Качественные проявления сильных воздействий водохранилищ
1. Натурные наблюдения за состоянием высоких бетонных плотин свидетельствуют о том, что в их основаниях и береговых примыканиях протекают неучтенные при проектировании глубинные геодинамические процессы, скорость которых невелика, но достаточна, чтобы их результаты имели реальное негативное проявление в виде необратимых перемещений плотин и непрекращающегося роста напряжений в их теле.
2. Особенно заметные и многочисленные аномалии обнаружены в поведении арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС, которым современная гидротехническая наука до сих пор не дала надежного физического толкования. Без четкой физической интерпретации причин нестационарного состояния комплекса «плотина-основание» невозможно выстраивать прогнозные оценки безопасной и устойчивой работы высоких бетонных плотин и гидроагрегатов большой единичной мощности.
3. Эксплуатация высоких плотин в условиях информационной неопределенности относительно причин их непроектного состояния является недопустимой. Например, эксплуатация в подобных условиях арочно-гравитационной плотины СШГЭС нарушает ст. 9 Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений», которая требует от собственника проведения анализа «причин снижения безопасности сооружений с учетом вредных природных и техногенных воздействий».
- осадки и горизонтальные перемещения земной поверхности под действием гидростатической нагрузки, формирующей в упругом полупространстве геологической среды поле повышенных фильтрационных напоров и температурных напряжений;
- прогиб всей толщи упругой земной коры в подстилающее полупространство вязкого мантийно-астеносферного вещества;
- наведенные (индуцированные) сейсмические события в толще земной коры, осуществляемые через активизацию тектонических разломов в пространстве вмещающей геологической среды.
5.Крупные водохранилища формируют в геологических средах мощные глубинные геодинамические процессы, которые на протяжении всего периода эксплуатации гидроузлов непрерывно изменяют физико-механические свойства оснований высоких плотин, а также формируют фильтрационные силы в большом геологическом пространстве до глубины не менее пяти сконцентрированных на гидроузлах напоров.
6. Влияние глубокого водохранилища на вмещающую геологическую среду проявляется в формировании в большой толще основания и берегов совокупности следующих техногенных геодинамических процессов, каждый из которых имеет свои границы зон влияния:- химическая суффозия в зацементированной области подземного контура;
- процесс фильтрации в упругом режиме, оказывающий три вида силовых воздействий на массив оснований и берегов;
- процесс конвективного теплопереноса в большой толще основания;
- процесс прогиба толщи земной коры, восстанавливающий нарушенное изостатическое равновесие.
7. Химическая суффозия. Особенно активно процесс выщелачивания (химическая суффозия) происходит в зацементированной части подземного контура плотин — это медленный не прекращающийся процесс выноса фильтрационным потоком оксида кальция, который изменяет деформируемость и проницаемость зацементированной части массива основания. Под воздействием химической суффозии и повторно-статических нагружений бетон подошвы плотины также подвергается стресс-коррозии.
Границы областей относительного влияния глубинных геодинамических процессов, вызванных глубоким водохранилищем
1 — химическая суффозия; 2— конвективное охлаждение; 3 — фильтрация;
4 — главные нормальные напряжения сжатия, наведенные прогибом всей толщи земной коры
8. Фильтрация в упругом режиме. Фильтрационный поток развивается в большой толще оснований высоких плотин и береговых примыканий, поскольку не существует ограничений зоны действия фильтрационного потока по критерию водопроницаемости. Из-за сжимаемости взаимодействующих сред в системе «фильтрующая вода—скальная порода» глубокие водохранилища формируют в основаниях высоких плотин упругий режим фильтрации.
9. За годы эксплуатации крупных водохранилищ высокий фильтрационный напор проникает в толщу основания на глубину не менее пяти сконцентрированных на гидроузле напоров. Примерно такую по размерам активную зону основания плотины необходимо принимать в расчет при проектировании высоконапорных гидроузлов.
10. Процесс фильтрации в упругом режиме формирует три силовых фактора воздействия на массив основания высоких плотин, которые проявляются в виде следующих объемных сил, имеющих разную физическую природу:- взвешивающая архимедова сила, обусловливающая снижение осадок прилегающей к водохранилищу территории:
- увлекающая фильтрационная сила (УФ-сила), являющаяся функцией градиента напора в рассматриваемом объеме массива, обусловливающая сложные перемещения плотины в пространстве и во времени;
- • опрессовывающая фильтрационная сила (ОФ-сила), являющаяся функцией приращения напора в рассматриваемом элементе объема массива, обусловливающая изменение основных физико-механических свойств основания и берегов: деформируемость и проницаемость.
11. Увеличение во времени объемных УФ-сил вдоль каждой ленты тока, происходящее из-за переформирования фильтрационного потока, сопровождается уменьшением расчетной «осаживающей» поверхностной силы, действующей по ложу водохранилища. При расчете силового воздействия глубокого водохранилища на массив основания следует учитывать все поле сформировавшихся на расчетный момент объемных фильтрационных сил в толще основания, а также оставшуюся «неизрасходованную» часть распределенного напора в верхнем бьефе. Это единственно правильный подход к определению осадок и горизонтальных перемещений геологической среды и высоких плотин.
12. Фильтрующаяся вода подводит в каждую точку массива основания и берегов повышенный пьезометрический напор, определяющий не только параметры увлекающих фильтрационных сил, но и величину опрессовывающих объемных фильтрационных сил (ОФ-сил), которые «разрыхляют» массив, уменьшают плотность упаковки отдельных блоков скальных пород .
13. С точки зрения деформационных процессов увеличение фильтрационного давления в трещинно-пористом пространстве скальных пород на Δр эквивалентно уменьшению эффективного модуля упругости массива на некоторую величину ΔЕ.
Увеличение фильтрационного давления в трещинно-пористом пространстве скальных оснований на Ар также увеличивает исходное значение коэффициента фильтрации массива на величину Δкф .
14. Процесс конвективного теплопереноса в толще основания. В средних и южных широтах глубокие водохранилища оказывают охлаждающее воздействие на температурный режим верхней части земной коры. Придонные воды глубоких водохранилищ, имеющие постоянную температуру около 4 °С, проникают вглубь массива на сотни метров и непрерывно охлаждают его.
15. В области инфильтрации в горных породах ложа водохранилища и основания высоких плотин 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 геотемпературном поле геологической среды,
16. Процессы активного конвективного теплообмена в основаниях высоких плотин в основном устанавливаются и стабилизируются в течение первых 20—30 лет эксплуатации до глубин примерно 300—400 м.17. Охлаждение скальных пород основания и берегов фильтрационным потоком приводит к уменьшению размеров отдельных блоков, уменьшению плотности их упаковки и ослаблению связей между ними.
18. С точки зрения деформационных процессов уменьшение температуры массива горных пород на АТ эквивалентно уменьшению эффективного модуля упругости массива на некоторую величину ΔЕ.
Уменьшение температуры массива скального основания в процессе эксплуатации на ΔТ увеличивает исходное значение проницаемости основания на Δсф.
Названные «температурные эффекты», существенно изменяющие физико-механические свойства массива оснований и берегов на глубину до 300—400 м, при проектировании существующих высоконапорных гидросооружений не учитывались. Учет названных «фильтрационных и температурных эффектов» абсолютно необходим при расчетах коэффициента запаса устойчивости высоких бетонных плотин.
19. Процесс прогиба земной коры нарушающий изостатическое равновесие. Крупные водохранилища создают большую техногенную гравитационную нагрузку, которая изменяет изостатическое равновесие земной коры. Подтверждением существования вертикальных перемещений территории от прогиба земной коры являются натурные данные, полученные при выполнении четырехкратной геодезической съемки в районе водохранилища плотины Гувер.20. При создании крупных водохранилищ происходит погружение условной подошвы упругой земной коры в подстилающее полупространство вязкого мантийного вещества. Эффективная расчетная толщина упругой земной коры, активно реагирующей на создаваемую крупными водохранилищами линейную гравитационную нагрузку, может составлять примерно 30—40 км.
21. В процессе эксплуатации крупных гидроузлов интенсивность процесса прогиба земной коры со временем уменьшается и определяется логарифмической функцией.
22. Мировой опыт показывает, что ни один район строительства крупного водохранилища не застрахован от проявлений сильных наведенных сейсмических событий. Это существенные факторы промышленного и экологического риска. Создание водохранилищ, как и добыча углеводородов, способно вызвать в земной коре аномальные деформационные и сейсмические процессы и тем самым вывести геологическую среду и основные сооружения из режима нормального функционирования.
23. Аномальным уровнем геодинамического состояния можно считать величину относительного деформирования геологической среды, превышающую значение 5 • 10-5. Особо следует учитывать возможность возникновения аномальных сдвиговых деформаций в условиях нарушенности геологической среды разломами и разрывными нарушениями. Например, наличием таких нарушений характеризуется створ плотины СШГЭС. Критериальными показателями возможности проявления сдвиговых деформаций могут являться напряжения субгоризонтальной ориентации более 10 МПа и сейсмическая активность природно-техногенного генезиса с эффектом сотрясаемости земной поверхности более 5 баллов.