CC BY
23
УДК 528.2 Н.И. Стефаненко
Филиал ОАО «РусГидро» - «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего», Саяногорск
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ПЛОТИНА-ОСНОВАНИЕ СШГЭС
N.I. Stefanenko Sayano-Shushenskaya HPS 665619, Post Box 39, Cheremushky, Sayanogorsk, Khakasiya, Russia
THE MAINTENANCE RELIABILITY OF DAM- FOUNDATION SYSTEM AT THE SAYANO-SHUSHENSKAYA HPS
The article estimates safety control and maintenance reliability at the Sayano-Shushenskaya arch-gravity dam with the usage of the diagnostic system, which was elaborated by the specialists of the SSHPS. The article also considers the role of the on-line control system in the process of maintenance reliability assurance of hydraulic structures.
Дана оценка системы обеспечения безопасной и надежной эксплуатации арочно-гравитационной плотины СШГЭС с использованием разработанной на станции информационно-диагностической системы. Показана роль оперативной системы контроля в процессах обеспечения эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений.
Плотина Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС) на реке Енисей - одна из крупнейших в мире. Бетонная арочно-гравитационная плотина имеет высоту 242 м, длину по гребню - 1074 м, ширину основания и гребня - 110 м и 25 м соответственно. В плане она имеет вид круговой арки радиусом 600 м с центральным углом 102°. Нарушения устойчивости элементов инженерных сооружений такого класса, как СШ ГЭС, вызванные природными или техногенным воздействиями, могут привести к катастрофическим последствиям. Поэтому такие гидротехнические сооружения требуют постоянного контроля технического состояния, т.е. создания системы мониторинга, включающей весь комплекс натурных наблюдений.
Обеспечение эксплуатационной надежности такого сооружения является исключительно важной научно-технической, экономической и социальной проблемой.
Мониторинг технического состояния ГТС.
Контроль безопасности гидротехнических сооружений осуществляется по группе диагностических параметров. Анализ этих параметров позволяет заблаговременно оценить состояние сооружения и принять своевременное решение о проведении профилактических или капитальных ремонтов ГТС, что является залогом безотказной и долговечной его работы. Так, например, своевременное обнаружение горизонтальной трещины в бетоне напорной
грани плотины СШГЭС позволило успешно произвести крупномасштабные ремонтные работы по ее локализации, что обеспечило в настоящее время нормальное эксплуатационное состояние системы плотина-основание. На рис. 1 представлена схема обеспечения безопасной эксплуатации напорных сооружений, реализованная в настоящее время на СШГЭС.
Рис. 1. Система контроля безопасности ГТС СШГЭС
Все гидротехнические сооружения ЫП классов в обязательном порядке оснащаются различной контрольно-измерительной аппаратурой (КИА), количество которой может исчисляться от сотен до тысяч приборов, устанавливаемых в сооружение еще на стадии строительства, по которым осуществляется мониторинг.
Мониторинг технического состояния арочно-гравитационной плотины СШГЭС осуществляется по 13 тысячам измерительных точек, расположенных в различных частях сооружения, и производится для осуществления контроля за:
- Общими перемещениями;
- Внешними воздействиями;
- Фильтрацией воды через бетон и основание;
- Напряженно-деформированным состоянием;
- Сейсмическим состоянием.
В общем комплексе натурных наблюдений контроль за общими перемещениями осуществляется по геодезической КИА которая является наиболее представительной из всех видов натурных наблюдений.
Наблюдения за общими перемещениями плотины и прилегающей территории ведутся по внешней и внутренней планово-высотным сетям. Внешняя сеть расположена по берегам скального массива и на гребне бетонной части плотины, используется в качестве исходной планово-высотной основы, как менее подверженной влияниям возможных деформаций. Внешняя сеть состоит из рабочих и фундаментальных реперов и пунктов плановой сети.
Внутренняя измерительная сеть состоит из «прямых» и «обратных» отвесов, расположенных в теле плотины в двух ярусах, продольных и поперечных гидростатических нивелиров и поверхностных щелемеров. Для мониторинга используется около 3600 измерительных точек. В настоящее время эксплуатируется система автоматизированного контроля плановых смещений (САК ПС) в количестве 19 измерительных точек. Автоматизированный съем информации реализован на основе индукционных датчиков разработки Новосибирского института прикладной геодезии (НИИПГ) по «обратным» отвесам и «прямому» отвесу ключевой секции плотины. Наряду с индукционными датчиками в трех измерительных точках осуществляется опытная эксплуатация фотоэлектронных преобразователей (ФПКС) разработки Красноярской фирмы «Мезон».
Для осуществления оценки состояния сооружений на СШГЭС создана информационно-диагностическая система (ИДС) «Edip», позволяющая накапливать, обрабатывать и отображать в удобном для анализа виде данные о состоянии ГТС (рис. 2).
•вывод данных в табличной форме; •вывод данных в виде графиков; •построение регрессионных моделей; •построение зависимости параметра от параметра (циклограмм); •построение эпюр;
•экспорт данных в файлы формата dbf для работы в Excel;
•вывод структурной модели базы данных; •переход в модели первого уровня и перекачка данных из них.
>
система
/■ \ Внешние
воздействия
II уровень •уровень ВБ; •уровень НБ;
Экспертная "N •температура воздуха; •число часов работы агрегатов.
БД
«Геодезия»
•деформации по
направлениям X, У, Ъ
и в конусе;
•напряжения
нормальные,
тангенциальные,
главные;
•температуры бетона; •раскрытия •поровое давление
•фильтрационные
расходы по дренажам;
•суммарные
фильтрационные
расходы по частям
сооружения;
•пьезометрические
напоры;
•приведенные
пьезометрические
•прямые и обратные отвесы; •поперечные и продольные гидронивелиры; •трехосные щелемеры; •нивелирование агрегатных блоков; •подходная нивелировка; •элеваторы высот; •линейные измерения.
I уровень
БД
«Сейсмика»
•записи местных землетрясений (до 150-200 км); •записи карьерных взрывов;
•записи взрывов в районе СШГЭС; •записи далеких землетрясений, вызвавших реакцию плотины СШГЭС; •определение эпицентра близкого сейсмособытия.
Рис. 2. Структурная схема ИДС СШГЭС
Структура информационной системы двухуровневая. В базе данных первого уровня хранятся результаты замеров и обработанные, готовые к анализу величины. Доступ к базам первого уровня ограничен и предоставлен техническим администраторам соответствующих баз. К базе данных второго уровня, или так называемой экспертной системе, имеют доступ инженерно -технические работники станции, которые осуществляют надзор и контроль состояния ГТС. Кроме того, на данном уровне решаются задачи контроля и диагностики, в которые, например, входит выявление параметра, не укладывающегося в прогнозные интервалы, формирование признака дефектности параметра разной степени значимости, выдача предварительных сообщений. В задачи диагностики входит также и определение степени серьезности дефекта или повреждения, выдача рекомендаций по ремонту и управляющим воздействиям, влияющим на режимные параметры ГЭС, такие как скорость наполнения и сработки водохранилища, обусловленные условием безопасности ГТС. На СШГЭС также организован регулярный выпуск обстоятельных годовых отчетов о состоянии системы: плотина-основание.
Оперативный контроль и оценка технического состояния СШГЭС
Оценка безопасного состояния гидротехнических сооружений осуществляется путем сопоставления измеренных значений диагностических параметров с принятыми в проекте или установленными для данного сооружения в процессе эксплуатации показателями. Значения
контролируемых показателей, определяющих прочность, устойчивость, водонепроницаемость, пропускную способность сооружения, а также его долговечность, сопоставляются с соответствующими нормативными данными. При этом принимаются во внимание и учитываются закономерности и тенденции изменения контролируемых параметров системы «плотина-основание», за которыми ведутся наблюдения в ходе эксплуатации, и которые прямо или косвенно характеризуют состояние сооружения или происходящие в нем процессы. Значения контролируемых параметров, измеренные в результате натурных наблюдений, сопоставляются с предельно допустимыми значениями (ПДЗ) этих показателей, установленными для конкретного сооружения и определенными в Декларации безопасности.
Согласно РД-12-03-2006 [1] эксплуатируемые сооружения должны соответствовать следующим состояниям:
I - технически исправное состояние (нормальный уровень безопасности) - состояние сооружения, соответствующее всем требованиям нормативных документов и проекта, при этом значения диагностических показателей состояния сооружения не превышают своих критериальных значений К1;
II - работоспособное состояние (пониженный уровень безопасности) -категория технического состояния, при которой гидротехническое сооружение, его состояние и строительные конструкции удовлетворяют требованиям обеспечения технологических процессов и безопасной эксплуатации, но имеются дефекты и повреждения, а также частичные нарушения правил эксплуатации, которые не могут оказать непосредственного влияния на снижение работоспособности гидротехнического сооружения, его основания и строительных конструкций, при этом значения диагностических показателей состояния сооружения не превышают критериальных значений К1;
III - ограниченно работоспособное состояние (неудовлетворительный уровень безопасности) - категория технического состояния, при которой гидротехническое сооружение, строительная конструкция или его основание пригодны для дальнейшей эксплуатации при условии введения обоснованных ограничений режимов работы и нагрузок, разработки мероприятий по устранению выявленных дефектов и повреждений в строго установленные сроки, а также осуществления регулярного контроля за состоянием гидротехнического сооружения, его конструкций и основания, нагрузками и воздействиями.
IV - неработоспособное (опасное, аварийное) состояние (опасный уровень безопасности) - категория технического состояния, при котором нарушены условия устойчивости, прочности или водонепроницаемости гидротехнического сооружения, такие сооружения не пригодны для дальнейшей эксплуатации до восстановления, капитального ремонта или реконструкции с целью ликвидации всех повреждений и разрушений, которые привели к потере работоспособности.
Наряду с четырьмя техническими состояниями установлены два порога критериев безопасности гидротехнических сооружений:
К1 - первый (предупреждающий) уровень значений диагностических показателей, при достижении которого устойчивость, механическая и фильтрационная прочность ГТС и его основания, а также пропускная способность водосбросных и водопропускных сооружений находятся в работоспособном состоянии. Критериальное значение К1 задает границу между состоянием II (работоспособным) и состоянием III (ограниченно работоспособным);
К2 - второй (предельный) уровень значений диагностических показателей, при превышении которого эксплуатация ГТС в проектных режимах недопустима. Критериальное значение К2 задает границу между состояниями III (ограниченно работоспособным) и IV (неработоспособным).
Сооружение считается безопасным в случае, когда показатели состояния сооружения и основания не превышают соответствующих критериев, определенных согласно с действующими нормативами и зафиксированных в Декларации безопасности. Оперативная оценка эксплуатационного состояния сооружения осуществляется путем сравнения измеренных или вычисленных на основе измерений количественных диагностических показателей, а также полученных при визуальных наблюдениях качественных показателей с их критериальными значениями К1 и К2.
В целях получения оперативной информации о состоянии сооружений, особенно в периоды половодий и паводков, на СШГЭС организована в рамках ИДС система оперативного контроля состояния ГТС, информация по которой непосредственно поступает специалистам, отвечающим за безопасную эксплуатацию сооружений. В режиме реального времени предоставляется информация об уровнях бьефов, радиальных и тангенциальных смещениях ключевой секции плотины, температурах бетона. Результаты сравниваются с критериями, определенными в Декларации безопасности. Производится сравнительный анализ измеренных параметров с данными прошлых лет применительно к идентичным уровням гидростатической нагрузки. Информация предоставляется в виде таблиц, графиков, циклограмм (рис. 3, 4).
Рис. 3. Радиальные перемещения гребня ключевой секции плотины
Рис. 4. Температура бетона низовой грани ключевой секции плотины
Наличие такой системы на СШГЭС позволяет управлять режимом наполнения - сработки водохранилища. Т.е. оперативно анализировать существующую ситуацию, вырабатывать упреждающие предложения по вариантам воздействий на сооружение и в целом обеспечивать надежную эксплуатацию объекта, что в полной мере было подтверждено в 2006 году.
Режим наполнения водохранилища в 2006 году был отмечен особенно высокой летней приточностью (в июле приток р. Енисей соответствовал обеспеченности 1%, т.е. один раз в 100 лет), в связи с чем, наполнение водохранилища было быстрым, и бетон не успевал прогреваться до необходимых температур. Внутренние области плотины в этот период были более холодными, чем обычно из-за прошедшей холодной зимы 2005-2006 годов, поэтому напряженно-деформированное состояние плотины оценивалось как неблагоприятное. Нормальный подпорный уровень (НПУ), несмотря на холостые ранние сбросы воды, был достигнут уже к 20 сентября.
Оперативно, по мере поступления данных натурных наблюдений проводился анализ состояния сооружения, выполнялись прогнозные расчеты возможных смещений гребня плотины для различных неблагоприятных сочетаний гидростатических нагрузок и температурных воздействий. По
результатам натурных наблюдений и расчетов было принято решение о снижении УВБ к началу ноября 2006 г. ниже отметки, определенной плановым режимом сработки водохранилища. Достигнутая к 01.11.2006 г. отметка УВБ составила 537.19 м, что на 79 см была ниже определяемого по графику режима сработки. Принятое на основе натурных данных и прогнозных расчетов своевременное решение об изменении режима сработки водохранилища позволило не допустить достижения критериальных значений К1, и предотвратить риск возникновения негативных последствий в системе плотина - основание СШГЭС.
Опыт ведения режима наполнения водохранилища в 2006 году полностью подтвердил целесообразность управления режимом по состоянию сооружения.
ВЫВОДЫ
1. Организованная на СШГЭС система диагностического контроля обеспечивает в необходимом объеме безопасную эксплуатацию гидротехнических сооружений ГЭС.
2. Созданная система оперативного контроля состояния ГТС, регулярные (не реже одного раза в месяц) информации о состоянии сооружения с разрабатываемыми рекомендациями по ведению режимов наполнения-сработки водохранилища позволяют оперативно, а не в режиме «постфактум», анализировать существующую ситуацию и вырабатывать упреждающие варианты воздействий на сооружение.
3. Оперативное управление уровневым режимом водохранилища в 2006 году, отмеченном исключительно высокой летней приточностью, позволило сохранить целостность отремонтированной зоны напорной грани, и не допустить раскрытия заинъецированных трещин.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дополнительные требования по разработке декларации безопасности гидротехнических сооружений объектов энергетики. РД-12-03-2006. (Утв. приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 29.12.2006 №1163). - М., 2006.
© Н.И. Стефаненко, 2009
