Сколько лет простоит плотина?
В рамках одного из пресс-туров на Саяно-Шушенскую ГЭС специалист службы мониторинга ГТС станции Вадим Затеев рассказал журналистам увлекательную лекцию о том, какие наблюдения ведутся за плотинами, что угрожает этим сооружениям и каков срок их жизни. Беседа проходила прямо в теле плотины СШГЭС — в одной из смотровых галерей:
В любой плотине при строительстве закладывается много датчиков. В плотине Саяно-Шушенской ГЭС — более 6000 только телеметрических датчиков. Они измеряют деформации, а по ним уже судят о напряжениях, возникающих в бетонном теле плотины, также измеряется температура бетона — очень важный параметр. Вся плотина условно делится на секции, поэтому еще одним основным параметром является измерение взаимных перемещений секций.
Бетонные плотины бывают трех основных типов: арочные, контрфорсные и гравитационные. Гравитационные и контрфорсные состоят из отдельных секций, и швы между ними позволяют одной секции перемещаться относительно другой. Это необходимо для предупреждения появления трещин. Так как основание плотины не бывает абсолютно однородным, одна секция может просесть, а вторая нет, и тогда появится трещина, причем, в незапланированном месте. В дальнейшем могут возникнуть неприятности, связанные с фильтрацией воды через эти трещины. Мы трещину как бы организовали заранее, поставив в швах фильтрационные элементы, и вода через них уже не проходит.
Арочные плотины должны работать как единое целое, как арка, здесь секция — чисто условное название. Плотины возводят так: укладывают бетон в секции, а затем омоноличивают швы между секциями, укладывая трубы около швов и через них, нагнетая под давлением цементный раствор. Так плотина стала представлять собой единую конструкцию. Для контроля работы секций устанавливают прибор щелемер. Он позволяет следить за тем, как ведёт себя шов, перемещается ли одна секция относительно другой. Это один из видов телеметрической аппаратуры.
Бетонная плотина может деформироваться в вертикальном направлении. Простым нивелированием в арочной плотине вертикальные перемещения сложно измерить. Поэтому используется средство измерения аналогичное тому, которое в народе называют «кишкометр» — две стеклянные трубки, соединенные между собой резиновой трубкой. Вода в сообщающихся сосудах стоит на одном уровне, поэтому мы сразу видим любые изменения. В нашем случае эта система трансформировалась в следующее: вдоль галереи прокладывают трубу, над ней в каждой секции установлена геодезическая марка. И прибором измеряют расстояние от марки до воды. Если плотина поднялась, значит, расстояние увеличилось, если опустилась — уменьшилось. Надежный и достаточно точный прибор. Погрешность геодезисты оценивают буквально в сотые доли миллиметров.
Галерея в плотине позволяет в случае необходимости проводить ремонтные работы. Когда мы выявили появление трещин на СШГЭС (они прошли от напорной грани, а в некоторых случаях на стенках смотровых колодцев были видны кинжальные струи), то пробурили скважины в этих секциях. Через них под большим давлением нагнетался уже не цементный раствор (при таких расходах и давлении он не успевал схватываться), а раствор на основе эпоксидной композиции (основа — эпоксидная смола и добавки). Затем делалось контрольное бурение, чтобы проследить насколько это эффективно. Действительно, инъекционным материалом заполнились даже самые мелкие трещины.
Нефильтрующих систем «плотина-основание» практически не бывает. Конечно, к гидротехническому бетону, из которого состоит плотина, предъявляют специальные требования, одно из них — это повышенная водонепроницаемость, но вода, тем не менее, будет просачиваться, так как плотина не является единым монолитом. «Непротекаемых» оснований также не бывает. Чтобы повысить непроницаемость основания, можно под наземной частью бетонной плотины соорудить еще одну «плотину». Делается это так: бурится множество скважин и через них нагнетается цементный раствор. В нашем случае глубина цемзавесы 100 с лишним метров под плотиной, это, так называемый, подземный контур плотины.
Цель подземного контура — уменьшить фильтрацию через основание, так как она очень опасна. Во-первых, даже самое хорошее скальное основание имеет больше трещин, чем в бетоне. Во-вторых, в плотине фильтрация «вся на виду», есть возможность своевременно принять меры по ее снижению. А что происходит в толще основания, трудно судить, если не налажено нормальное наблюдение до цемзавесы и после нее. Статистика показывает, что 60-70% всех аварий случается именно из-за нарушения непроницаемости в основании. Поэтому за основанием надо следить, внимательно и своевременно проводить работы. Например, после проведения ликвидации трещин в плотины СШГЭС, путем нагнетания раствора в бетон плотины в 96-м году, с 98-го по 2002 год было проведено сходное инъецирование основания, аналогичным составом, но при большем давлении воды и с большей скоростью фильтрации.
С другой стороны, существует много плотин (в России и за рубежом), где через основание фильтруется гораздо больше воды, и там такая ситуация не считается критичной. Главное, чтобы все было под контролем. Бывают случаи, когда объем фильтрующей воды настолько велик, что он сопоставим с объемом воды в водохранилище. В таком случае, нужны спецмероприятия. У нас такой проблемы нет.
521 отметка (900 метров) — это галерея плотины СШГЭС — смотровые колодцы. Здесь во время строительства и в начальном периоде эксплуатации показания всех приборов снимались вручную, позже была введена автоматизированная система измерения, в которую были введены порядка трети датчиков. Со временем эта система устарела. Сейчас создан новый проект автоматизированной системы оперативного контроля с новыми датчиками. Практически невозможно заменить те датчики, которые были установлены в бетон при строительстве, поэтому на данный момент разрабатываются альтернативные решения.
Не введенные в автоматизированную систему датчики подключаются к специальным выносным ящикам. Если раньше показания этих датчиков брались вручную с каждого из них индивидуально, то сейчас необходимо только подключить разъемы и специальный прибор с встроенной памятью все «срисует». Затем необходимо подсоединить его к компьютеру и все «скачается». Тем не менее, необходимо еще большое количество операторов, так как в плотине установлено много таких датчиков.
На гидросооружениях, расположенных в сейсмически опасных районах, проводятся инженерно-сейсмологические и инженерно-сейсмометрические наблюдения. Сейсмологические изучают сами землетрясения, их интенсивность и частоту, а сейсмометрические — как колеблется плотина или другое гидросооружение при динамическом воздействии (это могут быть и природные землетрясения, землетрясения от взрыва, работающего водосброса, гидроагрегатов; на некоторых плотинах по гребню проходит железная дорога, как, например, на Братской ГЭС, такие динамические нагрузки тоже нужно учитывать). На СШГЭС также ведутся такие наблюдения: в плотине ставятся датчики, выводится информация в аппаратный зал, там проводится ее обработка. Сейсмометрическая система полностью автоматизирована и работает в ждущем режиме. Сигналы от датчиков приходят непрерывно, и регистрирующая система следит за ними круглые сутки. Как только приходит сигнал, превышающий по определенным параметрам установленные пределы, система его записывает, обычно это бывает один раз в два-три дня. Затем инженеры обрабатывают и анализируют полученную информацию.
Гидротехнические сооружения достаточно надежны, в том числе и по причине своей массивности. Вот, например, крышка турбины с удерживающими ее шпильками так же, как и плотина, удерживает одинаковый громадный столб воды. Однако толщина этих «элементов напорного фронта» несколько сантиметров и любой дефект в них может привести к лавинной аварии. В плотине же СШГЭС трещины образовались, по разным прикидкам, в конце 80-х годов, а «вылечили» их только в 96-м. Около 10 лет вода через них текла, и плотина стояла и могла еще столько же простоять.
Есть, например, плотина в Австрии Кельнбрайн, там было такое раскрытие швов, что только после того, как вода через них пошла водопадом, опорожнили водохранилище и построили сзади еще одну плотину. В Австрии были полностью уверены, что время еще есть и устойчивость обеспечивается.
При строительстве и эксплуатации плотин должны соблюдаться три основных критерия: прочность, устойчивость и долговечность. Если правильно построить плотину и правильно за ней наблюдать, она будет стоять очень долго. Плотины, как правило, имеют очень большой запас прочности и устойчивости. По условиям устойчивости, плотину нужно сделать с большим запасом, чтобы заведомо выдерживалась прочность. Если нужна плотина с хорошей водонепроницаемостью — будет более плотный бетон, который меньше разрушается от климатических воздействий. В мировой практике встречались случаи разрушений со стороны оснований. В нашем случае, скальное основание — самое прочное.
Часто задают вопрос — сколько лет простоит плотина? Наиболее распространенный ответ — 100 лет. Пытались выяснить, откуда сто лет? Видимо, потому что в бухгалтерии 100 лет — это максимальный срок амортизации любого объекта. На самом деле плотины могут служить намного дольше. Главное качественный «присмотр» и надлежащий уход. Можно ведь не только отремонтировать наиболее «износившиеся» ее части, но и реконструировать плотину, изменив даже ее тип. Многие «сверхсмелые» арочные плотины за рубежом стали переделывать в арочно-гравитационные из соображений большей надежности.
Подготовила Елена Шкарубо