Контроль безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений русловых средненапорных гидроэлект ростанций.
На правах рукописи
Фисенко
Виталий Фёдорович
Контроль безопасной эксплуатации гидротехнических
сооружений русловых средненапорных
гидроэлектростанций.
Специальность 05.23.07 – Гидротехническое строительство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2008
Работа выполнена в филиале ОАО «РусГидро» - «Воткинская ГЭС».
Научный руководитель:
Доктор технических наук Иващенко Илья Николаевич
Официальные оппоненты:
Профессор, доктор технических наук
Заслуженный деятель науки РФ Каганов Григорий Михайлович
Профессор, кандидат технических наук Малаханов Вячеслав Васильевич
Ведущая организация – ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»
Защита состоится «22» декабря 2008 г. в 16 часов 30 мин на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в ФГОУ ВПО «Московском государственный университете природообустройства» по адресу: 127550, Москва, ул. Пряшникова, д. 19, кор. 1, аудитория 201/1.
С диссертацией можно ознакомиться в научном зале библиотеки Московского государственного университета природообустройства.
Автореферат разослан «____» __________2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент И.М. Евдокимова
Общая характеристика работы
Актуальность темы. В настоящее время возникла необходимость в выработке единого комплексного подхода к решению задачи контроля безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений (ГТС) и разработке алгоритма, который бы позволил оперативно принимать решения по обеспечению их безопасности.
Гидротехнические сооружения обладают высоким уровнем ответственности, их разрушения могут сопровождаться весьма значительными ущербами экономического, социального и экологического характера. Анализ статистики аварий и повреждений гидротехнических сооружений показывает, что вероятность даже крупных аварий и разрушений любых плотин, в том числе и самых современных, не может быть полностью устранена. Очевидна необходимость применения современных методов анализа разнообразной накопленной и вновь поступающей оперативной информации о возможных причинах снижения уровня безопасности ГТС. На этой основе должна быть обеспечена необходимая оперативность и объективность процедур контроля и оценки состояния эксплуатируемых плотин.
Сведение риска аварии к минимуму является задачей, решаемой как при проектировании и строительстве, так и при эксплуатации плотин. Основная трудность оценки риска связана с необходимостью осуществления оперативного анализа и обобщения большого объема разнородной и разномасштабной количественной (результаты расчетов, данные инструментальных измерений) и качественной (данные визуальных наблюдений, опыт и знания квалифицированных экспертов) информации, обладающей высокой степенью неопределенности.
Выработка единого комплексного подхода к решению задачи обеспечения безопасной эксплуатации гидросооружений, на основе обозначенной является весьма актуальной.
Целью диссертации является совершенствование методологии контроля, оценки и обеспечения безопасности гидротехнических сооружений средненапорных русловых гидроэлектростанций.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлена и решена система следующих взаимосвязанных задач:
- проведение анализа законодательной и нормативной баз по вопросам надежности и безопасности гидротехнических сооружений;
- проведение оценки влияния русловых процессов в нижнем бьефе на уровень безопасности сооружений;
- выполнение оценки влияния на уровень безопасности грунтовых плотин изменения их фильтрационного режима вследствие хемогенных факторов;
- выбор оптимальной детерминистической модели расчетной оценки показателей надежности сооружений;
- осуществление анализа причин аварий и сравнение различных методик оценки уровня безопасности ГТС;
- осуществление разработки методологии контроля и оценки безопасности ГТС на основе использования как количественной, так и качественной информации о состоянии сооружений и внедрение этой методологии в практику эксплуатации сооружений крупного отечественного гидроузла.
Достоверность результатов выполненных исследований обусловлена:
- проведением комплекса исследовательских работ, включающих полевые изыскания, лабораторные исследования, подтверждённые инструментальными и визуальными натурными наблюдениями;
- использованием в исследованиях проверенных практикой тщательно оттарированных измерительных приборов, а также надёжных методов исследований;
- применением апробированных методов математического моделирования;
- хорошей согласованностью результатов натурных наблюдений и расчетов.
Научная новизна работы состоит в:
- комплексном подходе к решению задачи разработки критериев безопасности гидротехнических сооружений на основе созданных и откалиброванных математических моделей изменения состояния сооружения в зависимости от внешних воздействий с учетом временного фактора, а также результатов натурных наблюдений и исследований;
- учете гидравлических режимов при разработке мероприятий по повышению уровня безопасности ГТС на основе выполненных исследований влияния русловых процессов на уровень безопасности гидроузла;
- исследовании влияния на фильтрационный режим грунтовых плотин хемогенного заиления дренажных коллекторов вследствие обильного поступления в дренаж обогащенных ионами марганца фильтрационных вод из основания плотины и застойных условий, благоприятных для образования и накопления в дренаже гидроксидов марганца;
- проведении сопоставлений различных методик оценки уровня безопасности гидротехнических сооружений и проверки их достоверности в условиях эксплуатации сооружений Воткинского гидроузла;
- разработке методологии создания систем диагностики эксплуатируемых ГТС русловых средненапорных гидроузлов, основанной на применении технологии «экспертных систем» и способа формализации знаний о свойствах этих сооружений и методах контроля и оценки их состояния в виде системы правил.
Практическая значимость диссертации заключается в использовании в практике эксплуатации Воткинского гидроузла результатов исследовательских работ по разработке и реализации мероприятий, направленных на повышение уровня безопасности его ГТС, а именно в:
- ликвидации нарушений крепления нижнего бьефа водопропускных сооружений Воткинского гидроузла с учетом результатов выполненных гидравлических исследований;
- восстановлении работоспособности дренажей грунтовых плотин с учетом выявления природы хемогенного заиления дренажных коллекторов и обратных фильтров;
- разработке критериев безопасности гидротехнических сооружений с целью обеспечения длительной безопасной эксплуатации гидроузла;
- разработке и внедрении на Воткинском гидроузле экспертно-диагностической системы Д-2, позволяющей автоматизировать не только процесс сбора и первичной обработки данных контроля, но также автоматизировать процедуру оценки состояния плотин.
Полученные практические результаты данной работы представляют интерес для обеспечения безопасной эксплуатации ГТС других аналогичных гидроузлов.
Результаты работы внедрены на Воткинской ГЭС (ныне филиал ОАО «РусГидро» - «Воткинская ГЭС»).
Апробация работы. Материалы исследований по теме диссертации докладывались на Научно-технической конференции в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» (2004 г.), на Международном Конгрессе по большим плотинам (ICOLD) (Барселона, июнь 2006 г.), на Научно-технической конференции по Российско-Германскому проекту Волга-Рейн (2007 г.) в университете Фридерисиана (ФРГ г. Калсруэ).
Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе две работы в журнале «Гидротехническое строительство», рекомендованном ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 162 наименований и 2 приложений. Основной текст диссертации изложен на 161 странице, содержит 32 иллюстрации и 6 таблиц.
Краткое содержание диссертации
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи исследований, приводятся основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлен обзор современного состояния проблемы безопасности гидротехнических сооружений русловых средненапорных гидроузла.
Тенденции мирового опыта законодательного регулирования безопасности плотин в значительной мере реализованы в России принятием в 1997 году Федерального закона "О безопасности гидротехнических сооружений". Этим законом введена новая система обеспечения безопасности ГТС, основанная на мировом и отечественном опыте.
В обеспечении безопасной эксплуатации ГТС русловых средненапорных гидроузлов важная роль принадлежит вопросам эксплуатации плотин из грунтовых материалов. Это обусловлено не только тем, что такие плотины составляют большую часть напорного фронта русловых средненапорных гидроузлов. Мировой опыт эксплуатации ГТС показывает, что 80% имевших место случаев прорыва плотин относятся к грунтовым плотинам. Приведённые примеры отечественного и мирового опыта показывают важность фильтрационных исследований таких плотин и высокую значимость наблюдений и инструментальных измерений параметров их тела и оснований.
На безопасную эксплуатацию ГТС речных гидроузлов большое влияние оказывают процессы переработки берегов и трансформации русел рек в нижних бьефах их водопропускных сооружений. При возведении подпорных речных сооружений гидроузлов происходит изменение естественного водного режима реки, выражающееся в перераспределении жидкого стока, а также в задержании твёрдого стока в водохранилище. Это приводит к изменению руслового процесса в нижнем бьефе гидроузла. Преобладающие в естественных условиях обратимые деформации русла, обусловленные транзитным транспортом наносов, поступающих с площади водосбора, после возведения гидроузла сменяются необратимыми деформациями, среди которых обычно преобладает размыв. Обычно этот процесс происходит во время строительства при стеснении русла перемычками на участке, примыкающем к гидроузлу. При дальнейшей эксплуатации сооружений последнего зона переформирования распространяется вниз по течению. В ряде случаев переработка берегов и размывы русел в рассматриваемых нижних бьефах могут угрожать безопасности ГТС. Такие случаи рассмотрены в рамках главы на примерах, имевших место в практике эксплуатации ряда отечественных и зарубежных гидроузлов.
В главе приведён также обстоятельный обзор исследований, посвященных: изучению опыта строительства ГТС речных гидроузлов с ГЭС; организации натурных наблюдений за их состоянием; разработке их критериев безопасности; фильтрационным процессам, их влиянию на надёжность сооружений; процессам трансформации русел рек в нижних бьефах гидроузлов и влиянию этих процессов на безопасность ГТС; методы расчётов количественного уровня безопасности гидротехнических сооружений. Обсуждаемые в главе исследования выполнялись специалистами «Института Гидропроект», «Ленгидропроект», ВННИИГ им. Веденеева, МГСУ, МГУП, НИИЭС, ЦСГНЭО, СПб ГТУ, НТЦ «Энергонадзор» и др.
Значительный вклад в развитие указанных направлений исследований внесли учёные: Арефьев Н.В., Асарин А.Е., Белостоцкий А. М., Блинов И. Ф., Бронштейн В. И., Василевский А. Г., Векслер А.Б., Гинц А. В., Глаговский В. Б., Гольдин А. Л., Гордиенко С. Г., Гусакова И. Н., Добрынин С. Н., Доненберг В. М., Золотов Л. А., Золотарев Г. С., Ивашинцов Д. А., Иващенко И. Н., Каганов Г. М., Калустян Э. С., Лисичкин С. Е., Лобач А. А., Ляпичев Ю. П., Малаханов В. В., Марчук А. Н., Николаев В. Б., Радкевич Д. Б., Рассказов Л. Н., Рубин О. Д., Румянцев И. С., Савич А. И., Серков В. А., Сольский С. В., Царев А. И., Чернилов А. Г., Щербина В. И. и др.
В главе приведены основные данные о Воткинском гидроузла на реке Кама, геологии района, гидрологии реки, компоновке его основных сооружений, особенности проекта. Воткинский гидроузел сооружен на реке Кама в 1955-1965 годах.
Таблица 1.
Основные данные о Воткинском гидроузле
| Длина напорного фронта, м | Установленная мощность, МВт | Максимальный напор, м | Объем водохранилища, км | Класс основных сооружений | |
| полный | полезный | ||||
| 5370 | 1020 | 23,0 | 9,36 | 3,7 | II |
На рис.1 приведён генплан Воткинского гидроузла.
Во второй главе отражены результаты исследований гидравлических режимов в нижнем бьефе Воткинского гидроузла, нарушений крепления нижнего бьефа и эффективности мероприятий по восстановлению нормального уровня безопасности, выполненных автором диссертации.
При возведении напорных сооружений речных гидроузлов происходит изменение естественного режима реки, выражающееся в перераспределении жидкого стока, задержке твердого стока водохранилищем, во внутрисуточных колебаниях расходов и уровней при осуществлении регулирования мощности ГЭС. Рассматривались два этапа работы Воткинского гидроузла. Первый этап – работа ГЭС в условиях свободного нижнего бьефа (до завершения строительства Нижнекамского гидроузла). Второй этап – работа ГЭС с подпором в нижнем бьефе от Нижнекамского гидроузла после ввода в эксплуатацию его ГЭС и наполнения водохранилища до отметки НПУ. Дополнительное влияние на процесс нарушения креплений нижнего бьефа оказало понижение уровней нижнего бьефа, обусловленное трансформацией русла р. Камы за счет изменения естественного режима стока наносов и карьерных разработок в русле. Проведённые исследовательские работы позволили выполнить оценку влияния добычи песчано-гравийной смеси в русле р. Камы. Было установлено, что процесс понижения уровней нижнего бьефа значительно замедлился и практически прекратился после резкого сокращения добычи нерудных материалов из русла этого водотока.
В процессе эксплуатации Воткинского гидроузла наблюдались значительные деформации (просадка и разрушение плит крепления) левобережного откоса отводящего канала ГЭС.
Причина возникновения деформации состояла в том, что крепление левобережного откоса не было рассчитано на длительную эксплуатацию при низких отметках нижнего бьефа и больших скоростях потока вдоль берега. Допускалась работа левобережных гидроагрегатов №№1 и 2 с максимальной мощностью (при отключенных остальных агрегатах) и минимальных отметках нижнего бьефа. Были выполнены гидравлические исследования и измерения скоростей течения в отводящем канале ГЭС при различных режимах работы агрегатов ГЭС. Анализ полученных при этом результатов свидетельствует, что наибольшие скорости течения вдоль левобережного откоса имели место при работе полной мощностью левобережных агрегатов №№1 и 2. При этом скорости в начальном створе достигали наибольшего значения 2,75 м/с при среднем значении на вертикали 2,65 м/с.
После возникновения аварийной ситуации на левобережном откосе были приняты следующие меры: гидроагрегатам №№1 и 2 было запрещено работать с максимальной мощностью при минимальной отметке нижнего бьефа; была произведена отсыпка на размытый участок каменной призмы и закрепление ее сборными железобетонными плитами.
В июле 1993 года в створе гидроагрегата №5 в ковше за зубом рисбермы было выявлено понижение отметки дна и отсутствие каменного заполнения ковша. Последующие водолазные обследования показали, что размеры ямы размыва и ее глубина увеличиваются. При непринятии мер по ликвидации этой аварии могло произойти разрушение рисбермы, нарушение отсасывающих труб гидроагрегатов, разрушение левобережных подпорных стенок и возможное нарушение напорного фронта. Данный сценарий развития аварийной ситуации был возможен при пропуске паводка редкой обеспеченности, когда нет возможности по гидрологическим условиям ограничить сброс значительных расходов в нижний бьеф.
Максимальные придонные скорости в зоне размыва за рисбермой (с учетом работы ГЭС в режиме суточного регулирования и включений её агрегатов в качестве аварийного резерва) достигали = 3,15 м/с. Как известно связь придонной неразмывающей скорости с крупностью донного материала d описывается зависимостью Мирцхулавы Ц. Е.
, (1)
где m – коэффициент, учитывающий наличие в потоке взвеси (m=1 при отсутствии взвеси); n – коэффициент пульсации (n = 4,33 в рассматриваемом случае), н = 2,65 т/м – плотность материала каменной наброски; в = 1 т/м – плотность воды.
При отмеченных выше значениях придонной скорости потока устойчивыми будут элементы наброски крупностью d 0,76 м. На рассматриваемом Воткинском гидроузле в качестве наброски в соответствии с полученными нами рекомендациями использовались стандартные фундаментные блоки ФБС 24-6-6, размером 2,4х0,6х0,6 м, что с некоторым запасом удовлетворяло требованиям к крупности материала заполнения зоны размыва.
В 1998 году в зону размыва за зубом рисбермы в районе напротив 5-го гидроагрегата было отсыпано 360 м бетонных блоков, в 2000 году в зону размыва за зубом рисбермы в районе напротив второго гидроагрегата – 300 м. Отмеченные действия позволили восстановить нормальный уровень безопасности сооружения.
Крепление нижнего бьефа было выполнено с учетом подпора от Нижнекамской ГЭС. В полной мере это видно на примере русловой земляной плотины №1.В процессе эксплуатации в результате резких изменений уровней нижнего бьефа, а также ледовых явлений в зимний период произошло уполаживание низового откоса этой плотины в диапазоне отметок 71-66 м – то есть имел место вынос грунта тела плотины в русло реки. Измеренные скорости потока при сбросе нагрузки ГЭС с P=max до P=0 составили =3,1 м/с. В то же время, неразмывающие скорости для материала низового откоса (булыжник с галькой и гравием) составляли =1,5-2,0 м/с. Таким образом возникла вероятность размыва низового откоса русловой земляной плотины, представляющую угрозу безопасности всего гидроузла.
Нормальный уровень безопасности расматриваемой плотины был восстановлен после крепления низового откоса сборным и монолитным железобетоном в диапазоне отметок 66,00-71,00 м. Более подробно влияние русловых процессов на безопасность гидросооружений и пути повышения уровня безопасности гидросооружений представлены в статьях с участием автора [1, 2].
Выполненные нами исследования показали, что русловые процессы и местные деформации крепления нижнего бьефа оказывают существенное влияние на уровень безопасности ГТС гидроузла. Причиной местных деформаций крепления нижнего бьефа явилось несоответствие прочностных характеристик крепления (крупности донного материала) максимальным скоростям потока.
В третьей главе рассматривается значение фильтрационного режима грунтовых плотин, в особенности работоспособности их дренажных систем, для безопасности сооружений.
В сентябре 2003 года были зафиксированы выходы фильтрационных вод на земляной плотине №2 в районе дренажного колодца СК-3 на участке длиной 80 м от подошвы низового откоса до дренажного лотка. Было решено до наступления зимы устроить самоизливающий отвод из колодца СК-3 в дренажный лоток и пригрузить обводненный участок песчано-гравийным грунтом с целью недопущения промерзания.
В 2004 - 2005 годах исследования фильтрационного режима земляной плотины №2 были нами продолжены, подробно содержание этих исследований отражены в статьях с участием автора [3, 4, 5]. Обследование плотины №2 показало, что её дренажный коллектор заилен хемогенными марганцевыми рудами по всей длине, за исключением самых верхних водораздельных и сухих участков. Мощность отложений в трубах коллектора диаметром 1 м колеблется от 20 см до 75 см. Нами был выполнен комплекс полевых изысканий, лабораторных исследований, анализ результатов этих работ позволил нам установить, что основной причиной нарушения работы дренажных систем земляных плотин на Воткинского гидроузла и причиной нарушения нормальной работы их дренажных систем является хемогенное заиление дренажных коллекторов марганцеворудными отложениями. Осаждение и накопление хемогенных марганцевых руд в трубчатом дренаже плотины №2 привело к перекрытию полости дренажного коллектора между ПК 41 и ПК 42, вызвавшему подтопление дренажа, подъем депрессионной поверхности в теле плотины и пьезометрической поверхности в водоносном горизонте основания в интервалах ПК 40 ПК 43 и ПК 38 ПК 39. Состояние дренажного коллектора на участке СК-3а – СК-3 представлено на рис.2.
Выполненные полевые исследования выявили наличие марганцеворудных отложений во всех без исключения элементах дренажной системы: в полости дренажного и отводящего коллекторов, в дренажных отверстиях, в стыках звеньев дренажных труб, в смотровых колодцах, в обратных фильтрах.
Материал образца отложений из дренажного коллектора плотины №2 влажный, сажистый, с масляно-металлическим блеском на гладких поверхностях, аморфный, пористый, легкий, имеет натечные формы, слоистую рыхлую структуру. Слои ориентированы параллельно поверхности дренажной трубы. Водопроницаемость в направлении параллельном слоистости характеризуется средним значением коэффициента фильтрации k = 6,0 м/сут, в перпендикулярном – k = 2,3 м/сут (табл.2).
Таблица 2.
Коэффициенты фильтрации отложений из дренажного коллектора плотины №2
| № опыта | 1 | 2 | 3 | среднее | 4 | 5 | 6 | среднее |
| k, м/сут. | 5,3 | 5,9 | 6,8 | 6,0 | - | - | - | - |
| k, м/сут | - | - | - | - | 2,3 | 2,9 | 1,8 | 2,3 |
Выполненные лабораторные испытания показали, что коэффициент фильтрации грунтов фильтровой обсыпки с хемогенным материалом в порах уменьшался в несколько раз по сравнению исходным, достигая величин, сравнимых с коэффициентом фильтрации песков тела плотины, что доказало кольматирование обратного фильтра дренажного коллектора.
Хемогенное заиление дренажа сопровождалось также закупоркой дренажных отверстий в трубах и зазоров на стыках секций трубы натечными образованиями из соединений марганца. Закупорка отверстий в совокупности с кольматажем обратного фильтра уменьшало водоприемную способность дренажного коллектора, в конечном итоге, до нуля (даже при отсутствии донных отложений). Причиной перечисленных проявлений снижения эффективности работы дренажа служило обильное поступление в дренаж обогащенных ионами марганца фильтрационных вод из основания плотины и застойные условия, благоприятные для образования и накопления в дренаже гидроксидов марганца.
Учитывая, что марганцевые отложения нерастворимы в воде и других экологически безопасных растворителях, единственным реально применимым способом их ликвидации остается механическая очистка труб дренажного коллектора и при необходимости замена/промывка фильтрующего материала. Более подробно проблемы хемогенного заиления дренажей Воткинской ГЭС изложены в статьях с участием автора, опубликованных в Известиях ОАО «ВНИИГ им. Веденеева» [3, 4, 5].
В мае 2006 года удалось полностью прочистить участок дренажа от СК-3 до СК-4 и отводящего коллектора от КО-1 до КО-3, удалив из отстойников и труб песок с марганцевыми отложениям. В результате была восстановлена нормальная работа дренажа земляной плотины №2 (рис.2б).
В четвёртой главе рассмотрены вопросы организации натурных наблюдений на основных ГТС Воткинского гидроузла, которые подразделялись на контрольные и специальные. Контрольные наблюдения в обязательном порядке проводятся на всех ГТС гидроузлов I – III классов с целью осуществления систематического мониторинга их состояния, своевременного выявления отклонений от нормальных условий эксплуатации, назначения соответствующих мероприятий направленных на предотвращение снижения уровня безопасности объекта. Состав и объем контрольных наблюдений, как правило, следует назначать в зависимости от класса плотины, ее конструкции, геологических, геокриологических, гидрогеологических, климатических, сейсмических условий, а также условий возведения и требований эксплуатации последней.
Специальные наблюдения обычно проводят для проверки отдельных проектных предположений и решения научных задач. Они предусматривают изучение тех вопросов, которые в настоящее время не могут быть решены достаточно надёжно теоретически или экспериментально. К таким исследованиям относится, например контроль напряжённо-деформируемого состояния сооружения. Для Воткинского гидроузла специальными наблюдениями являются наблюдения за напряжением арматуры анкерной плиты и анкерного понура водосливной плотины.
Измеряемые (вычисляемые по результатам измерений) контролируемые показатели, выбранные в качестве диагностических должны отвечать следующим условиям:
- диапазон измерения значения показателя при нормальном эксплуатационном состоянии должен в несколько раз превышать погрешность его измерения;
- показатель должен характеризовать состояние зоны сооружения, наиболее чувствительной к внешним воздействиям;
- диагностический показатель должен поддаваться прогнозу с помощью детерминической или статистической модели;
На примере Воткинского гидроузла нами был осуществлён выбор наиболее репрезентативных диагностических показателей его бетонных и грунтовых сооружений.
Критериальные значения рассматриваемых показателей состояния сооружений определяются расчётом последних в соответствии с действующими СНиПами и принимаются равными расчётным значениям, соответствующим нагрузкам основного К1 и особого К2 сочетания нагрузок, в соответствии с «Методика определения критериев безопасности гидротехнических сооружений». (РД 153-34.2-21.342-00.). На примере назначения критериев для бетонных сооружений виден подход к назначению их критериальных значений. С учётом достаточного ряда наблюдений, выполненных с помощью КИА и наблюдаемых значений уровней бьефов, напора, температур, близких или превосходящих нагрузки основного сочетания, критериальные значения показателей К1 назначались по прогнозным статистическим регрессионным моделям. Выбор прогнозирующей функции в виде многочлена с неопределёнными коэффициентами, зависящими от внешних факторов (уровней бьефов, напора, температуры воздуха и времени от начала выборки) определялся опытом предыдущих исследований и качеством получаемой модели. Качество модели оценивалось нами по следующим параметрам:
- коэффициенту корреляции модели с показаниями КИА;
- коэффициенту Фишера "F" (критерий значимости выбранной формы связи рядов показаний КИА и внешних воздействий);
- значениям стандартов ошибки оценок коэффициентов при переменных многочлена (значений внешних факторов). Величины стандартов ошибки должны составлять не более половины от значений коэффициентов многочлена.
Критериальные значения К1 после построения регрессионной модели диагностического показателя назначались как сумма значений модели для условий основного сочетания нагрузок и доверительного интервала модели, принимаемого равным двум стандартам ошибки оценки прогноза по модели относительно показаний КИА. К1 показаний пьезометров в основании бетонных сооружений назначались для уровней бьефов при сбросе расчётного паводка 1% обеспеченности и нормальной работе противофильтрационных устройств.
Общий вид регрессионной модели показания пьезометров в основании бетонных сооружений:
П=b0+b1*УНБ+b2*УВБ+b3*(УНБ)+b4*(УВБ)+…… (2)
Для пьезометров, измеряющих фильтрационное противодавление в основаниях бетонных сооружений регрессионная модель, определяющая критериальное значение К1 имеет вид:
К1=П=b0+b1*УНБ+b2*УВБ±2* оц. (3)
При назначении критериальных значений пьезометрических уровней К2 в основании основных бетонных сооружений рассматривались эпюры противодавления для двух случаев особого сочетания нагрузок: при пропуске поверочного паводка 0,1% вероятности и при пропуске паводка 1% вероятности с выходом из строя понура, как противофильтрационного элемента. Диагностические показатели уровней воды в пьезометрах принимались для случая с меньшим коэффициентом запаса. При этом учитывались требования современных СНиП и данные натурных наблюдений противодавления в основании ГТС за последний период эксплуатации (1993-2005 г.г.).
В пятой главе изложены результаты нашего анализа причин разрушения грунтовых плотин, рассматрены различные подходы к определению допустимого риска и уровня безопасности ГТС.
Наиболее общим и теоретически обоснованным является метод, основанный на оценке меры риска величиной, представляющей собой произведение:
, (4)
где Р – вероятность аварии или разрушения сооружения, У – ущерб от аварии или разрушения.
При проектировании, строительстве и эксплуатации соотнесение затрат на обеспечение надежности и безопасности сооружений с размером ущерба от возможной аварии и повреждения может быть выполнено на основе применения методов вероятностно-экономической оптимизации гидросооружений в соответствии с условием:
, (5)
где П – приведенные затраты на строительство, R – ежегодные издержки, Pj – вероятность наступления предельного состояния (аварии, повреждения) j-го типа, Уj – стоимость ущерба от наступления предельного состояния.
В главе рассмотрены три современных методики оценки уровня безопасности (уровня риска) ГТС:
1. Методика оценки уровня безопасности гидротехнических сооружений. Стандарт предприятия (СТП НИИЭС).
2. Методические рекомендация по оценке риска аварий гидротехнических сооружений, водохранилищ и накопителей промышленных отходов, разработанные в ФГУП НИИ ВОДГЕО под научным руководством д.т.н. Розанова Н.Н. и д.т.н. Курганова Н.П.
3. Методика оценки вероятности отказов грунтовых плотин, выполненная по методике Р. Фела (СТП ВНИИГ 220.2.001-00).
По методике, рекомендованной ВНИИГом, ожидаемая частота отказов двух вполне благополучных плотин левобережных пойменных №3 и №4 выше, чем у правобережной пойменной №2, имеющей с 1964 г. проблемы с дренажем, и русловой №1, у которой низовой откос подвергался размывам при перепадах уровней нижнего бьефа.
Большое влияние на коэффициент риска нарушения фильтрационной прочности оказывает наличие зон контакта грунта тела плотины с элементами из других материалов, независимо от нарушений в контакте. Это также повлекло увеличение ожидаемой частоты отказа левобережной пойменной плотины №3. Последняя имеет самую высокую частоту отказа из всех грунтовых плотин Воткинского гидроузла, что сомнительно.
При оценке риска аварии на земляных плотин Воткинского гидроузла по методике НИИ ВОДГЕО получены результаты об умеренной степени риска на всех его плотинах, но с некоторым превышением степени риска на плотине №2 (правобережной пойменной). Это связано с чрезмерным влиянием показателя опасности 4 - степень опасности при авариях с прорывом плотин Воткинского гидроузла по принятой классификации очень большая. Масштаб возможной чрезвычайной ситуации будет федеральный, так как коснется трех субъектов Федерации.
Наиболее приемлемой является Методика оценки уровня безопасности гидротехнических сооружений. Стандарт предприятия (СТП НИИЭС). Эта методика рекомендует приводить, количественные значения факторов к масштабу единой нормативной шкалы, значения которой изменяются от 0 до 6. Оценке "0" соответствует идеальное исправное состояние сооружения; оценкам до "3" соответствует работоспособное состояние сооружения, отвечающее нормативным требованиям по первой и второй группе предельных состояний; оценка свыше "3" и до "4" соответствует состоянию сооружения, отвечающему условиям эксплуатации сооружений при действии особого сочетания нагрузок; при оценке свыше "4" и до "6" сооружения находятся в состоянии несоответствия нормативным требованиям (аварийное состояние). Для каждого вида инструментальных наблюдений, для каждого сооружения определены количественные и качественные признаки, соответствующие шести возможным оценкам.
Обобщение оценок по видам инструментальных наблюдений и визуальных обследований в Методике НИИЭС рекомендовано выполнять по формулам (6) и (7), а по отдельным конструкциям и сооружениям по формуле (8).
, (6)
, (7)
, (8)
где I – вычисляемое значение фактора безопасности более высокого уровня иерархии, Ii – значение фактора безопасности более низкого уровня иерархии, Imax и Imin максимальное и минимальное значение факторов для того интервала количественной шкалы, которому соответствуют качественные значения факторов, учитываемых при вычислениях в формуле (8).
При оценке уровня безопасности I эксплуатируемого ГТС следует учитывать две основные группы факторов безопасности характеризующих:
- состояние эксплуатируемого ГТС (фактор I1);
- ущерб от возможной аварии и разрушения ГТС (фактор I2).
По результатам оценки, осуществленной нами по Методике НИИЭС, уровень безопасности земляных плотин Воткинского гидроузла является нормальным.
В тексте главы подробно освещается методология создания систем диагностики эксплуатируемых гидротехнических сооружений русловых средненапорных гидроузлов, основанная на применении технологии "экспертных систем" и способа формализации знаний о свойствах гидротехнических сооружений русловых средненапорных гидроузлов и методах контроля и оценки их состояния в виде системы правил. Создаваемые на этой основе системы диагностики позволяют автоматизировать не только процесс сбора и первичной обработки, данных контроля, но также автоматизировать процедуру оценки состояния плотин. Показаны принципы создания и работы экспертно-диагностической системы Д-2 и системы автоматизации инструментальных наблюдений за состоянием ГТС Воткинской ГЭС, разработанных и внедрённых с участием автора.
Система Д-2, разработанная и установленная при участии автора на Воткинской ГЭС, содержит (рис. 4) основные блоки: базу данных системы, базу знаний системы, включающую в себя аналитический блок оценки состояния сооружения, базу сценариев проведения диагностики и экспертизы уровня безопасности, базу знаний для проведения диагностики состояния ГТС, базу знаний для проведения экспертизы. Кроме того, система содержит ряд сервисных программ: блок ввода информации об объекте; графический редактор; редактор построения таблиц; блок математической обработки данных; блок создания отчётов; блок ввода данных наблюдений в базу данных; блок импорта-экспорта данных; архив.
Ранжирование качественных значений отдельных факторов, как и уровня безопасности I для сооружения в целом, осуществляется на основе специальных таблиц и реализуется в Декларации безопасности ГТС.
На рис. 3 приведён график изменения уровня безопасности ГТС Воткинской ГЭС в 2007 г., составленный с помощью системы Д-2.
Изменение уровня безопасности ГТС, наблюдаемые на графике связаны с изменением показаний контрольно-измерительной аппаратуры. Максимальное значение I в паводок – в этот период показания пьезометров максимальные и приближаются к К1.
В системе создана база знаний для проведения экспертизы, которая включает в себя базы знаний для визуальных наблюдений и базу диагностических знаний, а, кроме того, для каждого сценария развития возможной аварийной ситуации разработаны на экспертном уровне, и введены в сценарий правила проведения экспертизы, оценки последствий развития аварийной ситуации и мероприятия по её предотвращению по каждому конкретному сценарию. Более подробно идеология и принципы построения экспертно-диагностических систем изложены в статьях с участием автора [6, 7].
Для повышения оперативности и достоверности получения информации за состоянием бетонных сооружений на Воткинском гидроузла по инициативе и при участии автора разработана и внедрена система автоматизации инструментальных наблюдений за состоянием бетонных сооружений. Разработка и внедрение этой системы предусматривала три этапа автоматизации инструментальных наблюдений на бетонных сооружениях: пьезометры и щелемеры на водосливной плотине, на здании ГЭС и монтажной площадке. В системе Д-2 информация с автоматизированной системы поступает в базу данных, обрабатывается в базе знаний и учитывается при определении уровня безопасности ГТС.
Заключение
1. В данной диссертационной работе решатся задача выработки единого комплексного подхода в обеспечении безопасной эксплуатации гидросооружений на основе: анализа причин аварий и сравнения различных методов оценки уровней безопасности гидротехнических сооружений, анализа законодательной и нормативной базы по вопросам надежности и безопасности гидротехнических сооружений, оценке влияния русловых процессов в нижнем бьефе на уровень безопасности сооружений, оценке влияния на уровень безопасности грунтовых плотин изменения их фильтрационного режима вследствие хемогенных факторов, разработка методологии контроля и оценки безопасности ГТС на основе использования как количественной (расчетной и инструментальной), так и качественной информации о состоянии сооружений, рассмотрены пути решения ряда проблем, возникающих при эксплуатации ГТС русловых средненапорных гидроэлектростанций. Теоретические положения и инженерные методы, разработанные в диссертации, в совокупности составляют основу решения важной научно-технической проблемы контроля, оценки и обеспечения безопасности гидротехнических сооружений русловых средненапорных гидроэлектростанций в процессе эксплуатации.
На основе подробного анализа мирового опыта законодательного регулирования безопасности плотин, отечественного опыта отраслевого надзора за безопасностью ГТС автором сделан вывод, что мировые тенденции в этой области в значительной мере реализованы в России принятием в 1997 году Федерального закона «О безопасности гидротехнических сооружений», и других законодательных и нормативных документах.
2. В результате проведённых исследований гидравлического режима в нижнем бьефе Воткинской ГЭС нам удалось определить характер распределения скоростей потока при различных режимах работы ГЭС, что позволило выбрать оптимальные варианты ремонтных работ. Как показано автором в работе для выполнения проектов по ремонту деформаций крепления нижнего бьефа необходимо проведение всесторонних гидравлических исследований и измерения скоростей потока при различных режимах работы гидроузла. В проекте ремонта должны учитываться наиболее неблагоприятные гидравлические режимы работы гидроузла. При своевременном выявлении деформаций крепления нижнего бьефа и выполнения проекта с учётом гидравлических режимов, проведение ремонтных работ позволяет восстановить нормальный уровень безопасности гидросооружений при оптимальных затратах материальных и финансовых ресурсов.
3. Результаты проведённых с участием автора исследований оценки влияния на уровень безопасности грунтовых плотин изменения их фильтрационного режима впервые выявили хемогенные факторы нарушения нормальной работы их дренажных систем. На Воткинском гидроузле основной причиной нарушения фильтрационного режима является снижения эффективности работы дренажа вследствие обильного поступления в дренаж обогащенных ионами марганца фильтрационных вод из основания плотины и застойные условия, благоприятные для образования и накопления в дренаже гидроксидов марганца. Так как марганцевые отложения нерастворимы в воде и других экологически безопасных растворителях, единственным реально применимым способом их ликвидации остается механическая очистка труб дренажного коллектора и при необходимости замена/промывка фильтрующего материала. Приведены успешные примеры борьбы с хемогенным заилением дренажных коллекторов плотин Воткинского гидроузла.
Полученные результаты позволяют рекомендовать при исследовании фильтрационных режимов грунтовых плотин исследовать химический состав отложений в полостях дренажных коллекторов, грунтов обратных фильтров и фильтрационных вод с целью своевременного выявления начавшегося хемогенного загрязнения.
4. По результатам натурных исследований и проектно-изыскательских материалов и на основании требований, предложенных автором, назначены наиболее значимые и характерные группы КИА, а также зоны сооружений, подлежащие визуальным осмотрам. На этапе назначения критериальных значений созданы и откалиброваны математические модели изменения состояния сооружения в зависимости от внешних воздействий с учётом временного фактора. По результатам математического моделирования и расчётов воздействий внешних и внутренних факторов вычислены значения предупредительного уровня К1 и критического уровня К2. Такой подход позволяет повысить достоверность назначения критериев, что, в свою очередь, имеет прямое влияние на безопасность гидросооружений.
5. Разработана методология создания систем диагностики эксплуатируемых гидротехнических сооружений гидроэлектростанций, основанная на применении технологии "экспертных систем" и способа формализации знаний о свойствах гидротехнических сооружений гидроэлектростанций и методах контроля и оценки их состояния в виде системы правил. Создаваемые на этой основе системы диагностики позволяют автоматизировать не только процесс сбора и первичной обработки, данных контроля, но также автоматизировать процедуру оценки состояния плотин. Показаны принципы создания и работы экспертно-диагностической системы Д-2 и системы автоматизации инструментальных наблюдений за состоянием бетонных сооружений на Воткинской ГЭС, разработанных и внедрённых по инициативе и при участии автора.
Основные положения диссертации освещены в следующих работах:
- Борисевич Л. А., Фисенко В. Ф. Русловые процессы в нижнем бьефе Воткинской ГЭС, местные деформации крепления нижнего бьефа и их влияние на уровень безопасности гидротехнических сооружений. // Гидротехническое строительство, 2003, № 9.
- Векслер А.Б., Фисенко В.Ф. Нарушения крепления нижнего бьефа Воткинской ГЭС, возникшие в процессе эксплуатации. // Гидротехническое строительство, 1997, №2.
- А.В. Гинц, Т.М. Гольдина, И.Н. Гусакова, В.Ф. Фисенко.
Хемогенные отложения в дренажной системе грунтовой правобережной плотины №2 Воткинского гидроузла. // Известия ВНИИГ им. Веденеева. Том. 243. Основание и грунтовые сооружения. 2004 г.
- А.В. Гинц, М.Г.Лопатина, И.Н. Гусакова, В.Ф. Фисенко. Проблема хемогенного заиления дренажа грунтовых плотин Воткинской ГЭС. // Гидроэнергетика. Тезисы докладов научно-технической конференции. С-Пб.: Издательство ВНИИГ им. Веденеева. 2005 г.
- Гордиенко С. Г., Гусакова И. Н., Кветная И. А., Фисенко В. Ф. Оценка фильтрационных утечек через основание грунтовых плотин Воткинской ГЭС. // Известия ВНИИГ им. Веденеева. Том. 243. Основание и грунтовые сооружения. 2004 г.
- Фисенко В. Ф., Деев А. П. Рекомендации по организации натурных наблюдений на эксплуатируемых ГТС с учётом опыта Воткинской ГЭС. // Безопасность энергетических сооружений. 2005. вып.15.
- Чернилов А.Г., Лавров Б. А., Иващенко И. Н., Фисенко В. Ф. Экспертно-диагностическая система D2 для оценки безопасности гидротехнических сооружений. // Безопасность энергетических сооружений. 2005. вып.15.
- E.N. Bellendir, V. B. Glagovsky, V. S. Kuznetsov, N. Ya. Nikitina, E.A. Filipova, I. F. Blinov, I. N. Ivaschenko, A. G. Chernilov, D. B. Radkevich, V. F. Fisenko. Principals and method of diagnostics, assessment and assurance of embankment dams in Russia. // Trans. 22th Int. Congr. Large Dams. Barcelona. 2006. vol.1.
Рис. 1. План Воткинского гидроузла.
а) б)
Рис. 2. Полость дренажного коллектора до (а) и после (б) очистки от отложений и
наносов.
Рис.3. Экспертная оценка уровня безопасности ГТС, график изменения уровня безопасности ГТС в течение 2007 г. (ордината I – уровень безопасности ГТС, абсцисса t – дата). 1 – общий ГТС; 2 – земляная плотина №1; 3 – земляная плотина №2; 4 – земляная плотина №3; 5 – земляная плотина №4; 6 – водосливная плотина; 7 – здание ГЭС.
Рис. 4. Блок-схема системы Д-2.
