Тектоно-физические аспекты напряженно-деформированного состоянии больших бетонных плотин

ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИИ БОЛЬШИХ БЕТОННЫХ

ПЛОТИН

TECTONOPHISICAL ASPECTS OF HIGH CONCRETE DAMS STRESS - DEFORMATION STATE

A.H. Марчук, A.B. Манько

МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР

В статье освещены вопросы, связанные с изменением напряженно-деформированного состояния больших бетонных плотин.

In article the questions connected with change of a stress and deformed condition of the big concrete dams are taken up.

Натурные наблюдения на плотинах Чиркейской, Миатлинской, Токтогульской, Зей-ской и Саяно-Шушенской ГЭС показали непроектное напряженно-деформированное состояние сооружений, иногда с точностью «до наоборот» по некоторым параметрам. Попытки объяснить это ошибками измерений, температурными влияниями, структурными изменениями бетона и другими причинами не дают удовлетворительных результатов.

В октябре 2008 года в Институте физики земли РАН прошла Всероссийская конференция «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле» с широким международным участием. Доложенные результаты последних тектонофизических исследований представляют большой интерес для анализа взаимодействия в системах «плотина-основание-водохранилище». Напомним, что тектонофизика как часть геодинамики изучает физические основы генерации природных тектонических напряжений, разло-мообразование, измерение природных напряжений и деформаций в массивах горных пород, в тектонических нарушениях, в разрывных и складчатых структурах.

Методы тектонофизики позволяют получить данные не только по ориентации осей главных тектонических напряжений, но и данные обо всех компонентах тензора напряжений и о параметрах прочности пород в горных массивах [1]. Одним из важных наблюдений экспериментаторов-тектонофизиков является установленная закономерность превосходства горизонтальных напряжений над вертикальными. По данным опытных определений в породах кристаллического и складчатого фундамента горизонтальные напряжения превышают вертикальные в 60% случаев, в осадочных породах - в 15-20% Причем это превышение может достигать до 5 - 10 раз [2]. По данным Айтматова [3] в большинстве случаев горизонтальные напряжения по своим значениям превосходят вертикальные в 1.5-3 раза. В некоторых зонах горизонтальные и субгоризонтальные напряжения имеют значения в 5-6 раз выше, чем средний уровень нормальных горизонтальных напряжений на равных глубинах.

Природу этого явления Н.Хаст объяснял влиянием уменьшения объема земли в процессе ее охлаждения. Другая причина заключается в движениях литосферных плит (зон субдукции). В работах Гзовского (1963 г), Маркова (1967г, 1972г), Леонова (1991 г, 1995) механизм генерации повышенного горизонтального сжатия объясняется внутриплатформенным орогенезом, литогенетическими и метаморфическими процес-

сами. Кроме того феномен превосходства горизонтальных напряжений над вертикальными объясняется отсутствием необходимости преодолевать силы гравитации, влиянием флюидов (в нашем случае воды), снижающими фрикционные силы и вызывающими эффект Ребиндера, а также остаточными (унаследованными) напряжениями орогенеза. С увеличением глубины свыше 1-3км указанная разница уменьшается.

Весьма показательным в смысле темпов роста и высоких значений напряжений сжатия в породе с прочностью 120-130 МПа Алтае-Саянской сейсмической зоны в пределах выработки Таштогольского рудника на глубине 760м от поверхности является эксперимент по измерению напряжений в тюбинговой крепи выработки (рис.1). Линии, соединяющие конец 1985г. и 1988г. показаны прямыми условно, т.к. между этими точками наблюдалось и уменьшение напряжений в процессе их активного роста. Последующий анализ показал, что датчики реагировали на изменения напряжений в окрестностях Таштогольского рудника во время землетрясений при эпицентральных расстояниях до 250км. Равным образом измерительные системы плотины Саяно-Шушенской ГЭС реагируют на взрывы в Таштаголе, где величина зарядов достигает 700 тонн взрывчатых веществ.

Сне.! Рост напряжений н тюбинговой крепи выработки на Таила™льском руднике на глубине 760 м (по Кулакову г.н. и Устюгову МП). Стрелкой обозначена землетрясение 3.02.1988г.К=11.К=4.5км.

Конечно, в береговых примыканиях бетонных плотин ситуация с напряжениями в массиве принципиально отличается от подземных выработок. На бортах ущелий имеет место только напряжения вертикального сжатия oy=-pgH, равных весу колонки вышележащих горных пород

~PgH,

а горизонтальные напряжения равны нулю, поскольку они скомпенсированы свободной деформацией бортов в створе будущей плотины.

az = 0, sz= sx= 0

Производство глубоких береговых врезок несколько меняет картину, т.к. горизонтальные напряжения и деформации не успевают разгрузиться до нуля перед возведением плотины. А с момента возникновения гидростатического давления и частичной передачи его на берега, водонасыщение пород, возникновение обходной фильтрации, сезонных колебаний УВБ положение кардинально изменяется: напряжения в массиве, особенно в кристаллических и метаморфических породах в случае упругого поведения как минимум определяются по Диннику

где ц - коэффициент Пуассона,

pg - средний удельный вес колонки пород высотой Н.

С увеличением глубины врезки по высоте и по горизонтали возникает всестороннее литостатическое давление Ph и касательные напряжения, связанные с Ph линейной зависимостью. Из выражений (1) и (3) следует

При р. = 0,25 значение максимальных касательных напряжений относительно увеличения Ph составляет 60%, с чем нельзя не считаться как это имеет место при расчете арочных плотин.

Опыт исследований показывает [5], что почти в каждой высоконапорной бетонной плотине, расположенной в тектонически нестабильной области можно обнаружить последствия описанных тектонофизических эффектов, являющихся проявлением геодинамического влияния. К сожалению в период предварительных изысканий в створах ГЭС отнюдь не всегда изучаются локальные поля тектонических напряжений. Природные тектонические напряжения не учитываются при физическом и математическом моделировании, т.к. ранее действовавшими нормативными документами это не было предусмотрено1. Изменения этих напряжений в период эксплуатации плотин практически не изучаются. По отношению к гравитационным и контрфорсным плотинам, рассчитанным по плоской задаче, это не имеет существенного значения, однако для арочных и распорных плотин в объемном напряженном состоянии напряжения и деформации в примыканиях имеют решающее значение. Природные тектонические напряжения значительно изменяются под воздействием водохранилища. Вертикальные напряжения уменьшаются взвешиванием, параметры сопротивления пород сдвигу снижаются из-за уменьшения сил трения и сцепления, возникновения эффекта Ребин-дера, возбужденной сейсмичности, проявления унаследованных движений.

Впервые природные тектонические напряжения изучались при выборе створа Саяно-Шушенской ГЭС [6]. По исследованиям МГУ в штольне левого берега вертикальные напряжения имели значения 24.5-48МПа, горизонтальные 24-36МПа. На правом берегу соответственно 14.8-32.5МПа и 10.2-21.7МПа. Такое нехарактерное соотношение горизонтальных и вертикальных напряжений объясняется, вероятно, особенностями орогенеза Джебашско-джойского антиклинория Западного Саяна, в пределах которого расположен створ плотины. Круто поднимающееся ядро интрузивных гранитов, прорвавших толщу сланцев, испытавших метаморфизм, очевидно, сохранило остаточные субвертикальные напряжения. Однако наиболее существенным для плотины обстоятельством является ори-

1 в новых стандартах это уже предусмотрено

^ г= а

x

ентация главных осей локального поля тектонических напряжений сжатия вдоль створа плотины (рис.2). Это обстоятельство априори означает, что при разгрузке горизонтальных природных напряжений и соответствующих подвижках, они будут дополнительно сжимать арочную плотину, что в итоге и происходит.

J'nc.2. Схема главны* осей локального поля тектонических напряжений в районе створа Саян о-Шушенской Г}С по данным института темной коры и геофизики СО |5АН.

Первые прямые эксперименты по изменению влияния поля локальных тектонических напряжений в береговых массивах примыкания арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС были выполнены Новосибирским институтом горного дела СО РАН [4].

Опыты ИГД СО РАН по изменению длины береговых штолен на трех отметках по высоте выполнены в 1995-1996гг., на 5 лет позже возникновения полной гидростатической нагрузки на плотину Н=220м. Было отмечено, что в верхней половине плотины (отм. 467 и 413 метров), где преобладает сжатие от гидростатической нагрузки, длина штолен уменьшалась с большей интенсивностью на левом берегу, тогда как в нижней части плотины (отм. 344м.) отмечено сжатие, сокращение длин штолен, вызванное очевидно, превосходящими горизонтальными тектоническими напряжениями. Этими же исследованиями установлено сокращение длин продольных галерей в плотине на тех же трех ярусах отметок по высоте.

Но главным доказательством горизонтальных подвижек вмещающей геологической среды является снижение горизонтальных тектонических напряжений в массиве (рис.3) и постоянный рост продольных (арочных) напряжений сжатия в плотине при квазипостоянных остальных внешних нагрузках (гидростатическое давление, температура воздуха) (рис.4). Более того, в 1996 году было принято решение о снижении нормального подпорного уровня водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС на 1 метр, однако процесс роста арочных напряжений не прекратился.

С точки зрения тектонофизики представляет интерес эволюция осадок плотин, которые после первого периода эксплуатации начинают восстанавливаться. Особенно ярко этот процесс проявляется при измерении осадок Миатлинской плотины в галерее на отм. 113.5м (рис.5), где за 9 лет осадка уменьшилась на 5.5 мм, а с 2006 года приобрела знакопеременный

график (сжатие в «гармошку»). Такую эволюцию осадки трудно объяснить чем-либо иным, кроме сжатия, между берегами. Наиболее убедительным доказательством этой концепции являются показания сдвигомеров в основании плотины Саяно-Шушенской ГЭС и рост сжимающих арочных напряжений в приконтактной части плотины.

Например, в 2007г. в основании низовой грани секции 18 плотины Саяно-Шушенской ГЭС эти напряжения увеличились с 5МПа в 1997 году до 8,29МПа в 2007 году, в секции 45 с 4,9МПа в 2001г. До 5,36МПа в 2007 году. А в основании напорной грани рост арочного сжатия увеличился с 1.7МПа в 1997 году до 5,54МПа в 2007 году; в основании с 3.4МПа в 2001г. до 5МПа в 2007 году. Одновременно существенно сократились фильтрационные расходы в зоне руслового разрывного нарушения.

Рнс.З. Изменение собственных тектонических напряжений в массиве левобережного примыкания плотины Саяно-Шушенской ГЭС, определенное в 1995 и и 1002 1Т. методом rn.ipopaipi.ma в торне штольни на оты. 467 м (данные ЦСП1ЭСМ.

|)ц[ '¡;>я| 1.^1 №'1 ¡дит;/*?!

Рис.4. Рост арочных напряжений сжатая в период эксплуатации плотины Саано-Шушенской ГЭС в левобережных секциях №3 и №18. Флажком отмечен год снижения нормального подпорного уровня на плотину на I м. а) схема расположения измерительной точки в секции №3

под действием крнповото давления с левого берега ¡л период с ) 979 по 2(Ю8 гг. а) схематический план плотины. ПЗ-ЗО и ПЗ-ЗI - точки измерения хорды.

Аналогичный процесс наблюдается и в нижней части арочной плотины Чиркей-ской ГЭС на р.Сулак в Дагестане, где с 1979 года по 1990 год сжимающие напряжения увеличились с 2,7-2,9МПа до 4.9-5.1МПа при квазипостоянной гидростатической нагрузке и температуре воздуха.

Рост арочных напряжений и сокращение длины хорды на отм. 265м отмечено на плотине Чиркейской ГЭС. С 1979г. до 2007г. она сократилась всреднем на 7-8 мм. (рис. 6). Арочные напряжения за 30 лет эксплуатации увеличились с 7 до 12 МПа.

9

1 */>***

Рис.6. Изменение характера осадок в гшотине Мнатлинской ГЭС за период 1997-2007 гг. под влиянием правобережного олегашг (а). Схема плотины и расположение марок (б).

Продольное сжатие обнаружено в плотинах Токтогульской, Курпсайской, Зейской ГЭС. В объемном напряженном состоянии находится даже плотина Братской ГЭС на Ангаре, построенная на диабазах Сибирской платформы. Плотина, рассчитанная по плоской задаче имеет поперечные смещения секций вдоль створа, выпор битумных шпонок в межсекционных швах, закрытие этих швов и вертикальных трещин.

Кроме того не стоит забывать о контроле смещения гребня плотины, который также перемещается как по горизонтали, так и по вертикали. При этом перемещения гребня не всегда могут совпадать с характером перемещения остальной части плотины.

Многолетними исследованиями [5, 6, 7, 8] доказана «теорема существования» геодинамического воздействия на высоконапорные бетонные плотины в тектонически нестабильных регионах. Возникает естественный вопрос об оценке и учете такого влияния в проектах и при эксплуатации уникальных гидротехнических сооружений. На существующем уровне знаний по этим вопросам можно высказать только предварительные соображения.

Прежде всего - это сбор, обобщение и анализ данных натурных наблюдений на существующих плотинах в орогенных областях с целью определения тектонофизиче-ской (геодинамической) компоненты в напряженно-деформированном состоянии плотины. Необходимо провести серию исследований величины тектонических напряжений в массивах пород береговых примыканий плотин и характера их изменений во времени. Количественные характеристики тектонофизических сил, действующих на сооружение следует сравнить с нормативными расчетными нагрузками. Если эти силы одного порядка, их следует учитывать в математических моделях и поверочных расчетах плотин, вводить в перечень нормативных нагрузок и воздействий.

Для вновь проектируемых сооружений необходимо включить в программу изысканий обязательные измерения тектонических напряжений и геотектонических движений в ближайших разломах.

Литература:

1. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и прочность горных массивов. М., Наука, 2007.

2. Козырев A.A., Савченко С.Н. Дифференциация тектонических напряжений в верхней части земной коры с учетом влияния природных и техногенных факторов. // Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле. Тезисы докладов Всероссийской конференции. М., ИФЗ РАН, 2008, с. 50 - 52.

3. Кулаков Г.И., Устюгов М.Б. Экспериментальное исследование геодинамических напряжений в массиве горных пород Алтае-Саянской сейсмической зона. // Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле. Тезисы докладов Всероссийской конференции. М., 2008, ИФЗ РАН, с. 59 — 60.

4. Марчук А.Н., Барышников В.Д. Влияние геодинамических процессов на характер в системе «плотина-основание-водохранилище». // Труды международной конференции «Геодинамика и напряженное состояние земных недр». Новосибирск, 1999,с.408 - 414.

5. Марчук А.Н., Марчук H.A. Плотины и геодинамика. М.,ИФЗ РАН, 2006.

6. Кутепов В.М. Опыт определения напряженного состояния в массиве метаморфических пород створа Саяно-Шушенской ГЭС. // Гидротехническое строительство, 1965, №2.

7. Манько A.B. Организация оптимального мониторинга среды подземного сооружения. М., АСВ, 2009.

8. Hast N. The state of stresses in upper part of Earth crust // Tectonophisics. 1969. v.8, №3, p169-211.

Ключевые слова: геодинамика, тектонофизика, арочные плотины, напряжения, деформации, бетонные плотины, гидротехническое строительство, мониторинг.

Key words: geodynamics, tectonics-physics, arch dams, pressure, deformations, concrete dams, hydraulic construction, monitoring.