Инжиниринговый
центр ГОЧС
26/01/2019

Безопасность гидротехнических сооружений. Стоячие волны в плотинах Богучанской и Чиркейской ГЭС

Еманов А. Ф., д-р техн. наук,

Бах А. А., ст. науч. сотр.
(Алтае-Саянский филиал Федерального Исследовательского Центра «Единая Геофизическая служба» Российской академии наук, г. Новосибирск),
Клецин В. И., канд. техн. наук, доц.
(ЗАО «Инжиниринговый центр «Базис», г. Москва)

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Плотина Богучанской ГЭС изучена методом стоячих волн. Выявлены четыре собственные частоты каменной плотины и установ‐ лен факт отсутствия резонансов в каменно‐насыпной части плотины. На собственных колебаниях плотины отражается блочное строение бетонной плотины. Так на частоте 3.222 Гц изучена первая мода станционной части плотины, а на частоте 3.515 Гц третья мода станционной и глухой частей плотины. Еще две стоячие волны являются шестой и восьмой модами для колебаний в бетонной плотине в целом. Полученные данные важны для экспериментального обоснования моделей плотины и для системы инже‐ нерно‐сейсмологического мониторинга.

Ключевые слова: гидротехнические сооружения, плотины ГЭС, собственные колебания, стоячие волны, сейсмостойкость, Ангара.

Метод стоячих волн [1] — [3], ос- нованный на свойстве когерентности во времени этого типа волн, обеспечил выделение в чистом виде стоячих волн из регистрируемого волнового поля и получения высокоточных данных о полном поле стоячих волн в зданиях и инженерных сооружениях, как правило, в виде карт амплитуд, карт фаз и карт когерентности по каждой собственной частоте объекта. Особенно эффективно применение данного метода в исследовании крупных по размерам объектов, какими являются плотины ГЭС. Такие объекты трудно раскачать искусственным источником колебаний, и именно плотины ГЭС испытывают сильнейшее сейсми- ческое воздействие от многих источников, и большая часть колебаний это шумы, которые необходимо подавить для получения высокоточных результатов. Большая эффективность изучения плотин ГЭС методом стоячих волн продемонстрирована на Саяно-Шушенской ГЭС [4], [5], на Красноярской ГЭС [6], на Зейской ГЭС [7]. Поле стоячих волн в каждой из плотин настолько уникально, что приходит понимание об уникальности самих этих инженерных сооружений.

В данной статье приведены данные об исследовании методом стоячих волн еще двух плотин: Богучанской ГЭС и Чир- кейской ГЭС.

Рисунок 1 — Богучанская ГЭС

Богучанская ГЭС (рисунок 1) послед- няя электростанция в Ангарском каскаде. Расположена в Красноярском крае примерно в 400 км от впадения Ангары в Ени- сей, в 10 км от г. Кодинск.

Напорный фронт Богучанской ГЭС длиной 2690м сформирован двумя пло- тинами: бетонной и каменно-набросной. Бетонная плотина длиной 828,7 м и наибольшей высотой 96м (отметка гребня 214,0м) состоит из глухой, станционной и водосбросной частей, которые, в свою очередь, разрезаны конструктивными деформационными швами на секции. Глухая часть плотины общей длиной 339,2 м состоит из 18 секций. В станционной части плотины длиной 270м (9 секций по 30м каждая) размещены водоприемники с затворами, а также напорные водоводы диаметром 10м для подачи воды к турбинам ГЭС. В теле плотины имеется несколько галерей. Каменно-набросная плотина имеет длину 1861,3 м, максимальную высоту 77м (отметка гребня 212,0м) и ширину по гребню 20 м.

Богучанская ГЭС является крупнейшим долгостроем среди гидроэлектростанций России. Ее проектирование начиналось в 60-е годы XX века. Строи- тельство начато в 80-е годы и запуск гидроагрегатов был осуществлен в 2013 г. Учитывая длительный период строительства, плотина ГЭС и ее скальное ос- нование изучались комплексом методов геофизики [8] — [10].

Рисунок 2 — Система наблюдений в бетонной плотине Богучанской ГЭС

В данной работе представлены инженерно-сейсмологические исследования плотины методом стоячих волн [1] — [3]. Данный метод зарекомендовал себя при исследовании крупных объектов и прежде всего плотин ГЭС как высокоточный и детальный в изучении серии резонансов, формирующихся в этих объектах [1], [4], [5], [7]. Метод стоячих волн позволяет обнаружить набор собственных частот плотины и для каждой из них построить карты амплитуд и фаз, что обеспечивает полное знание резонансного усиления колебаний плотины, позволяет выполнять диагностику ее состояния и является основой для верификации модели плотины по сопоставлению экспериментальных и расчетных данных. Измерения выполнялись как в бетонной плотине, так и на каменнонабросной.

Т а б л и ц а 1 — Собственные частоты колебаний бетонной плотины Богучанской ГЭС

Стоячие волны когерентны во времени, и это их свойство позволяет, выполняя регистрацию колебаний в одной или нескольких опорных точках и множестве подвижных, получить одновременные записи стоячих волн на сколь угодно плотной системе наблюдений в теле исследуемого объекта [1] — [3] и при этом осуществляется фильтрация волн по когерентности. На записях останутся только стоячие волны, что обеспечит высокую точность изучения собственных колебаний плотины.

На бетонной плотине измерения ми- кросейсмических колебаний выполнены в период с 17 по 20 декабря 2016 г. в 1014 точках по 7 уровням во внутренних галереях от цементационной на уровне 120м, до гребня плотины 214м. Для обработки массива данных по методу «Стоячих волн» в инженерной галерее (рисунок 2) на уровне 210 м было установлено 3 опорные точки. Система наблюдений приведена на рисунке 2.

Запись колебаний проводилась на автономные регистраторы «Байкал АСН-75» и «Байкал АСН-88». В качестве приемников колебаний применены пьезокерамические акселерометры фирмы «Геоакустика» А1632 и А1638. При про- ведении работ было задействовано 13 перемещаемых регистраторов. Время накопления на каждой точке 10 минут. Общее время проведения работ 4 дня. На грунтовой плотине измерения выпол- нены в 20 точках. Опорная точка одна, устанавливается на пикете (рисунке 4). Время регистрации на каждой точке — 30 мин.

В результате обработки всего масси- ва информации определены собственные частоты колебаний бетонной плотины, построены карты амплитуд собственных колебаний. Всего выделены четыре собственные частоты (таблица 1). Карты амплитуд с указанием направления колебаний даны на рисунке 3. Регистрируются только частоты собственных колебаний в направлении X, то есть по потоку в диапазоне частот от 3 до 6 Гц. Плотина Богу- чанской ГЭС гравитационная, массивная, состоит из глухой, станционной и водосбросной частей, которые, в свою очередь, разрезаны конструктивными деформационными швами на секции. Глухая часть плотины общей длиной 339,2м состоит из 18 секций: 11 секций (No0-10) сопрягают плотину с левым берегом, секция No23 располагается между водосбросами No1 и 2, в секции No29 размещался вре- менный шлюз, секции No30-34 обеспечивают сопряжение с каменно-набросной плотиной, образуя вместе с подпорными стенками верхнего и нижнего бьефа сопрягающий устой. В станционной части плотины длиной 270м (9 секций No11-19 длиной по 30м каждая) размещены водо- приемники с затворами и сороудержи- вающими решетками, а также напорные водоводы диаметром 10 м для подачи воды к турбинам ГЭС. Водосбросная часть пло- тины общей длиной 200м образует водо- сбросы No 1 и 2.

Рисунок 3 — Карты амплитуд стоячих волн в плотине Богучанской ГЭС


Собственных колебаний в направлении поперек потока и вертикальном не зарегистрировано.

Карты стоячих волн (рисунок 3) позволяют установить, что мы имеем дело с колебаниями первой моды с частотой 3.222 Гц, третьей моды с частотой 3.515 Гц, шестой моды с частотой 4.394 и восьмой моды с частотой 5.175 Гц. По картам опре- деляется, что стоячие волны сформирова- ны между разными пространственными границами. Так первая мода колебаний пространственно ограничена в станционной части плотины. Третья мода своей третьей пучностью выходит в глухую часть бетонной плотины. Шестая и восьмая моды сформированы в бетонной плотине в целом. Аналогичные эффекты формирования стоячих волн как в объекте в целом, так и в его частях фиксируются в сложных конструкциях зданий [11]. Такая особенность формирования поля стоячих волн указывает на присутствие отражающих границ внутри бетонной плотины.

При инженерно-сейсмологических исследованиях на каменно-набросной плотине Богучанской ГЭС получены сле- дующие результаты:

— собственных резонансных частот в каменно-набросной плотине не зафик- сировано;

— максимальная амплитуда микро- сейсмических колебаний наблюдается в зоне стыка каменно-набросной и бетон- ной плотин;

— в направлении X, по потоку в диа- пазоне частот 3-5 Гц в каменно-набросной плотине регистрируются колебания, связанные с излучением в нее бетонной пло- тины на резонансных частотах.

Амплитуды данных вибраций в каменно-набросной плотине плавно уменьшаются при удалении от бетон- ной плотины к береговому примыканию (1,8км). На рисунке 4 приведен график изменения амплитуд колебаний в каменно-набросной плотине, излучаемых в нее бетонной плотиной. На этом же рисунке приведена система наблюдений в каменно-набросной плотине.

Полученные экспериментальные данные о собственных колебаниях плотины Богучанской ГЭС являются основой для верификации моделей использующих- ся для расчета ее сейсмостойкости и являются важной информацией для систем инженерно-сейсмологического мониторинга данной плотины.

В декабре 1998 года специалистами ООО «Гидропроект» была обследована плотина Чиркейской ГЭС для определения собственных частот и форм поперечных колебаний. Трехканальными сейсмологическими станциями, укомплектованными датчиками СМ-3КВ, отработано 155 точек в теле плотины и на гребне, одновременно расставлялось от 9 до 18 датчиков. Система наблюдений представлена на рисунке 5. Для увязки данных одновременно записывались колебания в контрольной точке, установленной на гребне плотины в пределах скалы на правом берегу. Ма- териалы по этим работам были любезно предоставлены авторам данной работы А. И. Савичем.


Рисунок 4 — Каменно-набросная плотина и амплитуды колебаний излучаемых в нее бетонной плотиной Богучанской ГЭС

Чиркейская ГЭС расположена на реке Сулак в Буйнакском районе Дагестана. Самая мощная гидроэлектростанция на Северном Кавказе. Имеет вторую по высоте плотину в России и самую высокую в стране арочную плотину. Бетонная арочная плотина имеет длину по гребню 338 м и наибольшую высоту 232,5 м.Пункты регистрации расположены вдоль галерей с шагом в 10м, соответственно на гребне плотины мы имеем 35 точек, еще меньше — 28 установлено было на 315-ом уровне. По опыту работ на Саяно-Шушенской ГЭС известно, что высшие формы колебаний не проникают глубоко к основанию плотины, а располагаются на верхних уровнях, и если необходимо определить геометрическую форму стоячей волны, то нужно исходить из условия 6-7 точек наблюдения на пространственный период колебания. В данном случае, имея 35 точек регистрации на галерее, мы не можем детально изучать стоячие волны кратностью не выше шестой.

Поскольку измерения выполнялись без ориентировки на метод стоячих волн, то неудачно поставлена контрольная точка, так как она вынесена далеко от плотины на береговую скалу, где колебания на собственных частотах затухают. В то же время дополнительно регистрируются шумы, которых нет в плотине. Пони- женная когерентность во времени между записями в опорной точки и записями внутри платины в данном случае привели к снижению точности изучения стоячих волн, но данный факт частично компен- сировался большой длиной записи в каждой точки (40 мин).

На рисунке 6 представлены спектры радиальных колебаний стоячих волн на одной из галерей плотины Чиркейской ГЭС. Удивительно, но нам не удалось выделить первую моду поперечных колебаний, либо она лежит по частоте настолько близко ко второй, что они не разделяются, либо имеет очень маленькую амплитуду.

Карты амплитуд наиболее уверенно выделяемых стоячих волн представлены на рисунке 7. Первая мода была отфильтрована как подстилающая второй моды. Малая разность частот между этими модами не позволила отделить ее без влияния второй моды, что отражается в пониженных амплитудах в центральной части карты амплитуд. По двумерной интерпретации мода может быть интерпретирована как (1.1), первая по горизонтали и первая по вертикали.

Рисунок 5 — Чиркейская ГЭС. Карта фактического материала

Вторая мода является наиболее интенсивной стоячей волной в плотине Чиркейской ГЭС. Ее пространственная структура соответствует моде (2.1). Вторая по горизонтали и первая по вертикали. На частоте 3,662 Гц мы получили третью моду, интерпретация карты которой может быть представлена как (3.1). Третья по горизонтали и первая по вертикали. Наконец на частоте 4,105 Гц мы получили моду интерпретация геометрической формы, которой дают представление о ней как моды (3.2). Третья по горизонтали и вторая по вертикали. Следует отметить, что третья кратность по верху не вызывает сомнение, вторая кратность по вертикали тоже явно выраженная, а вот по низу плотины мы видим уменьшение горизонтальной кратности до двух из-за сужения плотины к низу. Подобные эффекты обнаруживались на плотине Саяно-Шу- шенской ГЭС [5].

Рисунок 6 — Спектры поперечных колебаний Чиркейской ГЭС на уровне 358 м:

А — спектры приведены к контрольной точке; Б — эти же спектры после двумерной фильтрации


Рисунок 7 — Карты амплитуд скоростей смещений поперечных колебаний на собственных частотах плотины Чиркейской ГЭС: А — 2.088Гц (мода 1.1); Б — 2.228Гц (мода 2.1); В — 3.663Гц (мода 3.1); Г — 4.105Гц (мода 3.2)

По результатам исследования двух плотин мы видим существенные отличия полей стоячих волн и уникальность возникающих при этом резонансных усилений колебаний. Выявленные особенности невозможно предугадать и вложить в расчетные модели, необходимые для эксплуатации и оценки сейсмостойкости при сейсмических воздействиях. Верификация расчетных моделей столь уникальных сооружений как плотины ГЭС требует проведения исследований методом стоячих волн.

Библиография

1 Еманов А.Ф., Селезнев В.С., Кузьменко А. П., Гриценко С. А., Сабуров В. А., Данилов И.А., Бах А.А. Детальные инженерно‐сейсмологические исследования зданий и сооружений./В кн.: Методы изучения, строение и мониторинг литосферы. — Новосибирск: Изд‐во СО РАН. 1998. С. 61‐72.

2 Еманов А. Ф, Cелезнев В. C, Бах А. А. Гри‐ ценкоС.А.,Данилов И.А.,КузьменкоА.П., Сабуров В. С., Татьков Г. И. Пересчет сто‐ ячих волн при детальных инженерно‐сейсмологических исследованиях. // Геология и геофизика. 2002. No 2. С. 192‐206.

3 ЕмановА.Ф,CелезневВ.C,БахА.А.Ко‐ герентное восстановление полей стоячих волн как основа детального сейсмологического обследования зданий и сооружений. // Сейсмостойкое строительство. Безопас‐ ность сооружений. 2007. No 3. С. 20‐24.

4 Селезнев В. С., Кузьменко А. П., Ема‐ нов А.Ф., Сабуров В.А., Барышев В.Г., ДаниловИ.А.,Бах А.А. Возможности и результаты инженерно‐сейсмологического обследования зданий и сооружений./В кн.: Методы изучения, строение и монито‐ ринг литосферы. — Новосибирск: Изд‐ во СО РАН. 1998. С. 98‐104.

5 Еманов А. Ф., Бах А. А., Данилов И. А., Дергачев А. А., Селезнев В. С., Толоши‐ нов А. В., Булатов В. А. Детальные инженерно‐сейсмологические исследования плотины Саяно‐Шушенской ГЭС. // Вестник Красноярской государственной архитектурно‐строительной академии: Сб. науч. тр. Вып. 6/Под ред. В.Д. Наделяева. — Красноярск: КрасГАСА. 2003. С. 86‐108.

6 Еманов А.Ф. Восстановление когерентных составляющих волновых полей в сейсмике: автореферат дис. ... доктора технических наук: 25.00.10. / Объед. ин‐т геологии, геофизики и минералогии СО РАН. – Новосибирск: 2004. 35 с.

7 Кузьменко А.П.Сабуров В.С.,Бах А.А., Данилов И. А., Потехин Н. В. Результаты инженерно‐сейсмологического обследова‐ ния Зейской ГЭС./Проблемы региональной геофизики. Материалы геофизической конференции посвященной 70‐летию со дня рождения С. В. Крылова. 2001. С. 81.83.

8 Савич А.И., Речитский В.И., Замаха‐ евА.М.,Пудов К.О.Комплексные исследования деформационных свойств массива долеритов в основании бетонной плоти‐ ны Богучанской ГЭС. // Гидротехническое строительство. 2011. No 3. С. 12‐22.

9 Вавилова В. К., Юрьев С. В. Обеспечение надежности бетонной плотины Богучанской ГЭС на основе контроля состояния контактного шва со стороны верховой грани. // Вестник МГСУ. 2013. No 7. С. 157‐166.

10 Анискин Н. А., Василевская Л. С., Антонов А.С. Комплекс геофизических методов для оценки качества бетонирования при строительстве Богучанской ГЭС. // Вестник МГСУ. 2017. No 9. С. 1019‐1026.

11 Еманов А.Ф.,Красников А.А.Применение метода стоячих волн для исследования сейсмоизолированных зданий. // Вопросы инженерной сейсмологии. 2015. Т. 42. No4. С. 37‐64.