ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 3, с. 252-258
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 624.131.1:551.252
ГИПЕРЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
БУРЕЙСКОЙ ГЭС К ГЕОДИНАМИЧЕСКИМ ВЛИЯНИЯМ
© 2013 г. А. Н. Марчук, Н. А. Марчук, А. В. Николаев
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Б.Грузинская ул., 10, стр. 1, Москва, 123995 Россия. Е-та11: n-marchuk@mail.ru
Поступила в редакцию 11.03.2012 г.
После исправления 29.05.2012 г.
Проанализированы результаты мониторинга смещений и напряженно-деформированного состояния гравитационной бетонной плотины и основания Бурейской ГЭС в период сейсмических событий в районе ее расположения. Определена возможность прогноза опасных для плотины и Дальневосточного региона геодинамических процессов с помощью метрологического потенциала измерительных систем плотины.
Ключевые слова: сейсмичность, напряжения, смещения, фильтрация, дебит дрен, пьезометрический напор, водохранилище, плотина, аномалия, отвесы, сдвигомеры, телетензометры, предвестники, прогноз землетрясений.
Бурейская ГЭС построена в Амурской области на р. Бурея, левом притоке Амура в сложных природно-климатических, геологических и сейсмотектонических условиях. Створ плотины расположен близко от границы между воздымающимся срединным Буреинским хребтом и опускающейся Приамурской впадиной, в зоне влияния Хинганского и Бурейского рифтов. По карте ОСР-97 район имеет сейсмичность 8 баллов. Перепады температур от плюс 41 до минус 58 градусов. Гидрограф реки резко неравномерный из-за муссон-ных дождей.
Бетонная плотина компактного гравитационного профиля высотой 139 м и длиной по гребню 765 м расположена в сужении долины реки с высокими скальными берегами и образует водохранилище объемом 21 км3 [2]. Основанием плотины служат верхнепалеозойские выветрелые граниты, рассеченные четырьмя крупными тектоническими трещинами и разломом северо-восточного простирания на более высоком правом берегу с шириной смятия до 10 м (рис. 1). В русле в продольном направлении прослеживаются пять крупных тектонических трещин. Объем выемки скальной породы в основании сооружений гидроузла составил 1315 тыс. м3. Проект Бурейской ГЭС составлен на сейсмичность 6 баллов, тем не менее она является первой отечественной ГЭС, в районе расположения которой сейсмологические
и сейсмометрические наблюдения начаты в начальный период наполнения водохранилища, что позволяет обоснованно судить о наличии природной и возбужденной сейсмичности.
1 III 1
1 2
127.0
г • 90.8-
_же:
6
Рис. 1. Схема Бурейской ГЭС с тектоническими нарушениями в основании: а - конечно-элементная расчетная модель, вид сверху; б - вид с нижнего бьефа: 1 - здание ГЭС, 2 - водосливная плотина, 3 - левобережная и 4 - правобережная части плотины, 5 - контур цементационной завесы, 6 - контур дренажных скважин, 7 - крупные тектонические трещины.
С позиций сейсмотектоники и геоморфологии район створа представляет собой "тектонический узел", образованный руслом реки и поперечным разломом, влияние которого обнаружилось уже в первые годы наполнения водохранилища. По данным Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН в 2006 г., когда напор на плотину впервые превысил 90 м, в каталоге сейсмособытий локальной сети сейсмостанций (ЛСС) из 122 событий 52 землетрясения можно отнести к категории возбужденных по энергетическому классу, близости к плотине, глубине гипоцентров и времени возникновения при быстрых изменениях уровня верхнего бьефа (УВБ). В 2007 г. при напоре до 120 м доля возбужденных землетрясений возросла до 74 из 127 зарегистрированных. С 2008 г., после сейсмического затишья наблюдается рост сейсмической активности в регионе. По данным ЛСС Бурейской ГЭС за период с 11.01.2010 г. по 7.10.2010 г. зарегистрировано 40 сейсмособытий, наиболее значимые из которых представлены в таблице.
Сооружения и основание Бурейской ГЭС оснащены развитыми измерительными системами, включающими геодезическую сеть, ЛСС, сеть дренажных скважин, контактных и глубинных пьезометров, прямые и обратные отвесы, закладные струнные телетензометры, щелемеры, гидростатические нивелиры и другие типы контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). С первых лет наблюдений по этим системам определился динамический, флуктуирующий характер графиков всех измеряемых параметров, часто с нарушением зависимостей от основных нагрузок - напора на плотину и температуры. Такие графики характерны для всех плотин в тектонически нестабильных районах, однако результаты измерений на Бурейском гидроузле отличаются существенно большими размахами амплитуд флуктуаций, нехарактерными для гравитационных плотин.
С 2008 г. по соглашению руководства РАН и ОАО "РусГИДРО" Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН анализирует материалы мониторинга, полученные персоналом Бурейской ГЭС с целью оценки геодинамического влияния на состояние природно-технической системы "плотина - основание - водохранилище". Установлено значительное геодинамическое влияние на плотину и наличие возбужденной сейсмичности, даны рекомендации по совершенствованию контроля потенциально опасных геодинамических процессов. Определена возможность выделения предвестниковых сигналов подготовки местных землетрясений в контролируемых параметрах фильтрационного режима (дебит дрен,
Каталог значимых землетрясений в период с 23.01.2010 по 05.02.2011 г.
№ п.п. Дата Энергетический класс, К Расстояние от ГЭС, км Примечания
1 23.01.2010 8.6 130 Глубина ги-
2 31.01.2010 8.8 250 поцентров
3 9.02.2010 8.0 160 не опреде-
4 30.03.2010 10.8 М=4.5 170 лялась
5 3.04.2010 9.0 150
6 5.04.2010 8.5 20
7 28.04.2010 8.5 180
8 4.05.2010 8.5 130
9 5.06.2010 8.3 230
10 30.09.2010 7.8 230
11 21.12.2010 10.8 М=4.5 150 По справ-
12 23.12.2010 12.2 М=4.7 600 кам СФ ГС
13 15.01.2011 11.8 М=5.1 340 РАН
14 5.02.2011 12.1 М=5.3 320
О -<2фс.17 2005-2006 гг. и
□ - рф с.21 2008 г. 6" л - (2ф с.ЗО 2008 г.
• - (Зф с.34 2010 г. ® - (2ф с.19 2010 г.
5 -
+(2фс.19 20
3-^—I-1-1-1-1 Тп, сут
10 20 30 40 50
6
Рис. 2. График связи прогнозного времени Тп с магнитудой ожидаемого землетрясения по предвестникам в фильтрационных расходах в основании секций 17, 19, 21, 30 и 34 за 2005-2010 гг. I - схема выделения предвестника по аномалии относительно УВБ.
пьезометрические уровни, расходы фильтрации). Предварительный график зависимости прогнозного времени Тп от магнитуды ожидаемого землетрясения представлен на рис. 2. Для его
161.7
161.6
161.5
161.4
161.3
§ Я
161.2
161.1
161.0
160.9
216.280
216.180
216.080
215.980
215.880
215.780
215.680
215.580
12:58:19 00:00:0013:20:2813:31:33 13:42:3813:53:44 00:00:00
20:00:03 20:10:28 20:20:49 20:31:11 20:41:32
Время
Рис. 3. Записи автоматизированных пьезометров в периоды Курильских землетрясений: а - запись глубинного пьезометра П-21 во время землетрясения 15.11.2006 г. М = 8.2; б - запись контактного пьезометра ПК-21. Землетрясение 13.01.2007 г. М = 8. Частота дискретизации 12-13 с.
уточнения необходимо накопление статистического материала. Наиболее информативными в этом отношении являются измерения параметров фильтрационного режима в дренажных и пьезометрических скважинах, имеющих гидравлическую связь с тектоническими нарушениями, где можно идентифицировать гидрогеодеформацион-ные предвестники землетрясений как аномалии по отношению к изменениям УВБ. На Бурейской ГЭС подтвердились все закономерности, установленные исследованиями ИФЗ РАН для плотин в сейсмоопасных регионах России [4, 5], но вместе с тем здесь обнаружилась необычно высокая чувствительность измерительных систем плотины и основания к далеким сейсмическим событиям. Высокая чувствительность гидрогеодеформаци-онного поля Земли ранее отмечалась Г.С. Варта-няном [3]. Например, Вранчское землетрясение 1986 г. фиксировалось в наблюдательных скважинах на расстоянии более 1000 км. О таких же расстояниях, доступных для вибросейсмических исследований, сообщал А.С. Алексеев [1]. Однако наблюдения в основании плотины Бурейской
ГЭС существенно увеличивают возможные границы сейсмочувствительности.
Прежде всего в представленных материалах вызвали большой интерес записи автоматизированных пьезометров в основании плотины, в которых зафиксирован отклик на Курильские землетрясения М = 8.2 (15.11.2006 г.) и М = 8 (13.01.2007 г.) с эпицентральным расстоянием 1600 км (рис.3) при постоянном УВБ в период регистрации сейсмособытий. Скачки пьезометрических уровней в глубинном и контактном (скала-бетон) пьезометрах составили соответственно 71 и 70 см. Предвестники этих событий в измерительных сетях плотины специально не фиксировались, и ретроспективно их выделить трудно из-за редких дискретных измерений параметров фильтрационного режима, большого количества местных сейсмособытий и флуктуаций неясного генезиса на графиках. Можно отметить только, что контактный пьезометр под напорной гранью секции 20, где проходит крупная тектоническая трещина, показал 29.11.2006 г. уровень выше УВБ, что можно трактовать как последствие геодинамического воздействия.
28.04 К=8.5
.56
л
30.09 21.12 23.1215.0105.02
7,8 108 Ш Ц.8 121
230 150 600 340 320
IV I V I VI I VIII УШ| IX I X I XI I хп I I П I Ш I IV
2010 г. 2011 г.
Рис. 4. Изменение дебита дрен в галерее № 2 на отм. 129 в зависимости от УВБ и сейсмических событий: а - в основании секций 20 и 34; б - в основании секции 17.
Рис. 5. Смещения вдоль створа, по оси У береговых секций 3, 8, 41 по показаниям обратных отвесов (СГС) под влиянием геодинамических воздействий.
Наибольший интерес вызывают аномалии в показаниях приборов в основании плотины Бу-рейской ГЭС в 2010-2011 гг., особенно в период с октября 2010 по март 2011г. В конце февраля -начале марта 2011 г. в основании секций 1, 20, 34 плотины на 5-10% аномально увеличились фильтрационные расходы при монотонном снижении УВБ. В некоторых дренажных скважинах в марте дебит увеличился почти вдвое, например, в скважине 20-Д-3 с 0.32 в конце февраля до 0.56 л/с
в первой декаде марта (рис. 4). С января 2011г. обратные отвесы-сдвигомеры СГС в основании б
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.