Проблема устойчивости зданий и сооружений при обеспечении безопасности атомных электростанций

Н.И. Федунец, Е.А. Гурьева

ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Успешное развитие ядерной энергетики неотделимо от научно-технического прогресса. При этом первоочередное значение имеют научные достижения, направленные на повышение безопасности и надежности работы атомных электростанций (АЭС), улучшение технико-экономических показателей ядерной энергетики, совершенствование строительно-монтажного производства. Обеспечение безопасности АЭС является непреложным и главным требованием при их проектировании, сооружении и эксплуатации.

Одной из главных причин нарушения нормальной работы АЭС могут быть медленные во времени процессы, вызывающие осадки и деформации оснований зданий и сооружений атомных станций. При этом многочисленные публикации свидетельствуют о том, что основание и здание главного корпуса АЭС находится под постоянным воздействием разнообразных процессов, протекающих в окружающей среде и внутри здания, которые являются в различной степени причинами деформации.

Как известно, деформации главных корпусов АЭС и их оснований может приводить к аварийным ситуациям, в том числе к авариям с тяжелыми радиационными последствиями для персонала и населения. Так, деформация главного корпуса АЭС приводит к перекосу корпуса реактора относительно вертикальной оси, а это в свою очередь ведет к заклиниванию регулирующих стержней системы защиты реактора и к потере управляемости реактором. В такой ситуации весьма велика вероятность серьезного разрушения активной зоны реактора с выходом значительного количества радиоактивных веществ в окружающую среду. Кроме того, вышеуказанный перекос корпуса реактора может привести к разрыву трубопровода первого

контура АЭС и также к выходу радиоактивных веществ в помещения станции и окружающую среду.

Поэтому главной проблемой является обеспечение надежной эксплуатации АЭС, для чего требуется проводить постоянные наблюдения за осадками и деформациями основания главного корпуса и, что очень важно, получать долгосрочный прогноз поведения фундаментов помещений на несколько лет вперед.

Первостепенной задачей в составлении прогноза осадки основания сооружений является выявление групп факторов, в наибольшей степени оказывающие влияние на осадку и деформацию зданий и сооружений промышленных объектов. В настоящее время по оценкам специалистов осуществлена классификация основных групп факторов: эндогенные, экзогенные природные факторы и факторы, обусловленные инженерной деятельностью человека (табл. 1).

Опыт наблюдения за осадками и деформациями зданий и сооружений АЭС показывает, что при проведении таких исследований следует учитывать все вышеуказанные группы факторов. Тем не менее, как правило, наиболее значимо влияние факторов третьей группы, обусловленных инженерной деятельностью человека.

Здесь уместно отметить, что, как и другие промышленные объекты, отечественные АЭС размещены по всей территории России и, следовательно, находятся в различных географических и, естественно, геологических условиях. Поэтому при выборе площадок для размещения АЭС отечественные проектанты и строители неукоснительно руководствуются соответствующими нормативными документами, которые определяют, каким требованиям должна отвечать площадка АЭС. Так, один из таких документов ПН АЭ Г-5-006-87 вообще запрещает строительство АЭС на тектонически-активных разломах, в береговых зонах с опусканием более 10 мм в год, в зонах с несущей способностью грунта под основанием здания менее 2.0 кг/см2, в карстовых районах и т.п., что существенным образом снижает уровень и вероятность возникновения максимальных, расчетных проектных деформаций и осадок.

Таблица 1

Основные факторы, влияющие на деформацию основания зданий и сооружений АЭС

Эндогенные

Экзогенные природные факторы

Инженерная деятельность человека

1. Неотектонические движения земной коры

2. Сейсмические процессы

3. Явления геотермики и др.

1. Гидротермические движения

2. Микронаклоны и микросейсмы

3. Лунносолнечные приливы и т.д.

1.Оседание земной поверхности в связи с воздействием на неё сооружений 2.Оседания земной поверхности, связанные с проходкой подземных горных выработок

3. Деформации земной поверхности под влиянием откачек подземных вод или других жидких и газообразных полезных ископаемых

4.Смещение горных пород в результате изменения природного давления при вскрытии строительных котлованов или при возведении различных сооружений, создания водохранилищ и т.д.

5. Смещения земной поверхности, связанные с искусственным изменением гидротермического режима пород и т.п.

Тем не менее, практика наблюдений за вертикальными деформациями АЭС (в основном это - геодезические наблюдения, выполненные с использованием стенных, грунтовых и глубинных реперов) говорят о наличии таких деформаций практически на всех объектах.

Проиллюстрируем это на ряде примеров, которые приведены в ряде ранних публикаций по рассматриваемой проблеме.

По итогам наблюдений на Башкирской АЭС за период с мая 1990 г. по февраль 1991 г. зафиксированы следующие смещения глубинных реперов: минимальные - 0,00 мм, максимальные - +0,30 мм. Контрольные марки на стенах реакторного отделения № 1 сместились на такие величины: минимальные - -1,00 мм, максимальные - -2,30 мм.

На Татарской АЭС за период с октября 1989 г. по декабрь 1990 г. вертикальные смещения глубинных реперов составили: мини-

мальное - - 0,10 мм, максимальное - +0,20 мм. Глубинные репера в районе водозабора питьевой воды получили смещения за этот же период от -6,60 мм до +4,670 мм. Контрольные марки на здании водозабора сместились в пределах от -0,10 мм до -6,60 мм.

На Нововоронежской АЭС за период с октября 1989 г. по декабрь 1990 г. зарегистрированы следующие смешения опорных реперов: минимальное - +0,50 мм, максимальное - -9,27 мм. Здесь же за период с декабря 1972 г. по февраль 1990 г. смещения контрольных марок 4-ого реакторного отделения составили: минимальное -+1,00 мм, максимальное - -10,1 мм. Для 3-го реакторного отделения эти величины имели следующие значения: положительное максимальное - +1,2 мм, отрицательное максимальное - -9,9 мм. При этом для турбинного отделения смещение составило -15,0 мм, что близко к критическому. За период с сентября 1982 г. по февраль 1990 г. максимальное смещение контрольных марок 5-го реакторного отделения составило -14,50 мм; для турбинного отделения 5го энергоблока - максимальное смещение контрольных марок составило -18,20 мм.

Даже эти, незначительные по объему, данные свидетельствуют о том, что деформация и зданий главных корпусов, а также технологического оборудования имеет место на всех АЭС. Как следовало ожидать, смещения глубинных реперов, на которые воздействуют только эндогенные факторы, значительно меньше вертикальных смещений зданий и их оснований.

Кроме того, приведенные данные показали, что даже в сейсмически спокойных районах (средней полосы России и среднего Урала) деформация главных корпусов АЭС и их оснований, равно как и технологического оборудования, достигает реально ощутимых размеров и даже предельных значений в соответствии с нормативными документами. Это, в свою очередь, подтверждает необходимость постоянного наблюдения, изучения и прогнозирование деформаций и осадок зданий и сооружений АЭС.

Как показывают многочисленные публикации, наиболее перспективным и эффективным для решения проблемы определения осадок и деформаций зданий и сооружений является геодезический метод наблюдений с использованием деформационных реперов и марок. При проведении таких измерений полагают, что деформационные смещения оснований и зданий в плане и по высоте различны: вертикальные смещения преобладают перед горизонталь-

ными. Поэтому в основном применяют высотные измерения для определения деформационных смещений.

В целях выполнения высотных измерений на всех атомных станциях России созданы 2 системы высотных полигонов [2]. Одна состоит из разного вида реперов (глубинные, грунтовые, свайные и др.), вторая же включает в себя осадочные деформационные марки (табл. 2).

Закладка глубинных реперов проводится на уровне более 200 м. Кроме того, эти реперы должны располагаться вне зон вибрации работающего оборудования (турбоагрегаты, мельницы, дробильные установки и т.п.), не ближе 20 м от дорог, не менее 10 м от блуждающих токов (кабели, площадки ОРУ, здания ЗРУ) и должны быть удалены от котлованов и других зданий, где не сказывается напряженность грунта, вызванная весом исследуемых зданий и сооружений, воздействием других объектов: зданий, сооружений и коммуникаций, входящих в комплекс АЭС, а также зон скопления производственных и грунтовых вод. Это исключает влияние преимущественно техногенных факторов на деформацию конструкции самого глубинного репера.

Глубинные реперы установлены в коренные, скальные породы, с целью уменьшения их вертикальных смещений. На таких же условиях применяются и грунтовые реперы. Они закладываются на глубину 2,5 м при глубине колодца не менее 1,0 м.

Глубинные и грунтовые реперы (последние еще называют фундаментальными) являются геодезической высотной основой [1]. Относительно них определяются превышения осадочных грунтовых реперов, стенных и плитных марок.

Грунтовые реперы являются рабочими. Они могут быть свайными или в виде железобетонного пилона, размещенного

14

Таблица 2

Виды и типы реперов и марок

Фактор Вид Тип

Реперы Глубинные реперы, основания которых закладываются в скальные, полускальные или другие коренные практически несжимаемые грунты

Грунтовые реперы, основания которых закладываются ниже глубины сезонного промерзания или перемещения грунта -

Реперы с бетонным монолитом устанавливаются на участках с грунтами средней плотности (модуль деформации Е=200^300 кгс/см2) мощностью более 10 м

Свайные реперы применяются на участках насыпных неоднородных по составу грунтов, а также заторфованных грунтов, на которых невозможно применить реперы указанных выше конструкций

Стенные реперы, устанавливаемые на несущих конструкциях зданий и сооружений, осадка фундаментов которых практически стабилизировалась

Осадочные деформационные Стенные устанавливаются на вертикальных гранях конст- Марки, закладываемые в железобетонные и бетонные конструкции

марки рукций Марки, закладываемые в наружные и внутренние кирпичные (блочные) стены и столбы

15

Фактор Вид Тип

Марки, устанавливаемые на стальные закладные полосы и на стальные колонны

Плитные устанавливаются на горизонтальных плоскостях Закрытые марки в местах, подверженных механическим повреждениям

Марки, состоящие из одной заклепки диаметром 20 мм (без защитной коробки), заделываемые в плиту или фундамент на 100 мм с выходом головки наружу, расположенные там, где повреждения маловероятны

Марки-конструкции это детали сооружения, используемые в качестве марок

на бетонной плите. Основное требование к ним - обеспечение неизменности своего высотного положения на период измерений в цикле нивелирования.

Стенные и плитные осадочные реперы закладываются непосредственно в зданиях главного корпуса АЭС, на вертикальных и горизонтальных конструкциях зданий. Они выполняют функцию постоянно зафиксированных геодезических точек. Особой устойчивостью должны обладать, конечно, закрытого типа реперы, которые размещаются в местах интенсивного движения грузов и транспорта.

Таким образом, на территориях АЭС создана продуманная сеть геодезических знаков высотных определений за осадками и деформациями. При этом глубинные и фундаментальные репера располагаются равномерно по территории АЭС "кустами", группами по 3-4 репера с удалением не более 300 м друг от друга. Вблизи главного корпуса таких групп должно быть не менее 2-х, что обеспечивает возможность исследования осадок основания и деформаций на полной геодезической основе.

По времени общий период проведения наблюдений за осадками различен для конкретных АЭС, т.к. он обусловлен геологическими условиями, в которых происходит полная осадка основания под действием нагрузки здания. Известно, что грунты отличаются друг от друга средней плотностью и коэффициентом крепости соответственно: песок, мелкий гравий - 1,7 и 0,5; плотная глина, глинистый грунт - 1,8 и 1,0; кремнистый сланец, кварциты, самые крепкие песчаники, известняки - 2,6-2,7 и 15,0, а показатели кварцитов (крепких, плотных, вязких) и базальтов - еще выше. Поэтому на песчаных грунтах осадки протекают в течение 1,5-3 лет и имеют быстрое затухание. На глинистых грунтах соответственно - 5-8 лет, а на плотных грунтах - 20-100 лет. Поэтому для каждой АЭС, исходя из геологических условий её месторасположения, разрабатывается конкретная программа геодезических наблюдений за осадками и деформациями, в которой определена частота циклов измерений.

В процессе обработки геодезических измерений определяются не только качественные характеристики осадок и деформаций, но и их форма: параллельные вертикальные смещения, прогибы, крены, изгибы, кручения, темпы (скорость смещений) и т.д.

Таблица 3

Предельные осадки и деформации зданий,

Объекты кон- Предельные отклонения Предельные по-

троля Вид Величина, мм грешности измерений, мм

1. Реакторное 1.1 Средняя осадка 150 5

отделение в мм

1.2 Относительный 0,0005 0,000016

прогиб (выгиб) 1.3 Поперечный и 0,0005 0,000016

продольный крены

2. Реакторная 2.1 Средняя осадка в мм 150 5

установка 2.2 Поперечный и продольный крены 0,0005 0,000016

3. Турбинное 3.1. Максимальная абсо-

отделение лютная осадка в мм:

3.1.1 Железобетонные ра- 80 5,5

мы с заполнителем и без

3.1.2 Стальные рамы с за-

полнителем и без 120 8,3

3.2. Относительная раз-

ность осадок:

3.2.1 Железобетонные ра-

мы с заполнителем 0,001 0,00007

3.2.2 Стальные рамы с за-

полнителем 0,02

3.2.3 Железобетонные ра- 0,00014

мы без заполнителя 0,002

3.2.4 Стальные рамы без 0,00014

заполнителя 0,004 0,00028

Это весьма важно для решения задачи обеспечения безопасности АЭС, поскольку сопротивления строительных материалов и оборудования имеют определенный предел, который, как критерий, относится и к геометрии строительных конструкций и технологического оборудования. Так в табл. 3 представлены такие данные по предельным осадкам и деформациям зданий и оборудования АЭС.

Из табл. 3 видно, что предельные, как допустимые, осадки и деформации в главном корпусе АЭС не столь велики, особенно по прогибам, наклонам и крену, если учесть габариты зданий. Сравнивая определенные из геодезических наблюдений осадки и деформации зданий и сооружений АЭС с предельными, можно сделать вывод об их надежности и устойчивости.

Выполненный авторами обзор публикаций свидетельствует о том, что вопрос математического моделирования осадок и деформаций зданий и сооружений промышленных объектов на базе результатов геодезических измерений не достаточно изучен как отечественными, так и зарубежными исследователями. Эта задача, безусловно, является актуальной в проблеме изучения и прогнозирования осадок и деформаций зданий и сооружений АЭС.

Авторами были исследованы численные характеристики величин осадки зданий и сооружений, полученные методом высокоточного нивелирования. Циклы наблюдений велись несколько раз в год последние 20 лет стенными реперами. По итогам регрессионного анализа наблюдений за осаждением главного корпуса Курской АЭС получены результаты в виде зависимости средних суммарных вертикальных смещений фундаментов от времени (рис. 1).

Анализ результатов наблюдений свидетельствуют о том, что вертикальные смещения осадочных марок по всем блокам стабильны во времени. Суммарная осадка по главному блоку составляет -54,6 мм со скоростью 2,4 мм/год.

К настоящему времени на АЭС накоплен большой объем информации по геодезическим измерениям с использованием стенных, грунтовых и глубинных реперов. Но как показало исследование систем обработки результатов геодинамического мониторинга, на данный момент не существует единой централизованной базы данных всех наблюдений, зафиксированных стенными, грунтовыми и глубинными реперами всех отечественных АЭС, а также всех имеющихся факторов, влияющих на осадку и деформацию, как фундамента помещений, так и площадки под сооружениями АЭС. По этой причине не проводится систематическое прогнозирование осадок и деформаций исследуемых объектов АЭС. И если долгосрочное прогнозирование, в силу известных обстоятельств, выполняется проектировщиками на основе геологических данных методом механики грунтов, то более точное и краткосрочное на один, два промежутка между циклами наблюдений, но важное для практики,

Время, годы

Рис. 1. График суммарных вертикальных смещений фундамента главного корпуса Курской АЭС

с точки зрения обеспечения безопасности, еще не получило своего применения. Таким образом, в целях повышения безопасности АЭС, наличие такой базы данных и аппарата обработки, анализа, а так же построения долгосрочного прогноза осадки в кратчайшие сроки важно для специалистов по безопасности АЭС. Для решения этой задачи нам необходимо разработать математическую модель, алгоритм анализа временных рядов геодезических измерений стенными, грунтовыми и глубинными реперами и прогнозирования осадок и деформаций фундаментов сооружений и площадки под сооружениями АЭС, учитывая выявленные нами раннее значимые факторы влияния.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Левчук Г.П., Новак В.Е., Конусов В.Г. Прикладная геодезия. Основные методы и принципы инженерно-геодезических работ.- М.: Недра, 1981.

2. Сараханов В.К. Особенности геодезических работ при изучении оползневых процессов. //Геодезия и аэрофотосъем, № 3.- 1984.ЕШ

— Коротко об авторах -------------------------------------------

Федунец Н.И. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой АСУ,

Гурьева Е.А. - аспирантка кафедры АСУ,

Московский государственный горный университет.

© Н.И. Федунец, Е.Н. Семенова,