Пространственно-временные геодинамические особенности попусков Жигулёвской ГЭС

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ И ЛИКВИДАЦИЯ ЧС

УДК 631.6; 614.88

А.В. Котляков, Е.М. Шумакова, Г.В. Шумаков

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

ПОПУСКОВ ЖИГУЛЁВСКОЙ ГЭС

При попусках через Жигулёвскую ГЭС возникают пропорциональные их объёмам геодинамические нагрузки на окружающей территории. Коэффициент пропорциональности увеличился в 2-3 раза за 10 лет, что создаёт сложности при прогнозе интенсивности динамического воздействия. Требуется пересмотр порядка пропуска половодий, создание модели оптимизации рисков в связи с возможной активизацией русловых и береговых деформаций в районе гидроузла в результате возрастающей интенсивности динамических нагрузок.

Ключевые слова: геодинамический, коэффициент пропорциональности, риск.

A. Kotljakov, E. Shumakova, G. Shumakov

SPATIAL-TEMPORAL GEODYNAMIC FEATURES OF OUTLETS AT ZHIGULEVSKY HYDROELECTRIC POWER STATION

The Zhigulevsky Hydroelectric power station is used as the example to study the vibration impact of a dam on the soil of coastal zone in the upper and lower levels. The effect of vibration of the Hydroelectric power station on the soil composing the shore in the nearby territory was evaluated on the high level. The analysis of seismic monitoring data allows the authors to make the conclusion that the specific features of the seismic regime of the territory during spring releases and dry period are managed by the regime of Hydroelectric power station.

Keywords: hemodynamic, constant of proportionality, risk.

Динамическое воздействие работающих гидросооружений на грунты окружающих территорий и расположенные там строительные объекты мало изучено, несмотря на интерес, проявляемый к этой проблеме в последнее десятилетие. Отсутствуют нормативы, регламентирующие подобное воздействие. При этом, согласно экспертным оценкам, динамические нагрузки могут вызывать усиление гравитационных процессов на прибрежных склонах, интенсифицировать русловые и береговые деформации за счёт специфического влияния на устойчивость грунтовых откосов. Многие, в основном, непроизводственные сооружения на подобных территориях эксплуатируются не в тех условиях, на которые рассчитывались, что ускоряет их технический износ и приводит к разрушению строительных конструкций. В целом, можно говорить о существовании принципиально новой научно-технической проблемы, связанной с динамическим воздействием работающих гидросооружений на грунты и строительные объекты окружающих территорий.

На европейской территории России изучение проблемы динамического воздействия гидроэлектростанции проводится структурами РАН (ОКБ ИФЗ, с 2004 г. - ИВП РАН) на базе Жигулёвской ГЭС, где ниже плотины в пределах городского округа Тольятти действует, возможно, единственная вневедомственная сейсмостанция. По состоянию на 2010 г. динамическое воздействие Жигулёвской ГЭС на окружающие территории, вероятно, можно считать наиболее изученным [1 - 7].

В силу особенностей компоновки гидроузла, наибольшее динамическое воздействие на территории Тольятти оказывает пропуск половодья через бетонную водосливную плотину, расположенную отдельно от здания ГЭС на левобережной пойме на песках практически в примыкании к городу. Имеет значение также и особенность конструкции водосливной плотины - высокое заложение поверхностных водосбросов. Однако основные закономерности практически одинаковы для динамического воздействия как водосливной плотины, так и работающих гидроагрегатов.

Характер динамического воздействия гидросооружения на грунты окружающих территорий позволяет интерпретировать его как вибрационное воздействие - продолжительное непрерывное воздействие в узком частотном диапазоне с незначительно изменяющимися амплитудами вызываемых колебаний приповерхностных слоев грунтов прибрежных территорий (рис. 1).

Рис. 1. Записи колебаний (осреднённые вертикальные скорости вибраций, мкм/с): а) водосливная плотина ГЭС; б) приповерхностные слои грунта, НБ

Вибрации грунтов, лежащих в основании зданий и сооружений, приводят к возникновению их резонансных колебаний на собственных частотах (рис. 2), попадающих в частотный диапазон вибраций, возникающих при работе водосливной плотины гидроузла, и, к счастью, не попадающих в диапазон вибраций, генерируемых при работе гидроагрегатов. Поэтому резонансная раскачка зданий и сооружений характерна для периода пропуска половодья. Колебания зданий субъективно ощущаются жителями в радиусе 5 - 7 км от водосливной плотины и выходят за нормати-

вы вибраций, установленные для жилых помещений, они создают значительные динамические нагрузки на конструкции зданий, вызывая их постепенное разрушение [1, 3, 4, 5, 6].

Мониторинг вибрационного воздействия Жигулевской ГЭС при холостых попусках через водосливную плотину в период с 1999 по 2010 гг. показал, что интенсивность возникающих вибраций приповерхностных слоев грунта пропорциональна объемам попусков через водосливную плотину, зависимость носит характер линейной функциональной, коэффициент корреляции в среднем равен 0,95, не опускается ниже 0,90.

При этом даже за столь непродолжительный период измерений выявлено, что происходит однонаправленное изменение зависимости с течением времени в сторону увеличения интенсивности вибраций при равновеликих объемах попусков (рис. 3). Изменение происходит постепенное, когда амплитуды скоростей вибраций изменяются в определенных пределах (две отдельные группы графиков - 1999 - 2001 гг. и 2004 - 2009 гг.), и что представляется более опасным, скачкообразное (график зависимости 2003 г.). Наклон графиков зависимости вертикальных скоростей колебаний грунтов Vz от холостых расходов воды Q 2004 - 2009 гг. имеет принципиально иной угол, соответствующий увеличению интенсивности вибраций приблизительно в 2,5 - 3 раза по сравнению с периодом 1999 - 2002 гг.

Рис. 2. Характерные колебания

Это явление до сих пор не имеет однозначного объяснения, причины скачкообразного роста интенсивности вибраций не ясны, хотя высказывались и проверялись разнообразные гипотезы, часть из которых опровергнута, часть находится в разработке.

Неоднозначность зависимости интенсивности колебаний грунтов от холостых расходов затрудняет прогноз интенсивности и результатов динамического воздействия как при бытовых, так и при экстремальных попусках. Главный вопрос - будут ли колебания усиливаться далее, останут-

ся на современном уровне или возвратятся к состоянию, характерному для начала наблюдений в 1999 г. Как и в других внештатных ситуациях, недоучёт опасности чреват возможностью возникновения ЧС, связанных с динамическими нагрузками на здания и сооружения, а переоценка опасности ведёт к неэффективному расходованию материальных ресурсов и возникновению социальной напряжённости.

Рис. 3. Зависимость вертикальных скоростей вибраций грунтов

Продолжительность наблюдений недостаточна, чтобы однозначно ответить на этот вопрос. Попробуем оценить происходящие изменения, исходя из аналогий. Тенденция изменения зависимости интенсивности колебаний от холостых расходов аналогична смещению линеаризованных графиков взаимозависимости различных параметров, наблюдаемого при нециклических процессах в живых и неживых саморегулирующихся системах, которое может быть интерпретировано как общее изменение условий среды, на фоне которых проявляется зависимость; скачкообразный рост в 2003 г. можно интерпретировать как слом системы. Тогда из общих закономерностей изменения характера зависимостей отдельных параметров различных природно-техногенных процессов, где «... зависимость двух параметров проявляется на фоне совокупности действующих факторов процессов ...» (Разумовский Л.В., 2010 г.), можно предположить, что при наблюдаемой динамике изменения зависимости интенсивности колебаний грунтов от холостых расходов маловероятен возврат системы к состоянию 1999 - 2001 гг., до слома.

С 2004 г. ведётся не имеющая аналогов совместная работа муниципальных структур городского округа Тольятти, ИВП РАН и ОАО «Жигулёвская ГЭС» по снижению динамической нагрузки на территории левобережья. Ключевым мероприятием является уменьшение мгновенных расходов воды через водосливную плотину, в том числе и за счёт использования донных водосбросов, являющихся конструктивной особенностью здания Жигулёвской гидроэлектростанции и

- 17

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2010'3

предназначенных для сброса половодного стока Волги. Подобное проектное решение позволило при строительстве сократить на одну треть длину водосливной плотины, однако до начала взаимодействия донные водосбросы не использовались. Сейчас объёмы попусков через водосливную плотину ограничиваются значением ~ 16000 - 17000 м3/с. Положительно оценивая результаты взаимодействия, следует сказать, что наработанные в его ходе мероприятия не дают радикального снижения динамической нагрузки в связи с возрастанием интенсивности колебаний грунтов при прочих равных условиях от года к году.

Примечательно, что интенсивность вибраций, связанных с работой гидроагрегатов, также увеличилась приблизительно в 2 - 3 раза. Рост интенсивности вибраций в период пропуска половодья установлен по данным сейсмостанции, то есть локальных измерений в одной точке нижнего бьефа. Повторное картирование приплотинной территории по факту вибрационного воздействия водосливной плотины Жигулёвской ГЭС (2009 г.) показало, что рост интенсивности динамического воздействия в 2 - 3 раза (табл. 1) охватывает территорию как нижнего, так и верхнего бьефа, при этом измерения проводились при различных условиях рельефа, уровня грунтовых вод, расположения относительно гидроузла. В связи с этим маловероятны инженерно-геологические и гидрогеологические условия как основная причина роста интенсивности вибраций из-за принципиальной разницы условий верхнего и нижнего бьефов.

Таблица1

Соотношение интенсивности вертикальных вибраций на грунтах и на водосливной плотине в 2000 и 2009 гг.: к-ношение интенсивности вертикальных вибраций грунта и ВСП;

К-отношение k2009/k2000

Точка измерений к К

2009 г. 2000 г.

Н Б 0,77 0,43 1,8

В Б-1 0,62 0,3 2,1

В Б-2 0,57 0,3 1,9

В Б-3 0,64 0,2 3,1

В Б-4 0,59 0,1 5,9

В Б-5 0,6 0,1 6,0

В Б-6 0,6 0,2 3,0

Независимо от причин возросла динамическая нагрузка на основания зданий и сооружений, что подтверждается результатами мониторинга состояния строительных объектов этой зоны - ускорилось разрушение их строительных конструкций. Население приплотинной зоны проживает 2 месяца в год в условиях интенсивного вибрационного воздействия, испытывая, по данным специального опроса, характерные симптомы недомогания: тошнота, головокружение, тревога и страх, скачки артериального давления.

На самой водосливной плотине при отсутствии роста осреднённой интенсивности вибраций изменился амплитудно-частотный состав возникающих колебаний: амплитуда на частоте 12 -14 Гц, постепенно сравнивается с амплитудой на частоте основного спектрального максимума 1 -4 Гц, повышая динамические нагрузки на водосливную плотину. Аналогичное изменение произошло и с вибрациями грунтов.

Вибрационное воздействие при работе гидроэлектростанций - это принципиально новое воздействие, последствия которого в настоящий момент трудно предсказать. Требуется организация динамического мониторинга вблизи всех крупных гидроузлов (сейчас он практически отсутствует), разработка специальных нормативов, в том числе по строительству на приплотинных участках.

В связи с этим предлагается:

продолжить динамический мониторинг территории, прилегающей к Жигулёвской ГЭС распространить опыт подобного мониторинга на другие гидроузлы;

инициировать работы по пересмотру нормативной базы по порядку пропуска половодий через Жигулёвскую ГЭС, в том числе экстремальных;

разработать мероприятия по обеспечению сохранности уже имеющихся зданий и сооружений в связи с возникающими динамическими нагрузками;

разработать новые регламенты использования прибрежных территорий вблизи гидроузлов.

Авторы выражают благодарность И.П. Башилову - доктору технических наук, главному конструктору аппаратуры динамического (сейсмического) мониторинга за большой вклад в аппаратурное и методическое обеспечение работ в районе Жигулёвской ГЭС. Авторы благодарны также с надеждой на дальнейшее сотрудничество кандидату физико-математических наук главному научному сотруднику АГЗ МЧС России Э.Г. Мирмовичу за проявленный глубокий интерес к проблеме, перспективные идеи и помощь в написании и оформлении данной статьи.

Литература

1. Котляков А.В., Шумакова Е.М., Артемьев С.А. Воздействие крупного гидротехнического сооружения на склоновые процессы на урбанизированных территориях (на примере склона микрорайона «Прибрежный» Комсомольского района г. Тольятти// Инженерная экология. № 3. 2008. - С. 3 - 15.

2. Шумакова Е.М., Котляков А.В. Артемьев С.А. Деформации береговой зоны в районе г. Тольятти и их связь с режимом работы Жигулёвской ГЭС // «Водные ресурсы». Т. 34, № 6. 2007. - С. 694 - 699.

3. Шумакова Е.М., Котляков А.В. Некоторые особенности вибрационного воздействия гидроузла на прилегающие территории (на примере Жигулёвской ГЭС)//«Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций»: 9 н.-пр. конф., доклады и выступления / СПб., 2009. С. 288 - 296.

4. Котляков А.В., Шумакова Е.М., Артемьев С.А.О необходимости учёта динамических эффектов, связанных с попусками ГЭС при прогнозе береговых деформаций // Создание искусственных пляжей, островов и других сооружений в береговой зоне озёр и водохранилищ: труды. Новосибирск, 2009. - С. 59 - 65.

5. Шумакова Е.М., Котляков А.В. Оценка опасности разрушений, вызванных микросейсмическими колебаниями грунтов на берегах р. Волга в районе г. Тольятти // «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций»: 4 н.-пр. конф. МЧС. Антистихия, труды. / М., 2004. - С. 292 - 298.

6. Шумакова Е.М. Геоэкологические последствия создания и эксплуатации крупного гидроузла на равнинной реке (на примере территории Тольятти) // «Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья»: сб. докл./ Тольятти, 2004. - С. 283 - 288.

7. Шумакова Е.М., Котляков А.В., Шумакова Г.В. Влияние вибраций Жигулёвского гидроузла на грунты прилегающих к нему территорий г. Тольятти. // Водные ресурсы. Т. 37, № 3. 2010. - С. 313-317.

8. Малышев Н.А., Разин Н.В., Руссо Г.А. Волжская гидроэлектростанция имени В.И.Ленина. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.