Поведение бетонной и каменно-набросной плотин Богучанской ГЭС в период наполнения водохранилища (2012-2015 гг.)
, кандидат техн. наук (АО «Институт Гидропроект»),
, доктор техн. наук (ЦСГНЭО)
Рассмотрены проблемы наполнения водохранилища в условиях мерзлого скального основания и тела каменно-набросной плотины. Растепление основания и тела плотины привело к ее наклону в верхний бьеф, что в свою очередь вызвало локальное раскрытие шва между бетонной плотиной и асфальто-бетонной диафрагмой, являющейся водонепроницаемым ядром плотины.
Ключевые слова: осадки, горизонтальные смещения, раскрытие шва, растепление.
The behavior of concrete and rockfill dams of Boguchanskaya HPP during the filling of the reservoir (2012-2015)
Volynchikov A. N., PhD (Hydroproject Institute), Gaziev E. G., Dr. Sci (Centre of Geodynamical Researches)
Analysis of the problems of filling the reservoir in a frozen rock foundation and rockfill dam body. Thawing of the foundation and the rockfill led to the dam tilt upstream, which in turn caused a local joint opening between the concrete dam and the asphalt-concrete diaphragm, water-resistant core of the rockfill dam.
Keywords: settlement, horizontal displacement, joint opening, thawing.
1. Особенность наполнения водохранилища в условиях возведения сооружений в районе мерзлого грунта
Технический проект этой четвертой ступени ангарского каскада, выполненный институтом «Гидропроект» был утвержден в 1979 году, а строительство было начато в 1980 году, но из-за сложившейся экономической ситуации в 90-тые годы оно было практически остановлено и в 2006 г. возобновлено вновь институтом «Гидропроект» (АО «Институт Гидропроект», г. Москва) с корректировкой технического проекта 1979 года с учетом негативных последствий затянувшегося строительства и современных нормативных требований.
Особенностью строительства Богучанской ГЭС, существенно определившей ее поведение в период первого наполнения водохранилища, являются условия возведения сооружений в районе мерзлого грунта, где перепад температуры в разрезе года достигал 98°С, а среднегодовая температура составляет минус 3,5°С.
Заполнение водохранилища началось в апреле 2012 года (16.04.2012 г.), когда уровень воды составлял 142,37 м. К 5 ноября уровень был поднят до отметки 184,63 м и находился на этой отметке до конца апреля 2013 г., а в конце мая 2013 г. уровень был поднят до отм. 187,85 м и оставался без изменения практически до октября месяца. Затем начался медленный подъем уровня воды, который к концу июля 2015 года практически достиг отметки НПУ=208,0 м (рис. 1).
Сразу же после подъема горизонта воды, в верхнем бьефе (еще до завершения строительства плотины) стало происходить активное растепление мерзлого скального грунта под верховой гранью бетонной плотины и материала верховой призмы каменно-набросной плотины. Вопреки очевидным предположениям о смещении гребня каменно-набросной плотины в сторону нижнего бьефа под действием возрастающего гидростатического давления при подъеме уровня водохранилища, гребень и бермы плотины стали фиксировать наклон плотины в сторону верхнего бьефа.
Наклоны верховой призмы в сторону верхнего бьефа привели к раскрытию шва между бетонной плотиной и асфальто-бетонной диафрагмой, являющейся водонепроницаемым ядром каменно-набросной плотины. В этих условиях возникновения возможности нарушения напорного фронта инженеры института «Гидропроект» после анализа ситуации и выполненных дополнительных расчетов приняли решение об усовершенствовании конструкции шва БП/АБД, что и было осуществлено уже в процессе строительства.
Наклон каменно-набросной плотины в верхний бьеф продолжался более 3-х лет с апреля 2012 по июль 2015 г., когда плановые смещения всех берм повернулись в сторону нижнего бьефа.
Повышение температуры скального основания в его приконтактной зоне также оказало существенное влияние на поведение обеих плотин Богучанской ГЭС. На рис. 2 представлена диаграмма изменения температур воздуха, воды и приконтактного слоя в основании бетонной плотины в период начала наполнения водохранилища. При возрастании температуры воздуха с некоторым запозданием происходит подъем температуры воды в верхнем бьефе, а затем, после начала подъема горизонта водохранилища скачкообразно происходит подъем температуры приконтактного слоя.
Осадка оснований плотин
Осадка оснований бетонной и каменно-набросной плотин определяется по вертикальным смещениям потолочных и боковых потайных марок, размещенных в расположенной в основании плотин цементационной и смотровой галереях.
Для возможности совместного анализа осадок бетонной и каменно-набросной плотин, все результаты мониторинга были приведены к единому начальному циклу, для которого была принята единая дата отсчета измерений – сентябрь 2011 года.
2.1. Осадка основания бетонной плотины
Наблюдения за осадками основания бетонной части плотины ведутся с 1990 года по осадочным маркам, установленным в кровле цементационной галереи.
Осадка основания бетонной плотины началась практически сразу же с наполнением водохранилища в результате начала активного растепления приконтактной зоны в основании бетонной плотины, сложенного плотными долеритами (см. рис. 3).
В 2014-2015 гг. осадка секций плотины продолжалась уже под действием роста уровня воды в водохранилище. На рис. 4 приведена диаграмма осадок различных секций плотины в период наполнения водохранилища, на которой отчетливо видно, что осадки плотины, начавшиеся в момент активного растепления основания, в дальнейшем следовали за подъемом уровня водохранилища. Стабилизация осадок стала наблюдаться после приближения уровня водохранилища к НПУ.
Диаграммы осадок основания плотины в разные периоды наполнения водохранилища приведены на рис. 5. Максимальное значение осадки при УВБ = 207,9 м (23.06.2015 г.) составило 29,3 мм, в то время, как критериальное значение приращения вертикальных перемещений потолочных марок в цементационной галерее бетонной плотины относительно измерений на начало наполнения водохранилищапри УВБ=208,0 м составляет: К1 = 40 мм, и К2 = 50 мм1.
2.2. Осадка основания каменно-набросной плотины
Подъем горизонта воды в водохранилище с происходящим активным растеплением грунта верховой призмы оказал существенное влияние как на осадку, так и на плановые смещения тела каменно-набросной плотины (КНП). Первый этап этого процесса деформирования плотины был подробно рассмотрен в статьях [1 и 2].
Диаграмма осредненных осадок, измеренных в цементационной галерее под плотиной аналогична осадкам под бетонной плотиной.
На рис. 6 представлены диаграммы вертикальных смещений основания КНП в различных ее секциях в период наполнения водохранилища в 2014-2015 гг. Здесь также видно, что осадки основания следовали за изменением уровня воды в водохранилище. Стабилизация осадок основания наступила в апреле-мае 2014 года после достижения уровнем водохранилища отметки 203 м. К июлю 2015 г. уровень практически достиг НПУ=208 м.
Диаграммы осадок каменно-набросной плотины в разные периоды наполнения водохранилища представлены на рис. 7.
Сопоставление полученных осадок секций цементационной галереи КНП с заданными критериальными значениями в период наполнения водохранилища при УВБ=205,0 м и 208,0 м приведено в прилагаемой таблице:
Таблица 1. Критериальные значения осадок секций цемгалереи КНП в период наполнения водохранилища от отм. 205,00 м до отм. 208,00 м
Номер секции | Номер марки | УВБ (м) | Полученная осадка (мм) | Критериальные значения осадки (мм) при УВБ: | |||
УВБ = 205,0 м | УВБ = 208,0 м | ||||||
К1 | К2 | К1 | К2 | ||||
8 | МБП 8 | 207,9 | -28,1 | -91,7 | -92,9 | -92,55 | -93,8 |
28 | МБП 28 | 207,9 | -31,2 | -69,5 | -70,9 | -70,15 | -71,55 |
44 | МБП 44 | 204,4 | -30,7 | -205,0 | -207,8 | -206,95 | -209,75 |
55 | МБП 55 | 204,4 | -34,6 | -448,8 | -452,1 | -453,05 | -456,35 |
Отсюда очевидно, что осадки каменно-набросной плотины при росте УВБ до НПУ=208,0 м так же, как и у бетонной плотины не превзошли заданных критериальных значений.
2.3. Осадка оснований бетонной и каменно-набросной плотин
На рис. 8 приведена диаграмма осадок обеих плотин БП и КНП. На диаграмме видно, что осадка обеих плотин имеет достаточно плавный характер без резких локальных изменений, в том числе и на контакте.
3. Плановые смещения основания бетонной плотины
Плановые смещения основания бетонной плотины измеряются обратными отвесами (СГС), координатометры которых расположены в цементационной штольне.
Измерения смещений по показаниям обратных отвесов были начаты в августе-сентябре 2010 года, когда уже велось строительство бетонной плотины, поэтому фиксирование смещений регистрировалось еще до поднятия уровня воды в водохранилище, которое началось 16.04.2012 г. В каждой секции было установлено по 3 обратных отвеса в разных скважинах и на разной глубине (15 м, 30 м и 50 м), что должно было позволить проконтролировать нарастание смещения основания относительно самого глубокого якоря отвеса, который принимался за неподвижную точку.
На рис. 9 представлены диаграммы смещений основания плотины в сторону нижнего бьефа по обратным отвесам в створных секциях 21 (СГС21-1Х); 28 (СГС28-1Х) и 31 (СГС31-1Х). Измерения по оси Х соответствуют смещениям вдоль потока (при этом положительные значения означают смещения в нижний бьеф).
Полученные результаты показали, что в процессе строительства бетонной плотины и первоначального наполнении водохранилища до отметки 205,27 м (к 13.01.2015 г.) максимальная величина смещения основания в сторону нижнего бьефа в створных секциях 21 (СГС21-1Х); 28 (СГС28-1Х) и 31 (СГС31-1Х) не превысила 4,5 мм (рис. 9).
В нижеследующей таблице приведено сопоставление полученных смещений пунктов установки координатометров СГС 12, СГС 21, СГС 28 и СГС 31 с контрольными значениями, приведенными в Критериях безопасности гидротехнических сооружений Богучанской ГЭС, г. Кодинск, 2014 г.1
Таблица 2. Критериальные значения К1 приращений горизонтальных перемещений контрольных точек бетонной плотины относительно точек измерения в цементационной галерее при УВБ = 208,0 м (по сравнению с началом наполнения водохранилища).
№ секции | Номер пункта | Разница приращений (мм) при УВБ=199 м | Разница приращений (мм) при УВБ=208 м |
12 | СГС 12 | 2,47 | 8,77 |
21 | СГС 21 | 3,93 | 12,52 |
28 | СГС 28 | 8,58 | 14,37 |
31 | СГС 31 | 6,02 | 32,37 |
Из результатов наблюдений по СГС следует, что основания рассматриваемых секций с начала наблюдений сместились в сторону нижнего бьефа и правого берега и не превысили контрольных значений. Можно отметить, что уже к концу мая 2014 года, после подъема УВБ до отм. 203-204 м, рост смещений практически стабилизировался.
4. Осадки и плановые смещения тела каменно-набросной плотины
Измерения плановых смещений знаков на бермах КНП осуществлялись геодезистами Отдела топогеодезических исследований ЦСГНЭО, а наблюдения за смещениями гребня, а также осадками и смещениями АБД выполнялись геодезистами ЛГТС Богучанской ГЭС.
Схема расположения геодезических знаков на бермах плотины показана на рис.10.
Измерения горизонтальных плановых смещений проводились геодезистами ЦСГНЭО по двум направлениям: по оси Х (положительное направление на Север) и по оси Y (положительное направление на Восток).
В каждом цикле измерений определялись приращения смещений, начиная с момента начала заполнения водохранилища, 
и
, по которым вычислялись суммарные горизонтальные плановые смещения пункта 
и отклонение вектора смещения от направления на Север.
В первый период наполнения водохранилища замеры вертикальных и горизонтальных смещений марок осуществлялись на бермах как верховой, так и низовой граней каменно-набросной плотины. После того, как уровень воды в водохранилище превысил отметку 202 м, осуществление наблюдений за марками на бермах верховой грани стало невозможным. Измеренные за этот период осадки верховой бермы плотины показали, что нарастание осадок на отметке 202 м произошло в основном в начальный период наполнения водохранилища, что было вызвано в первую очередь замачиванием верховой призмы плотины и ее уплотнением со стороны верховой грани. За 6,5 месяцев с 16.04.2012 при подъеме уровня воды на 38 м произошла осадка бермы на 230 мм. Еще более существенно этот процесс отразился на осадке гребня плотины, которая уже к середине 2014 года достигла величины 1000 мм.
Осадки гребня (на отм. 210 м) и берм на низовой грани плотины на отметках 202 м, 187 м и 148 м представлены на рис. 11. Диаграмма этих осадок носит неравномерный характер. Нарастание осадок происходит от контакта КНП с бетонной плотиной, причем наибольшие осадки наблюдаются в районе марок 3 и 4 (П3в-2Н и П4в-2Н). На всей остальной длине плотины вплоть до правого берега осадки снижаются, достигая близ берега величины 100 мм. Рост осадок берм плотины еще не стабилизировался (рис. 12).
Аналогичная картина наблюдается и на диаграммах плановых смещений марок на гребне плотины и на бермах низовой грани. Результирующие векторы горизонтальных смещений марок показаны на рис. 13. Максимальные величины плановых смещений гребня плотины приурочены к району расположения марки 2 (П2в-2Н), а берм на низовой грани плотины - к району расположения марки 3 (П3в-2Н).
Эти марки на гребне и на бермах на низовом откосе плотины с самого начала наполнения водохранилища стали смещаться в сторону верхнего бьефа, и это смещение продолжалось более 3 лет до июля 2015 года (рис. 14).
Как свидетельствуют результаты первоначального мониторинга, векторы плановых смещений бермы на верховой грани плотины также в первое время были направлены в сторону верхнего бьефа, причем величины этих смещений превышали отмеченные смещения бермы на низовом откосе. Таким образом, плотина как бы растягивалась в горизонтальном направлении, причем на отметке 202,0 м тело плотины между знаками на низовой и на верховой грани (на расстоянии примерно 65 м) «растягивалось» на величину порядка 200 - 250 мм.
5. Поведение шва между бетонной плотиной и асфальто-бетонной диафрагмой
Шов между асфальто-бетонной диафрагмой (АБД) и 34 секцией бетонной плотины (БП) был выполнен таким образом, чтобы при наполнении водохранилища и смещении диафрагмы в сторону нижнего бьефа происходило бы обжатие шва. Однако, аномальное поведение верховой призмы плотины в начале наполнения водохранилища вследствие ее растепления, привело к начальной осадке и смещению призмы в сторону верхнего бьефа, что в свою очередь привело к раскрытию шва. Для ликвидации опасности нарушения водопроницаемости напорного фронта плотины, проектировщиками института «Гидропроект» было предложено модернизировать шов, снабдив его продольной шпонкой, заполненной асфальтовой мастикой (рис. 15). Эта работа была выполнена при уже частично возведенной плотине, что позволило остановить начавшееся на верхних отметках раскрытие шва. Это раскрытие достигло своего максимального значения (порядка 80 мм) в конце декабря 2012 года (рис. 16) и продержалось на этом уровне всю первую половину 2013 года. В первых числах июня раскрытие шва стало уменьшаться и к августу 2015 года составило 45 мм с тенденцией дальнейшего снижения.
В то же время, в примыкании АБД к бетонной плотине наблюдается ее осадка относительно секции 34, которая к августу 2015 года составила 893 мм.
6. Поведение правобережного примыкания плотины в период наполнения водохранилища
Инженерно-геологические условия правобережного примыкания каменно-набросной плотины Богучанской ГЭС являются весьма сложными и характеризуются склонностью слагающих его пород к оползневым деформациям. Выделяются два характерных типа деформаций: оползни на участках моноклинально залегающих осадочных образований, представляющих чередование глинистых и известковисто-песчанистых отложений и оползни в траппах, где пластовая интрузия долеритов перекрывает осадочные отложения ордовика. Для оценки напряженно-деформированного состояния правобережного примыкания плотины, в период проектирования на математической модели были выполнены расчеты, которые показали, что первоначально общий коэффициент запаса устойчивости массива примыкания составлял k=1,2, после планировки склона и отсыпки контрбанкета коэффициент запаса прочности массива возрос до значения k=1,4, а отсыпка на поверхности склона защитного экрана должна была повысить общий коэффициент запаса устойчивости массива примыкания до значения k=1,6.
Вместе с тем, в ходе наполнения водохранилища, в мае 2013 года, при визуальном обследовании правого берега со стороны верхнего бьефа было зарегистрировано наличие провалов и размывов грунта, а также трещин отрыва на расстоянии 1 км от створа плотины. Эта зона приурочена к оползню так называемого «ангарского типа», который генетически относится к оползням выдавливания, а по форме проявления – к блоковому типу (структурные оползни) (рис. 17). Такой оползень состоит из нескольких крупных смещенных блоков, которые имеют различное строение. Ширина блоков колеблется от 50 м до 140 м, а их мощность составляет 15-60 м. Вдоль оползневого тела (в его тыловой части) прослеживаются гряды из разноориентированных друг к другу блоков и глыб долеритов, напоминающих беспорядочный навал пород на склоне.
В процессе перемещения блоки расходятся, и в промежутках накапливается рыхлый материал.
При наполнении водохранилища происходит замачивание рыхлого материала и его уплотнение с образованием провалов на поверхности земли. На дне провалов появляется вода, уровень которой совпадает с уровнем водохранилища.
Проведенные инженерно-геологические исследования поведения правобережного примыкания плотины показали, что провалообразование, являющееся следствием уплотнения грунта, представляет собой локальное явление, не влияющее на гидрогеологическую ситуацию в правобережном примыкании и, следовательно, не влияющее на безопасность сооружения.
7. Выводы
1. Анализ данных натурных наблюдений показал, что при начале наполнения водохранилища Богучанской ГЭС в результате замачивания мерзлых прослоев грунта в верховой упорной призме началось их растепление и уплотнение верховой призмы каменно-набросной плотины, что привело к первоначальному наклону плотины в сторону водохранилища. Этот процесс продолжался практически 3 года, с начала наполнения водохранилища (апрель 2012 г.) и до июля 2015 года.
2. Повышение температуры скального основания в его приконтактной зоне и материала верховой призмы каменно-набросной плотины оказало существенное влияние на поведение обеих плотин: как на их осадку, так и на плановые смещения.
3. Осадка основания обеих плотин имеет достаточно плавный характер без резких локальных изменений, в том числе и на контакте между плотинами. Осадки оснований каменно-набросной и бетонной плотины не превзошли регламентированных критериальных значений.
4. Характер результирующих плановых смещений каменно-набросной плотины носит неравномерный характер, обусловленный, по всей видимости, неравномерным распределением по длине плотины мерзлых прослоев грунта (рис. 11 и 13). Нарастание смещений происходит от контакта КНП с бетонной плотиной, где наибольшие смещения на гребне и на верхней берме низовой грани наблюдаются в районе марок П2в-2Н – П4в-2Н. На всей остальной длине плотины вплоть до правого берега смещения снижаются, достигая близ берега величин, не превосходящих 100 мм.
5. Раскрытие контакта асфальто-бетонной диафрагмы с бетонной плотиной в верхней его части, достигнув своего максимума 80 мм в марте 2013 г., впоследствии стабилизировалось на уровне 40-50 мм с дальнейшей тенденцией снижения. Существенную роль в ограничении зоны раскрытия шва сыграло создание в шве комбинированного шпоночного колодца, повысившее его надежность, обеспечив водонепроницаемость напорного фронта.
6. В конце 2014 – начале 2015 г. смещения по потоку в контактном шве БП/АБД практически остановились на уровне, не превышающем 314 мм. Однако осадки в шве пока еще не стабилизировались, что требует продолжения наблюдений за его поведением.
7. Инженерно-геологические исследования поведения правобережного примыкания плотины в период наполнения водохранилища показали, что провалообразование, являющееся следствием уплотнения грунта, представляет собой локальное явление, не влияющее на гидрогеологическую ситуацию в правобережном примыкании и, следовательно, не влияющее на безопасность сооружения.
Список литературы
, , «Поведение каменно-набросной плотины Богучанской ГЭС в период наполнения водохранилища», «Гидротехническое строительство», № 9, 2013, с. 10-17. , «Анализ вертикальных смещений бетонной плотины Богучанской ГЭС в период первого наполнения водохранилища», «Гидротехническое строительство», № 8, 2014, с. 13-17.1 Критерии безопасности гидротехнических сооружений Богучанской ГЭС (стадия – эксплуатация гидротехнических сооружений в объеме 5, 6 и 7 этапов строительства, обеспечивающих ввод в эксплуатацию 7, 8 и 9 гидроагрегатов). Кодинск, 2014.
