Статьи

Номер: № 4 (2018)

Стабилизация мерзлых пород

Инновационная технология совместного устройства противофильтрационного элемента «стена в грунте» и глубинной мерзлотной завесы разработана в НПО «Фундаментстройаркос» и успешно применена в криолитозоне для предотвращения фильтрации подземных вод через основание плотины Вилюйской ГЭС-3.

Вилюйская ГЭС-3 (Светлинская ГЭС), построенная на р. Вилюй у пос. Светлого (Республика Саха — Якутия), была введена в эксплуатацию в 2008 г. Входящая в Вилюйский каскад ГЭС с изолированной от ЕЭС России энергосистемой, она предназначена для энергоснабжения алмазодобывающей промышленности, перспективной добычи углеводородного сырья и других полезных ископаемых в юго-западной части Якутии, а также для энергоснабжения жилищно-коммунальной сферы нескольких близлежащих поселков (рис. 1).

Географическое положение Вилюйской ГЭС-3 обусловило своеобразные климатические условия рассматриваемой территории, характеризующиеся резкой континентальностью, которая проявляется в очень низких зимних и достаточно высоких летних температурах воздуха с большими амплитудами температур теплого и холодного сезонов года, умеренным количеством осадков, которые распределяются по сезонам очень неравномерно (выпадают преимущественно в летний период). В результате здесь отмечаются продолжительные (6–7 месяцев) суровые зимы и короткое (2,5–3 месяца), достаточно жаркое лето. По данным ближайшей к ГЭС метеостанции в г. Мирном, средняя годовая температура воздуха составляет −8,2 °С, средняя месячная температура самого холодного месяца (января) −32,3 °С и самого теплого месяца (июля) +16,8 °С.

Суровые природно-климатические условия способствовали формированию в районе Вилюйской ГЭС-3 зоны сплошного распространения многолетнемерзлых горных пород (ММП) мощностью 120–250 м и с преобладающими среднегодовыми температурами от −1 до −3 °С.

По материалам инженерно-геологических изысканий, проведенных в 2004 г., мерзлотно-грунтовые и гидрогеологические условия в районе левобережной каменно-земляной плотины (ЛКЗП), соединяющей с левым берегом перекрытой реки бетонную плотину со зданием машинного зала Вилюйской ГЭС-3, признаны очень сложными [1]. В стратиграфическом разрезе горных пород основания плотины наблюдаются залегающие сверху пестроцветные породы илгинской свиты, сменяющиеся ниже осадками верхоленской свиты.

Породы илгинской свиты (dl QII-IV), представленные алевролитами и мергелями с прослоями доломитов, известняков, песчаников и аргиллитов, находятся в оползневом залегании и расчленены на отдельные блоки трещинами отрыва, зонами скольжения и дробления, заполненными щебенисто-дресвяным материалом и льдом. В естественном состоянии они мерзлые с трещинно-пластовой, трещинно-жильной, корковой, массивной, местами базальной криогенной текстурой. Визуальная льдистость: в массиве — 5%, в зоне разуплотнения — 10%, по трещинам и зонам скольжения — от 15–30 до 50%.

Под жесткими оползневыми штампами илгинских пород располагаются дислоцированные породы верхоленской свиты (dl QII-IV), состоящие из аргиллитов, мергелей с прослоями алевролитов, известняков и доломитов. Они слоистые, сильнотрещиноватые, перемяты и раздавлены до щебня и суглинка с отдельными блоками сохранившихся пород. Породы засолены (0,5–7,0%), загипсованы (1–2%), мерзлые и талые с криопэгами. Криогенная текстура трещинно-пластовая и массивная. Визуальная льдистость до 5%.

С учетом выявленной засоленности пород в районе ЛКЗП определена осредненная температура начала их замерзания: −1,5 °С — на абсолютных отметках 149 м и выше (илгинская свита) и −3,2 °С — на отметках ниже 149 м (верхоленская свита).

Исследуемые породы имеют величину удельного водопоглощения в диапазоне от 0,01 л/мин по скважине 3980 (верховая цементационная штольня) до 0,45 л/мин по скважине 3982 (припортальный участок), что свидетельствует об их хорошей водопроницаемости и существенной величине возможного коэффициента фильтрации (по прогнозу — более 1 м/сут). В породах с криопэгами, т. е. с сильно минерализованными подземными водами в области распространения ММП, температура начала их замерзания может понижаться до значений −3,2 °С, что позволяет происходить фильтрации подземных вод через породы с отрицательными температурами. В слабых породах усиление фильтрации угрожает развитием суффозии, что может привести к образованию каналов сосредоточенной фильтрации и размыву грунтового основания [1].

В 2009 г., по данным натурных наблюдений за термофильтрационным состоянием ЛКЗП, был выявлен целый ряд нарушений режима ее безопасной эксплуатации. Это усиливающаяся фильтрация подземных вод в основании плотины, признаки усиления фильтрации и расширения зоны оттайки в ее береговом примыкании, превышение ряда показателей состояния критериальных значений безопасности, в том числе по годовому тренду температур грунтов основания, осадкам контрольных марок и горизонтальным смещениям, наличию протяженных фронтальных трещин на гребне, повышенным пьезометрическим уровням в контрольных скважинах.

По результатам этих наблюдений и для обеспечения безопасной эксплуатации ЛКЗП были спроектированы и выполнены работы по совместному устройству противофильтрационного элемента «стена в грунте» (ЛКЗП, припортальный участок) и глубинной мерзлотной завесы (две цементационные штольни длиной 67 м, шириной 3,65 м каждая и припортальный участок «стены в грунте»), рис. 2.

В НПО «Фундаментстройаркос», где имеется большой опыт создания систем и устройств термостабилизации мерзлых грунтов, был разработан и реализован проект глубинной мерзлотной завесы, установленной в интервале глубин с абсолютными отметками 184–124 м на припортальном участке и с плавным поднятием к забою верховой цементационной штольни до отметок 185–125 м.

В пределах последней она представлена двумя рядами глубинных коллекторных труб охлаждающих вертикальных (ТОВ), последовательно смонтированных в три системы: ОХЛ-1,

ОХЛ-2 и ОХЛ-3. На припортальном участке «стены в грунте» к ним присоединяется еще одна система ОХЛ-4.

Все они заправлены углекислотой в качестве хладагента. Двурядность мерзлотной завесы обусловлена технологическими трудностями, возникающими в стесненных условиях бурения слабых сильнотрещиноватых пород на глубину до 60 м при необходимости выдерживать шаг между охлаждающими трубами не более рассчитанного по прогнозу [2].

Для определения режима работы систем ОХЛ в НПО «Фундаментстройаркос» в рамках проекта термостабилизации мерзлых пород на рассматриваемом участке был сделан соответствующий прогнозный расчет. В нем установлен ряд требований для предотвращения фильтрации подземных вод через эти породы. В частности, предполагается, что эффективно системы ОХЛ будут работать в зимний период примерно с 15 ноября по 15 марта с использованием в конденсаторной части аппарата воздушного охлаждения (АВО).

В связи со слабой изученностью и сложностью инженерно-геологических и фильтрационных условий в проекте рекомендуется в летний период эксплуатировать системы ОХЛ, подключая холодильную машину КХУ АКВНО7461-4, с установленной на испарителе температурой −31 °С. Последняя включается в весенний период при устойчивом росте температуры воздуха выше −10 °С, а отключается при ее устойчивом понижении до −15 °С и ниже. По прогнозному расчету, учитывая отсутствие водоупорных слоев в породах основания, следует опасаться возможного развития обходных фильтрационных потоков на абсолютных отметках ниже 123 м. Также выход фильтрационных потоков возможен на отметках 155–168 м [3].

При эксплуатации в криолитозоне инженерных сооружений, построенных по I-му принципу с сохранением грунтов оснований постоянно в мерзлом состоянии, требуется проведение регулярного геотехнического мониторинга [4]. Он необходим для сбора достоверных данных по температурному и деформационному состоянию грунтовых оснований, работоспособности охлаждающих устройств, устойчивости и долговечности фундаментов и надземных конструкций, наблюдениям за погодными условиями. Геотехнический мониторинг включает в себя целый комплекс мероприятий, обязательной частью которого является мониторинг температурного режима грунтов оснований, опирающийся на термометрические наблюдения. Количество, глубина и размещение необходимых для этого термометрических скважин, программа измерений в них определяются соответствующими проектами, учитывающими назначение, степень ответственности и линейные размеры строящихся зданий и сооружений.

В рамках программы геотехнического мониторинга массив горных пород, охлаждаемый глубинной мерзлотной завесой, контролируется рядом пробуренных в нем термометрических скважин глубиной около 70 м, в которых проводятся регулярные наблюдения за температурным режимом. Эти скважины находятся в цементационных штольнях и на припортальном участке «стены в грунте» как в створе систем ОХЛ, так и вне его простирания (рис. 3).

Анализ результатов мониторинга температуры горных пород в термометрических скважинах на исследуемом участке с октября 2014 г. по апрель 2018 г. позволяет выявить следующие особенности.

В группе из четырех скважин, расположенных непосредственно в створе охлаждающих систем ОХЛ в верховой цементационной штольне (см. рис. 3), температурный режим горных пород за указанный период в скважинах Т-21, Т-19 и Т-23 имеет схожий характер (рис. 4). Во всех этих скважинах температура пород в предпусковой для систем ОХЛ период (октябрь 2014 г.) изменялась от 0 до −1,5 °С.

В дальнейшем, благодаря работе этих систем с использованием АВО и холодильной машины, к апрелю 2018 г. она понизилась до значений от −18 до −19 °С. Ее максимальное понижение за указанный срок составило 19 °С. В скважине Т-20, расположенной на периферии системы ОХЛ-1, в октябре 2014 г. преобладала температура пород от −0,5 до −1,5 °С. В результате работы системы ОХЛ-1 она понизилась до значений от −4 до −6 °С (апрель 2018 г.) с максимальной амплитудой до 5 °С, что значительно слабее, чем в указанных выше скважинах. Следует отметить, что породы, с учетом их засоленности, во всех скважинах были талыми в первый срок наблюдений и мерзлыми — во второй срок.

Разнохарактерный температурный режим горных пород отличает пять термометрических скважин, находящихся в низовой цементационной штольне примерно в 10 м от створа глубинной мерзлотной завесы (см. рис. 3). В скважинах ТП-34, ТП-33 и 3982 в апреле 2014 г. температура пород колебалась от +0,5 до −1,5 °С. Через четыре года в апреле 2018 г. она понизилась до значений от −2 до −5,5 °С с максимальной амплитудой от 3,5 до 5,5 °С, за исключением интервала абсолютных отметок 160–165 м, где это понижение составило до значений от −0,5 до −2 °С (рис. 5). В рассматриваемых скважинах в первый срок наблюдений породы были талыми, во второй срок талыми они остались в скважинах ТП-34 (интервалы абсолютных отметок — 160–170 м и ниже 143 м), 3982 (ниже 126 м) и ТП-33 (ниже 121 м). В остальных интервалах глубин породы стали мерзлыми.

Иная картина динамики температурного режима пород наблюдается в скважинах ТП-30 и 3980, расположенных также в низовой цементационной штольне не менее чем в 10 м от скважины Т-20 (см. рис. 3). Если в апреле 2014 г. она колебалась в основном в интервале значений от −0,5 до −1,5 °С, то в апреле 2018 г. заняла, главным образом, интервал от −1,5 до −2 °С, причем в скважине 3980 на абсолютных отметках 160–180 м температура пород опустилась еще ниже — до −3,5 °С (рис. 6).

Максимальное понижение за указанный срок составило от 0,5 до 3 °С.

В данных скважинах в первый срок наблюдений породы практически были талыми, во второй срок талыми они остались в обеих скважинах ниже абсолютной отметки 149 м, а на отметке 149 м и выше стали мерзлыми.

В период исследований также наблюдалась своеобразная динамика температурного режима пород в скважинах 3987 и ТП-28, находящихся за пределами обеих штолен и глубинной мерзлотной завесы (см. рис. 3).

Из-за возникшей аварийной ситуации и переноса в другое место за пределами охлаждающей системы ОХЛ-4 скважины 3987 верифицированные термометрические данные по ней имеются лишь с октября 2016 г., когда замеры показали распространение в пределах интервала глубин с абсолютными отметками 124–184 м температуры пород от +2 до −3 °С (рис. 7). В апреле 2018 г. температура стала заметно ниже — от −5 до −9,5 °С на отметках 135–184 м и от +1 до −5 °С ниже отметки 135 м с максимальной амплитудой понижения до 6,5 °С.

В первый срок наблюдений в скважине породы практически были талыми на отметке 149 м и ниже и мерзлыми — выше отметки 149 м. Во второй срок они были мерзлыми везде, за исключением интервала 128–130 м, где температура составила выше +1 °С.

Скважина ТП-28, находясь на припортальном участке «стены в грунте» в 3,5 м от конца створа системы ОХЛ-4, фактически отражает естественную динамику температурного режима горных пород. Если в октябре 2014 г. их температура на отметках 112–180 м была в интервале от 0 до +3 °С, то в апреле 2018 г. она значительно понизилась, причем неравномерно по глубине — до значений от +2,5 до −2 °С на отметках 112–145 м и значений от −2 до −5 °С на отметках 145–180 м (см. рис. 7). Максимальное понижение температуры за рассматриваемый период достигало 5,5 °С. В 2014 г. породы в скважине были повсеместно талыми, в 2018 г. выше примерно отметки 148 м они стали мерзлыми.

При проведении мониторинговых исследований скважин 3987 и ТП-28 следует уделять повышенное внимание интервалу с отметками 128–130 м на предмет возможной там активизации фильтровых потоков подземных вод.

По итогам проведенных исследований получены следующие основные результаты.

При строительстве и эксплуатации плотинных ГЭС всегда серьезной проблемой является предотвращение фильтрации подземных вод через основания плотин. Учитывая природно-климатические условия района, позитивный опыт противофильтрационных мероприятий на других объектах, для исследуемого объекта эта проблема решена инновационным способом, включающим совместное устройство здесь противофильтрационного элемента «стена в грунте» (ЛКЗП, припортальный участок) и глубинной мерзлотной завесы (цементационные штольни, припортальный участок «стены в грунте»). Эта разработанная в НПО «Фундаментстройаркос» мерзлотная завеса смонтирована в интервале глубин с абсолютными отметками 184–124 м на припортальном участке и с плавным поднятием до отметок 185–125 м к забою верховой цементационной штольни.

В пределах последней она представлена двумя рядами естественно-действующих глубинных коллекторных труб ТОВ, предусматривающих при необходимости совместную работу с аппаратами АВО в холодный период и холодильной машиной в теплый период года. Реализованное проектное решение оказалось успешным, о чем свидетельствуют результаты регулярно проводимого геотехнического мониторинга на контролируемой площадке.

Как показано выше, данные мониторинга температуры горных пород на исследуемом участке однозначно свидетельствуют о ее понижении во всех рассматриваемых скважинах за период с апреля 2014 г. по апрель 2018 г.

Ярче всего эта тенденция проявилась в скважинах Т-19, Т-21 и Т-23, расположенных непосредственно в створе глубинной мерзлотной завесы с системами ОХЛ в верховой цементационной штольне. В остальных скважинах, заложенных в стороне от этого створа, понижение температуры пород за указанный период также наблюдалось, хотя и в меньших масштабах.

В результате работы систем ОХЛ к апрелю 2018 г. в горных породах исследуемой площадки (цементационные штольни, припортальный участок) сформировался сплошной массив ММП с температурами от −1,5 до −19 °С, причем он отмечается в полосе шириной до 10 м и более вокруг глубинной мерзлотной завесы в интервале глубин 184–124 м, в более периферийных частях — на глубинах от 185–184 до 149 м (рис. 8).

В качестве важной естественной причины понижения температуры пород во всех рассматриваемых термометрических скважинах за период 2014–2018 гг. могло бы служить возможное понижение среднегодовой температуры воздуха. Однако, по данным метеостанции Мирного, она выросла с −6,9 °С в 2014 г. до −5,6 °С в 2018 г. (табл. 1).

Таким образом, следует признать, что понижение температуры пород во всех исследуемых скважинах, расположенных в верховой цементационной штольне и на припортальном участке плотины Вилюйской ГЭС-3, за рассматриваемый период произошло вопреки естественной тенденции температуры воздуха и исключительно в результате охлаждающего воздействия глубинной мерзлотной завесы с системами ОХЛ, причем наблюдающегося даже за ее пределами на расстоянии 10 м и более. Использование в данном случае совместной работы систем ОХЛ с аппаратами АВО в холодный период и холодильной машиной в теплый период года позволяет установить фактический контроль над температурным режимом выбранного массива горных пород с возможностью его регулирования, что обеспечивает полноценный учет влияния природно-климатических факторов, максимальную предсказуемость и безопасность эксплуатации важного энергетического объекта.

Литература

 

  1. Долгих Г. М., Окунев С. Н., Мельникова Е. А. и др. Глубинные коллекторные СОУ — новый шаг при строительстве уникальных объектов на примере Вилюйской ГЭС-3 // Системы температурной стабилизации грунтов оснований в криолитозоне. Новосибирск: Акад. изд-во «Гео», 2014. С. 82–92.
  2. Окунев С. Н., Долгих Г. М., Скорбилин Н. А. Укрепление плотины Вилюйской-ГЭС-3 путем ее замораживания // Арктика, Субарктика: мозаичность, контрастность, вариативность криосферы: труды международной конференции. Тюмень: Эпоха, 2015. С. 272–275.
  3. Окунев С. Н., Долгих Г. М., Скорбилин Н. А. Предотвращение процессов фильтрации путем создания мерзлотной завесы на Вилюйской-ГЭС-3 // Гидротехника. 2017. № 2 (47). С. 66–70.
  4. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. М., 2012.

 

Россия, 625014, г. Тюмень,
ул. Новаторов, 12
Тел.: +7 (3452) 27-11-25, 27-14-84
Факс +7 (3452) 52-02-40
e-mail: fsa@npo-fsa.ru
www.npo-fsa.ru

На сайте размещена сокращенная версия статьи. Полную версию читайте в журнале.

Авторы