CC BY
25
ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЫСОКИЕ БЕТОННЫЕ ПЛОТИНЫ
GEODYNAMIC INFLUENCES ON HIGH CONCRETE DAMS
A.H. Марчук, A.B. Манько
A.N. Marchuk, A.V. Man'ko
МГСУ
В статье освещены вопросы, связанные с изменением напряженно-деформированного состояния больших бетонных плотин вследствии геодинамических воздействий.
In article the questions connected to change conditions of the big concrete dams are covered is intense - deformed at geodynamic influences.
С момента вступления в действие карты ОСР-97 в повышенной сейсмической опасности оказались 32 крупных гидроузла, большинство из которых в своем составе имеют бетонные плотины. Поверочные расчеты устойчивости и прочности плотин, по фактической, а не нормативной прочности бетона на сдвиг, показали удовлетворительную степень надежности сооружений под воздействием сейсмической нагрузки, увеличенной на 2-3 балла [1]. Многофункциональные измерительные системы плотин позволяют контролировать изменения состояния геофизических полей во вмещающей геологической среде. С точки зрения геодинамического влияния на сооружение большой интерес представляют деформации района створа, которые характеризуются вертикальными смещениями оснований под плотинами вдоль створа, схождением-расхождением и дифференцированными подвижками берегов, неравномерностью осадки в направлении течения, сдвиговыми смещениями в зоне контакта, в зоне тектонических нарушений под плотиной и в береговых примыканиях, изменением длины плотины по гребню [2].
Методы тектонофизики позволяют получить данные не только по ориентации осей главных тектонических напряжений, но и данные обо всех компонентах тензора напряжений и о параметрах прочности пород в горных массивах [3]. По данным опытных определений в породах кристаллического и складчатого фундамента горизонтальные напряжения превышают вертикальные в 60% случаев, в осадочных породах - в 1520% Причем это превышение может достигать до 5 - 10 раз [4]. По данным Айтматова [5] в большинстве случаев горизонтальные напряжения по своим значениям превосходят вертикальные в 1,5-3 раза. В некоторых зонах горизонтальные и субгоризонтальные напряжения имеют значения в 5-6 раз выше, чем средний уровень нормальных горизонтальных напряжений на равных глубинах.
Весьма показательным в смысле темпов роста и высоких значений напряжений сжатия в породе с прочностью 120-130 МПа Алтае-Саянской сейсмической зоны в пределах выработки Таштогольского рудника на глубине 760м от поверхности является эксперимент по измерению напряжений в тюбинговой крепи выработки. Последующий анализ показал, что датчики реагировали на изменения напряжений в окрест -
4/2010 ВЕСТНИК _4/2010_МГСУ
ностях Таштогольского рудника во время землетрясений при эпицентральных расстояниях до 250км. Равным образом измерительные системы плотины Саяно-Шушенской ГЭС реагируют на взрывы в Таштаголе, где величина зарядов достигает 700 тонн взрывчатых веществ. Конечно, в береговых примыканиях бетонных плотин ситуация с напряжениями в массиве принципиально отличается от подземных выработок. На бортах ущелий имеет место только напряжения вертикального сжатия, равных весу колонки вышележащих горных пород, а горизонтальные напряжения равны нулю, поскольку они скомпенсированы свободной деформацией бортов в створе будущей плотины.
Производство глубоких береговых врезок несколько меняет картину, т.к. горизонтальные напряжения и деформации не успевают разгрузиться до нуля перед возведением плотины. А с момента возникновения гидростатического давления и частичной передачи его на берега, водонасыщение пород, возникновение обходной фильтрации, сезонных колебаний уровнф верхнего бьефа (УВБ) положение кардинально изменяется: напряжения в массиве, особенно в кристаллических и метаморфических породах в случае упругого поведения как минимум определяются по Диннику (1)
=4 =-рН (1)
где ц - коэффициент Пуассона,
pg - средний удельный вес колонки пород высотой Н.
С увеличением глубины врезки по высоте и по горизонтали возникает всестороннее литостатическое давление Рк и касательные напряжения, связанные с Рк линейной зависимостью. При р=0,25 значение максимальных касательных напряжений относительно увеличения Рк составляет 60%, с чем нельзя не считаться как это имеет место при расчете арочных плотин.
Опыт исследований показывает, что почти в каждой высоконапорной бетонной плотине, расположенной в тектонически нестабильной области можно обнаружить последствия описанных тектонофизических эффектов, являющихся проявлением геодинамического влияния. К сожалению, предварительные изыскания в створах ГЭС отнюдь не всегда изучаются локальные поля тектонических напряжений. Природные тектонические напряжения не учитываются при физическом и математическом моделировании, т.к. ранее действовавшими нормативными документами это не было предусмотрено. Изменения этих напряжений в период эксплуатации плотин практически не изучаются. По отношению к гравитационным и контрфорсным плотинам, рассчитанным по плоской задаче, это не имеет существенного значения, однако для арочных и распорных плотин в объемном напряженном состоянии напряжения и деформации в примыканиях имеют решающее значение. Природные тектонические напряжения значительно изменяются под воздействием водохранилища. Вертикальные напряжения уменьшаются взвешиванием, параметры сопротивления пород сдвигу снижаются из-за уменьшения сил трения и сцепления, возникновения эффекта Ребиндера, возбужденной сейсмичности, проявления унаследованных движений. Впервые природные тектонические напряжения изучались при выборе створа Саяно-Шушенской ГЭС [6]. По исследованиям в штольне левого берега вертикальные напряжения имели значения 24.5-48МПа, горизонтальные 24-36МПа. На правом берегу соответственно 14.8-32.5МПа и 10.2-21.7МПа. Такое нехарактерное соотношение горизонтальных и вертикальных напряжений объясняется, вероятно, особенностями орогенеза Джебашско-джойского антиклинория Западного Саяна, в пределах которого расположен створ
плотины. Круто поднимающееся ядро интрузивных гранитов, прорвавшие толщу сланцев, испытавших метаморфизм, очевидно, сохранило остаточные субвертикальные напряжения. Однако наиболее существенным для плотины обстоятельством является ориентация главных осей локального поля тектонических напряжений сжатия вдоль створа плотины. Это обстоятельство априори означает, что при разгрузке горизонтальных природных напряжений и соответствующих подвижках, они будут дополнительно сжимать арочную плотину, что в итоге и происходит.
С точки зрения геодинамики представляет интерес эволюция осадок плотин, которая после первого периода эксплуатации начинает восстанавливаться. Особенно ярко этот процесс проявляется при измерении осадок Миатлинской плотины в галерее на отм. 113.5м, где за 9 лет осадка уменьшилась на 5.5 мм, а с 2006 года приобрела знакопеременный график (сжатие в «гармошку»). Такую эволюцию осадки трудно объяснить чем-либо иным, кроме сжатия, между берегами. Наиболее убедительным доказательством этой концепции являются показания сдвигомеров в основании плотины Саяно-Шушенской ГЭС и рост сжимающих арочных напряжений в приконтактной части плотины. Продольное сжатие обнаружено в плотинах Токтогульской, Курпсай-ской, Зейской ГЭС. В объемном напряженном состоянии находится даже плотина Братской ГЭС на Ангаре, построенная на диабазах Сибирской платформы. Плотина, рассчитанная по плоской задаче имеет поперечные смещения секций вдоль створа, выпор битумных шпонок в межсекционных швах, закрытие этих швов и вертикальных трещин.
Многолетними исследованиями [2, 3, 4, 5] доказана «теорема существования» геодинамического воздействия на высоконапорные бетонные плотины в тектонически нестабильных регионах. Возникает естественный вопрос об оценке и учете такого влияния в проектах и при эксплуатации уникальных гидротехнических сооружений. На существующем уровне знаний по этим вопросам можно высказать только предварительные соображения.
Прежде всего - это сбор, обобщение и анализ данных натурных наблюдений на существующих плотинах в орогенных областях с целью определения тектонофизиче-ской (геодинамической) компоненты в напряженно-деформированном состоянии плотины. Необходимо провести серию исследований величины тектонических напряжений в массивах пород береговых примыканий плотин и характера их изменений во времени. Количественные характеристики тектонофизических сил, действующих на сооружение следует сравнить с нормативными расчетными нагрузками. Если эти силы одного порядка, их следует учитывать в математических моделях и поверочных расчетах плотин, вводить в перечень нормативных нагрузок и воздействий.
Для вновь проектируемых сооружений необходимо включить в программу изысканий обязательные измерения тектонических напряжений и геотектонических движений в ближайших разломах.
Литература
1. Марчук А.Н. Большие плотины как сенсоры опасных геодинамических процессов / А.Н. Мар-чук, H.A. Марчук // Тезисы докладов Всероссийской конференции ИФЗ РАН «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о земле — 2008 — Т.1 — С.270
2. Марчук А.Н. Плотины и геодинамика. / Марчук А.Н, H.A. Марчук — М.: ИФЗ РАН, 2006.
3. Ребецкий Ю.Л. Тектонические напряжения и прочность горных массивов. — М., Наука, 2007.
4. Козырев A.A. Дифференциация тектонических напряжений в верхней части земной коры с учетом влияния природных и техногенных факторов. / Козырев A.A., Савченко С.Н. // Тезисы
4/2010 М1 ВЕСТНИК
докладов Всероссийской конференции ИФЗ РАН «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о земле — 2008 — Т.1 — С. 50 - 52.
5. Кулаков Г.И. Экспериментальное исследование геодинамических напряжений в массиве горных пород Алтае-Саянской сейсмической зона. / Кулаков Г.И., Устюгов М.Б. // Тезисы докладов Всероссийской конференции ИФЗ РАН «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о земле — 2008 — Т.1 — С. 59 — 60.
6. Кутепов В.М. Опыт определения напряженного состояния в массиве метаморфических пород створа Саяно-Шушенской ГЭС. // Гидротехническое строительство, 1965, №2.
Literature
1. Marchuk A.N. Big of a dam as sensor controls of dangerous geodynamic processes / A.N.Marchuk, N.A.Marchuk//Theses of reports of All-Russia conference IFZ the Russian Academy of Sciences «Tek-tonofizika and pressing questions of sciences about the earth — 2008 — v.1 — p.270
2. Marchuk A.N. Dam and geodynamics. / Marchuk A.H, N.A.Marchuk — M: IFZ the Russian Academy of Sciences, 2006.
3. Rebetsky JU.L. Tectonic pressure and durability of hills. — M, the Science, 2007.
4. Kozyrev A.A. Differentiation of tectonic pressure in the top part of earth crust taking into account influence of natural and technogenic factors. / Kozyrev A.A., Savchenko S.N.//Theses of reports of All-Russia conference IFZ the Russian Academy of Sciences «Tektonofizika and pressing questions of sciences about the earth — 2008 — v.1 — pp. 50 - 52.
5. Kulakov G.I. Eksperimentalnoe issledovanie's fists of geodynamic pressure in a file of mountains ths of breeds Altai-Sayansk seismic a zone. / fists И, Ustyugs of M. B.//Theses of reports of All-Russia conference IFZ the Russian Academy of Sciences «Tektonofizika and pressing questions of sciences about the earth — 2008 — v.1 — pp. 59 — 60.
6. Kutepov V.M. Opyt of tension definition in a file of metamorphic breeds of an alignment Sajano-Shushenskoj of HPS.//Hydraulic engineering building, 1965, №2.
Ключевые слова: геодинамика, тектонофизика, арочные плотины, напряжения, деформации, бетонные плотины.
Key words: geodynamics, tectonics-physics, arch dams, pressure, deformations, concrete dams.
Статья представлена членом Редакционного совета «Вестника МГСУ» профессором д.т..н. А.Д. Потаповым
