффициент пустотности ( пористости) массива в пределах рассматриваемого отсека; L— средняя: длина рассматриваемого фильтрующего отсека; — коэффициент фильтрации массива в пределах рассматриваемого отсека; i — градиент напора в пределах отсека.
Расчет показывает, что через 20 лет эксплуатации гидроузла глубинный тепловой поток блокируется лентой тока 2, проходящей глубине около 400 м. В данном случае эта лента тока выступает в ро тепловой завесы. Под прикрытием этой завесы вышерасположенный фильтрационный поток не испытывает воздействия глубинного тела. В области основания, заключенной между линией тока 400 м земной поверхностью, фильтрационный поток с температурой на входе Твх = +4 °С беспрепятственно уменьшает температуру Тск скального массива основания. За счет конвективного теплообмена температура этих двух взаимодействующих сред принимает одно и то же значение Т. Уравнение теплового баланса между фильтрационным потоком и массивом основания имеет следующий вид:
где Мск—масса скальной породы, участвующей в теплообмене с фильтрационным потоком в рассматриваемом отсеке; сск — удельная теплоемкость скального массива. Здесь в зависимости от глубины рас четной области принимались следующие значения параметров пористости и проницаемости: П = 0,03 - 0,05; кф = (1 - 6) • 10-7 м/с
Расчеты показывают что за первые 20 лет эксплуатации СШГЭС фильтрационный поток неравномерно охладил основание тины примерно до глубины 400 м: от 0 до 200 м — в среднем на пт 200 до 400 м — в среднем на 2 °С.
Кривые распределения температур в массиве основания плотины СШГЭС в разные моменты времени
1 — естественное температурное поле до наполнения водохранилища; 2—измененное температурное поле в 2010 г.; 3 — измененное температурное поле в 2040 г.
Проникание фильтрационного потока вглубь скального основания плотины вызывает его медленное и непрерывное охлаждение. Охлаждение скального основания фильтрационным потоком приводит к Уменьшению размеров отдельных блоков и ослаблению связей между ними. С точки зрения деформационных процессов уменьшение температуры массива горных пород на ΔТ эквивалентно уменьшению Модуля упругости массива на некоторую величину ΔЕ. С точки зрения фильтрационных процессов уменьшение температуры массива горных пород на ΔТ эквивалентно увеличению проницаемости массива на некоторую величину Δкф.