Прогноз развития непроектных процессов в створе плотины Саяно-Шушенской ГЭС

1. Критерии используемых диагностических показателей плоти­ны СШГЭС не отражают ее истинного состояния, поскольку назна­чены без учета глубинных геодинамических процессов в основании и берегах, без учета пространственной работы всего комплекса «водо­хранилище—геологическая среда—плотина—турбинные водоводы— сооружения машинного зала».

2. Основной вывод, содержащийся в актах преддекларационного обследования плотины СШГЭС о том, что «сооружение работос­пособно», не является исчерпывающей характеристикой безопасно­го состояния плотины. В соответствии с нормативным документом РД-12-03—2006 плотина, имеющая в бетоне первого столба мно­гочисленные трещиноподобные дефекты и ряд необъясненных не- прекращающихся процессов, находится в состоянии «пониженного уровня безопасности».

3. Сформировавшиеся в основании и берегах объемные УФ-силы с удельной интенсивностью до от 1,0 до 3,6 кН/м³ деформируют внут­ренние зоны вмещающих скальных пород оснований и берегов. Ув­лекающие фильтрационные силы переместили поверхность контак­та «бетон-скала» плотины СШГЭС вместе с массивом пород и точка­ми установки якорей обратных отвесов на расстояние до 40 мм в сторону нижнего бьефа.

4. Охлаждение массива основания плотины СШГЭС на 6 °С в пре­делах первых 200 м «уводит» основание из-под русловых секций пло­тины примерно на 29 мм. С учетом опрессовывающих фильтрацион­ных сил (ОФ-сил) «уход» основания из-под центральных секций пло­тины увеличивается примерно до 38 мм.

5. Техногенное конвективное охлаждение массива основания пло­тины СШГЭС до глубины 400 м на 5 °С сближает берега на отметке 540 м и соответственно уменьшает длину хорды арки примерно на 30 мм. С учетом опрессовывающих фильтрационных сил (ОФ-сил) сближение берегов и уменьшение длины хорды арки к 2040 г. соста­вит примерно 42 мм.

6. Сближение берегов — это техногенный процесс, протекающий на отметке 540 м с интенсивностью около 0,40 мм/год, который мож­но квалифицировать как медленное «криповое» движение. При ана­лизе общих перемещений плотины следует учитывать, что многолет­ний процесс сближения берегов перемещает арочную плотину в сто­рону ВБ и тем самым «скрадывает» часть необратимых радиальных перемещений плотины в сторону НБ.

7. За все годы эксплуатации к 2040 г. опрессовывающие фильтра­ционные силы (ОФ-силы) на отметке 540 м «добавят» к сближению берегов примерно 12 мм, а к абсолютным осадкам русловых секций плотины — дополнительные 9 мм.

8. В период с 2010 до 2040 гг. на отметке 540 м за счет совместно­го действия глубинных геодинамических факторов произойдет допол­нительное сближение берегов примерно на 14 мм, а русловые секции получат дополнительную абсолютную осадку около 15 мм.

9. Арочные сжимающие напряжения в бетоне всех арочных по­ясов плотины будут расти на протяжении ближайших лет эксплуата­ции. В частности, на отметке 504 м секции 33 интенсивность роста напряжений сохранится на существующем уровне.

10. Снижение эффективного модуля деформации большой толщи основания и берегов, вызванное глубинными геодинамическими про­цессами, а также объемные фильтрационные силы в массиве скаль­ных пород обусловливают непрекращающееся разуплотнение (сниже­ние напряжений сжатия по горизонтальным площадкам) контакта «скала-бетон», а также сложное пространственное перемещение пло­тины СШГЭС в каждой из трех ортогональных плоскостей.

• Перемещения в вертикальной гыоскости створа. Техногенное уменьшение эффективного модуля деформации в большой толще ос­нования увеличивает осадки русловых секций от веса плотины, от веса водохранилища и собственного веса горных пород. Осадки береговых массивов отстают от осадок массивов в рус­ле, поэтому плотина как протяженное сооружение зависает на бере­гах. В результате происходит изгиб арочной плотины в вертикальной плоскости створа. Процесс изгиба арки плотины в вертикальной плос­кости створа обусловливает и объясняет многолетний рост арочных напряжений в теле плотины, что особенно проявляется на верхних отметках плотины (Δσ_ар= 0,13 МПа/год).
• Перемещения в вертикальной плоскости вдоль потока. Непре­рывное снижение модуля упругости фильтрующих береговых масси­вов за счет их конвективного охлаждения происходит примерно ниже отметки 460 м. Снижение упругих свойств берегов в области, заклю­ченной выше отметки установки якорей обратных отвесов 260 м и от­меткой 460 м, увеличивает фиксируемые радиальные и угловые пере­мещения секций плотины от воспринимаемой ею гидростатической нагрузки. Свой вклад в необратимые радиальные перемещения пло­тины обеспечивают увлекающие фильтрационные силы (УФ-силы) в берегах, которые там сформировались за счет обходной фильтрации.
• • Перемещения в горизонтальной плоскости. Схождение берегов происходит за счет веса «нависающего» массива горных пород, а так­же за счет небольших «тектонических напряжений», вызванных про­гибом земной коры от веса водохранилища. Берега своим схождени­ем выбирают разуплотнение горных пород основания, вызванное глу­бинными процессами массо- и теплопереноса. От схождения берегов арка плотины изгибается в горизонтальной плоскости (в плане), по­лучая «скрытые» перемещения в сторону верхнего бьефа. Заметный вклад в плановые перемещения плотины обеспечивают УФ-силы, ко­торые сформировались в берегах, а также тектонические разломы.

11. Сезонные повторно-статические нагрузки на плотину и про­гиб земной коры способствуют процессу «расщепления* плотины и потере монолитности профиля. В ближайшие годы сохранится на­блюдаемая интенсивность роста угловых перемещений горизонталь­ных сечений плотины в сторону нижнего бьефа.

12. Не исключено, что процесс «расщепления» плотины может быть усилен водой высокого напора в случае ее проникания в полос­ти межстолбчатых швов плотины. Это явление может существенным образом изменить схему статической работы плотины.

13. Продолжается нарушение монолитности бетона первого стол­ба плотины за счет раскрытия ранее заинъектированных и обжатых трещин в пределах отметок 344—389 м. Снижение в 1997 г. НПУ на один метр оказалось недостаточным, чтобы остановить развитие тре­щин растяжения в бетоне первого столба, а также развитие многих других непроектных процессов.

14. Натурные данные о трендовом и сезонном увеличении напря­жений в элементах турбинных водоводов и спиральных камер позво­ляют сделать вывод о силовом воздействии плотины на сооружения машинного зала, о влиянии радиальных и угловых перемещений пло­тины на напряженно-деформированное состояние спиральной каме­ры. При сезонном наполнении водохранилища до НПУ продольные напряжения сжатия в стенках металлической оболочки турбинных водоводов увеличиваются примерно на 40 МПа. Например, в метал­лической стенке водовода восьмого гидроагрегата ГА-8 продольные напряжения сжатия достигают 115 МПа.

15. Усиливающиеся со стороны четных секций плотины нагруз­ки на турбинные водоводы и спиральные камеры могут нарушать центровку вала рабочих колес и провоцировать появление вынужден­ных гармоник вибрации гидроагрегатов. Не случайно авария на СШГЭС произошла в середине августа: именно в этот период года воспринимаемый плотиной напор приближается к сезонному макси­муму, а температура воды и металлической оболочки водоводов так­же достигает своего сезонного максимума. Вполне вероятно, что по этой причине перед аварией 17 августа 2009 г, вибрационные пара­метры всех семи работавших гидроагрегатов достигали или превос­ходили допустимый уровень амплитуды вибрации 160 мкм.

16. Операции по цементации трещин в бетоне напорной грани и цементации основания плотины при больших давлениях нагнетания поднимали первый столб и необратимо наклоняли плотину, что так­же дополнительно повлияло на пространственное положение гидро­агрегатов СШГЭС.

17. Плотина СШГЭС с развитой русловой частью имеет предельные геометрические параметры, что делает ее чувствительной к малейше­му движению геологической среды и во многом определяет ее долговре­менное нестационарное состояние. При анализе состояния СШ-гидроузла необходимо руководствоваться основополагающим принципом, а именно презумпцией потенциальной опасности плотины:

• первая — возможное снижение и без того не очень высокого ко­эффициента запаса устойчивости на сдвиг, расчетная величина ко­торого находится в пределах 1,25—1,30 при НПУ 539 м и 1,16—1,22 при ФПУ 547,5 м ;
• вторая — возможное негативное влияние перемещений плоти­ны на пространственное положение и вибрационный режим вновь установленных гидроагрегатов.

18. При расчете устойчивости плотины СШГЭС необходимо при­нимать во внимание долговременное увеличение деформируемости и проницаемости в большом объеме массива основания и берегов, вызываемое глубинными геодинамическими процессами. Глубинные геодинамические процессы являются основными причинами разуп­лотнения контакта бетон-скала, роста угловых и радиальных пере­мещений плотины, уменьшения длины хорды арки на трех наблюда­емых отметках плотины и непрекращающегося роста арочных напря­жений в теле плотины. Только с учетом глубинных геодинамических процессов можно прогнозировать непроектное состояние и поведе­ние плотины, а также интенсивность снижения коэффициента запа­са устойчивости плотины на сдвиг.
19. Во исполнение ст. 9 ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» необходимо выполнить расчет текущего и прогнозного коэффициента запаса устойчивости плотины СШГЭС, величина ко­торого с учетом непрекращающихся глубинных геодинамических процессов в массиве основания и берегов все более уменьшается.