Энерговектор
О насНовостиНаука и технологииСтратегияАрхив

Вода камень точит

05.06.2017, Анна Марченко, руководитель группы наблюдений за ГТС ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго»
Фильтрация и методы борьбы с ней как факторы безопасности гидротехнических сооружений ГЭС

Плотины ГЭС сдерживают огромные массы воды, отчего кажутся нерушимыми гигантами. Но, как говорится, вода всегда найдёт себе дорогу. Чаще всего в основании плотин залегают нескальные водопроницаемые породы, через поры и трещины в которых вода незаметно пробивает себе путь, постоянно двигаясь из верхнего бьефа в нижний. Кроме того, под напором вода фильтруется (просачивается) и через само тело плотины. Неконтролируемая фильтрация способна разрушить огромную плотину в считанные дни. Чтобы избежать подобных катастрофических последствий, гидростроители включают в плотины противофильтрационные элементы и дренаж, о которых мы и расскажем сегодня.

 

Сила воды

В зависимости от характера воздействия на речной поток гидротехнические сооружения подразделяются на группы, из которых наиболее важны: водоподпорные, руслорегулирующие, водопроводящие, судо- и водопропускные (водосбросные). Плотины гидроэлектростанций относятся к водоподпорным сооружениям (подробнее о видах плотин ГЭС мы писали в сентябрьском «Энерговекторе» за 2013 г. на с. 11). Они перегораживают русла рек, тем самым существенно меняя уровень воды в потоке, и создают подпор - разницу уровней воды до и после гидротехнического сооружения. Поток выше по течению плотины называют верхним бьефом, ниже по течению - нижним бьефом.

Говорят, всякое действие рождает противодействие. Изменение водного режима в зоне подпора существенно влияет на природно-климатические и гидрогеологические условия района, где расположена плотина. Меняется режим подземных вод, воды верхнего бьефа постепенно насыщают грунт на берегах, что может привести к подтоплению и заболачиванию прилегающих земель, если не проводить берегоукрепительные работы. Кроме того, фильтрация может вызвать значительные потери воды из водохранилища, привести к выпиранию грунтов или суффозионному выносу их частиц из основания и тела плотины. В зоне вечной мерзлоты под воздействием воды, имеющей положительную температуру, оттаивают донные грунты в основании плотин. При этом грунты теряют свою прочность и становятся более водопроницаемыми.

Насколько это опасно? Статистика показывает, что более половины всех аварий на гидротехнических сооружениях в мире произошли из-за неконтролируемой фильтрации. Так, например, в 1976 г. в США обрушилась грунтовая плотина Тэтон высотой 93 м. Это случилось сразу после начального заполнения водохранилища из-за повышенной фильтрации через водопроницаемые породы в основании плотины (сильнотрещиноватый риолитовый туф). По результатам расследования выяснилось, что причиной катастрофы стали ошибки в конструировании плотины и недостаточность противофильтрационных мероприятий.

 

Ядра и экраны

Каждая плотина ГЭС уникальна. Невозможно найти две одинаковые реки и два идентичных створа. «Поведение» плотины зависит от климатических, гидрогеологических, геодинамических и других природных условий. Их объективный учёт при проектировании, строительстве и эксплуатации определяет степень надёжности гидросооружений на долгие годы.

Поэтому при проектировании плотин проводится доскональный фильтрационный расчёт, цель которого - установление безопасных положений кривой депрессии (линии, которая характеризует уровень грунтовых вод в вертикальной плоскости, проведённой по направлению их движения) в теле плотины, а также определение градиента фильтрационного потока, величины фильтрационных скоростей и расхода через тело плотины и её основание. На базе этих расчётов принимается решение о способе контроля фильтрации.

Противофильтрационные структуры для грунтовых плотин чаще всего выполняют в виде грунтовых ядер или экранов, а также инъекционных завес из полимерных материалов. Экраны располагают со стороны верхового откоса, благодаря чему обеспечивается осушение большей части тела плотины. Экраны могут быть пластичными, изготовленными из суглинков и глины или полимеров. В России подобные элементы в конструкции имеет, например, плотина Вилюйской ГЭС, построенная в чрезвычайно суровых условиях вечной мерзлоты. Многие конструктивные решения здесь отрабатывались впервые. Так, укладка тела плотины специально производилась зимой, и теперь плотина круглогодично имеет внутреннюю температуру -5,5 °С.

Помимо пластичных существуют экраны жёсткие, которые могут быть изготовлены из бетона, железо-, асфальтобетона, дерева или металла (их содержат, например, плотины Камбаратинской, Широковской ГЭС и др.).

Рис. 1. Будущее бетонное ядро плотины

В отличие от экрана, противофильтрационное ядро располагается в центральной части поперечного профиля плотины (рис. 1.) Оно есть, например, в плотинах Серебрянской, Колымской, Иркутской ГЭС. Преимущество ядра по сравнению с экраном в том, что оно меньше подвержено опасным деформациям, поскольку опирается непосредственно на основание и как бы сдавливается боковыми призмами плотины, которые хорошо защищают его от внешних воздействий.

 

Завесы и стены

Ещё один способ замедлить фильтрацию (путём удлинения её пути) - установка глубокой противофильтрационной завесы, которая применяется при наличии большого слоя наносных отложений, а также в сильнотрещиноватых скальных породах. В обоих случаях завеса может быть создана следующими способами или их комбинацией: цементацией, глинизацией, холодной и горячей битумизацией и силикатизацией. Для создания завесы бурят скважины диаметром 50-150 мм, которые располагают в шахматном порядке в два, иногда в три ряда и более. В скважины нагнетают противофильтрационные материалы (рис. 2). Получается что-то вроде расчёски для матушки-Земли.

Рис. 2. Противофильтрационная завеса

Самая мощная из построенных противофильтрационных завес в мире сооружена в основании Асуанской плотины. Завеса перекрывает толщу аллювиальных отложений в русловой части р. Нила на глубине 250 м, считая от основания ядра плотины, и имеет протяжённость 560 м.

Помимо противофильтрационных завес одним из эффективных способов перекрытия фильтрационных потоков сегодня считают устройство зубьев-стенок или стенок-диафрагм из грунтоцементной смеси, выполняемых по технологии «стена в грунте». Первую такую «стену» возвели в Калифорнии в 1948 г., в Европе - в начале 1950-х гг., а в СССР - в 1959 г. на Чурубай-Нуринской плотине.

Подобные «стены» формируют поэлементно, отдельными панелями или скважинами, заполненными фильтрационноустойчивыми материалами. В 2016 г. на строящейся Нижне-Бурейской ГЭС впервые в нашей стране соорудили «стену в грунте», пробурив 417 основных и 47 дополнительных скважин, которые были заполнены глиноцементобетоном. Образовавшиеся сваи, соприкасаясь друг с другом, создали практически непроницаемую стену, которая будет препятствовать фильтрации воды через плотину.

 

Собрать и отвести

Однако противофильтрационные сооружения не перекрывают пути воде полностью. На равнинах плотины ГЭС зачастую и вовсе имеют однородную структуру без экранов или ядер, как, например, плотина Цимлянской ГЭС ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго», полностью намытая из песка. Для устойчивости таким гидротехническим сооружениям придают «распластанный» профиль - отношение их ширины к высоте весьма велико.

Рис. 3. Трубчатый горизонтальный дренаж

Кроме того, для снижения фильтрационного давления грунтовых вод, защиты сооружения и его основания от размыва фильтрационным потоком и организованного отвода профильтровавшейся воды в низовой части плотины устраивается дренаж в виде дренажной призмы, дренажного тюфяка, наслонного, трубчатого дренажа (рис. 3) или их комбинации. Профильтровавшаяся вода собирается в сборные канавы у подножия плотины и по сбросным канавам отводится в русло реки.

 

* * *

Гидротехнические сооружения - важнейшая часть инфраструктуры гидроэнергетики. Подобно тому, как человек не может существовать без скелета, ГЭС не могут обходиться без гидротехнических сооружений. На всех ГЭС нужно постоянно отслеживать положения кривой депрессии, скорость и объём фильтрации через тело и основание плотины. От качества этих наблюдений зависит безопасность гидротехнических сооружений ГЭС и лежащих ниже по течению населённых пунктов.



 

Редакция

Главный редактор: Иван Рогожкин
Консультант: Людмила Зимина
Корректор: Анатолий Печейкин
Дизайнер: Мария Хомутская
Руководитель проекта:
Максим Родионов

Контакты

Россия, 101000,
г. Москва, а/я 230.
Тел.: +7 (916) 422-95-19
Web-site: www.enegrovector.com
E-mail: oilru.com
facebook.com/energovector


©2011-2017. Ежемесячная газета «Энерговектор». Все права защищены.