Изучение причин нарушения эксплуатационного режима Плявиньской ГЭС для совершенствования инженерно-геологических исследований при разработке прогноза реальных ПТС

Любая природная система (ПС) обладает способностью к саморегуляции, то есть стремится к равновесному состоянию. При выведении системы из равновесного состояния,.у нее может быть только два пути развития:

1 Отторжение, уничтожение, ликвидация и тому подобные виды нарушения стабильности системы;

2 Адаптация к новым условиям, то есть достижение равновесия на новом уровне [58].

Одной из важных особенностей ПС можно считать то, что сразу после выведения из равновесия, их развитие идет одновременно по обоим путям, а конечный результат зависит от множества факторов, активизирующих или тормозящих те или иные процессы.

Гидротехнические сооружения занимают особое место среди инженерных сооружений по степени влияния на ПС, которое они оказывают в процессе строительства и эксплуатации. Это связано как с размерами сооружений, так и с масштабом изменений геологической среды: выемкой котлованов, созданием тяжелых сооружений, изменяющих напряженное состояние массива, наполнением водохранилища, влекущим изменения гидрологического и гидрогеологического режимов на значительной территории и т. п.

Именно в силу своей масштабности и глубины взаимодействия с окружающей природной средой и сроков существования эти сооружения становятся теми наиболее наглядными полигонами проявления процессов адаптации и отторжения искусственных объектов природной системой. При этом проявления и последствия этих процессов наиболее яркие и отмечаются именно на неблагополучных сооружениях. Следовательно, анализ нештатного развития событий на них и выявление причин его возникновения имеет важное значение в обеспечении современной и будущей безопасности конкретного сооружения и в повышении их надежности при проектировании.

Впервые попытку серьезного анализа причин аварий и катастроф на гидротехнических сооружениях предпринял профессор А. А. Гельфер в 1936 году [18]. Он собрал упоминания о более, чем 1000 аварий за 50 лет в период с 1880 года. Ввиду скудности и неоднозначности материалов статистический анализ был выполнен для 250 случаев разрушения гидротехнических сооружений.

В результате такого анализа автор пришел к выводу, что в первые полвека интенсивного гидротехнического строительства основными причинами разрушения плотин были «. геологические причины, в связи с дефектамив проектировке и производстве работ» [18, стр.113]. При этом автор отмечал, что: «Причины разрушений искусственных сооружений чрезвычайно разнообразны, а в большинстве случаев они индивидуальны» [18, стр.10]. Таким образом, уже более 70 лет назад считалось, что каждое гидротехническое сооружение индивидуально и по-своему взаимодействует с окружающей средой. Причем, главное место в этом взаимодействии отводилось именно окружающей среде: «Природа всегда так или иначе реагирует на борьбу с ее стихийными силами, стремясь разрушить или обойти те преграды и искусственные мероприятия человечества, которые нарушают веками сложившиеся условия равновесия выработанной геоморфологической структуры и стратиграфию местности» [18, стр.15]. g.

Позже А. А. Варга [12]со ссылками на зарубежных авторов приводит данные об авариях на гидротехнических сооружениях. По данным Степлдона из 9000 больших плотин, эксплуатировавшихся в мире в 1900;1965 годах, разрушилось около 1% и еще 2% претерпели серьезные повреждения. По данным Мюллера от одной трети до половины этих случаев связано с геологическими причинами, по информации Степлдона — больше половины, а Вагонера — около 80%.

А.А.Варга пришел к выводу, что: «. большинство аварий по „геологическим“ причинам обусловлено недостаточной согласованностью и взаимосвязанностью изыскательских и проектных работ, а также недостаточным учетом геологических данных и рекомендаций при проектировании и строительстве» [12, стр. 36].

Таким образом, правильная интерпретация геологической информации применительно, кконкретному типу проектируемого сооружения имеет важнейшее значение.

Анализ причин аварийных и нештатных ситуаций и катастроф на существующих эксплуатируемых сооружениях позволяет выявлять расхождения в прогнозных и фактических вариантах развития ПТС. Результатом этого анализа является разработка условий для нормализации работы сооружений и разработка рекомендаций по улучшению методик изысканий для гидротехнических сооружений.

Данная работа посвящена разработке подобного подхода при оценке современного состояния основания Плявиньской ГЭС и на его основе предложений по методике планирования и оценки результатов инженерно-геологических исследований.

Актуальность поставленной проблемы определяется тем, что с развитием человеческого общества возрастает его энергопотребление, причем, в геометрической прогрессии.

Этот процесс будет вынуждать человека создавать все более масштабные сооружения во все более неблагоприятных для этих целей условиях. В связи с этим вопрос о надежной эксплуатации этих сооружений будет стоять все более остро. В этом случае оценка основания как элемента природно-технической системы (ПТС), включающей наибольшее число неопределенностей (то есть факторов, не поддающихся строгой количественной оценке), станет определяющей при создании любых инженерных сооружений.

С практической точки зрения данная работа актуальна тем, что оценка современного состояния крупного гидротехнического сооружения, работающего в очень сложных инженерно-геологических условиях, базируется на анализе информации обратной связи.

Объектами исследования являются геологическая среда и инженерные сооружения, входящие в комплекс Плявиньского гидроузла.

При работе над диссертацией использовались понятия природной системы и природно-технической системы.

Под ПС понимается некоторый объем природной среды, включающей геологические и биологические элементы и процессы взаимодействия между ними, внутри себя определяющий условия для создания сферы взаимодействия [9, 11].

Природно-техническая система (ПТС), кроме выше названных элементов, включает в себя и искусственно созданный технический элемент.

Результатом взаимодействия между естественными и искусственными элементами системы является изменение ее состояния или инженерно-геологические процессы [9, 11, 31]. Причем, это ведет к изменению как естественных, так и искусственных элементов системы. В силу значительного превышения размеров природных элементов над искусственными элементами следует признать, что последние всегда будут играть подчиненную роль, хотя в некоторых случаях могут ощутимо повлиять на развитие ПТС.

В работе рассматривается два уровня ПТС:

— Первый охватывает объем геологической среды со всеми сооружениями гидроузла и частью водохранилища. На этом уровне рассматривается взаимоотношение между отдельными природными элементами до создания сооружения и между теми же природными и искусственнымиэлементами после создания сооружения.

— Второй уровень включает бетонные сооружения гидроузла с прилежащей частью водохранилища и массив основания. Причем условия на границах ПТС второго уровня определяются процессами в ПТС первого уровня.

Такое разделение на два уровня необходимо по следующим причинам:

1 Создание гидроузла с водохранилищем протяженностью более 40 км изменило гидрогеологические, инженерно-геологические, гидрологические, климатические и другие условия на большой территории.

2 Напорный фронт гидроузла протяженностью более трех километров состоит из различных типов подпорных сооружений, расположенных на основаниях, сложенных различными типами пород.

3 Наибольшие проблемы, связанные с безопасностью гидроузла имеют именно бетонные сооружения. Поэтому для удобства эта часть гидроузла с прилегающими частями водохранилища и зоны нижнего бьефа, а так же массивом их общего грунтового основания выделяется в отдельную ПТС «бетонные сооружения — грунтовое основание», которая входит составной частью в ПТС «гидроузел — природная среда».

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Проведена оценка современного состояния основания крупного гидротехнического сооружения после 37 лет эксплуатации.

2 Выполнено сравнение проектного и фактически реализованного сценария развития ПТС.

3 Разработана геологическая модель основания бетонных сооружений, позволяющая объяснить и описать все зафиксированные в настоящее время процессы и события.

4 Предложены новые цели для инженерных изысканий и новые критерии в оценке инженерно-геологической ситуации для целей строительства инженерных сооружений.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Процесс взаимной адаптации природной среды и инженерного сооружения продолжается в течение всего периода существования сооружения, что необходимо учитывать при проектировании.

2 В результате процесса адаптации геосистема приходит к равновесному состоянию, которое возможно в двух вариантах:

— с включением сооружения в геосистему с образованием ПТС;

— с отторжением сооружения и сохранением собственно геосистемы.

3 Целью инженерных изысканий должны стать направленная оценка ПС, в объеме которой предполагается возведение инженерного сооружения, для определения возможных вариантов развития будущей ПТС с выбором наиболее оптимального из них, включая вариант отказа от строительства.

4 Оценка условий строительства гидротехнических сооружений должна учитывать не только силовые характеристики ПТС (показатели свойств и фациальные разности грунтов, нагрузки и режим работы сооружений), но и динамику событий, а также характер процессов в сфере взаимодействия.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке геологической модели и концепции, позволяющие создать математическую модель системы «грунтовое основание — гидроузел» и на этой основе выполнить прогноз развития системы и апробировать различные варианты инженерных мероприятий для повышения безопасности основного энергогенерирующего объекта Латвии. Кроме того, показаны недостатки современных нормативных документов в части определения основных задач инженерных изысканий.

Основные положения диссертации представлялись дважды на научно-техническом совете Института Гидропроект в 1996 и 2000 годах, на XIII научной конференции изыскателей Гидропроекта в 2000 году г. Солнечногорск, на Международной конференции «Геотехника. Оценка состояния оснований и грунтовых сооружений» Санкт-Петербург, июнь 2001 года. Различные положения диссертации неоднократно докладывались автором на сессиях Международной экспертной комиссии, созданной Латвэнерго и Европейским Банком реконструкции и развития в 1996 году и работающей на регулярной основе по настоящее время. По теме диссертации имеются три публикации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и приложений. Основное содержание изложено на 224 страницах с 47 рисунками и 10 таблицами.

Заключение

.

На описанном примере Плявиньской ГЭС показано, что:

1 Процесс взаимной адаптации природной среды и инженерного сооружения продолжается в течение периода существования сооружения.

2 В результате процесса адаптации природная система всегда придет к равновесному состоянию, которое возможно в двух вариантах:

— с включением сооружения в природную систему с образованием природно-техннической системы;

— с отторжением сооружения и сохранением собственно природной системы.

3 Недоучет или пренебрежение в оценке направления, скорости и характера собственного развития ПС будет причиной недостаточной надежности сооружения.

4 Современная методика оценки ПС для целей строительства допускает вероятность ошибок в определении расчетных характеристик системы, компенсируя эти возможные ошибки введением в расчет различных коэффициентов. Однако, природа столь разнообразна, что может реализовать практически любое сочетание негативных факторов, сведя к нулю все поправочные коэффициенты. Конечно, вероятность таких сочетаний не велика, но реальна, и поэтому при увеличении объемов строительства и масштабов сооружений, риск возникновения аварийных ситуаций из-за недооценки природных условий будет постоянно увеличиваться.

5 Методику оценки состояния природной системы следует изменить таким образом, чтобы ответить на следующие вопросы:

— в каком состоянии находится ПС — интенсивного переформирования или квазиоднонаправленного развития?

— какова интенсивность и скорость процессов, происходящих в системе?

— в какую сторону подтолкнет систему создание сооружения, стабилизации или интенсификации переформирования?

— как соотносятся размеры сооружения и ПС, в которую оно вписывается?

— как будут влиять процессы, протекающие в ПС, на надежность сооружения?

— на сколько чувствительны отдельные элементы ПС к изменению ее состояния, и как изменение состояния отдельных элементов системы будет влиять на надежность будущего сооружения?

6 Результатом оценки состояния ПС должно быть выделение слабых элементов, оценка диапазона их возможных изменений и оценка условий, при которых такие изменения могут произойти.