Водохранилище как энергетический донор глубинных геодинамических процессов

Строительство крупных ГЭС вносит глубокие изменения в природные и хозяйственные условия региона. На базе дешевой электроэнергии создаются мощные производственные комплексы. В настоящее вре­мя гидропотенциал планеты Земля используется примерно на 38 %. В Бразилии используется на 53 %, в Японии на 68, в Гер­мании на 75, в Италии на 91 %, в России — всего на 19%, во Вьетнаме на 24, в Индии на 26%. В мире построено около 50 гидроузлов с объе­мом водохранилищ, вес каждого из которых превышает 25 млрд т. Создание крупных водохранилищ не только защищает население и предприятия от наводнений, но также изменяет климатический и гидрологический режим регионов, оказывает мощное воздействие на флору и фауну регионов. В водохранилище замедляется скорость во­дообмена, снижается концентрация кислорода, прерываются трофи­ческие цепи, происходит смена ихтиофауны. Водохранилище также является источником выброса метана, диоксида углерода и закиси азота. В верхнем бьефе гидроузлов на протяжении многих километ­ров происходит обрушение берегов.

Создание крупных водохранилищ изменяет не только гидрологи­ческий и климатический режимы района строительства, но и запус­кает мощные техногенные геодинамические процессы в большом объеме горных пород. Под глубинными геодинамическими процесса­ми в гидроэнергетике следует понимать:

• фильтрацию и сопутствующие ей процессы конвективного теп- допереноса;
• погружение (прогиб) всей толщи упругой земной коры в упруго-вязкое вещество подстилающего мантийного вещества;
• наведенные весом водохранилища сейсмические события.

Гидропотенциал Земли и мировая выработка электроэнергии на ГЭС в 2012 г.

Энергетическим донором перечисленных процессов являются водохранилища. Наполнение глубокого водохранилища порождает в большом объеме массива основания и берегов неустановившиеся фильтрационные процессы, которые являются основным техноген­ным фактором длительного воздействия на геологическую среду, а через нее и на воздействия плотину. Эти процессы форми­руют силовые и температурные воздействия на подземный контур плотины и вмещающие горные породы, а также изменяют их состоя­ние и физико-механические свойства.

Влияние трещинно-порового давления на механические свойства горных пород является общепризнанным фактором, который частич­но нейтрализует геостатическую нагрузку, изменяет внутреннее трение, прочность и упругость массива.

Нестационарные геодинамические процессы в геологической среде, формируемые глубоким водохранилищем

Создание водохранилища увеличивает градиенты фильтрационного напора в трещинно-поровом пространстве его ложа, что способ сопуствует ускоренному проникновению напорных вод в глубокие ropизонты массива горных пород. Этот процесс опережающим образов идет по тектоническим разломам и ослабленным зонам дробления. От этого уменьшается значение напряжения, способного вызвать скольжение вдоль ослабленной плоскости или сколовые деформации. От этого также формируются очаги землетрясения, происходит от носительное смещение отдельных блоков, разрушение перемычек между существующими разломами и образуется магистральный разрыв массива горных пород.

Практика показывает, что формируемые водохранилищами глубинные геодинамические процессы и соответствующие воздействий на высокие бетонные плотины и на вмещающую геологическую среду соизмеримы с нормативными расчетными нагрузками и воздействиями. Поэтому нельзя согласиться с утверждением А.И. Савича, что «водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС не оказывает никакого существенного влияния на развитие глубинных геодинамических процессов».

Для фиксации формируемых водохранилищем СШГЭС и глубинными процессами осадок прилегающей установлена геодезическая сеть. Осадки плотины и прилегающей территории опредеяет не только вес водохранилища, но и сформированные им фильтррационные силы (ФС). Именно ФС обеспечивают сложное перемещение высоких плотин в пространстве и во времени. Водохранилища на протяжении многих лет эксплуатации крупных гидроузлов фор­мируют глубинные геодинамические процессы, которые, как мы уви­дим ниже, изменяют основные физикомеханические свойства оснований: деформируемость и проницаемость. Глубокое водохранилище формирует в приплотинной области основания и берегов поле вы­соких фильтрационных напоров, оказывающих мощное силовое воздействие на геологическую среду. Например, при отметке УМО 500 м в основании СШГЭС к 2040 г. пьезометрическое давление под плотиной увеличится на Δр = 1 МПа (100 м водяного столба) до глу­бины 800—1000 м.

Расположение геодезических марок в районе Саяно-Шушенского гидроузла

Коэффициент противодавления а_2.f рекомендуемый СНиПом для определения осадок плотин, учитывает наличие тех сформированных ФС, которые работают только на обеспечение горизонтальных пере­мещений основания. На обеспечение осадок основания работает ос­тавшаяся часть вертикальных ФС и часть поверхностных сил в водо­хранилище.

Источниками риска, которые следует учитывать при принятии решений о создании глубоководных водохранилищ, являются геодинамические и сейсмические воздействия. Наиболее известными явля­ются описанные выше катастрофы на арочных плотинах Сен-Френ­сис (США), Мальпассе (Франция) и Саяно-Шушенской ГЭС (Россия). На первых двух объектах аварию обеспечили пришедшие в движение тек­тонические разломы, на последнем объекте также нельзя исключить геодинамическую версию аварии, так как фундамент аварийного гид­роагрегата ГА-2 стоял на тектоническом разломе.

Любые значимые изменения нагрузки на геологическую среду и земную кору: искусственные водохранилища; глубокие карьеры; от­качка подземных вод и углеводородов — все это приводит к измене­нию равновесного состояния недр или изостатического равновесия земной коры, или того и другого вместе. При проектировании и эксплуатации глубоководных водохранилищ необходимо рассматри­вать два класса процессов:

• традиционные процессы, сопровождающие работу полубесконечного массива горных пород как упругой фильтрующей субстанции, вмещающей основные сооружения и принимающей на себя все раз­новидности нагрузок и воздействий;
• нетрадиционные для гидротехники процессы, вызванные погру­жением всей толщи упругой земной коры вместе с гидросооружени­ем в высоковязкое мантийное вещество. В данном случае земная кора прогибается под действием гравитационной нагрузки, создаваемой весом водохранилища, как упругая пластина, плавающая в тяжелой вязкой жидкости.

Напряженно-деформированное состояние горных пород в райо­не крупных гидроузлов определяется действием процессов обоих классов, однако в гидротехнической практике первый из них учиты­вается лишь частично, а второй вообще не принимается во внима­ние. Чтобы дать надежный прогноз работы крупного гидротехничес­кого комплекса «водохранилище — основание — плотина», необходи­мо в полном объеме представлять и понимать физическую сущность глубинных геодинамических процессов, формируемых водохранили­щем. О важности процесса первого класса говорит статистика наве­денных землетрясений на разрабатываемых месторождениях углево­дородов.

Наполнение водохранилища перераспределяет в большом объе­ме скального массива пьезометрические напоры, изменяет силовые и температурные воздействия на подземный контур плотины и при­легающий массив горных пород. Температурный режим глубокого водохранилища во многом определяет температурное состояние мас­сива основания и берегов. Это состояние зависит от температуры придонной воды, поскольку ложе водохранилища является границей питания фильтрационного потока. Например, придонная холодная вода водохранилища СШГЭС, круглогодичная температура которой при его глубине до 240 м равна 4 °С, проникает вглубь массива и ох­лаждает его.

Распределенная по поверхности сила веса водохранилища по- разному действует на его ложе. Наиболее простой являет­ся расчетная схема непосредственного поверхностного нагружения деформации ложа и основания, проявляющаяся на первом этапе создания водохранилища. В этом случае горные породы ложа водо­хранилища работают как упругое полупространство, по поверхнос­ти которого приложена распределенная нагрузка, равная полному гидростатическому напору. По этой схеме массив работает относи­тельно недолго — до тех пор, пока фронт волны фильтрационного на­пора не проникнет на заметную глубину в трещиновато-пористый массив основания. Продолжительность этого этапа зависит от сте­пени проницаемости массива скальных пород: чем меньше проница­емость, тем дольше массив и водохранилище будут работать по схеме чисто поверхностного нагружения ложа.

Области влияния гидростатического напора, действующего по площади Ω ложа водохранилища

1 —в начальный период эксплуатации водохранилища или в случае непроницаемого основания; 2 — в процессе длительной эксплуатации водохранилища

Основной этап совместной работы основания плотины и водохра­нилища начинается после развития фильтрации в толще основания и берегов. Увеличение суммы объемных фильтрационных сил ΣΔF вдоль каждой ленты тока, происходящее из-за переформирования фильтрационного потока, в процессе его развития сопровождается одновременным уменьшением поверхностной силы ΔF_n, действующей По ложу водохранилища. Суммарная сила ΣΔF вдоль каждой ленты тока с течением времени увеличивается, уменьшая тем самым «осаживающую» поверхностную силу ΔF_n в месте инфильтрации. Эта закономерность, являющаяся проявлением закона сохранения в теории фильтрации, записывается следующим образом:

pgΔHΩ=ΔF+Σ|ΔF|

Здесь объемные ФС взяты по модулю, потому что часть их может действовать в противоположных направлениях (одни нисходящие, другие восходящие) и иметь разные знаки. На формирование объемных фильтрационных сил в массиве основания и берегов расходует­ся часть сконцентрированного в ВБ напора. Остальная часть явля­ется «неизрасходованной» и действует по расчетной площади Ω ложа водохранилища в виде распределенной поверхностной силы ΔF_п. Та­ким образом, в состав расчетной распределенной по ложу водохра­нилища силы веса не должна входить та ее часть, которая расходуется на формирование фильтрационных сил.