Источник: Журнал «Hydropower & Dams»
Авторы: П. С. Риззо, Дж. П. Остерле, «Paul C. Rizzo Associates»
ВВЕДЕНИЕ
Каменно-набросная дамба, возведенная в 1963 г. для образования верхнего бассейна ГАЭС Том Сок (США, штат Миссури, г. Лестервилль), была разрушена 14 декабря 2005 г. В данный момент идет восстановление верхнего бассейна, дамба которого теперь реализуется в виде плотины из укатанного бетона объемом 2,06 млн. м3 в соответствии с регулирующими положениями FERC и положениями по окружающей среде Миссури. Новая дамба выполняется из укатанного бетона и имеет симметричное поперечное сечение, в связи с чем ходе ее проектирования возникло множество сложных вопросов. Данная статья подытоживает эти вопросы, описывая развитие инженерных решений в ходе дискуссий в FERC, властей штата Миссури и Консультационного комитета.
ДО АВАРИИ
ГАЭС Том Сок (Taum Sauk) расположена в районе Рейнольдса (Reynolds Country) штата Миссури на восточном ответвлении р. Блэк-ривер (Black river), приблизительно в 144 км к юго-западу от г. Сент-Луис. Установленные на ГАЭС обратимые насос-турбины, обеспечивающие генерацию и необходимые технические параметры в сетях AmerenUE, имеют установленную мощность 450 МВт. Всего на станции установлено два гидроагрегата. Верхний бассейн ГАЭС образован насыпной дамбой, а нижний — плотиной, перегородившей русло р. Блэк-ривер. Протяженность дамбы верхнего бассейна составляет 2 км с формой в плане, схожей с формой почки. Тело дамбы отсыпано из каменной наброски, по верховому откосу которой уложен железобетонный экран (плотина типа CFRD). Максимальная высота насыпи над уровнем дна бассейна составляет 26 м. Абсолютная отметка гребня при ширине 3,6 м равна 484 м, отметка дна (на основной площади) — 458 м. На гребне установлен железобетонный парапет высотой 3 м и шириной 1,3 м, обеспечивающий некоторое увеличение полезного объема бассейна.
Рисунок 1 — Вид верхнего бассейна ГАЭС Том Сок до аварии
Верхний бассейн не имеет водосборного бассейна, поэтому у него нет и водосброса. Наполнение его емкости обеспечивается работой ГАЭС в насосном режиме, а также за счет атмосферных осадков. Здание станции находится в начальной части нижнего бассейна на расстоянии 3,2 км от верхнего. Оно расположено в глубоком узком ущелье. Соединение с нижним бассейном выполнено в виде отводящего канала, объем которого полностью образован выемкой. Соединение ГАЭС с верхним бассейном осуществлено железобетонными туннелем и шахтой, облицованными стальной оболочкой.
ГАЭС Том Сок располагает реверсивным оборудованием, позволяющем работать в пиковой части графика нагрузки. Летом типичный дневной цикл включает турбинный режим — в середине утра и вечером (сработка объема верхнего бассейна), и насосный режим — ранним утром и днем. Осенью, зимой и весной станция включается в режиме генерации обычно только раз в сутки.
Отметка НПУ в верхнем бассейне составляет 486 м. Обычная величина сработки не превышает 9 м, что соответствует шестичасовому периоду работы в турбинном режиме для одного гидроагрегата, или трехчасовому — для двух гидроагрегатов. Минимальные отметки снижения уровня воды, при которых в водоприемнике еще не наблюдается образование воронок, составляют 465 м (при работе двух агрегатов) и 462 м (при работе одного агрегата). Работа ГАЭС подчинена диспетчерскому управлению в г. Сент-Луис. Оба гидроагрегата способны набирать полную нагрузку в течение нескольких минут.
1 АВАРИЯ 14 ДЕКАБРЯ 2005 г.
В 4 часа утра указанной даты в северо-западной части дамбы верхнего бассейна произошел размыв на длине 213 м. Причиной этому послужило очень быстрое выпадение осадков на западном склоне горы Профитт Маунтин (Profitt Mauntain). Поток воды прошел по автодороге N, и произвел значительный материальный и экологический ущерб туристскому лагерю Johnson’s Shut-Ins Campground.
Рисунок 2 — Общий вид ГАЭС Том Сок
Рисунок 3 — Общий вид разрушения дамбы верхнего бассейна
Рисунок 4 — Вид трассы потока через автодорогу N
1.1 Анализ причин
Анализ причин аварии, проведенный компанией Rizzo для определения механизма разрушения и разработки проекта реконструкции верхнего бассейна, был глубже и полнее, нежели могло потребоваться для простого восстановления утраченной части дамбы бассейна. Исследование причин аварии было произведено в два этапа:
Этап 1: Сбор данных
Этап включал в себя сбор информации, содержащей условия работы сооружения (в период до аварии, в ходе ее развития, и после ее завершения), действия персонала, и действовавшие на момент аварии природные факторы.
Этап 2: Оценка
Данный этап включал следующие задачи:
– установление проблемы;
– определение наиболее важной проблемы;
– определение условий, предшествовавших и сопровождавших проблему;
– выяснение причин, почему указанные условия имели место.
Для выполнения указанных задач компания Rizzo применила «методологию анализа барьеров» (Barrier Analysis Methodology), предназначенную для системной идентификации физических, административных и процедурных барьеров (препятствий), которые должны были предотвратить аварию. Понятие барьера может быть представлено в самом разном виде, например, как какой-либо физический компонент, как инструмент, как политика управления, или же как руководство по эксплуатации, т.е. барьером является то, что предотвращает наступление аварии. В таблице приведен список всех барьеров, существовавших на ГАЭС Том Сок перед описываемой аварией.
Рисунок 5 — Модели возможных причин потенциальных аварий
Выполненный «Анализ основных причин» показал, что разрушение верхнего бассейна ГАЭС привело к быстрому опорожнению значительного объема воды. К счастью, это не привело к фатальным последствиям. Образовавшийся в теле каменно-набросной дамбы — ключевого звена на пути развития аварии — был основной тому причиной. Механизм разрушения представлял собой потерю устойчивости северо-восточного угла дамбы, которая была вызвана быстрым ростом депрессионной кривой в теле дамбы с соответствующим повышением порового давления на контакте искусственной насыпи с основанием. Повышение депрессионной кривой, в свою очередь, произошло по причине перелива воды в бассейне через стену-парапет. Другими факторами, способствовавшими аварии, были слабое основание дамбы, недостаточная величина сопротивления сдвигу материала дамбы, невысокое качество строительных работ при возведении дамбы. Основной же сопутствовавшей причиной аварии явились недостатки в инструментальной системе мониторинга уровня воды в верхнем бассейне.
2 ПРОЕКТНЫЕ КРИТЕРИИ ДЛЯ НОВОГО ВЕРХНЕГО БАССЕЙНА
В настоящий момент компанией AmerenUE осуществляется реконструкция верхнего бассейна для восстановления работы ГАЭС Том Сок.
Рисунок 6 — Строительство новой дамбы верхнего бассейна
2.1 Гидрология
Новая дамба из укатанного бетона (т.н. RCC) возводится вдоль первоначальной каменно-набросной дамбы с экраном, отсыпанной в 1960-х гг. для образования верхнего бассейна. С момента сооружения на вершине горы Том Сок бассейна понятие водосборного бассейна отсутствовало. Величина максимального вероятного паводка (PMF) для новой дамбы из укатанного бетона базировалось только на характеристике ливневых осадков по площади верхнего бассейна. По этой причине гидрологические и гидравлические параметры ограничиваются двумя основными факторами: возвышением гребня новой дамбы (включая парапет), и пропускной способностью поверхностного водосброса.
Рисунок 7 — Новые проектные отметки
В целом проектирование базировалось на идее полномасштабной реконструкции верхнего бассейна в таком виде, чтобы сохранить изначальные энергетические характеристики ГАЭС.
Первоначальный проект верхнего бассейна не включал в состав сооружений водослива на случай случайного переполнения объема бассейна при работе ГАЭС в насосном режиме. Теперь же, при разработке нового проекта бассейна, такой водослив предусмотрен на случай подъема уровня воды выше допустимого. Водослив является неотъемлемой частью дамбы бассейна и, теоретически, никогда не будет задействован по своему назначению. Основные проектные показатели нового водослива представлены в таблице.
Рисунок 8 — Основные параметры водослива
2.2 Устойчивость сооружения
Ширина основания секций новой дамбы из укатанного бетона составляет 60 м (по 30 м в каждую сторону от оси сооружения). По рекомендации Owner’s Board of Consultants (BOC) и FERC, кровля скального основания под каждой секцией выполняется ступенчатой так, что максимальная величина наклона основания не превышала 10°.
На рисунке представлено сечение по пикету ПК55+00, являющееся характерным критическим сечением дамбы (по причине максимальной высоты со стороны низового откоса). Естественная поверхность скального массива с уклоном, достигающим 35°, будет удалена с образованием откоса наклоном 10° и менее.
Рисунок 9 — Характерное сечение по дамбе
Устойчивость дамбы была оценена в соответствии с методами, отраженными в главе III нормативного документа FERC Engineering Guidelines [FERC, 2002]. Основными предпосылками для расчетов были:
– статический анализ как при обычном сочетании нагрузок (включая ледовую нагрузку), так и особом сочетании, рассматривающем случай перелива воды через гребень дамбы при наполнении верхнего бассейна;
– анализ при сейсмическом воздействии с использованием псевдо-динамического метода, разработанного Chopra;
– создание и анализ конечно-элементной модели (т.н. FEM).
Дамба из укатанного бетона спроектирована в соответствии с типичными принципами, принимаемым для новых плотин. Общие проектные подходы могут быть представлены в следующем виде:
– тело дамбы из укатанного бетона принимается во влажном состоянии при всех расчетных случаях;
– коэффициенты запаса по надежности дамбы определяются с учетом сейсмического воздействия;
– основанием дамбы служит скальный грунт в невыветрелом или слабовыветрелом состоянии;
– устойчивость дамбы на сдвиг по основанию определяется без учета сил сцепления;
– дренажная галерея располагается в 9 м от грани носка верхового откоса;
– величина сил противодавления, принимаемая в расчете устойчивости, определяется с учетом сниженной на одну треть работы дренажей в основании;
– ледовая нагрузка принимается действующей на отметке НПУ и равной 22,2 кН;
– угол трения по контакту бетона дамбы и основания принимается равным 45°, а сцепление — 0 кН/м2;
– прослои глины, предположительно могущие встретиться в скальном массиве, характеризуются углом трения, равным 25°, и нулевым сцеплением (т.е. в условиях дренирования).
2.3 Сейсмическое воздействие
Данный раздел описывает основные особенности учёта сейсмических условий при разработке проекта верхнего бассейна, представленных в виде спектра воздействия основания. В США USGS выполняет оценку опасности возникновения землетрясения для США и других регионов мира на основе комплексного вероятностного анализа, со средним периодом повторяемости от 475 до 2 475 лет. В таблице представлены спектральные ускорения, полученные USGS для ГАЭС Том Сок по классу B (скорость поперечных волн около 762 м/с).
Рисунок 10 — Величины ускорений для верхнего бассейна
Скорость поперечной волны в скальном основании ГАЭС соответствует классу A, но в связи с отсутствием уверенности в заданных геологических условиях, при анализе был принят класс B. Основываясь на данных приведенной таблицы, был принят проектный спектр 0,7∙g, представленный на рисунке.
Рисунок 11 — Спектр ответа и проектный спектр
Дополнительно, учитывая сеймоусловия площадки объекта (нижерасположенная таблица), проводился детерминированный сейсмический риск.
Рисунок 12 — Сейсмоисточники
Можно заметить, что вероятностный анализ сейсмического риска USGS не определяет максимальную магнитуду территории первоисточника. Однако, как будет сказано ниже, на основе имеющихся исторических материалах о сейсмичности для детерминированного анализа было принято сейсмическое событие с магнитудой 5,8 с пятью затухающими зависимостями. Расчёт спектральных ускорений производился с коэффициентом затухания 5 % (таблица).
Рисунок 13 — Модели движения земли
Как показано на вышеприведенного рисунка спектра ответа и проектного спектра, последний огибает спектры Нью Мадрида, долины Вабш и других сейсмособытий за 2 500 лет. Одно из таких событий с магнитудой 5,8, произошедшее в 20 км от ГАЭС Том Сок, имеет превышение спектрального ускорения над проектным на 0,5 Гц, что является единственным исключением из общей закономерности — проектный спектр везде превышает спектры-аналоги. На основании этого заданный проектный спектр был признан адекватным текущим условиям.
Анализ USGS определил величину пикового ускорения в 0,33∙g. В целом, реконструируемая дамба верхнего бассейна будет способна выдержать землетрясение магнитудой 7,7 в сейсмической зоне Нью Мадрид, и магнитудой 5,8 в локальной зоне самой ГАЭС.
3 ОСНОВНЫЕ ПРОЕКТНЫЕ РЕШЕНИЯ
3.1 Сопротивление основания против сдвига
Данные об основании, полученные в ходе первоначального строительства дамбы, а также выполненное в ходе возведения новой дамбы дополнительное бурение скважин показали преобладание в скальном основании пологих трещин. Во многих местах эти трещины заполнены тугопластичной глиной. Поэтому выполненный анализ устойчивости против сдвига предполагал наличие заполненных глиной трещин на различной глубине залегания. Также были рассчитаны ускорения вдоль поверхностей сдвига. Величина наименьшего допустимого коэффициента запаса имеет место при расположении трещин параллельно поверхности скальных пород (угол 10°). Для всех других углов коэффициент надёжности имеет более высокие значения. Требуемый угол трения без сцепления был рассчитан для различных глубин залегания трещин. Результаты расчётов показали, что дамба из укатанного бетона с симметричными гранями (с заложением 0,6), возведённая на основании с уклоном до 10° будет соответствовать всем критериям устойчивости FERC, даже при наличии случайных трещин с углом трения 25° в шестиметровой толще породы под основанием дамбы. По этой причине поперечное сечение новой бетонной дамбы во многом напоминает сечение существовавшей ранее каменно-набросной дамбы.
3.2 Требования к подготовке основания
В следствие наличия в основании трещин в ходе строительства осуществляются дополнительные меры по подготовке основания. Они включают в себя бурение в скале скважин глубиной 10 м. Каждая скважина снабжается видеокамерой для определения наличия трещин. Возможность идентификации трещин посредством данной аппаратуры была проверена в ходе разработки проекта. В случае присутствия сквозной трещины, проходящей по трем скважинам, пробуриваемым на одно сечение дамбы, производится анализ геометрического расположения трещины (глубина, уклон, характер дальнейшего распространения, мощность изолированного пласта и др.). Данный анализ служит для принятия решения о соблюдении условия устойчивости при наличии трещины, или о необходимости удаления данного пласта.
Рисунок 14 — Исследовательские скважины
3.3 Бетонная смесь для укатанного бетона
При разработки состава смеси укатанного бетона были приняты во внимание следующие факторы:
– возможность использования в качестве крупного и мелкого заполнителей материала каменной наброски;
– возможность использования бесплатной золы-уноса, вырабатываемой на предприятиях AmerenUE;
– невысокие требования к прочности бетона в следствие применения симметричного трапецеидального профиля дамбы.
Фаза I программы разработки бетонной смеси началась весной 2006 г. Было рассмотрено 16 смесей, каждая из которых подразумевала использование имевшихся объёмов каменной наброски. Получение нужных фракций заполнителя производилось на расположенной недалеко от ГАЭС каменоломни. Также в большинство из данных смесей включалась зола-уноса класса F, извлекавшаяся из пруда-отстойника предприятия AmerenUE Meramec. Фаза I данной программы также включала тест ASR (Alkali Silica Reactivity — активность жидкого стекла), определявший потенциальную возможность заполнителя к расширению. Результатом фазы I стал допуск золы уноса к использованию в смеси укатанного бетона. Заполнитель сохранял способность к расширению несмотря на присутствие золы уноса, которая несколько снижала активность. Суммарное содержание вяжущего (цемента и золы уноса), удовлетворявшее заданным требованиям, было принято равным 90,7 кг, заполнителей — 1 600 кг.
Фаза II программы разработки бетонной смеси включала в себя строительство тестовой площадки с использованием аналогичных материалов. Фаза II проходила в ноябре 2006 г.: тестовый образец укатанного бетона был разрезан для определения качества бетонного камня. Результатом завершения данной фазы стало подтверждение возможности использования рекомендованных в фазе I бетонных смесей.
3.4 Сейсмический анализ
Дамба из укатанного бетона возводится из секций длиной 27 м, разделенных вертикальными швами. Каждая секция имеет сейсмический отклик, практически не зависящий от остальной части верхнего бассейна. На рисунке представлена конечно-элементная модель для трехмерного анализа всего бассейна. Размер конечного элемента не превышает величины 2 м в натуре.
Рисунок 15 — Трехмерная конечно-элементная модель верхнего бассейна
Рисунок 16 — Первая форма колебания для критической секции
Жесткость скального основания по плоскости подошвы дамбы была представлена упругими связями перемещений и поворотов. Связи были смоделированы в виде 35 наборов горизонтальных и вертикальных пружин, и пружинами вращения, равномерно распределенными по плоскости контакта сооружение—основание. Были разработаны три конечно-элементные модели для различных условий работы связей (верхнего предела изменения, нижнего предела, и наиболее вероятных условий).
Для материала дамбы принят коэффициент затухания величиной 5 % от критического. При взаимодействии с грунтами основания общий коэффициент затухания становится равным 10 %. Данная величина была использована в сейсмических расчетах для всех моделей.
Для собственного веса верхнего бассейна был проведен статический расчет. Все случаи сейсмической нагрузки принимались в виде колебания основания в горизонтальном направлении. Модальные спектральные расчеты были выполнены с проектным спектром, представленным на вышеприведенном рисунке спектра ответа и проектного спектра.
В конечно-элементном расчете учитывались первые 15 форм колебаний. Первые три горизонтальные формы содержат свыше 95 % массового усилия (таблица). Максимальные напряжения при сейсмическом воздействии составляют только 0,9 МПа (как растягивающие, так и сжимающие). При учете собственного веса и гидростатического давления, все напряжения становятся сжимающими и не превышают 1,3 МПа, что вполне допустимо для дамбы из укатанного бетона.
Рисунок 17 — Природные периоды и горизонтальные факторы
3.5 Проект контрольно-измерительной аппаратуры
КИА для новой дамбы из укатанного бетона состоит из системы контроля и системы защиты. Проект обеих систем в общем соответствует Техническому руководству по ГАЭС (Pumped Storage Technical Guidance) — документу, подготавливаемому в настоящий момент рабочей группой в составе Pumped Storage User’s Group. Кроме того, проект КИА отвечает требованиям по охране окружающей среды, выпущенным FERC, а также судебному заключению к аварии верхнего бассейна. В проект также были добавлены аспекты, отмеченные в обширном отчете, подготовленном федеральными властями и властями штата.
Система контроля используется в режиме нормальной эксплуатации ГАЭС, а система защиты представляет собой предохранительную систему, резервирующую основную систему контроля. В обеих системах используется значительный набор инструментария. Имеющая место избыточность последнего введена сознательно для снижения последствий выхода из строя отдельных элементов систем.
Система защиты состоит из двух электронных распознающих датчиков-выключателей, расположенных в верхнем бассейне и срабатывающих при достижении уровня воды на 30 см выше максимальной нормальной отметки воды для насосного режима. При активации любого из двух датчиков происходит принудительная остановка гидроагрегатов, работающих в насосном режиме. Для резервирования описанных электронных датчиков предусматривается установка двух механических датчиков-выключателей поплавкового типа. Порог их срабатывания устанавливается на несколько сантиметров выше порога срабатывания их электронных аналогов. Кроме того, установлены два дополнительных датчика-выключателя на поверхностном водосбросе. Отметка порога водосброса на 30 см выше порога электрических датчиков, и несколько выше порога механических датчиков. Активация любого из этих датчиков приводит к выключению гидроагрегатов и подаче общестанционного сигнала тревоги.
На гребне дамбы устанавливаются камеры видеонаблюдения, позволяющие операторам ГАЭС контролировать ситуацию с уровнем воды в верхнем бассейне визуально. Часть камер дают общий обзор площади бассейна. Ряд камер размещён специально напротив мерных реек уровня воды.
Строительство описанного верхнего бассейна ГАЭС Том Сок ведется в настоящий момент.
АВТОРЫ
Доктор П. С. Риззо — владелец контрольного пакета акций и президент Paul C. Rizzo Associates, Inc. Имеет сорокалетний опыт в области инженерного консалтинга. Доктор С. Риззо является признанным экспертом в области безопасности, сейсмических расчетов и реконструкции плотин. Он также хорошо известен как постоянный инвестор в такие области инженерии, как сейсмология и основания плотин и гидростанций. В сфере его деятельности фигурируют естественные основания, геология и гидрогеология, анализ напряжений, вибраций и динамики сооружений. С. Риззо принимал участие в различных комитетах, комиссиях и консультационных группах по вопросам оценки сейсмической угрозы, сейсмоинжиниринга, естественных оснований, и других, связанных со спецификой сейсмической составляющей проектирования гидротехнических сооружений. Он также являлся лектором по геотехнике, сейсмике и строительному проектированию в целом.
Дж. П. Остерле — в течение более 23 лет работал в качестве инженера-консультанта. В настоящий момент является вице-президентом Paul C. Rizzo Associates, Inc в г. Питтсбург (США, шт. Пенсильвания), курируя проекты плотин и водных ресурсов. Является бакалавром строительства университета Carnegie-Mellon, и членом ASCE и ASDSO, и дипломированным инженером ряда штатов США.