Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка техногенного воздействия от работы гидроаккумулирующей электростанции на геологическую среду

ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Автореферат диссертации по теме "Оценка техногенного воздействия от работы гидроаккумулирующей электростанции на геологическую среду"

ОСИКА Ирина Викторовна

ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТ РАБОТЫ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ (НА ПРИМЕРЕ ЗАГОРСКОЙ ГАЭС)

Специальность 25.00.03 - «Геотектоника и геодинамика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва-2009

003471689

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Рогожин Евгений Александрович

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Российского государственного геологоразведочного

университета им.С.Орджоникидзе

Пашкин Евгений Меркурьевич

кандидат геолого-минералогических наук, Институт геоэкологии им.Е.М.Сергеева РАН

Жигалин Александр Дмитриевич

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гидропроект» им. С.Я. Жука» (ОАО «Институт Гидропроект»)

Защита диссертации состоится «21» мая 2009 г. в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.001.01 при Учреждении Российской академии наук Институт физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН

по адресу: 123995, г. Москва, ул. Большая Грузинская, 10. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН Автореферат разослан «20» апреля 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

О.В.Пилипенко

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В последние годы всё более востребованными становятся исследования инженерно-геодинамических процессов, протекающих в верхней части земной коры и связанных с хозяйственной деятельностью человека. Эксплуатация крупных технических объектов часто приводит к возникновению и развитию наведённых процессов. Для сооружений повышенной экологической ответственности крайне важным является распознавание дестабилизирующих факторов на начальном этапе их развития и оперативное приведение системы в равновесное состояние. Целесообразно в этом случае прибегать к системному подходу, основанному на понимании любого объекта как многокомпонентного и целостного, обладающего эмерджентными свойствами. В настоящем исследовании сочетаются такие дисциплины, как: геодинамика, инженерная геология, математическое моделирование, геодезия, геофизика и др. Работа направлена на выявление и изучение видимых и скрытых процессов, протекающих в массиве пород, слагающих основание сооружений Загорской гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС). Особое внимание уделяется исследованию взаимосвязи характера процессов с режимом работы объекта. Определение техногенного воздействия на геологическую среду от эксплуатации данной ГАЭС является актуальным в связи с планируемым интенсивным строительством подобных объектов в Европейской части России и малым опытом эксплуатации в сложившихся геологических условиях.

Цель и задачи работы. Целью работы является изучение закономерностей поведения грунтового массива в условиях работы Загорской ГАЭС, оценка возможностей наклономерно-деформометрического мониторинга и других видов наблюдений применительно к выявлению и изучению инженерно-геодинамических процессов на объектах гидроаккумулирующей энергетики. Решаемые задачи:

¡.оценка воздействия видимых и скрытых процессов в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов, возникающих в результате техногенной нагрузки от работающей ГАЭС;

2.создание аппарата комплексной обработки данных режимных наблюдений для получения достоверной оперативной информации о поведении грунтового массива в условиях работы Загорской ГАЭС.

Фактический материал. Диссертационная работа опирается

на материалы продолжительных изысканий, проводимых на Загорской ГАЭС с 1984 по 2008гг. Среди них: геодезические измерения (наземные методы и спутниковые . высокоточные наблюдения), наклономерные наблюдения на устоях здания водоприёмника, пьезометрические наблюдения, измерения фильтрационных расходов в основании водоприёмника, сейсмометрические работы. Также использованы архивные материалы библиотеки Загорской ГАЭС, ОАО «Институт Гидропроект» и тематические печатные издания.

Автор принимал непосредственное участие в наблюдениях за наклонами устоев здания водоприёмника, геологической интерпретации получаемых в результате компьютерного моделирования данных. Материалы режимных наблюдений по обратным отвесам, геодезическим маркам, пьезометрам, фильтрационным расходам, данные по изменениям уровней в верхнем и нижнем бассейнах любезно предоставлены сотрудниками гидротехнического цеха Филиала ОАО «РусГидро» - «Загорская ГАЭС». Отчетные материалы по результатам применения высокоточной спутниковой геодезии, результаты сейсмических наблюдений - сотрудниками ИФЗ РАН.

Научная новизна. Проведённые исследования позволили впервые изучить наведённые процессы, возникающие в грунтовом массиве основания ГАЭС, построенной в инженерно-геологических условиях Европейской части России. Выполнено комплексное компьютерное моделирование, использующее наклономерные измерения в основании водоприёмника в качестве связующего звена при комплексной обработке данных геотехнического мониторинга. Итоги работы:

1.детально изучены закономерности изменения параметров скрытых процессов, протекающих в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов под влиянием техногенной нагрузки от работающей Загорской ГАЭС, получены их численные характеристики; проведено сопоставление результатов отдельных видов режимных наблюдений.

2.сформулированы основные принципы применения комплексного компьютерного моделирования и принципы компоновки сети геотехнического мониторинга для дальнейшей обработки полученных данных с использованием в качестве связующего звена информации о суточных наклонах основания водоприёмника.

Практическая значимость и реализация работы.

Результаты исследования, проведённого на Загорской ГАЭС, могут быть использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации ГАЭС в схожих инженерно-геологических условиях. В ближайшие годы предполагается строительство 4-х ГАЭС в Южной части Московской синеклизы, где расположена и Загорская. Всего в Европейской части России планируется возвести более десятка подобных объектов. Опыт эксплуатации Загорской ГАЭС уникален, поскольку равнинных ГАЭС, построенных на нескальном основании крайне мало, а эксплуатирующихся в природных условиях Европейской части России всего одна.

Защищаемые положения.

1 .Экспериментально доказано, что техногенное воздействие Загорской гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС) приводит к возникновению в грунтовом массиве инженерно-геодинамических процессов.

2.Получены оценки деформаций грунтового массива участка Загорской ГАЭС по результатам комплексного компьютерного моделирования, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

3.Установлено, что Загорская ГАЭС провоцирует возникновение инженерно-геодинамических аномалий в зоне взаимодействия сооружений с геологической средой.

Личный вклад автора.

1 .Проанализированы данные многолетних наклономерных наблюдений, результаты измерений спутниковой и наземной геодезии, гидрогеологическая информация и результаты сейсмометрических работ, проведено сопоставление результатов отдельных видов режимных наблюдений.

2.Сформулированы основные принципы применения комплексного компьютерного моделирования с использованием данных о наклонах основания водоприёмника в качестве связующего звена. Аналитическим путём определены принципы компоновки сети геотехнического мониторинга оптимально необходимых режимных наблюдений для их совместной обработки методами математического моделирования.

Представление результатов и обсуждение основных положений диссертационной работы и ее отдельных частей проходило в виде докладов на ряде семинаров в ИФЗ РАН, а также на

конференциях и совещаниях: научно-техническая конференция «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (С.-Петербург, 2005г.); международная научная конференция «Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения» (Воронеж, 2006г.); IX международная конференция «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009) и др.

По теме диссертации опубликовано 4 работы, из них 1 в журнале из списка ВАК. Ещё 1 статья в реферируемом журнале принята к печати.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объём диссертации составляет 131 страницу; содержит 65 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 71 наименование.

Благодарности. Автор искренне благодарит за сотрудничество, помощь в сборе материалов и ценные замечания сотрудников Филиала ОАО «РусГидро» - «Загорская ГАЭС» -начальника гидротехнического цеха В.Н.Черненко, В.Г.Родионова, Г.В.Хуторянскую, Е.Н.Трубило, О.В.Гусину, Н.В.Лысенко и др.; сотрудников ИФЗ РАН - В.Н.Конешова, С.М.Молоденского, В.И.Осику, А.Л.Собисевича, И.Г.Киссина, Т.В.Гусеву, Н.К.Розенберг, В.В.Щеглакова и др.; сотрудников ОАО «Институт Гидропроект» -А.И.Юдкевича и др.

Особую, глубокую признательность автор выражает своему научному руководителю д.г.-м.н. Е.А.Рогожину.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложены структура и содержание работы.

Первая глава «Анализ особенностей эксплуатации гидроаккумулирующих электростанций».

Гидроаккумулирующие электростанции получили широкое распространение в мире. Их строительство осуществляется уже более 100 лет. Первая ГАЭС - Леттем (Швейцария), мощностью около 100 кВт, была введена в эксплуатацию в 1882 году. Сейчас общее количество ГАЭС в мире составляет более 460 станций и постоянно

увеличивается. Наибольшее распространение ГАЭС получили в странах Западной Европы, США, Канаде. Всё больший интерес проявляется к данному виду энергетических сооружений и в России. Благодаря своей маневренности, ГАЭС включают в связки с атомными электростанциями, что позволяет повысить эффективность работы последних. Также ГАЭС внедряют в крупные энергосистемы, сглаживая пиковые нагрузки в них и повышая стабильность работы.

В настоящее время в России всего одна гидроаккумулирующая электростанция, Загорская. Эксплуатация показала ее высокую эффективность. Как следствие, был разработан проект расширения станции - строительство Загорской ГАЭС-2. Согласно плану ввода мощностей к 2030г. в Европейской части России планируется осуществить строительство ещё нескольких ГАЭС.

При любой инженерной и хозяйственной деятельности человека в той или иной мере проявляются техногенные движения. Вмешательство человека в окружающую среду изменяет её и влияет на естественный ход различных естественных инженерно-геодинамических процессов, усиливая или ослабляя их, или придавая им другое направление. Детальное знание технической составляющей наряду с геофизическими, инструментальными, дистанционными, гидрогеологическими, гидрогеохимическими, геоморфологическими методами изучения позволяет широко применять высокоточное компьютерное моделирование для изучения техногенного воздействия от работы ГАЭС на геологическую среду. Более того, прогнозирование экологических последствий от работы ГАЭС является обязательной частью разрабатываемых проектов.

Гидроаккумулирующая электростанция является уникальным гидроэнергетическим сооружением, посредством которого удается аккумулировать электрическую энергию, возвращая ее в энергосистему по мере необходимости. В часы, когда в энергосистеме избыток электрической энергии, гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве насосов и, потребляя дешевую избыточную электроэнергию, перекачивают воду из нижнего бассейна в верхний (аккумулирующий) бассейн на высоту несколько десятков или сотен метров. При дефиците генерирующей мощности, гидроагрегаты ГАЭС работают в качестве генераторов и превращают энергию падающей воды в электрическую. Учитывая высокую маневренность

гидроэнергетического оборудования, число пусков обратимых гидроагрегатов ГАЭС, в отличие от обычных ГЭС, достигает 500-700 в

месяц, а иногда составляет порядка 30 пусков в сутки. Основными особенностями ГАЭС являются: наличие двух водохранилищ ёмкостью от первых до нескольких десятков миллионов кубических метров; попеременный режим работы агрегатов (насосный и турбинный); ежесуточные перемещения большого объёма воды (дес.млн.м3); квазипериодическое изменение нагрузок на геологическую среду; существенные суточные колебания уровня воды в бассейнах.

Значительная часть главы посвящена рассмотрению геологических и гидрогеологических условий, тектонических особенностей, неотектонических и современных инженерно-геодинамических процессов района размещения Загорской ГАЭС. Также уделено внимание анализу методов, применяемых на Загорской ГАЭС для контроля устойчивости склона напорных трубопроводов как одного из наиболее подверженных деструктивным инженерно-геодинамическим процессам участков.

Раздел 1.1. Гидроаккумулирующая электростанция как природпо-техническая система. Для изучения воздействия на геологическую среду Загорской ГАЭС используется системный подход, который позволяет анализировать выходные свойства природно-технической системы в целом, а не свойства отдельных её компонент. Системный подход, как и любая другая научная методология, опирается на эксперимент.

Основными сооружениями (элементами) Загорской ГАЭС являются: верхний бассейн, образованный земляной дамбой; нижний бассейн с ограничивающими его верховой и низовой плотинами; здание водоприёмника; склон напорных трубопроводов; напорные трубопроводы; здание ГАЭС. При взаимодействии элементов система приобретает новые свойства, отвечающие целевому назначению объекта, в данном случае аккумулированию и выработке электроэнергии.

Основным технологическим процессом в работе ГАЭС является ежесуточное перемещение больших объёмов воды (до 22,7 млн.м3). Он приводит: к перераспределению нагрузок внутри системы; провоцирует развитие и усиление внутренних процессов, способствует возникновению циклических процессов.

Природно-техническая система «Загорская ГАЭС» обладает свойством целостности по совокупности своих элементов. Сохранение заложенного проектом выходного свойства гидротехнической системы

- накопления и выработки электроэнергии - обеспечивается штатными взаимодействиями между её элементами. В силу того, что определяющими факторами штатного функционирования системы являются провоцируемые режимом эксплуатации инженерно-геодинамические процессы, то одна из важнейших задач -геотехнический мониторинг, направленный на слежение за развитием этих процессов. В настоящее время недостаточное внимание уделяется комплексной обработке данных. Результатом отдельных видов режимных наблюдений являются оценки по какому-либо параметру (пьезометрические уровни, смещения в характерных точках и др.). В итоге получаем показатели системы, но не картину её внутренних взаимодействий. Поэтому актуальным и своевременным является вопрос о разработке и внедрении в систему геотехнического мониторинга принципа комплексного анализа и моделирования инженерно-геодинамических процессов на основе связующих наблюдений.

Раздел 1.2. Геологическое строение и гидрогеологические условия района размещения Загорской ГАЭС. В разделе приведена подробная информация о строении, составе и других особенностях района размещения Загорской ГАЭС. Отмечено: кристаллический фундамент залегает на глубине от 1500 до 2000м и образован сложным комплексом метаморфических и интрузивных пород, изменённых вторичными процессами. Осадочные породы чехла представлены преимущественно карбонатными и терригенными формациями позднепротерозойского, палеозойского, мезозойского возраста. Для данной территории также характерно наличие сложного мощного комплекса четвертичных отложений в основном аллювиального и озёрно-ледникового генезиса, генетически приуроченных к определённым формам рельефа. В силу сложности геологического строения, горизонты подземных вод зачастую имеют гидравлическую связь, достаточно часто встречаются напорно-безнапорные водоносные горизонты.

Раздел 1.3. Тектоника. Загорская ГАЭС территориально приурочена к крупной древней отрицательной структуре ВосточноЕвропейской платформы, к Московской синеклизе. Рельеф фундамента изучен преимущественно сейсмическими и электроразведочными методами и редкой сетью скважин. Основные направления разломов и линейных форм фундамента и чехла - северовосточное и северо-западное.

Раздел 1.4. Новейшая тектоника и современные инженерно-геодинамические процессы. Современные вертикальные движения земной коры в пределах Московской синеклизы по данным повторного высокоточного нивелирования носят нисходящий характер и составляют -1-ь-3 мм/год. Среди инженерно-геодинамических процессов наиболее существенную роль играют оползневые с участием каменноугольных, юрских, меловых глинистых пород и четвертичных отложений. С каменноугольными и юрскими отложениями связано большинство оползней в Московской, Тульской, Калужской, Смоленской и Рязанской областях. Основным деформируемым горизонтом юры являются оксфордские глины. Также подвержены оползанию киммерийские глины нижнего плиоцена. Оползни в четвертичных отложениях развиты повсеместно, за исключением районов с редкой и неглубокой овражно-балочной сетью. Оползневым деформациям подвержены склоны, сложенные водно-ледниковыми суглинками высотой 5-7м и более при крутизне 20-30°. Как правило, оползни имеют небольшую протяжённость (первые десятки метров) и циркообразную форму. Основными оползнеобразующими факторами являются: эрозионная деятельность водотоков, искусственная подрезка склонов, взвешивающее давление ближнего к поверхности водоносного горизонта, гидродинамическое давление и др.

В целом инженерно-геологические условия являются благоприятными для развития оползневых и других инженерно-геодинамических процессов. Несмотря на низкую сейсмическую активность региона и общий равнинный характер территории, в силу морфологических, геологических, гидрогеологических и других факторов, район ГАЭС отличается высоким инженерно-геодинамическим потенциалом. Техногенные нагрузки, сопоставимые с природными напряжениями, могут служить катализатором подготовленных процессов, находящихся в «спящем» состоянии.

Раздел 1.5. Основные особенности природ] ю-технич ее ко и системы «Загорская ГАЭС». Площадка Загорской ГАЭС приурочена к северо-западному склону Клинско-Дмитровской гряды, обычно имеет относительные превышения 50-79м и представляет собой конечно-моренные образования московского оледенения. Коренная часть геологического разреза сложена породами мелового возраста с чередованием субгоризонтально залегающих пластов песчаного и глинистого состава. Современный рельеф в основном сформирован

суглинистыми ледниковыми образованиями московской морены. Долина р.Куньи наследует древний эрозионный врез глубиной более 100м. Гидрогеологические условия определяются чередованием в разрезе водосодержащих и водоупорных пластов, а также наличием гидравлической связи между горизонтами, объединяющей подземные воды в единую гидравлическую систему со сложным характером циркуляции.

На изучаемой территории развиты разнообразные гравитационные смещения очень крупных размеров и в ряде случаев уникальных. Эти процессы связаны, по-видимому, с резкой расчленённостью рельефа как современного, так и древнего, особенностями распада московского ледникового покрова и реологическими свойствами глинистых пород. Главную опасность для устойчивости основных сооружений Загорской ГАЭС представляют оползневые процессы. Район расположения гидроузла характеризуется широким распространением древних оползневых накоплений. К настоящему времени процессы оползания и реологического течения массивов глинистых пород без разрыва сплошности завершились. К моменту проектирования Загорской ГАЭС оползни стабилизировались. Их резкое оживление пришлось на период строительных работ. В результате потребовалось проведение специальных укрепительных мероприятий, в частности, в южной части склона напорных трубопроводов была выполнена грунтовая упорная призма, а оползневые массы в северной части склона заменены качественным грунтом.

Также в разделе кратко представлены основные показатели Загорской ГАЭС: полная и полезная ёхмкости верхнего и нижнего бассейнов, их геометрические параметры; приведена характеристика ограждающей дамбы, основных сооружений и склона напорных трубопроводов.

Раздел 1.6. Режимные наблюдения на Загорской ГАЭС. Склон напорных трубопроводов является наиболее уязвимой с геологической точки зрения частью природно-технической системы. Основными методами геотехнического мониторинга за состоянием склона напорных трубопроводов являются: наблюдения за показаниями обратных отвесов, пьезометрические наблюдения, высокоточная спутниковая и наземная геодезия, сейсмические наблюдения, наклономерные наблюдения на водоприёмнике, флористические наблюдения (оценка увлажнённости по преобладающему виду

растительности), визуальные наблюдения.

Итоги главы.

В грунтовом массиве основания сооружений Загорской ГАЭС существуют предпосылки для развития инженерно-геодинамических процессов. Для закрепления южной части склона напорных трубопроводов была выполнена упорная призма, которая является основным элементом его устойчивости.

Основное техногенное воздействие от работы Загорской ГАЭС определяется режимом работы гидроузла и представляет собой: суточные изменения уровня воды в верхнем и нижнем бассейнах (изменения вертикальной нагрузки на грунтовый массив), вибрационные нагрузки от работы обратимых гидроагрегатов.

Вторая глава «Оценка наведённых инженерно-геодинамических процессов на склоне напорных трубопроводов».

В данной главе приводится оценка изменений морфологии поверхности грунтового массива, а также внутренних изменений в массиве пород совместно с временами приложения основных техногенных нагрузок, оказываемых Загорской ГАЭС.

Раздел 2.1. Результаты наблюдений за горизонтальными смещениями и вертикальными движениями. Был проведён анализ геодезических данных, полученных наземными и высокоточными спутниковыми методами с 1984 по 2008 годы. Отмечено: 1)смещения во всех пунктах происходит вниз по склону, величина результирующих смещений находится в пределах 5,3-22,9 мм;

2)скорости результирующих смещений склона напорных трубопроводов не превышают критического значения (0,4 мм/мес);

3)участок склона напорных трубопроводов испытывает монотонное понижение со скоростью нескольких миллиметров в год; 4)склон и сооружения, построенные на нём, испытывают сезонные колебательные движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Колебательные движения малы, как правило, находятся в пределах точности измерений.

Малые величины смещений массива грунтов говорят об устойчивости склона напорных трубопроводов, и, следовательно, о стабильном положении упорной призмы. Наличие значительных монотонных понижений высотных отметок участка свидетельствуют о протекании внутренних процессов, пока не приводящих к катастрофическим изменениям.

Раздел 2.2. Изучение инженерно-геодинамических процессов в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов. Были проанализированы данные режимных наблюдений по обратным отвесам, пьезометрам, наклономерам, результаты сейсмометрических работ (рис.1). Получены закономерности внутренних изменений в геологической среде от техногенного воздействия Загорской ГАЭС

Условные овозначения /¡^ Оползневые участки

Границы строительного котлована Дрензжная завеса

□

Ф

Упорная призма -1 есто установки наклономеров Пьезометрическая скважина Обратный отвес Сейсмометрические пункты

Рис.1.Схема размещения некоторых пунктов режимных наблюдений на Загорской

ГАЭС

Внутренние процессы, вызванные суточными изменениями уровня воды в верхнем бассейне

Процесс изменений уровня воды в верхнем бассейне носит характер циклического с периодом одни сутки. Поэтому имеющиеся данные режимных наблюдений в первую очередь исследовались на предмет суточной периодичности и повторяемости. Затем был проведён их совместный анализ с изменениями уровня воды в верхнем бассейне с целью установления закономерностей между ними.

Суточные колебания обратных отвесов. Для анализа были

выбраны несколько обратных отвесов на склоне напорных трубопроводов, исходя из мест размещения. По имеющимся данным для этих пунктов были построены суточные графики за отдельные числа. Сравнительный анализ характера изменений по обратным отвесам, показал: 1)наибольшая суточная повторяемость горизонтальных смещений характерна для обратных отвесов, установленных в верхней части склона; 2)разброс амплитуд горизонтальных смещений составляет сотые, редко десятые доли миллиметра.

Типичным является характер изменений суточных наклонов обратных отвесов, показанный на рис.2.

270 268 266 264 262 260 258 256 254 252

250

г- _

J 1"" ..... — ч -

/ \л- \\

// // \ \ i

/ \

/

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

£

5 ф"

s х

I 0) S о ф о

X

л §

Ё

о

-УВБ

- - - ОО №008, X --ОО №008, Y

0:00

4:43

9:36 14:24 Время, час

19:12

0:00

Рис.2.Суточное смещение обратного отвеса №008 и изменения уровня воды в верхнем

бассейне

При заполнении верхнего бассейна обратные отвесы отклоняются в сторону верхнего бассейна, при сработке - в сторону нижнего бассейна. Амплитуды отклонений составляют сотые и десятые доли миллиметра. Наиболее чёткая картина изменений наблюдается для обратного отвеса №008 (порядка 0,11мм по оси х и 0,29мм по оси у), расположенного в верхней части напорных трубопроводов, в непосредственной близости к ограждающей дамбе (границе зоны нагружения). На удалении около 350м (обратный отвес №003) изменения происходят с меньшими амплитудами (порядка 0,07мм по оси х и 0,18мм по оси у), но с аналогичным вектором; на

записи появляются шумы. Характер отклика говорит о непрерывном изменении напряжённо-деформированного состояния геологической среды.

Изменение уровней подземных вод. Были проанализированы данные об уровнях подземных вод по нескольким пьезометрам. В результате выявлена суточная периодичность колебаний уровня подземных вод. Она чётко прослеживается по скважинам, находящимся вне зоны влияния дренажной завесы (Р4-2-52, Р4-2-20, Р4-2-40).

Совместный анализ данных о суточных изменениях уровней подземных вод в скважинах (где наблюдается периодичность) и уровня воды в верхнем бассейне показал наличие закономерностей между ними, своей для каждой скважины. Отмечена тенденция суточных колебаний уровня воды в скважинах на величину 1-4 см.

Наклоны поверхности грунтового массива. Рассмотрены результаты наблюдений за наклонами здания водоприёмника вблизи основания, где наклоны, по сути, отражают поведение верхней части массива пород под воздействием техногенных нагрузок Загорской ГАЭС. Отмечен практически линейный отклик наклонов на заполнение-сработку верхнего бассейна. Отклик, зафиксированный наклономерами, аналогичен отклику по обратным отвесам и подтверждает ежесуточное изменение векторов деформаций в грунтовом массиве. Также выявлены не только суточные, но и годичные циклы наклонов.

Анализ рядов данных за период 2005-2008гг. показал наличие тренда наклонов основания водоприёмника (на фоне сезонных и ежесуточных изменений). Согласно расчётам правый устой в основании имеет результирующий вектор наклонов под углом 19° от направления по потоку к югу; левый устой - под углом 40° от направления по потоку к северу. Модули векторов наклонов основания водоприёмника составляют: для правого устоя 4,20 "/год; для левого устоя 6,10 "/год.

Геодезические данные по зданию водоприёмника с 1984г. (марки 102а, 105а, 108а, установленные в сухой потерне) показывают более сильные осадки в левобережной части сооружения, что подтверждает результаты наклономерных работ. Наклоны основания в сторону нижнего бассейна косвенно свидетельствуют о понижении поверхности грунтового массива в области проложения трассы напорных трубопроводов и хорошо согласуются с многолетними

данными геодезических наблюдений.

Внутренние процессы, вызванные работой обратимых гидроагрегатов

Вибрационное воздействие от работы обратимых гидроагрегатов. На основе анализа распространения вынужденных колебаний в массиве пород получены следующие основные результаты: минимальные амплитуды виброшумов 0,013-0,064 мкм наблюдается при выключенных обратимых гидроагрегатах; максимальное воздействие зафиксировано в режиме генератора на 3-ем ярусе по направлению вдоль потока (0,870 мкм), в режиме насоса -на 3-ем ярусе вдоль потока (1,014 мкм); при включении агрегатов станции происходит увеличение уровня вибраций в 5-50 раз; наиболее интенсивные колебания грунта группируются возле основной частоты, определяемой частотой вращения обратимых гидроагрегатов (2,5Гц) и 1-ой гармоники (5,0Гц); кроме гармоник в спектре присутствуют частоты ниже основной, а также частоты не кратные частоте вращения роторов.

Внутренние процессы, связанные с сезонными изменениями

Изменения уровней воды в скважинах. Увеличение уровня подземных вод в моренном горизонте на величину до 2м наблюдается в феврале-марте. В некоторых пьезометрах уровни превышают критериальные показатели. Это может привести к снижению прочностных и деформационных свойств пород и повлиять на развитие инженерно-геодинамических процессов.

Сезонные изменения показаний обратных отвесов. Полученные по автоматизированным обратным отвесам данные говорят о наличии не только суточных, но и более длительных колебаний с периодом в 1 год. Существенное увеличение амплитуд колебаний обратных отвесов приходится на февраль-март, когда амплитуды с десятых и сотых долей мм увеличиваются до десятых и первых мм за сутки. Совпадение по времени увеличения амплитуд колебаний обратных отвесов с повышением уровня подземных вод говорит о значительном вкладе гидрогеологического фактора в устойчивость массива пород, слагающих склон напорных трубопроводов.

Итоги главы.

Техногенное воздействие Загорской ГАЭС приводит к: незначительным горизонтальным смещениям и существенным нисходящим перемещениям поверхности грунтового массива склона напорных трубопроводов, непрерывному изменению напряжённо-

деформированного состояния пород, закономерному возникновению и распространению в геологической среде вибрационного поля. Рассмотренные процессы во многих случаях носят циклический характер с периодом 1 сутки. Также наблюдается наличие годовых периодов циклических изменений, связанных с сезонными изменениями параметров геологической среды.

Третья глава «Обоснование принципов комплексного компьютерного моделирования для наблюдений за деформационными процессами в грунтовом массиве»

Раздел 3.1. Результаты компьютерного моделирования. В 2005-2008гг. проводились работы по комплексному компьютерному моделированию. Целью работ было подобрать такую модель распределения модулей сдвига в массиве пород, которая бы в общих чертах объяснила изменение показаний обратных отвесов, очень сильно изменяющихся в течение года. При моделировании были использованы данные о рельефе участка, наклономерные данные по водоприёмнику на отметке Ом, показания по обратным отвесам и пьезометрам на склоне напорных трубопроводов, сведения о фильтрационных расходах в основании водоприёмника, данные об изменениях уровней верхнего и нижнего бассейнов. Подобранная схема предполагает существование «мягкого включения» на склоне напорных трубопроводов, модули сдвига которого определяются изменениями режимов подземных и поверхностных вод.

Согласно результатам комплексного компьютерного моделирования «мягкое включение» совпадает с областью расположения упорной призмы. Можно предположить, что изменения амплитуд колебаний обратных отвесов связано с увеличением нагрузки на упорную призму в период повышения уровня подземных вод. Недостаточное количество автоматизированных обратных отвесов и пьезометров не позволяет детализировать деформационные процессы, протекающие в грунтовом массиве в результате воздействия техногенных нагрузок.

Результаты комплексного компьютерного моделирования позволяют говорить, что возможно использовать предложенный метод для изучения и прогноза устойчивости склонов гидроаккумулирующих станций, возведенных на нескальном основании, путём оценки относительных изменений модулей сдвига в массиве грунтов.

Раздел 3.2. Применение компьютерного моделирования с использованием данных о наклонах основания водоприёмника. Аналитическим путём были определены основные принципы применения метода комплексного компьютерного моделирования:

1)метод применим исключительно для нескальных грунтов;

2)применение метода основано на точном знании возмущающих колебаний (нагрузок), областей их приложения и изменений нагрузок во времени (изменение уровней воды верхнего и нижнего бассейнов);

3)для корректного эффективного применения метода необходимым условием является полное покрытие наблюдаемого участка сетью пунктов с контрольно-измерительной аппаратурой, густота которой определяется инженерно-геологическими условиями; 4)синхронность опроса датчиков (измерений) для всех используемых при расчётах параметров.

Метод может выступать в роли предвестника готовящихся инженерно-геодинамических процессов, т.к. представляется возможным отследить внутренние изменения в грунтовом массиве с высокой точностью. Аналитически были сформулированы принципы компоновки сети режимных наблюдений для повышения эффективности оценки устойчивости массива пород Загорского гидроузла рассмотренным способом (табл.1).

__Таблица 1

Измерения Пьезометри- Геодезические

наклонов ческие наблюдения по

наблюдения обратным отвесам

Расстановка На устоях у В непосред- Расстановка должна

контрольно- основания ственной обеспечивать

измеритель- водоприёмника. В близости от равномерное

ной каждом из пунктов пунктов покрытие наблю-

аппаратуры наблюдений заложения даемой территории.

должны быть обратных Густота сети

установлены либо отвесов, определяется

дву хко ордннатные приёмная инженерно-

наклономеры, либо часть - в геологическими

по 2 однокоорди- моренном условиями (в

натных. Один из водоносном среднем 200-500м

mix должен горизонте. между пунктами

измерять наклоны наблюдений). Якоря

вдоль потока, устанавливаются в

другой - поперёк моренную толщу,

потока. глубина определя-

Минимальное общее количество 4 шт. ется её мощностью.

Частота опроса датчиков 1 отсчёт в 10 минут с синхронизацией моментов отсчёта не хуже 1 минуты

Точность измеряемых параметров 0,1 угл.сек 0,001 м Не менее 1 мкм

Общие требования Необходима синхронизация опроса датчиков по времени

Аналогичный подход к расстановке контрольно-измерительной аппаратуры можно использовать для ГАЭС, проектируемых в подобных инженерно-геологических условиях. В этих случаях пьезометры необходимо оборудовать на первый от поверхности водоносный горизонт. Якоря обратных отвесов следует заглублять в верхнюю толщу (или толщу, склонную к оползанию).

Итоги главы.

При помощи комплексного компьютерного моделирования оценены деформационные процессы в грунтовом массиве, возникающие в результате техногенных нагрузок от работы Загорской ГАЭС. Сформулированы принципы применения метода, предложена схема компоновки сети режимных наблюдений для обработки данных рассмотренным способом.

Четвёртая глава «Оценка возникновения геодннампческих аномалий в районе размещения Загорской ГАЭС и выработка рекомендаций для строительства аналогичных объектов»

Увеличение масштабов хозяйственной деятельности человека и величин нагрузки на окружающую среду достигли значений, когда это влияние начало широко проявляться в деформационных процессах верхних слоев земной коры. Многолетние работы на геодинамических полигонах показали, что деформационные процессы наблюдаются повсеместно, даже на древних платформах и в сейсмически спокойных регионах.

Одной из специфических особенностей ГАЭС является наличие суточного цикла нагружения-разгрузки верхнего бассейна. Ввиду особенностей режима работы, эксплуатация ГАЭС требует специального геотехнического мониторинга. Опыт эксплуатации ГАЭС в России минимален и ограничивается Загорской. К сожалению, богатый опыт зарубежного строительства не может быть использован

по ряду причин: сооружения большинства зарубежных ГАЭС располагаются на скальных грунтах; большинство зарубежных ГАЭС - высоконапорные, верхние бассейны имеют небольшие объёмы. Загорская ГАЭС, как и проектируемые в Европейской части России объекты, равнинного типа. Это означает, что они имеют сравнительно небольшой напор и, соответственно, большие объёмы верхнего и нижнего бассейнов. Объёмы бассейнов определяют нагрузку на геологическую среду.

Рассмотренные в предыдущих главах результаты геотехнического мониторинга позволяют сделать вывод о нетипичной для южной части Московской синеклизы активности и масштабах инженерно-геодинамических процессов на площадке Загорской ГАЭС. В таблице 2 приведены результаты и геодинамическая оценка протекающих в грунтовом массиве процессов, спровоцированных работой гидроаккумулирующей электростанции.

Таблица 2

Результат Геодпнамическая оценка

Монотонное проседание поверхности в области склона напорных трубопроводов на несколько миллиметров в год. Аномально высокие скорости опускания поверхности в зоне размещения основных сооружений Загорской ГАЭС.

Закономерное возникновение и распространение в геологической среде вибрационного поля при включении и выключении обратимых гидроагрегатов Загорской ГАЭС. Непрерывное изменение вибрационного поля, в 5-50 раз превышающего фоновые значения

Наклоны поверхностного слоя массива пород в сторону верхнего бассейна при его заполнении, и в противоположную сторону при его сработке. Изменение напряжённо-деформированного состояния геологической среды с периодом одни сутки.

Итоги главы.

Оценены масштабы техногенного воздействия от работы Загорской ГАЭС на геологическую среду. Отмечены: аномально высокие скорости опускания поверхности в зоне размещения основных сооружений, непрерывное изменение вибрационного поля, изменение напряжённо-деформированного состояния геологической среды. Можно ожидать, что аналогичные аномальные реакции геологической среды на техногенные нагрузки ГАЭС проявятся и на проектируемых в подобных инженерно-геологических условиях

объектах. Это следует учесть при разработке и строительстве новых гидроузлов.

Заключение

Проведены комплексные научные исследования по оценке влияния работы Загорской ГАЭС на геологическую среду. Получены следующие наиболее важные результаты:

1.Работа Загорской ГАЭС приводит к возникновению инженерно-геодинамических процессов в массиве пород. Во многих случаях эти процессы носят циклический характер с периодом одни сутки.

2.Комплексное компьютерное моделирование может опираться на высокоточные данные о суточных наклонах вблизи основания водоприёмника, характеризующие изменение наклонов поверхности массива пород под влиянием изменения уровней верхнего и нижнего бассейнов. Данный подход можно использовать для объектов, подобных Загорской ГАЭС, руководствуясь принципами применения метода и компоновки сети режимных наблюдений.

3.Гидроаккумулирующая электростанция действительно оказывает существенное влияние на геологическую среду. Для неотектонически малоактивной платформенной области района размещения Загорской ГАЭС наблюдаются: возникновение аномально высоких скоростей опускания земной поверхности в зоне размещения основных сооружений; закономерное возникновение и распространение в геологической среде вибрационного поля, в 5-50 раз превышающего фоновые значения; изменение напряжённо-деформированного состояния пород массива с периодом одни сутки.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Осика И.В. Устойчивость склона напорных трубопроводов Загорской ГАЭС в условиях динамических нагрузок // Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения. Материалы XII международной конференции. Т.И (Н-Я). Воронеж. - 2006. - С.48-53.

2. Осика И.В. Комплексный подход к геотехническому мониторингу Загорской гидроаккумулирующей электростанции // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. - 2008г. - №2 - вып. 12. - С. 194200.

3. Осика И.В. Комплексный подход к геотехническому мониторингу Загорской гидроаккумулирующей электростанции //

21

Новые идеи в науках о Земле: Тез. IX международной конференции. T.III. М., 2009. - С.91.

4. Кочетков Б.М., Молоденский С.М., Осика В.И., Осика И.В. Наклономерно-деформометрический мониторинг на гидроаккумулирующих электростанциях // Геориск. - 2009. - №1. - С.35-49.

5. Молоденский С.М., Осика В.И., Осика И.В., Черненко В.Н. Пространственно-временные изменения модулей сдвига среды на территории Загорской ГАЭС // Геоэкология. - 2009. - №5 - (в печати).

Осика Ирина Викторовна

Оценка техногенного воздействия от работы гидроаккумулирующей электростанции на геологическую среду (на примере Загорской ГАЭС)

Автореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата геол.-мин.наук

Подписано в печать 14.04.2009. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1.Тираж 100 экз. ИФЗ РАН

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Осика, Ирина Викторовна

Введение.

Глава 1.Анализ особенностей эксплуатации гидроаккумулирующих электростанций.

1.1 .Гидроаккумулирующая электростанция как природно-техническая система.

1.2.Геологическое строение и гидрогеологические условия района размещения Загорской ГАЭС.

1.3.Тектоник а.

1.4.Новейшая тектоника и современные инженерпо-геодинамические процессы.

1.5.Основные особенности природно-технической системы «Загорская ГАЭС».

1.5.1.Загорская природно-техническая система.

1.5.2.Инженерно-геодинамические особенности территории Загорской ГАЭС.

1.6.Режимные наблюдения на Загорской ГАЭС.

Глава 2.Оценка наведённых инженерно-геодинамических процессов на склоне напорных трубопроводов.

2.1.Результаты наблюдений за горизонтальными смещениями и вертикальными движениями.

2.2.Изучение инженерно-геодинамических процессов в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов.

2.2.1.Внутренние процессы, вызванные суточными изменениями уровней воды в бассейнах.

2.2.2.Внутренние процессы, вызванные работой обратимых гидроагрегатов.

2.2.3.Внутренние процессы, связанные с сезонными изменениями.

Глава 3.Обоснование принципов комплексного компьютерного моделирования для наблюдений за деформационными процессами в грунтовом массиве.

3.1.Результаты комплексного компьютерного моделирования.

3.2.Применение компьютерного моделирования с использованием данных о наклонах основания водоприёмника.

Глава 4.0ценка возникновения геодинамических аномалий в районе размещения Загорской ГАЭС и выработка рекомендаций для строительства аналогичных объектов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка техногенного воздействия от работы гидроаккумулирующей электростанции на геологическую среду"

Актуальность работы. В последние годы всё более востребованными становятся исследования инженерно-геодинамических процессов, протекающих в верхней части земной коры и связанных с хозяйственной деятельностью человека. Эксплуатация крупных технических объектов часто приводит к возникновению и развитию наведённых процессов. Для сооружений повышенной экологической ответственности крайне важным является распознавание дестабилизирующих факторов на начальном этапе их развития и оперативное приведение системы в равновесное состояние. Целесообразно в этом случае прибегать к системному подходу, основанному на понимании любого объекта как многокомпонентного и целостного, обладающего эмерджентными свойствами. В настоящем исследовании сочетаются такие дисциплины, как: геодинамика, инженерная геология, математическое моделирование, геодезия, геофизика и др. Работа направлена на выявление и изучение видимых и скрытых процессов, протекающих в массиве пород, слагающих основание комплекса сооружений Загорской ГАЭС. Особое внимание уделяется исследованию взаимосвязи характера процессов с режимом работы объекта. Определение техногенного воздействия на геологическую среду от эксплуатации данной гидроаккумулирующей электростанции является актуальным в связи с планируемым интенсивным строительством гидроаккумулирующих электростанций в Европейской части России и малым опытом эксплуатации такого рода объектов в сложившихся геологических условиях.

Цель II задачи работы. Целыо работы является изучение закономерностей поведения грунтового массива в условиях работы Загорской ГАЭС, оценка возможностей наклономерно-деформометрического мониторинга и других видов наблюдений применительно к выявлению и изучению ииженерно-геодинамических процессов на объектах гидроаккумулирующей энергетики. Решаемые задачи:

1.оценка воздействия видимых и скрытых процессов в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов, возникающих в результате техногенной нагрузки от работающей ГАЭС;

2.создание аппарата комплексной обработки данных режимных наблюдений для получения достоверной оперативной информации о поведении грунтового массива в условиях работы Загорской ГАЭС.

Фактический материал. Диссертационная работа опирается на материалы продолжительных изысканий, проводимых на Загорской ГАЭС с 1984 по 2008гг. Среди них: геодезические измерения (наземные методы и спутниковые высокоточные наблюдения); наклономерные наблюдения на устоях здания водоприёмника; пьезометрические наблюдения; измерения фильтрационных расходов в основании водоприёмника; сейсмометрические работы. Также использованы архивные материалы библиотеки Загорской ГАЭС, ОАО «Институт Гидропроект» и тематические печатные издания.

Автор принимал непосредственное участие в наблюдениях за наклонами устоев здания водоприёмника, геологической интерпретации получаемых в результате компьютерного моделирования данных. Материалы режимных наблюдений по обратным отвесам, геодезическим маркам, пьезометрам, фильтрационным расходам, данные по изменениям уровней в верхнем и нижнем бассейнах любезно предоставлены сотрудниками гидротехнического цеха Филиала ОАО «РусГидро» - «Загорская ГАЭС». Отчетные материалы по результатам применения высокоточной спутниковой геодезии, результаты сейсмических наблюдений — сотрудниками ИФЗ РАН.

Научная новизна. Проведённые исследования позволили впервые изучить наведённые процессы, возникающие в грунтовом массиве основания ГАЭС, построенной в инженерно-геологических условиях Европейской части России. Выполнено комплексное компьютерное моделирование, использующее наклономерные измерения в основании водоприёмника в качестве связующего звена при комплексной обработке данных геотехнического мониторинга. Итоги работы:

1.детально изучены закономерности изменения параметров скрытых процессов, протекающих в грунтовом массиве склона напорных трубопроводов под влиянием техногенной нагрузки от работающей Загорской ГАЭС, получены их численные характеристики; проведено сопоставление результатов отдельных видов режимных наблюдений.

2.сформулированы основные принципы применения комплексного компьютерного моделирования и принципы компоновки сети геотехнического мониторинга для дальнейшей обработки полученных данных с использованием в качестве связующего звена информации о суточных наклонах основания водоприёмника.

Практическая значимость и реализация работы.

Результаты исследования, проведённого на Загорской ГАЭС, могут быть использованы при проектировании, строительстве и эксплуатации ГАЭС в схожих инженерно-геологических условиях. В ближайшие годы предполагается строительство 4-х ГАЭС в Южной части Московской синеклизы, где расположена и Загорская. Всего в Европейской части России планируется возвести более десятка подобных объектов. Опыт эксплуатации Загорской ГАЭС уникален, поскольку равнинных ГАЭС, построенных на нескальном основании крайне мало, а эксплуатирующихся в природных условиях Европейской части России всего одна.

Защищаемые положения.

1.Экспериментально доказано, что техногенное воздействие Загорской гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС) приводит к возникновению в грунтовом массиве инженерно-геодинамических процессов.

2.Получены оценки деформаций грунтового массива участка Загорской ГАЭС по результатам комплексного компьютерного моделирования, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными.

3.Установлено, что Загорская ГАЭС провоцирует возникновение инженерно-геодинамических аномалий в зоне взаимодействия сооружений с геологической средой.

Личный вклад автора.

1 .Проанализированы данные многолетних наклономерных наблюдений, результаты измерений спутниковой и наземной геодезии, гидрогеологическая информация и результаты сейсмометрических работ, проведено сопоставление результатов отдельных видов режимных наблюдений;

2.Сформулированы основные принципы применения комплексного компьютерного моделирования с использованием данных о наклонах основания водоприёмника в качестве связующего звена. Аналитическим путём определены принципы компоновки сети геотехнического мониторинга оптимально необходимых режимных наблюдений для их совместной обработки методами математического моделирования.

Представление результатов и обсуждение основных положений диссертационной работы и ее отдельных частей проходило в виде докладов на ряде семинаров в ИФЗ РАН, а также на конференциях и совещаниях: научно-техническая конференция «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии» (С.-Петербург, 2005г.); международная научная конференция «Активные геологические и геофизические процессы в литосфере. Методы, средства и результаты изучения» (Воронеж, 2006г.); IX международная конференция «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009) и др.

По теме диссертации опубликовано 4 работы, из них 1 в журнале из списка ВАК. Ещё 1 статья в реферируемом журнале принята к печати.

Структура н объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложены

Заключение Диссертация по теме "Геотектоника и геодинамика", Осика, Ирина Викторовна

Основные результаты анализа данных режимных наблюдений на Загорской ГАЭС и их геодинамическая оценка

Результат Метод получения информации Геодннамнческап оценка

Монотонное проседание поверхности в области склона напорных трубопроводов на несколько миллиметров в год (до 8 мм в год). Высокоточные спутниковые методы координатных определений. Аномально высокие скорости опускания поверхности в зоне размещения Загорской ГАЭС. Фоновые вертикальные движения для платформ характеризуются скоростями 0,01-0,1 мм/год. В Московской синеклизе зафиксированы скорости 1-3 мм/год.

Возникновение и распространение в массиве Сейсмометрические Загорская ГАЭС — источник техногенных колебаний. пород колебаний от работы обратимых гидроагрегатов с частотами 2,5, 5 и 7,5 Гц. работы. Воздействие определяется работой обратимых гидроагрегатов.

Изменение виброшумов в верхней части массива пород от 0,013 до 1,014мкм/сут. Сейсмометрические работы. С периодом 1 сутки изменение в 5-50 раз по сравнению с фоновым значением степени техногенного воздействия на грунтовый массив.

Существенное изменение амплитуд колебаний обратных отвесов на склоне напорных трубопроводов в феврале-марте с сотых долей миллиметра до десятых и даже первых миллиметров. Координатомерные наблюдения по автоматизированным обратным отвесам. Ежегодное аномальное увеличение суточных горизонтальных смещений в каждой точке грунтового массива па склоне напорных трубопроводов. Связано с режимом подземных вод, в том числе фильтрующихся из верхнего бассейна.

Наклоны поверхности грунтового массива на границе зоны нагружения в сторону верхнего бассейна при его заполнении, и наоборот, около 7 угл.сек/сут. Наклономерпые работы вблизи основания здания водоприёмника. Непрерывное изменение напряжённо-деформированного состояния геологической среды с периодом 1 сутки. Явление явно техногенного характера, вызванное заполнением-сработкой верхнего бассейна Загорской ГАЭС. Масштабы процесса сопоставимы с размерами областей приложения нагрузки, т.е. как минимум радиус влияния составляет первые километры. Заполнение верхнего бассейна провоцирует выдавливание «зелёных глин» сантонского яруса верхнего мела, что способствует увеличению нагрузки на упорную призму. Наклон струп обратных отвесов в сторону нижнего бассейна также свидетельствует о превосходстве величин нагрузок от выдавливаемых «зелёных глин» над нагрузкой от объёма перекачиваемой в верхний бассейн воды.

Суточные колебания обратных отвесов с амплитудами сотые, редко десятые доли мм/сут. При заполнении верхнего бассейна происходит наклон в сторону верхнего бассейна, при сработке наоборот. Исключение составляют обратные отвесы, расположенные в теле упорной призмы. Картина их наклонов обратная: наклон струны при наполнении верхнего бассейна происходит в сторону нижнего бассейна, при сработке наоборот. Координатомерные наблюдения по автоматизированным обратным отвесам.

Основным элементом устойчивости склона напорных трубопроводов является упорная призма. Проведённые исследования выявили наличие упругого отклика на приложение к ней нагрузок. Таким образом, основную опасность для сохранности сооружений представляет собой процесс активного понижения поверхности на участке трассы напорных трубопроводов и смежной территории. Изучение скрытых инженерно-геодинамнческих процессов в массиве грунтов дало возможность предположить механизм процесса опускания поверхности. По всей вероятности, происходит виброуплотнение грунтов в результате работы обратимых гидроагрегатов. Поскольку верхняя часть грунтового массива сложена плотными моренными суглинками, то очевидно, что процесс виброуплотнения должен происходить в других толщах, залегающих глубже. В связи с чем, возникает вопрос: насколько глубоко передаются колебания от основного источника на Загорской ГАЭС, от обратимых гидроагрегатов? Что способствует предполагаемому процессу внброуплотнения грунтов?

Анализ результатов сейсмометрических работ и привлечение информации о технических параметрах сооружений Загорской ГАЭС позволяет сделать вывод, что для территории гидроузла источник вибраций не является точечным. В данном случае мы имеем дело с распределённым источником вибрации шириной порядка 100 м и длиной около 800 м. Исходя из конструктивных особенностей устройства опор напорных трубопроводов, можно также заключить, что подземная часть распределённого источника вибраций имеет размеры 100 м в ширину и до 22 м в глубину. Таким образом, вполне вероятной может быть передача вибраций от работающих обратимых гидроагрегатов на значительную глубину и дополнительное виброуплотнение грунтов массива. Такой проводящий механизм передачи вибраций через буронабивпые сваи в основании ниток напорных трубопроводов на глубину более 20 м, хорошо объясняет, почему максимальные величины осадок поверхности грунтового массива наблюдаются, в первую очередь, именно для центральной зоны склона.

Не следует забывать о том, что водохранилища Загорской ГАЭС являются мощным региональным фактором воздействия на подземные воды. Расширение нижнего бассейна в русле р.Куньи и сооружение верхнего бассейна значительных объёмов обусловили дополнительное питание всех водоносных горизонтов, имеющих связь с поверхностными водами. Как показали проведённые исследования, изменение уровня подземных вод оказывает существенное влияние на деформационные процессы в грунтовом массиве. Зона влияния подпора может составлять десятки и сотни километров. [28] Не в последнюю очередь существенным является тот факт, что повышение уровня воды в безнапорных горизонтах может перевести их в напорные, что скажется на распределении давления внутри массива пород. Также водонасыщение до этого «сухих» пород ухудшит их прочностные и деформационные свойства.

В главе 1 были рассмотрены перспективы строительства ГАЭС в России. Среди приведённых объектов несколько планируется построить в южной части Московской синеклизы, в схожих с Загорской ГАЭС инженерно-геологических условиях. Инженерно-геологические условия в первую очередь обуславливают возможность развития тех или иных инженерно-геодинамических процессов в результате техногенных нагрузок от работы гидроаккумулирующей электростанции. Подобие условий строительства позволяет предположить аналогичный отклик геологической среды на техногенные нагрузки. Отсюда следует, что опыт ведения режимных наблюдений на Загорской ГАЭС может и должен быть перенят при разработке и внедрении проектов мониторинга для предполагаемых к строительству гидроаккумулирующих электростанций: Владимирской, Волоколамской, Центральной, Загорской ГАЭС-2.

Загорская ГАЭС, как и проектируемые в Европейской части России объекты, равнинного типа. Места расположения потенциальных площадок строительства представляют собой конечно-моренные гряды, ледниковые валы, берега глубоко врезанных долин. Аномальные превышения в рельефе сопровождаются сложными инженерно-геодинамическими процессами. Территория Загорской ГАЭС приурочена к одному из наиболее сложных участков с инженерно-геологической точки зрения. Поэтому особенно важно учесть опыт эксплуатации Загорской ГАЭС при проектировании, строительстве и эксплуатации объектов гидроаккумулирующей энергетики.

Итоги главы:

Для территории размещения Загорской ГАЭС наблюдается:

1.возникновение аномально высоких скоростей опускания поверхности в зоне размещения основных сооружений, в 3-8 раз превышающих средние скорости опускания поверхности, характерные для Московской синеклизы;

2.наличие техногенного распределённого источника вибраций размером в плане 100 на 800 м и заглублённого на 20 м;

3.непрерывное изменение вибрационного поля от фоновых значений, до величин, превышающих его в 5-50 раз;

4.непрерывное изменение напряжённо-деформированного состояния геологической среды с периодом 1 сутки. Масштабы процесса сопоставимы с размерами областей приложения нагрузки, т.е. как минимум радиус влияния составляет первые километры.

Следовательно, гидроаккумулирующая электростанция, построенная в неотектонически малоактивной центральной части Восточно-Европейской платформы провоцирует возникновение инженерно-геодинамнческих аномалий в зоне взаимодействия сооружения с геологической средой.

Наиболее существенным для безопасной эксплуатации ГАЭС является процесс проседания поверхности массива грунтов в области склона напорных трубопроводов, поскольку на нём расположены основные сооружения гидроузла. Комплексное изучение скрытых процессов, вызванных техногенными нагрузками Загорской ГАЭС, позволяет назвать причиной значительного проседания поверхности на данном участке виброуплотнение грунтов.

Заключение

Проведены комплексные научные исследования по влиянию техногенных нагрузок от работы Загорской ГАЭС на геологическую среду, возникновение и активизацию инженерно-геодинамических процессов в грунтовом массиве основания комплекса сооружений гидроузла. Получены следующие наиболее важные результаты:

1.Работа Загорской ГАЭС приводит к активизации инжеперно-геодипамических процессов в массиве грунтов склона напорных трубопроводов. Рассмотренные процессы во многих случаях носят циклический характер, часто с периодом 1 сутки, также наблюдаются процессы с более длительным периодом. Основные проявления инжеперно-геодинамических процессов:

- изменение напряэюённо-деформировапного состояния пород.

Проявляется в суточных горизонтальных смещениях струн обратных отвесов, синхронных с изменениями нагрузок (наполпепием-сработкой верхнего бассейна), смещение в сторону верхнего бассейна при увеличении уровня воды в верхнем бассейне, и наоборот. Учитывая режим работы Загорской ГАЭС, изменение напряжённо-деформированного состояния геологической среды происходит непрерывно с суточной периодичностью. Непрерывное изменение напряжённо-деформированного состояния геологической среды может привести к расслаблению структуры пород и появлению усталостного эффекта, который обусловит снижение устойчивости массива пород к динамическим нагрузкам.

Упорная призма реагирует на приложение нагрузок иначе. При заполнении верхнего бассейна струны обратных отвесов отклоняются в сторону нижнего бассейна, при сработке — в противоположную сторону. Заполнение верхнего бассейна провоцирует выдавливание «зелёных глин» сантонского яруса верхнего мела, что способствует увеличению нагрузки на упорную призму. Наклон струн обратных отвесов в сторону нижнего бассейна также свидетельствует о превосходстве величин нагрузок от выдавливаемых «зелёных глин» над нагрузкой от объёма перекачиваемой в верхний бассейн воды.

- возникновение и распространение в грунтовом массиве вибраций.

Причина - работа обратимых гидроагрегатов в машинном зале здания ГАЭС. В течение суток обратимые гидроагрегаты осуществляют работу то в насосном, то в генераторном режимах, в отдельные моменты времени они полностью выключены. Это обуславливает неравномерную вибрационную нагрузку на массив пород склона напорных трубопроводов. В результате максимальное воздействие наблюдается в режиме генератора на 3-ем ярусе вдоль потока (0,870 мкм); в режиме насоса на 3-ем ярусе вдоль потока (1,014 мкм). Колебания группируются возле основной частоты, определяемой частотой вращения обратимых гидроагрегатов (2,5 Гц), и 1-ой гармоники (5,0 Гц).

- колебания уровней воды в скважинах.

Наблюдается ярко выраженная суточная периодичность колебаний уровня подземных вод в скважинах, расположенных вне зоны влияния дренажной завесы и закономерность изменения уровня подземных вод и уровня воды в верхнем бассейне. Вероятно, суточное изменение напряжённо-деформированного состояния грунтового массива обуславливает деформацию порового пространства, в результате чего происходят колебания уровней в скважинах на 1-4 см в сутки.

- изменение наклонов поверхности грунтового массива на участке размещения здания водоприёмника.

Данные о наклонах, измеряемых вблизи основания здания водоприёмника, характеризуют наклоны поверхности массива пород в основании сооружения. Суточные наклоны подтверждают ежесуточное изменение напряжённо-деформированного состояния грунтового массива. Долговременный наклон и осадка здания водоприёмника в сторону нижнего бассейна косвенно подтверждают тенденцию опускания поверхности массива пород склона напорных трубопроводов, наблюдаемую геодезическими методами.

- сезонные изменениях интенсивности скрытых процессов.

Увеличении уровня подземных вод в моренном водоносном горизонте происходит в феврале-марте на величину до 2 м. Наблюдается существенное увеличение амплитуд горизонтальных смещений струн обратных отвесов в феврале-марте до десятых долей и первых миллиметров.

2.Комплексное компьютерное моделирование может опираться на высокоточные данные о суточных наклонах вблизи основания водоприёмника, характеризующие изменения наклонов поверхности массива пород под влиянием изменения уровней верхнего и нижнего бассейнов. Данный подход можно использовать для объектов, подобных Загорской ГАЭС, руководствуясь принципами применения метода и компоновки сети режимных наблюдений.

3.Загорская гидроаккумулирующая электростанция действительно оказывает существенное влияние на геологическую среду:

- для неотектонически малоактивной платформенной области района размещения Загорской ГАЭС наблюдается возникновение аномально высоких скоростей опускания поверхности в зоне размещения основных сооружений (до 8 мм/год), в 3-8 раз превышающих характерные для Московской синеклизы;

- выявлено наличие техногенного распределённого источника вибраций размером в плане 100 на 800 м и заглублённого на 20 м;

- обуславливает закономерное возникновение и распространение в геологической среде вибрационного поля, в 5-50 раз превышающего фоновые значения;

- провоцирует непрерывное изменение напряжённо-деформированного состояния геологической среды с периодом 1 сутки. Масштабы процесса сопоставимы с размерами областей приложения нагрузки, т.е. как минимум радиус влияния составляет первые километры.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Осика, Ирина Викторовна, Москва

1. A. A.Kozyrev, A. V.Lovchikov,V.I.Osika,E.I.Popov. Monitoring of present crustal movements in the Lovozero massif by high- precision methods // Journal of Geodynamics.- 1988. -№10. — C.263-274.

2. Ананьев В.П., Потапов А.Д. Инженерная геология. М.: Высш.шк., 2002. — 512с.

3. Аплонов С.В. Геодинамика: Учеб. пособие. СПб. Изд-во С.-Петербургского университета, 1993. — 108 с.

4. Артюшков Е.В. Геодинамика. — М.: Наука, 1979 — 356 с.

5. Бабурин Б.Л. Некоторые проблемы покрытия пиков нагрузки в энергосистемах страны и экономические предпосылки строительства ГАЭС // Энергетическое строительство. — 1971. -№1. — С.3-7.

6. Багмет A.JL, Блинов И.Ф., Осика В.И., Черненко В.Н. Результаты измерений наклонов устоев водоприёмника Загорской ГАЭС // Гидротехническое строительство. — 2005. №12. — С.38-49.

7. Белоусов В.В. Геотектоника. — М: Издательство Московского университета, 1976. — 336 с.

8. Бондарик Г.К. и др. Текстура и деформация глинистых пород. — М.: Недра, 1975. 168 с.

9. Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. Под ред. Н.И.Николаева. -М.: Наука, 1977.-388 с.

10. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. М. Изд-во Эдиториал УРСС. -1999.- 284 с.

11. Высокоточный комплексный мониторинг по изучению деформационных процессов в зонах расположения крупных инженерных сооружений (на примере Загорской ГАЭС). Научно-исследовательский отчёт / ООО «Ингеофинпроект»; рук. А.А.Генике. М. - 2007. -72 с.

12. Гарецкий Р.Г. Особенности тектоники и геодинамики Восточно-Европейской платформы // Лггасфера, Киев. 2007. - №2 (27). - С.3-13.

13. Геодинамический мониторинг гидротехнических сооружений Загорской ГАЭС с использованием высокоточных спутниковых наблюдений: Технический отчет /ООО «Ингеофинпроект»; рук. А.А.Генике. — М., 2007. — 51 с.

14. Геодипамический мониторинг гидротехнических сооружений Загорской ГАЭС с использованием высокоточных спутниковых наблюдений. Технический отчёт / ООО «Ингеофинпроект»; рук. А.А.Генике. М., 2007. — 58 с.

15. Геология СССР. Том IV. Центр Европейской части. Геологическое описание. Ред. Леоненко И.Н., соред. Шик С.М. М., Недра, 1971. - 744 с.

16. Гидроаккумулирующие электростанции. Под ред. Л.Б.Шейнмана. — М.: Энергия, 1978. — 184 с.

17. Грунтоведение. Под ред. Е.М. Сергеева. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГУ, 1983.-392 с.

18. Грызлов В.И. Деформометр ДКК-3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Тульская геофизическая обсерватория Института экспериментальной геофизики ОИФЗ РАН. М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 1997. - 62 с.

19. Грызлов В.И. Наклономер кварцевый. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Тульская геофизическая обсерватория Института экспериментальной геофизики ОИФЗ РАН. 1997.

20. Губин М.Ф. Гидроаккумулирующие электростанции. -М.: Изд-во ВИНИТИ, 1975. 164 с.

21. Гупта X., Растоги Б. Плотины и землетрясения. — М.: Мир, 1979. 278 с.

22. Дзеваньский Я. и др. Инженерно-геологические исследования при гидротехническом строительстве. М.: Недра, 1981,- 354 с.

23. Загорская гидроаккумулирующая электростанция на р.Куиье. Технический отчет о проектировании и строительстве. Альбом чертежей. М., 1999. — 42с.

24. Захаров А.С., Кочетков Б.М. Кварцевый наклономер с ёмкостным преобразователем // Гравиинерциальные исследования. М.: Наука, 1983. - С.27-34.

25. Зекцер И.С. Подземные воды как компонент окружающей среды. М.: Научный мир. — 2001.-328с.

26. Золотарев Г.С. и др. Проблемы инженерной геологии ГАЭС и водохранилищ с нестационарным уровенным режимом. М. — 1983. - 263с.

27. Золотарёв Г.С. и др. Учебное пособие по инженерной геологии. — М.: Изд-во МГУ, 1970. -384 с.

28. Золотарёв Г.С. Инженерная геодинамика. — М.: Изд-во МГУ. 1983. — 328 с.

29. Инженерно-геологические аспекты рационального использования и охраны геологической среды. Под ред. Е.М.Сергеева. — М.: Наука, 1981. — 156 с.

30. Инженерно-геологические изыскания для строительства гидротехнических сооружений. Под общей ред.Карпышева Е.С. — М.: Энергия, 1972. — 382 с.

31. Кароль Л.А. Гидравлическое аккумулирование энергии. — М.: Энергия, 1975. 168 с.

32. Комплексный геодинамический мониторинг в зоне расположения Загорской ГАЭС. Технический отчет // ООО «Ингеофинпроект»; рук. А.А.Генике. М. - 2004 г. - 63 с.

33. Котюжан А.И., Юдкевич А.И. Устойчивость склонов на Загорской ГАЭС: уроки изысканий, проектирования и строительства // Гидротехническое строительство. — 1988. -№6. С.22-28.

34. Кропоткин П.Н. Проблемы геодинамики // Тектоника в исследованиях Геологическогоин-та АН СССР. М., 1980. - С.176-247.

35. Методы покрытия пиков электрической нагрузки, под ред. Н. А. Караулова. М.: Наука. -1963.-214 с.

36. Мониторинг деформаций водоприёмника и склонов, вызванных динамическими нагрузками: Технический отчёт / ИФЗ РАН; рук. В.И.Осика. — М., 2003. 15 с.

37. Николаев Н.И. Неотектоника и ее выражение в структуре и рельефе территории СССР. -М.: Госгеолтехиздат. 1962. - 382 с.

38. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. М.: Недра, 1988. — 328 с.

39. Николаевский В.Н. Геомеханика и флюидодинамика. М.: Недра. — 1996. - 448с.

40. Осика В.И., Щеглаков В.В. Исследование долговременной стабильности короткобазисных кварцевых деформометров. // Сейсмические приборы. 2003. Вып. 39. С.8-12.

41. Отчет по наблюдениям за основными сооружениями Загорской ГАЭС группы наблюдений гидротехнического цеха в 2007 году / Загорская ГАЭС. 2007. - 261 с.

42. Оценка влияния работы гидроагрегатов и колебаний горизонта воды в бассейнах на динамическую устойчивость склонов и водоприёмника: Технический отчёт / ИФЗ РАН; рук. В.И,Осика. М., 2005. - 39 с.

43. Оценка влияния работы гидроагрегатов на динамическую неустойчивость склонов и водоприёмника: Технический отчёт / ИФЗ РАН; рук. В.И.Осика. — М. 2004. -14 с.

44. Оценка устойчивости водоприёмника и склона напорных трубопроводов: Технический отчёт / ИФЗ РАН; рук. В.И.Осика. М., 2006. - 20 с.

45. Перспективы развития гидроэнергетики России // Вести в электроэнергетике. №1, 2008.- С.25-29.

46. Проведение спутниковых измерений в осенне-зимних условиях и обобщение полученных результатов. Научно-исследовательский отчёт / ООО «Ингеофинпроект»; рук. А.А.Генике. М. - 2008. - 57 с.

47. Саввин Ю. М. Гидроаккумулирующие электростанции. M.-JI. — 1966. - 304 с.

48. Синюгин В.Ю., Магрук В.И., Родионов В.Г. Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике. — М.: ЭНАС. — 2008. — 352 с.

49. Современные проблемы геодинамики. Под ред Ч.Дрейка и Л.Шмидта. М.: Мир, 1984. 296 с.

50. Справочник по механике и динамике грунтов. Под ред. В.Б. Швеца. — К.: Будивельник, 1987.-232 с.

51. Стефанишин Д.В., Шульман С.Г. Проблемы надёжности гидротехнических сооружений.- СПб.: Изд-во ВНИИГ. 1991. - 52 с.

52. Технический паспорт гидротехнических сооружений Загорской гидроаккумулирующей электрической станции. Минэнерго Российской Федерации. РАО «ЕЭС России». ОАО «Мосэнерго». Загорская ГАЭС. Техархив ЗаГАЭС, Инв. №7-14. - М, 2002. - 352 с.

53. Техническое обслуживание комплекса наклономеров и деформометров, размещённых в здании водоприёмника: Технический отчёт / ИФЗ РАН; рук. В.И.Осика. — М., 2007. — 10 с.

54. Файн И.И. Развитие ГАЭС — как важнейший элемент повышения надёжности работы энергетических систем // Юбилейный сборник научных трудов Гидропроекта (1930-2000). Выпуск 159. М., 2000. - С.503-519.

55. Черненко В.Н. Исследования деформационных процессов Загорской ГАЭС спутниковыми методами // Геодезия и картография. — 2003 № 2 — с. 27-33.

56. Черненко B.II. Комплексные исследования на локальных геодипамических полигонах // Геопрофи. 2003 -№ 2 - с. 11-15.

57. Черненко В.Н. Научные основы разработки критериев безопасности гидротехнических сооружений гидроаккумулирующих электростанций с учетом влияния динамических воздействий: Автореферат канд. техн. наук. М., 2004. - 36 с.

58. Черненко В.Н. Научные основы разработки критериев безопасности гидротехнических сооружений гидроаккумулирующих электростанций с учётом влияния динамических воздействий //Диссер. на соискание учёной степени канд. техн. наук. — М., 2004. — 198 с.

59. Шадунц К.Ш., Рябов А.К. Исследование подвижек поверхностных слоев набухающих грунтов на склонах // Проблемы инженерной геодинамики. — Ташкент, 1974. С.41-46.

60. Шейнман Л.Б. Перспективы строительства ГАЭС в СССР. // Вопросы проектирования и строительства гидроаккумулирующих электростанций и создания обратимого энергооборудования. JL: Энергия, 1974. - с.4-14.

61. Юдахин Ф.Н. и др. Глубинное строение и современные геодинамические процессы в литосфере Восточно-Европейской платформы. Екатеринбург: типография УрО РАН. - 2003. -356 с.

62. Юдкевич А.И. Строение погребённой долины р.Куньи на участке возведения Загорской ГАЭС // Возраст и генезис переуглублений на шельфах и история речных долин. М. Наука, 1984. — С.128-130.

63. Юдкевич А.И. Феномены Загорской ГАЭС // Юбилейный сборник научных трудов Гидропроекта (1930-2000). Выпуск 159. М., 2000. - С.269-279.