Применение методики АО «Ленгидропроект» для регулирования режима наполнения водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС с учетом температурного состояния плотины
|
Аннотация 2
Автореферат 3
Ведение 10
1 Состояние напорной грани плотины Саяно-Шушенской ГЭС, во время строительства и эксплуатации 14
1.1 Ремонтные работы в напорной грани плотины СШГЭС 16
1.2 Способы и целесообразность контроля за восстановленной зоной
напорной грани, а также оценка ее состояния на отметках 344 - 359 м 20
1.3 Построение и оценка состояния температурного поля плотины
СШГЭС для оперативного контроля 23
2 Контроль работы плотины СШГЭС с учетом температурного фактора в
процессе наполнения-сработки водохранилища 27
2.1 Контроль состояния плотины СШГЭС в период наполнения
водохранилища в 2015 г 31
2.2 Контроль состояния плотины СШГЭС в период сработки
водохранилища в 2015 г 41
2.3 Общая оценка состояния сооружения в период регулирования
водохранилища в 2015 году 44
3 Характеристика работы плотины в результате изменения УВБ и
температурных условий в процессе наполнения и начального периода сработки водохранилища в 2016 г 46
3.1 Анализ эффективности методики АО «Ленгидропроект» по контролю
состояния плотины СШГЭС на примере периода наполнения водохранилища в 2016 г 48
3.2 Обобщение исследований о безопасной эксплуатации напорной грани путем оперативного взаимодействия СМГТС Саяно-Шушенской ГЭС и АО «Ленгидропроект» 55
Заключение 57
Список использованных источников 58
Приложения А-Г
Автореферат 3
Ведение 10
1 Состояние напорной грани плотины Саяно-Шушенской ГЭС, во время строительства и эксплуатации 14
1.1 Ремонтные работы в напорной грани плотины СШГЭС 16
1.2 Способы и целесообразность контроля за восстановленной зоной
напорной грани, а также оценка ее состояния на отметках 344 - 359 м 20
1.3 Построение и оценка состояния температурного поля плотины
СШГЭС для оперативного контроля 23
2 Контроль работы плотины СШГЭС с учетом температурного фактора в
процессе наполнения-сработки водохранилища 27
2.1 Контроль состояния плотины СШГЭС в период наполнения
водохранилища в 2015 г 31
2.2 Контроль состояния плотины СШГЭС в период сработки
водохранилища в 2015 г 41
2.3 Общая оценка состояния сооружения в период регулирования
водохранилища в 2015 году 44
3 Характеристика работы плотины в результате изменения УВБ и
температурных условий в процессе наполнения и начального периода сработки водохранилища в 2016 г 46
3.1 Анализ эффективности методики АО «Ленгидропроект» по контролю
состояния плотины СШГЭС на примере периода наполнения водохранилища в 2016 г 48
3.2 Обобщение исследований о безопасной эксплуатации напорной грани путем оперативного взаимодействия СМГТС Саяно-Шушенской ГЭС и АО «Ленгидропроект» 55
Заключение 57
Список использованных источников 58
Приложения А-Г
Саяно-Шушенская гидроэлектростанция расположена в верхнем течении реки Енисей. Установленная мощность ГЭС составляет 6400 МВт. Среднегодовая выработка электроэнергии составляет 22,8 млрд.кВт ■ ч. Саяно-Шушенская ГЭС крупнейшая по установленной мощности электростанция России [1].
Климат района строительства СШГЭС резко континентальный. Максимальная температура воздуха в июле составляет +40 °C, минимальная температура в январе -44 °C, среднегодовая температура составляет +0,8 °C. Гидроэлектростанция располагается у выхода реки Енисей в Минусинскую котловину.
Учитывая масштабы сооружения, климатические условия в выбранном месте строительства, Саяно-Шушенская ГЭС является уникальным в своем роде сооружением.
Площадь водосбора бассейна реки равен 179900 км 2. Среднемноголетний сток в створе ГЭС 46,7 к м 3.
Полная емкость и площадь водохранилища составляют 31,3 к м 3 и 624 км2 соответственно.
Расчетный расход через сооружения СШГЭС при обеспеченности 0,01% составляет 13300 м 3 /с.
В состав основных сооружений Саяно-Шушенской ГЭС входит арочно-гравитационная плотина, высота и длина которой по гребню составляет 245 и 1066 м соответственно. Ширина плотины по основанию составляет 105,7 м, по гребню — 25 м.
В плане, в верхней 80-метровой части, плотина представляет собой круговую арку, имеющую по верховой грани радиус 600 м и центральный угол 102° Нижняя часть представлена в виде трехцентровой арки. Центральная часть плотины образуется арками, с углом охвата 37 о, аналогичными верхним.
Напорная грань в нижней части в пределах 50 м имеет плавную подрезку, которая у основания достигает 5 м. Низовая грань имеет переменный уклон, в верхней части уклон составляет 1:0,05, в средней и нижней 1:0,25 и 1:0,7 соответственно.
В водосбросной плотине устроено 11 водосбросных отверстий, водоприемники заглублены на 61 м относительно отметки НПУ.
По оси сооружений плотина разделена на секции, шириной 15.8 м, температурно-усадочными швами. Секции включают в себя 4 столба, длина которых в плане составляет 27 м. На расстоянии 10-18 м от напорной грани в теле плотины выполнен горизонтальный дренаж.
Общее количество бетона уложенного в плотину составляет 9075 тыс.м3.
Основание плотины сложено крепкими глубоко метаморфизованными кристаллическими сланцами протерозоя [1]. В основании плотины создана глубокая цементационная завеса до 100 м в русле реки, под верховой гранью плотины до 60 метров выполнена сопрягающая цементация, под низовым клином в русловой части плотины глубиной до 30 м и до 20 метров в береговых частях выполнена укрепительная цементация. В русле и берегах с наклоном в сторону нижнего бьефа выполнен однорядный дренаж с глубиной от 50 до 80 м.
СШГЭС построена в период 1972-1989 гг. Первый гидроагрегат был пущен в 1978 году на напоре 60 м. В 1990 г. напор достиг проектной величины при наполнении водохранилища до нормального подпорного уровня 540 м.
В процессе возведения сооружения и в период начальной эксплуатации было выявлено отклонение работы плотины от проектных расчетов.
В целях недопущения возникновения растягивающих напряжений в нижней части напорной грани были разработаны специальные конструктивные решения по снижению распространения зоны растяжения: армирование локальных зон, гидроизоляция верховой грани, устройство шпонок. Гидроизоляция была выполнена в небольшом объеме и в очень сжатые сроки (с 01.09 по 02.10.1975) до отметки 324 м на водосливной плотине перед затоплением ее котлована. На станционной плотине были выполнены только опытные работы по заклейке 5-ти трещин (из 10 обнаруженных), следовательно, реальная зона растяжения напорной грани не была защищена гидроизоляцией. В результате данные меры оказались неэффективными и еще в период строительства вызвали сомнения в правильности проектных предположений. Так, на контакте плотины с основанием со стороны верховой грани возникла зона разуплотнения скалы и образовалась трещина, глубина проникновения которой достигала 30 м. Кроме нарушения «сплошности» по контакту плотины с основанием на отметках 344 - 359 м (выше контакта плотины с основанием на 40 м) со стороны верховой грани образовались горизонтальные магистральные трещины глубиной до 20 м [2].
Работы по ликвидации повышенных фильтрационных расходов были начаты в 1991 г и продолжались по 1994 гг. При этом применялись не только цементные, но и цементно-бентонитовые, цементно-силикатные растворы, а также гидроизоляционный материал аквизол. Цементный раствор выносило большим потоком воды из инъецируемых зон, следовательно, было необходимо найти новые технологии по восстановлению напорной грани. В 1993 г. был заключен договор между ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС» и французской фирмой «Солетанш» о возможности применения их технологий по снижению фильтрации воды через бетон плотины. Опытно-промышленные работы по восстановлению растянутой зоны бетона в секциях 23, 24 было начато в осенний период 1995 г. Работы по восстановлению напорной грани были завершены 12.11.1996 г, и в результате произошло почти полное подавление фильтрационных расходов воды (больше 98%).
Работы по восстановлению монолитности напорной грани плотины оказали влияние на напряженно-деформированное состояние системы плотина- основание. Важным представляется проведенный совместный анализ изменения показаний экстензометров, установленных в зоне нагнетания растворов, и деформометров, по которым контролировалась область бетонных массивов выше и ниже трещиноватой зоны в период ее инъектирования [1]. в зоне работ произошло повышение углов наклона плотины на отметке 359 м и выше в направлении нижнего бьефа, а также в направлении верхнего бьефа на отметке 308 м.
По показаниям продольных гидронивелиров, в процессе восстановительных ремонтов был замечен рост осадок на отметках 308 — 315 м и 344 м.
В целях обеспечения сохранности восстановленной зоны на отметках 344 - 359 м, а также устранения возможности развития деструктивных процессов в плотине и основании, были введены ограничения по режиму наполнения водохранилища. Эти ограничения заключались были следующими: в мае-июне УВБ <355,0 м; в июле УВБ <536,0 м; в августе-сентябре УВБ <538,0 м; в конце сентября-октябре УВБ <539 м. Таким образом, отметки НПУ и ФПУ были снижены на 1 метр. Помимо этого было принято решение о предельно допустимых скоростях наполнения водохранилища: в диапазоне отметок 520,0 м — 530,0 м - до 1,5м/с; в диапазоне отметок 530,0 м - не более 0,7 м/сут. Основным недостатком данных ограничений является то, что ограничения по скорости привязаны только к контрольным отметкам УВБ, а также не учитываются фактические сроки заполнения водохранилища до указанных отметок, зависящих от показателей пригодности данного года и температурного состояния сооружения на рассматриваемый момент времени. В этой связи, необходимо вести постоянный строгий контроль состояния сооружения. На основании этого межу АО «Ленгидропроект» и Саяно¬Шушенской ГЭС был заключен договор о «Проведении оперативного контроля работы плотины СШГЭС в процессе наполнения водохранилища и его сработки на основе конечно-элементного анализа с учетом данных натурных наблюдений», целью которого является выработка рекомендаций по изменению режима наполнения водохранилища
Климат района строительства СШГЭС резко континентальный. Максимальная температура воздуха в июле составляет +40 °C, минимальная температура в январе -44 °C, среднегодовая температура составляет +0,8 °C. Гидроэлектростанция располагается у выхода реки Енисей в Минусинскую котловину.
Учитывая масштабы сооружения, климатические условия в выбранном месте строительства, Саяно-Шушенская ГЭС является уникальным в своем роде сооружением.
Площадь водосбора бассейна реки равен 179900 км 2. Среднемноголетний сток в створе ГЭС 46,7 к м 3.
Полная емкость и площадь водохранилища составляют 31,3 к м 3 и 624 км2 соответственно.
Расчетный расход через сооружения СШГЭС при обеспеченности 0,01% составляет 13300 м 3 /с.
В состав основных сооружений Саяно-Шушенской ГЭС входит арочно-гравитационная плотина, высота и длина которой по гребню составляет 245 и 1066 м соответственно. Ширина плотины по основанию составляет 105,7 м, по гребню — 25 м.
В плане, в верхней 80-метровой части, плотина представляет собой круговую арку, имеющую по верховой грани радиус 600 м и центральный угол 102° Нижняя часть представлена в виде трехцентровой арки. Центральная часть плотины образуется арками, с углом охвата 37 о, аналогичными верхним.
Напорная грань в нижней части в пределах 50 м имеет плавную подрезку, которая у основания достигает 5 м. Низовая грань имеет переменный уклон, в верхней части уклон составляет 1:0,05, в средней и нижней 1:0,25 и 1:0,7 соответственно.
В водосбросной плотине устроено 11 водосбросных отверстий, водоприемники заглублены на 61 м относительно отметки НПУ.
По оси сооружений плотина разделена на секции, шириной 15.8 м, температурно-усадочными швами. Секции включают в себя 4 столба, длина которых в плане составляет 27 м. На расстоянии 10-18 м от напорной грани в теле плотины выполнен горизонтальный дренаж.
Общее количество бетона уложенного в плотину составляет 9075 тыс.м3.
Основание плотины сложено крепкими глубоко метаморфизованными кристаллическими сланцами протерозоя [1]. В основании плотины создана глубокая цементационная завеса до 100 м в русле реки, под верховой гранью плотины до 60 метров выполнена сопрягающая цементация, под низовым клином в русловой части плотины глубиной до 30 м и до 20 метров в береговых частях выполнена укрепительная цементация. В русле и берегах с наклоном в сторону нижнего бьефа выполнен однорядный дренаж с глубиной от 50 до 80 м.
СШГЭС построена в период 1972-1989 гг. Первый гидроагрегат был пущен в 1978 году на напоре 60 м. В 1990 г. напор достиг проектной величины при наполнении водохранилища до нормального подпорного уровня 540 м.
В процессе возведения сооружения и в период начальной эксплуатации было выявлено отклонение работы плотины от проектных расчетов.
В целях недопущения возникновения растягивающих напряжений в нижней части напорной грани были разработаны специальные конструктивные решения по снижению распространения зоны растяжения: армирование локальных зон, гидроизоляция верховой грани, устройство шпонок. Гидроизоляция была выполнена в небольшом объеме и в очень сжатые сроки (с 01.09 по 02.10.1975) до отметки 324 м на водосливной плотине перед затоплением ее котлована. На станционной плотине были выполнены только опытные работы по заклейке 5-ти трещин (из 10 обнаруженных), следовательно, реальная зона растяжения напорной грани не была защищена гидроизоляцией. В результате данные меры оказались неэффективными и еще в период строительства вызвали сомнения в правильности проектных предположений. Так, на контакте плотины с основанием со стороны верховой грани возникла зона разуплотнения скалы и образовалась трещина, глубина проникновения которой достигала 30 м. Кроме нарушения «сплошности» по контакту плотины с основанием на отметках 344 - 359 м (выше контакта плотины с основанием на 40 м) со стороны верховой грани образовались горизонтальные магистральные трещины глубиной до 20 м [2].
Работы по ликвидации повышенных фильтрационных расходов были начаты в 1991 г и продолжались по 1994 гг. При этом применялись не только цементные, но и цементно-бентонитовые, цементно-силикатные растворы, а также гидроизоляционный материал аквизол. Цементный раствор выносило большим потоком воды из инъецируемых зон, следовательно, было необходимо найти новые технологии по восстановлению напорной грани. В 1993 г. был заключен договор между ОАО «Саяно-Шушенская ГЭС» и французской фирмой «Солетанш» о возможности применения их технологий по снижению фильтрации воды через бетон плотины. Опытно-промышленные работы по восстановлению растянутой зоны бетона в секциях 23, 24 было начато в осенний период 1995 г. Работы по восстановлению напорной грани были завершены 12.11.1996 г, и в результате произошло почти полное подавление фильтрационных расходов воды (больше 98%).
Работы по восстановлению монолитности напорной грани плотины оказали влияние на напряженно-деформированное состояние системы плотина- основание. Важным представляется проведенный совместный анализ изменения показаний экстензометров, установленных в зоне нагнетания растворов, и деформометров, по которым контролировалась область бетонных массивов выше и ниже трещиноватой зоны в период ее инъектирования [1]. в зоне работ произошло повышение углов наклона плотины на отметке 359 м и выше в направлении нижнего бьефа, а также в направлении верхнего бьефа на отметке 308 м.
По показаниям продольных гидронивелиров, в процессе восстановительных ремонтов был замечен рост осадок на отметках 308 — 315 м и 344 м.
В целях обеспечения сохранности восстановленной зоны на отметках 344 - 359 м, а также устранения возможности развития деструктивных процессов в плотине и основании, были введены ограничения по режиму наполнения водохранилища. Эти ограничения заключались были следующими: в мае-июне УВБ <355,0 м; в июле УВБ <536,0 м; в августе-сентябре УВБ <538,0 м; в конце сентября-октябре УВБ <539 м. Таким образом, отметки НПУ и ФПУ были снижены на 1 метр. Помимо этого было принято решение о предельно допустимых скоростях наполнения водохранилища: в диапазоне отметок 520,0 м — 530,0 м - до 1,5м/с; в диапазоне отметок 530,0 м - не более 0,7 м/сут. Основным недостатком данных ограничений является то, что ограничения по скорости привязаны только к контрольным отметкам УВБ, а также не учитываются фактические сроки заполнения водохранилища до указанных отметок, зависящих от показателей пригодности данного года и температурного состояния сооружения на рассматриваемый момент времени. В этой связи, необходимо вести постоянный строгий контроль состояния сооружения. На основании этого межу АО «Ленгидропроект» и Саяно¬Шушенской ГЭС был заключен договор о «Проведении оперативного контроля работы плотины СШГЭС в процессе наполнения водохранилища и его сработки на основе конечно-элементного анализа с учетом данных натурных наблюдений», целью которого является выработка рекомендаций по изменению режима наполнения водохранилища
В ходе диссертационного исследования была изучена методика АО «Ленгидропроект» для регулирования режима наполнения водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС с учетом температурного состояния плотины. Вместе с этим проведен анализ эффективности и необходимости применения данной методики. Также была выявлена значимость оперативного взаимодействия АО «Ленгидропроект» и СМГТС Саяно-Шушенской ГЭС и внесены предложения по повышению эффективности рассмотренной выше методики.
Регулирование режима наполнения-сработки водохранилища СШГЭС в рамках взаимодействия СМГТС СШГЭС и АО «Ленгидропроект» носит важный характер. Это связано с сохранностью восстановленной зоны на отметках 344 - 359 м, устранение возможности развития деструктивных процессов в плотине и основании, а также, как следствие, безопасной эксплуатацией СШГЭС в целом.
Анализ эффективности рассматриваемой методики показал, что регулирование уровня наполнения водохранилища по данной методике оказывает положительное воздействие, от своевременного снижения гидростатической нагрузки, на состояние отремонтированных зон плотины.
В целях повышения эффективности методики предлагается проводить анализ сооружения более часто, не раз в неделю, а ежедневно, т.к. в определенные периоды года, стремительное изменение температуры наружного воздуха может оказать негативное воздействие на безопасную эксплуатацию сооружения, что может произойти в результате несвоевременного принятия мер по снижению интенсивности наполнения водохранилища. Помимо учащения диагностики анализа параметров рассматриваемых данной методикой, предлагается контролировать параметры показаний КИА установленной в зоне, а также непосредственной близости к «залеченным» трещинам напорной грани, в целях своевременного учета температурного фактора при выборе режима наполнения водохранилища.
Регулирование режима наполнения-сработки водохранилища СШГЭС в рамках взаимодействия СМГТС СШГЭС и АО «Ленгидропроект» носит важный характер. Это связано с сохранностью восстановленной зоны на отметках 344 - 359 м, устранение возможности развития деструктивных процессов в плотине и основании, а также, как следствие, безопасной эксплуатацией СШГЭС в целом.
Анализ эффективности рассматриваемой методики показал, что регулирование уровня наполнения водохранилища по данной методике оказывает положительное воздействие, от своевременного снижения гидростатической нагрузки, на состояние отремонтированных зон плотины.
В целях повышения эффективности методики предлагается проводить анализ сооружения более часто, не раз в неделю, а ежедневно, т.к. в определенные периоды года, стремительное изменение температуры наружного воздуха может оказать негативное воздействие на безопасную эксплуатацию сооружения, что может произойти в результате несвоевременного принятия мер по снижению интенсивности наполнения водохранилища. Помимо учащения диагностики анализа параметров рассматриваемых данной методикой, предлагается контролировать параметры показаний КИА установленной в зоне, а также непосредственной близости к «залеченным» трещинам напорной грани, в целях своевременного учета температурного фактора при выборе режима наполнения водохранилища.