Анализ и оценка безопасности гидротехнических сооружений Верхнебалкарской малой гидроэлектростанции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова

Анализ и оценка безопасности гидротехнических сооружений Верхнебалкарской малой гидроэлектростанции

С.О. Курбанов, А.А. Созаев, С.М. Жемгуразов

Нальчик

Аннотация

В статье приводятся материалы анализа и оценки безопасности гидротехнических сооружений в составе Верхнебалкарской МГЭС, выполненные для проекта приостановки и консервации ГТС Верхнебалкарской МГЭС на р. Черек Балкарский в КБР. Широкий и подробный анализ причин и факторов внешнего воздействия природного и техногенного характера на сооружения позволил определить, что наиболее опасными являются физико-геологические процессы, развитые на сложной, горной и стесненной территории строительства Верхнебалкарской МГЭС. Установлено, что уровень безопасности ГТС Верхнебалкарской Малой ГЭС на момент проведения обследования можно оценить как нормальный, значения всех контролируемых показателей, не превышают установленных критериев безопасности. Разработанные и реализованные проектные решения на период приостановки строительства и стадию консервации позволяют обеспечить прочность, устойчивость и сохранность конструкций, а также безопасность объекта и строительной площадки для населения и окружающей среды.

Ключевые слова: гидротехническое сооружение, малая гидроэлектростанция, безнапорный деривационный туннель, отстойник, деривационный лоток, физико-геологический процесс, оценка риска, коэффициент опасности, возможный ущерб при аварии, количественная оценка опасности, пренебрежимый риск.

Гидротехнические сооружения Верхнебалкарской МГЭС расположены в Черекском районе Кабардино-Балкарской Республики, на правом берегу р. Черек Балкарский, в 6 км выше села Верхняя Балкария. В настоящее время строительство объекта приостановлено, построенные гидротехнические сооружения находятся в консервации.

Створ гидроузла расположен на реке в 6,5 км выше поселка Верхняя Балкария. Водозаборный гидроузел плотинного типа, предусмотренный по проекту, не построен. Водосбросные сооружения гидроузла также не построены. Деривационный туннель и лоток рассчитаны на пропуск максимального расхода 30 м³/с, расчетный расход 20м³/с. На р. Черек Балкарский выше створа отсутствуют гидроузлы и водохранилища.

Протяженность реки от истока до устья - 37 км. Водосборная площадь - 410 км². Максимальные расчетные расходы р. Черек Балкарский различной вероятности превышения (%) в створе водозабора составляют:

0,5% - 149 м³/с; 1,0% - 139 м³/с;

3,0% - 124 м³/с; 10,0% - 106 м³/с.

По проекту в состав гидротехнических сооружений Верхнебалкарской МГЭС входят: водозаборный узел; безнапорный туннель; отстойник; безнапорный деривационный лоток; напорный трубопровод; станционный узел. В состав водозаборного узла входят: водозаборная траншея; промывной лоток; бетонная плотина.

Класс капитальности основных сооружений МГЭС - III.

Тип сооружения: деривационная малая гидроэлектростанция (МГЭС).

Год начала строительства - 2012г.

К моменту начала консервации из вышеперечисленных ГТС построены следующие сооружения (по акту №1 инвентаризации выполненных работ по строительству Верхнебалкарской МГЭС):

1. Безнапорный туннель от т.Т1+11,50 до выходного портала в полном объёме, включая монолитную железобетонную обделку и стальную облицовку (акт приемки законченного строительства объекта от 0.04.2014г.);

2. Выходной портал в полном объёме;

3. Временный выход из туннеля на поверхность в районе входного портала;

4. Котлован отстойника с ж/б элементами основания и сопрягающих участков;

5. Котлован деривационного лотка от ПК0 до ПК9+01,13 и железобетонные секции деривационного лотка от С-1 до С-41, общей длиной 883,28 м.

В створе водозабора участок реки имеет относительно широкое русло и небольшую пойму, с абсолютными отметками поверхности земли 1376.5 - 1377.5 м.

Пойма и русловая часть долины сложена современными аллювиальными валунно-галечными отложениями (ИГЭ-1), борта сложены делювиально-пролювиальными отложениями (ИГЭ-3). В створе реки сооружения не построены. На правом от створа скальном берегу построен безнапорный туннель, общей длиной около 270 м, в массиве коренных интрузивных пород. Входной и выходной порталы располагаются в зоне выветривания и разгрузки (ИГЭ-6а), мощностью 20-25 м. Основной объем туннеля проходит в относительно сохранных гранитах (ИГЭ-6).

За выходным порталом туннеля устроен котлован отстойника в полном объеме. В основании сооружений отстойника залегают аллювиальные, флювиогляциальные отложения (ИГЭ-5) и граниты (ИГЭ-6а), в бортах выемки - делювиально-пролювиальные (ИГЭ-3) и аллювиальные, флювиогляциальные отложения (ИГЭ-5).

За отстойником построен деривационный лоток из ж.б. секций прямоугольного сечения, длина лотка 883,28 м. На всем протяжении деривационный железобетонный лоток с постоянным уклоном 0,001 проходит в выемке глубиной до 11 м по оси трассы. В основании сооружений отстойника залегают аллювиальные, флювиогляциальные отложения и граниты, в бортах выемки - делювиально-пролювиальные и аллювиальные, флювиогляциальные отложения. Практически на всем участке размещения деривационного лотка, в составе делювиально-пролювиальных отложений, присутствуют включения крупных глыб магматических пород размером более 1м³ в количестве до 70%.

Расчетная плотность грунтов 1,95 г/см³.

Водный режим р. Черек определяется таянием ледников и высокогорных снегов в верхней части бассейна. Роль дождей и грунтовых вод в питании сравнительно невелика. Ход уровня воды р.Черек характеризуется растянутым половодьем, проходящим в теплую часть года (IV-X) и низкой устойчивой меженью (XI-III), во время которой проходят наименьшие в году расходы воды. Дождевые паводки, накладывающиеся на половодную волну, придают гидрографу гребенчатый характер. Подъем уровня воды начинается обычно в апреле и продолжается с возрастающей интенсивностью до июля. Изредка, при выпадении сильных дождей, максимум наступает в июне (1948, 1958 г.г.). Наивысшие уровни чаще всего приходятся на вторую половину июля - начало августа (1953, 1963, 1983 г.г.), после чего наступает интенсивный спад, продолжающийся до сентября-октября. В среднем продолжительность половодья на р. Черек составляет 6 месяцев. Ледовый режим на реке характеризуется неустойчивостью, возможны образования заберег, шугохода и изредка ледохода. При определении параметров кривой обеспеченности годового стока р. Черек Балкарский в расчетном створе использована зависимость модуля годового стока от средней высоты водосбора, построенная для бассейна р. Черек. В соответствии с особенностями гидрологического режима в годовом ходе стока реки Черек выделено два сезона: весенне-летний, в который проходит до 80-90% годового стока (IV-X) и меженный (X-III), сток которого составляет 10-15% от годового. Параметры кривой обеспеченности и средние годовые расходы воды различной обеспеченности приведены в таблице 1.

Максимальные расходы воды р. Черек наблюдаются в летний период и обусловлены интенсивным таянием снежников и ледников в сочетании с проходящими дождями. Средняя дата наступления максимальных расходов воды - конец июля - начало августа, реже эта дата приходится на июнь. Для обеспечения сохранности сооружений и исключения несанкционированного доступа внутрь объекта ГТС в соответствии с разработанной генеральным проектировщиком проектной документацией выполнены следующие мероприятия по консервации ГТС.

Таблица №1 Параметры кривой обеспеченности и средние годовые расходы воды

Безнапорный туннель построен в полном объеме. Временный выход из туннеля в районе входного портала разработан до проектного профиля, возведен железобетонный входной портал в соответствии с утвержденной проектной документацией. Для исключения затопления туннеля при прохождении паводковых расходов по реке Черек Балкарский на расстоянии 12 м от входного портала установлена временная железобетонная перемычка, толщиной 0,5 м. Арматурные стержни перемычки в верхней части приварены к обнаженной арматуре туннеля, а в нижней части и стенах к уголкам, приваренным к стальной облицовке. Выполнена обратная засыпка входного портала безнапорного туннеля в соответствии с комплектом рабочих чертежей. Для исключения несанкционированного доступа в туннель со стороны выходного портала на расстоянии 2 м от выхода установлена стальная решётка, в которой предусмотрена запирающаяся калитка.

За скальным выступом ниже выходного портала туннеля устроен котлован четырехкамерного отстойника в полном объёме. Для восстановления федеральной дороги Урвань-Уштулу на участке размещения отстойника возведены его бетонные конструкции на высоту, позволяющую отсыпать дорогу до проектных отметок. Для обеспечения отвода дождевых вод с площадки отстойника через выход из промывной галереи выполнена засыпка котлована валунно-галечным грунтом до отметки 1366,47 м.

Выполнена выемка под котлован деривационного лотка от ПКО до ПК9+01,13, произведено устройство железобетонных секций деривационного лотка от С-1 до С-41, общей длиной 883,28 м. На всем протяжении деривационный железобетонный лоток с постоянным уклоном 0,001 проходит в выемке глубиной до 11 м по оси трассы. Начиная с ПК4+79,02 до ПК8+94 железобетонный лоток шириной по дну 4,6 м и высотой 4,8 м выполняется в выемке с последующей обратной засыпкой на высоту 3,70 м. Лоток разрезан на секции деформационно-осадочными швами толщиной 1 см. Длина типовых секций 25,00 м.

Для обеспечения сохранности деривационного лотка выполнены следующие мероприятия по его консервации:

1) Выполнена обратная засыпка деривационного лотка в соответствии с утверждённой проектной документацией:

- на участке от ПК0+01,03 до ПК1+55,80, где возможны осыпи, и на селеопасном участке ПК1+55,80 до ПК4+86,15 лоток выполненный в виде закрытого короба, засыпан до проектных отметок с устройством крепления крупным камнем. При выполнении обратной засыпки второго этапа в месте фактического расположения ручья Тарташла организовано трапецеидальное русло шириной 10 м, глубиной 2, заложения откосов 1:2. Толщина засыпки из крупнообломочного грунта ниже дна русла принята не менее 6 м.

- на участке от ПК4+86.15 до ПК8+84,31 засыпаны пазухи между железобетонным лотком и откосами котлована на высоту до 3,70 м.

2) На открытом участке деривационный лоток шириной по дну 4,6 м и высотой 4,8 м перекрыт сборными железобетонными плитами, связанными между собой.

3) Вход в секцию 1, секции, примыкающие к холостому водосбросу, выход из секции 41 засыпаны валунно-галечным грунтом.

Для организации переезда через холостой водосброс в месте его пересечения с федеральной дорогой Урвань-Уштулу, возведена секция 1 холостого водосброса. На восстанавливаемом участке федеральной дороги «Урвань-Уштулу» в месте пересечения дороги с ручьем Тарташла на ПК 6+04 возведено водопропускное сооружение.

От входного портала туннеля до выходного участка отстойника вдоль дороги предусмотрены берегоукрепительные мероприятия, представляющие собой защитную призму из крупнообломочного материала.

Средства измерений и контроля (КИА) по проекту консервации ГТС, не предусмотрены, так как сооружения не достроены и не вводились в эксплуатацию.

Основные причины и факторы, связанные с внешними воздействиями природного и техногенного характера.

Наиболее опасными физико-геологическими процессами, развитыми на территории предполагаемого строительства Верхнебалкарской МГЭС, являются:

- сели (водозаборный узел, деривационный тракт, здание ГЭС);

- лавины (водозаборный узел);

- обвалы, осыпи (деривационный тракт);

- боковая речная эрозия (площадка здания ГЭС);

- землетрясения.

Сели. По результатам обследований, выполненных специалистами МГУ, в пределах площадки проектируемой Верхнебалкарской МГЭС выделено несколько селеопасных участков. Объемы возможных селей колеблются от 5-10 тыс. м³ до 1000 тыс. м³, периодичность от нескольких лет до нескольких десятилетий. Наиболее опасными для проектируемых сооружений являются селевые участки р. Тарташла, Гюльчису, Сулдурсу, Курукол, Тютюнсу, Измялцысу (рисунок 1).

Рис. 1. - Основные сложные участки: 1-4 - участки возможного схода селей; 5 - участок возможного схода селеподобных паводков

К середине июля 2011 г. в высокогорной и среднегорной зоне Центрального Кавказа после серии дождей сложилась селеопасная ситуация, в результате которой в период с 15 по 22 июля в разных местах произошел групповой сход селевых потоков ливневого и гляциоливневого генезиса.

В июле 2011 г. произошел сход селей по р. Сулдурсу, Тарташла и Гюльчису. Наиболее значительный объем селевых масс (более 200 тыс. м³) сошел по р. Гюльчису.

Для предотвращения аварий и разрушений сооружений МГЭС проектом предусматривается комплекс мер по защите от селей.

Лавины. По результатам инженерно-геологического обследования, в районе размещения водозаборного узла, зафиксирован лавинный лоток, расположенный на левом берегу, в нижнем бьефе.

Объем лавин на данном участке невелик, они не доходят до русла реки и не окажут влияния на сооружения при правобережном размещении.

Обвалы, осыпи. Развиты в присклоновой части долины и могут активизироваться при сейсмическом воздействии. Крупный обвал-осыпь зафиксирован на участке проектируемого отстойника, начального участка деривационного канала.

Для защиты от возможных обвалов, деривационный канал-лоток на опасных участках необходимо выполнить в виде короба, с последующей засыпкой.

Боковая речная эрозия. Площадка проектируемой станции находится в пойме реки Черек Балкарский. Сели, зарождающиеся в верховьях, затем теряют энергию и доходят сюда в виде селеподобных паводков, которые могут повлиять на площадку станции. Для предотвращения размыва пристанционной площадки предусмотрено берегоукрепление.

Землетрясения. Результаты сейсмического микрорайонирования расч?тным методом спектральных характеристик с учетом уточненной исходной интенсивности сейсмических воздействий показали следующее:

На участках основных сооружений колебания грунтов характеризуются распределением максимальной сейсмической интенсивности в целочисленных значениях в пределах: VIII - IX баллов по шкале MSK-64.

По проекту расчет риска аварии для гидротехнических сооружений Верхнебалкарской МГЭС проводился согласно положений Методических рекомендаций [4], согласованных с МЧС России.

Интегральная количественная оценка опасности ГТС, напорного фронта, включая возможный ущерб при аварии и образовании волны прорыва, характеризуется коэффициентом опасности л, определяемым по формуле: гидротехнический верхнебалкарский деривационный

(1)