Исследование состояния насыпного гидротехнического сооружения на моренном основании

Основные гидротехнические сооружения на территории Кольского полуострова и Карелии представляют собой насыпные грунтовые плотины или дамбы хвостохранилищ, возведенные на естественном основании, представляющем собой моренные отложения. Как правило, такие сооружения являются потенциально опасными объектами, эксплуатация которых должна выполняться в строгом соответствии с требованиями промышленной безопасности (117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» [8], СНиП 33–01–2003 «Гидротехнические сооружения» [7]). Нарушение устойчивости и функциональности насыпных грунтовых плотин и ограждающих дамб хвостохранилищ может привести к аварийной ситуации и значительному социально-экономическому ущербу населению, гражданским и промышленным зданиям, дорогам, инженерно-техническим коммуникациям и т. п., а также к финансовым потерям (недополученная прибыль вследствие остановки ГЭС или горно-обогатительной фабрики), дополнительным затратам (ремонтно-восстановительные работы: плотин, дамб, пульпопроводов, дорог, линий электропередачи, пьезометрических станций, устройств и механизмов и др.; лик

видация последствий аварии; восстановление окружающих природных систем) и штрафам за загрязнение окружающей среды и экологический ущерб [1], [2].

АВАРИИ НАСЫПНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Мировой опыт эксплуатации насыпных грунтовых плотин и дамб имеет многочисленные примеры возникновения чрезвычайных ситуаций и аварий, наиболее известные из которых: плотины: Боулдерхэд (Великобритания), Фонтенель (США), Курейской ГЭС (РФ); дамбы: Качканарского ГОКа (РФ), рудника Эль-Кобра (Чили), Карамкенского ГМК (РФ), углеобогатительной фабрики в Буффало-Крик (США), шахты «Преставель» (Италия), шламохранилища завода «MAL Hungarian Aluminum» в Колонтаре (Венгрия), ОАО «Аммофос» (РФ) и др. [6], [11].

В Мурманской области, которая является крупным горнорудным, металлургическим и энергетическим регионом, имеется более 100 ГТС соответствующего профиля. Анализ их состояния показывает, что системные исследования надежности ГТС Мурманской области до настоящего времени фактически не выполнялись. Вместе с тем опасные и чрезвычайные ситуации, связанные с эксплуатацией насыпных плотин и дамб, возникали в данном регионе ранее и могут возникнуть в будущем на особо проблемных объектах.

Так, в 1999, 2001 и 2002 годах в результате прорыва дамбы пометохранилища было сброшено около 96 000 т пометного ила на поля, в р. Кола и озера Рогозеро и Большое, из которых осуществляется водозабор питьевой воды для Мурманска [9]. Город был временно отключен от водоснабжения из-за угрозы возникновения эпидемии. Непосредственно в черте города образовались зловонные участки на местности, которые при весеннем снеготаянии до настоящего времени являются источниками экологического загрязнения окружающей природной среды. Нет данных о принятии научно обоснованных инженерных мер по обеспечению безаварийного функционирования пометохранилища и природоохранным мероприятиям, что косвенно может свидетельствовать о возможных повторениях аварий.

В ноябре 2012 года произошли интенсивные протечки дамбы № 1 хвостохранилища ОАО «Ковдорский ГОК», приведшие практически к аварийной ситуации гидротехнического сооружения (рис. 1). Проведенные Горным институтом КНЦ РАН специальные комплексные исследования, прежде всего инновационные георадарные зондирования дамбы, позволили локализовать зоны повышенной фильтрации и выдать рекомендации по укреплению нижнего склона. Комбинат оперативно выполнил необходимые работы по укреплению нижнего склона дамбы, что позволило снять остроту проблемы.

Рис. 1. Протечки на ограждающей дамбе № 1 хвостохра-нилища Ковдорского ГОКа

В соседней Финляндии 4 ноября 2012 года на руднике «Талвиваара» (расположенном в области Кайнуу) дал течь резервуар со сточными водами [10]. Отходы, содержащие уран, попали в водную систему; на сайте STUK имеется сообщение, согласно которому концентрация урана в водных источниках выросла более чем в 50 раз. По мне- нию финских специалистов, эта авария стала одной из крупнейших для страны, повлекшей большие экологические последствия.

Анализ этих и других инцидентов показывает, что основной причиной аварий стало локальное или полное разрушение ограждающих насыпных (или намывных) грунтовых сооружений вследствие скрыто формирующихся в их теле зон повышенной фильтрации, водопроводящих каналов и последующего интенсивного размыва нижнего склона. Проблема заключается в том, что зоны повышенной фильтрации, развивающиеся в теле насыпных грунтовых сооружений, на начальных этапах визуально и традиционными методами не обнаруживаются. Перерастая в дальнейшем в фильтрационно-деформационные зоны, эти процессы проявляются в виде интенсивных протечек и размывов, то есть фактически создают чрезвычайную ситуацию с реальной угрозой аварии, требующую безотлагательного принятия защитных и укрепляющих мер. Это предопределяет применение специальных исследований и мониторинга, позволяющих выявить и, самое главное, локализовать зоны повышенной фильтрации на ранних стадиях их формирования. Такие исследования, базирующиеся на применении георадаров, выполняются Горным институтом КНЦ РАН [5].

В частности, в связи с проявившейся повышенной проницаемостью плотины на реке Пи-ренга, Горным институтом были проведены комплексные экспериментальные и компьютерные исследования, что позволило выполнить количественную и качественную оценку состояния плотины, определить и трассировать депрессионную плоскость и выявить скрытые зоны повышенной фильтрации.

ПИРЕНГСКАЯ ПЛОТИНА

Пиренгская плотина является одной из плотин каскада Нивских ГЭС-1, расположенной у истока реки Пиренга, в нежилом поселке Пиренга. Река берет начало в озере Нижняя Пиренга на высоте 137,1 м над уровнем моря, протекает по территории городского округа г. Полярные Зори Мурманской области и впадает в озеро Имандра на высоте 127,5 м.

Плотина насыпана моренным грунтом на моренное основание с предварительной срезкой на нем растительного слоя на глубину до 0,7 м. Моренные грунты, слагающие как основание, так и саму плотину, представлены в основном гравелистым песком, местами с небольшими прослойками легкой супеси, песчаного гравия, среднезернистого и мелкозернистого песка. По инженерно-геологическим и геодезическим данным был построен геолого-структурный разрез плотины, на котором указаны основные ее элементы, геометрические размеры, абсолютные отметки гребня, уступов, поверхности основания, а также минимального и текущего уровней воды (рис. 2). Длина плотины составляет около 350 м; примерно посередине расположен водосбросный шлюз шириной около 20 м, который разделяет ее на две части: левобережную и правобережную. По створу плотины на ее гребне имеется ряд пьезометрических станций, отметка уровня воды в которых на момент исследований составляла около 130 м.

Рис. 2. Геолого-структурный разрез Пиренгской плотины

ГЕОРАДАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментальные определения включали в себя георадиолокационное продольное и поперечное профилирование гребня и низового склона левобережной и правобережной частей плотины на глубину до 20 м с применением георадарного комплекса RAMAC/GPR X3M [5]. Работы проводились по специальной методике с использованием экранированной антенны с частотой 100 МГц посредством перемещения радарного комплекса с одометром и контрольными метками по профилям. Результаты определений в реальном времени отображались на мониторе управляющего блока и записывались в файл для последующей обработки с использованием специализированной программы RadExplorer. Всего было выполнено свыше 10 продольных и 5 поперечных профилей общей протяженностью около 3500 м.

Обработка и интерпретация георадарных данных включала в себя выполнение следующих работ:

• •    выделение осей синфазности отраженных волн на радарограммах, которые являлись полезными отражениями, то есть были связаны с реальными отражающими границами в теле плотины;

• •    предварительное выделение на радарограм-мах основных инженерно-геологических и гидрогеологических элементов, используя геологические сведения о строении плотины, сведения об уровне воды по данным пьезометров на момент проведения полевых измерений: положение депрессионной плоскости, граница между насыпными грунтами и моренным основанием, положение старого русла реки;

• •    построение, с привлечением справочных и та-рировочных данных, временной георадиоло-кационной модели плотины;

• •    определение, на основе количественного анализа волн дифракций от дифрагирую-

• щих объектов, скоростей распространения волн в грунтах от дневной поверхности до выделенных структур, которые составили от 8,32 см/нс в приповерхностном слое до 7,74 см/нс на глубине старого русла реки, что соответствует диапазону диэлектрической проницаемости грунтов от 13 до 17;

• •    задание для выделенных элементов георадио-локационной модели значений диэлектрической проницаемости: для слоя от дневной поверхности до отметок примерно 131 м ε = 13, для зоны перехода к увлажненным грунтам (131–129 м) ε = 25, для основания (ниже отметок 129–126 м) ε = 17;

• •    преобразование временной георадиолокаци-онной модели плотины в глубинную;

• •    уточненное выделение – геометризация – на радарограммах основных инженерно-геологических и гидрогеологических элементов плотины и основания;

• •    детальный анализ волновых картин на рада-рограммах с целью выявления зон неоднородностей и повышенной фильтрации (дифференциация на участки и области, которые отличаются друг от друга характером рисунка, поверхностями угловых несогласий, резкими изменениями амплитудно-частотных характеристик результирующего сигнала).

После выполнения вышеперечисленных работ с учетом выбранных критериев была построена интерпретированная радарограмма, представляющая собой геолого-структурный разрез плотины с выделением депрессионной плоскости, границы между насыпными грунтами и моренным основанием, а также зоны повышенной влагона-сыщенности и фильтрации (рис. 3).

Рис. 3. Фрагмент интерпретированной радарограммы по продольной оси плотины (овалами показаны зоны повышенного водонасыщения и фильтрации)

Как видно на рис. 3, депрессионная плоскость четко локализована на отметках от 131 м у берегов с относительно плавным понижением до 129 м у оси водосброса. Криволинейность ее поверхности обусловлена неоднородностью слагающих плотину грунтов, местоположением границы между насыпными грунтами и основанием и неравномерностью фильтрации воды сквозь плотину. Ниже плоскости депрессии, примерно на 1–2 м, определяется контур старого русла реки, в пределах которого идентифицированы зоны повышенной фильтрации: три в левобережной и две в правобережной части плотины. Над плоскостью депрессии, до 2–4 м, также идентифицировано несколько зон повышенного водона-сыщения (и, возможно, фильтрации) – вероятно, «верховодка».

СЕЙСМОТОМОГРАФИЯ

Совместно с георадиолокационным зондированием Пиренгской плотины были выполнены сейсмотомографические измерения (работы по сейсмотомографическим наблюдениям выполнены канд. техн. наук Н. Н. Абрамовым (ГоИ КНЦ РАН)), при этом профили георадарных и сейс-мотомографических исследований по гребню плотины совпадали. Это позволило сопоставить результаты, полученные двумя волновыми методами, и повысить их надежность и достоверность.

В результате сейсмотомографического обследования были получены значения скоростей продольных и поперечных сейсмических волн и их распределение в продольном сечении плотины. Было выявлено, что верхняя часть грунтов от дневной поверхности до отметок 131 м характеризуется достаточно равномерно распределенными скоростями до 0,4–0,8 км/с. На глубинах с отметками 131–129 м зафиксирован рост градиента скоростей в среднем на 50–60 %. С учетом показаний пьезометров на данном участке плотины было принято, что здесь локализуется зона перехода от грунтов с естественной влажностью к влагонасыщенным и в срединной части ее формируется депрессионная плоскость. Кроме того, выполнение сейсмотомографических работ позволило, на основании полученных данных о прохождении продольной и поперечной волн в теле плотины, дополнительно определить механические характеристики слагающих ее и подстилающего моренного основания грунтов.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

На основании экспериментальных данных авторами построена геомеханическая модель плотины [1], [3], [4], которая была исследована в упругопластической постановке методами компьютерного моделирования при различных уровнях воды и формирования соответствующей нагрузки, имитируемой фазами нагружения. В результате моделирования получены расчетные значения и траектории перемещений грунтов плотины (рис. 4). Особое внимание уделялось анализу избыточного (активного) порового давления, оказывающего большое влияние на положение депрессионной плоскости в теле исследуемой плотины и распределение результирующих напряжений и перемещений. На рис. 4 также указаны сечения, по которым по результатам расчетов были построены эпюры напряжений и перемеще-

Рис. 4. Компьютерное моделирование насыпной грунтовой плотины, общие перемещения грунтов плотины (с указанием сечений для построения графиков)

ний (рис. 5) и выполнялся анализ состояния насыпной грунтовой плотины.

Рис. 5. Вертикальные (а, в) и горизонтальные (б, г) перемещения грунтов по вертикальным сечениям (см. рис. 4) насыпной земляной плотины: а, б – в центральной части гребня; в, г – в середине верхнего откоса

В результате всех вариантов расчетов установлены закономерности деформирования и смещения плотины, а также формирования кривой депрессии в ее теле в зависимости от свойств слагающих грунтов и уровня внешней водной нагрузки. Рис. 4 и 5 наглядно иллюстрируют, что процессы деформирования захватывают не только тело самой плотины, но и подстилающее моренное основание на глубину, примерно равную высоте плотины (для исследуемого случая). Причем на начальной стадии нагружения (минимальный уровень воды) в центральной части плотины происходит уплотнение (усадка), но в последующем проявляется ее «выпучивание» примерно на величину усадки (см. рис. 5а). Горизонтальные перемещения гребня плотины аппроксимируются зависимостью h = 0,15и 2+ 0,17и + 17 и возрастают с увеличением нагрузки (уровня воды) до относительных значений 5 × 10–2 (см. рис. 5б).

Горизонтальные перемещения нагружаемого склона плотины аналогичны перемещениям гребня с достижением максимальных величин примерно 4×10–2 (см. рис. 5г). Вертикальные перемещения при промежуточном нагружении также имеют аналогичный характер, но при максимальном нагружении, когда уровень воды повышается и достигает уровня гребня плотины, графики вертикальных перемещений свидетельствуют об образовании в приповерхностной части зоны разуплотнения (мощностью до 0,2 высоты плотины) и далее зоны уплотнения (мощностью до 0,5 высоты плотины) (см. рис. 5в).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрены насыпные грунтовые гидротехнические сооружения на моренном основании с точки зрения требований к ответственным объектам. Выполнен краткий анализ аварий насыпных грунтовых плотин и дамб хвостохрани-лищ Мурманской области, а также резервуара со сточными водами рудника «Талвиваара» (Финляндия).

Применительно к плотине на р. Пиренга проведены комплексные георадарные и сейсмото-мографические исследования, результаты которых позволили оценить состояние плотины, трассировать депрессионную плоскость и выявить локальные зоны повышенного водонасы-щения и фильтрации.

На основе экспериментальных исследований построена геомеханическая модель плотины, которая исследована с использованием специальной компьютерной программы. По результатам компьютерного моделирования установлены закономерности вертикальных и горизонтальных перемещений центральной части и низового склона плотины, а также моренного основания в зависимости от свойств слагающих грунтов и уровня воды.

Результаты проведенных исследований представляют собой методологическую и научно-техническую основу для прогнозирования наиболее уязвимых мест (зон) насыпного грунтового гидротехнического сооружения на моренном основании для условий Мурманской области и Северной Карелии. В практическом приложении результаты работы использованы для оценки состояния плотины на р. Пиренга в связи с проявившейся повышенной проницаемостью как самой плотины, так и ее сопряжения с моренным основанием.

EVALUATION OF BULK EARTH STRUCTURE ON MORAINIC FOUNDATION