О мониторинге состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС на основе совместного анализа изменений ее собственных частот и уровня водохранилища

Лисейкин Алексей Владимирович; Селезнев Виктор Сергеевич; Кречетов Дмитрий Владимирович

УДК 550.348.42

О МОНИТОРИНГЕ СОСТОЯНИЯ ПЛОТИНЫ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО АНАЛИЗА ИЗМЕНЕНИЙ ЕЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ И УРОВНЯ ВОДОХРАНИЛИЩА

Алексей Владимирович Лисейкин

Сейсмологический филиал ФГБУН «Геофизическая служба» СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий инженер-геофизик, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

Виктор Сергеевич Селезнев

ФГБУН «Геофизическая служба» СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, директор, тел. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]

Дмитрий Владимирович Кречетов

Сейсмологический филиал ФГБУН «Геофизическая служба» СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, инженер-геофизик, тел. (383)330-39-14, e-mail: [email protected].

Анализируются данные с сейсмостанции «Черемушки» (CERR), расположенной в 4,4 км от Саяно-Шушенской ГЭС, с использованием разработанной ранее методики выделения собственных частот инженерных сооружений из микросейсмических колебаний. Построены зависимости между значениями уровня водохранилища и собственных частот плотины за последние 15 лет и установлено, что данные зависимости не менялись, что может свидетельствовать об отсутствии изменений в техническом состоянии плотины.

Ключевые слова: микросейсмические колебания, собственные частоты, Саяно-Шушенская ГЭС, сейсмостанция «Черемушки».

ABOUT MONITORING OF THE TECHNICAL CONDITION OF THE DAM OF THE SAYANO-SHUSHENSKAYA POWER PLANT BASED ON THE ANALYSIS OF ITS NATURAL FREQUENCIES CHANGES AND THE STORAGE RESERVOIR LEVEL CHANGES

Aleksei V. Liseikin

Seismological Branch of Geophysical Survey SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Ph. D., Leading Geophysicist, tel. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]

Victor S. Seleznev

Geophysical Survey SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Doctor of Science, director, tel. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]

Dmitry V. Krechetov

Seismological Branch of Geophysical Survey SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Geophysicist, tel. (383)330-39-14, [email protected]

The article is devoted to analysis of data from the seismic station «CERR» which is located at distance of 4,4 km from the Sayano-Shushenskaya Hydropower Plant. A method of selection the natural frequencies from microseismic oscillations is used. The correlations between water level of

the reservoir and values of natural frequencies of the dam was obtained during last 15-years period. It found that these correlations were not changed. It is assumed that the technical condition of the dam was not changed too.

Key words: microseismic oscillations, natural frequencies, Sayano-Shushenskaya HPP, seismic station «CERR».

В исследованиях [1, 2], выполненных сотрудниками ГС СО РАН, была разработана методика выделения собственных частот инженерных сооружений по записям с удаленных сейсмических станций. Так, было показано, что из записей микросейсмических колебаний, регистрируемых сейсмостанцией «Черемушки» (международный код - CERR), расположенной в 4,4 км от Саяно-Шушенской ГЭС, с применением процедур накопления полезного сигнала и фильтрации высокоамплитудных помех, можно выделить собственные колебания плотины и определить значения ее собственных частот (рис. 1). На рис. 1, б представлены фрагменты усредненных амплитудных спектров пяти суточных записей микросейсмических колебаний, по которым определяются значения собственных частот.

б)

ф.1-2

ф.з

ф.4

Ф.З

001-005

2 091-095 о

(N

s 121-125 я

о 151-155

а. 211-215 С

241-245 271-275 301-305

331-335 361-365

ш

шш 1

Ê

ф.6

Р

ф.7

1 É

2.2 2.35 Частота, Гц

Ф1-/ / -2

Рис. 1. Схема наблюдений (а) и фрагменты усредненных амплитудных спектров пяти суточных записей сейсмостанции «Черемушки (б). 1 - обозначения формы собственных колебаний плотины; 2 - определения

значений собственных частот

Известно, что такие изменения физического состояния сооружения, как появление трещин, ослабленных зон, смена напряженно-деформированного состояния, приводят к изменению параметров поля стоячих волн и, в частности, к изменению значений собственных частот. Поэтому широкое распространение получили способы мониторинга, основанные на анализе их изменений с течением времени [3].

Существуют различные способы определения собственных частот сооружений. Например, основанные на регистрации колебаний сооружения под воздействием вибрационных источников или ударных воздействий, обследование сооружения на основе данных микросейсмических колебаний методом стоячих волн. Однако данные способы достаточно трудоемкие, требующие временных и материальных затрат, и поэтому не подходят для решения задачи непрерывного и оперативного мониторинга состояния сооружений. Способ, предложенный в [2], позволяет достаточно быстро, используя записи непрерывно регистрирующей сейсмостанции, определять значения собственных частот сооружения и в случае обнаружения значительных отклонений их от первоначальных значений делать выводы об изменениях физического состояния сооружения.

Выполняя анализ изменений значений собственных частот сооружений, необходимо учитывать, что не всегда эти изменения вызваны появлением каких-то дефектов. Это могут быть изменения внешней нагрузки на сооружение. Например, в случае с плотиной Саяно-Шушенской ГЭС такой нагрузкой является давление воды со стороны водохранилища, уровень которого меняется в зависимости от гидрологического режима. В работе [2] в результате обработки данных за 2-х летний период (2013-2014 гг.) показано, что существует достаточно тесная, в первом приближении линейная, связь между уровнем наполнения водохранилища и значениями собственных частот плотины Саяно-Шушенской ГЭС: с увеличением уровня воды частоты уменьшаются. В настоящей работе с привлечением архивных цифровых данных с сейсмостанции «Черемушки» (15-летний период, начиная с февраля 2001 г.) эти исследования были продолжены.

На рис. 2 представлены графики изменения собственных частот плотины, сопоставленные с графиками изменения уровня водохранилища (УВБ) за период наблюдений с февраля 2001 г. по январь 2016 г. Наблюдается обратная корреляция этих параметров между собой: с увеличением значений УВБ значения собственных частот понижаются, и этот процесс повторяется из года в год. Видно, что коэффициенты корреляции между значениями УВБ и частотами 1-й, 2-й, 3-й и 6-й форм собственных колебаний достаточно высокие (по модулю не менее 0,95). В целом можно отметить, что за 15-летний период наблюдений характер изменения собственных частот плотины в зависимости от уровня наполнения водохранилища не поменялся. Это может свидетельствовать о том, что техническое состояние плотины за этот период не изменилось.

На рис. 3 приведены зависимости между УВБ и значениями собственных частот за 15-летний период наблюдений. Видно, что данные зависимости практически линейные для форм с 1-й по 3-ю и 6-й. Что касается 4-й, 5-й и 7-й форм, то видно, что разброс в данных больше (при этом модули коэффициентов корреляции понижены до 0.81-0.90). Причина этого может быть, с одной стороны, связана с погрешностями измерений. Так, амплитуды собственных колебаний плотины, регистрируемых на сейсмостанции, при достижении

определенных уровней водохранилища понижаются и становятся ниже фона шумовых колебаний. Также уровень шума значительно увеличивается в периоды холостых сбросов воды. С другой стороны, наблюдаемые изменения значений собственных частот, плохо коррелирующиеся со значениями УВБ, могут быть связаны и с изменениями состояния плотины, природа которых на настоящий момент не установлена. Известно, например, что при определенных УВБ раскрываются микротрещины в теле плотины, которые закрываются при их последующем снижении. Также известно, что напряженно-деформированное состояние меняется при смене температуры в теле плотины. Можно предположить, что эти процессы отражаются в дополнительных изменениях значений собственных частот.

540 3 530 № 520 £510 500

3.8 3.6 3.4 3.2 и 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0

«

ё н о (я

¡Т

ЗШ т АЛ< А, А, А. А. А, >4. А* щ

/Ч А. ш ЛцА, Лч. А. Д. А. /Ч- А..

»А, Ш л А- А; А? А, -Ч А?1

Ж А, А- -и д. А}

А. А, V- А. /ч. /V.

** ш и Лг

.Ф.7 К=-0.81

Ф.6 К=-0.96

Ф.4 К=-0.90

Ф.2 К=-0.98 Ф.1 К=-0.97

000000000*--<*-Н*Н<-Н*—)*—!<—I

оооооооооооооооо

ГМГЧГМГЧ|ГЧ|ГЧ|ГМГЧГ\|Г\|Г^ГЧ|ГЧ|Г\|ГЧ(ГЧ|

Год

Рис. 2. Изменения уровня водохранилища (УВБ) и значений собственных частот (Ф.1-7) плотины Саяно-Шушенской ГЭС. К - коэффициенты корреляции между УВБ и значениями соответствующих

собственных частот

Результаты, полученные в настоящем исследовании, могут быть использованы при мониторинге технического состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Можно предложить следующий алгоритм. По непрерывным записям с сейсмостанции «Черемушки» каждые 5 суток определяются значения собственных частот плотины. Эти значения необходимо сравнивать с величинами, полученными ранее при соответствующих уровнях наполнения водохранилища. Если значения собственных частот будут различаться, то необходимо выполнить более подробный анализ состояния плотины, например, с детальным обследованием методом стоячих волн для установления причин этих различий.

Ф.1 Ф.2 Ф.З Ф.4 Ф.5 Ф.6 Ф.7

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Частота, Гц

Рис. 3. Зависимости между уровнем водохранилища (УВБ) и значениями собственных частот (Ф.1-7) плотины Саяно-Шушенской ГЭС по данным

с 17.02.2001 по 28.01.2016

В результате проведенного исследования установлено, что за последние 15 лет зависимости между уровнем водохранилища и собственными частотами плотины не менялись, что может свидетельствовать о ее неизменном техническом состоянии.

Авторы выражают благодарность руководству филиала ПАО «РусГидро» -«Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего» за предоставленные данные по изменению уровня водохранилища.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Селезнев B.C., Лисейкин A.B., Брыксин A.A., Громыко П.В. О причине аварии на Саяно-Шушенской ГЭС с точки зрения сейсмолога // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). -Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 136-140.

2. Лисейкин A.B., Селезнев B.C., Бах A.A., Кречетов Д.В. Об изменении значений собственных частот плотины Саяно-Шушенской ГЭС при различных уровнях наполнения водохранилища // Материалы Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика H.H. Пузырева «Геофизические методы исследования земной коры». -Новосибирск: Изд-во ИНГГ СО РАН, 2014. - С. 182-186.

3. Способ непрерывного мониторинга физического состояния зданий и/или сооружений и устройство для его осуществления: пат. на изобретение РФ / B.C. Селезнев, A.B. Лисейкин, A.A. Брыксин. - № 2461847. - Бюл. № 26, 20.09.2012 г.