Сильные воздействия водохранилищ на геологическую среду и земную кору

В.В. ТЕТЕЛЬМИН

СИЛЬНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДОХРАНИЛИЩ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ И ЗЕМНУЮ КОРУ








■ Издательский Дом V ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ 2015

Рецензенты:
Главный научный сотрудник ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева доктор технических наук, заслуженный изобретатель профессор Жиленков Владимир Николаевич;
заведующий лабораторией тектонофизики
Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН доктор физико-математических наук Ребецкий Юрий Леонидович;
профессор университета МАМИ, кандидат технических наук Даниелов Эдуард Рубенович

  Тетельмин В.В.
     Сильные воздействия водохранилищ на геологическую среду и земную кору. Научное издание / Тетельмин В.В. — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2015. — 240 с.: ил.
      ISBN 978-5-91559-206-2

     В книге рассматриваются существенные, но не учитываемые при проектировании высоких плотин глубинные геоди-намические процессы, происходящие в большой толще массива оснований и берегов. Называется и впервые исследуется природа техногенных процессов и воздействий, определяющих нестационарное состояние высоких бетонных плотин. В частности, рассматриваются глубинные фильтрационные процессы и процессы конвективного теплообмена в основаниях высоких плотин. Впервые проводится анализ особенностей нарушения изостатического равновесия и предлагается алгоритм расчёта процесса прогиба упругой земной коры от веса глубокого водохранилища. В частности, даётся системное описание и анализ причин необратимых деформационных процессов, происходящих в створе арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС, которые являются существенными с точки зрения обеспечения её безопасности, но которые до настоящего времени не получили своего физического объяснения.
     Книга адресуется работникам эксплуатационных служб гидроэлектростанций, работникам проектных и исследовательских организаций, а также студентам и преподавателям гидротехнических факультетов вузов.


  ISBN 978-5-91559-206-2

                           © 2015, Тетельмин В.В.
                           © 2015, 000 Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет

Оглавление







ВВЕДЕНИЕ..............................................7

Глава 1. ЗЕМНАЯ КОРА И СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД...........11
       1.1. Земная кора и гидросфера.................11
       1.2. Геодинамика земной коры..................17
       1.3. Пористость и трещиноватость скальных пород.21
       1.4. Плотность и проницаемость скальных пород.26
       1.5. Упругость, пластичность и вязкость скальных пород................................29
       1.6. Прочность и разрушение скальных пород....33
       1.7. Упругоемкость и пьезопроводность скальных пород................................35
       1.8. Геостатическое и трещинно-поровое давление в массиве.....................................38
       1.9. Тепловое состояние горных пород..........40
Глава 2. НЕПРОЕКТНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ВЫЗВАННЫЕ КРУПНЫМИ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ.............................42
       2.1. Явления возбужденной сейсмичности в окрестности гидроузлов .....................42
       2.2. Примеры аварий плотин....................54
       2.3. Прогиб земной коры в районе плотины Гувер (США).........................................57
       2.4. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС............60
           2.4.1. Краткая история строительства......60
          2.4.2. Общая характеристика гидротехнических сооружений.................................62
           2.4.3. Авария 17 августа 2009 г...........63
       2.5. «Предвидеть и предупреждать» катастрофы .70

Оглавление

Глава 3. ФОРМЫ ВОЗ ДЕЙСТВИЯ ГЛУБОКИХ
ВОДОХРАНИЛИЩ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ..............................................78

       3.1. Водохранилище как энергетический донор глубинных геодинамических процессов ..................................78
       3.2. Фильтрация из водохранилища как основной возмущающий фактор геологической среды.........................84
       3.3. Упругий режим фильтрации в основании плотины......................................88
       3.4. Увлекающие фильтрационные силы (УФ-силы) в основаниях высоких плотин........93
       3.5. Опрессовывающие фильтрационные силы (ОФ-силы) в основаниях высоких плотин.....................................100
       3.6. Глубинный конвективный теплообмен в основаниях высоких плотин................104
       3.7. Процесс выщелачивания зацементированного пространства оснований.....................110

Глава 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ГЛУБОКИХ ВОДОХРАНИЛИЩ НА ЗЕМНУЮ КОРУ...................... 113

       4.1. Явление прогиба земной коры от гравитационной нагрузки.................113
       4.2. Особенности процесса прогиба земной коры от веса водохранилища.................117
       4.3. Прогиб земной коры как изгиб балки на упругом основании.......................126
       4.4. Результаты моделирования процесса упругого прогиба земной коры...............128
       4.5. Амплитуда погружения земной коры в вязкое мантийное вещество................140
       4.6. Динамика погружения земной коры в вязкое мантийное вещество................143
       4.7. Размеры области активного влияния глубоководных гидроузлов...................148

Оглавление

5

Глава 5. НЕПРОЕКТНЫЕ НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В СТВОРЕ ПЛОТИНЫ
САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС.............................152

       5.1. Инженерно-геологические условия створа....................................152
       5.2. Необратимые перемещения основания плотины и берегов.........................155
       5.3. Необратимые угловые и радиальные перемещения плотины.......................161
       5.4. Непрекращающийся рост напряжений в теле плотины............................165
       5.5. Появление и рост трещин в бетоне напорной грани............................168
       5.6. Рост напряжений в элементах турбинных водоводов ............................... 170
       5.7. Изменение фильтрационных расходов и напоров в основании.....................173

Глава в. НЕПРОЕКТНОЕ СОСТОЯНИЕ ПЛОТИНЫ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС КАК РЕЗУЛЬТАТ
ГЛУБИННЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.............178
       6.1. Изменение свойств скального основания за счет глубинных геодинамических процессов ................................178
       6.2. Моделирование глубокого воздействия фильтрации на массив основания ...........184
       6.3. Причины непрекращающегося разуплотнения контакта «скала—бетон» .....186
       6.4. Причины роста арочных напряжений в плотине и схождения берегов.............194
       6.5. Причины необратимых радиальных и угловых перемещений плотины ............197
       6.6. Причины трещинообразования в бетоне напорной грани плотины....................204
       6.7. Причины и следствия роста напряжений в элементах турбинного водопроводящего тракта....................................209
       6.8. Причины изменения фильтрационных расходов и напоров в основании............215

Оглавление

Глава 7. ПРОЯВЛЕНИЯ СИЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ВОДОХРАНИЛИЩ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ И ЗЕМНУЮ КОРУ....................................219
       7.1. Качественные проявления сильных воздействий водохранилищ..................219
       7.2. Количественные проявления сильных воздействий водохранилищ..................224
      7.3. Прогноз развития непроектных процессов в створе плотины Саяно-Шушенской ГЭС.......228

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................233

                          Собственник ...и эксплуатирующая организация обязаны осуществлять регулярную оценку безопасности гидротехнического сооружения и анализ причин ее снижения с учетом вредных природных и техногенных воздействий.

                                Статья 9 Федерального Закона «О безопасности гидротехнических сооружений»




Введение
С момента аварии на Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС) прошло более пяти лет, но остается множество вопросов, а в прессе до сих пор появляются такие определения: «причины аварии окончательно неизвестны; в расследовании трагедии есть много белых пятен; авария на СШГЭС может повториться» (газета «Московский комсомолец» от 22.01.2013).
   В многочисленных публикациях отмечается, что в створе уникальной арочно-гравитационной плотины СШГЭС происходят необратимые процессы (журнал Гидротехническое строительство № 11 за 2008 г.; №№ 5, 9 за 2009 г.; №№ 1,2, 3, 7, 9 за 2010 г.; № 7 за 2011 г.; №№ 1, 3, 7 за 2012 г.; №№ 3, 4, 7 за 2013 г.; № 3 за 2014 г.). Тысячи установленных контрольно-измерительных приборов фиксируют тренды необратимого характера в диагностических показателях сооружения, что характеризует состояние плотины как «непроектное». Подобное состояние, а также произошедшая в августе 2009 г. авария свидетельствуют о том, что при проектировании СШ-гидроузла были учтены не все факторы внешнего воздействия на плотину и гидроагрегаты, определяющие их надежность и безопасность. Авторы книги [17], представляющие проектную, научную и эксплуатирующую СШГЭС организации, признают, что «плотина имеет скрытые конструктивные особенности, которые нет возможности отразить в расчетных моделях». Здесь же они отмечают, что «не удается отразить в расчетах особенности повышенных перемещений плотины».
   При эксплуатации и анализе состояния высоких плотин необходимо руководствоваться основополагающим принципом, а именно презумпцией потенциальной опасности этих ответственных напорных сооружений. В то же время причины непрекращающихся разно

Введение

характерных процессов на таком сооружении первого класса как Саяно-Шушенский гидроузел до сих пор официально не названы и не исследованы, что является нарушением ст. 9 Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений».
   Таким образом, на протяжении всех лет эксплуатации СШГЭС существует противоречие между множеством наблюдаемых аномальных перемещений плотины, основания и берегов и тем, что может объяснить современная гидротехническая наука. Для обеспечения необходимого уровня эксплуатационной надежности плотины и гидроагрегатов СШГЭС необходимо выяснить причины и дать научное объяснение фактам непрекращающихся необратимых перемещений плотины, сокращения длины хорды арки плотины, роста арочных напряжений в бетоне и других процессов, наблюдаемых в створе плотины. Без выяснения физической сущности происходящих нестационарных процессов невозможно прогнозировать дальнейшее поведение высокой арочно-гравитационной плотины и установленных гидроагрегатов большой единичной мощности.
   Изучение влияния техногенных глубинных геодинамических процессов на напряженно-деформированное состояние крупных гидротехнических сооружений, должно стать новым направлением в строительной науке. Для таких ответственных сооружений как атомные станции, адронные коллайдеры и мощные ГЭС многолетнее опускание земной поверхности со скоростью 2—4 мм/год может оказаться опасным. На протяжении всего периода эксплуатации глубоководных гидроузлов ни на минуту не прекращаются геодинамические процессы в основаниях плотин, происходит разбалансировка сил и воздействий в большом пространстве вмещающей геологической среды и земной коры в целом. В результате глубинных геодинамических процессов геологическая среда испытывает ряд изменений и перемещений, а плотины в целях самосохранения вынуждены постоянно следовать за этими перемещениями.
   Настоящая книга является развитием и обобщением положений, изложенных в монографии «Плотина Саяно-Шушенской ГЭС: состояние, процессы, прогноз» [63]. В книге дается системное описание необратимых процессов, наблюдаемых в створе плотины, и предлагаются нетрадиционные подходы к их объяснению. Исследуется физическая природа глубинных геодинамических процессов и воздействий, определяющих нестационарное состояние высоких бетонных плотин. Приводится ряд авторских решений, определяющих: дина

Введение

9

мику продвижения волны фильтрационного напора вглубь основания в упругом режиме фильтрации; условие устойчивости краевых трещин в бетоне напорной грани плотин; критерий упругого прогиба земной коры от веса водохранилища; изменение параметров деформируемости и проницаемости оснований от фильтрационного напора и их температуры; динамику прогиба земной коры от веса водохранилища в процессе эксплуатации; деформацию «замедленной упругости» водонасыщенных пористых сред; расчетный «осаживающий» напор в верхнем бьефе гидроузла; давление гидравлического разрыва скальных пород.
   По изложенным в книге проблемам и решениям состоялись многочисленные дискуссии между автором и специалистами-гидротехниками на конференциях и заседаниях ученых и научно-технических советов. Например, А.И. Савич (Гидропроект) неоправданно отрицает наличие глубинных гео динамических процессов в основании плотины СШГЭС, а также возможность аналитической оценки «фильтрационного фактора на участках крупных ГЭС» [57, с. 48]. Л.А. Гордон (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева) не замечает того, что в створе плотины СШГЭС происходят серьезные нестационарные процессы, и что плотина нуждается в установлении реального физического диагноза ее «болезненного состояния» [17], [19]. О.К. Воронков (ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева) не признает того очевидного факта, что крупные водохранилища способны нарушать изостатическое равновесие земной коры [15], [16]. А.И. Марчук (ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН) вопреки существующей практике считает, что из-за сложного напряженного состояния и строения земной коры невозможно моделировать и рассчитывать процесс ее прогиба [37].
   Рассмотренные в книге глубинные геодинамические процессы являются нетрадиционными для гидротехнической науки и непростыми для восприятия. Однако без признания их объективности невозможно объяснить многолетнее нестационарное состояние высокой арочно-гравитационной плотины СШГЭС и других высоких бетонных плотин. Автор надеется, что настоящая монография отвечает на возражения оппонентов, объясняет непроектное поведение высоких плотин и тем самым поможет ответственным проектным, эксплуатирующим и надзорным организациям принимать в таких случаях адекватные управленческие решения.
   Автор выражает сердечную признательность за поддержку коллегам по работе, научным сотрудникам В.А. Уляшинскому, В.Н. Жи-

Введение

ленкову, Л.Н. Павловской, А.Г. Василевскому, Э.Р. Даниелову и ныне ушедшему сотруднику института Гидропроект д. т. н. В.И. Бронштейну. Выражаю искреннюю благодарность д. г.-м. н. Е.В. Артюшкову и д. ф.-м. н. Ю. Л. Ребецкому (ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН), заместителю председателя Правления ОАО «РусГидро» Р.Ш. Альжанову, генеральному директору ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева Е.Н. Беллендиру и главному инженеру СШГЭС Т.М. Юсупову за внимание, которое они уделили автору при обсуждении различных аспектов сильного воздействия водохранилищ на геологическую среду и земную кору.