ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2008, № 3, с. 58-64
УДК 550.349.4
ОТКЛИК ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ПЛОТИНЫ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС НА р. ЕНИСЕЙ НА АЛТАЙСКОЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ
© 2008 г. Н. А. Марчук
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 26.12.2006 г.
Изложены результаты ретроспективного анализа натурных наблюдений в основании и береговых примыканиях плотины Саяно-Шушенской ГЭС в период подготовки и разрядки энергии Алтайского землетрясения 27 сентября 2003 г. Выделена и идентифицирована группа наиболее надежных предвестников этого землетрясения в измеряемых контрольных параметрах состояния сооружения и вмещающей геологической среды. Выполнен поиск корреляции между временем появления предвестников и энергией землетрясений, зафиксированных региональным каталогом за 1990-2005 гг., в период нормальной эксплуатации Саяно-Шушенской ГЭС.
PACS: 91.30.Px
Исчерпывающий сейсмологический анализ землетрясения на горном Алтае 27.09.03 дан в статье [Лутиков и др., 2004]. В этой статье обращает на себя внимание предположение авторов о том, что в последующие 15-20 лет в Алтае-Саян-ском регионе могут произойти более сильные события с магнитудой М5 ~ 8. Между тем в этом районе расположена крупнейшая гидроэлектростанция в России - Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С. Непорожнего мощностью 6.4 млн. кВт с высокой бетонной плотиной и водохранилищем объемом более 30 кубокилометров. В ее основании и в береговых примыканиях проходит несколько крупных тектонических нарушений (рис. 1).
Алтайское землетрясение явилось наиболее сильным сейсмическим воздействием на плотину за все 28 лет эксплуатации указанной гидроэлектростанции. Проблема геодинамического влияния на уникальные сооружения этой ГЭС изучается Лабораторией гидротехнических сооружений Саяно-Шушенской ГЭС [Брызгалов, 2000], Центром службы геодинамических наблюдений в электроэнергетической отрасли [Савич, 2005], Институтом горного дела СО РАН [Барышников, Гахова, 2000], Институтом физики Земли им О.Ю. Шмидта РАН с 1993 г. [Марчук, 2005]. Этот интерес объясняется не только уникальностью сооружения. Развитые многофункциональные автоматизированные измерительные системы плотины, контролирующие ее взаимодействие с вмещающим геоблоком, позволяют использовать впервые в нашей стране и в мире гигантское сооружение с объемом бетона более 9 млн. м3 в качестве чувствительного датчика, сенсора геодинамических процессов на большой территории Западного Саяна. Геодинамическое влияние на плотину оказалось столь значитель-
ным, что процесс ее адаптации к вмещающей геологической среде за минувшую четверть века еще не закончен, параллельно с успешной эксплуатацией ГЭС ведутся строительные и ремонтные работы, из-за чего нормальный проектный уровень водохранилища вынужденно снижен на 1 м.
Плотина арочно-гравитационного типа, высотой 240 м расположена в центральной части горно-складчатого сооружения Западного Саяна, в пределах Джебашского антиклинория, ограниченного с северо-запада Саяно-Минусинским, а с юго-востока - Кантегирским разломами. Наиболее высокий уровень локальных тектонических напряжений отмечен в складчатости метаморфи-зированных пород вблизи крупных разломов -Кандатского и Борусского, главных сейсмогене-раторов вблизи от плотины с сейсмическим потенциалом Мтах = 6.0.
Двухслойное основание гидроузла сложено метаморфическими сланцами, прорванными на левом берегу интрузией гранитов, составляющей ядро антиклинория. В основании плотины в русле р. Енисей проходит разрывное нарушение в пределах секций 28-33 плотины и три основных субпараллельных створу тектонических нарушения второго порядка (11-1, 11-6.7 и 11-8). Характерной особенностью береговых массивов, на которые плотина передает распорные усилия от гидростатического давления с напором до 230 м, является вектор сжатия в локальных полях тектонических напряжений, ориентированных нормально к руслу и совпадающий по направлению с напряжениями сжатия пород от гидростатического давления на плотину. Напряжения в бетоне плотины от основного сочетания нагрузок (гидростатическое
539
540 500 460 420 380 340 300 260
1 5
30
10 15 18 20 25 30 33 35 40 45 50 55 60 65
И67
Рис. 1. Схема размещения контрольных измерительных пунктов в плотине Саяно-Шушенской ГЭС: 11-8, 11-1 - тектонические нарушения; АСГС - обратные отвесы или сдвигомеры горизонтальных смещений, Щ - длиннобазовые ще-лемеры; П - пьезометры, Д - дренажные скважины. Цифрами обозначены номера секций плотины, жирные точки -сейсмографы.
давление плюс изменения температуры) превышают 12.5 МПа и имеют тенденцию к росту.
По карте ОСР-97 район относится к 9-балльной сейсмичности, однако микросейсморайони-рование, выполненное службой геодинамических наблюдений, позволило установить уровень расчетной сейсмичности в 8 баллов. За истекший период эксплуатации плотина СШГЭС испытала три чувствительных сотрясения - при Шагонар-ском 13 марта 1994 г., К = 12.9, Красноярском 27 октября 2000 г., К = 13.6 и Алтайском 27 сентября 2003 г. с магнитудой М = 7.3 [Лутиков и др., 2004]. Все они произошли на значительном удалении от
плотины (180-390 км), но были отмечены средствами измерения плотины Саяно-Шушенской ГЭС, включая предвестниковые сигналы подготовительных периодов этих сейсмособытий. Наиболее сильный отклик плотины Саяно-Шушенской ГЭС на сейсмическое воздействие за весь период наблюдений был зафиксирован автоматизированным сейсмометрическим комплексом плотины во время землетрясения в Горном Алтае 27.09.03 г. Записи работающих сейсмографов у прибрежных секций (8, 18 у левого берега и 57, 63 у правого) были зашкалены, а в ключевой секции 33 на отм. 467 максимальная амплитуда по
радиальной составляющей зафиксирована в размере 2.03 мм.
Прежде всего, следует отметить некоторые аномалии, предшествовавшие Алтайскому землетрясению, которое произошло через три года после Красноярского. В 2002 году водохранилище Саяно-Шушенской ГЭС из-за гидрологических условий оказалось не заполненным до проектного уровня на 4 метра. В основном по этой причине фильтрационные расходы, дебит дрен и пьезометрические уровни, контролирующие гидрогеодина-мический режим в основании плотины (наиболее чувствительный к геодинамике), были существенно снижены. По наблюдениям ближайшей сейсмо-станции "Черемушки" в 2002 году отмечалось относительное сейсмическое затишье - 275 событий, в том числе только 3 толчка энергетического класса К = 10, против обычных 300-500 событий (включая промышленные взрывы). В региональном плане неожиданным в 2003 году было появление повышенной сейсмической активности в районе пос. Шушенское, где не предполагалось зон ВОЗ. Во второй половине 2003 г. здесь произошло 39 слабых землетрясений, предположительно отнесенных к категории возбужденных в период максимальных уровней водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС. Кроме того, 1 января 2003 г. произошло столь же неожиданное Ерма-ковское землетрясение К = 9.4 в 70 км северо-восточнее плотины. Заметим, что указанные аномалии связывать напрямую с подготовкой Алтайского землетрясения было бы не вполне корректно, поскольку они могли быть результатом более близких геодинамических процессов различного генезиса.
Анализ отклика измерительных систем плотины СШГЭС на наиболее значимые землетрясения 2002-2004 гг. выполнен по материалам отчета лаборатории гидротехнических сооружений (ЛГТС) СШгэС в рамках работы экспертной комиссии РАО "ЕЭС России" по Саяно-Шушенской ГЭС. В качестве контрольных точек и измерительных систем выбраны наиболее чувствительные к изменениям геофизических полей приборы, контролирующие состояние контактных областей "скала-бетон" в зонах влияния тектонических нарушений - дрены, пьезометры, обратные отвесы, контактные деформометры (рис. 1). Заметим, что в створе Саяно-Шушенской плотины выполнена уникальная дренажная сеть, состоящая из 700 скважин глубиной до 80 м, а всего в сооружениях ГЭС установлено 13.5 тыс. приборов различного назначения.
Ретроспективный анализ предвестниковых сигналов показал наибольшую чувствительность и согласованную информативность гидрогеоди-намических (ГГД) предвестников по дебиту дрен Д-4 и Д-5 левого берега (рис. 2), обращенного в
сторону Алтая. Указанные восходящие дрены пересекают с отм. 344 до отм. 386 тектонические зоны 11-8, 11-9. В августе 2003 г. при практически постоянном уровне водохранилища (УВБ) резко увеличились и упали фильтрационные расходы, дебит дрен и пьезометрические уровни в основании левобережных секций 11-21 и в левобережных штольнях на отм. 344 и 413 м, где береговой массив рассекают четыре тектонических нарушения. Из 91 контрольного замеренного пьезометра 18 показали реакцию на сейсмособытие 27.09.2003 г. аномальным изменением уровня при постоянном УВБ. Указанные измерительные точки находятся в зоне влияния тектонических зон и трещин, преимущественно в основании прибрежных секций. Сильные предвестниковые ГГД сигналы проявились и в основании секций 45-47, где тектоническая зона 11-1 проходит почти под напорной гранью плотины (рис. 1). Здесь в конце августа - начале сентября три пьезометра в основании секции 45 показали согласованное падение от 20 до 105 м, в основании секции 36 контактный пьезометр изменил свой уровень скачком на 65 м (рис. 2).
В секции 45 обратные отвесы зафиксировали и деформационный предвестник на всех трех отметках заложения якорей (измерялись горизонтальные радиальные смещения на отм. 278, 292, 310 м относительно нулевой отметки 260 м) (рис. 3). Характерно, что правобережные менее чувствительные деформационные предвестники появились позже гидрогеодинамических (за 14-16 суток) из-за своей инерционности и частичной компенсации в русловом разрывном нарушении. Характер всех предвестниковых сигналов имел классическую графическую форму: "подъем -точка перелома тренда - спад - толчок".
Сейсмографы сейсмометрической сети плотины 27.09.2003 г. на отм. 521, 467, 344 м были зашкалены по вертикальной составляющей и в большинстве по радиальной и поперечной компоненте. Так что максимальные амплитуды колебаний плотины во время главного толчка определить не удалось, кроме радиальной состав
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.