Из книги «Факторы риска повреждения гидротехнических

Из книги «Факторы риска повреждения гидротехнических сооружений.
Проблемы безопасности / Л.К. Малик; (отв. ред. Н.И. Коронкевич) – М.: Наука,
2005. – 354 с.
Стр. 127-134
3.4. Многолетнемерзлые породы и криогенные процессы
Серьезным фактором риска повреждения плотин и водохранилищ является их
расположение в зоне многолетнемерзлых пород (ММП).
В России в зоне ММП функционирует несколько крупных ГЭС и водохранилищ Вилюйская, Колымская, Усть-Хантайская, Курейская, Мамаканская и много мелких
искусственных водоемов, образуемых плотинами. Все эти сооружения активно
взаимодействуют с многолетнемерзлыми породами. В табл. 6. приведены характеристики
ряда ГЭС, построенных и строящихся в экстремальных по природным условиям регионах.
Все построенные ГЭС служат надежным источником электроэнергии и тепла.
Во 2-й главе отмечалось, что создание высоких плотин на Севере и Дальнем
Востоке в условиях сурового климата и распространения ММП -большое достижение
русских гидротехников.
Таблица 6. ГЭС в зоне многолетнемерзлых пород
ГЭС
Вилюйская-1,2
Вилюйская-3 (строящаяся)
Колымская
Усть-Среднеканская(строящаяся)
Усть-Хантайская русловая
правобережная
Курейская русловая
правобережная
Высота плотины,
м
75
51
130
66
67
33
80
20
Тип плотины
каменно-земляная
тоже
тоже
земляная насыпная
каменно-земляная
земляная насыпная
каменно-земляная
земляная насыпная
Так, зимняя укладка бетона при возведении Вилюйской и Усть-Хантайской плотин
осуществлялась при снижении температуры воздуха до -40 °С, что является рекордом в
мировой практике северного плотиностроения.
Однако на статическую устойчивость и фильтрационные свойства плотин
контрасты температур в северных регионах оказывают очень большое влияние складываются сложные гидродинамические условия в период строительства и
эксплуатации гидроузлов, приводящие к аварийным ситуациям.
Поэтому в северных регионах в зоне распространения ММП должны соблюдаться
особые, более жесткие требования к надежности работы энергетических объектов и
электроснабжению регионов, чем в умеренном климате, так как перерывы в
электроснабжении при отсутствии во многих районах регулярных транспортных связей
влекут за собой серьезные последствия и могут привести к гибели людей. К сожалению,
аварийность централизованной системы электроснабжения (в том числе за счет
аварийности энергообъектов) намного выше в северных и восточных районах России, чем
в целом по стране. Это связано с большими расстояниями, работой энергообъектов, в том
числе ГЭС, в экстремальных климатических условиях, на которые рассчитаны далеко не
все оборудование и конструкции. Значительные расстояния, отсутствие постоянного
транспорта, большая продолжительность ликвидации аварий -все это может
способствовать катастрофическим последствиям и требует разработки специальных
нормативов для гидросооружений. Между тем около 48% аварий на гидростанциях
происходит именно в этих регионах. Основная причина повреждений - неучет криогенных
процессов в теле плотин, их основаниях и в районах примыкания.
Выделяют следующие факторы, способствующие повышению температуры пород,
развитию таликов в районе гидроузлов и деградации мерзлоты: влияние самих водных
масс, особенно в глубоководной части водохранилищ, а также нарушение или частичное
уничтожение растительного покрова; изменение гидрогеологических условий в основании
плотины и на прилегающих участках; изменение микроклимата; зимние подтопления
берегов в нижних бьефах вследствие перераспределения стока и снижения в связи с этим
глубины сезонного промерзания грунтов. Сложное взаимодействие природных
ландшафтов Севера, чрезвычайно уязвимых при различных видах антропогенных
воздействий, в данном случае связано с изменениями под влиянием гидроузлов условий
теплообмена, температурного режима, физико-технических свойств мерзлых пород,
приводящих к развитию термокарста, термоэрозии, наледообразованиям и аварийным
ситуациям.
В северных районах многие плотины построены по мерзлому типу. В таких
плотинах большая часть их массива находится в мерзлом состоянии. При экстремальных
ситуациях: переливе паводочных вод через гребень плотины, образовании трещин,
появлении фильтрации вдоль водоспусков и других сооружений в мерзлой плотине
постепенно развивается проран, через который в нижний бьеф сбрасывается вода. Этот
процесс протекает сравнительно медленно, т.к. мерзлые породы, слагающие тело
плотины, сначала оттаивают, а затем разрушаются (Распопин, Мороз, 1999).
Наиболее высокая аварийность (более 80%) у низконапорных грунтовых плотин
мерзлого типа и дамб в хвостовой части водохранилищ (Ухов, Кроник, 1999).
Прежде всего криогенные процессы (термоабразия, солифлюкция, термокарст)
оказывают воздействие на ложе и берега водохранилищ, являясь, наряду с волновой
абразией, активным берегоформирующим фактором. На отвесных берегах водохранилищ
криогенные процессы приобретают свою специфику в условиях периодического
промерзания и оттаивания слагающих пород. Обрушения и отседания отличаются здесь от
сходных явлений под воздействием абразии, хотя в обоих случаях главная причина неустойчивость горных пород. Но при абразии ведущий фактор обрушения берегов влияние ветрового волнения, во втором случае - результат взаимодействия процессов
промерзания - оттаивания пород, слагающих берега (Шульгин, Лещиков, 1992).
Оттаивание мерзлых пород и последующий вынос материала волнением и
течением обусловили существенное увеличение глубин водохранилищ в прибрежной
зоне. Таким образом, приглубость берегов - характерная черта водохранилищ зоны ММП.
На Вилюйском водохранилище наблюдаются, кроме того, своеобразные
последствия воздействия криогенных процессов на берега. На участках шириной до 1 км
они сложены доломитами и подстилаются песчаниками, деформированными
тектоническими нарушениями. После заполнения водохранилища и протаивания
песчаников, а затем доломитов, образовались отдельные отседающие блоки пород,
провалы и заливы (Каган, 1995). Заполнение водохранилища сопровождалось
солифлюкцией, смещением осыпей и курумов, термокарстовыми провалами в скальных
юродах береговых склонов.
Увеличение объемов водохранилищ и их площадей против проектируемых,
свойственное этой зоне (по разным оценкам до 15% и более), происходит в основном за
счет просадок дна и роста мертвого объема в промежуточной и глубоководной зонах
водоемов. Изучение этих процессов имеет большое практическое значение, т.к. просадки
ложа задерживают достижение нормального подпорного уровня, осложняют условия
эксплуатации водохранилищ, снижают выработку электроэнергии. Такие явления
наблюдались на многих водохранилищах зоны ММП. Увеличение объема за счёт
термопросадок наиболее активно происходило на Усть-Хантайском водохранилище, что
обусловлено специфическими природными особенностями района затопления и
характером ММП. Водохранилище Усть-Хантайской ГЭС, расположенное за Полярным
кругом в зоне прерывистого распространения ММП, затопило равнинную территорию с
преобладанием озерно-болотных, озерно-аллювиальных, ледниковых и водно-ледниковых
образований четвертичного периода с высоким содержанием льдистости. Это вызвало
повышенную активность термодинамических деформаций ложа и берегов, которые
начались с самых первых месяцев заполнения водохранилища (1970 г.). В 1989-1990 гг.
было проведено детальное обследование Усть-Хантайской ГЭС, включая аэрофотосъемку,
полевые исследования на эталонных участках и расчеты температурного режима пород.
Установлено, что за 19 лет эксплуатации водохранилища в результате оттаивания и
просадок его полный объем против проектного увеличился (при принятом НПУ = 60 м) на
3,17 км3, а полезный - на 1,23 км3 (на 13,5 и 9,6% соответственно). Площадь
водохранилища превысила проектную на 8%. Практически процесс оттаивания ММП в
районе гидроузла закончился лишь к 1989 г. До этого отметка уровня воды в
водохранилище не превышала 59,5 м, в 1989-1990 гг. уровень впервые достиг проектных
значений - 60 м и даже превысил его на 0,6 м (Оникиенко, 1995).
В 1995 г. специальная комиссия РАО "ЕЭС России" обследовала Усть-Хантайскую
ГЭС и оценила её состояние как удовлетворительное, однако предложила
модернизировать систему контроля за состоянием гидроузла.
Термопросадки наблюдались и у Вилюйского гидроузла: в первые четыре года
многолетнемерзлые породы протаяли под плотиной, где ощущалось воздействие на ММП
на глубину в 9 м, в остальные годы - на 6-9 м, а наибольшая величина протаивания
достигала 14 м.
Аналогичные последствия прогнозируются, например, на Селемджинском
водохранилище, где термопросадки в течение 5-10 лет могут вызвать приращения
мертвого объема на 5%, что потребует дополнительных водных ресурсов.
Катастрофическими в условиях сурового климата могут быть последствия зимней
сработки уровней и обнажения значительных площадей мелководий в хвостовой части
водохранилищ - мест зимовки, нагула и нереста рыб. Это ухудшает условия жизни водных
животных, лишающихся свободного выхода в воду подо льдом.
Кроме того, значительная зимняя сработка, например Зейского водохранилища,
способствует морозным деформациям мелководий.
Аварийные ситуации возникали при строительстве, а также эксплуатации
Колымской ГЭС. В первом случае были разрушены опорноходовые части затворов и
пазовых конструкций из-за вибрации затворов при динамическом воздействии потока
воды. То есть конструкция затворов не соответствовала реальным нагрузкам. Во втором
случае в 1988 г. был ряд причин, но основная из них - мерзлая каменная упорная призма, в
которой происходила фильтрация воды, потребовала проведения аварийновосстановительных работ (Пехтин, 19976).
Гидротехники отмечают, что подготовительные работы по строительству
Колымской ГЭС начались в марте 1971 г., а первый агрегат стал эксплуатироваться в
феврале 1981 г. К этому времени накопился лишь небольшой опыт работ по сооружению
крупных гидроузлов в зоне ММП - строительство Усть-Хантайской и Вилюйской ГЭС.
Поэтому в данном и других случаях не были составлены полноценные прогнозы
поведения сооружений в зоне многолетнемерзлых пород, что приводило к
непредвиденным авариям (Фриштер, Когодовский, 1995).
Так, в процессе строительства и эксплуатации Усть-Илимской ГЭС были
обнаружены просадки в теле плотины, поскольку в её каменной наброске образовался
клин мерзлого тела, который затем растаял. То есть в условиях суровых зим из-за
образования временного слоя мерзлых пород происходит осадка сооружения.
При строительстве плотины Вилюйской ГЭС-3 для борьбы с ранним
замораживанием в холодный период и обеспечения влажного режима летом с целью
предотвращения сквозного трещинообразования в бетонных плитах проводился ряд
мероприятий, в том числе выдерживание блоков с теплоизоляцией, а при круглогодичных
бетонных работах - использование утепленной деревянной опалубки.
Считается также перспективным искусственное оттаивание мерзлых пород с тем,
чтобы спровоцировать тепловые осадки ММП еще до принятия напора каменноземляными плотинами, еще лучше - до их возведения (Федосеев, Шишов, 1996).
Авария 1992 г. на русловом участке каменно-земляной плотины Курейской ГЭС,
построенной в 1989-1992 гг., была вызвана суффозионными нарушениями
фильтрационной прочности контакта ядра плотины со скальным основанием. Она активно
обсуждалась представителями "Неправительственных экологических организаций" в
качестве аргумента против создания плотин ГЭС.
Развитие событий можно проследить по публикации Л.И. Малышева с коллегами
(Малышев и др., 2001). После ввода гидроузла в эксплуатацию водохранилище Курейской
ГЭС заполнялось до проектной отметки НПУ и выше всего четыре раза - в 1989-1992 гг.,
уровень воды выше НПУ поддерживался в период пропуска половодья
продолжительностью до 70 суток. 26 июля 1992 г. произошел прорыв напорного фронта
плотины и фильтрация увеличилась с 20 до 1750 л/с. Прорыв сопровождался выносом
значительного объема грунта, проседанием верхового откоса плотины, образованием
продольных трещин и воронки на низовом откосе.
К началу половодья 1993 г. были выполнены противофильтрационные и
укрепительные мероприятия временного, вспомогательного характера. Позже были
предприняты радикальные меры по восстановлению противофильтрационных свойств
русловой плотины - на дефектных участках в ядре и контактных зонах основания плотины
была создана противофильтрационная стена длиной 94,1 м, состоящая из секущихся свай
с креплением скважин обсадными трубами, заливаемыми глинобетоном (без цемента).
Бурение скважин показало существенные отличия геологических условий основания и
самой плотины от ранее представляемых.
Из сказанного очевиден вывод о недостаточном инженерно-геологическом
обосновании проекта Курейской ГЭС в зоне ММП. В настоящее время после
суффозионного нарушения фильтрационной прочности контакта ядра плотины с
основанием ГЭС находится в особых условиях эксплуатации.
Можно привести еще ряд примеров, иллюстрирующих нестандартные ситуации
при создании плотин в зонах с суровым климатом и распространением ММП.
Так, если для прогноза переработки берегов водохранилищ вне зоны ММП
разработано более 20 методов и рекомендаций, базирующихся на обширных материалах
изучения развития берегов крупных водохранилищ, то по методике термоабразионного
переформирования берегов есть отдельные предложения, правомерность которых должна
быть шире подтверждена практикой эксплуатации гидроузлов в зоне ММП. Все это
свидетельствует о необходимости накопления и систематизации наблюдений на
функционирующих гидроузлах в криолитозоне, разработки специальных методов
прогноза взаимодействия геокриологических условий с подпорными сооружениями и
усиления контроля за их состоянием.