CC BY
52
--------------------------------------------------- © А.Л. Пустуев, 2011
УДК 528.48:622.83:621.049 А.Л. Пустуев
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНДОВЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ВЫБОРЕ ПЛОЩАДОК ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА АТОМНЫХ СТАНЦИЙ
Описан метод исследования трендовых геодинамических деформаций района предполагаемого строительства атомной станции. В результате проведенных инструментальных исследований получены основные параметры трендовых геодинамиче-ских деформаций на конкурентных участках под строительство атомной станции. Ключевые слова: деформации геодинамические трендовые, АЭС, вектор смещения.
Стремительное развитие отечественной и мировой экономики создает серьезные проблемы в обеспечении промышленности и общественносоциальной инфраструктуры электрической энергией. Анализ современного состояния энергообеспечения свидетельствует, что, несмотря на широкий спектр направлений поиска новых альтернативных источников энергии и огромный научно-технический потенциал, задействованный в этой сфере, для реального обеспечения потребностей растущей экономики атомная энергетика альтернативы не имеет, особенно с учетом Российских климатических условий, требующих повышенных энергозатрат.
Однако, руководящий технический материал, регламентирующий требования к площадкам размещения атомных станций [1—3] с точки зрения обеспечения безопасности от геодинамических деформаций земной поверхности, требует проведения инструментальных геодезических наблюдений на протяжении 4—5 лет на самой площадке и на прилегающей к ней территории радиусом около 100 км. Конечно, в современных условиях развития экономики, это непозволительно большой срок, огромные
затраты времени и трудовых ресурсов, а реализация проектов по строительству новых станций требуется в кратчайшие сроки. Но, не смотря на это, пренебрегать геодинамической активностью не стоит, по результатам исследований последних лет, она играет одну из ведущих ролей в риске катастроф на ответственных сложноконструктивных объектах и сооружениях.
В связи с этим, творческий коллектив ИГД УрО РАН, выполняющий данную работу и представленный преимущественно членами ведущей научной школы — Уральской школы геомехаников, при проведении изысканий безопасной площадки строительства Южно-Уральской АЭС (ЮУАЭС) учитывал все новейшие фундаментальные достижения наук о Земле. В частности, при экспериментальных исследованиях трендовых движений (в нормативах СДЗК) временной диапазон был расширен до 35—50 лет, вместо 4—5 лет, рекомендуемых нормативом [3]. Это позволило существенно сократить время на выбор площадки при одновременном повышении информативности.
На данном этапе изысканий на территории предполагаемого района раз-
мещения АЭС проведены определения трендовых движений и вызванных ими деформаций, характеризующих общий уровень геодинамической активности района исследований протяженностью 110—130 км. Выбранные предварительно альтернативные участки II и III (рис. 1), расположенные в этом районе, рассматриваются как альтернативные пункты строительства, на которых могут быть выделены, соответственно 2 и 4 площадки строительства.
Как известно, деформации в массиве горных пород (в основании сооружений атомной электростанции) формируются под воздействием трендовых геодинамических движений. В связи с этим, для выбора благоприятных и безопасных площадок необходимо получить данные о параметрах трендовых движений за длительный период, которые уже расчетным путем переводятся в деформации. Сопоставление полученных значений деформаций с нормативными допусками дает возможность оценить выбранные площадки с точки зрения пригодности по степени трендовых геодинамических движений.
Наиболее очевидным путем определения трендовых движений земной коры является сравнение современных координат одноименных пунктов государственной геодезической сети и их каталожных значений, полученных при ее создании. Пункты государственной геодезической сети как нельзя лучше подходят для этих целей, так как, обеспечивают практически равномерное покрытие всей исследуемой территории, способ заложения пунктов триангуляции соответствует требованиям, предъявляемым к пунктам геодинамических по-
лигонов, между пунктами ГГС проведен цикл наблюдений по определению координат и высот пунктов с высокой точностью. Для этих целей использованы пункты триангуляции 1—3 классов, расположенные по всей территории района размещения атомной электростанции (рис. 1). Перед производством работ была сделана выборка всех пунктов попадающих в исследуемый район, в итоге измерения были произведены на тридцати одном триангуляционном пункте ГГС, в том числе на десяти пунктах I класса, на семнадцати пунктах II класса и на четырех пунктах III класса. Спутниковые измерения производились с использованием двухчастотных приемников фирмы Trimble (4000 SSE и 5800), с трех базовых станций, что позволило получить жесткую сеть с возможностью контроля каждого измерения по невязкам замкнутых фигур. По результатам свободного уравнивания сети максимальная абсолютная погрешность определения координат пункта составила 20 мм, а относительная ошибка определения координат не хуже 1:500000. Приемники сертифицированы в качестве измерительных приборов на территории РФ и прошли метрологический контроль.
Для оценки геодинамической активности района размещения АЭС, определяющей безопасность района, смещения пунктов ГГС района относительно внешних базовых станций GPS, используемых в работе для контроля, не представляет интереса. Смещения всей территории района как жесткого тела не оказывает влияния на безопасность АЭС. Опасность создают деформации массива и земной поверхности.
Рис. 1. Схема расположения пунктов триангуляции использовавшихся для определения трендовых геодинамических движений и векторов их смещения
Для их определения необходимы внутренние смещения пунктов ГГС относительно друг друга. Именно они вызывают деформации, регламентируемые нормативными документами.
В результате переопределения координат пунктов ГГС мы получили новую
современную реализацию системы координат сети. Однако данный методический подход имеет несколько осложняющих факторов. Во первых, для того, чтобы полученные векторы смещений имели реальный смысл, необходимо оба цикла измерений обрабатывать в единой
и стабильной во времени системе координат. Для этого необходимо всю систему геодезических пунктов, задействованную в исследованиях, посадить на пункты которые стабильны между собой за весь рассматриваемый промежуток времени. Взаимная стабильность исходных пунктов имеет очень важное значение. В связи с этим выбор исходных пунктов производится с привлечением многосторонней информации геодезического и техногенного характера, в нашем случае в качестве стабильных использованы пункты триангуляции 1 класса, расхождения современных и каталожных координат на этих пунктах минимальные. Во вторых, случайные ошибки привязки к исходному направлению создают кажущиеся развороты и масштабные деформации всей сети. Хорошо известным критерием подобных ошибок являются векторы смещений, величины которых возрастают с удалением от исходных пунктов.
Но при таком четком проявлении упомянутых погрешностей мы использовали довольно эффективный способ их исключения, состоящий в совмещении под условием минимума суммы квадратов расхождений координат одноименных пунктов в современной и каталожной реализации сети, и оп-
ределения отсюда предварительных поправок за различие масштабов и ориентировки сравниваемых реализаций сети. Конечно, найденные поправки, остаются, отягощены влиянием действительных смещений и ошибок определения каталожных координат некоторых из опорных пунктов, но методом последовательных исключений такие пункты были отбракованы для использования в качестве опорных. Совмещение под указанным условием оставшихся стабильных пунктов позволило уточнить взаим-
ную ориентировку и масштаб сравниваемых реализаций, а затем получить уточненные векторы смещений для пунктов.
По полученным разностям пространственных координат отстроены полные векторы смещений пунктов (рис. 1), отражающие произошедшие за этот период движения земной коры и вызванные ими деформации. Из рисунка следует, что векторы горизонтальных трендовых движений образуют достаточно пеструю мозаичную картину. Максимальные движения зафиксированы на северовосточном участке на триангуляционном пункте Камышстрой и составили 1,6 м. На остальной территории горизонтальные смещения находятся в пределах до 0,6—0,7 м. В районе пунктов строительства II и III горизонтальные смещения наблюдаются в пределах от 0,1 до 0,35 м. Направление смещений преимущественно восточное и северовосточное. На западном фланге смещения имеют северо-западное направление. Пункты Камышстрой и Ларино смещаются в диссонанс с окружающими пунктами. В целом, распределение векторов смещений по всей территории свидетельствует о проявлении достаточно крупных блоков, сохраняющих относительно согласованные движения. Вместе с тем, среди них встречаются блоки меньших размеров, имеющие свои подвижки, не согласующиеся с окружающими блоками.
Векторы смещений являются наиболее информативными данными о деформационных процессах, позволяющими далее расчетным путем определить все необходимые параметры деформаций, регламентируемые нормативными документами.
Таблица 1
Расчётные значения главных компонентов тензоров деформаций
№№ Треугольников Вершины Е1* 10-5 Е2* 10-5 Угол, градус
1 Карабаш — Крутиха — Иртяшский 1,3820 -0,6297 11
2 Вишневая- Гора — Алабуга — Крутиха 1,6750 -1,0450 14
3 Алабуга — Крутиха — Иртяшский 2,7860 -2,5530 -3
4 Вишневая- Гора — Алабуга — Знаменка 1,0460 -2,3520 1
5 Мал.Куяш — Знаменка — Алабуга 1,0080 -3,1150 8
6 Метлино — Алабуга — Кирпичики 1,8850 -5,1710 -14
7 Мал.Куяш — Кирпичики — Алабуга 1,8460 -0,9450 45
8 Мал.Куяш — Кирпичики — Теренкуль 1,9720 -0,7306 -26
9 Сарыкуль- мяк — Кирпичики — Теренкуль 3,2620 -2,1560 14
10 Метлино — Сарыкульмяк — Кирпичики 1,5540 -2,9070 -35
11 Метлино — Сарыкульмяк — Нов.Кунашак -1,1100 -2,2320 -24
12 Сарыкуль- мяк — Нов.Кунашак — Теренкуль 0,6549 -1,3090 36
13 Метлино — Сергайды — Нов.Кунашак 1,4560 -0,8855 16
14 Сергайды — Карабаш — Иртяшский -0,9291 -0,2992 20
15 Карабаш — Сергайды — Яумбаева 2,1580 -0,3085 -15
16 Бай-Бика — Сергайды — Яумбаева 0,7465 -1,7430 24
17 Бай-Бика — Сергайды — Нов.Кунашак 0,7851 -1,2850 13
18 Бай-Бика — Нов.Кунашак — Долгая 0,5405 -1,5770 19
19 Тишки — Нов.Кунашак — Долгая 2,4910 -0,6261 19
20 Тишки — Сугояк — Долгая 0,8203 -0,6514 14
21 Тишки — Сугояк — Попово 0,0074 -0,0428 -31
22 Тишки — Кунашак — Попово 0,7999 -0,0118 -16
23 Ильчугуло- — Кунашак — Попово 1,0620 0,2517 43
24 ва Ильчугуло- ТЭ (3 — Байбускарово — Попово 0,4413 -0,0055 1
25 па Ильчугуло- ТЭ (3 — Байбускарово — Серкино 0,0474 -1,1730 -17
26 па Утравду- куль — Серкино — Ильчугулова -0,5319 -1,1260 9
27 Утравду- куль — Кунашак — Ильчугулова 1,2540 -0,7497 37
28 Утравду- куль — Кунашак — Урукуль -0,4719 -2,1450 9
29 Урукуль — Нов.Кунашак — Кунашак -1,7320 -0,3954 22
30 Тишки — Нов.Кунашак — Кунашак -0,1515 -2,5660 30
31 Урукуль — Нов.Кунашак — Теренкуль 0,3712 -1,9710 12
32 Урукуль — Теренкуль — Мал.Куяш 0,1180 -0,5569 33
33 Мал.Куяш — Урукуль — Юшково 1,2770 -0,0430 25
34 Мал.Куяш — Знаменка — Юшково 0,6123 -1,5450 10
35 Вишневая- Гора — Верхняя-Боёвка — Знаменка 1,8620 0,7240 30
36 Юшково — Верхняя-Боёвка — Знаменка 1,3070 -0,2740 24
№№ Треугольников Вершины Е1* 10-5 Е2* 10-5 Угол, градус
37 Юшково — Верхняя-Боёвка — Ларино -0,3488 -і,3360 23
38 Ларино — Камышстрой — Юшково 3,i830 -2,0і40 38
39 Серкино — Камышстрой — Юшково i,0750 -7,2690 7
40 Утравду- — куль Серкино — Юшково i,4340 і,0400 -34
4i Утравду- — куль Урукуль — Юшково -0,0082 -2,3000 і5
42 Серкино — Камышстрой — Акчакуль 4,5i30 -2,3550 -і4
43 Акчакуль — Байбускарово — Серкино і,8770 -0,0733 і8
44 Четыркино — Камышстрой — Ларино 0,0029 23,і000 -4
45 Четыркино — Камышстрой — Акчакуль 0,2і75 і9,5600 іі
46 Сергайды — Mетлино — Иртяшский 0,7і5і -0,0926 і5
47 Алабуга — Mетлино — Иртяшский 2,4370 -2,і350 -4
В соответствии с анализом требований нормативных документов, наиболее полно безопасность атомных электростанций по фактору геодинамической активности отражают критерии допустимых деформаций массива горных пород в основании объектов АЭС, в том числе реакторного блока, обусловленных современными движениями зеленой коры (СДЗК).
В связи с этим трендовые смещения пунктов ГТС, преобразованы с использованием математического аппарата механики сплошной среды в тензорное представление деформационного поля с получением главных компонентов тензора деформаций — главных линейных деформаций «растяжение — сжатие» е1, е2 и дирекционного угла направления.
Для расчета главных компонентов тензоров деформаций отдельных участков исследуемого района триангуляционная сеть, задействованная в определении трендовых движений, сгруппирована в систему треугольников (рис. 1). Деформации векторов (сторон) этих треугольников выступают в качестве исходных параметров, определяющим
деформации по трем произвольным направлениям.
Максимальные главные деформации преимущественно растягивающие. Наибольшие их значения достигают 23,1-105 и 19,56-10-5, соответственно, на треугольниках 44 и 45. Минимальные главные деформации, преимущественно сжимающие и наибольшие абсолютные их значения зафиксированы на участках треугольников 6 и 39 и составляют, соответственно, минус 5,171-10-5 и минус 7,262-10-5 (табл. 1).
Вторым важным деформационным критерием безопасности является вертикальная деформация или наклон. Он определяется по разности превышений, возникающих от вертикальных трендовых движений у пунктов ГГС, ограничивающих вектора (стороны треугольников).
Распределение наклонов по территории района в изолиниях представлено на рис. 2. Максимальные значения наклонов зафиксированы на векторе Малый Куяш — Кирпичики и составляет 0,1678-10-3. Остальная территория района имеет наклоны, вы-
званные вертикальными трендовыми движениями в пределах 0,1-10-3.
Таблица 2
Оценка пригодности района для размещения ЮУАЭС по трендовым движениям
Трендовые движения и дефор- Нормативный Предельное Фактиче- % фактиче-
мации документ значение ское значение ского от предельного
1.Г оризонтальные движения, А НП-032-01 50 41 82
L, мм/год
2.Вертикальные движения, НП-032-01
А Н, мм/год
локальный участок 10 27,5 275
преобладающая территория СП П-104-97 10 7,5 75
3. Максимальные горизонталь- 1,0 0,045 4,5
ные деформации, Е1, 10-
4. Минимальные горизонталь- СП П-104-97 1,0 0,231 23,1
ною деформации, Е2, 10- СП П-104-97 1,0 0,168 16,8
5.Наклон (крен) ^ 10-
Таблица 3
Оценка пригодности альтернативных пунктов II и III по геодинамической активности
Движения и деформации Нормативный Пре- Пункт II Пункт III
документ дельное значе- ние Фактическое значение % фактического от предельного Фактическое значение % фактического от предельного
Трендовые движения 1.Г оризонтальные дви- НП-032-01 50 8,75 17,5 5 10
жения, А L, мм/год 2. Вертикальные движе- НП-032-01 10 1,25 12,5 0,6 6
ния, А Н, мм/год 3. Максимальные гори- СП П-104-97 1,0 0,0225 2,25 0,0175 1,75
зонтальные деформации, £1, 104. Минимальные гори- СП П-104-97 1,0 0,025 2,5 0,035 3,5
зонтальные деформации, £2, 10-5.Наклон (крен) ^ 10- СП П-104-97 1,0 0,01 1,0 0,005 0,5
На рис. 3. представлены в изолиниях вертикальные трендовые смещения тех же пунктов ГГС. Максимальные вертикальные движения зафиксированы на триангуляционном пункте Малый Куяш, расположенном к северо-востоку от пунктов II и III.
Результаты исследований трендовых движений по району размещения ЮУАЭС, и сравнение полученных параметров с нормативными пределами представлено в табл. 2., Таким образом, как следует из таблицы, в районе размещения ЮУАЭС выявлен единственный локальный участок около триангуляционного пункта Малый Куяш, который по вертикальным трендовым
1. НП-032-01. Размещение атомных станций. Основные критерии и требования по обеспечению безопасности: утв. Госатомнадзором России от 08.11.2001, № 10. — М., 2001.
2. СП 11-104-97. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. — М., 1997.
3. Руководящий технический материал по изучению деформаций земной поверхности геодезическими методами на полигонах атомных электростанций / ГКИНП-10-186-84.
движениям не удовлетворяет нормативам. На остальной территории по всем остальным критериям, в том числе и по вертикальным движениям, измеренные параметры составляют от 4,5 % до 82 % от предельных значений, регламентируемых действующими нормативами.
Результаты оценки альтернативных пунктов II и III по факторам трендовых геодинамических движений сведены в табл.3.
Как видно из таблицы, территории обоих пунктов по фактору трендовой геодинамической активности пригодны для безопасного размещения ЮУАЭС и практически равноценны.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Геодезические методы изучения земной коры на геодинамических полигонах. — М., ЦНИИГАиК, 1985
5. Исследование геодинамической активности конкурентных площадок и проведение инженерногеодезических изысканий для выбора площадки сооружения ЮУАЭС. отчет о НИР (Х.Д. № 17/08) / ИГД УрО РАН; рук. Сашурин А. Д. — Екатеринбург, 2008. — 229 с. ВГШ
Коротко об авторе
Пустуев А.Л. — младший научный сотрудник лабораторией «Технологии снижения риска катастроф при недропользовании», Институт горного дела УрО РАН, е-таіі: pustuev@igd.uran.ru
А
