Особенности температурного и фильтрационного режимов грунтовой плотины на Р. Мяунджа

ОСОБЕННОСТИ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ФИЛЬТРАЦИОННОГО РЕЖИМОВ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ НА Р. МЯУНДЖА

Сергей Александрович Гулый,

кандидат технических наук, начальник Северо-Восточной научно-исследовательской мерзлотной станции Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН

В марте 2017 г. исполнилось 20 лет с тех пор, как Северо-Восточная научно-исследовательская мерзлотная станция Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (СВНИМС ИМЗ СО РАН) начала проводить мониторинг температурного и фильтрационных режимов грунтовой плотины Аркагалинской ГРЭС (Магаданская область) (рис. 1, 2).

С 1955 по 1996 гг. эти работы осуществляли специалисты лаборатории мерзлотоведения ВНИИ-1 (г Магадан): А. И. Калабин, Ф. А. Куракин, П. В. Игнатенко, Л. Е. Ведерников, Т. А. Айдла, Л. П. Савенко, А. П. Королёв, В. В. Анцупов, В. Г. Гольд-ман, Л. Г. Химичев, В. К. Самышин. После её ликвидации начальник

С. А. Гулый

Анадыро-Колымского бассейнового водоохранного управления РОСКОМВОДа В. Д. Кузнецов, генеральный директор АО «Магадан-энерго» Г. В. Столетний и директор Аркагалинской ГРЭС А. И. Зиновьев обратились с просьбой к начальнику Северо-Восточной научно-исследовательской мерзлотной станции ИМЗ СО РАН, д.г.-м.н., профессору Г. З. Перльштейну возобновить работы по систематическому наблюдению за температурным режимом грунтовой плотины.

Начало наших наблюдений на Аркагалинской ГРЭС (1997 г.) совпало с прекращением работ, связанных с сохранением в мёрзлом состоянии ядра плотины. В связи с этим перед

Рис. 1. Схема расположения Аркагалинской государственной районной электростанции (АрГРЭС) на р. Мяундже

Рис. 2. Общий вид на плотину Аркагалинской

нами были поставлены следующие задачи:1) выяснить, когда произойдёт полная деградация ранее промороженных искусственным способом грунтов тела и основания плотины; 2) определить, когда нулевая изотерма в грунтах основания плотины придёт в устойчивое стационарное состояние; 3) смоделировать работу плотины в талом состоянии и посмотреть, как это отразится на её фильтрационной устойчивости.

Фактически нам предоставлялась возможность реально увидеть, как будет вести себя данное гидротехническое сооружение, запроектированное для эксплуатации в мёрзлом состоянии при переходе его на талый режим эксплуатации. Если же рассматривать это более широко, то нам предстояло выяснить, что может произойти с инженерным сооружением при глобальном потеплении климата.

Из истории проектирования грунтовой плотины на р. Мяундже

В проектировании гидроузла на р. Мяун-джа принимали участие Ленинградское отделение «Теплоэнергопроект» (ЛОТЭП) и управление «Дальстройпроект» г Магадана. При рассмотрении представленных на утверждение двух вариантов проектного задания возникли принципиальные разногласия по ряду основных вопросов, поэтому дальнейшее техническое проектирование сооружения решили вести одновременно в двух вариантах: ЛОТЭПу был поручен проект мерзлотного варианта плотины, Даль-стройпроекту - талый вариант.

Из представленных вариантов Мяунджинской плотины для реализации был принят проект мёрзлой плотины. Такое решение оправдывалось, с одной стороны, экономическими соображениями, с другой - желанием проверить на практике возможность создания и надёжной эксплуатации подобных сооружений. Институт

мерзлотоведения им. В. А. Обручева АН СССР дал положительную оценку принятому проекту и даже принимал участие в расчётах по замораживанию ядра земляной плотины.

Общая стоимость капиталовложений на все гидротехнические сооружения по проекту для мёрзлотного варианта была на 25 % ниже стоимости этих же сооружений при талом варианте.

Эксплуатационные расходы в этих случаях были примерно равны, так как при варианте мёрзлой плотины требовалось постоянно поддерживать тело плотины и грунтов её основания в мёрзлом состоянии с помощью искусственного замораживания, а при варианте талой плотины возникала необходимость каждую зиму возвращать профильтровавшуюся в нижний бьеф воду обратно в водохранилище с помощью электрических насосов [1].

В соответствии с первоначальным проектом грунтовая плотина АрГРЭС должна была иметь противо-фильтрационный контур, состоящий из двух основных элементов: вертикального ядра из укатанного суглинка толщиной 4 м и мерзлотной завесы. Замораживающая система плотины из вертикальных охлаждённых колонок должна была функционировать непрерывно [2]. Эти мероприятия должны были обеспечить минимальные потери воды из водохранилища через тело и основание данной грунтовой плотины (рис. 3).

ГРЭС

Т1Ш

Рис. 3. Воздушная охлаждающая система на гребне плотины Аркагалинской ГРЭС

Эксплуатация плотины с 1956 по 1996 гг.

В связи с проблемами, возникшими с первого же года эксплуатации гидроузла из-за невозможности обеспечения требуемой водонепроницаемости гидротехнического сооружения за счёт сохранения ядра плотины в мёрзлом состоянии, с помощью воздушных сезонно-охлаждаю-щих устройств, было принято решение о создании дополнительной мерзлотной завесы с низкотемпературными охлаждающими устройствами жидкостного типа.

На участке напорного фронта от ПК О до ПК 2 с шагом 1 м были размещены колонки постоянно действующих устройств с температурой рассола минус 35 °С (рис. 4). К сожалению, и эта завеса не смогла обеспечить требуемую водонепроницаемость грунтовой плотины [3, 4].

Причиной невозможности создания сплошной мерзлотной завесы на плотине явилось то, что она (мерзлотная завеса) в основании земляной плотины в правобережном примыкании сопрягалась с талой цементационной завесой, выполненной под бетонным водосбросом (рис. 5).

Как показала эксплуатация гидроузла, совмещение I и II принципа строительства на вечномёрзлых грунтах в данном случае оказалось невозможным. (Примечание. В соответствии с СП 25.13330.2012 [5] принцип I строительства на вечномёрзлых грунтах применяется в том случае, если многолет-немёрзлые грунты основания используются в мёрзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и всего периода эксплуатации сооружения; принцип II - когда многолетнемёрзлые грунты используются в оттаянном или частично оттаявшем состоянии).

Для снижения теплового воздействия водохранилища на тело земляной плотины и, соответственно, на мерзлотную завесу, в 1974 - 1977 гг. было сделано уши-рение верховой призмы плотины более чем на 30 м присыпкой к ней песчаной призмы. Это мероприятие также оказалось малоэффективным с точки зрения влияния на процессы оттаивания мерзлотной завесы. Однако оно имело и положительный эффект, так как позволило

Рис. 4. Рассолопроводы и морозильные колонки, действовавшие на участке протаивания плотины (1957 г.).

Фото Л. Е. Ведерникова

снизить уровень кривой депрессии в ядре плотины более чем на один метр, что существенно повысило её фильтрационную устойчивость (рис. 6).

Изменение температуры тела и основания плотины с 1996 по 2016 гг.

В 2001 г. по результатам температурных замеров, проведённых нами на плотине, стало ясно, что она полностью оказалась в талом состоянии. Начиная с 2002 г., показатели температуры грунтов тела и основания плотины уже не были включены в перечень критериальных диагностических показателей, по которым

Условные обозначения

• - скважины, в которых ведутся температурные наблюдения О - скважины, в которых данные о температуре грунтов по

стационарным гирляндам не учитываются <§} - пьезометрические скважины | | - гидрометрический створ

Рис. 5. План грунтовой плотины Аркагалинской ГРЭС

Рис. 6. Разрез плотины АрГРЭС по пьезометрическому створу А3-Б3-В3

оценивается безопасность гидротехнических сооружений Аркагалинской ГРЭС. Это свидетельствовало о признании факта полного растепления тела плотины.

Современная динамика перемещений нулевой изотермы в продольном направлении, начиная с 1999 г., показана на рис. 7.

Результаты исследований расходов фильтрующей воды при переходе плотины на талый режим эксплуатации

До отключения морозильной системы, наблюдениям за фильтрационным режимом плотины по сравнению

с наблюдениями за термическим состоянием грунтовой плотины и её основания, уделялось значительно меньше внимания. Однако после того, как в 1996 г. замораживающая система была выведена из эксплуатации, а в 2001 г. плотина полностью перешла в талое состояние и суглинистое ядро стало основным и единственным противофильтрационным элементом плотины, систематические наблюдения за фильтрационным режимом возобновились.

Современными наблюдениями было установлено, что значительное гашение напора происходит на про-тивофильтрационном экране, уложенном на проектную

101 103 105 106 107

Номер скважины 125_126

100

Глубина,м

-  - • - 2012 г. апрель ---- - 2012 г. сентябрь

- 2013 г. июнь

- 2013 г. октябрь

- 2014 г. июнь

- 2014 г. август

- 2015 г. июнь -2015г. сентябрь

- 2016 г. июнь -2016г. сентябрь

Рис. 7. Расположение нулевой изотермы в продольном направлении плотины с 1999 по 2016 гг.

верховую упорную призму плотины, при отсыпке уши-рения со стороны верхнего бьефа. В суглинистом ядре происходит практически полное гашение напора, в результате чего профильтровавшаяся через плотину вода попадает только в грунты основания и дренируется канавой, расположенной в нижнем бьефе (см. рис. 6).

Анализ более 30 научно-технических отчётов ВНИИ-1 с 1955 по 1994 гг. показал, что систематические наблюдения за фильтрационным режимом грунтовой плотины Аркагалинской ГРЭС фактически прекратились в 1963 г С этого времени наблюдения велись только за термическим состоянием грунтовой плотины и её основания. Попытку возобновить работы по изучению фильтрационного режима грунтовой плотины АрГРЭС в 1985 г. предприняли специалисты Всесоюзного научно-исследовательского института гидротехники им. Б. Е. Веденеева. К сожалению, по техническим причинам из всего запланированного ими объёма работ удалось провести только определение скоростей фильтрации способом пусковых скважин в пьезометре на гребне плотины в районе ПК 3+50. Замеренный суммарный расход фильтрующейся воды на участке плотины от ПК 3 до ПК 5 составил 936 м3/ч, скорость фильтрации - 34,5 м/сут. Также вызывает сожаление и то, что рекомендации специалистов ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева по оснащению пьезометрических скважин струнными датчиками давления типа ПДС так и остались нереализованными. Отсутствие программы наблюдений за фильтрационным состоянием грунтов тела и основания грунтовой плотины на длительный срок исключило их выполнение из состава мониторинговых работ Кроме того, что ещё хуже, были утеряны места, где раньше проводились наблюдения за фильтрацией.

С 1992 г ВНИИ-1 возобновил проведение температурного мониторинга на плотине. В программе их исследований не значилось проведение фильтрационного мониторинга, поэтому замеры фильтрации выполнялись ими по собственной инициативе и только на первоначальном этапе работы из изливающейся дренажной трубы диаметром 500 мм, расположенной в районе ПК 5. Расход воды, измеренный поплавковым методом, составил 300 м3/ч. В дальнейшем измерения расходов воды специалистами ВНИИ-1 не выполнялись.

Однако утверждать, что контроль фильтрационных процессов на плотине АрГРЭС совсем не проводился, всё же нельзя, поскольку на станции ежедневно велись наблюдения за уровнем воды в верхнем бьефе водохранилища. Основываясь именно на этих наблюдениях, ещё в 1950-х гг. на гидроузле были установлены насосы производительностью 338 м3/ч для перекачивания воды обратно в водохранилище, которые в последующем были заменены на два более мощных с общей производительностью 970 м3/ч. Конечно, по уровню воды в верхнем бьефе невозможно установить конкретные места фильтрации в основании плотины, но определить общие потери воды из водохранилища через основания бетонной и грунтовой плотин - вполне возможно.

В 2006 г., когда СВНИМС ИМЗ СО РАН начала систематические наблюдения за фильтрационным режимом

грунтовой плотины АрГРЭС, мы обозначили только одно место, где гарантированно можно было судить о фильтрации через основание плотины - это дренажная труба, расположенная в районе ПК 5, где ранее производились замеры ВНИИ-1. Что касается определения расхода воды в ручье летнего водосброса (дренажная канава), то полученные результаты вызывали большие сомнения, так как туда поступала вода не только из дренажной трубы, но и из других технологических источников.

Проведённые в 2005 г. Инженерным центром ВНИИГ расчёты показали, что если вся вода будет уходить через десятиметровый слой основания по всей длине (690 м) плотины, то её расход составит 805 м3/ч. Если сравнить эти расчёты с данными, которые приводятся в работе Л. Е. Ведерникова, то видно, что даже самый худший показатель фильтрации, зафиксированный в 1956 г., не превышал 338 м3/ч. Но тогда предполагалось, что потери воды из водохранилища связаны только с утечками, вызванными оттаиванием мёрзлого грунтового основания под действующим водосливом и правобережным устоем. Вся остальная часть плотины была в мёрзлом состоянии, поэтому считалось, что фильтрации там нет.

Сегодня, когда ситуация полностью изменилась, в расчётах нужно учитывать, что талая плотина и основание фильтруют воду из водохранилища по всей её длине. Примем, что фильтрация под основанием бетонной плотины за все годы эксплуатации (с 1956 г.) осталась неизменной. Тогда сложив расход воды под бетонной плотиной и расход воды через основание грунтовой плотины, полученный теоретическим способом, получим значение, равное 1143 м3/ч. Оно вполне сопоставимо со значением суммарной мощности насосов (970 м3/ч), обеспечивающих в настоящее время компенсацию потерь воды из водохранилища. Совпадение полученных значений случайным назвать нельзя.

Чтобы получить реальное значение потерь воды из водохранилища, было принято решение проанализировать динамику фильтрации в зимнее время за короткие и длительные промежутки времени, когда полностью отсутствуют дополнительные притоки воды в водохранилище. Зная интенсивность снижения уровня воды по отметкам и производительность работающих возвратных насосов по имеющемуся графику зависимости объёма воды в водохранилище АрГРЭС от его глубины, несложно подсчитать количество воды, которое теряется на фильтрацию за заданное время через основания бетонной и грунтовой плотин.

Натурный эксперимент проводился в декабре 2011 г. в течение 4 суток. В результате было получено, что потери воды через основания грунтовой и бетонной плотин в этот период составляли 1085 м3/ч. Так как для натурного вычисления потерь был выбран очень маленький промежуток времени, то величина погрешности могла быть большой. Чтобы максимально снизить ошибку, были сделаны расчёты потерь воды из водохранилища за большие сроки. Для этого из журнала наблюдений АрГРЭС были взяты и проанализированные данные об уровнях воды в водохранилище в верхнем бьефе за

зимний период 2011 - 2012 гг. и за зимние периоды с 2006 по 2012 гг. (рис. 8).

Вычисленные по той же методике, которая была предложена выше, в среднем за рассматриваемые периоды потери воды составили 869 - 1103 м3/ч.

Таким образом, в соответствии с выполненными исследованиями было установлено, что фильтрация воды из водохранилища через основание бетонной и земляной плотин имеет стабильный характер и составляет 800 -1100 м3/ч.

Снижение уровня воды в водохранилище АрГРЭС в зимнее время

Результаты анализа противо-фильтрационных свойств суглинистого ядра плотины, работающего в талом состоянии

Детальные исследования грунтов тела плотины, в том числе и ядра плотины, проводились в 2005 г. ООО «НПП Гидрогеолог» и в 2016 г. ООО «Картинфо». Полученные данные о физико-механических свойствах грунтов позволяли сделать их сравнительный анализ и выяснить изменения, которые произошли в основном про-тивофильтрационном элементе плотины (суглинистом ядре) за последние одиннадцать лет. В качестве сравниваемых принимались следующие показатели: плотность, естественная влажность, пористость и коэффициент фильтрации грунтов. Изыскания, проведённые в 2005 г., показали, что в продольном направлении плотины рассматриваемые показатели имеют близкие характеристики на одних и тех же глубинах (относительно гребня плотины). В связи с этим анализ свойств грунтов на различных глубинах делался не по отдельным створам, а по усреднённым данным по всей длине плотины (рис. 9).

Было выяснено, что форма изменения рассматриваемых характеристик (пористость, плотность влажность) по глубине в 2016 г. осталась практически такой же, как и в 2005 г. На глубине 3 - 5 м показатели влажности грунтов в 2016 г., как и в 2005 г., были выше, а плотность меньше по сравнению с грунтами, расположенными выше и ниже по разрезу. Причины этой аномалии были детально исследованы в 2006-2007 гг. [6, 7]. Основной вывод этих исследований: разуплотнение грунтов на указанной глубине не оказывает отрицательного влияния ни на статическую, ни на фильтрационную устойчивость грунтовой плотины

-2006-07 - 2007-08

2008-09

2009-10 -2010-И -2011-12

16 опт 27 о кг 13 ноя 27 ноя 15 дек 28 дек 17 янв 29 янв 19 фев27 фев 19 мэр 27 мар 15 апр 23 апр 14 мая

Дата

Рис. 8. Динамика изменения уровней воды в водохранилище АрГРЭС в зимнее время с 2006 по 2012 гг.

Рис. 9. Изменение показателей физико-механических свойств грунтов суглинистого ядра плотины АрГРЭС на разной глубине по результатам изысканий 2005 и 2016 гг.

Условные обозначения: х - место взятия пробы грунта на пористость; • - место взятия пробы грунта на плотность;  - место взятия пробы грунта на влажность

АрГРЭС, так как кривая депрессии в суглинистом грунте в настоящее время находится в пределах отметок 770 -773 м, что на 2 - 4 м ниже выявленной зоны разуплотнённых грунтов.

При сопоставление по глубине средних абсолютных значений сравниваемых показателей (пористости, плотности и влажности) для суглинистого ядра, полученных в 2005 г. и 2016 г., установлено, что на глубине от 4 до 13 м за сравниваемый период средняя влажность грунтов увеличилась с 0,1 до 0,18 д/ед., т.е. в 1,8 раза, среднее значение плотности уменьшилось с 2,1 до 1,9 кг/см3, т.е. в 1,1 раза, а средняя пористость увеличилась с 27 до 41 %, т.е. в 1,5 раза. Руководствуясь полученными данными, можно сделать вывод: с 2005 по 2016 гг. физико-механические характеристики грунтов суглинистого ядра существенно и резко ухудшились.

Сравнивая данные о грунтах, полученные в 2005 и 2016 гг., с данными свойств грунтов, уложенных в ядро плотины в 1954 г. [2], можно видеть, что средние данные по их влажности, плотности и пористости в пересчёте на современные глубины в диапазоне от 4 до 8 м значительно ближе к данным изысканий 2005 г., чем 2016 г. Почему за 49 лет (с 1954 по 2005 гг.) они практически не изменились (данные 1954 г.: средние влажность -0,14 д/ед., плотность - 2,1 кг/см3, пористость - 31 %), а за последние 11 лет (с 2005 по 2016 гг.) вдруг резко ухудшились (этот вопрос надо задавать прежде всего изыскателям, выполнявшим работы в 2016 г.). Ведь никаких, даже косвенных признаков суффозии1 грунтов на плотине не наблюдается.

Так как результаты сравнения данных инженерно-геологических изысканий разных лет вызвали сомнения, было проведено сопоставление уровней воды в пьезометрах по оси Б, расположенных в суглинистом ядре для разных лет наблюдений с 2005 г. по 2016 г. при одинаковых уровнях воды в водохранилище. За основу была принята точка зрения, что если со временем, исчисляемом годами, при одном и том же положении уровня в водохранилище, в наблюдаемой пьезометрической скважине уровень воды будет повышаться, то это будет свидетельствовать об ухудшении противофильтраци-онных свойств суглинистого ядра. Если же наоборот, то это будет означать, что противофильтрационные свойства ядра плотины улучшаются.

С 2006 по 2016 гг. было отмечено пять случаев, когда при одинаковых отметках воды в водохранилище, измерялись уровни воды и в пьезометрических скважинах. В результате анализа этих данных выяснилось, что при равных отметках положения уровня в водохранилище, уровни воды в пьезометрических скважинах в 2015 -2016 гг. в большинстве случаев были ниже или примерно равны уровням, зафиксированным в 2006-2007 гг. Только в одном случае был отмечен уровень воды в пьезометрической скважине, незначительно превышающий среднестатистическое значение. Эти результаты свидетельствуют, что суглинистое ядро грунтовой плотины АрГРЭС с 2006 по 2016 гг не только не ухудшило, но даже улучшило свои противофильтрационные свойства.

Возможно ли такое, что при «плохих» характеристиках грунтов, фактические противофильтрационные свойства суглинистого ядра повысились? Оказывается, такое явление может случаться. Одним из объяснений может быть то, что плотность грунтов понижается, а пористость повышается в результате вымывания из ядра более крупных частиц заполнителя, которые заменяются на более мелкие. Фактически в ядре происходит «кольматаж2», и, несмотря на то, что строительные свойства грунта меняются, противофильтрационные свойства ядра со временем улучшаются.

Все данные исследований, полученные нами за последние 20 лет на грунтовой плотине АрГРЭС, были использованы для обоснования возможности её безаварийной эксплуатации в новых условиях. В 2016 г. утверждён проект, разработанный ООО «Гидроузел», в котором эта плотина была переведена на талый принцип эксплуатации. Надеемся, что результаты наших исследований на Аркагалинской ГРЭС заинтересуют проектировщиков и тех, кто занимается эксплуатацией грунтовых гидротехнических сооружений в Якутии.

Список литературы

1. Ведерников, Л. Е. Обобщение опыта строительства и эксплуатации мерзлотной плотины на р. Мяундже / Л. Е. Ведерников // Труды ВНИИ-1, 1958 : сборник рефератов. - Магадан : ВНИИ-1, 1959. -С. 39-46.

2. Ведерников, Л. Е. Мерзлотные процессы в теле и основании плотины на р. Мяундже / Л. Е. Ведерников // Труды ВНИИ-1. - 1963. - С. 179-237.

3. Трупак, Н. Г. Замораживание грунтов в строительстве / Н. Г. Трупак. - М. : Издательство литературы по строительству, 1970. - 224 с.

4. Ведерников, Л. Е. Опыт строительства и эксплуатации Мяунджинской мерзлотной плотины / Л. Е. Ведерников // Секция гидротехнического строительства, том VII: материалы совещания-семинара по обмену опытом проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений на вечномёрзлых грунтах (октябрь, 1964 г, г. Магадан, СССР). - Красноярск, 1966. - С. 38-56.

5. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномёрзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. ФЦС. - М., 2011. - 118 с.

6. Guly, S.A. The Effect of Freeze-thaw Processes on Soil Properties in Earth Dam Embankments on Permafrost [Text]/ S.A. Guly// Asian Conferences on Permafrost, Abstracts. Lanzhou, China, August 7-9, 2006. - P.52.

7. Гулый, С. А. Исследование причин изменения физико-механических свойств грунтов в теле плотины Аркагалинской ГРЭС / С. А. Гулый // Гидротехническое строительство. - 2007. - № 12. - С. 2-7.

1 Суффозия (от лат. suffossio - подкапывание) - вынос мелких минеральных частиц и растворённых веществ водой, фильтрующейся в толще горных пород.

2 Кольматаж - (от итал. colmata - наполнение) - процесс естественного проникновения или искусственного внесения мелких

(главным образом коллоидных, глинистых и пылеватых) частиц в поры и трещины горных пород, которые способствуют уменьшению их водопроницаемости.