Анализ состояния грунтовой плотины Колымской ГЭС Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

В завершении всего вышеизложенного можно сказать следующее:

1. Выбор Управляющей компании является ключевым фактором успешной реализации проекта!

2. Правильный подбор технических решений и используемых технологий это залог спокойствия за судьбу проекта!

3. Квалифицированная и своевременная консультация профильного специалиста это экономия бюджета проекта!

Литература

1. Ильин Н.И., Лукманова И.Г., Немчик А.М., Никешин С.Н., Петрова С.Н., Романова К.Г., Шапиро В.Д. «Управление проектами. Использование подземного пространства» // С.Пб., 1996;

2. Володин В.В., «Управление проектами» // М., Московский институт экономики, информатики, финансов и права, 2003;

3. Виленский П.Л., Лившиц В.Н. «Оценка эффективности инвестиционных проектов с учетом реальных характеристик инвестиционной среды. Аудит и финансовый анализ» // М., Изд. Дом «Компьютерный аудит», 2000;

4. Володин В.В. «Особенности планирования реализации инновационных проектов. Актуальные проблемы современного управления и экономики» Межвузовский сборник научных трудов / Под ред.: д.э.н. проф. Ильенковой С. Д. Вып.4 // М., ИНИОН РАН,2002;

5. «Управление строительными инвестиционными проектами: Учебное пособие» / Под ред. В.М. Васильева, Ю.П. Панибратова // М., АВС - 1997;

6. Цай Т.Н., Грабовый П. Г. «Организация строительного производства» // М., АСВ,1999;

7. Дикман Л.Г. «Организация и планирование строительного производства» // М., Высшая школа, 1998;

8. Бадьин Г.М., Стебаков В.В., «Справочник строителя» // М., АСВ, 2000;

9. СНиП 3.01.01-85* «Организация строительного производства» // М., 1995;

10. СНиП 12-01-2004 «Организация строительства» // М., 2004.

Рассказов Л.Н., Анискин Н.А., Саинов М.П.

Московский государственный строительный университет

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОЙ ПЛОТИНЫ КОЛЫМСКОЙ ГЭС

Данная статья может быть интересна тем, кто проектирует, исследует, строит или эксплуатирует грунтовые сооружения. В ней анализируется современное состояние грунтовой плотины Колымской ГЭС с точки зрения её надёжности.

Колымская ГЭС расположена в Магаданской обл., в крае с суровыми климатическими условиями. Среднегодовая температура составляет -11,6°С.

Подпорным сооружением гидроузла является каменно-земляная плотина. Плотина - высокая, её высота около 130 м. Упорные призмы выполнены из горной массы, ядро - из суглинка (рис.1). Плотина возводилась в две очереди. На полную высоту она была возведена в 1988 г. и эксплуатируется уже больше 20 лет.

За этот период изменились условия эксплуатации плотины. НПУ водохранилища был поднят с У450,0 м (в проекте) до У451,5 м. ФПУ же водохранилища первоначально в проекте составлял 452,0 м, потом был поднят до У458 м, а сейчас принят равным У457,6 м, Тем не менее, отметка гребня при этом в проекте не изменялась. С учётом строительного подъёма она составляет 459,0 м, а без него лишь 458,0^458,5 м (на разных стадиях проекта). Отметка же верха ядра в проекте составляет 454,0 м. Таким образом, изначально плотина не соответствовала требованиям СНиП.

В то же время форсировка уровня в водохранилище выше НПУ происходит достаточно часто - 7 раз за последние 15 лет. Уровень поднимается немного, максимум на 0,65 м, но сохраняется долго - 1^2 месяца.

За период эксплуатации плотина существенно осела. Гребень плотины опустился ниже проектной V 458,5 м [3]. В районе ПК 4^ ПК 5 отметка гребня составляет примерно 457,4 м. То есть осадка гребня плотины достигает 1,6 м. Ядро тоже осело. В районе ПК 4^- ПК 5 отметка его верха составляет около 451 м, т.е. находится ниже НПУ 451,5 м. Разница отметки гребня и кровли ядра составляет 5,5^6,5 м, тогда как в проекте - 4,5 м. Это свидетельствует о том, что по-видимому, строители не довели ядро до проектной отметки.

Верх ядра оказался ниже не только ФПУ, но и НПУ. Поэтому встал вопрос, может ли грунт "шапки" плотины являться противофильтрационным элементом.

В 2008 г. было проведено бурение скважин, отобраны пробы, которые исследованы в лаборатории. Было обнаружено, что отсыпанный на гребне грунт близок по своему зерновому составу к грунту первого слоя фильтра (рис.2в). Это песок с крупнообломочными включениями. Он разнороден по своему составу. В некоторых местах грунт сильно разуплотнён, а в одном месте - обнаружен торф. Исследования сделанных проб показали, что иногда плотность грунта составляет

ВЕСТНИК _МГСУ

всего 1,2-1,3 т/м , что ниже, чем в предельно рыхлом состоянии. Видимо, в плотину укладывался мёрзлый грунт. Тем не менее, при подъёме уровня до 452 м такой грунт выполняет противофильтрационные функции. Дело в том, что на глубине 3-5 м от гребня (ниже У453-454 м) он находится в многолетнемёрзлом состоянии. Верх ядра также не оттаивает летом. Ниже У443-450 м ядро находится в талом состоянии за счёт отепляющего действия воды. р, % а)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 0.

.01 р, %

* 2

>

1 к г /

< Ж |1 ЗЛ «у г+Г^

0.1

100

Рис.2. Зерновые составы грунтов тела плотины Колымской ГЭС Я] - грунт, фактически уложенный в ядро, Я2 - грунт ядра по проекту, I - первый слой переходных зон, II - второй слой переходных зон, Н - каменная наброска упорных призм, Ш - грунт "шапки плотины"

Чтобы оценить, как подъём уровня до ФПУ 457,6 м сказывается на интенсивность протаивания грунта летом, нами были проведены теплотехнические расчёты. Они проводились методом конечных элементов по программе ТЕЯ-М1С, составленной к.т.н. Анискиным Н.А. Учитывалось изменение температуры воды в водохранилище по глубине в течение года, изменение уровня воды в нём. Результаты расчётов показали, что обычно к сентябрю протаивание происходит на глубину около 3 м ^455 м). Наполнение до ФПУ приведёт к сокращению зоны вечномёрзлых грунтов и повышению температур, но глубина про-таивания увеличится лишь примерно на 1 м ^454 м).

Тем не менее, наличие талого грунта на гребне плотины, приведёт к фильтрации через него. Зерновой состав грунта отличается неоднородностью (рис.2в). Коэффициент неоднородности изменяется от 4 до 37. Прогноз проницаемости можно сделать по эмпирической формуле М.П.Павчича через зерновой состав грунта. По ней получим, что для верхней огибающей кривой коэффициент фильтрации будет находиться в пределах 0,003^0,016 см/с. Для нижней от 0,016 до 0,10 см/с. Это достаточно водопроницаемый грунт.

При фильтрации возможно появление фильтрационных деформаций. Это может быть внутренняя суффозия, когда мелкие частицы грунта двигаются по поровым каналам между более крупными частицами и контактная, когда мелкие частицы будут выноситься в поры соседнего более крупнозернистого грунта.

Обе возможности были нами проверены. Для внутренней суффозии необходимо два условия : 1) чтобы размер пор грунта был достаточен для возможности движения по ним частиц, 2) чтобы фильтрационный поток имел силовое воздействие (градиенты), необходимые для вовлечения частиц в движение. Размер пор и величина критического градиента определяются по эмпирическим зависимостям. Размеры частиц грунта составляют : средний - 0,3^1,3 мм, максимальный 20^80 мм. Использование формулы Павчича М.П. показало, что для этого максимальный размер пор в грунте составляет примерно 0,18^0,35 мм. Значит, можно ожидать, что частицы размером менее 0,2 мм могут прийти в движение под действием фильтрационного потока. Частиц такого размера в грунте содержится от 15 до 35%. Это большой процент. Грунт - потенциально суффозионноопас-ный. Однако для движения частиц необходимы гидродинамические силы. Величину фильтрационных градиентов можно ожидать в пределах 0,3^0,4. СНиП 2.02.02-85* устанавливает значение критического градиента для крупнозернистого песка равным 0,42. Были также рассчитаны значения критических градиентов по методике ВНИИГ'а и ВОДГЕО. По первой методике он был получен более 3, а по второй - 0,35. Таким образом, при фильтрации может быть возможна внутренняя суффозия. Но если правильно подобрать фильтры, то выноса частиц не будет, и она не будет представлять опасности для сооружения.

Проектом плотины было предусмотрено, что в её "шапке" будут уложены два слоя переходных зон, таких же по составу, как те, которые окружают ядро (рис.3а). Если бы это было сделано так, то контактная суффозия была бы невозможна. Но в реальности в "шапку" был уложен грунт, который чуть мельче первого слоя фильтра, а рядом с ним - мелкий камень, полученный сортиров-

кой горной массы (рис.3б). Т.к. крупность этих частиц различается примерно в 100 раз, частицы грунта "шапки" смогут свободно выноситься в поры камня.

Более того, если проверить условие контактной суффозии между вторым слоем фильтра и горной массой по методике ВОДГЕО, мы получим, что суффозия возможна, если рядом случайно окажутся грунты, наиболее удалённые друг от друга по зерновому составу (рис.2б). Такие случаи происходили при реальном строительстве Колымской ГЭС. Известно, что зимой 1981 г. при наполнении водохранилища в плотине первой очереди образовались провальные воронки глубиной 3-4 м [1, с,167]. В одну из таких воронок провалился БелАЗ. Имели место похожие случаи и при строительстве уже основной плотины. Таких явлений нельзя допускать ни в коем случае, т. к. это может вызвать перелив воды через гребень плотины и её последующее разрушение.

а - по проекту, б - фактически построенной, Н - каменная наброска упорных

призм, К - мелкий камень, I, II - слои фильтра, Я - ядро плотины, Ш - "шапка" плотины

Поэтому необходимо, во-первых, нарастить плотину, чтобы её гребень был заметно выше ФПУ, а, во-вторых, устроить на гребне дополнительный проти-вофильтрационный элемент. Выбрать тип его довольно сложно, хотя вариантов существует большое множество. Во-первых, можно устроить траншею, заполнив его маловодопроницаемым грунтом. Но глубокая траншея потребует большого объёма земляных работ. Второй вариант - "стена в грунте". Этот метод был использован при реконструкции плотины Курейской ГЭС, на которой произошёл гидравлический разрыв ядра. Возведение такой "стены" велось методом буробетонных секущихся свай. Его недостатки - требуется дорогое оборудование. Третий способ - забивка шпунта. Он позволяет создать вполне надёжный противофильтрационный элемент без применения особого оборудования. Забивка шпунта может вестись сразу на нескольких участках и не сразу на полную глубину. Недостаток метода - могут возникнуть сложности при забивке шпунта, если попадётся крупный обломок (могут быть до 80 мм), и в мёрзлый

грунт. Может потребоваться оттаивание грунта. Оттаивание грунта потребуется и при применении ещё одного метода - устройство цементационной завесы. Для плотины длиной по гребню более 650 м электрооттаивание обойдётся довольно дорого, а самое главное удлинит срок работ. Существуют методы создания противофильтрационного элемента без оттаивания грунта. В 2004 г. сотрудниками компании "АЛРОСА" был разработан и запатентован способ создания завесы из полимерного состава, который при положительных температурах образует гель, а при отрицательных - криогель. Способ создания завесы заключается в нагнетании в поры грунта полимерного состава, который кольма-тирует их.

У каждого из методов его свои преимущества и недостатки. Выбор метода надо вести с учётом необходимости обеспечения надёжности всей плотины. Дело в том, что ядро плотины Колымской ГЭС находится в неудовлетворительном состоянии. Об этом косвенно свидетельствуют значительные осадки гребня плотины. Как уже было сказано, в ядро плотины отсыпался суглинок. Уплотнение велось либо маломощными катками или гружёными БелАЗами. Опытные укатки показали в 1978 г., что 8-12 проходками гружёных БелАЗов слои толщиной 0,4-0,5 м уплотняли мелкозём грунта до значений 1,55-1,65 т/м [1, с.203]. При зимней укладке грунт уплотнялся ещё хуже. Это объяснялось большим содержанием крупнозёма ^<2 мм). В итоге было решено ограничить количество крупнозёма на уровне примерно 60-65% (рис.2а), а нормативную плотность снизить. За 1979 по 1981 г. требования технических условий снизили контрольную плотность мелкозёма с 1,7 т/м3 до 1,45 т/м3 [1, с.203]. В 19821983 гг. контрольная плотность была увеличена до 1,54-1,56 т/м3, что также недостаточно. Поэтому получилось, что верхние и средние слои ядра плотины были уплотнены лучше, чем нижние (примерно до V 360 м).

В 2006 г. было проведено бурение 4х скважин на глубину 26,5 м. Отобраны пробы для лабораторных исследований. Они показали, что средняя плотность мелкозёма составляет 1,70 т/м3, но были и пробы с плотностью ниже контрольной. В 4х пробах оказался грунт текучей консистенции.

В 2008 г. было проведено бурение 6 скважин в районе от ПК 3+80 до ПК 5+00, где осадки плотины наиболее значительны [4]. Они показали, что средняя плотность мелкозёма составляет 1,63-1,75 т/м , а сухой смеси - 1,80-1,90 т/м . В большинстве проб значения плотности мелкозёма находятся выше контрольной 1,55 т/м3. Но есть участки с низкой плотностью 1,37-1,42 т/м3, но даже и с р=1,03-1,09 т/м . Это говорит о том, что на рассматриваемом участке в верхней части ядра есть трещины. Наверное, именно по этому этот участок имеет повышенные осадки по сравнению с остальными. Другой причиной могла быть суффозия на контакте материала переходных зон с каменной наброской.

Тогда же в 2008 г. было проведено исследование состояния ядра с помощью метода георадара. Он позволяет определить наличие в материале зон разуплотнения и обводнения на большой глубине. Исследования показали, что в ядре практически повсеместно встречаются обширные зоны повышенной влажности грунта, которые можно рассматривать как зоны трещинообразования в

грунте. А есть и зоны обводённых грунтов, По существу, это - сквозные трещины в ядре, которые либо существуют по сей день, либо закольматировались. Таких трещин как минимум 6 и они встречаются на всех участках плотины.

Можно сказать, что ядро плотины Колымской ГЭС находится в неудовлетворительном состоянии. Из-за низкой плотности укладки, уложенный суглинок обеднённый по крупнозёму, имеет достаточно высокую деформируемость. Кроме того, ядро излишне заужено. Всё это влечёт за собой трещинобразование в ядре и возможность дальнейших его гидравлических разрывов. Учитывая, что качество обратных фильтров второго слоя может оказаться неудовлетворительным, подъём уровня для такой плотины на 6 м может быть опасным.

Возможно, потребуется срочный ремонт плотины. Однако её большая высота (130 м) не даёт возможности устраивать "стену в грунте". По-видимому, потребуется инъекция.

Выводы

1. В процессе проектирования и строительства грунтовой плотины Колымской ГЭС были допущены несколько ошибок, из-за чего в настоящее время требуется её реконструкция и ремонт.

- ФПУ водохранилища был принят выше отметки кровли ядра, в то время как вышележащий грунт "шапки" плотины является суффозионноопасным.

- В "шапке" плотины не устроены два слоя переходных зон, предусмотренных проектом. Поэтому при подъёме уровня возможна суффозия на контакте грунта "шапки" с другими грунтами.

- Зерновой состав переходных зон был подобран недостаточно тщательно, что повлекло суффозию на их контакте с каменной наброской.

- Низкая плотность укладки суглинка в ядро и заужение ширины ядра привели к повышенным осадкам плотины, в результате чего сейчас требуется наращивание гребня плотины.

- В ядре плотины происходили гидравлические разрывы, образовывались трещины.

2. Наличие сквозных трещин в ядре плотины говорит о том, что состояние плотины неудовлетворительное. Необходимо постоянно следить за состоянием плотины. Для определения положение зон трещинообразования и гидравлического разрыва в ядре удобен метод георадара. Уже сейчас необходима реконструкция верхней части плотины, а возможно потребуется и ремонт ядра.

3. Опыт строительства и эксплуатации грунтовой плотины Колымской ГЭС показывает, насколько важно достигать высоких плотностей при укладке, и как важно правильно подбирать фильтры и проверять условия фильтрационной прочности грунтов.

Литература

1. Серов А.А., Пехтин В.А. Колымская ГЭС. Опыт строительства и эксплуатации. С.-Пб., Изд-во ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 1999.

2. Технический отчёт "Выполнение георадарного исследования ядра грунтовой плотины Колымской ГЭС на ПК 0+50- 6+50 методом ЭМИ СШП зондирования". ЗАО НПФ "Геодизонд", Санкт-Петербург, 2008.

3. Технический отчёт "Сооружение пьезометрических скважин в гребне плотины Колымской ГЭС с попутным доизучением инженерно-геологических условий гидротехнического сооружения (мерзлотно-гидрогеологические условия)" ООО НПП "Гидрогеолог", Магадан, 2006 г.

4. Технический отчёт "Проходка скважин с гребня плотины Колымской ГЭС и попутным доизучением инженерно-геологических условий гидротехнического сооружения (мерзлотно-гидрогеологические условия)" ООО НПП "Гидрогеолог", Магадан, 2008 г.

Серова Е.А., Чунюк Д.Ю.

Московский государственный строительный университет

ПРОБЛЕМЫ МИНИМИЗАЦИИ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ РИСКОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПОДЗЕМНЫХ И ЗАГЛУБЛЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ

На фоне разрабатываемых мер по регламентированию стоимости строительства с целью фиксирования затрат планируется использовать нормированные цены конструктивных решений объектов капитального строительства. Данный аппарат должен позволить более четко планировать затраты на возведение сооружения, при этом понимая какие именно учитываются условия строительства, а так же какие технические и технологические решения планируется использовать. При таких условиях планирования, на первый план выходит анализ рисков, как мера неопределенности строительного процесса. В настоящее время отношение инвесторов к строительным проектам весьма настороженное, ведь строительная отрасль славится высокими рисками и частыми невыполнениями сроков реализации проектов.

Терминология риска в строительстве достаточно разнообразна и зависит от конкретного вида рисков. Само понятие риск, применительно к строительной отрасли можно определить, как возможность нанесения какого-либо вреда здоровью или имуществу человека, в частности существующим зданиям, при проведении строительных работ по возведению нового сооружения или в результате последствия проведения данных работ.

При строительстве подземных и заглубленных сооружений появляются специфический вид рисков - геотехнический. Авторами, на данном этапе, предлагается выделить следующие основные составляющие геотехнического риска:

- конструктивная;

- геологическая и гидрогеологическая;

- технологическая;

- экологическая;