Количественные проявления сильных воздействий водохранилищ

1. Наблюдаемые в створах высоких плотин непроектные нестаци­онарные процессы являются ничем иным как объективными форма­ми проявления техногенных глубинных геодинамических процессов.

2. В первые годы эксплуатации высоких плотин средняя интен­сивность выноса кальция из цементационной завесы в составе под­земного контура составляет примерно 0,5 мг/с на погонный метр створа плотин. Через 30—40 лет эксплуатации цементационных за­вес их противофильтрационные качества значительно ухудшаются. В процессе проведения ремонтных работ в основании плотины СШГЭС проводился анализ выбуренных кернов, который показал, что контакты цементного камня с поверхностями субгоризонтальных трещин оказались нарушенными со следами размыва цементного камня. Вклад процесса выщелачивания в обеспечение общего неста­ционарного состояния плотины СШГЭС составляет примерно 3—4 %.

3. Глубокое водохранилище формирует в массиве основания убы­вающие с глубиной градиенты фильтрационного напора от значения i= 1/2 на глубине 100—150 м до значения i= 1/8 на глубине 600—700 м. Соответствующие этим градиентам удельные увлекающие фильтра­ционные силы (УФ-силы), которые устанавливаются в массиве осно­вания, изменяются в пределах значений от 3,6 до 1,0 кН/м³.

4. На формирование поля фильтрационных напоров в скальных основаниях и берегах расходуется от 20 до 30 % сконцентрированно­го в верхнем бьефе напора. На формирование осадок приплотинной части ложа водохранилища расходуется 70—80 % остающегося в вер­хнем бьефе «осаживающего» напора.

5. Техногенные геодинамические процессы массо- и теплопереноса в основании и берегах изменяют их основные физико-механичес­кие свойства: проницаемость и эффективный модуль деформации:

• в основаниях высоких плотин от повышения фильтрационного напора на величину 1,2 МПа в пределах глубин до 200 м проницае­мость массива увеличивается примерно на 12—15 %, а деформируе­мость — на 3—5 %;
• в основаниях высоких плотин от понижения температуры на 5 °С в пределах глубин до 200 м проницаемость увеличивается в сред­нем на 80 %, а деформируемость — на 20 %.

6. От совместного воздействия техногенных геодинамических факторов модуль упругости массива основания в пределах глубин до 300 м от подошвы плотины уменьшается на 25—15 %, а проницае­мость массива увеличивается на 90—200 %.

7. Увеличение проницаемости массива основания за счет глубин­ных геодинамических процессов постепенно «уводит» часть линий тока, ранее замыкавшихся на дренаж, в более глубокие горизонты. Этот фактор объясняет наблюдаемое многолетнее снижение дренаж­ных расходов и постепенный рост пьезометрических напоров в приконтактной зоне оснований высоких плотин.

Например, в основании СШГЭС минимальное значение расхода дренажа при отметке УВБ 500 м уменьшилось с 40 л/с в 2007 г. до 24 л/с в 2012 г. Максимальный расход в этот же период времени при УВБ 538 м уменьшился с 82 до 62 л/с.

• Ежегодное осенне-летнее увеличение УВБ на СШГЭС на 38—39 периодически усиливает фильтрационный поток, заглубляя его линии тока в более глубокие и, соответственно, более теплые горизонт ты. По этой причине в период максимального стояния УВБ температура воды на изливе из оголовка дренажных скважин увеличивается примерно на 1,0—1,5 °С. Этот факт свидетельствует о сезонном усилении конвективного теплообмена в основании и усиленном выносе геотермического тепла (усиленном охлаждении основания) из глубо­ких горизонтов основания плотины СШГЭС при увеличении УВБ.
• Создание крупных водохранилищ нарушает естественную изо- статическую скомпенсированность земной коры. Для крупных водо­хранилищ расчетный «классический» радиус влияния осадки земной поверхности от веса водохранилища «по Буссинеску» не превышает 25—30 км, в то время как «неклассический» радиус прогиба земной коры составляет 70—80 км в каждую сторону от линии уреза. С уче­том происходящего за этими пределами компенсационного (окайм­ляющего) поднятия земной поверхности последняя цифра может быть значительно превышена. Таким образом, прогиб земной коры от веса крупных водохранилищ (нарушение изостазии) существенно увели­чивает активную область влияния гидроузлов.

10. За все время эксплуатации крупных водохранилищ амплитуда «чистого прогиба» земной коры в области максимальной гравитаци­онной нагрузки может составить 100—200 мм.

11. В процессе многолетней эксплуатации крупных водохрани­лищ прогиб упругой земной коры (погружение условной подошвы коры в мантию) происходит с убывающей интенсивностью: при­мерно от 8—10 мм/год в первый период до 1—2 мм/год в последую­щие годы эксплуатации [см. выражение (4.19)].

12. Прогиб земной коры наводит в береговых массивах нормаль­ные сжимающие напряжения, параллельные створу плотины. Круп­ные водохранилища через прогиб земной коры наводят в массиве ос­нований и берегов дополнительные горизонтальные напряжения сжатия примерно от 40 до 80 кПа.

13. Подвижность геологической среды, обусловленная прогибом земной коры от веса крупных водохранилищ, обеспечивает неболь­шой вклад в процесс «сближения берегов» и соответствующие «криповые движения», наблюдаемые в створах больших плотин.

14. Техногенные напряжения от прогиба земной коры в створе СШГЭС добавляют в общее сближение берегов дополнительные 2—3 мм. При этом вклад прогиба земной коры в общее нестационарное состояние плотины составляет не более 3—4 %.

15. Процесс прогиба вносит дополнительные изменения в напря­женно-деформированное состояние всей толщи земной коры и явля­ется причиной наблюдаемых на многих гидротехнических объектах сейсмических событий с гипоцентром на большой глубине и большом удалении от водохранилищ.

16. В районе водохранилища СШГЭС сейсмическая обстановка яв­ляется достаточно спокойной. Повышение сейсмической активности было отмечено только в период интенсивного заполнения водохрани­лища (1984—1985 гг.) на участке Большепорожской сейсмогенерирую­щей структуры. На протяжении последних лет в районе водохранили­ща ежегодно фиксируется от 30 до 60 сейсмособытий энергетического класса К от 5 до 10, которые можно идентифицировать как природные землетрясения. Можно предположить, что часть этих событий связана со значительными сезонными изменениями нагрузки на земную кору от веса водохранилища. Примерно такая же закономерность наблюда­ется в наведенной сейсмичности территории ангарского каскада ГЭС. По статистике большая часть наведенных водохранилищами зем­летрясений обычно происходит на стадии сработки УВБ или при мини­мальном значении УВБ .

Многолетние колебания уровня озера Байкал и соответствующие значения lgE — логарифма суммарного объема выделившейся сейсмической энергии.

17. Совместное влияние наводимых крупными водохранилища­ми таких глубинных геодинамических процессов как фильтрация и конвективный теплообмен на НДС и физико-механические свойства пород основания настолько велико, что пренебрегать ими при расче­тах НДС высоких бетонных плотин и их устойчивости нельзя. Сум­марный вклад этих процессов в обеспечение непроектного нестацио­нарного поведения плотины СШГЭС составляет не менее 90 %.
18. В настоящее время сильные глубинные геодинамические про­цессы массо- и теплопереноса, изменяющие НДС и физико-механи­ческие свойства массива оснований и берегов, при проектировании высоконапорных гидросооружений не учитываются.