Анализ данных натурных наблюдений за деформациями основания и полными осадками бетонной плотины Богучанской ГЭС

Полный текст

Введение Богучанская ГЭС проектной мощностью 3000 МВт расположена в Красноярском крае на р. Ангаре, составляя четвертую (нижнюю ступень) Ангарского каскада ГЭС. Напорный фронт Богучанской ГЭС имеет общую протяженность 2670,5 м и образован бетонной гравитационной и каменно-набросной плотинами. Бетонная плотина имеет протяженность 809,3 м и наибольшую высоту 96 м [1-3]. Район строительства Богучанской ГЭС характеризуется суровыми климатическими условиями, при которых температурные перепады в течение года могут превышать 90 оС. Строительство основных сооружений началось в 1979 г., наполнение водохранилища до отметки первой очереди (185 м) происходило с апреля 2012 г. В середине 2015 г. уровень воды в верхнем бьефе достиг проектной отметки 208,00 м. В декабре 2017 г. Богучанская ГЭС была введена в промышленную эксплуатацию после завершения строительно-монтажных работ [4]. Методы Натурные наблюдения за состоянием основания бетонной плотины (в том числе вертикальных деформаций приконтактного слоя и полных осадок бетонной плотины) выполняются по приборам дистанционной струнной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), установленным в основании I и III столбов секций бетонной плотины, а также геодезической КИА (установленным в цементационной галерее верховых столбов секций бетонной плотины). При этом учтен отечественный и зарубежный опыт натурных наблюдений[10] [5; 6]. Вертикальные деформации приконтактного слоя основания бетонной плотины на глубину 2 и 5 м измеряются струнными датчиками перемещений ПЛПС-10 с удлинителями, заложенными в скважинах скального массива перед укладкой бетона в секции плотины. Полные осадки секций бетонной плотины измеряются на основе геодезических марок, установленных в цементационной галерее (по две марки в каждой секции). Со стороны верховой и низовой граней плотины приборы ПЛДС-10 размещены в секциях 12, 21, 28, 31, 34, которые называются створными. В остальных секциях закладная дистанционная КИА устанавливалась только со стороны верховой грани плотины (то есть в основании I столба). В качестве примера на рис. 1 представлено размещение указанной струнной и геодезической КИА в основании секции 12 бетонной плотины Богучанской ГЭС. Натурные наблюдения за основанием бетонной плотины включают измерения значений диагностических показателей состояния основания бетонной плотины. Согласно Декларации безопасности ГТС Богучанской ГЭС, в состав диагностических показателей состояния бетонной плотины Богучанской ГЭС входят количественные диагностические показатели напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «бетонная плотина - основание», в том числе состояние контактного шва «бетон - скала» (по дистанционным щелемерам ПЛПС с базой 2 и 5 м в основании) (отсутствие раскрытия). При этом критерий К1 соответствует переходу от сжатия контактного шва к растяжению (К1 ≥ 0), а критерий К2 не назначается. Рис. 1. Размещение струнной и геодезической КИА в основании секции 12 бетонной плотины Figure 1. String and geodetic instrumentation placement at the base of the section 12 of the concrete dam Также имеются критерии безопасности, касающиеся полной осадки створных секций бетонной плотины. Таким образом, на основе анализа данных комплекса натурных наблюдений осуществляется контроль устойчивости бетонной плотины, так как устойчивость обеспечивается при воздействии вертикальных сжимающих напряжений на контакте подошвы плотины с основанием, то есть имеют место вертикальные деформации сжатия (в особенности в верховой части плотины), что также обосновано значительным объемом исследований состояния контакта бетонных плотин со скальными основаниями [7-17]. Результаты Анализ данных натурных наблюдений за вертикальными деформациями приконтактной зоны скального основания показал, что наибольшие деформации сжатия сформировались к началу наполнения водохранилища (в 2012 г.). На первом этапе водохранилище наполнялось до промежуточного уровня 185 м. Под действием взвешивающего влияния воды, наполняющей водохранилище (при уменьшении давления секций бетонной плотины на основание), вертикальные деформации сжатия приконтактной зоны основания стали уменьшаться. При этом возникло опасение, что в процессе дальнейшего подъема уровня воды в водохранилище до проектной отметки 208 м (к середине 2015 г.) уменьшение сжимающих деформаций может достигнуть такого уровня, что произойдет нарушение контакта подошвы бетонной плотины с основанием (раскрытие контактного шва). При проникновении воды в контактный шов «бетон - скала» могло возникнуть вертикальное усилие на подошву секций бетонной плотины от действия противодавления воды, направленное вверх[11]. При раскрытии же контактного шва «бетон - скала», сопровождающимся действием противодавления воды в раскрывшемся шве, направленном вверх, устойчивость бетонной плотины могла не обеспечиваться, так как снижается сопротивление контакта «бетон - скала» сдвигу при снижении его обжатия. Тем не менее данные натурных наблюдений в период подъема водохранилища до проектной отметки (208 м) показали, что все установленные в основании приборы фиксировали деформации вертикального сжатия приконтактной области. При этом с 2016 г. наметилась стабилизация вертикальных деформаций приконтактной области основания. Вертикальные деформации двухметровой приконтактной зоны основания створных секций 12, 21, 28, 31, 34 к октябрю 2021 г. составили -2,45…-7,02 мм; пятиметровой приконтактной зоны основания -2,69…-8,17 мм. Результаты натурных наблюдений за вертикальными деформациями двухи пятиметровых зон основания представлены в табл. 1. Таблица 1 / Table 1 Значения вертикальных деформаций двухи пятиметровых приконтактных зон основания в характерные периоды времени, мм The vertical deformations values of the twoand five-meter near-contact zones of the base in characteristic periods of time, mm Секции Sections № прибора ПЛПС Instrumentation No. 23.09.2012 11.01.2016 23.09.2019 11.10.2021 База прибора, м Instrument base, m 12 212с21 -5,68 -5,28 -5,24 -5,22 2 21 221с21 -6,23 -5,98 -5,91 -5,90 2 21 221с22 -6,61 -6,44 -6,45 -6,47 2 21 221с23 -7,48 -7,02 -7,02 -7,02 2 28 228с21 -5,56 -4,13 -4,20 -4,26 2 28 228с23 -3,46 -2,45 -2,42 -2,45 2 28 228с24 -3,67 -3,66 -3,66 -3,66 2 31 231с22 -3,31 -3,30 -3,28 -3,28 2 34 234с22 -5,99 -5,34 -5,26 -5,25 2 34 234с23 -6,91 -6,47 -6,45 -6,49 2 12 212с51 -8,15 -8,03 -8,03 -8,03 5 12 212с57 -6,05 -6,08 -6,08 -6,09 5 21 221с51 -8,19 -8,18 -8,18 -8,17 5 28 228с52 -2,72 -2,69 -2,69 -2,69 5 28 228с53 -3,72 -2,80 -2,74 -2,79 5 31 231с52 -7,47 -7,40 -7,28 -7,25 5 34 234с51 -5,98 -5,77 -5,71 -5,68 5 На рис. 2-6 приведены графики вертикальных деформаций двухи пятиметровых приконтактных зон скального основания секций 12, 21, 28, 31, 34. Рис. 2. Вертикальные деформации приконтактной зоны основания секции 12 Figure 2. Vertical deformations of the near-contact zone of the base of section 12 Рис. 3. Вертикальные деформации приконтактной зоны основания секции 21 Figure 3. Vertical deformations of the near-contact zone of the base of section 21 Рис. 4. Вертикальные деформации приконтактной зоны основания секции 28 Figure 4. Vertical deformations of the near-contact zone of the base of section 28 Рис. 5. Вертикальные деформации приконтактной зоны основания секции 31 Figure 5. Vertical deformations of the near-contact zone of the base of section 31 Рис. 6. Вертикальные деформации приконтактной зоны основания секции 34 Figure 6. Vertical deformations of the near-contact zone of the base of section 34 Из представленных графиков следует, что в период интенсивной достройки секций бетонной плотины (2007-2012 гг.) отмечался рост вертикальных деформаций приконтактного слоя скального основания бетонной плотины. Как отмечалось ранее, величина полной осадки секций бетонной плотины контролируется на основе геодезических марок, установленных в цементационной галерее. В табл. 2 приведены полные значения осадок створных секций (12, 21, 28, 31, 34) бетонной плотины. Как показал анализ данных, приведенных в табл. 2, максимальная полная осадка створных секций бетонной плотины составила 55,3 мм (для секции 28 при К1 = 70 мм, К2 = 80 мм), что не превышает критериальные значения. На рис. 7-11 приведены графики полных осадок (мм) секций 12, 21, 28, 31, 34 бетонной плотины. Из представленных графиков (рис. 7-11) следует, что в период наполнения водохранилища (2012-2015 гг.) происходил интенсивный рост осадки секций бетонной плотины вследствие возрастающего давления воды в водохранилище на основание. Вместе с тем увеличение полной осадки секций бетонной плотины свидетельствует о передаче вертикальной нагрузки от веса секций плотины на основание (то есть отмечался полный контакт подошвы секций плотины с основанием). Таким образом, в настоящее время при проектной отметке воды в водохранилище 208,0 м долериты основания со стороны верховой грани бетонной плотины остаются в состоянии вертикального сжатия, контактный шов «бетон - скала» остается закрытым и, следовательно, устойчивость плотины обеспечивается. Таблица 2 / Table 2 Значения полных осадок секций бетонной плотины по показаниям геодезических марок в характерные периоды времени, мм The values of the total settlings of the concrete dam sections according to the geodetic marks indications in characteristic periods of time, mm Секции Sections № прибора Instrumentation No. Сентябрь / September 2012 Февраль / February 2016 Октябрь / October 2019 Декабрь / December 2021 12 МП 12-1 -18,1 -33,1 -34,9 -35,5 12 МП 12-2 -19,8 -35,0 -37,6 -38,1 21 МП 21-1 -26,8 -45,4 -47,2 -47,6 21 МП 21-2 -28,4 -46,7 -48,6 -49,1 28 МП 28-1 -33,3 -52,3 -54,1 -54,5 28 МП 28-2 -33,6 -52,2 -54,9 -55,3 31 МП 31-1 -28,9 -46,1 -48,1 -48,5 31 МП 31-2 -33,2 -50,0 -52,1 -52,5 34 МП 34-1 -12,4 -28,4 -30,6 -30,8 Рис. 7. Графики полных осадок секции 12 Figure 7. Graphs of total draft of section 12 Рис. 8. Графики полных осадок секции 21 Figure 8. Graphs of total draft of section 21 Рис. 9. Графики полных осадок секции 28 Figure 9. Graphs of total draft of section 28 Рис. 10. Графики полных осадок секции 31 Figure 10. Graphs of total draft of section 31 Рис. 11. График полной осадки секции 34 Figure 11. Graphs of total draft of section 34 Заключение Анализ данных натурных наблюдений за вертикальными деформациями приконтактного слоя скального основания показал, что наибольшие деформации (-7,48 мм по прибору 221с23 для двухметровой зоны; -8,19 мм по прибору 221с51 для пятиметровой зоны) зафиксированы в 2012 г. перед наполнением водохранилища. При наполнении водохранилища происходило уменьшение деформаций сжатия приконтанктного слоя скального основания. Так, при наполнении водохранилища до проектной отметки 208 м существовало опасение по поводу уменьшения вертикального сжатия контактного шва «бетон - скала», ввиду выталкивающего действия воды, что могло привести к снижению сопротивления контактного шва сдвигу и снижению устойчивости секций бетонной плотины. Тем не менее к октябрю 2021 г. вертикальные деформации двухметровой приконтактной зоны основания створных секций 12, 21, 28, 31, 34 составили -2,45…-7,02 мм; пятиметровой приконтактной зоны основания -2,69…-8,17 мм. То есть контактный шов «бетон - скала» оставался полностью сжатым и удовлетворял требованиям критериев безопасности. Вместе с тем данные геодезических наблюдений свидетельствуют, что в период наполнения водохранилища (2012-2015 гг.) и в последующий период полная осадка секций бетонной плотины увеличивалась, что говорит о вертикальной нагрузке от веса секций плотины на основание (то есть отмечался полный контакт подошвы секций плотины с основанием). При этом максимальная величина полной осадки створных секций бетонной плотины составила 55,3 мм (для секции 28 при К1 = 70 мм, К2 = 80 мм), что не превышает критериальные значения. Таким образом, на основе анализа данных комплексных натурных наблюдений обоснована устойчивость секций бетонной плотины Богучанской ГЭС.

Об авторах

Сергей Владимирович Юрьев

АО «Институт „Гидропроект“»

Автор, ответственный за переписку.
Email: yurievs@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2609-2711

заместитель главного инженера

Российская Федерация, 125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 2

Список литературы