Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,823

DYNAMICS OF A PHYSICAL CONDITION OF THE WEAKENED ZONES OF A BULK DAM OF IRKUTSK HYDROELECTRIC POWER STATION DURING 2002–2012

Eskin A.Yu. 1 Dzhurik V.I. 1 Serebrennikov S.P. 1 Bryzhak E.V. 1
1 Institute of the Earth’s Crust Siberian Branch of the Russian Academy of Science
Рассматриваются вопросы изменения физического состояния грунтовых плотин Иркутской ГЭС с течением времени. Наблюдения проводились в течение одиннадцати лет. При исследованиях был применен комплекс методов для определения геофизических параметров насыпных плотин, с помощью которого производился анализ скоростей сейсмических волн как продольных, так и поперечных, электрического сопротивления и естественного потенциала в теле грунтовых плотин. По результатам работ были выделены ослабленные зоны, на которые в дальнейших работах уделялось большее внимание. В целом состояние грунтовых плотин Иркутской ГЭС можно охарактеризовать как стабильное. Использованный для режимных измерений комплекс геофизических методов позволил получить данные для всестороннего анализа поведения отдельных геофизических параметров в зависимости от конкретных физико-механических свойств и происходящих в плотине процессов во времени. Режимные измерения показали, что в течение одиннадцатилетнего инструментального периода наблюдается относительная стабильность электрических и упругих параметров грунтовых плотин Иркутской ГЭС.
Questions of change of a physical condition of soil dams of Irkutsk Hydroelectric Power Station are considered eventually. Supervision were spent in a current of ten years. At researches the complex of methods has been applied to definition of geophysical parametres of bulk dams with which help the analysis of speeds of seismic waves as longitudinal and cross-section, electric resistance and natural potential in a body of soil dams was made. By results of works the weakened zones on which in the further works it is given большее attention have been allocated. As a whole, the condition of soil dams of Irkutsk Hydroelectric Power Station can be characterised as stable. The complex of geophysical methods used for regime measurements has allowed to obtain the data for the all-round analysis of behaviour of separate geophysical parametres depending on concrete physicomechanical properties and processes occurring in a dam in time. Regime measurements have shown that during the eleven-year tool period relative stability of electric and elastic parametres of soil dams of Irkutsk Hydroelectric Power Station is observed.
Irkutsk Hydroelectric Power Station
soil dam
speeds of seismic waves
the specific electric resistance
natural field
geophysical monitoring

Изучение вопросов, связанных с проблемой использования энергоресурсов р. Ангары, начато в 1926 году, когда были выделены небольшие ассигнования Ангарскому бюро Гидровода. В 1931 году организуется Бюро Ангары при тресте Гидроэлекропроект (позже этот трест стал называться широкоизвестным ныне институтом Гидропроект). Геологические изыскания под Иркутский гидроузел курировали известные специалисты И.В. Попов, Н.И. Соколов, Е.В. Милановский, Г.Ф. Мирчинк (1932–1935 гг.). В декабре 1956 г. заработал первый агрегат Иркутской гидроэлектростанции, а в 1959 г. открылось постоянное движение городских автобусов по плотине.

Плотина Иркутской ГЭС (рис. 1) расположена на р. Ангаре в 60 км от её истока из озера Байкал, практически в черте г. Иркутска.

pic_86.tif

Рис. 1. Правобережная плотина Иркутской ГЭС

В состав Иркутского гидроэнергетического узла входят бетонная плотина, совмещённая со зданием ГЭС с водосборным устройством, и две грунтовые плотины – левобережная и правобережная. Левобережная плотина осуществляет сопряжение основных бетонных сооружений с левым берегом и перекрывает одну из проток поймы. Длина по гребню составляет 352 м (ПК 7 + 10 – 10 + 62), минимальная ширина по гребню 59 м, максимальная высота – 38 м. Бетонная плотина – здание ГЭС: длина – 241,3 м (ПК10 + 62 – 13 + 02), ширина по береговым устоям – 104 м, по фундаментной плите 77 м, по кровельному перекрытию 60,6 м, отметка основания 408 м, отметка поверхности кровли 464 м, общая высота – 56 м. Сейсмичность с 1995 года – 9 баллов. Правобережная грунтовая плотина: общая длина по гребню – 2148 м (ПК13 + 02 – 34 + 50), ширина по гребню – 66 м, максимальная высота (в районе основного русла реки Ангары) – 43 м.

Особенности геологического строения плотины

В геологическом строении основания плотины Иркутской ГЭС принимают участие породы угленосно-терригенной формации юрского возраста, представленные чередованием пачек песчаников различной крупности, местами гравелистыми, и алевролитов с подчинёнными им прослоями мелкозернистых песчаников и линз глин. По условиям строительства плотина разбита на три участка:

1) островной (примыкающий к бетонной плотине) – ПК13 + 02 – 23 + 30;

2) русловой (перекрывающий основное русло р. Ангары) – ПК23 + 30 – 25 + 91;

3) правобережный (располагающийся на над пойменной террасе) – ПК25 + 91 – 34 + 50.

В конструктивном плане и по условиям эксплуатации правобережная грунтовая плотина представляет собой единое целое, объединённое общими конструктивными противофильтрационными устройствами, очертаниями гребня, верхового и низового откосов, общими условиями работы, свойственными протяжённым плотинам. Способ возведения – насыпной. Сооружена плотина из валунно-галечных и песчано-гравелистых грунтов с суглинистым ядром в центре. В основании русловой плотины отсыпана песчаная подушка толщиной 1,5 м, цементационная завеса на острове и русле опущена на глубину 20 м. На берегах суглинистое ядро сопрягается с пролювиально-делювиальными суглинками с помощью замка и суглинистых фартуков. Плотина на три четверти длины располагается в пределах современной долины р. Ангары и на одну четверть – на высоких ангарских террасах.

В свете последних исследований на территории Иркутского гидроузла сформировался особый тип грунтовых условий – техногенные грунты большой мощности залегают на делювиально-аллювиальных отложениях, подстилаемых на разной глубине породами юрской угленосной формации. В работах Н.И. Демьянович, Б.М. Шенькман выделены три основные группы грунтов: техногенные, природно-техногенные и природные.

Каждая из этих групп подразделяется на подгруппы, типы и виды грунтов. Так, к первой группе грунтов относятся гравийно-галечные отложения, слагающие тело плотины, и суглинки ядра плотины. Природно-техногенные грунты, такие как гравийно-галечные отложения русловой фации пойменной террасы и песчаники, алевролиты юрской угленосной формации, расположены в основании грунтовой плотины. К природным грунтам, являющимися естественным основанием плотины, отнесены: суглинки, супеси, пески, гравийно-галечные отложения, делювиально-аллювиальные отложения надпойменных террас, песчаники, алевролиты и аргиллиты юрской угленосной формации.

Все эти грунты находятся в различном взаимоотношении друг с другом, в зависимости от положения в пределах гидросооружения и работают в разнообразных условиях. Общими для них факторами являются вибрационное воздействие землетрясений и транспорта, а также статические нагрузки. Специфичным для грунтов островной и русловой плотины является гидродинамическое воздействие напорных вод. Кроме того, грунты этих плотин находятся в условиях возможного бокового расширения в сторону нижнего бьефа. Для грунтов береговых примыканий характерны общие факторы воздействия и влияния обходной фильтрации, в большей степени проявившейся на правобережье. Здесь техногенные грунты оказывают дополнительную нагрузку на природные породы (делювиально-аллювиальные), которые в свою очередь испытывают влияние подпора.

Результаты геофизических исследований и их обсуждение

Гидротехническое сооружение Иркутской ГЭС – развивающаяся природно-техногенная система. Анализ результатов изучения насыпных грунтов за период эксплуатации плотины Иркутской ГЭС показывает, что их консолидация в основном завершена, но обнаружены зоны с меньшими, чем проектные, значениями плотности скелета грунта [3]. Их можно рассматривать как зоны разуплотнения – закономерный процесс эволюции техногенных грунтов в нестандартных условиях функционирования.

Исходя из вышесказанного, было принято решение изучить данную проблему с помощью комплекса геофизических методов и проследить во времени, как будут изменяться параметры изучаемых геофизических полей, как искусственных, так и естественных.

Настоящая работа посвящена результатам оценки физического состояния ослабленных зон насыпной плотины Иркутской ГЭС за период 2002–2013 гг. и его динамике. Для измерений были намечены участки грунтовой плотины со стороны правого берега: островная, русловая и правобережная плотины. На период наблюдений были разбиты профили для всего комплекса используемых методов (рис. 2) и произведена их привязка к существующим пьезометрам, которые являются пикетами на профилях. Точки измерений между основными пикетами привязывались с помощью GPS-навигации и мерной ленты.

Выбранный комплекс методов предназначен для изучения свойств земляной плотины косвенным путем [1]. Насыпная плотина создает ряд физических внешних и внутренних полей и при взаимодействии на неё может стать источником полей упругих колебаний, электрических токов, теплового излучения и т.п. Однако одни и те же физические поля могут соответствовать различным горным породам, поэтому важно изучать не отдельные физические свойства горных пород, а их совокупность комплексом методов.

Основными измеряемыми параметрами были упругие (скорости распространения продольных – Vр и поперечных – Vs волн), электрические (удельное электрическое сопротивление – ) и потенциалы естественного электрического поля – (U). Каротажные измерения в скважинах выполнялись в большей степени с целью проверки их информативности в отношении оценки гидравлической стабильности насыпной плотины.

pic_87.tif

Рис. 2. Схема геофизического мониторинга на грунтовых плотинах Иркутской ГЭС

Характеристики сейсмических волн, измеряемые на поверхности, могут дать информацию о положении и распределении границ между горными породами и о состоянии этих пород [5]. Усложняется процесс получения такой информации за счет пространственной неоднородности, пористости, проницаемости, глинистости, трещиноватости и т.д.

Сейсморазведочные измерения были выполнены методом преломленных волн с помощью цифровой сейсморазведочной 24-канальной станции «Лаколит-24». Длина измерительной косы составляла 48 м. Сейсмоприемники располагались через 2 м.

Анализ сейсморазведочных данных проводился на фоне их совместного сопоставления за 2002–2005 гг., по построенным скоростным разрезам, а также по изменению скоростей продольных волн с глубиной на отдельно взятом пикете за период с 2005 по 2013 г. (рис. 3). Хотелось бы отметить, что при проведении расчетов исключался верхний наиболее градиентный слой, связанный с сезонными изменениями скоростей при промерзании и оттаивании. Такой подход имеет свои положительные и отрицательные стороны. Но для изучения динамики упругих параметров он наиболее приемлем и необходим. В этом отношении значения линий изоскоростей относятся в какой-то степени к «кажущимся». Распределение «кажущихся» значений скоростей сейсмических волн с глубиной по пройденным профилям, с начала режимных измерений без учета их изменений во времени, представляется следующим образом (рис. 4). На представленных разрезах вдоль профиля ПР3 по скоростям продольных волн исследуемый участок уверенно разделяется до глубин более 30 м на три слоя. Сверху, до 12–13 м, идут суглинки, имеющие наиболее часто встречающиеся для них значения Vp от 500 до 1000 м/с. Средний слой, до абсолютной отметки 430 м, включает линии изоскоростей от 1500 до 2000 м/с. В большей части этот слой расположен ниже установившегося уровня грунтовых вод по пьезометрам, однако скорости могут соответствовать не только суглинкам ядра плотины, но и водонасыщенным галечникам верхней призмы. Подстилается этот слой (30–32 м) более плотными и водонасыщенными полускальными породами, имеющими высокие значения скоростей продольных волн, превышающие 2000 м/с. Скорости сейсмических волн реагируют на изменение фильтрационных и физических параметров, и они могут служить как косвенные индикаторы. Поэтому, учитывая данные выполненного анализа, можно говорить об относительной стабильности отмеченных параметров насыпной плотины за инструментальный период наблюдений. Но если ставить целью составление прогнозных физико-геологических или сейсмических динамических моделей с оценкой их достоверности, то для этого необходимо детальное изучение грунтов основания плотины и проведение повторных измерений скоростей сейсмических волн на более длительном интервале времени. Поэтому, в продолжение изучения грунтовых плотин Иркутской ГЭС, дальнейшие сейсморазведочные измерения методом преломленных волн решено проводить раз в пять лет.

pic_88.tif

Рис. 3. Изменение скорости продольных волн (Vp) с глубиной на грунтовой плотине Иркутской ГЭС с течением времени

pic_89.tif

Рис. 4. Результаты режимных измерений скоростей сейсмических волн по профилю ПР3 (ПК19 – ПК28, 2002–2005 гг.)

Сказанное для скоростей распространения сейсмических волн практически полностью относится и к электрическому сопротивлению, определяемому по методу вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), которое в большей степени реагирует на изменение свойств горных пород, чем Vр и Vs. Глубинность исследований методом ВЭЗ необходимо было обеспечить до 30–40 метров, то есть до коренного основания плотины. С этой целью максимальная величина разносов питающих линий ВЭЗ была выбрана 440 метров (AB = 3,0; 6,0; 9,0; 12; 18; 30; 50; 80; 130; 200; 300; 440), приемных линий MN 1,0 и 10 метров. Для проведения измерений в методе ВЭЗ была использована электроразведочная аппаратура «Электротест-С». Производство, Россия, Москва: НТК «Диоген-2001». Это портативный низкочастотный компьютизированный электроразведочный прибор для работы в условиях промышленных помех и сложных заземлений. Прибор в цифровом варианте обеспечивает измерение электрических величин в режиме накопления до 10 раз. Тем самым погрешность измерений не превысила 5 %. Область применения – определение характеристик грунтов по их электрической проводимости, площадные инженерно-геологические исследования, съемка методом естественных потенциалов фильтрации и решение ряда других задач.

Выбор установок ВЭЗ осуществлен из опыта электроразведочных работ при инженерно-геофизических изысканиях. В качестве электродов M, N применены латунные стержни длиной 0,5 м и диаметром 2 см, а электродов А, В – стальные стержни длиной 1,2 м и диаметром 1 см. Расположение точек наблюдений ВЭЗ определялось условиями решения поставленных задач. Шаг наблюдений (или расстояния между соседними точками наблюдений) составлял 50 м. Контроль точности измерений осуществлялся путем выполнения повторных замеров со сменой оператора. Повторные ВЭЗ составили 5 % всего объема измерений.

Что касается самих электроразведочных наблюдений, то здесь не всё так однозначно и понятно. На всех пройденных по методу ВЭЗ профилях (ПР0-4, рис. 2) преобладают следующие виды кривых: AH, KQH, KQ [2]. Проследить динамику электрических сопротивлений возможно качественно, по относительному сравнению разрезов кажущихся сопротивлений по одним и тем же пунктам наблюдений, и количественно, по графикам распределений удельного электрического сопротивления (УЭС) с глубиной во времени (рис. 5). При этом стоит отметить, что величина УЭС зависит от температуры грунтов, степени их насыщения водой и минерализации. Важен следующий момент – физические и гидрогеологические процессы по ядру и по всей насыпной плотине по интенсивности и направленности меняются во времени.

Для профиля ПР0, по слою насыпных грунтов, измерения 2002; 2003 и 2007 гг. хорошо согласуются. В 2004 и 2005 гг. относительные изменения существенны на участках ПК 21–23, которые отмечаются повышением УЭС в этом слое, вплоть до разносов АБ/2 достигающих 100–220 м. В данном случае предполагается связь с временным (2004–2005 гг.) изменением минерализации грунтовых вод на этом участке и с возможным увеличением параметров фильтрации. В то же время на ПК 23–24 значения УЭС на этих же разносах уменьшились до 50 Ом, что можно объяснить обратным характером изменения указанных характеристик. По профилю ПР4 в водонасыщенном слое различие сопротивлений более существенно, но относительно хорошее согласие в их распределении отмечается в период 2005 и 2007 гг. По профилю ПР3, несмотря на видимую высокую неоднородность разрезов кажущихся сопротивлений по глубине и по простиранию, они достаточно уверенно, даже при визуальном сравнении, повторяются при ежегодных измерениях. Но на отдельных участках выделяются существенные различия, которые, вероятнее всего, связаны с изменением уровня воды в водохранилище в разное время года. И как следствие этого, различия в плане обводнённости грунтов, связанные со сложным строением ядра плотины, если рассматривать его в поперечном разрезе. Диапазон изменений к по повторным измерениям лежит в основном в интервале от 20 до 400 Ом•м.

Проследить динамику изменения УЭС с глубиной за весь период исследований, как и для скоростей сейсмических волн, можно по ежегодным кривым (рис. 5). Кривые построены для пикета 23 (ПР0, ПР1) и дополнительно для ПР3 (суглинистое ядро). На рисунке хорошо видно, что в первые годы исследований разброс значений УЭС, особенно в верхней части разреза, значителен. В этот период времени менялась аппаратура, оттачивалась методика измерений, а также улучшалось качество обработки полученных данных. Начиная с 2007 г. электроразведочные измерения методом ВЭЗ имеют достаточно приемлемую сходимость, что говорит о стабильном состоянии грунтов насыпной плотины Иркутской ГЭС по электрическим параметрам.

pic_90.tif pic_91.tif pic_92.tif

Рис. 5. Динамика УЭС на ПК23 на участках профилей № 0, 1 и 3, за период измерений с 2002 по 2013 гг.

Результаты проведенных каротажных исследований УЭС воды в скважинах показывают перспективность таких работ для контроля накопления данных статистических расчетов и прогнозирования процессов устойчивости грунтов плотины. Определенной направленности изменений УЭС воды во времени не наблюдается. Поэтому особого внимания этим результатам в данной работе не уделяется.

При инженерно-геологических исследованиях обращают на себя внимание естественные электрические локальные поля на земной поверхности, обязанные контактам разнородных горных пород, водоносных пластов, фильтрации подземных вод и диффузии растворов разной минерализации [8]. Для определения наиболее значимых областей фильтрации в теле плотины и в грунтах её основания были проведены работы методом естественного поля (ЕП).

pic_93.tif

Рис. 6. Динамика изменения потенциальной фильтрации [ЕП] по профилю ПР3

Электроразведка методом ЕП выполнена в варианте способа съемки потенциалов. Особенностью ЕП земляной плотины ГЭС является то, что его параметры определяются в основном фильтрацией воды в проницаемых грунтах плотины. Причем, если U = 0 (U – потенциал ЕП), то переток воды отсутствует, локальные отрицательные аномалии дают утечки из дренажа. При равномерной инфильтрации по всей плотине ЕП будет увеличиваться по направлению к дренажной прорези, а при фронтальной и фланговой утечках неоднородности в нижнем клине плотины будут отличаться локальными аномалиями ЕП. Линзы мелкодисперсного глинистого материала дают положительные аномалии, а зоны, сложенные крупнообломочным и гравийно-галечным грунтом – отрицательные [7]. Шаг и разнос между соседними установками неполяризующихся электродов равнялись 10 м. Использовалась та же система профилей, что и для постановки ВЭЗ и КМПВ. Система и густота сети наблюдений каждым из выбранных методов определялась величиной погрешности определяемых ими параметров и условиями решения поставленных задач.

Постановка режимных измерений методом естественных потенциалов показала, что по ядру плотины (ПР3) замечены отрицательные аномалии, которые проявляются эпизодически и, начиная с пикета ПК 22 + 80, могут превышать 100 мВ. Общий вид графиков практически идентичен за всё время наблюдений. Начиная с ПК 25 + 50, на графиках распределения потенциалов фильтрации могут присутствовать как положительные, так и отрицательные аномалии (рис. 6). Явно или неявно, по абсолютным значениям ЕП, выделяется аномалия на пикетах ПК 22 – ПК 27, которая может в отмеченных пределах мигрировать.

Состояние насыпной плотины в первом приближении по геофизическим параметрам оценивается следующим образом. В теле плотины существует дифференцированность грунтов по упругим и электрическим свойствам, обусловленная различиями состава и строения грунтов, их водонасыщенностью и технологическими факторами. Не удалось выявить и проследить четких каналов и путей фильтрации, которые проходили бы через всю плотину, так как не зафиксированы соответствующие геофизические аномалии на параллельных профилях, кроме одного случая по двум профилям на русловом участке.

В суглинистом ядре определены аномалии, связанные с неоднородностями физико-механических свойств, которые оценены по изменениям коэффициента пористости, рассчитанного по геофизическому параметру пористости. О фильтрации можно судить по значениям потенциалов ЕП. Увеличение пористости, а следовательно, водонасыщенности и разуплотненности в суглинистом ядре может в неблагоприятных условиях привести к образованию линз плывуна, которые при землетрясении или просто с течением времени под влиянием вибраций и других причин могут являться потенциальными источниками повреждений в плотине.

Выводы

Материалы исследований показывают эффективность использования геофизических методов в решении поставленных задач и достоверность полученных результатов [6]. Основные выводы, сделанные по результатам мониторинга, сводятся к следующему:

– в теле земляной плотины под воздействием природных и техногенных факторов постоянно происходят процессы, вызывающие флуктуации фильтрационных параметров, причем определенной направленности этих процессов установить пока не удалось;

– распределение геофизических параметров вдоль оси плотины показывает, что русловая и островная плотины различаются по их значениям, а фильтрационные свойства русловой плотины требуют постоянного контроля;

– выявленные аномалии по данным ЕП показывают их активизацию на участках сопряжений суглинистого ядра с примыкающими элементами плотины, общий характер фильтрационного поля в пределах обследованной части характеризуется наличием многих сосредоточенных потоков, которые видны на графиках потенциалов фильтраций как местные экстремумы;

– надежность выводов о параметрах фильтрации подтверждается их сопоставимостью с результатами работ предшественников и анализом распределения уровней и напоров по данным пьезометрических режимных наблюдений;

– в целом делается вывод о фильтрационной устойчивости обследованных участков плотины.

В определённой степени это подтверждается и данными сравнения полученных расчетных скоростей фильтрации с проектными и установленными в опытах ВНИИГ.

Использованный для режимных измерений комплекс геофизических методов позволил получить данные для всестороннего анализа поведения отдельных геофизических параметров в зависимости от конкретных физико-механических свойств и происходящих в плотине процессов во времени. Сравнительный анализ данных режимных геофизических измерений по методам электроразведки (ВЭЗ, ЕП), сейсморазведки и резистивиметрии показывает хорошую сходимость, однако на отдельных участках их отклонения требуют объяснений. Поэтому для более точного оконтуривания ослабленных зон и контроля за состоянием насыпи и ядра плотины необходимо продолжение исследований по геофизическому мониторингу насыпных плотин Иркутской ГЭС.

Таким образом, по результатам режимных измерений за одиннадцатилетний инструментальный период установлена относительная стабильность электрических и упругих параметров грунтовых плотин Иркутской ГЭС.