CC BY
25
УДК 550.834
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-138-144
ИЗУЧЕНИЕ ПЛОТИНЫ БОГУЧАНСКОЙ ГЭС МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ВОЛН
Александр Александрович Бах
Алтае-Саянский филиал ФИЦ ЕГС РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, тел. (913)713-51-09, e-mail: bach@ gs.nsc.ru
Александр Федорович Еманов
Алтае-Саянский филиал ФИЦ ЕГС РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор технических наук, директор филиала, тел. (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Владимир Иванович Клёцин
ЗАО «Инженеринговый центр «Базис», 119049, Россия, г. Москва, пл. Калужская, 1, к. 2, кандидат технических наук, генеральный директор, тел. (495)951-39-83
Плотина Богучанской ГЭС изучена методом стоячих волн. Выявлены четыре собственные частоты каменной плотины и установлен факт отсутствия резонансов в каменно-насыпной части плотины. На собственных колебаниях плотины отражается блочное строение бетонной плотины. Так, на частоте 3,222 Гц изучена первая мода станционной части плотины, а на частоте 3,515 Гц - третья мода станционной и глухой частей плотины. Еще две стоячие волны являются шестой и восьмой модами для колебаний в бетонной плотине в целом. Полученные данные важны для экспериментального обоснования моделей плотины и для системы инженерно-сейсмологического мониторинга.
Ключевые слова: плотины ГЭС, собственные колебания, стоячие волны, сейсмостойкость, Ангара.
RESEARCH OF DAM AT BOGUCHANY HPP BY THE STANDING WAVES METHOD
Alexander A. Bah
Altai-Sayan Branch of the FRC UGS RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Senior Researcher, phone: (913)713-51-09, e-mail: bach@ gs.nsc.ru
Alexander F. Emanov
Altai-Sayan Branch of the FRC UGS RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Branch Director, phone: (383)333-27-08, e-mail: emanov@gs.nsc.ru
Vladimir I. Kletcin
Closed Joint-Stock Company "Engineering center "Basis", 1, building 2, Kaluzhskaya Sq., Moscow, 119049, Russia, Ph. D., General Director, phone: (495)951-39-83
The dam at Boguchany HPP was researched by the standing waves method. Four natural frequencies of a stone dam have been identified and the fact of the absence of resonances in the stone-bulk part of the dam have been determined. The block structure of the concrete dam influence on the dam's natural vibrations. So at the frequency of 3,222 Hz, the first mode of the station part of the dam was studied, and at the frequency 3,515 the third mode of the station and deaf parts of the dam was investigated. Two more standing waves are the sixth and eighth modes for oscillations in a concrete dam as a whole. The obtained data are important for the experimental substantiation of dam models and for the system of engineering-seismological monitoring.
Key words: dams HPP, natural vibrations, standing waves, seismic resistance, Angara.
Богучанская ГЭС (рис. 1) - последняя электростанция в Ангарском каскаде. Расположена в Красноярском крае, примерно в 400 км от места впадения Ангары в Енисей, в 10 км от города Кодинск.
Напорный фронт Богучанской ГЭС длиной 2690 м сформирован двумя плотинами: бетонной и каменно-набросной. Бетонная плотина длиной 828,7 м и наибольшей высотой 96 м (отметка гребня - 214 м) состоит из глухой, станционной и водосбросной частей, которые, в свою очередь, разрезаны конструктивными деформационными швами на секции. Глухая часть плотины общей длиной 339,2 м состоит из 18 секций. В станционной части плотины длиной 270 м (9 секций по 30 м каждая) размещены водоприемники с затворами, а также напорные водоводы диаметром 10 м для подачи воды к турбинам ГЭС. В теле плотины имеется несколько галерей. Каменно-набросная плотина имеет длину 1 861,3 м, максимальную высоту 77 м (отметка гребня - 212 м) и ширину по гребню 20 м.
Рис. 1. Богучанская ГЭС
Богучанская ГЭС является крупнейшим долгостроем среди гидроэлектростанций России. Ее проектирование начиналось в 1960-е гг. Строительство начато в 1980-е гг., запуск гидроагрегатов был осуществлен в 2013 г. Учитывая длительный период строительства, плотина ГЭС и ее скальное основание изучались комплексом методов геофизики [1, 2, 8].
В настоящей работе представлены инженерно-сейсмологические исследования плотины методом стоячих волн [4, 6, 9]. Данный метод зарекомендовал себя при исследовании крупных объектов (и прежде всего плотин ГЭС) как высокоточный и детальный в изучении серии резонансов, формирующихся в этих объектах [3-5, 10]. Метод стоячих волн позволяет обнаружить набор собственных частот плотины и для каждой из них построить карты амплитуд и фаз, что обеспечивает полное знание резонансного усиления колебаний плотины, позволяет выполнять диагностику ее состояния и является основой для верификации
модели плотины по сопоставлению экспериментальных и расчетных данных. Измерения выполнялись как в бетонной плотине, так и на каменно-набросной.
Стоячие волны когерентны во времени, и это их свойство позволяет, выполняя регистрацию колебаний в одной или нескольких опорных точках и множестве подвижных, получить одновременные записи стоячих волн на сколь угодно плотной системе наблюдений в теле исследуемого объекта [4, 6, 9], и при этом осуществляется фильтрация волн по когерентности. На записях останутся только стоячие волны, что обеспечит высокую точность изучения собственных колебаний плотины.
На бетонной плотине измерения микросейсмических колебаний выполнены в период с 17 по 20 декабря 2016 г. в 1 014 точках по 7 уровням во внутренних галереях (от цементационной на уровне 120 м до гребня плотины 214 м). Для обработки массива данных по методу стоячих волн в инженерной галерее (рис. 2) на уровне 210 м были установлены 3 опорные точки. Система наблюдений приведена на рис. 2.
Рис. 2. Система наблюдений в бетонной плотине Богучанской ГЭС
Запись колебаний проводилась на автономные регистраторы «Байкал АСН-75» и «Байкал АСН-88». В качестве приемников колебаний применены пьезокерамические акселерометры фирмы «Геоакустика» А1632 и А1638. При проведении работ было задействовано 13 перемещаемых регистраторов. Время накопления на каждой точке - 10 минут. Общее время проведения работ -4 дня. На грунтовой плотине измерения выполнены в 20 точках. Опорная точка одна, устанавливается на пикете. Время регистрации на каждой точке - 30 мин.
В результате обработки всего массива информации определены собственные частоты колебаний бетонной плотины, построены карты амплитуд собственных колебаний. Всего выделены четыре собственные частоты (таблица).
Собственные частоты колебаний бетонной плотины Богучанской ГЭС
Номер моды Номер Значение Направленность
по порядку моды частоты, Гц колебаний
1 1 3,222 Горизонтальные X, по потоку
2 3 3,515 Горизонтальные X, по потоку
3 6 4,394 Горизонтальные X, по потоку
4 8 5,175 Горизонтальные X, по потоку
Карты амплитуд с указанием направления колебаний даны на рис. 3. Регистрируются только частоты в направлении X, т. е. по потоку в диапазоне частот от 3 до 6 Гц. Плотина Богучанской ГЭС гравитационная, массивная, состоит из глухой, станционной и водосбросной частей, которые, в свою очередь, разрезаны конструктивными деформационными швами на секции. Глухая часть плотины общей длиной 339,2 м состоит из 18 секций: 11 секций (№ 0-10) сопрягают плотину с левым берегом, секция № 23 располагается между водосбросами № 1 и 2, в секции № 29 размещался временный шлюз, секции № 30-34 обеспечивают сопряжение с каменно-набросной плотиной, образуя вместе с подпорными стенками верхнего и нижнего бьефа сопрягающий устой. В станционной части плотины длиной 270 м (9 секций № 11-19 длиной по 30 м каждая) размещены водоприемники с затворами и сороудерживающими решетками, а также напорные водоводы диаметром 10 м для подачи воды к турбинам ГЭС. Водосбросная часть плотины общей длиной 200 м образует водосбросы № 1 и 2.
Собственных колебаний в направлениях поперек потока и вертикальном не зарегистрировано.
Рис. 3. Карты амплитуд стоячих волн в плотине Богучанской ГЭС
Карты стоячих волн (см. рис. 3) позволяют установить, что мы имеем дело с колебаниями первой моды с частотой 3,222 Гц, третьей моды с частотой 3,515 Гц, шестой моды с частотой 4,394 и восьмой моды с частотой 5,175 Гц. По картам определяется, что стоячие волны сформированы между разными пространственными границами. Так, первая мода колебаний пространственно ограничена в станционной части плотины. Третья мода своей третьей пучностью выходит в глухую часть бетонной плотины. Шестая и восьмая моды сформированы в бетонной плотине в целом. Аналогичные эффекты формирования стоячих волн как в объекте в целом, так и в его частях фиксируются в сложных конструкциях зданий [7]. Такая особенность формирования поля стоячих волн указывает на присутствие отражающих границ внутри бетонной плотины.
При инженерно-сейсмологических исследованиях на каменно-набросной плотине Богучанской ГЭС получены следующие результаты:
- собственных резонансных частот в каменно-набросной плотине не зафиксировано;
- максимальная амплитуда микросейсмических колебаний наблюдается в зоне стыка каменно-набросной и бетонной плотин;
- в направлении X, по потоку в диапазоне частот 3-5 Гц в каменно-набросной плотине регистрируются колебания, связанные с излучением в нее бетонной плотины на резонансных частотах.
Амплитуды данных вибраций в каменно-набросной плотине плавно уменьшаются при удалении от бетонной плотины к береговому примыканию (1,8 км). На рис. 4 приведен график изменения амплитуд колебаний в каменно-набросной плотине, излучаемых в нее на собственных частотах бетонной плотины. На этом же рисунке приведена система наблюдений в каменно-набросной плотине.
Рис. 4. Каменно-набросная плотина и амплитуды колебаний, излучаемых в нее бетонной плотиной Богучанской ГЭС
Полученные экспериментальные данные о собственных колебаниях плотины Богучанской ГЭС являются основой для верификации моделей, использующихся для расчета ее сейсмостойкости, и являются важной информацией для систем инженерно-сейсмологического мониторинга данной плотины.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Анискин Н. А., Василевская Л. С. Антонов А. С. Комплекс геофизических методов для оценки качества бетонирования при строительстве Богучанской ГЭС // Вестник МГСУ. -2017. - № 9. - С. 1019-1026.
2. Вавилова В. К., Юрьев С. В. Обеспечение надежности бетонной плотины Богучанской ГЭС на основе контроля состояния контактного шва со стороны верховой грани // Вестник МГСУ. - 2013. - № 7. - С. 157-166.
3. Возможности и результаты инженерно-сейсмологического обследования зданий и сооружений / В. С. Селезнёв, А. П. Кузьменко, А. Ф. Еманов и др. // Методы изучения, строение и мониторинг литосферы. - Новосибирск : СО РАН, 1998. - С. 98-104.
4. Детальные инженерно-сейсмологические исследования зданий и сооружений / А. Ф. Еманов, В. С. Селезнёв, А. П. Кузьменко и др. // Методы изучения, строение и мониторинг литосферы. - Новосибирск : СО РАН, 1998. - С. 61-72.
5. Детальные инженерно-сейсмологические исследования плотины Саяно-Шушенской ГЭС / А. Ф. Еманов, А. А. Бах, И. А. Данилов и др. // Вестник Красноярской государственной архитектурно-строительной академии: сб. науч. тр. вып. 6. - Красноярск : КрасГАСА, 2003. -С. 86-108.
6. Еманов А. Ф., Селезнев В. C., Бах А. А. Когерентное восстановление полей стоячих волн как основа детального сейсмологического обследования зданий и сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2007. - № 3. - С. 20-24.
7. Еманов А. Ф., Красников А. А. Применение метода стоячих волн для исследования сейсмоизолированных зданий // Вопросы инженерной сейсмологии. - 2015. - Т. 42, № 4. -С.37-64.
8. Комплексные исследования деформационных свойств массива долеритов в основании бетонной плотины Богучанской ГЭС / А. И. Савич, В. И. Речитский, А. М. Замахаев, К. О. Пудов // Гидротехническое строительство. - 2011. - № 3. - С. 12-22.
9. Пересчет стоячих волн при детальных инженерно-сейсмологических исследованиях / А. Ф. Еманов, В. С. Селезнев, А. А. Бах и др. // Геология и геофизика. - 2002. - № 2. -С. 192-206.
10. Результаты инженерно-сейсмологического обследования Зейской ГЭС / А. П. Кузь-менко, В. С. Сабуров, А. А. Бах и др. // Проблемы региональной геофизики: матер. геофизической конф., посвященной 70-летию со дня рождения С. В. Крылова. - 2001. - С. 81-83.
REFERENCES
1. Aniskin N. A., Vasilevskaja L. S. Antonov A. S. Kompleks geofizicheskih metodov dlja ocenki kachestva betonirovanija pri stroitel'stve Boguchanskoj GJeS // Vestnik MGSU. - 2017. -№ 9. - S. 1019-1026.
2. Vavilova V. K., Jur'ev S. V. Obespechenie nadjozhnosti betonnoj plotiny Boguchanskoj GJeS na osnove kontrolja sostojanija kontaktnogo shva so storony verhovoj grani // Vestnik MGSU. - 2013. - № 7. - S. 157-166.
3. Vozmozhnosti i rezul'taty inzhenerno-sejsmologicheskogo obsledovanija zdanij i sooruzhenij / V. S. Seleznjov, A. P. Kuz'menko, A. F. Emanov i dr. // Metody izuchenija, stroenie i monitoring litosfery. - Novosibirsk : SO RAN, 1998. - S. 98-104.
4. Detal'nye inzhenerno-sejsmologicheskie issledovanija zdanij i sooruzhenij / A. F. Emanov, V. S. Seleznjov, A. P. Kuz'menko i dr. // Metody izuchenija, stroenie i monitoring litosfery. - Novosibirsk : SO RAN, 1998. - S. 61-72.
5. Detal'nye inzhenerno-sejsmologicheskie issledovanija plotiny Sajano-Shushenskoj GJeS / A. F. Emanov, A. A. Bah, I. A. Danilov i dr. // Vestnik Krasnojarskoj gosudarstvennoj arhitekturno-stroitel'noj akademii: sb. nauch. tr. vyp. 6. - Krasnojarsk : KrasGASA, 2003. - S. 86-108.
6. Emanov A. F., Celeznev V. C., Bah A. A. Kogerentnoe vosstanovlenie polej stojachih voln kak osnova detal'nogo sejsmologicheskogo obsledovanija zdanij i sooruzhenij // Sejsmostojkoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzhenij. - 2007. - № 3. - S. 20-24.
7. Emanov A.F., Krasnikov A.A. Primenenie metoda stojachih voln dlja issledovanija sejsmoizolirovannyh zdanij // Voprosy inzhenernoj sejsmologii. - 2015. - T. 42, № 4. - S. 37-64.
8. Kompleksnye issledovanija deformacionnyh svojstv massiva doleritov v osnovanii betonnoj plotiny Boguchanskoj GJeS / A. I. Savich, V. I. Rechitskij, A. M. Zamahaev, K. O. Pudov // Gidrotehnicheskoe stroitel'stvo. - 2011. - № 3. - S. 12-22.
9. Pereschet stojachih voln pri detal'nyh inzhenerno-sejsmologicheskih issledovanijah / A. F. Emanov, V. C. Celeznev, A. A. Bah i dr. // Geologija i geofizika. - 2002. - № 2. -S. 192-206.
10. Rezul'taty inzhenerno-sejsmologicheskogo obsledovanija Zejskoj GJeS / A. P. Kuz'menko, V. S. Saburov, A. A. Bah i dr. // Problemy regional'noj geofiziki: mater. geofizicheskoj konf., posvjashhennoj 70-letiju so dnja rozhdenija S. V. Krylova. - 2001. - S. 81-83.
© А. А. Бах, А. Ф. Еманов, В. И. Клёцин, 2018
