CC BY
133
УДК 528.48:626 А.П. Карпик СГГ А, Новосибирск
Н.И. Стефаненко
Филиал ОАО «РусГидро» - «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего», Саяногорск
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ПЛОТИНЫ В ПЕРИОД НОРМАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО ДАННЫМ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
A.P. Karpik SSGA, Novosibirsk N.I. Stefanenko
Pablic Corporation «RusHydro» «Sayano-Shushenskaya HPP hamed by P.S. Neporoznego», Saynogorsk
THE SAYANO-SHUSHENSKAYA HPP SAFETY ASSESSMENT IN USEFUL LIFE USING GEODETIC MEASUREMENTS
Geodetic methods for the Sayano-Shushenskaya HPP structures monitoring in useful life period when repairing under conditions of Siberian continental climate are considered. The concrete archgravity dam 242 m in height and 1,074 m in crest length has no analogs in the world. The proposed approaches allowed revealing the hazardous processes occurring in hydraulic complex and making the relevant decisions to eliminate the possible negative processes and emergency situations.
Введение
Проект бетонной арочно-гравитационной плотины высотой 242 м, длиной по гребню 1074 м был разработан Ленинградским отделением института Гидропроект (рис. 1).
Рис. 1. Саяно-Шушенская арочно-гравитационная плотина:
1 - крепление потенциально-неустойчивых массивов; 2 - транспортный туннель; 3 - камнезащитная стенка; 4 - водобойная стенка; 5 - транспортные
туннели строительного периода
Создание плотины такого типа в условиях широкого створа реки и сурового климата, без преувеличения, не имеет аналогов в мире. Уникальность объекта также обусловлена в основном коэффициентом створности -отношением длины по гребню к ее высоте, который для Саяно-Шушенской плотины составляет 4.4, что превышает соответствующие значения арочной плотины Чиркейской ГЭС почти в 2 раза.
Арочно-гравитационная плотина эксплуатируется в проектном режиме с 1990 года. За восемнадцать лет нормальной эксплуатации она неоднократно подвергалась крупномасштабным техногенным деформационно-силовым воздействиям. Наиболее значительными из них явились ремонтные работы по ликвидации фильтрации в зоне трещинообразования первого столба плотины между отметками 344 и 359 м и ее основании.
Влияние поэтапного возведения Саяно-Шушенской плотины на ее состояние
При строительстве плотин промышленная эксплуатация нередко начинается еще при частично возведенном сооружении. Пусковые комплексы обычно включают минимально необходимые для ввода агрегатов в работу объемы укладки бетона в сооружение. В первую очередь, это позволяет еще до пуска ГЭС в эксплуатацию начать вырабатывать электроэнергию, что дает значительный экономический эффект, но, с другой стороны, часто негативно отражается на напряженно-деформированном состоянии (НДС) сооружения. Последнее ведет к необходимости проведения ремонтно-восстановительных работ по приведению сооружения в нормальное эксплуатационное состояние.
Так, например, за период временной эксплуатации с 1978 по 1989 год Саяно-Шушенской ГЭС было выработано 132 млрд кВт/ч электроэнергии, что полностью окупило затраты на возведение гидроузла. Но, как показал опыт эксплуатации, этапность возведения и нагружения плотины привели к существенному ухудшению ее состояния и явились одной из причин образования магистральных трещин в бетоне и основании.
Строительство Саяно-Шушенской плотины по проекту предполагалось осуществить в три этапа (рис. 2) с большой интенсивностью укладки бетона
-5
(около 3,2 млн. м в год) и, в целом, с огромным объёмом строительномонтажных работ к пуску первого агрегата (76 % от общего объёма), но такая интенсивность проведения работ не обеспечивалась уровнем отечественной технологии того времени.
Фактически плотина возводилась при одновременном заполнении водохранилища в 9 этапов с 1972 по 1989 годы (рис. 3). В 1978 году для пуска первого агрегата плотина впервые была поставлена под напор 60 м, который
ежегодно увеличивался, и к 1990 году максимальная отметка водохранилища впервые достигла НПУ - 540 м.
Рис. 2. Схема поперечного сечения плотины: 1 - первая очередь строительства плотины по пусковой схеме; 2 - вторая очередь; 3 - третья очередь
Рис. 3. Этапы фактического возведения и нагружения плотины
Воздействие на сооружение гидростатической нагрузки при незавершенном профиле плотины явилось одной из причин возникновения трещин и, соответственно, образования высокоскоростной фильтрации через бетон напорной грани, хотя проектом фильтрация через тело плотины допускалась только через межсекционные швы и в небольших объемах. В основании фильтрация превысила расчетные значения (150 л/с) и достигла 549 л/с.
В 1981 году появились первые признаки раскрытия контактного шва под секцией 33. По показаниям глубинных реперов секции 33, величина раскрытия составила около 1.6 мм. В 1985 году, когда напор на сооружение составлял около 80 % проектного, шов уже раскрылся под всей напорной гранью. А к моменту достижения проектного напора (1990 год), кроме расширения зоны разуплотнения в основании, были обнаружены и интенсивно фильтрующие трещины в бетоне напорной грани между отметками 344 и 359 м и несколько меньшего раскрытия и простирания - между отметками 370 и 386 м.
Анализ эпюр радиальных смещений контрольных секций на различных горизонтах плотины позволил выявить аномальное изменение наклона профиля в зоне отметок 292-310 м и 359 м (рис. 4). Часть плотины, расположенная выше отметки 359 м, наклонилась больше, чем ее нижняя часть. В контактной зоне проявилось различие в наклоне подошвы плотины и прилегающего массива основания, чем подтвердилось раскрытие трещин в бетоне напорной грани 1 -го столба плотины между отметками 359-344 м и по фронту контактной зоны ее основания.
В связи с интенсивным разрушением бетона от воздействия высокоскоростного фильтрационного потока состояние плотины в соответствии с современной терминологией можно было считать на тот период времени ограниченно работоспособным: категория технического состояния, при котором гидротехническое сооружение пригодно для дальнейшей эксплуатации при условии введения обоснованных ограничений режимов работы и нагрузок, разработки мероприятий по устранению выявленных дефектов и повреждений в установленные сроки. Возникла объективная необходимость выполнения ремонтно-восстановительных работ в теле плотины и ее основании. Так как проектная организация не прогнозировала больших размеров растянутой зоны бетона и основания, никаких мероприятий по предотвращению такого масштаба явлений не было предусмотрено.
Опыта восстановления монолитности плотины в условиях сильной фильтрации под большим напором у отечественных ремонтно-строительных организаций не было. Не было технологии инъекций и соответствующих материалов. Поэтому первые попытки ремонта бетона плотины с использованием традиционных материалов и технологий на основе цементных растворов, проводимые с 1991 по 1994 год, не были успешными. Раствор выносился из скважин высоконапорным фильтрационным потоком. Это поставило перед эксплуатационниками задачу поиска новых технологий и материалов для ремонтно-восстановительных работ с целью предотвращения развития дальнейших негативных процессов в системе «плотина - основание».
Новыми технологиями на тот момент времени владели только зарубежные фирмы. Поэтому была привлечена к ремонтным работам зарубежная фирма «SOLETANCHE» (Франция).
Радиальные перемещения, мм Условные обозначения:
------•-------05.11.91г. 539.32м ------■-----19.11.97r. 537.54м
------*-------20.10.92r. 539.80м ♦ 22.11.06г. 535.67м
Рис. 4. Эпюры экстремальных радиальных перемещений ключевой секции
плотины
Французская фирма предложила технологию с использованием материалов на основе эпоксидной смолы. В 1995 году было проведено опытное инъецирование эпоксидными компаундами трещин в двух секциях 23 и 24. Результаты работы были положительными. Поэтому в 1996 году были продолжены ремонтные работы в бетоне напорной грани секций 19, 21-46 [1, 2]. Кроме практически полной ликвидации фильтрации через трещины, было достигнуто существенное обжатие бетона напорной грани по горизонтальным площадкам без продвижения инъецируемых трещин вглубь массива. Это, в свою очередь, способствовало росту необратимых наклонов плотины в нижний бьеф, так как отвердевший в трещинах раствор не позволял подошве плотины вернуться в исходное положение, занимаемое ею до заполнения трещин (рис. 5). Указанное подтверждено контролем за динамикой распространения трещин.
Секции
Рис. 5. Разность между углами наклона поперечных гидростатических нивелиров отметок 359 и 344 м до и после ремонтных работ
Для оценки состояния сооружения в процессе ведения ремонтных работ была разработана специальная программа натурных наблюдений, включающая возможные варианты развития неблагоприятной ситуации и контроль соответствующих параметров для оперативного влияния на ход инъекционных работ. В соответствии с программой была установлена дополнительная контрольно-измерительная аппаратура, разработаны специальные средства
измерений и методики оперативной обработки данных измерений. Опыт выполненных работ доказал правильность и достаточность принятых мер.
В течение 1998-2003 годов проводилось инъецирование разуплотненного скального основания русловой части плотины с применением аналогичного по составу компаунда с использованием отечественных материалов и технологии нагнетания в скважины [3]. Инъекционные работы в основании русловой плотины осуществлялись поэтапно: в 1998 году - под секциями 40-42; в 1999 году - под секциями 26-29; в 2000 году - под секциями 25, 30-39; в 2001 году -под секциями 15-25 и в 2002 году - под секциями 43-47 при максимальном уровне водохранилища.
С 2006 по 2007 год велись работы по ремонту водопроницаемого участка цементационной завесы правого берега, а с 2008 года начаты ремонтные работы левобережного участка, расположенного между отметками 344 и 413 м. Ремонтные работы в основании лево- и правобережной части ведутся с использованием цементных материалов.
Своевременное проведение ремонтных работ в бетоне напорной грани и основании плотины позволило достигнуть следующих результатов:
- Подавлена интенсивная фильтрация через участки напорного фронта с трещинами между отметками 344 и 359, 359 и 386 м; остаточные фильтрационные расходы понизились с 458 до 5 л/с (отм. 344-359 м) и с 55 до 8,5 л/с (отм. 359-386 м);
- Обжат бетон нижней части напорной грани в консольном направлении;
- Снижен фильтрационный расход в основании русловой плотины с 549 до 50 л/с;
- Существенно возросла жесткость профиля плотины и соответственно изменилась статическая работа сооружения.
Ремонтные работы в теле плотины и основании позволили восстановить водонепроницаемость напорного фронта, но вместе с тем оказали существенное влияние и на статическую работу сооружения.
Особенность поведения системы «плотина - основание СШГЭС»
Общие перемещения плотины зависят от изменения УВБ, температуры бетона и техногенных воздействий.
Несмотря на значительные размеры плотины, в условиях континентального климата Сибири влияние температурных изменений в бетоне сооружения заметно более ощутимы, чем, например, для гравитационной плотины Красноярской ГЭС. Это обусловлено, в большей мере, колебаниями средних по сечению температур сравнительно тонкой арки верхней части сооружения (толщина 25 м) и особенностями формирования НДС арочной плотины. Размах температуры бетона в годовом цикле на глубине 0.6 м от низовой грани превышает 22 °С. Неоднократно наблюдались случаи, когда при наполнении водохранилища плотина от разогрева бетона перемещалась в сторону верхнего
бьефа (рис. 6). Максимальные и минимальные радиальные перемещения гребня плотины за период нормальной эксплуатации приведены в табл. 1, 2.
(ММ)
+50 60 70 80 90 Гоо Тш ^20 '130
Радиальное перемещение Секц.ЗЗ Отм.542
Рис. 6. Циклограмма радиальных перемещений гребня ключевой секции
плотины
Таблица 1. Максимальные радиальные перемещения гребня плотины при УВБ,
близких к максимальным (мм)
___________________(начальный цикл - 04.05.89 г.)________________
Дата Секция
10 18 25 33 39 45 55
24.10.95 31.8 93.5 118.6 124.6 107.3 88.4 37.6
11.11.96 32.8 100.8 130.5 135.1 117.9 97.8 39.7
26.11.97 31.4 97.9 126.0 131.0 113.2 92.8 38.7
10.12.98 26.9 86.3 113.3 118.8 101.9 82.7 33.6
15.11.99 34.6 100.9 131.6 136.3 119.1 95.3 39.5
10.11.00 33.1 101.9 132.3 136.8 118.4 94.3 38.6
01.11.01 33.5 103.0 134.3 138.8 117.4 92.6 37.8
09.12.02 29.0 93.8 122.2 124.6 106.9 85.0 34.7
18.11.03 34.0 105.4 136.8 141.1 121.6 96.0 39.8
09.11.04 33.0 103.5 136.3 139.1 118.8 93.3 38.2
21.11.05 32.7 103.6 134.9 138.7 117.5 92.7 38.2
30.11.06 35.2 106.7 138.0 141.5 121.6 97.6 40.8
28.11.07 31.7 100.7 132.3 135.5 115.4 91.0 37.5
26.11.08 31.1 98.9 129.7 132.6 112.6 89.2 36.5
В отдельные годы ремонтного и послеремонтного периодов режимы наполнения водохранилища характеризовались высокой приточностью на различных этапах роста УВБ и длительным удерживанием высоких уровней на отметках, близких НПУ В 2001 и 2004 годах максимальная скорость наполнения водохранилища достигала 1.9 м/сутки. В условиях интенсивного наполнения водохранилища, когда происходит быстрое увеличение гидростатической нагрузки, температура бетона низовой грани существенно повыситься не успевает. В это время радиальные перемещения плотины с непрогретой низовой гранью существенно больше перемещений плотины с теплой гранью, поскольку составляющая перемещений от гидростатической нагрузки, направленная в сторону нижнего бьефа, незначительно уменьшается за счет температурной составляющей, направленной в верхний бьеф.
Режим наполнения водохранилища в годы, характеризуемые высокой приточностью и невысокими температурами наружного воздуха, регулировался с учетом текущего температурного состояния плотины с целью недопущения превышения предупреждающих критериев безопасности К1 и определенных отметок УВБ, календарные сроки наступления которых регламентируются «Правилами использования водных ресурсов водохранилищ СШГЭС и МГУ».
Таблица 2. Минимальные радиальные перемещения гребня плотины при УВБ,
близких к УМО (мм)
___________________(начальный цикл - 04.05.89 г.)_________________
Дата Секция
10 18 25 33 39 45 55
11.05.95 6.7 25.8 30.0 31.0 25.8 24.9 9.1
14.05.96 12.4 41.7 51.2 52.3 44.8 39.3 16.5
03.06.97 2.5 29.8 40.8 44.8 35.6 29.7 7.9
28.05.98 8.0 34.0 45.4 50.0 43.0 35.5 12.7
05.05.99 8.1 34.0 45.4 50.0 45.8 36.8 12.5
06.05.00 8.6 36.4 50.6 55.4 47.2 37.9 12.5
10.05.01 9.3 40.5 55.5 61.2 51.7 40.7 13.0
13.05.02 5.9 37.7 52.5 56.6 45.0 34.2 10.1
06.05.03 9.3 42.3 59.0 61.1 50.0 38.5 12.8
18.05.04 10.3 46.0 62.6 64.9 54.5 41.3 12.8
25.05.05 11.5 46.5 63.5 65.8 55.5 43.5 14.9
15.05.06 11.7 47.3 65.2 67.5 56.0 44.3 15.1
07.05.07 9.8 42.9 59.8 62.5 52.1 40.9 14.3
12.05.08 9.3 42.2 59.0 61.3 50.8 40.0 13.1
Наибольшая длительность действия максимальной гидростатической нагрузки на плотину отмечалась в 2003, 2004 и 2006 годах и составила 81 сутки. При длительном удерживании высоких УВБ в условиях устойчивого понижения температуры наружного воздуха (сентябрь, октябрь) рост плановых перемещений и углов поворота горизонтальных сечений плотины происходит за счет увеличения температурной составляющей, направленной в сторону нижнего бьефа.
Отмечается, что максимальные перемещения наблюдаются в начальный период сработки водохранилища (ноябрь). Тангенциальные перемещения практически стабилизировались после проведения ремонтных работ в бетоне напорной грани.
К числу неизбежных последствий ремонта следует отнести увеличение необратимой составляющей радиальных перемещений и углов поворота горизонтальных сечений плотины в сторону нижнего бьефа (НБ). После завершения нагнетания эпоксидной смолы в трещины при их максимальном раскрытии инъекционный материал затвердевал, образуя в трещинах клин, препятствующий возвращению плотины в исходное (доремонтное) положение при сработке водохранилища. Это обстоятельство и явилось причиной появления необратимых перемещений и углов поворота плотины в послеремонтный период. В результате лечения субгоризонтальных трещин в бетоне рост необратимой составляющей радиальных перемещений гребня ключевой секции плотины (секция 33) оценивается величиной около 11 мм. За период выполнения основного
объема ремонтных работ в основании (1999-2003 годы) необратимая составляющая перемещения гребня секции 33 возросла еще на 12 мм. В целом, необратимые перемещение гребня плотины, накопленные за период нормальной эксплуатации (с 1990 по 2007 год), составили от 35.3 до 59.1, что составляет почти 70 % от размаха (табл. 3).
Таблица 3. Необратимые радиальные перемещения гребня плотины по данным
прямых и обратных отвесов (мм)
Год Секции
18 25 33 39 45
1990 10.2 13.6 15.0 12.8 9.9
1991 5.8 6.9 8.5 7.5 6.4
1992 8.7 4.3 4.0 3.6 3.7
1993 4.7 6.2 5.1 5.0 4.3
1994 - - - - -
1995 0.6 1.1 1.0 - 0.2
1996 3.6 8.3 10.9 7.1 4.4
1997 - 0.4 0.6 1.4 1.1
1998 - - - - -
1999 2.5 4.6 3.7 3.8 0.7
2000 2.2 4.2 4.4 3.4 1.5
2001 - - - - -
2002 1.2 1.5 - - -
2003 3.4 4.3 3.6 2.6 1.3
2004 1.3 1.7 1.2 1.1 1.4
2005 0.7 0.5 1.1 0.5 0.4
2006 - - - - -
2007 - - - - -
сумма 90-07 44.9 57.6 59.1 48.8 35.3
Появление необратимых перемещений в 1990-1993 годах явилось следствием адаптации сооружения к проектной нагрузке. В дальнейшем рост перемещений обусловлен в основном влиянием ремонтных работ. Начиная с наполнения водохранилища в 2006 году, отмечается стабильный режим общих перемещений плотины, хотя максимальные радиальные перемещения за период нормальной эксплуатации наблюдались в 2006 году и составили 142.6 мм на гребне ключевой секции плотины.
По мере восстановления цементационной завесы и обусловленного этим процессом недовозврата подошвы первого столба в исходное положение продолжали накапливаться и необратимые наклоны плотины в нижний бьеф, что подтверждается показаниями поперечных гидростатических нивелиров при УВБ, близких к минимальным значениям (табл. 4).
Таблица 4. Минимальные углы поворота 1+11 столбов плотины по данным поперечных гидронивелиров при УВБ, близких к УМО (с)
__________________(начальный цикл - 05.05.94 г.)__________________
Дата Секции
18 25 33 39 45
11.05.95 0.4 -0.3 -0.1 0.4 -0.7
24.04.96 -5.3 -7.1 -8.0 -5.5 -3.7
08.05.97 -1.8 -2.1 -6.8 -4.3 -5.1
13.05.98 -2.6 -2.7 -7.8 -4.4 -5.8
05.05.99 -0.9 -1.2 -7.1 -5.0 -5.9
05.05.00 -3.6 -6.8 -11.7 -6.0 -6.0
11.05.01 -3.3 -12.0 -17.4 -10.7 -7.3
15.05.02 -10.1 -12.9 -16.8 -9.2 -7.0
29.04.03 -10.7 -14.0 -17.9 -10.3 -7.6
05.05.04 -11.2 -15.4 -19.0 -11.8 -10.0
13.05.05 -11.6 -15.9 -19.7 -12.1 -10.5
10.05.06 -11.5 -15.3 -19.0 -12.0 -10.2
04.05.07 -10.6 -14.5 -18.8 -10.5 -8.9
13.05.08 -11.0 -14.9 -19.0 -11.2 -11.9
С начала наблюдений (1977 год) и до 1985 года фиксировался рост осадок подошвы плотины, максимальная величина которой составила 34 мм. С 1986 года отмечался ее подъем, в результате чего величина осадки уменьшалась и к 1998 году достигла 27 мм. За период ремонта основания русловой плотины необратимая составляющая вертикального перемещения подошвы сооружения составила несколько более 2 мм. С 2002 года рост вертикальных остаточных перемещений плотины не наблюдается.
Обжатие трещиноватых зон бетона и скального массива основания после проведенных ремонтных работ повлияло на возрастание жесткости системы «плотина - основание». Увеличение общей жесткости послужило причиной снижения сезонного размаха радиальных перемещений и углов поворота горизонтальных сечений плотины на 20-25 %. Так, в 2005 году при росте УВБ с отметки 500 до 539 м гребень секции 33 переместился в нижний бьеф на 73 мм. В доремонтный период размах радиальных перемещений гребня этой же секции достигал 98 мм (1991 год). Сезонный размах радиальных перемещений плотины на уровне расположения нижней залеченной зоны бетона (отметка 359 м) уменьшился относительно 1991 года от 2 до 4 мм.
Можно отметить, что в настоящее время полностью сохраняется целостность отремонтированных зон в бетоне и основании плотины, и одной из основных задач эксплуатационного персонала ГЭС является соблюдение режима на сооружении так, чтобы при дальнейшей эксплуатации этого
уникального сооружения сохранить достигнутое при ремонте нормальное состояние системы «плотина - основание».
Выводы
1. Весь ход возведения сооружения, эксплуатации, ведения ремонтных работ контролировался с использованием геодезических методов и средств наблюдений (прямые, обратные отвесы, поперечные и продольные гидростатические нивелиры и т. д.), что позволило эффективно управлять процессом ремонтных работ и надежно оценивать состояние системы «плотина
- основание».
2. В общем комплексе натурных наблюдений за состоянием гидротехнических сооружений геодезические методы контроля являются наиболее надежными, позволяющими оценить фактическое состояние сооружения, определить нежелательные процессы, происходящие в сооружении, и, в комплексе с другими методами контроля, принять меры к предотвращению развития возможных аварийных ситуаций, что полностью подтвердилось опытом проведения ремонтных работ на Саяно-Шушенской плотине.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Брызгалов В.И., Епифанов А.П., Булатов В.А., Пермякова Л.С. и др. Опыт инъецирования фильтрующих трещин в напорной грани плотины Саяно-Шушенской ГЭС // Гидротехническое строительство. - 1998. - № 2.
2. Брызгалов В.И., Булатов В.А., Епифанов А.П., Пермякова Л.С. и др. Контроль изменения напряженно-деформированного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС в зоне инъецирования фильтрующих трещин // Гидротехническое строительство. - 1998. - № 9.
3. Стафиевский В.А., Булатов В.А., Попов А.В., Епифанов А.П. Технология ремонта основания плотины Саяно-Шушенской ГЭС вязкими полимерами // Гидротехническое строительство. - 2003. - № 11.
© А.П. Карпик, Н.И. Стефаненко, 2009
