Оценка безопасности каменно-набросной плотины Богучанской ГЭС

Главные проблемы безопасности Богучанской каменно-набросной плотины связаны с принятой диафрагмой из литого асфальтобетона (содержание битума 11-12 %), соседними переходными зонами из щебня крупностью до 200 мм, отсутствием надежного контакта с цементационной галереей и завесой и с вертикальной стенкой бетонной плотины, а также с отсутствием контроля состояния нижней части литого асфальтобетона высотой около 14 м ниже отметки 144,0 м.

В начале проектирования плотины Богучанской ГЭС руководство Гидропроекта обратилось в советские компетентные органы о целесообразности приобретения механизированного комплекса ФРГ для строительства укатанной диафрагмы этой плотины, но получило ответ о недопустимости применения западной технологии. После этого во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники (ВНИИГ) и начали заново «изобретать велосипед» в виде собственной литой технологии. Согласно этой технологии, разработанной ВНИИГ в 1970-х гг., литой горячий асфальтобетон (150 °С) заливали в стальную опалубку высотой 1 м и длиной б м, которую распалубливали спустя три дня после остывания до 45 °С. Затем вокруг блока асфальтобетона отсыпали переходные зоны из однородного щебня крупностью до 200 мм и более без уплотнения ввиду опасности повреждения виброкатками слабых незащищенных граней диафрагмы из литого асфальтобетона. Затем цикл работ повторялся: установка и заливка секции диафрагмы из литого асфальтобетона — распалубка — отсыпка переходных зон и соседних зон камня. Таким образом, технология строительства диафрагмы из литого асфальтобетона и соседних зон из щебня и камня носила порционный, «разрывной» характер, имела низкую производительность и не могла обеспечить строительства в требуемые сроки. Однако главный дефект (опасность) технологии строительства диафрагмы из литого асфальтобетона заключался в том, что она не могла обеспечить безопасности каменно-набросной плотины и всего гидроузла.

Ниже приведены основные требования к безопасности диафрагмы Богучанской плотины, результаты расчетов литой и укатанной диафрагм, дана оценка ее нынешнего состояния.

· Асфальтобетонная диафрагма (АБД) является единственным противофильтрационным элементом каменно-набросной плотины, обеспечивающим надежность всего гидроузла. Нарушение ее сплошности неизбежно вызовет размыв и полное разрушение плотины с образованием волны прорыва высотой до 40 м, которая после своего прохождения по Ангаре и верхней части Енисея приведет к человеческим жертвам, экономическому и экологическому ущербу. Отметим, что, к сожалению, вероятный сценарий разрушения (внутреннего размыва) Богучанской каменно-набросной плотины не будет иметь ничего общего с обычным переливом воды через гребень каменно-набросных плотин, поскольку очаг размыва может возникнуть на любом участке основания литой диафрагмы длиной 1865 м (скорее всего, в примыкании к бетонной стенке), и начало этого размыва, как уже отмечалось, проконтролировать невозможно. В таких условиях внутренний размыв основания литой диафрагмы будет иметь нарастающий (обвальный) характер, подобно многим случаям разрушений каменно-земляных плотин с глинистыми ядрами вследствие гидравлического разрыва (размыва) ядер при первом наполнении водохранилища (например, разрушение плотины Тетон высотой 93 м в США в 1976 г.).

· В проекте каменно-набросной плотины рекомендована литая асфальтобетонная диафрагма с порайонной, «разрывной» технологией укладки (без уплотнения) диафрагмы и переходных зон, что приводит к неравномерной отсыпке соседних зон отдельными участками, вызывает неизбежное опе-режение по высоте соседних участков диафрагмы из литого асфальтобетона и переходных зон и, как следствие, возможное разуплотнение. Технологией заливки асфальтобетона, как показала практика, объясняется значительная сегрегация на битум и битумизированный заполнитель.

· Расчетные прогнозы относительно появления растяжения и трещин в диафрагме из литого асфальтобетона полностью подтверждаются уже на начальной стадии их возведения. Зафиксированы многие случаи образования продольных вертикальных и сквозных горизонтальных трещин, в том числе «холодных» контактных швов. Зоны потери герметичности диафрагмы из литого асфальтобетона при продолжении ее наращивания дополняются и расширяются. Причем большинство этих зон невозможно проконтролировать, а проведение повторных ремонтов диафрагмы полностью парализует строительство и все равно не гарантирует герметичности диафрагмы из литого асфальтобетона и защиты каменно-набросной плотины от размыва и разрушения при наполнении водохранилища. Невозможность контроля фильтрации через самую дефектную и опасную часть литой диафрагмы высотой около 14 м — ниже отметки 146,0 м — был признан даже представителями ВНИИГ, на первом расширенном совещании в Гидропроекте по проблемам Богучанской каменно-набросной плотины в декабре 2002 г.

· Литая технология строительства диафрагмы не может обеспечить требуемой монолитности и герметичности. Фактически диафрагма состоит из отдельных, не связанных между собой блоков с расслоенной структурой — от чистого битума до битумизированного заполнителя. Причем битум на стадии достройки диафрагмы из литого асфальтобетона будет еще более интенсивно выдавливаться в переходные зоны при любой ее крупности, а заполнитель вследствие низкого содержания в нем битума и недостаточной плотности будет источником сквозной фильтрации при наполнении водохранилища. Как показали расчеты, даже при предположении однородности структуры диафрагмы ее достройка при неизбежных осадках каменной наброски и переходных зон приведет к резкому боковому расширению, появлению в ней зон растяжения. Следствие этого — сквозные трещины и полная потеря герметичности диафрагмы из литого асфальтобетона, что с учетом фактической расслоенной структуры диафрагмы приведет к неизбежным многочисленным прорывам давлением и разрушению каменно-набросной плотины с катастрофическими последствиями, даже при одном только дефектном участке диафрагмы. В диафрагме из литого асфальтобетона возникают высокие растягивающие горизонтальные деформации в конце строительства и после наполнения верхнего бьефа, что может нарушить ее сплошность.

· Невозможно добиться необходимого уплотнения переходных зон при контакте с диафрагмой из литого асфальтобетона в связи с опасностью ее повреждения виброкатками, а отсутствие плотного контакта плоских граней диафрагмы с соседними переходными зонами (фактически этот контакт на отдельных участках оказался открытым) приводит к боковому ее расширению по мере наращивания, появлению в диафрагме растягивающих горизонтальных деформаций и продольных вертикальных трещин и выдавливанию не только битума, но и заполнителя в крупные поры соседних переходных зон. Поэтому никакое «самозалечивание» диафрагмы из литого асфальтобетона, на которое как на «панацею от всех бед» рассчитывают ее авторы, не предотвратит потерю ее сплошности (герметичности) еще на стадии строительства до наполнения верхнего бьефа.

· С точки зрения критерия стабильности ВНИИГ диафрагма из литого асфальтобетона «нестабильна», точнее, подвижна, т.е. расширяется в обе стороны с образованием продольных вертикальных трещин, зафиксированных во время строительства. Наполнение водохранилища приведет к существенным горизонтальным перемещениям диафрагмы из литого асфальтобетона, сохранению в ней растяжения, ее интенсивному выдавливанию в крупные поры низовой переходной зоны и потере герметичности. В 2007 году при проходке опытного шурфа в переходных зонах была обнаружена сквозная трещина на контакте литой диафрагмы и бетонной плотины Богучанской ГЭС (данные ЭСКО ЕЭС). В дальнейшем из-за небольшой опережающей отсыпки верховой призмы произошло смещение приконтактного торца диафрагмы примерно на 5-10 см в сторону нижнего бьефа. В образовавшуюся щель устремилась вода, хотя перепад бьефов был очень небольшим. Страшно представить, что могло произойти в этом примыкании диафрагмы при первом наполнении водохранилища!

Выводы об опасности применения диафрагмы из литого асфальтобетона в Богучанской каменно-набросной плотине и необходимости перехода на укатанную диафрагму, а также о других дефектах проекта каменно-набросной плотины представлены автором в отчетах по НИР, выполненных в 2001-2003 гг. по поручению ОАО «БогучанГЭСстрой», в сборниках научных трудов НИИЭС и Российского университета дружбы народов, а также в сообщении-презентации «Проблема безопасности Богучанской каменно-набросной плотины» на последнем Международном конгрессе по большим плотинам в Барселоне (июнь 2006 г.). Интересно, что после сделанного сообщения никто из присутствовавших в зале руководителей ВНИИГ и Гидропроекта не выступил против моей критики проекта каменно-набросной плотины и литой диафрагмы и поддержки проекта укатанной диафрагмы, а общепризнанный эксперт в этой области, почетный президент Международной комиссии по большим плотинам профессор К. Хоег (Норвегия) поддержал меня. Следует также отметить, что ряд крупных российских специалистов в этой области, предыдущие руководители проекта Богучанской ГЭС и КНП, руководство ЭСКО придерживаются такого же мнения о необходимости перехода в проекте Богучанской каменно-набросной плотины от литой диафрагмы на укатанную с проведением необходимых ремонтных работ по литой диафрагме. К сожалению, впоследствии руководители ЭСКО, занимавшие принципиальную позицию в этом вопросе, были отстранены от этого проекта руководством компании "РусГидро".

В мировой практике нет опыта строительства каменно-набросных плотин с литыми диафрагмами. Немецкие и норвежские специалисты рассмотрели литую технологию, представленную ВНИИГ в докладе на 16-м Конгрессе по большим плотинам (США, 1988) для строительства Тельмамской, Богучанской и Ирганайской каменно-набросных плотин. Специалисты отметили негативные особенности этой технологии: цикличность, многооперационность, повышение расхода битума, наличие опалубки, рост объема работ и сроков строительства, сегрегация литого асфальтобетона при заливке в опалубку, его неконтролируемое самоуплотнение и др.

В отзывах специалистов утверждалось, что технология укатываемого АФБ не подходит для обоснования конструкции и строительства каменно-набросных плотин с диафрагмами в специфических условиях строительства в России, особенно в районах с повышенной сейсмичностью. Известен вывод Международной комиссии по большим плотинам (1992): «Грунтовые плотины с железобетонными экранами и асфальтобетонными укатанными диафрагмами являются наиболее перспективными грунтовыми плотинами для строительства в сложных природных условиях, включая высокую сейсмичность». Последующие годы подтвердили правоту этого вывода, особенно для первых плотин.

Выводы о дефектах проекта Богучанской каменно-набросной плотины подтверждены известной фирмой Коин и Белье (Франция) в Банковском отчете, переданном компании РусАл в июле 2006 г. Несмотря на критику со стороны французских специалистов, новые руководители проекта Богучанской камено-набросной плотины, не имеющие опыта проектирования подобных плотин, под нажимом ВНИИГ вернулись к старому проекту с литой диафрагмой, а затем это опасное решение было проштамповано на совещании в ГидроОГК (ныне ОАО "РусГидро") 6 февраля 2007 г.

Выводы и рекомендации по обеспечению безопасности Богучанской каменно-набросной плотины:

1. Нынешний проект Богучанской плотины с диафрагмой из литого асфальтобетона является недопустимым с точки зрения безопасности плотины и несостоятельным с точки зрения технологичности и сроков ее строительства. Необходимо полностью отказаться от порочной концепции литой диафрагмы и принять надежную и технологичную укатанную диафрагму, фильтры и переходные зоны из щебня, что обеспечит высокое качество работ и выполнение их в срок.

2. При разработке проекта достройки плотины с укатанной диафрагмой целесообразно рассмотреть вариант состава асфальтобетона с повышенным содержанием битума (до 7-7,5 % при меньшей его вязкости). Это позволит повысить пластичность и самозалечиваемость укатанного асфальтобетона и понизить температуру его разогрева, что даст дополнительный технико-экономический эффект.

3. При достройке плотины по технологии укатанной диафрагмы и фильтров часть литой диафрагмы останется расслоенной, растянутой, с трещинами и подвижной, что создаст опасность ее выдавливания в крупные поры переходных зон во время строительства, а при наполнении верхнего бьефа может привести к потере герметичности литой части.

4. Необходимо инъецировать трещины в литой диафрагме и переходные зоны по контакту с этой диафрагмой, создав вокруг нее плотную водоупорную обойму, что значительно улучшит напряженное состояние нижней литой части диафрагмы, предотвратит ее выдавливание в переходные зоны при достройке поверх нее укатанной диафрагмы, улучшит работу стыка между обеими диафрагмами на поперечный сдвиг и осадку, предотвратит его раскрытие, обеспечит герметичность.

5. В связи с тем что цементационная завеса устроена в основании галереи, а не в опорной плите диафрагмы, давление верхнего бьефа будет подведено к ее основанию, что при отсутствии цементационной завесы и уплотнений шва между блоком галереи и бетонной плитой диафрагмы приведет к опасной фильтрации через этот шов. Необходимо с поверхности зацементированной верховой переходной зоны или из галереи выполнить короткую цементационную завесу, замкнутую на существующую в основании галереи, создав замкнутый контур це-ментационной завесы в основании диафрагмы и галереи. Из галереи следует пробурить скважины в шов между блоком галереи и опорной плитой диафрагмы для контроля возможной фильтрации через шов и его возможной цементации.

6. Место примыкания диафрагмы к вертикальной стенке бетонной плотины (без устройства в ней специального углубления) при отсутствии контроля этого контакта через контрольную шахту с низовой стороны диафрагмы потенциально является местом раскрытия контакта и бесконтрольной контактной фильтрации. Для предотвращения этого в примыкании литой и укатанной частей диафрагмы к бетонной плотине с низовой стороны диафрагмы следует выполнить бетонную шахту для контроля состояния контакта и возможного ремонта.

Хочется надеяться, что авторы проекта и консультанты, понимая фактическое состояние незалеченной литой диафрагмы, не будут в угоду конъюнктурным соображениям форсировать строительство плотины и наполнение водохранилища Богучанской ГЭС, ошибочно полагая, что проблема ограничится только протечками в диафрагме.

Ю.П. Ляпичев, доктор технических наук,
профессор кафедры «Гидравлика и гидросооружения» Российского университета дружбы народов